不同生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究進(jìn)展

劉 超，盛超亞，劉俊杰，王 娟，丁曉宇

（1.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830017；2.自然資源部荒漠-綠洲生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，烏魯木齊 830002；3.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（新疆大學(xué)），烏魯木齊 830017；4.鄭州博睿醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室有限公司，鄭州 450000）

生態(tài)系統(tǒng)在各種自然及人為因素的干擾下出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象［1］，主要表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞、功能衰退、生物多樣性減少、生產(chǎn)力下降以及土地生產(chǎn)潛力衰退、土地資源喪失等一系列生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象［2，3］。蒸散發(fā)是聯(lián)系氣候、水、熱和碳循環(huán)的關(guān)鍵生態(tài)水文過(guò)程，對(duì)研究區(qū)域水循環(huán)和能量平衡極其重要［4，5］。地球表面每年有60%的降水通過(guò)蒸散作用返回到大氣中［6］，研究蒸散發(fā)對(duì)天氣預(yù)報(bào)、旱澇監(jiān)測(cè)、水資源和農(nóng)業(yè)管理以及全球變化等領(lǐng)域有重要意義［7］。

蒸散發(fā)的研究已出現(xiàn)在多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，將生態(tài)系統(tǒng)按照形成的原動(dòng)力和影響力可分為自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)。自然生態(tài)系統(tǒng)包括森林、草地、荒漠以及濕地生態(tài)系統(tǒng)；人工生態(tài)系統(tǒng)包括農(nóng)田和城市生態(tài)系統(tǒng)［8，9］。各生態(tài)系統(tǒng)在保持水土、防風(fēng)固沙、保護(hù)生物多樣性、維護(hù)生態(tài)平衡等方面都承擔(dān)著重要的作用［10］，因此在不同生態(tài)系統(tǒng)中研究蒸散發(fā)都具有重要意義。

蒸散發(fā)的研究最早可以追溯到200 多年前，1802 年Dalton［11］基于蒸發(fā)面的蒸發(fā)速率與影響蒸發(fā)諸因素之間的關(guān)系提出了道爾頓蒸發(fā)定律；1926 年Bowen［12］基于地面能量平衡方程與近地層梯度擴(kuò)散理論，提出了波文比-能量平衡法；1939 年Wilm等［13］借助近地面邊界層相似理論，提出空氣動(dòng)力學(xué)法的原型；1948 年P(guān)enman［14］提出潛在蒸散發(fā)的概念；1951 年Swinbank［15］借助三維風(fēng)速儀、紅外氣體分析儀等探頭測(cè)定有關(guān)物理量的脈動(dòng)值與垂直風(fēng)速脈動(dòng)值的協(xié)方差來(lái)計(jì)算該物理量的垂直湍流輸送量，提出了渦度相關(guān)法的概念；1953 年P(guān)enman［16］基于潛在蒸散發(fā)提出了單個(gè)葉片氣孔蒸騰計(jì)算公式；1954 年Jensen 等［17］提出參考作物蒸散發(fā)概念；1965 年Monteith［18］加入能量平衡和水汽擴(kuò)散理論所衍生的表面阻抗模型，從而更新了Penman-Monieth公式；1977 年聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）明確定義了參考作物蒸發(fā)量（ET0）［19］；1979 年FAO 基于修正后的ET0更新了Penman 公式［20］；1998 年FAO 第56 號(hào)灌溉和排水文件（FAO-56）使用單一方法計(jì)算參考蒸散量（ET0），提供了基礎(chǔ)作物系數(shù)表［21］；2005年美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）環(huán)境和水資源研究所參考蒸散標(biāo)準(zhǔn)化任務(wù)委員會(huì)提供了用于計(jì)算天氣數(shù)據(jù)參考蒸散量（ET）的標(biāo)準(zhǔn)化方程以及用于天氣數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估和控制的程序［22］。20 世紀(jì)70 年代后，國(guó)內(nèi)外研究蒸散發(fā)多加入遙感信息技術(shù)［23］；21世紀(jì)以來(lái)，少量結(jié)合地面資料，大幅依靠遙感數(shù)據(jù)成為研究蒸散發(fā)的熱點(diǎn)［24］。國(guó)內(nèi)的蒸散發(fā)研究開(kāi)始較晚且發(fā)展較緩慢，直到20 世紀(jì)80 年代以來(lái)才有了較為深入的研究。

本研究以實(shí)測(cè)法和模型法為劃分依據(jù)［23］，總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒸散發(fā)測(cè)定的實(shí)際應(yīng)用以及模型構(gòu)建研究，并對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，旨在表明不同生態(tài)系統(tǒng)中蒸散發(fā)研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢(shì)，以期為生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)測(cè)法

1.1.1 蒸滲儀 蒸滲儀是在完全真實(shí)的情況下，對(duì)水分的下滲、地表徑流、地下徑流以及蒸散發(fā)進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)定［25］。根據(jù)蒸滲儀測(cè)定原理的不同分為非稱重式和稱重式兩種，非稱重式蒸滲儀采用中子探測(cè)器檢測(cè)排水量、貯水量，用雨量計(jì)檢測(cè)降雨量，通過(guò)測(cè)定差值得到蒸散量［26］；稱重式蒸滲儀利用壓力感應(yīng)計(jì)測(cè)定蒸滲儀的質(zhì)量變化，搭建水量平衡方程測(cè)定作物蒸散發(fā)［27，28］，即：

式中，ET為作物蒸發(fā)量，I為灌溉量，P為降水量，Q為地下水流量，ΔR為凈地表流量，ΔW為始末蒸滲儀的質(zhì)量差，以上計(jì)量單位均為mm。非稱重式蒸滲儀具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，但面對(duì)大田作物群體蒸發(fā)量的測(cè)定極其受限［26］。大型稱重式蒸滲儀能夠有效測(cè)定農(nóng)田等群體蒸散發(fā)，但具有體積大、造價(jià)高、維護(hù)復(fù)雜、土壤原始環(huán)境破壞大等缺點(diǎn)［29］；小型稱重式蒸滲儀能夠精準(zhǔn)控制試驗(yàn)條件、便于進(jìn)行多處理重復(fù)試驗(yàn)、便于移動(dòng)、造價(jià)低，但具有測(cè)量精度低等缺點(diǎn)［30］。Srinivas 等［31］在農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)，采用非稱重式蒸滲儀法對(duì)不同發(fā)育階段綠豆作物的蒸散發(fā)進(jìn)行了蒸滲試驗(yàn)，研究表明該試驗(yàn)的作物系數(shù)值與FAO 估計(jì)的平均值略有不同，可能是由于當(dāng)?shù)氐奶厥猸h(huán)境氣候以及綠豆品種引起的。Groh 等［32］采用稱重式蒸滲儀測(cè)定了低山區(qū)以及高山草地露水和白霜的形成過(guò)程，較好地預(yù)測(cè)了露水和白霜形成的數(shù)量和季節(jié)模式，為量化露水和白霜的形成水量及生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)相關(guān)性提供了參考依據(jù)。蒸滲儀法對(duì)研究土壤蒸發(fā)和草本層蒸發(fā)有現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)椴莸卣羯l(fā)的測(cè)定提供理論指導(dǎo)［33］。

1.1.2 氣孔計(jì)法 植物氣孔是植物葉片與外界氣體交換的通道，是作物蒸騰過(guò)程中水蒸氣由體內(nèi)運(yùn)輸?shù)襟w外的主要出口［34］。研究葉片尺度的植物蒸散發(fā)對(duì)研究作物實(shí)際蒸散發(fā)有極其重要的意義。植物氣孔計(jì)利用植物蒸騰作用產(chǎn)生的蒸騰拉力作為主要?jiǎng)恿?，測(cè)量氣象要素對(duì)植物葉片氣孔的影響［35］。美國(guó)LI-COR 公司的LI 穩(wěn)態(tài)氣孔計(jì)以一種“非穩(wěn)態(tài)”的測(cè)定方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)測(cè)定，儀器借助氣孔計(jì)內(nèi)的微處理器和溫度、濕度、流量等傳感器，自動(dòng)測(cè)出進(jìn)入葉室的干、濕空氣和流出葉室的空氣溫度、濕度、流量以及葉片溫度等參數(shù)，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，最后得出氣孔阻力、蒸騰速率和光合有效輻射等［36-38］。英國(guó)PP SYSTEM 公司的CIRAS 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)整合了葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)，可以在自然或人為條件下控制光照度、溫度、CO2濃度和H2O 濃度來(lái)測(cè)定蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等［39，40］。氣孔計(jì)法能夠較好地反映出隨環(huán)境變化植物葉片蒸騰作用的相應(yīng)變化，但測(cè)定的數(shù)據(jù)與植物葉片的實(shí)際蒸發(fā)量存在較大偏差，必須進(jìn)行校正才能用于植物蒸騰強(qiáng)度或耗水量的直接比較。高冠龍等［41］采用LI-COR 6400 光合作用測(cè)定系統(tǒng)在黑河下游阿拉善群落水熱平衡觀測(cè)場(chǎng)對(duì)荒漠河岸檉柳葉片氣孔導(dǎo)度進(jìn)行了觀測(cè)，分析了植物氣孔導(dǎo)度在晴朗天氣條件下的日變化特征，并結(jié)合植物生理相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)檉柳葉片氣孔導(dǎo)度進(jìn)行了模擬。

1.1.3 化學(xué)示蹤法 示蹤劑在對(duì)土壤水分和植物水分平衡組成的研究方面具有顯著成效［42］?；瘜W(xué)示蹤法的原理是將示蹤劑與水分耦合計(jì)算，通過(guò)將水量平衡方程和示蹤劑質(zhì)量平衡方程聯(lián)立，耦合計(jì)算模式在水文學(xué)方法基礎(chǔ)上增加示蹤劑的混合轉(zhuǎn)移、同位素分餾等過(guò)程，使蒸散發(fā)計(jì)算的物理意義更加清晰，同時(shí)對(duì)部分模型參數(shù)起到一定的約束作用［43］。化學(xué)示蹤法具有快速、高效、靈敏度高、可定位等優(yōu)點(diǎn)，但是示蹤劑的選擇是化學(xué)示蹤法研究的一大難點(diǎn)［44］。專利CN109598082A 公開(kāi)了基于氫氧同位素的湖泊蒸發(fā)量及關(guān)鍵水文信息的計(jì)算方法，在蒸發(fā)過(guò)程中受到氣象場(chǎng)控制，水體中的同位素比值發(fā)生了瑞利分餾，基于此構(gòu)建了湖泊的水量平衡模型從而獲得了湖泊蒸發(fā)入流的比例［45］。該專利雖然在水源成分的區(qū)分上有一定的研究盲區(qū)，無(wú)法確定出準(zhǔn)確反映湖泊補(bǔ)給水源的動(dòng)態(tài)變化技術(shù)，但是通過(guò)模擬水庫(kù)流域出口處水體同位素分餾情況，能夠?qū)⒄羯l(fā)的研究領(lǐng)域拓展到流域尺度，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)的欠缺，進(jìn)而形成一種新型的實(shí)際可用的水文監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1.1.4 大孔徑閃爍儀 大孔徑閃爍儀（LAS）以閃爍原理為基礎(chǔ)，當(dāng)光束在擾動(dòng)大氣中沿直線傳播時(shí)，受到擾動(dòng)引起傳播光束強(qiáng)度的波動(dòng)，通過(guò)接收到光程上的大氣波動(dòng)光束，并用折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（Cn

2）來(lái)反映大氣的湍流強(qiáng)度，結(jié)合空氣溫度、濕度、大氣壓力等氣象要素資料，根據(jù)折射指數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)推算顯熱通量［46］。該儀器由發(fā)射儀和接收儀組成，二者間隔放置。發(fā)射儀發(fā)射一定波長(zhǎng)和直徑的波束，經(jīng)過(guò)大氣傳播，接收儀接收受到光程路徑上溫度、濕度和氣壓波動(dòng)影響的光，并用空氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)（）表示如下。

式中，L為光程長(zhǎng)度（m），D為儀器孔徑直徑（cm），δlnI2為光強(qiáng)波動(dòng)的自然對(duì)數(shù)方差，為閃爍儀的輸出值，其中受到熱力學(xué)溫度T、絕對(duì)濕度Q和大氣壓P影響。利用大孔徑閃爍儀可大尺度（公里級(jí)）估算地表水熱通量；但閃爍儀飽和度和信號(hào)質(zhì)量受到安裝高度、光徑長(zhǎng)度和天氣狀況的影響［47，48］。楊凡等［49］綜合采用大孔徑閃爍儀和渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)2010 年8 月中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站的夏玉米田蒸散發(fā)進(jìn)行了測(cè)定和校驗(yàn)，研究結(jié)果表明二者測(cè)得感熱通量的日變化、月變化基本保持一致；但由于下墊面屬性、環(huán)境因子等因素，日變化存在差異但日總蒸散量差別不大，進(jìn)而對(duì)大孔徑閃爍儀計(jì)算的蒸散量和渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)值進(jìn)行了線性回歸分析，分析結(jié)果表明二者存在顯著線性相關(guān)關(guān)系（R2=0.800 4）。郝小翠等［50］利用2010 年1 月和6 月定西站的同步觀測(cè)資料以及通用路面模式的模擬數(shù)據(jù)定量分析了大孔徑閃爍儀法（LAS）相對(duì)于渦度相關(guān)法（EC）在地表能量閉合度上的優(yōu)勢(shì)并降低了渦度相關(guān)儀在區(qū)域路面驗(yàn)證結(jié)果中10%以上的偏差，但LAS 在擬合系數(shù)與相關(guān)系數(shù)的提高額度受到作物生長(zhǎng)期、路面模式的影響，即生長(zhǎng)季模擬效果大于非生長(zhǎng)季、下墊面情況越復(fù)雜模擬效果越好。

1.1.5 渦動(dòng)相關(guān)法 渦度相關(guān)法基于大氣湍流理論和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)［51］，利用有關(guān)物理量的脈動(dòng)值與垂直風(fēng)速脈動(dòng)值的協(xié)方差計(jì)算近地層潛熱通量和感熱通量［15］，其公式為：

式中，ρa(bǔ)為空氣密度（kg/m3），w′為垂直風(fēng)速脈動(dòng)值（m/s），q′為比濕的脈動(dòng)值（kg/kg），為垂直風(fēng)速與比濕脈動(dòng)的協(xié)方差，λ為水的汽化潛熱（J/kg），ET為作物耗水量［kg/（m2·s）］，Hs為感熱通量（W/m2），Cp為空氣的定壓比熱［kJ/（kg·K）］，T′為虛溫的脈動(dòng)值（m/s），為垂直風(fēng)速與虛溫脈動(dòng)的協(xié)方差。渦度相關(guān)法具有采樣區(qū)域相對(duì)較廣（縱向可達(dá)到數(shù)百至數(shù)千米的范圍）、測(cè)定時(shí)間尺度大（可達(dá)半小時(shí)到數(shù)年）的優(yōu)點(diǎn)，可以在測(cè)定氣象因素的同時(shí)分析物質(zhì)、能量以及氣象因子之間的相互關(guān)系且研究過(guò)程中對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象破壞程度較?。?2］。但同樣存在許多限制因子，受到湍流強(qiáng)度大小的影響所得數(shù)據(jù)誤差較大、儀器成本較高、運(yùn)行技術(shù)復(fù)雜、測(cè)定ET 存在能量不閉合及ET 低估現(xiàn)象等［53］。王韋娜等［54］利用蒸滲儀、渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)三江源區(qū)退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的蒸散和環(huán)境要素進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，研究結(jié)果表明二者測(cè)定的蒸散具有較好的相關(guān)性，但渦度相關(guān)法可能會(huì)低估該地區(qū)的蒸散量。Wu 等［55］利用禹城、楊凌、商丘三個(gè)站點(diǎn)的渦度協(xié)方差系統(tǒng)、大型蒸滲儀和氣象站數(shù)據(jù)，應(yīng)用Penman-Monieth Jarvis 模型獲得的冠層阻力對(duì)不同生育期的玉米蒸散進(jìn)行了測(cè)定，并采用遺傳算法（GA）和差分進(jìn)化算法（DE）優(yōu)化了Jarvis 模型的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，結(jié)果表明采用DE 優(yōu)化算法優(yōu)化Jarvis 模型的參數(shù)更有利于模擬中國(guó)北方半濕潤(rùn)地區(qū)的作物蒸騰，但優(yōu)化參數(shù)受到作物不同生育期的影響。

1.2 模型法

1.2.1 水量平衡法 基于質(zhì)量守恒定律而衍生出的水量平衡方法是物質(zhì)與能量交換的主要研究方法，對(duì)于各生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)研究都具有里程碑式的意義［56］。水量平衡法建立在封閉的空間上，通過(guò)將輸入與輸出的水量參數(shù)聯(lián)立得到［57］，即：

式中，P為降雨量，D為土壤深層滲漏量，Q為地表徑流量，S為植物生長(zhǎng)儲(chǔ)水量，AET為大氣蒸發(fā)量，以上計(jì)量單位均為mm。水量平衡法具有適用范圍廣（地形復(fù)雜的研究場(chǎng)所也可用）、受天氣變化影響小、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)；但是蒸發(fā)量的測(cè)定在時(shí)間尺度上受限大，只適用于長(zhǎng)時(shí)間的蒸散發(fā)測(cè)量（一般為一周以上），無(wú)法描述蒸散發(fā)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程以及影響蒸散發(fā)的多種因子的作用關(guān)系。水量平衡法還受到輸出水量的影響，徑流量和滲流量過(guò)大導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏差大。Zhong 等［58］利用觀測(cè)到的降水、徑流和陸地蓄水變化，并采用水量平衡方程對(duì)中國(guó)9 個(gè)外流域的水量情況進(jìn)行了估算，從水量平衡出發(fā)對(duì)估算區(qū)域的蒸散和其他地區(qū)的蒸散進(jìn)行了比較，但在估算ET 過(guò)程中降水強(qiáng)迫數(shù)據(jù)和模擬徑流的偏差變大需要進(jìn)一步探究。Bai 等［59］通過(guò)三種全球高分辨率ET 產(chǎn)品在中國(guó)進(jìn)行了相互比較和評(píng)估，結(jié)果表明在流域規(guī)模上三種產(chǎn)品無(wú)法合理再現(xiàn)基于水平衡的年度蒸散時(shí)間序列，在流域尺度上，這三種產(chǎn)品對(duì)潮濕盆地蒸散測(cè)定存在較大誤差，此類現(xiàn)象的發(fā)生可能是由于強(qiáng)迫數(shù)據(jù)或模型算法的差異引起的。

1.2.2 波文比-能量平衡法 波文比法利用水面與空氣間的亂流交換熱量與自由水面蒸發(fā)的水氣耗熱之比，并結(jié)合能量平衡公式，求得顯熱通量（H）和潛熱通量（LE）之比［12］，對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行估算。

式中，P為大氣壓（Pa）；Cp為干燥空氣的分光熱［J/（kg·K）］；β為波文比；ε為水蒸氣和空氣的相對(duì)分子質(zhì)量之比；Lv為汽化潛熱（kJ/kg）；Kh、Kw分別表示熱和水蒸氣的渦度，假設(shè)二者相等；T1、T2表示作物冠層上方兩個(gè)不同高度處的溫度（℃）；e1、e2表示作物冠層上方兩個(gè)不同高度處的水汽壓力（kPa）；H表示能量平衡殘差（W）；LE表示潛熱通量，估算如下：

式中，Rn為凈輻射（W/m2）；G為土壤通量（W/m2）。波文比法所需的實(shí)測(cè)參數(shù)少、計(jì)算簡(jiǎn)單、精度較高，適用于大面積、小時(shí)間尺度估算潛熱通量。但是受到技術(shù)條件的限制，難以準(zhǔn)確測(cè)定兩個(gè)高度不同環(huán)境下的水汽壓差和溫差。其次利用波文比法易受到天氣、輻射、風(fēng)速等氣象要素影響。Niaghi 等［60］運(yùn)用渦流協(xié)方差（EC）、波文比能量平衡（BREB）和土壤水分平衡（SWB）三種方法對(duì)生長(zhǎng)季節(jié)的玉米蒸散進(jìn)行了估算，同時(shí)采用了殘差法對(duì)3 種研究方法進(jìn)行了能量閉合，研究結(jié)果表明EC 法和BREB 法測(cè)定差異的時(shí)期主要是在生長(zhǎng)季的前期以及收獲后期；在玉米生長(zhǎng)發(fā)育、抽穗期和繁殖期，EC 法與BREB 法的日平均LE和H值具有較好的一致性，EC法測(cè)得的ET略高于BREB 法；同時(shí)使用SWB 法比較和改善玉米ET（不同時(shí)間方法包括日均法、0：00—2：00 平均法、0：00—4：00 平均法和4：00 測(cè) 量法），其中0：00—2：00 時(shí)間段內(nèi)平均土壤含水量計(jì)算每日潛水位毛細(xì)上升量與BREB 法估算的ET 出現(xiàn)了最佳統(tǒng)計(jì)擬合現(xiàn)象（RMSE=1.15、SE=0.28），但是SWB 法測(cè)定ET嚴(yán)重受到土壤水分條件限制，且僅適用于作物生長(zhǎng)中后期。

1.2.3 遙感技術(shù) 遙感技術(shù)興起于20 世紀(jì)60 年代，利用傳感器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息進(jìn)行收集、處理和成像［61］。在蒸散發(fā)領(lǐng)域，將與地表水熱通量密切相關(guān)的地表參數(shù)信息通過(guò)遙感反演的方式獲?。?2］。相比于其他模型估算法，遙感技術(shù)在獲取區(qū)域或整體地表蒸散發(fā)方面具有高時(shí)效、高精度的特點(diǎn)，能夠多時(shí)段、多波段、多角度地綜合反映地表信息以及水、熱狀況，因此遙感技術(shù)在預(yù)測(cè)全球氣候變化、水資源管理、干旱監(jiān)測(cè)等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。但由于研究區(qū)地表空間的差異性較大或氣候比較復(fù)雜，遙感技術(shù)估算出的蒸散存在許多制約因子，利用遙感技術(shù)在模型機(jī)理與變量參數(shù)化方案、輸入數(shù)據(jù)和時(shí)間尺度擴(kuò)展等方面存在不確定性，影響了其準(zhǔn)確度的提高和應(yīng)用范圍的拓展，需要開(kāi)展真實(shí)性檢驗(yàn)［63］。Herman 等［64］研究了兩組不同遙感數(shù)據(jù)集（一組數(shù)據(jù)集基于簡(jiǎn)化地表能量平衡模型估算ETc、另一組數(shù)據(jù)集基于大氣-陸地交換逆模型估算ETc）采用多變量和遺傳算法校準(zhǔn)土壤與水的評(píng)估工具，兩種校準(zhǔn)模型均提高了水文模型在估算ETc中的性能，其中遺傳算法校準(zhǔn)系數(shù)能夠顯著降低估算流量的模型性能，多變量校準(zhǔn)技術(shù)能夠高精度估算流量模型性能；研究結(jié)果表明，將遙感和空間分布數(shù)據(jù)與正確的校準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合可提高水文模型的性能。

1.2.4 綜合法和輻射法 綜合法是在綜合輻射、溫度、水汽壓差、風(fēng)速等影響因子的基礎(chǔ)上提出的測(cè)定蒸散發(fā)的模型［65］。輻射法是指太陽(yáng)輻射被用來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)蒸散，直接影響地球系統(tǒng)的能量與物質(zhì)平衡。劉曉英等［66］利用北京市小湯山2012 年稱重式蒸滲儀實(shí)測(cè)日值檢驗(yàn)了16 種參考作物蒸散量模型（其中包括5 個(gè)綜合法、6 個(gè)輻射法、5 個(gè)溫度模型法），根據(jù)均方根誤差（RMSE）分析，結(jié)果表明，綜合法表現(xiàn)情況最好，輻射法表現(xiàn)一般，溫度檢驗(yàn)法效果最差。綜合法、輻射法模型表現(xiàn)效果更好主要是由于這兩種估算方法對(duì)區(qū)域環(huán)境輻射和飽和水汽壓差因素進(jìn)行了綜合，而溫度檢驗(yàn)法則沒(méi)有考慮這兩種因素。引起綜合法與輻射法估算模型差異的原因主要是飽和水汽壓差以及最大濕度，飽和水汽壓差對(duì)低估類模型偏差影響較大，最大濕度對(duì)高估類模型偏差影響較大。高云飛等［67］利用5 種綜合和輻射模型估算法在不同時(shí)間尺度上對(duì)黑河上游天澇池流域草地蒸散發(fā)的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行了比較，并對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行了敏感性分析，研究結(jié)果表明，在日尺度上，F(xiàn)AO-Penman-Monieth 模型、FAOPenman 和Penman 模型模擬效果較好，Priestly-Taylor 模型模擬效果居中，F(xiàn)AO-Radiation 模型模擬效果最差，是由凈短波輻射、風(fēng)速以及相對(duì)濕度引起的；在小時(shí)尺度上，Priestley-Taylor 模型模擬效果較好，其余模型均不適用，主要原因是這5 種模型均是在日尺度上開(kāi)發(fā)的，因此在小時(shí)尺度上模擬蒸散發(fā)不理想。

2 研究展望

2.1 研究進(jìn)展

本研究按照關(guān)鍵詞索引的方式對(duì)1999—2021年百度學(xué)術(shù)科研數(shù)據(jù)平臺(tái)上有關(guān)蒸散發(fā)研究出版物進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖1），同時(shí)對(duì)差異性較大的文獻(xiàn)進(jìn)行了人工篩選剔除。結(jié)果表明，自1999 年以來(lái)，各生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)研究都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，直到2017—2021 年增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減小，具體表現(xiàn)為高質(zhì)量論文的增加以及國(guó)內(nèi)期刊論文的減少。

圖1 1999—2021 年不同生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究出版物

不同生態(tài)系統(tǒng)類型蒸散發(fā)研究出版物數(shù)量如表1 所示，1999—2021 年有關(guān)蒸散發(fā)研究的出版物主要集中在草地、林地以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，荒漠、濕地和城市生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)研究出版物相對(duì)較少。

表1 1999—2021 年不同生態(tài)系統(tǒng)類型蒸散發(fā)研究出版物數(shù)量

將1999—2021 年近23 年蒸散發(fā)出版物按照實(shí)測(cè)法和模型法進(jìn)行劃分（圖2），其中實(shí)測(cè)法1 195篇、模型法3 783 篇。雖然實(shí)測(cè)法和模型法的發(fā)文量整體都呈先上升后下降趨勢(shì)，但總體而言蒸散發(fā)的研究主要集中在模型法上。相比于實(shí)測(cè)法而言，模型法在操作水平、大區(qū)域估算等方面遠(yuǎn)勝于實(shí)測(cè)法，是未來(lái)蒸散發(fā)研究的主要發(fā)展方向。

圖2 不同分類方法蒸散發(fā)研究出版物數(shù)量

將1999—2021 年蒸散發(fā)出版物按照不同研究方法進(jìn)行劃分，由圖3 可知，蒸滲儀法306 篇、輻射法1 340 篇、氣孔計(jì)法259 篇、化學(xué)示蹤法95 篇、渦度相關(guān)法378 篇、水量平衡法1 290 篇、大孔徑閃爍儀法110 篇、能量平衡法1 190 篇、遙感技術(shù)1 720篇、綜合法15 篇。數(shù)據(jù)表明水量平衡法、能量平衡法、遙感技術(shù)和輻射法是較常用的研究方法，其中遙感技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代興起的，可能是未來(lái)蒸散發(fā)的主要研究方法。

圖3 1999—2021 年不同研究方法蒸散發(fā)出版物數(shù)量

2.2 存在的問(wèn)題

蒸散發(fā)作為水文循環(huán)的重要過(guò)程，1999 年以來(lái)研究呈逐年上升趨勢(shì)。對(duì)于蒸散發(fā)的研究也從早期的實(shí)測(cè)法發(fā)展到模型法，然而面對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)中不同分類方法的蒸散發(fā)研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。

1）實(shí)測(cè)法可以對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行直接測(cè)定，通常表現(xiàn)為小面積試驗(yàn)樣區(qū)的單點(diǎn)測(cè)定，操作簡(jiǎn)單方便且測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。但采用實(shí)測(cè)法會(huì)面臨許多問(wèn)題，一是受到人力、物力及財(cái)力等影響，面對(duì)大區(qū)域尺度甚至全球尺度的蒸散量測(cè)定無(wú)法進(jìn)行；二是試驗(yàn)儀器精度要求較高，許多試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行；三是試驗(yàn)儀器制作維修以及管理方面存在較大問(wèn)題。

2）模型法可以綜合輻射、溫度、水汽壓差和風(fēng)速等影響因子對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間以及大規(guī)模的測(cè)定，區(qū)域蒸騰量的估算呈時(shí)間上由長(zhǎng)到短、空間上由小到大的發(fā)展趨勢(shì)［20］。但采用估算法測(cè)定同樣也有許多限制，如模型法的模擬驗(yàn)證結(jié)果需要用實(shí)測(cè)法進(jìn)行檢驗(yàn)；水量平衡法僅適用于長(zhǎng)期的蒸散發(fā)研究，而在面對(duì)短期蒸散發(fā)研究時(shí)并不適用；遙感技術(shù)估算精度低等。

2.3 發(fā)展方向

鑒于200 多年蒸散發(fā)的研究發(fā)展內(nèi)容、方向及趨勢(shì)，實(shí)測(cè)法中化學(xué)示蹤法的研究可能存在技術(shù)方面的問(wèn)題導(dǎo)致研究數(shù)量較少，但從其他研究領(lǐng)域看，該方法精確度較高，可能是未來(lái)的主流研究方法；模型法中遙感模型開(kāi)發(fā)時(shí)間較晚，仍有許多技術(shù)需要完善?？傮w來(lái)說(shuō)，模型法在操作水平、大區(qū)域估算方面遠(yuǎn)勝于實(shí)測(cè)法，未來(lái)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的研究將仍以模型估算為主。對(duì)于蒸散發(fā)的研究需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改良。

1）與大多數(shù)生態(tài)學(xué)的研究領(lǐng)域相同，尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題也是蒸散發(fā)研究的主要瓶頸。要得到進(jìn)一步發(fā)展，必須在不同時(shí)間尺度上對(duì)時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換的假設(shè)條件進(jìn)一步確定，在不同空間尺度上對(duì)影響轉(zhuǎn)換精度的因素進(jìn)一步完善。

2）在不同生態(tài)系統(tǒng)中測(cè)蒸散發(fā)時(shí)，要綜合考慮試驗(yàn)樣地環(huán)境及氣象等多種因素，對(duì)不同方法進(jìn)行比較得到最優(yōu)的測(cè)定方法。

3）新興技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍有待完善，在20 世紀(jì)60 年代后遙感技術(shù)得到不斷發(fā)展，該技術(shù)能夠提供LAI、植被覆蓋度、地表溫度等地表特征信息，降低地表通量模擬過(guò)程中的不確定性。但在應(yīng)用上由于研究區(qū)地表空間的差異性較大或氣候比較復(fù)雜存在許多制約因子，需要實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4）試驗(yàn)儀器的測(cè)量精度以及觀測(cè)過(guò)程中的試驗(yàn)誤差是造成測(cè)定結(jié)果錯(cuò)誤的部分原因，如果能夠確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，將有效減少蒸散量的誤差。