沙地灌丛蒸散组分分配机制及其驱动因素研究——基于改进双源模型与机器学习分析

《Ecological Indicators》：Evapotranspiration components and its driving mechanism in a sandy shrubland

本研究针对干旱半干旱区沙地灌丛生态系统蒸散(ET)组分估算精度不足的问题，通过改进Shuttleworth-Wallace(S-W)双源模型的冠层表面阻力(rsc)和土壤表面阻力(rss)参数化方案，结合随机模拟算法优化经验参数，显著提升了模型精度(R2提高20%)。研究发现小叶锦鸡儿群落蒸散组分分配受叶面积指数(LAI)和降水特征共同调控，植被蒸腾(T)在水分分配中占主导地位(T/ET平均值为0.58)。该研究为荒漠化防治和水资源管理提供了重要理论依据。

　　

在广袤的干旱半干旱地区，沙地灌丛生态系统如同沙漠中的绿色卫士，发挥着重要的生态屏障功能。然而，这些区域的生态系统极其脆弱，水分作为最关键的限制因子，其循环过程直接关系到植被的存亡。蒸散(ET)作为水循环的核心环节，包括土壤蒸发(E)和植被蒸腾(T)两个组分，其中T被认为是有效耗水，而E则被视为水资源的无效损失。准确估算ET及其组分比例，对于理解沙地生态系统的水碳循环机制、评估水资源承载能力和制定科学的荒漠化防治策略具有重要意义。

尽管国内外学者已开发了多种ET估算模型，但在植被稀疏、下垫面复杂的沙地灌丛生态系统中，传统模型仍存在显著局限性。特别是Shuttleworth-Wallace(S-W)双源模型，虽然具有坚实的物理基础，但其在冠层表面阻力(r_s^c)和土壤表面阻力(r_s^s)的参数化方案上存在不足，导致在干旱条件或稀疏植被情况下模拟精度较差。此外，关于沙地灌丛生态系统T/ET比例的驱动机制，特别是环境因子的非线性调控作用，尚缺乏系统研究。

针对这些科学问题，内蒙古农业大学水利与土木工程学院的研究团队在科尔沁沙地典型小叶锦鸡儿灌丛群落开展了长期定位观测(2015-2022年)，通过改进S-W模型并结合机器学习算法，深入探究了沙地灌丛生态系统ET组分的分配规律及其驱动机制。相关研究成果发表在环境生态学期刊《Ecological Indicators》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，基于长期原位观测数据，改进了S-W模型中的冠层表面阻力和土壤表面阻力计算方案，引入Ball-Berry气孔导度模型和光能利用率模型，更准确地描述了灌木的光合生理特性对蒸腾过程的影响；其次，采用蒙特卡洛随机模拟算法优化模型经验参数，提高了参数估计的客观性和准确性；第三，应用沙普利加和解释(SHAP)机器学习方法，量化分析了叶面积指数(LAI)、空气温度(T_a)、相对湿度(RH)等环境因子对T/ET的贡献度；最后，通过微蒸渗仪实测土壤蒸发数据验证了模型的可靠性。

3.1. 环境条件

研究期间(2015-2022年生长季)，净辐射(R_n)变化范围为-30.47至213.44 W/m²，气温(T_a)为-6.05至30.76℃，饱和水汽压差(VPD)为0.01-2.96 kPa，年降水量为341-491 mm，呈现出典型的温带大陆性季风气候特征。

3.2. 模型性能

改进的S-W模型显著优于原始模型，确定系数(R2)从0.71提高至0.85，均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别降低了55%和31%。对土壤蒸发的模拟也表现出良好性能(R2=0.87)，证明改进后的模型适用于沙地灌丛生态系统的ET组分划分。

3.3. 蒸散及其组分的变化特征

3.3.1. 日尺度动态

ET、E和T均表现出明显的季节性变化规律，旺盛生长期(6-8月)值最高，生长初期(5月)和末期(9-10月)相对较低。ET日变化范围为0.02-6.38 mm/d，E为0.001-4.34 mm/d，T为0.008-2.12 mm/d，平均值分别为1.73、1.01和0.72 mm/d。

3.3.2. 月尺度特征

月尺度上，ET、E和T从5月开始逐渐增加，8月达到峰值，随后下降。生长季月平均ET、E和T分别为24.6-79 mm、15.6-27.9 mm和8.7-51.65 mm。6-8月以T为主导(T/ET>0.6)，而5月和10月则以E为主。

3.3.3. 年际变化

年际尺度上，ET、E和T的年总量分别为260.33-355.96 mm、147.28-219.79 mm和113.04-140.75 mm。T/ET年际变化范围为0.56-0.62，平均值为0.58，且2015-2022年间呈现逐渐增加趋势，与LAI的变化趋势一致。

3.4. ET/P、E/P和T/P的动态及其驱动机制

ET/P、E/P和T/P的变化范围分别为0.71-0.83、0.28-0.33和0.40-0.51，平均值分别为0.76、0.32和0.44。ET/P和E/P与降水量呈负相关，而T/P主要受LAI调控，但在强降水年份(2017和2021年)，降水特征的影响更为突出。

3.5. T/ET对环境因子的响应

SHAP分析表明，环境因子对T/ET影响的贡献度排序为：LAI > RH > T_a > R_n > P > VPD > 土壤含水量(SMC)。当LAI>1.6时，对T/ET的促进作用显著增强；当RH>65%、R_n>100 W/m²和T_a>21℃时，这些条件也显著促进T/ET。

3.6. 水分平衡

小叶锦鸡儿群落整体处于水分盈余状态，年P-ET变化范围为80.77-142.07 mm。干旱期ET主导水分运移，而丰水期降水入渗更为明显。极端干旱期P-ET可降至负值，而集中降水期P-ET大幅增加，表明更多水分通过入渗向下运输。

研究结论与讨论部分指出，改进的S-W模型通过更准确地描述灌木光合生理特性对蒸腾过程的影响，显著提高了沙地灌丛生态系统ET的模拟精度。沙地灌丛的ET过程主要受水分可利用性和植被状况的共同调控，其中T/ET主要受LAI驱动，当LAI>1.6时其影响更为显著。水分平衡方面，ET在干旱期主导水分运移，而降水入渗在丰水期更为重要。

这项研究的科学意义在于：首先，改进的ET模型为准确估算干旱半干旱区沙地生态系统的水分消耗提供了可靠工具；其次，揭示了沙地灌丛生态系统蒸散组分的分配规律及其环境驱动机制，深化了对植被-水分关系的理解；最后，研究结果为区域水资源合理配置、植被恢复策略优化以及荒漠化防治提供了重要科学依据，对保障生态安全和可持续发展具有积极推动作用。