宁夏中部干旱带压砂地与荒漠草原辐射特征

Radiation Characteristics of Gravel-Mulched Fields and Desert Grasslands in the Central Arid Zone of Ningxia

摘要

利用2021年压砂地和荒漠草原（简称“草地”）逐小时净辐射通量、土壤热通量资料，基于常规气象统计方法，对比分析不同时间尺度净辐射通量和土壤热通量的变化特征，探讨不同下垫面能量平衡分量的变化规律。结果表明：（1）压砂地、草地净辐射通量在年内总体呈现“两头低、中间高”的变化规律，且压砂地的净辐射通量总体上高于草地；两种下垫面土壤热通量变化平缓，春、夏季压砂地土壤热通量低于草地，秋、冬季则相反。（2）压砂地、草地净辐射通量最大值均出现在7月，最小值分别出现在12、1月，呈先升后降的月变化趋势，土壤热通量变化平缓，最大值均出现在5月，最小值分别出现在11、12月；（3）压砂地、草地净辐射通量和土壤热通量的月平均日变化均呈单峰型，土壤热通量日峰值较净辐射通量滞后1～2 h；压砂地净辐射通量日峰值高于草地，不同月份差异较大，土壤热通量日峰值差异较小。（4）在不同类型天气条件下，压砂地、草地的净辐射通量和土壤热通量具有明显不同的日变化特征，且日变化趋势和幅度有明显的季节差异。此外，两种下垫面的净辐射通量和土壤热通量波动幅度均表现出晴天＞阴天及扬沙/沙尘暴天＞雨/雪天。

Abstract

Using hourly data on net radiation flux and soil heat flux from gravel-mulched fields and desert grasslands in 2021， this study employs conventional meteorological statistical methods to compare and analyze the variation characteristics of these fluxes at different time scales and explores the energy balance components of different underlying surfaces. The findings are as follows：（1）The net radiation flux in both gravel-mulched fields and grasslands shows a pattern of being lower at the beginning and end of the year， with higher values in the middle. Overall， the net radiation flux in gravel-mulched fields is consistently higher than that in grasslands. The soil heat flux for both surfaces exhibits relatively stable variations. During spring and summer， the soil heat flux in gravel-mulched fields is lower than that in grasslands； however， this trend reverses in autumn and winter.（2）The monthly total net radiation flux in both gravel-mulched fields and grasslands exhibits an initial increase followed by a decrease， peaking in July and reaching its minimum in December and January， respectively. （3）The monthly average daily variations of net radiation flux and soil heat flux exhibit a unimodal distribution pattern. The daily peak of soil heat flux lags behind that of net radiation flux by 1-2 h. In gravel-mulched fields， the daily peak of net radiation flux is higher than that in grasslands， with significant differences observed across months， while the daily peak of soil heat flux shows relatively smaller differences.（4）Under different weather conditions， the diurnal variation characteristics of net radiation flux and soil heat flux differ between gravel-mulched fields and grasslands， with clear seasonal differences in their trends and amplitudes. The fluctuation amplitude shows：sunny ＞ cloudy/dust/sandstorm＞rainy/snowy days.

Graphical abstract

关键词

宁夏中部干旱带 / 压砂地 / 荒漠草原 / 净辐射通量 / 土壤热通量

Key words

central arid zone of Ningxia / gravel-mulched fields / desert grassland / net radiation flux / soil heat flux

净辐射通量（R_n）是地球表面太阳短波净辐射通量和长波净辐射通量之和，是地表辐射平衡的结果。作为地表蒸发、光合作用、土壤和大气热量的重要驱动力，净辐射通量是构建各类生态模式的关键参数^[1-2]。土壤热通量（G₀）表征土壤表层与深层的热交换情况，是地表能量平衡中的重要组成部分^[3]。定量分析区域净辐射通量和土壤热通量的变化特征对农业生产、生态环境保护等具有重要意义^[1,4]，也对客观评估气候状态及估计未来气候变化具有重要意义^[5]。

长期以来，国内外学者在不同地区、不同类型下垫面开展了一系列的野外观测试验^[6]，在通量计算方法和时空特征分析等方面取得了很多重要的研究成果。在计算方法方面，刘新安等^[2]基于辐射资料和气象资料，采用多因子综合法建立了5种地表净辐射的计算方法。OGÉE等^[7]用两步式的零对齐方法估算法国西南部海松林的土壤热通量，并分析土壤热通量的时间变化特征。但由于地面辐射观测站点有限，无法确定大范围内的能量平衡分量。在大尺度通量研究中，基于遥感估算地表通量具有独特的优势，并取得了诸多成果^{[1, 8-10]}。在时空特征分析方面，李宏毅等^[11]分析了藏东南地区草地下垫面辐射平衡各分量的变化特征，着重对比了各分量在典型晴天和阴天条件下的差异。吴锦奎等^[12]对比分析了黑河流域干旱区农田、草地和荒漠生态系统的辐射收支及其变化特征，发现作物覆盖季节，绿洲和荒漠地区R_n存在较大差异，绿洲地区R_n远大于荒漠区，农田大于草地。齐斐斐等^[13]分析了塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征，发现辐射平衡和能量平衡分量具有明显的季节、日变化特征，净辐射通量的主要消耗形式为感热通量，其次为土壤热通量。周洒洒等^[14]分析了塔克拉玛干沙漠北缘绿洲—沙漠过渡带的辐射特征，发现直接辐射、散射辐射和总辐射季节、日变化特征有明显差异。张文斌等^[15]对比分析了塔克拉玛干沙漠腹地和绿洲-荒漠过渡带的土壤热通量变化特征，发现两站有明显的日变化特征且变化幅度不同，沙漠腹地土壤热通量年总量高于北缘过渡带。此外，其他学者也对沙漠^[16-17]、绿洲^[3]、草地^[18-19]和农田^[20-21]等下垫面的能量平衡分量特征进行了深入分析。压砂地是中国西北干旱、半干旱地区为对抗自然环境，利用砂砾石作为覆盖材料，依赖天然降水创造出的一种旱作保护性耕作方式^[22]。作为一种特殊下垫面类型，常出现升温较快、空气干燥、晴热天气较多等现象，可能原因是压砂改变了地表属性，引起大气动力、热力等陆面过程的调整和变化，并对区域气候产生影响。近年来，压砂种植西瓜经济效益显著，已成为当地一种重要的下垫面类型。为推动黄河流域生态保护和高质量发展先行区建设，2022年宁夏回族自治区人民政府将中部干旱带一部分压砂地恢复为植被稀疏的荒漠草原，使其更有益于生态环境质量的改善。目前压砂地的研究主要集中在土壤水文特征^[23-24]、生物多样性^[25]等方面，荒漠草原的研究也多集中在优势植物性状特征和资源分配特征^[26-27]、群落多样性稳定性^[28-29]、土壤水文特征^[30]等。关于两种下垫面能量收支、陆-气耦合方面的研究鲜有报道。本研究以宁夏中部干旱带的压砂地和荒漠草原为研究对象，利用辐射观测站资料对比分析两种下垫面不同时间尺度净辐射通量和土壤热通量的变化特征，探讨不同下垫面能量平衡分量的变化规律，为解析区域天气气候、改善陆面和区域气候模式、改善农业生态环境和减缓气候变化提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区常乐镇，为宁夏中部干旱带压砂地种植的核心区之一，平均海拔为1 740 m，土壤类别多为灰钙土，亚类为普通灰钙土、淡灰钙土，土地利用类型主要包含荒漠草原、耕地和少量果园等，耕地多以压砂地种植为主（图1）。

研究区属温带大陆性气候，日照充足，干旱少雨，多年平均气温为7.6 ℃，日照时数为2 940.5 h，无霜期为144 d，年降水量为243.1 mm，蒸发量可达2 108.9 mm。气温高、蒸发强，土壤蓄水能力较差，因此极易发生干旱，基本上是“十年九旱”。

1.2 站点数据

压砂地和草地均有宁夏气象科研所架设的辐射观测站，观测站点信息及观测要素见表1，站点空间分布见图1b。2个野外观测站均配备有净辐射传感器（华云升达气象科技有限责任公司，型号FNP-2，观测高度2 m）、土壤热通量传感器（荷兰Hukseflux公司，型号HFP01，观测深度-5 cm），用于记录净辐射和土壤热通量。因距离辐射观测站最近的气象站为区域自动站，无日照时数、能见度等气象要素，气象数据选取离观测站点最近的兴仁国家基本气象站，包括逐日气温、降水量、能见度、日照时数等，时间均为北京时。

1.3 数据处理

研究资料包括2021年1—12月的净辐射、土壤热通量观测数据，采样频率为1 h。受仪器本身及野外不可抗力因素影响，草地的通量数据存在部分缺失（表1）。对于缺失数据采用算术平均和线性回归方程的方法进行插补，若缺失某一时刻的数据采用前后时刻算术平均的方法进行插补，若缺失连续几天的数据用线性回归方程进行插补，形成完整的逐小时通量数据序列。

2 结果与分析

2.1 年内变化

图2为研究区压砂地、草地净辐射通量和土壤热通量在一个完整年度内的变化和差异情况。压砂地和草地净辐射通量在一年内的变化总体呈现“两头低、中间高”的特征，与绿洲、荒漠地区净辐射通量的年变化趋势一致^[12]，主要是因为净辐射随太阳高度角的变化呈现显著的季节变化特征^[18]。压砂地、草地净辐射通量日最大值分别出现在6月17日（13.85 MJ·m^-2）和12日（13.94 MJ·m^-2），最小值分别出现在2月28日（-1.57 MJ·m^-2）、1月13日（-4.19 MJ·m^-2）。压砂地的净辐射通量整体高于草地，压砂地净辐射通量超过草地的日数为335 d，占全年日数的91.8%，与作物生长季草地净辐射通量大于荒漠的研究结论存在差异^[12]。与净辐射通量相比，压砂地和草地土壤热通量在年内变化平缓，两者差异呈现“V”字形变化趋势，即春、夏季压砂地土壤热通量低于草地，秋、冬季相反。压砂地和草地土壤热通量日最大值分别出现在5月1日（2.68 MJ·m^-2）和9日（3.58 MJ·m^-2），最小值均出现在11月6日，分别为-4.34、-4.02 MJ·m^-2。

2.2 月变化

净辐射通量和土壤热通量的月总量变化特征见图3。研究区压砂地、草地的净辐射通量月总量全年变化均呈现先升后降的变化趋势，1—7月净辐射通量不断增大，8—12月逐渐减小，与沙漠净辐射通量月总量的变化趋势一致^[17]。压砂地、 草地年内净辐射通量月总量最大值均出现在7月，分别为276.12 、171.13 MJ·m^-2，最小值出现在12、 1月，分别为9.38 、-67.95 MJ·m^-2。土壤热通量月总量全年呈现波动变化的趋势，相较于净辐射通量，土壤热通量变化更为平缓且数值范围更低。压砂地和草地土壤热通量月总量最大值均出现在5月，分别为23.73、45.90 MJ·m^-2，最小值出现在11、12月，分别为-19.77、-38.01 MJ·m^-2。

由图4可知，研究区压砂地、草地净辐射通量和土壤热通量的月平均日变化均呈单峰型，净辐射通量峰值主要集中在11—13时，土壤热通量相对滞后1～2 h，集中在12—14时，与前人研究结果较为一致^[16-17]。压砂地、草地夜间净辐射通量差异很小，白天差异相对较大，土壤热通量全天差异较小。压砂地、草地净辐射通量各月日均值分别为3.50～103.09 、-25.37～63.89 W·m^-2，土壤热通量分别为-5.78～4.60 、-5.57～6.69 W·m^-2。

由表2可知，研究区压砂地净辐射通量的日峰值高于草地，且不同月份日峰值差异较大。2月差异最大，达162 .0 W·m^-2，9月差异最小，仅16.9 W·m^-2。土壤热通量日峰值的差异较小，差值仅为-10.3～4.1 W·m^-2，除2、6、9月外，压砂地日峰值都低于草地。12月差异最大，为10.3 W·m^-2，2月差异最小，仅为0.3 W·m^-2。

2.3 典型天气下的日变化

根据兴仁站的逐日气温、降水、日照、能见度等资料，挑选研究区不同季节晴天、阴天、雨/雪天、沙尘暴/扬沙6种典型天气，具体日期的天气状况和气象要素见表3。

典型天气条件下压砂地、草地的净辐射通量日变化特征见图5。压砂地、草地净辐射通量在不同类型天气条件下具有明显不同的日变化特征，且日变化趋势和幅度有明显的季节差异，与典型天气条件下沙漠的变化特征较为一致^[13,16]。此外，大部分典型天气条件下，压砂地的变化幅度更为明显，表现为压砂地日峰值更大。这主要是因为下垫面性质存在差异，相较于植被稀疏的草地，压砂地吸收太阳热量更快。

晴天条件下，压砂地、草地净辐射通量均呈现单峰型的日变化趋势。受太阳辐射的影响，变化主要发生在白天，具体表现为日出后开始迅速增大，午间达到日峰值，随后迅速减小的倒“U”型曲线，夜间基本在0 W·m^-2以下。此外，日峰值具有明显的季节变化，压砂地表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，分别为483、413、320、267 W·m^-2。草地表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季，分别为391、252、159、104 W·m^-2。不同季节压砂地与草地净辐射通量日峰值存在较大差异，夏季差异最大，为231 W·m^-2，秋季差异最小，为22 W·m^-2。

阴天条件下，日变化趋势与晴天相似，日峰值整体较低且有明显的季节差异，压砂地、草地均表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季，压砂地日峰值分别为284、234、194、143 W·m^-2，草地分别为194、166、160、91 W·m^-2。压砂地与草地净辐射通量日峰值也存在季节差异，其中，夏季差异最大，为93 W·m^-2，秋季差异最小，为34 W·m^-2。

雨/雪天气条件下，净辐射通量呈现波动变化的日变化趋势，且变化曲线不光滑。两种下垫面的日峰值较低且差异不明显，但季节差异较为明显，压砂地、草地均表现为春季＞秋季＞夏季＞冬季，压砂地分别为238、179、90、46 W·m^-2，草地分别为203、137、82、23 W·m^-2。两种下垫面净辐射通量日峰值也存在季节差异，其中，秋季差异最大，为42 W·m^-2，夏季差异最小，仅为8 W·m^-2。

扬沙/沙尘暴天气条件下，净辐射通量的日变化趋势较为复杂，有单峰型日变化曲线，也有多峰型日变化曲线。此外，日峰值季节差异明显，压砂地表现为秋季＞冬季＞夏季＞春季，分别为373、225、193、176 W·m^-2，草地表现为秋季＞夏季＞冬季＞春季，分别为317、199、99、26 W·m^-2。不同季节压砂地和草地净辐射通量日峰值存在较大差异，其中，春季差异最大，为150 W·m^-2，夏季差异最小，仅为6 W·m^-2。

由图6可知，不同类型天气条件下压砂地、草地的土壤热通量具有明显不同的日变化特征，且日变化趋势和幅度有明显的季节差异，与典型天气条件下沙漠的变化特征较为一致^[13]。晴天土壤热通量波动幅度最大，阴天和扬沙/沙尘暴天气次之，雨/雪天气最小。土壤热通量达到日峰值的时间与天气类型有关，晴天和阴天多出现在14时，雨/雪天和扬沙/沙尘暴天气出现时间不固定，最早出现在9时，最晚在16时。

晴天时，压砂地、草地土壤热通量日变化均呈单峰型，白天数值为正，夜晚为负，即通过白天吸收热量，夜晚释放热量的方式保证地面能量平衡。晴天条件下，土壤热通量变化较大，压砂地、草地土壤热通量分别在-60～158、-50～159 W·m^-2波动。这主要是因为晴天太阳辐射强度大，白天土壤吸收热量多，而夜晚没有云层保护热量损失也更大。此外，土壤热通量日峰值具有明显的季节差异，压砂地表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季，分别为158、156、141、53 W·m^-2。草地表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，分别为159、136、111、69 W·m^-2。

阴天时，压砂地、草地土壤热通量日变化与晴天相似，变化曲线没有晴天平滑，变化幅度不及晴天。压砂地和草地分别为-43～98、-45～80 W·m^-2。土壤热通量日峰值季节差异不明显，压砂地土壤热通量日峰值春季＞秋季＞夏季＞冬季，分别为98、79、56、50 W·m^-2。春、秋季草地土壤热通量日峰值为80 W·m^-2，夏、冬季分别为59、56 W·m^-2。

雨/雪天气条件下，压砂地、草地土壤热通量变化幅度均较小，大部分在0 W·m^-2以下，只有个别时刻为正，说明白天土壤吸收少量热量，多数时间在释放热量。压砂地、草地变化幅度分别为-68～37、-48～25 W·m^-2。土壤热通量日峰值的季节差异不明显，压砂地四季日峰值分别为37、20、5、6 W·m^-2，草地分别为15、25、0、7 W·m^-2。

扬沙/沙尘暴天气条件下，压砂地、草地土壤热通量日变化趋势均呈单峰型，两种下垫面的变化幅度不及晴天，与阴天较为接近，其中压砂地为-71～76 W·m^-2，草地为-50～85 W·m^-2。扬沙/沙尘暴出现时，压砂地和草地土壤热通量差异不明显，压砂地春、夏、秋、冬季日峰值分别为66、39、76、36 W·m^-2，草地分别为65、55、85、59 W·m^-2。

3 结论与讨论

利用常规气象统计方法分析了不同时间尺度下宁夏中部干旱带压砂地和草地的净辐射通量和土壤热通量变化特征，得出如下结论：

（1）压砂地、草地净辐射通量年内的变化总体呈现“两头低、中间高”的特征。压砂地的净辐射通量高于草地。与净辐射通量相比，土壤热通量的变化较平缓，压砂地与草地的土壤热通量差值呈“V”字形变化趋势，即春、夏季压砂地土壤热通量低于草地，而秋、冬季相反。

（2）压砂地、草地的净辐射通量月总量全年变化较为同步，均呈先升后降的趋势，即1—7月净辐射通量不断增大，8—12月逐渐减小。压砂地和草地净辐射通量月总量最大值均出现在7月，最小值分别出现在12、1月。土壤热通量呈波动变化，变化更平缓且数值更低。压砂地和草地土壤热通量月总量最大值均出现在5月，最小值分别出现在11、12月。

（3）压砂地、草地净辐射通量和土壤热通量月平均日变化均呈单峰型，净辐射通量日峰值主要集中在11—13时，土壤热通量相对滞后1～2 h。压砂地的净辐射通量日峰值高于草地，且不同月份差异较大，而土壤热通量日峰值总体差异较小。

（4）在不同类型天气条件下，压砂地、草地的净辐射通量和土壤热通量具有明显不同的日变化特征，且日变化趋势和幅度有明显的季节差异。晴天的净辐射通量呈现单峰型的日变化趋势，阴天虽与晴天相似，但受云层干扰曲线不如晴天平滑，且阴天夜间的净辐射通量高于晴天，与阴天云层较厚及保温效应有关。雨/雪天气呈现波动变化的趋势，降雪日的白天净辐射通量明显低于降雨日，主要是因为降雪后，积雪对大气和土壤有冷却作用，且地表反照率增加。扬沙/沙尘暴天气条件下，净辐射通量变化较复杂，与当天的日照时数、能见度、气温等环境条件密切相关；同在沙尘暴/扬沙天气时，净辐射通量日峰值差异主要与日照时数有关；若日照时数相等或相近，沙尘天气等级不同，则平均气温和能见度是导致净辐射通量日峰值差异的主要原因。雨/雪天气的土壤热通量变化幅度最小，基本在0 W·m^-2以下，相较于降雨，降雪天气土壤热通量变化幅度最平缓，可能是积雪覆盖减缓了土壤吸收、损失热量；其他天气条件下土壤热通量日变化趋势均呈单峰型，但受云层和空气能见度干扰，阴天和扬沙/沙尘暴的日变化曲线不如晴天平滑。此外，两种下垫面的净辐射通量和土壤热通量均在晴天波动幅度最大，阴天和扬沙/沙尘暴天气次之，雨/雪天气最小。

目前，关于净辐射通量和土壤热通量的研究较多，但有关压砂地和荒漠草原的相关研究较少。本研究以宁夏中部干旱带压砂地和荒漠草原为研究对象，对比分析了不同时间尺度净辐射通量和土壤热通量的变化特征，对其能量收支过程有了初步认识。但受观测数据序列限制，仅分析了2021年的净辐射通量、土壤热通量变化特征，缺乏对长波辐射、短波辐射等辐射分量以及感热通量、潜热通量等热量分量的观测。因此，未来还需对这两种下垫面的能量和热量平衡特征进行更长时间尺度的深入研究，以期为改善干旱、半干旱地区陆面过程和气候模式提供参考，并为改善农业生态环境、减缓气候变化提供科学依据。

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基金资助

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BEG03066)