将蒸散作用与大气需求分离：通过物理和生理阻力阈值，对干旱灌木丛地区蒸发悖论的机制性理解

《Journal of Hydrology》：Decoupling of evapotranspiration from atmospheric demand: mechanistic insights into the local evaporation paradox in arid shrublands via physical and physiological resistance thresholds

　　

余泉强|张明军|余张|王胜杰|徐先英|张金春|傅贵全|王志兰|孙梅林|赵鹏|刘世全

摘要

在干旱生态系统中准确量化水文通量对于模拟全球逐渐加剧的干旱化过程中的区域水循环动态至关重要。然而，这些通量的建模受到“蒸发悖论”的影响——这是一种水文气象异常现象，即尽管大气蒸发需求增加，实际蒸散量（ET）却停滞或下降。现有的地表模型往往无法解决稀疏植被冠层与土壤水分亏缺之间的复杂非线性相互作用。为了解决这些结构上的限制，我们提出了一种针对温带沙漠灌木丛（Haloxylon ammodendron）的生理约束Shuttleworth-Wallace（PC-SW）双源模型。该模型引入了三项物理改进：(1) 制定了分段线性土壤阻力函数，以解释干旱过程中浅层土壤中液态水连续性的中断，捕捉到由干燥表层（DSL）形成引发的突然“两阶段转换”效应；(2) 建立了水力-气孔调节模块，结合深层根区水分信号和叶面积指数（LAI）阈值，定量描述极端干旱条件下的植物“生理休眠”状态；(3) 应用了基于几何光学的聚集指数校正方法，以纠正与斑块状灌木冠层相关的辐射传输误差。该模型的性能通过在中国民勤绿洲-沙漠过渡带两个生长季节（2023–2024年）收集的高频涡度协方差和树液流动数据进行了评估。结果表明，PC-SW模型有效减少了标准S-W模型中固有的土壤蒸发量高估现象（偏差降低了约45%），并实现了较高的模拟精度（R2 > 0.90）。水文通量分配分析显示，植物蒸腾作用是生态系统水分损失的主要途径——在生长高峰期占比超过96%——且主要依赖于深层土壤水分库（40–300厘米深度）。这项分析明确指出了驱动蒸发悖论的局部热力学反馈机制。虽然生态水文学中已经认识到高表面阻力引起的“功能解耦”现象，但本研究通过数学形式化触发这一过程的具体物理和生理阈值，进一步推动了其预测建模的发展。通过引入分段线性土壤阻力模型和明确的休眠阈值，PC-SW模型更好地捕捉了严重水分限制条件下实际蒸散量的突然减少。因此，多余的热量优先转化为显热，为局部蒸发悖论提供了基于阈值的机制性解释。