民勤绿洲-荒漠生态系统蒸散特征的多尺度精确观测研究

Evapotranspiration (ET) is a major eco-physiological process in oasis-desert ecosystems. In the source area of station observation, due to natural vegetationcomplexity, topography and geomorphology heterogeneity, and various microclimate conditions, an ET estimates in oasis-desert ecosystem are hardly in a reasonable accuracy for their application in ecological research and land use planning at a regional scale; therefore, the ET measurements and estimations in these systems need improvement in theories and techniques. Currently, there are several methodologies available such as stem sap flow, eddy-covariance, Scintillometers (LAS), and others. Each method has advantages and disadvantages. ET estimates for a sand land site are made based on the measurements of an individual methodology. The uncertainty in these estimates is less uncertain for homogeneous site and more uncertain for heterogeneous site. Using the stem sap flow methodology at a tree/shrub scale, eddy-covariance flux measurements at a landscape scale, and LAS observations at a scale of various pixels in a remote sensing image, for the heterogeneous sand land, this study is to develop theories and techniques for ET measurements and estimations. This study will be conducted in one heterogeneous site in Minqin oasis-desert ecosystems. The stem sap flow, eddy-covariance, and LAS methods will be concurrently used in the same site, but at different scales. Based on analysis of uncertainty in measurements and estimation from an individual method, the measurements from stem sap flow method will be scaled up, the measurements from eddy-covariance method will be analyzed using footprint theory and compared to the data spatially averaged from LAS method. From the analyses and comparison, for a heterogeneous oasis-desert ecosystem, we will improve the theories and methods andstrengthen the abilityof precision measurement techniques for evapotranspiration in areas with sparse vegetation.

蒸散是绿洲-荒漠生态系统中重要的水文与生态过程。在该系统中，自然植被、地形地貌以及小气候条件在台站观测的信息源区内多样而复杂，导致生态系统蒸散时空变异大、不易获取。目前，树干液流法在个体尺度、涡度相关法在斑块尺度以及光闪烁法在像元尺度上各有优势，但在实际应用中也存在各自的局限与不确定性。为了准确获取蒸散时空分布强度，需要集成现有观测技术，从个体、斑块以及遥感像元尺度的观测方法出发，融合多尺度观测技术开展荒漠绿洲生态系统蒸散量的高精度观测研究。本研究以民勤绿洲-荒漠生态系统为研究对象，综合分析多尺度观测方法的不确定性与估计范围，在研究修正单一观测方法和不确定性的基础上，推演个体尺度观测的空间代表范围，利用足迹模型结合遥感像元来解析斑块尺度通量源区内的代表规律。本研究有望进一步完善观测与估计绿洲-荒漠生态系统蒸散理论与技术，并最终提高对植被稀疏地区蒸散强度精确观测的能力。

项目基于不同尺度的观测方法开展了绿洲-荒漠蒸散特征的对比研究，使用树干液流法观测的个体尺度蒸腾数据以及涡度相关法（EC）和大孔径光闪烁法（LAS）分别测得的斑块尺度和像元尺度的蒸散数据，深入研究不同尺度蒸腾蒸散变化的影响机制和主导因子。利用改进的通量校正算法，提高了梭梭个体蒸腾及其所在斑块蒸散的观测精度，并此确定了蒸腾占蒸散以及蒸散占降水的比率。进一步分析了蒸腾和蒸散的环境影响因子，获取了区域水量平衡以及植被动态的评价机制。通过对比分析不同尺度观测方法的不确定范围，评估了民勤绿洲荒漠生态系统的季节和年际蒸散以及碳的源/汇变化特征，量化碳水通量控制因素的相对贡献率，完善观测与计算绿洲-荒漠生态系统蒸散的理论与技术。基于通量源区模型结合多尺度蒸散观测法，分析了不同蒸散观测方法的通量源区及空间位置关系并确定了重叠源区。利用通量足迹函数结合权重函数，提出了足迹权重比指数，依托该指数融合了多尺度观测数据，提升了多尺度观测绿洲-荒漠生态系统蒸散特征的精确性。分析了LAS在荒漠绿洲下垫面下进行观测的可行性，并依据当前下垫面特征确定了适用性最高的大气稳定度普适函数。综合分析多尺度观测方法的不确定范围，在研究修正单一观测方法和不确定性的基础上，推演个体尺度观测的空间代表性，利用足迹模型结合遥感像元来解析斑块尺度通量源区内的代表规律。项目研究对进一步推动相关观测技术与方法在荒漠绿洲下垫面及相关研究领域的应用、促进多尺度水热通量的研究具有一定的技术支撑作用，可为干旱区域的植树造林管理提供理论依据。