以蒸腾作用为主的陆地水通量外文翻译资料

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毕业论文

英文翻译

原文标题 Terrestrial water fluxes dominated by transpiration

译文标题 以蒸腾作用为主的陆地水通量

以蒸腾作用为主的陆地水通量

Scott Jasechko¹ , Zachary D. Sharp¹ , John J. Gibson^2,3, S. Jean Birks^2,4, Yi Yi^2,3 amp; Peter J. Fawcett¹

摘要：大陆上的可再生淡水通过蒸发和蒸腾作用从降水和大气损失中输入到大气。由于气孔导度存在很大的不确定性，以及缺乏模型校准所需的流域尺度测量，气候模型中蒸腾作用的全球尺度估计受到限制，导致一系列预测范围占全球陆地土壤水分蒸发蒸腾损失总量的20%-65%（每年14000至41000 km³）^[1-5]。在这里，我们利用蒸腾作用和蒸发作用的独特同位素效应来表明，蒸腾作用是迄今为止来自地球大陆的最大水通量，占陆地总蒸腾作用的80%- 90%。根据我们对全球大型湖泊和河流数据集的分析，我们得出的结论是，蒸腾作用每年可将6200068000 km³的水循环到大气中，在循环过程中利用陆地表面吸收的一半的太阳能。我们还利用植物的水利用效率比，通过将蒸腾损失与碳同化联系起来，计算陆地植被对二氧化碳的吸收，并表明全球总初级生产力为每年129.632亿吨碳，这与先前的估计^[6]在不确定性范围内是一致的。蒸腾水通量在大陆蒸散中的主导地位表明，从水资源预测的角度来看，气候模型的发展应优先考虑改进生物通量模拟，而不是物理（蒸发）通量模拟。

不同于向海洋排放的河流^[7]，由于缺乏在流域尺度上分离这两种水通量的方法，全球蒸发和蒸腾通量受到限制。水中氧（¹⁸O/¹⁶O）和氢（²H/¹H）的稳定同位素比值可用于区分蒸腾和蒸发^[8]，因为这两种过程对水的这些同位素比例有不同的影响。假设同位素在年尺度中处于稳定状态，蒸发的物理过程丰富了剩余水中的氧和氢的重同位素，而蒸腾作用的生物过程不会产生同位素分馏^[8-11]。雨水在汇水区内以降水的形式下落后所经过的路径包括混合、蒸发（分馏标记）和蒸腾（非分馏标记），直到剩余的水聚集在下游湖泊或河流中。这些汇水过程中的每一个部分最终都由湖水的同位素组成来记录。我们已经编译了大湖泊水域的delta;¹⁸O和delta;²H值，并利用蒸发和蒸腾之间不同的同位素效应，将这两种来自地球表面的淡水损失分离和量化（同位素含量由（R_sample/R_V-SMOW -1）times;10³permil;得出，其中，delta;¹⁸O的R为¹⁸O/ ¹⁶O，delta;²H的R为²H/¹H，V-SMOW代表标准平均海洋水量。）

为了进行这一计算，我们首先报告了地球大型湖泊的稳定氧和氢同位素组成（图1）。湖泊水域的同位素组成显示了广泛的delta;¹⁸O和delta;²H值：分别为-23permil;至 15permil;和-180permil;至 80permil;。混合良好的湖泊（例如北美五大湖和贝加尔湖）具有相对均匀的稳定同位素组成，而常年分层或浅层的湖泊往往具有更大的同位素变异性（例如基五湖和乍得湖）。位于高纬度和高海拔的上游湖泊（例如，Kluane湖）的delta;¹⁸O和delta;²H值最低，而东非的封闭盆地湖泊的delta;¹⁸O和delta;²H值最高（例如，Afdera湖和Turkana湖）。全球湖泊不遵循一个系统的蒸发趋势，反映了每个湖泊集水区独特的气候学和水文学。图1中绘制的全球大气水线是全球尺度^[12]上降水样本的delta;¹⁸O和delta;²H值的回归^[12]。这种回归产生了小于8的delta;² H/delta;¹⁸O值斜率，可以通过化学平衡时的液体-蒸汽同位素效应来密切协调^[13]。然而，蒸发的不平衡过程导致强烈的动力同位素效应，轻同位素组优先变为汽相。这导致delta;² H/delta;¹⁸O斜率小于8，使得湖水的同位素组成“低于”全球大气水位线。有关蒸发损失百分比的信息由湖泊的同位素组成与进入盆地的水的同位素组成之间的差异保留（delta;_input；图1，插入示意图）。我们的全球数据汇编表明，几乎所有湖泊在delta;¹⁸O-delta;²H方面都由于蒸发而落在全球大气水线的右侧，除非在特殊情况下，水在逆风方向蒸发并在顺风湖(如Biwa湖)盆地降落，在下文中，我们建立了描述湖泊集水区内水的稳定同位素质量平衡的方程，以估计集水区蒸腾作用的百分比，并将这些方程应用于大型湖泊水的delta;¹⁸O和delta;²H数据。

图1大型湖泊和半封闭海的delta;¹⁸O和delta;²H值

图1 全球大气水线^[12](GMWL)如图所，左上角的地图显示了数据集覆盖的集水区，右下角的示意图显示了湖泊（钻石湖）的水输入和湖泊的蒸发轨迹。(百分比指蒸发量)

水文稳定状态下的湖泊集水区可以用水量输入（I,降雨或上有湖泊流入）和损失（植被截留的降水量（xP，其中x是集水区截留降水量的百分比）、地表水和土壤蒸发量(E)、蒸腾量(T)和对河流的液体损失或地下水排放量(Q)）之间的平衡来描述：

(1)

同样，通过考虑每个水通量的同位素组成（delta;_I、delta;_E等），获得湖泊集水区的稳定同位素质量平衡：

(2)

结合方程(1)和(2)，我们建立了一个新的方程来描述集水区的蒸腾损失：

(3)

方程（3）中的每个参数都可以通过网格数据集或特定湖泊的研究来估算，蒸发（delta;_E）的同位素组成除外。为了计算delta;_E^[14]，我们使用基于实验室衍生的液体-蒸汽分馏系数^[13]的蒸发模型。土壤和开放水域蒸发的同位素组成分为一个术语（delta;_E），在假定集水区每年处于稳定状态的情况下，利用浅水源和深水水源计算出蒸腾水分的同位素组成（delta;_T）^[11]（平均而言，水分子在用来实验的湖泊中停留多年）。每个湖泊的物理、同位素和水文气候数据集是根据可用的重新分析和插值数据^[15-18]汇编而成，并在方程式（3）中用于计算集水区蒸腾量（方法）。

我们发现，85%的受调查流域的蒸腾作用占地表水总蒸腾作用的三分之二以上（图2和图3a）。值得注意的是，蒸腾作用也占沙漠集水区蒸腾作用的大部分（平75%，范围35%-95%），在沙漠中进行的现场蒸腾测量在7%到80%的蒸腾量^[19]之间，这在很大程度上是因为沙漠集水区源头的降水率最高，因此增加了这些森林生态系统对集水区水平衡的重要性。蒸腾速率范围从小于100 mm YR^-1到大约1300 mm YR^-1（图2和补充信息，第1节），我们的结果表明，即使开放水域局部发生的蒸发速度可能比蒸腾作用更快。由蒸发所代表的总蒸散量的比例受到地球大陆的地表水面积小的严重限制(约3%，全球^[20]) 因此，我们假定在光合过程中，生物将水抽到大气中气体交换（即蒸腾作用）而不是蒸发的物理过程，主导着大陆的水分流失。由于植物根系能够渗入地下水和土壤储水罐，蒸腾作用有效地将深层水源输送到大气中，而蒸发作用仅对地表或附近的水有效，这就解释了蒸腾作用占总蒸腾通量的比例非常高。

我们的研究结果得到了基于同位素的交叉图比较和常规开放水域蒸发率（R²=0.78（平方相关系数斜率=0.92，补充图1）； 在森林林分水平和我们的估计中，现场测量（例如树干液流）汇编之间的地理相似性^[9,10]（图3）；以及基于¹⁸O/¹⁶O-和²H/¹H的蒸发率之间的协议使用方程（3）。R²=0.78（平方相关系数斜率=0.92，补充图2和图3以及补充信息，，第一节）。我们还注意到，我们的计算步骤蒸腾通量范围从1到1000年，平均40年，由各个湖的水文停留时间决定（补充表3）。把我们的计算扩大到地球的无冰地面，并提供第四次检查以证实流域蒸腾量结果，我们估计地球陆地（南极洲除外）的全球蒸腾作用来自地球整个淡水水库的稳定同位素质量平衡。该估算基于氘过量参数，其中包括包含在¹⁸O/¹⁶O-和²H/¹H（d =delta;²H - 8delta;¹⁸O）中的信息。我们根据氘过剩得到与方程（3）相似的表达式：

(4)

陆地降水(P=110 000plusmn;10 000km³ yr^-1[17]，d_P=9.5plusmn;1permil;^[12])是大陆唯一的水输入, 水是通过向海洋排放的河流而流失的（Q=37300plusmn;700km³ yr^-1[7]，d_Q=6.8plusmn;3.8permil;；补充信息，二小节），陆地蒸发（d_E=75plusmn;30permil;（本工程），蒸腾作用（d_T=8plusmn;3permil;））或植被拦截（xP=7500plusmn;1500km³ yr^-1[16-17] d_P=9.5plusmn;1permil;^[12]）。解方程（4）表明，蒸腾量占陆地蒸腾量的80%-90%（分别为蒙特卡罗敏感性分析的第25和75百分位）。体积计算，蒸腾转换62 000plusmn;8 000km³ yr^-1的液态水进入大气蒸汽，需要33plusmn;4W m^-2的潜热，或者被大陆吸收的一半的太阳能（约70 W m^-2）。结果表明，地面降水量的90%^[18]（111 000 km³ yr^-1）已经被分配到生态系统进行初级生产（62 000 km³ yr^-1）或者作为河流的水生动植物栖息地^[7]（37 000km³ yr^-1），河道内水流改道的一个重要考虑因素。

图2 按生态区分组的56个湖泊集水区的蒸腾水损失（基于¹⁸O/¹⁶O的结果）

每个彩色条代表一个湖泊集水区的结果。形的范围显示蒙特卡洛模拟的第25和第75百分位。蒙特卡罗模拟的中值蒸散（T；平方）输出和总蒸散损失（实线）显示，中值结果与大多数湖泊的总蒸散量接近，表明蒸散量在总蒸散损失中占主导地位。

图3 73个湖泊集水区的蒸腾作用和碳通量

a. 蒸腾损失占总蒸腾损失的百分比

b. 蒸腾速率：占地球大陆面积10%的总初级生产力。图中显示了小流域的彩色

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