代鵬超，牛蘇娟，毋兆鵬①，施云霞

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

新疆精河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)時(shí)空變化特征

代鵬超1，2，牛蘇娟1，毋兆鵬1，2①，施云霞1

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

精河流域是新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。利用近60 a氣象數(shù)據(jù)及Landsat 5 TM影像數(shù)據(jù),采用Penman-Monteith公式和SEBAL模型、morlet小波分析和M-K突變檢驗(yàn)，研究了精河流域?qū)嶋H蒸散量時(shí)空格局、變化特征及周期性。結(jié)果表明：(1)全流域?qū)嶋H蒸散量的時(shí)空分布變化受到氣象要素及地表下墊面的影響，近60 a蒸散量整體呈顯著波動(dòng)減小趨勢，實(shí)際蒸散量變化速率在季節(jié)上表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季。(2)實(shí)際蒸散量于1982年突變后年平均蒸散量減少150.654 mm(17.361%)，且蒸散量變化存在以29 a為主的3個(gè)振蕩周期,未來15 a蒸散量將呈先小幅上升后下降的趨勢。(3)蒸散量的空間分布變化與地表土地利用類型具有顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性表現(xiàn)為水域>耕地>林地>草地>未利用地。

精河流域；實(shí)際蒸散發(fā)；Penman-Monteith公式；SEBAL模型

蒸散發(fā)是陸面水循環(huán)中重要的水文過程[1],也是聯(lián)系植物氣孔行為、碳交換和水分利用的關(guān)鍵生態(tài)過程[2],更是評價(jià)區(qū)域水熱平衡的重要參數(shù)和評價(jià)因子。作為大氣和土壤之間的“橋梁”,蒸散量是唯一同時(shí)出現(xiàn)在地表水量和能量平衡方程中的水文參量,是陸面過程數(shù)值模擬研究中不可缺少的邊界條件[3]。蒸散量估算是農(nóng)業(yè)、水文、氣象和土壤等學(xué)科的重要研究內(nèi)容,準(zhǔn)確估算蒸散量對生態(tài)系統(tǒng)管理、水土資源評價(jià)與利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都具有重要意義[4]。

利用傳統(tǒng)的水文氣象學(xué)方法進(jìn)行蒸散量觀測時(shí),大多數(shù)只能在“點(diǎn)”或景觀尺度上進(jìn)行,很難應(yīng)用到大的區(qū)域尺度[5]。20世紀(jì)60年代遙感技術(shù)在地理研究中的應(yīng)用為定量估算更大區(qū)域的蒸散量提供了新思路。將具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)和明確物理概念的、傳統(tǒng)點(diǎn)尺度上的模型如Penman-Monteith公式等,與遙感定量反演技術(shù)結(jié)合形成互補(bǔ)相關(guān)模型,則既可以擴(kuò)展傳統(tǒng)“點(diǎn)”方法的空間尺度,又可提升遙感反演結(jié)果的時(shí)間分辨率,近年來已成為研究熱點(diǎn)[6]。

精河流域地處我國西北干旱區(qū),是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分,同時(shí)也是我國生態(tài)環(huán)境問題最突出的內(nèi)陸河流域[7]。近年來,該地區(qū)大力發(fā)展工業(yè)、種植經(jīng)濟(jì)作物以提高人們生活水平,但由于水資源的過度開發(fā)利用,加上近幾年徑流性水資源的減少,導(dǎo)致流域內(nèi)生態(tài)逐年退化,地下水水位持續(xù)下降,天然植被嚴(yán)重退化,進(jìn)而引發(fā)了土地荒漠化、鹽漬化等一系列生態(tài)問題。該研究通過準(zhǔn)確估算精河流域?qū)嶋H蒸散量,分析未來水分耗散趨勢,為合理規(guī)劃精河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、高效利用和適度分配水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

精河流域作為新疆第2大生態(tài)退化區(qū),位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣,天山支脈婆羅科努山北麓,介于44°00′21″～45°00′56″ N,81°07′52″～83°05′48″ E之間,總面積2 572.30 km2。經(jīng)濟(jì)以農(nóng)為主,多年形成了“一紅(枸杞)二白(棉花、鹽業(yè))一綠(瓜果蔬菜)和突破發(fā)展奶牛業(yè)”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略格局,棉花為當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)。

由于地處亞歐大陸腹地,遠(yuǎn)離海洋,加之高大山脈的阻擋,導(dǎo)致該區(qū)夏季降水稀少,冬季干燥寒冷,大陸性氣候特征顯著。年均氣溫7.3 ℃,平原區(qū)多年平均降水量91 mm。該區(qū)是北疆沿天山一帶風(fēng)沙天氣最多的區(qū)域,大風(fēng)天氣多,且持續(xù)時(shí)間較長。干燥的氣候和強(qiáng)勁、活躍的大風(fēng)造成了強(qiáng)烈的蒸散發(fā)。

1.2 數(shù)據(jù)材料與處理

研究所用氣象資料來自1953—2015年精河流域地面氣象觀測站日值數(shù)據(jù)。個(gè)別缺測日數(shù)據(jù)采用相關(guān)分析進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)。年資料統(tǒng)計(jì)按照自然年算法,即每年1—12月之和。季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié),即以上一年12月和當(dāng)年1—2月為冬季,3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季。

研究所用空間數(shù)據(jù)為Landsat 5 TM影像數(shù)據(jù),時(shí)間包括1998年9月25日、2007年9月18日和2011年9月13日3期。所有數(shù)據(jù)在ENVI 5.1軟件平臺中預(yù)處理后進(jìn)行空間建模。

1.3 時(shí)間尺度蒸散量反演

為了較好地在長時(shí)間尺度上獲得連續(xù)、穩(wěn)定的蒸散量數(shù)據(jù),首先利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[8]計(jì)算精河流域參考作物蒸散量(ET0，TE，0)。

(1)

式(1)中,TE,0為參考作物蒸散量,mm·d-1;Rn為冠層表面凈輻射,MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;Δ為飽和水氣壓曲線在氣溫為T時(shí)的斜率,kPa·℃-1;T為日平均氣溫,℃;γ為干濕表常數(shù),kPa·℃-1;U2為距地面2 m處的風(fēng)速,m·s-1;ea為飽和水汽壓,kPa;ed為實(shí)際水汽壓,kPa。

在ET0計(jì)算基礎(chǔ)上,借助表征作物在不同生長時(shí)期中需水量的生物學(xué)特性的作物系數(shù)Kc,計(jì)算實(shí)際蒸散量ET(TE)。

TE=TE,0KC。

(2)

由于研究區(qū)支柱產(chǎn)業(yè)為棉花種植,因此,根據(jù)新疆當(dāng)?shù)孛藁ǖ纳L周期并考慮不同生育階段,逐月選取相應(yīng)的作物系數(shù)Kc值進(jìn)行反演(表1)。而在冬季非作物生長期,地表被積雪覆蓋,地表實(shí)際蒸散量近似于潛在蒸散量,即TE=TE,0。

表1 新疆棉花不同生育階段作物系數(shù)取值

Table 1Kcof cropsrelative to development stages

生長階段生長周期/d生長時(shí)期作物系數(shù)Kc出苗期303月(春季)0.35苗期504—5月(春季)0.76蕾期606月(夏季)0.97花鈴期557—8月(夏季)1.18成熟期609—10月(秋季)0.60

數(shù)據(jù)來源于GB/T 32136—2015《農(nóng)業(yè)干旱等級》。

1.4 空間尺度蒸散量反演

采用由荷蘭BASTINNASSEN開發(fā)的Surface Energy Balance Algorithm for Land(SEBAL)模型[9],主要借助地表能量的平衡方程計(jì)算區(qū)域的日蒸散量。該模型自1998年起用于實(shí)際研究,現(xiàn)已成為研究蒸散量空間分布特征的重要方法。其基本方程見式(3),凈輻射、感熱通量和土壤熱通量的計(jì)算見式(4)～(7),模型運(yùn)行流程見圖1。

潛熱通量的計(jì)算公式為

Eλ=Rn-G-H。

(3)

式(3)中,Rn為凈輻射,W·m-2;G為土壤熱通量,W·m-2;Eλ為潛熱通量,W·m-2;H為感熱通量,W·m-2。

Rn=(1-α)Rswd+εRlwd-εσTs4,

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中，α為地表反照率;Rswd和Rlwd分別為太陽下行輻射和下行長波輻射,W·m-2;ε為地表比輻射率;σ為Stefan-Bolzmann常數(shù),取值5.67×10-8;Ts為地表輻射溫度,K;INDV為歸一化植被指數(shù);ρ為空氣密度,kg·m-3;cp為空氣定壓比熱容,J·kg-1·K-1;TZ1和TZ2分別為地面Z1與Z2高度處的空氣溫度;ra為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗,s·m-1;u*為摩擦速度，m·s-1;k為Karman常數(shù),取值0.41;Z1和Z2分別為距離地面高度,m。

圖1 SEBAL模型流程圖Fig.1 Flowchart of the SEBAL model

2 結(jié)果與分析

2.1 精河流域?qū)嶋H蒸散量時(shí)間變化特征分析

2.1.1 實(shí)際蒸散量年際及季節(jié)變化

新疆精河流域的年實(shí)際蒸散量在各年代的變化如圖2所示。研究區(qū)1953—2015年的近60 a間,年ET值在492.521～1 098.199 mm之間,多年平均值為785.92 mm,1967年出現(xiàn)最大值,1994年出現(xiàn)最小值。近60 a總體呈波動(dòng)下降趨勢,變化幅度為-38.58 mm·(10 a)-1。

實(shí)際蒸散量在不同季節(jié)存在較大差異。近60 a中,平均實(shí)際蒸散量以夏季最高,為454.955 mm;春季和秋季次之,分別為209.894和82.403 mm;冬季最小,為38.671 mm,但各季節(jié)實(shí)際蒸散量與年實(shí)際蒸散量變化趨勢基本一致,均呈現(xiàn)較顯著下降趨勢(表2)。其中,實(shí)際蒸散量變化速率最大值出現(xiàn)在夏季,為-21.41 mm·(10 a)-1,最小值出現(xiàn)在冬季,為-1.089 1 mm·(10 a)-1,相差近20倍。這主要由于精河流域的冬季氣候寒冷干燥,使得該季節(jié)對年實(shí)際蒸散量的變化影響甚小。

圖2 近60 a精河流域年際、季節(jié)實(shí)際蒸散量Fig.2 Variation of the annual and seasonal ETs in the Jinghe Watershed over the past 60 years

表2 精河流域?qū)嶋H蒸散量的年際、季節(jié)線性變化趨勢統(tǒng)計(jì)

Table 2 Linear variation trends of annual and seasonal ETs in the Jinghe Watershed

時(shí)間趨勢系數(shù)趨勢/〔mm·(10a)-1〕擬合趨勢方程全年-3.8580-38.580Y=-3.858X+8441春季-0.9636-9.636Y=-0.9636X+2122夏季-2.1410-21.410Y=-2.141X+4702秋季-0.6451-6.451Y=-0.6451X+1362冬季-0.1089-1.089Y=-0.1089X+254.8

X為年份；Y為實(shí)際蒸散量。

2.1.2 實(shí)際蒸散量突變特征分析

分析年代際距平百分比的變化發(fā)現(xiàn),近60 a精河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)表現(xiàn)為3個(gè)階段:20世紀(jì)50年代,研究區(qū)實(shí)際蒸散量的累積距平為負(fù),實(shí)際蒸散量略低于多年平均值;20世紀(jì)60—80年代,研究區(qū)實(shí)際蒸散量的累積距平為正,年代最大實(shí)際蒸散量超出多年平均值約20%,但在經(jīng)歷了20世紀(jì)60年代的極值后迅速下降;20世紀(jì)90年代至今,研究區(qū)實(shí)際蒸散量的累積距平為負(fù)值,且逐步增大,說明實(shí)際蒸散量在緩步提升,但依然小于多年平均值。從年代變化幅度看,蒸散量累積距平經(jīng)歷正、負(fù)值明顯變化的年代為20世紀(jì)60和90年代(圖3)。

1950s指1953—1959年；2010s指2010—2015年。

Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),序列大于0表明參數(shù)呈上升趨勢,反之呈下降趨勢,當(dāng)其超過0.05顯著性水平檢驗(yàn)臨界線(±1.96)時(shí),則上升或下降趨勢顯著。對1953—2015年新疆精河流域年實(shí)際蒸散量序列進(jìn)行M-K檢驗(yàn)(圖4),結(jié)果表明,1953—2015年正序列曲線(UF)總體為持續(xù)下降趨勢,尤其1978年后小于0,即蒸散量1978年后是下降趨勢;1961—1974年UF曲線突破了顯著性水平α=0.05的置信線1.96,蒸散量呈顯著增大趨勢;在1992年突破了置信線-1.96,蒸散量呈顯著性減小趨勢;UF和反序列曲線(UB)于1982年在臨界線區(qū)間內(nèi)有1個(gè)明顯的交點(diǎn),表明1982年發(fā)生突變,突變后精河流域平均年蒸散量較突變前減少150.654 mm,降低幅度為17.361%。

圖4 精河流域蒸散量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig.4 Mann-Kendall tests of the evapotranspiration in the Jinghe Watershed for sudden changes

對60 a各季節(jié)實(shí)際蒸散量做突變檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)春、夏和冬3季突變點(diǎn)與年際突變點(diǎn)一致,即1982年后3個(gè)季節(jié)的蒸散量均明顯小于之前對應(yīng)各季,蒸散量平均減少幅度為15%左右。秋季蒸散量由高轉(zhuǎn)低的突變則出現(xiàn)在1980年,減少幅度為25%。

2.1.3 實(shí)際蒸散量變化周期分析

根據(jù)1953—2012年精河流域?qū)嶋H蒸散量數(shù)據(jù),繪制Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部等值線圖(圖5)。結(jié)果表明,研究區(qū)蒸散量存在6～8、17～20和28～31 a的3類尺度周期變化規(guī)律。其中,6～8 a的周期明顯存在于1953—1970年,17～20 a的周期則僅明顯存在于1957—1973年,而28～31 a的周期明顯始終貫穿于近60 a,但該周期正負(fù)值中心明顯存在由30向26 a下降的趨勢。

圖5 精河流域蒸散量Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線圖Fig.5 Real part of Morlet wavelet coefficients of the ET in the Jinghe watershed

進(jìn)一步對其進(jìn)行小波方差計(jì)算,可發(fā)現(xiàn)研究區(qū)實(shí)際蒸散量變化過程中存在的顯著主周期為29 a(圖6)。同時(shí),基于實(shí)際蒸散量在29 a處的小波系數(shù)值〔f(t)〕與年份t建立回歸方程：f(t)=334sin (0.334 5t-52.86)，R2=0.93,P<0.05,并選擇2016—2030年為預(yù)測期對流域蒸散量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

結(jié)果表明,預(yù)測期2016—2030年整體蒸散量呈波動(dòng)變化。其中,2016—2020年蒸散量將持續(xù)增加,2020年將發(fā)生突變,轉(zhuǎn)為下降期,蒸散量逐年減少。至2029年,蒸散量將再次進(jìn)入上升周期。

2.2 精河流域蒸散量空間尺度變化分析

基于SEBAL模型,選擇1998年9月25日、2007年9月18日和2011年9月13日夏末秋初3期Landsat 5 TM影像數(shù)據(jù),對研究區(qū)蒸散量空間分布特征進(jìn)行分析。由于研究區(qū)沒有實(shí)測日蒸散量數(shù)據(jù),只有1個(gè)國家級氣象觀測站點(diǎn)——精河氣象站,因此,參考劉志武等[10]、王霞[11]和姜紅[12]的方法,對日蒸散量反演精度進(jìn)行驗(yàn)證(表3),反演精度符合要求。

圖6 精河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)量小波方差和小波系數(shù)Fig.6 Wavelet variances and coefficients of the ET in the Jinghe Watershed

表3 SEBAL模型精度驗(yàn)證結(jié)果

Table 3 Accuracy evaluation of the SEBAL model with Penman-Monteith formula

影像時(shí)間FAO-PM蒸散量/mmSEBAL蒸散量/mm相對誤差/%實(shí)測地表溫度/℃遙感反演地表溫度/℃相對誤差/%1998-09-252.6232.381-9.2224.025.2995.412007-09-182.1762.110-3.0320.523.10912.732011-09-131.8421.9194.1820.922.8069.12

由圖7可見,研究區(qū)極高值出現(xiàn)在艾比湖湖區(qū),這主要是由于湖面水分充足,且湖水比熱容較大,湖區(qū)溫度上升和下降的幅度較小。1998—2007年,湖區(qū)的日蒸散量高值范圍有縮減,2007—2011年湖區(qū)的日蒸散量高值范圍有一定程度恢復(fù),主要是由于區(qū)域氣候暖濕化,精河上游實(shí)施節(jié)水灌溉,2007年艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)晉升為國家級自然保護(hù)區(qū),生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù),湖區(qū)面積增加,日蒸散量高值范圍也增加。研究區(qū)中部主要是綠洲農(nóng)業(yè)種植區(qū),有較好的地表作物植被覆蓋,使得日蒸散量分布較均勻,在近20 a保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平,其蒸散量僅次于湖面日蒸散量,平均值在6.5 mm左右。由于耕地面積的擴(kuò)大,農(nóng)田蒸散區(qū)也隨之?dāng)U大。在研究區(qū)東北部和東南部有小部分山地,因山區(qū)有冰雪和冰川,造成該區(qū)日蒸散量相對較高。低值區(qū)域出現(xiàn)在研究區(qū)北部、西北部和西南部,范圍為0.53～1.27 mm,主要原因是這些區(qū)域植被覆蓋度較低,植物體蒸發(fā)、蒸騰量少。

在不同土地利用類型下地表土壤的濕度和地表溫度狀況有所不同,會(huì)對區(qū)域日蒸散量產(chǎn)生顯著影響,因此,通過參考中國科學(xué)院土地利用覆蓋分類體系,解譯獲取了研究區(qū)1998、2007和2011年土地利用類型圖(圖8)。圖8表明,研究區(qū)的水域(包括艾比湖地面)反射率較低,瞬間獲取的太陽輻射能較多,故實(shí)際蒸散發(fā)在整個(gè)研究區(qū)最大,日蒸散量在7.3～9.32 mm之間。研究區(qū)耕地區(qū)域相對集中,主要種植作物為棉花。1998—2011年精河縣耕地面積不斷增大,耕地邊緣地帶的草地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦?使得日蒸散量在5.31～7.55 mm之間的區(qū)域不斷擴(kuò)大。研究區(qū)內(nèi)林地以干旱區(qū)的落葉闊葉林為主,零星分布在耕地的邊緣和河流附近水分比較充足的地帶,由于林地土壤涵養(yǎng)的水分比其他未利用地多,樹木發(fā)達(dá)的根系汲水加之葉面蒸騰,使該區(qū)域蒸散量也較高,日蒸散量在3.95～5.62 mm之間。居民用地在研究區(qū)內(nèi)的面積不大,呈零星分布,較低的地表自然植被覆蓋度以及人工不透水面的建造在較大程度上限制了蒸散發(fā),日蒸散量主要在1.35～3.32 mm之間,呈較低水平。研究區(qū)內(nèi)的未利用地多為裸露巖石、戈壁、荒漠和沙地,由于干旱區(qū)未利用地區(qū)域地下水位較深,地表含水量較少,導(dǎo)致該類型土地蒸散量很小,僅處于0.02～5.69 mm之間。西北部是艾比湖濕地轉(zhuǎn)移出的鹽堿地,含水量高于其他未利用地,其日蒸散量在未利用地區(qū)域中相對較高。

2.3 精河流域?qū)嶋H蒸散量影響因素分析

2.3.1 自然因素

分別對平均降水量、氣溫、相對濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、太陽輻射、日較差與實(shí)際蒸散量進(jìn)行相關(guān)性分析,其相關(guān)系數(shù)分別為-0.337(P<0.01)、0.692(P<0.05)、-0.533(P<0.01)、0.385(P<0.05)、0.954(P<0.01)、0.652(P<0.01)和0.500(P<0.01)。精河西北部存在著名大風(fēng)口——阿拉山口,使得風(fēng)速成為實(shí)際蒸散發(fā)生的最主要驅(qū)動(dòng)力。同時(shí),太陽輻射和平均氣溫影響著近地面的熱交換,也成為影響區(qū)域?qū)嶋H蒸散量不可忽視的氣象因素,這也與干旱區(qū)蒸散量相關(guān)研究結(jié)論保持一致。

圖7 精河流域日蒸散量空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of daily evapotranspiration in the Jinghe watershed

圖8 精河流域土地利用分類圖Fig.8 Classification of land use types in the Jinghe Watershed

2.3.2 人文因素

人文因素的作用尤其是土地利用類型對地表實(shí)際蒸散量的影響顯著而強(qiáng)烈。自20世紀(jì)50年代以來,精河流域大規(guī)模開墾后農(nóng)田灌溉面積和灌溉引水量大幅增加是造成精河流域蒸散量緩慢上升的主要人為因素。1968—1994年是精河流域蒸散量變化波動(dòng)較顯著的時(shí)段。這一時(shí)期,由于開荒面積不斷增長和水資源不合理利用,導(dǎo)致土地鹽堿化和植被退化加劇,20世紀(jì)80年代后大量開墾地撂荒,精河流域蒸散量1968年出現(xiàn)最高值后迅速下降,在1978年出現(xiàn)小幅波動(dòng)上升后,進(jìn)一步急速下降,蒸散量變化的波動(dòng)性強(qiáng)烈。而蒸散量在1994年到達(dá)歷史最低點(diǎn)627.31 mm后,開始緩步上升,這與精河入湖徑流量的增加和當(dāng)?shù)乜茖W(xué)引水灌溉、提高水資源利用率有緊密關(guān)系。20世紀(jì)90年代后期,在新疆整體降水減少和氣溫升高的雙重作用下,研究區(qū)徑流總量減少,蒸散量總體偏低。精河流域近60 a的年際實(shí)際蒸散量變化趨勢與我國西部大部分地區(qū)的變化趨勢[13]基本一致。

3 結(jié)論

精河流域近60 a的年際實(shí)際蒸散量整體呈現(xiàn)38.58 mm·(10 a)-1的下降趨勢,且以29 a為主周期波動(dòng)變化,預(yù)測表明,2016—2020年蒸散量將持續(xù)增加,2020年起將突變轉(zhuǎn)為下降期,2029年蒸散量將再次進(jìn)入上升周期。在季節(jié)變化特征上,研究區(qū)實(shí)際蒸散量整體表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季的特征。

研究區(qū)實(shí)際蒸散量受各種因素的綜合影響,而不同因素之間又相互制約。自然因素層面,平均風(fēng)速是影響精河流域?qū)嶋H蒸散量的最重要因子,但太陽輻射和平均氣溫的影響不可忽視。而近60 a來精河流域大規(guī)模開墾導(dǎo)致的農(nóng)田灌溉面積和灌溉引水量大幅增加,成為影響研究區(qū)實(shí)際蒸散量的主要人文因素,不同土地利用類型蒸散量整體表現(xiàn)為水域>耕地>林地>草地>未利用地。

綜上,對于研究區(qū)而言,農(nóng)業(yè)蒸散耗水是水分消耗的主要部分,恢復(fù)生態(tài)、節(jié)水灌溉、降低農(nóng)田蒸散量、減少作物需水量和灌溉量以及降低地表干燥度是改善研究區(qū)脆弱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn),如何平衡生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將是未來發(fā)展的關(guān)鍵。

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(責(zé)任編輯： 許 素)

Temporal and Spatial Characteristics of Actual Evapotranspiration in Jinghe Watershed, Xinjiang.

DAIPeng-chao1,2,NIUSu-juan1,WUZhao-peng1,2,SHIYun-xia1

(1.College of Geography and Tourism Science, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China；2.Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, China)

The Jinghe watershed is an important part of the North Slope Economic Development Belt of the Tianshan Mountains in Xinjiang. The meteorological data of the period from 1953 to 2015 and the Landsat 5 TM images of the years 1998, 2007 and 2011 of the region were analyzed for spatio-temporal variation of the actual evapotranspiration, its characteristics and periodicity with the help of the Penman-Monteith formula, SEBAL model, Morlet wavelet analysis model and M-K mutation test model. Results show: (1) Temporal and spatial distribution of evapotranspiration is influenced by meteorological factors and underlying surface in the Jinghe watershed. The evapotranspiration of the past 60 years as a whole exhibits a significant declining trend with fluctuation in the year 1967 and 1994. In terms of temporal evapotranspiration variation rate, the four seasons follows an order of summer > spring > fall > winter. (2) The mean annual evapotranspiration dropped about 150.654 mm (17.361%) after the sudden change in 1982. The variation of the actual evapotranspiration consisted of three oscillation periods, each lasted for around 29 years, which indicates that in the 15 years to follow the mean annual evapotranspiration tends to ascend first by a small margin and then descend. And (3) spatial distribution of the evapotranspiration is significantly related to the type of land use, and it declines with the type of surface land use follows an order of waters>cultivated land>forest land>grass land>unused land.

Jinghe Watershed； actual evapotranspiration； Penman-Monteith formula； SEBAL model

2017-02-05

國家自然科學(xué)基金(41261055);新疆維吾爾自治區(qū)科技基金(201533109);新疆師范大學(xué)地理學(xué)博士點(diǎn)開放基金(XJNU-DL-201602);新疆師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201710762004);新疆師范大學(xué)“十三五”校級重點(diǎn)學(xué)科地理學(xué)

P426.2

A

1673-4831(2017)07-0600-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.07.004

代鵬超(1990—),男,新疆烏魯木齊人,碩士生，研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)。E-mail: daipengchaoxj@sina.com

① 通信作者E-mail: wuzhaopengxj@sina.com