周正模，杜付然，江海濤，李瓊芳

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)國際河流研究所，江蘇 南京 210098；3.河南省許昌水文水資源勘測局，河南 許昌 461000；4.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著人口的急劇增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國土地利用模式發(fā)生了顯著變化。由土地利用變化引起的水文效應(yīng)已成為水文等相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點問題[1,2]，其中，土地利用變化對流域蒸散發(fā)能力的影響是研究變化環(huán)境下水循環(huán)演變的重要方面。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對相關(guān)問題做了大量研究：張井勇等[3]研究發(fā)現(xiàn)土地利用變化會直接改變地表熱通量，從而影響到地表氣溫變化；蔡琳等[4]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，以四川南廣河流域為研究對象，驗證了雙源蒸散發(fā)模型的可行性，得到不同土地利用類型的蒸散發(fā)能力排序；趙建剛[5]利用橫排頭流域土地利用專題地圖和流域資料，通過GIS與Matlab相結(jié)合的手段，得到不同土地利用的傅抱璞公式v的排序；歐陽欽從等[6]基于SWAT模型模擬了晉江流域不同土地利用條件下的水文過程，研究表明土地利用變化的水文過程效應(yīng)與年內(nèi)降水分布具有密切關(guān)系，降水量越小，蒸散發(fā)效應(yīng)越顯著。上述學(xué)者大多從年尺度研究了土地利用與蒸散發(fā)能力的關(guān)系，沒有深入研究土地利用變化對不同典型年(豐水年、平水年和枯水年)的不同時間尺度蒸散發(fā)能力空間分布的影響。因此，論文選取土地利用變化顯著的淮河上游息縣流域為研究區(qū)域，研究不同典型年的不同時間尺度蒸散發(fā)能力的空間分布隨土地利用變化的規(guī)律。研究成果可為變化環(huán)境下水循環(huán)演變研究提供支撐。

1 研究方法

論文選取淮河上游息縣水文控制站以上流域為研究區(qū)，選用美國國家地球物理中心分辨率為1 km×1 km全球DEM的基礎(chǔ)高程資料，運用地理信息軟件ArcGIS水文模塊構(gòu)建研究區(qū)的數(shù)字水系，并將其離散成空間分辨率為1 km×1 km的網(wǎng)格單元。基于中國科學(xué)院提供的研究區(qū)分辨率為1 km×1 km的1995年和2000年土地利用遙感資料，運用ArcGIS軟件空間分析得到每個計算網(wǎng)格單元上的土地利用信息，并通過分析比較揭示研究區(qū)從1995年到2000年的土地利用變化規(guī)律?；?990-2009年的降雨資料，通過水文頻率分析選取2000年、2008年和2001年分別代表豐水年、平水年、枯水年的三個典型年；基于流域內(nèi)外附近8個氣象站的3個典型年的日氣象資料(風(fēng)速、凈輻射、日均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度等)，利用距離平方倒數(shù)法對進行高程修正后的日氣象資料進行空間插值，獲得1km×1km網(wǎng)格的日氣象資料，應(yīng)用分布式雙源蒸散發(fā)模型[6]，計算得到研究區(qū)不同典型年在兩種土地利用模式下日尺度的各網(wǎng)格的蒸散發(fā)能力，進而計算得到季尺度和年尺度的各網(wǎng)格的蒸散發(fā)能力。對比分析不同典型年土地利用變化對不同時間尺度蒸散發(fā)能力空間分布的影響，揭示土地利用變化對流域蒸散發(fā)能力空間分布的影響。

2 土地利用變化分析

2.1 研究區(qū)域概況

論文選取淮河上游息縣水文控制站以上流域作為研究區(qū)域，流域范圍：東經(jīng)113°15′～114°46′，北緯31°31′～32°43′，流域面積10 190 km2。流域水系及氣象站分布見圖1。該區(qū)域地處我國半干旱氣候與濕潤氣候過渡帶，多年平均氣溫在15℃左右，降雨和蒸發(fā)時空分布不均勻，多年平均降水量1 020 mm，多年平均水面蒸發(fā)量850 mm。近幾十年由于人類活動強烈，流域土地利用發(fā)生顯著變化。研究區(qū)僅有南灣、石山口、息縣三個蒸發(fā)站，蒸發(fā)站數(shù)量過少且分布不均勻，基于三站的實測蒸散發(fā)不能很好地反映流域土地利用變化對蒸散發(fā)能力空間分布的影響。

2.2 土地利用變化分析

基于1995年和2000年土地利用遙感圖，應(yīng)用GIS軟件處理分析得到息縣流域兩期原始土地利用空間分布圖后，做如下處理：林地分為有林地、灌木林和疏林地，農(nóng)業(yè)耕作用地分為水田和旱地，高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地合并統(tǒng)稱為草地，河渠、水庫坑塘和灘地合并統(tǒng)稱為水體，最終得到的兩期土地利用空間分布見圖2和圖3。土地利用變化空間分布見圖4，各土地利用類型所占面積比及變化情況見表1。

圖2 息縣流域1995年土地利用分布圖Fig.2 Distribution of land use in Xixian River Basin(1995)

圖3 息縣流域2000年土地利用分布圖Fig.3 Distribution of land use in Xixian River Basin(2000)

圖4 息縣流域從1995年到2000年土地利用變化空間分布圖Fig.4 Distribution of land use change in Xixian River Basin from 1995 to 2000

綜合圖2和表1分析，研究區(qū)1995年主要土地利用類型為水田、旱地和林地，共占總流域面積的99%以上，其中林地以有林地為主，約占總林地面積的64%。旱地主要分布在流域北部，林地主要分布在流域南部，水田主要分布在流域東部和西部。不難發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)1995年3種主要土地利用方式占比均衡，占比最大的林地和占比最小的旱地相差約流域面積的11%。

表1 息縣流域1995年和2000年土地利用及變化情況 %

綜合圖3和表1分析，研究區(qū)2000年主要土地利用類型依然為水田、旱地和林地，接近總流域面積的90%，其中，林地仍以有林地為主，約占總林地面積的66%。旱地主要分布在流域西部、北部以及中部和東部的部分區(qū)域，林地依然主要分布在流域南部，水田主要分布在流域中部和東部的部分區(qū)域。不難發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2000年3種主要土地利用方式面積占比相差較大，占比最小的水田不足占比最大的旱地的43%。

綜合圖4和表1分析，研究區(qū)從1995年至2000年，各土地利用類型所占面積比重發(fā)生了顯著變化，發(fā)生土地利用變化的區(qū)域約占總流域面積的30%，主要分布在流域的西部、中部和東部的部分區(qū)域。其中，水田變?yōu)楹档厥亲钪饕耐恋乩米兓绞?，約占總流域面積的16.8%。此外，林地變?yōu)檗r(nóng)田區(qū)域約占總流域面積的6.5%，其中有一半?yún)^(qū)域為有林地變?yōu)楹档?。另外，旱地變?yōu)樗锛s占1.4%，有林地、疏林地和灌木林相互轉(zhuǎn)化約占3.8%，農(nóng)田變?yōu)榱值丶s占2.5%，草地、水體和城鎮(zhèn)用地都有一定幅度增長，具體空間變化情況見圖4。

綜合上述分析，研究區(qū)從1995年到2000年，主要土地利用類型未發(fā)生明顯變化，均為水田、旱地和林地，但各類型所占比重變化顯著，發(fā)生土地利用變化的區(qū)域約占總流域面積的30%，主要分布在流域的西部、中部和東部。其中，土地利用變化超過半數(shù)為水田變?yōu)楹档兀簭?995年占比均衡(27.10%)到2000年占據(jù)主導(dǎo)地位(45.23%)。此外，各類型的林地均有不同幅度的減少，草地、水體和城鎮(zhèn)用地均有不同幅度的增加。

3 土地利用變化條件下流域蒸散發(fā)能力空間分布變化計算

3.1 分布式雙源蒸散發(fā)模型簡介

3.1.1 簡易植物生長模型EPIC[9]

葉面積指數(shù)(LAI)是植物葉片總面積與植物占地面積的比值，該值隨植物生長不斷變化。該模型基于熱量單元理論，假定植物成熟需要一定的熱量積累且該值可量化。根據(jù)植物生長期及最低生長溫度計算總積溫，然后以生長期內(nèi)的日平均氣溫作為輸入項，采用LAI發(fā)展曲線分3個時段動態(tài)計算植物的LAI年內(nèi)變化過程。

3.1.2 雙源蒸散發(fā)模型[10]

雙源蒸散發(fā)模型同時考慮土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)，將植被冠層和土壤表層作為兩個相互獨立又相互作用的水汽源，從而分別對土壤表層和植被冠層進行能量的平衡計算。

本文以彭曼模型為基礎(chǔ)，來計算流域的總蒸散發(fā)能力，包括土壤蒸發(fā)能力、植被蒸騰能力和植被冠層截留蒸發(fā)，詳細計算公式見參考文獻[10]。

3.1.3 植物生長模型與雙源蒸散發(fā)模型集成

雙源蒸散發(fā)模型參數(shù)的計算均需要LAI。集成雙源蒸散發(fā)模型與植物生長模型，由植物生長模型計算逐日動態(tài)LAI并將其作為雙源蒸散發(fā)模型重要輸入項計算流域蒸散發(fā)能力。分布式雙源蒸散發(fā)模型的建立基于1 km×1 km網(wǎng)格，具有物理概念，能顯式反映氣候特征、植被葉面積指數(shù)等因子的時空差異性和土壤特性以及流域地形的空間差異性對流域蒸散發(fā)的影響。閆方秀等[8]的研究結(jié)果表明，蒸散發(fā)能力計算值與蒸發(fā)皿觀測值年內(nèi)逐日波動趨勢基本一致，驗證了雙源蒸散發(fā)模型的合理性及其在淮河流域的適用性。

3.2 土地利用變化條件下的季尺度蒸散發(fā)能力空間分布變化

利用分布式雙源蒸散發(fā)模型，分別計算研究區(qū)3個典型年兩種土地利用模式下日尺度的各網(wǎng)格蒸散發(fā)能力，進而計算得到研究區(qū)3個典型年兩種土地利用模式下四個季節(jié)各網(wǎng)格的蒸散發(fā)能力，并以此為基礎(chǔ)，導(dǎo)出土地利用變化條件下季尺度流域蒸散發(fā)能力空間分布的變化，見圖5-圖7。

3.3 土地利用變化條件下的年尺度蒸散發(fā)能力空間分布變化

基于研究區(qū)3個典型年兩種土地利用模式下日尺度的各網(wǎng)格蒸散發(fā)能力，計算得到各網(wǎng)格的年尺度流域蒸散發(fā)能力，見圖8-圖10(a、b)，進而得到土地利用變化條件下年尺度流域蒸散發(fā)能力空間分布的變化，見圖8-圖10(c)。

圖5 土地利用變化引起的豐水年不同季節(jié)蒸散發(fā)能力空間分布變化(單位：mm)Fig.5 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in wet year

圖6 土地利用變化引起的平水年不同季節(jié)蒸散發(fā)能力空間分布變化(單位：mm)Fig.6 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in normal flow year

圖7 土地利用變化引起的枯水年不同季節(jié)蒸散發(fā)能力空間分布變化(單位：mm)Fig.7 Spatial distribution of changes of seasonal evapotranspiration caused by land use change in dry year

圖8 息縣流域典型豐水年(2000年)年尺度蒸散發(fā)能力空間分布(單位：mm)Fig.8 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in wet year

圖9 息縣流域典型平水年(2008年)年尺度蒸散發(fā)能力空間分布(單位：mm)Fig.9 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in normal flow year

圖10 息縣流域典型枯水年(2001年)年尺度蒸散發(fā)能力空間分布(單位：mm)Fig.10 Spatial distribution of changes of yearly evapotranspiration caused by land use change in dry year

4 土地利用變化對流域蒸散發(fā)能力影響分析

4.1 季尺度影響分析

綜合比較分析圖5-7，可以發(fā)現(xiàn)，土地利用變化對季尺度流域蒸散發(fā)能力的影響在不同典型年呈現(xiàn)相似規(guī)律：夏季發(fā)生蒸散發(fā)能力變化的面積最大，而其他三個季節(jié)差別不大；發(fā)生蒸散發(fā)能力變化的大部分網(wǎng)格的季尺度蒸散發(fā)能力均呈現(xiàn)不同程度的減小，且減小幅度依夏季、春季、秋季、冬季遞減。具體分析如下：春季、秋季和冬季的蒸散發(fā)能力變化區(qū)域約占總流域面積的12%，夏季約占總流域面積的30%，對比發(fā)現(xiàn)土地利用變化區(qū)域和夏季蒸散發(fā)能力變化區(qū)域完全吻合，其他季節(jié)與夏季相差的區(qū)域為水田變?yōu)楹档夭糠?；春季約有總流域面積7%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度減小，在-2 mm內(nèi)，這部分區(qū)域主要為林地變?yōu)檗r(nóng)田，約有4%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度增大，在2 mm內(nèi)，這部分區(qū)域主要為農(nóng)田變?yōu)榱值?，蒸散發(fā)能力變化幅度在-227～233 mm內(nèi)；夏季約有總流域面積17%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度減小，在-2 mm內(nèi)，這部分主要為水田變?yōu)楹档?，約有6%的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度增大，在5 mm內(nèi)，這部分主要為農(nóng)田變?yōu)榱值睾褪枇值刈優(yōu)楣嗄玖郑s有6%區(qū)域的蒸散發(fā)能力有較大幅度減小，約為-5 mm，這部分主要為林地變?yōu)檗r(nóng)田，蒸散發(fā)能力變化幅度在-309～315 mm內(nèi)；秋季約有總流域面積7%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度減小，在-2 mm內(nèi)，約有4%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生小幅度增大，在2 mm內(nèi)，蒸散發(fā)能力變化幅度在-177～177 mm內(nèi)；冬季略有差異，但大部分區(qū)域的蒸散發(fā)能力均有減小，蒸散發(fā)能力變化幅度在-132～88 mm內(nèi)。不難發(fā)現(xiàn)，水田變旱地區(qū)域的蒸散發(fā)能力變化體現(xiàn)在夏季，結(jié)合農(nóng)作物生長規(guī)律分析原因，水田主要農(nóng)作物為水稻，其生長耗水期基本在夏季，在其他季節(jié)與旱地作物無明顯差別，因此，流域蒸散發(fā)能力的變化區(qū)域在夏季明顯遠大于其他季節(jié)。

在土地利用變化條件下，三種典型年的季尺度流域蒸散發(fā)能力變化在宏觀表現(xiàn)上基本一致，但在具體表現(xiàn)上會略有不同。以冬季為例，2000年和2008年的冬季均約有總流域面積11%區(qū)域的蒸散發(fā)能力有-1 mm以內(nèi)的小幅度減小，而2001年除約有總流域面積2%區(qū)域的蒸散發(fā)能力發(fā)生-1 mm內(nèi)的小幅度減小外，還約有5%區(qū)域的蒸散發(fā)能力有約為-8 mm的較大幅度減小，約有3%區(qū)域的蒸散發(fā)能力有約為8 mm的較大幅度增大；2000年和2008年的整體蒸散發(fā)能力變化幅度為-45～52 mm，而2001年的變化幅度為-132～88 mm。由圖可知，2000年春夏兩季變化幅度相對較大，2008年秋冬兩季變化幅度相對較大，2001年夏秋兩季變化幅度相對較大。

分析原因，典型年的選取依據(jù)為年降雨量，雖然不同典型間的年降雨量相差很大，但日平均氣溫、日平均風(fēng)速、凈輻射等氣象條件總體卻相差甚微，加之各季節(jié)情況不一，因此典型年對季尺度蒸散發(fā)能力變化的影響無明顯規(guī)律。

4.2 年尺度影響分析

綜合比較分析圖8-10，可以發(fā)現(xiàn)，土地利用變化對年尺度流域蒸散發(fā)能力的影響在不同典型年表現(xiàn)基本一致：蒸散發(fā)能力發(fā)生變化的絕大多數(shù)網(wǎng)格年蒸散發(fā)能力均有不同程度的減小。結(jié)合土地利用變化，具體分析如下：水田變?yōu)楹档貐^(qū)域，蒸散發(fā)能力有小幅度減小，在-5 mm內(nèi)，表明水田的蒸散發(fā)能力略大于旱地，這主要是因為旱地和水田上的農(nóng)作物在植被冠層截留蒸發(fā)和植被蒸騰上差別不大，但水田在水稻灌溉期，其土壤蒸發(fā)部分是以水面蒸發(fā)來計算的，因此，綜合來看，水田的蒸散發(fā)能力會略大于旱地；林地變?yōu)檗r(nóng)田區(qū)域，蒸散發(fā)能力也有一定幅度的減小，約-10 mm，表明林地的蒸散發(fā)能力大于農(nóng)田，這是因為林地的植被冠層截留蒸發(fā)和植被蒸騰相比于農(nóng)田，都會相對較大；水田變?yōu)槭枇值睾褪枇值刈優(yōu)楣嗄玖謪^(qū)域，蒸散發(fā)能力有小幅度增大，在8 mm內(nèi)，表明灌木林的蒸散發(fā)能力略大于疏林地，這是因為疏林地的葉面積指數(shù)明顯小于灌木林，導(dǎo)致冠層截留蒸發(fā)和植被蒸騰都相對較??；灌木林變?yōu)橛辛值貐^(qū)域蒸散發(fā)能力基本無變化，表明灌木林與有林地的蒸散發(fā)能力相當(dāng)；旱地變?yōu)楣嗄玖?有林地區(qū)域，蒸散發(fā)能力有一定幅度的增大，約11 mm；有林地變?yōu)椴莸匾约俺擎?zhèn)用地、水體擴張區(qū)域，蒸散發(fā)能力均有大幅度增大，表明草地、城鎮(zhèn)用地和水體的蒸散發(fā)能力遠大于其他的土地利用類型。綜合上述分析，得到主要土地利用類型的蒸散發(fā)能力排序：有林地/灌木林>疏林地>水田>旱地。

在土地利用變化條件下，三種典型年的年尺度流域蒸散發(fā)能力變化在宏觀表現(xiàn)上基本一致，但在具體表現(xiàn)上會略有不同，主要表現(xiàn)在蒸散發(fā)能力的變化幅度上。豐水年兩種土地利用模式的流域蒸散發(fā)能力幅度均為496～670 mm，土地利用變化條件下蒸散發(fā)能力變化幅度為-644～660 mm；平水年兩種土地利用模式的蒸散發(fā)能力幅度均為530～697 mm，土地利用變化條件下蒸散發(fā)能力變化幅度為-661～690 mm；枯水年兩種土地利用模式的蒸散發(fā)能力幅度均為587～749 mm，土地利用變化條件下蒸散發(fā)能力變化幅度為-725～745 mm。比較發(fā)現(xiàn)，在相同土地利用模式下平水年的流域整體蒸散發(fā)能力略大于豐水年、略小于枯水年，在土地利用變化條件下平水年的年蒸散發(fā)能力變化幅度略大于豐水年、略小于枯水年。換言之，由于氣象條件差異，帶來年降雨量增大的情況下，流域年蒸散發(fā)會有一定程度地相對減小。

5 結(jié) 論

論文基于ArcGIS技術(shù)和集成植物生長模型的分布式雙源蒸散發(fā)模型，分析了息縣流域從1995年到2000年的土地利用變化情況，研究了土地利用變化對季尺度和年尺度流域蒸散發(fā)能力的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)息縣流域的土地利用類型主要為水田、旱地和林地。其中，林地包括有林地、疏林地和灌木林。其他土地利用類型還有水體、草地和城鄉(xiāng)用地等。

(2)從1995年至2000年，息縣流域土地利用模式變化顯著。土地利用變化面積約占總流域面積的30%，其中主要變化為：約總流域面積的17%由水田變?yōu)楹档夭糠?，約總流域面積的7%由林地轉(zhuǎn)變?yōu)楹档?3%)和水田(1%)。

(3)土地利用變化對年尺度流域蒸散發(fā)能力的影響在各代表年表現(xiàn)一致：絕大部分變化區(qū)域的蒸散發(fā)能力呈現(xiàn)減小趨勢，其中，豐水年的變化幅度最小，而枯水年的變化幅度最大。對比分析得到不同土地利用類型蒸散發(fā)能力排序：有林地/灌木林>疏林地>水田>旱地。

(4)土地利用變化對季尺度流域蒸散發(fā)能力影響主要表現(xiàn)在夏季。而在其他季節(jié)，不同代表年的季尺度蒸散發(fā)能力變化情況不盡相同，沒有明顯規(guī)律。

論文得出的結(jié)論符合枯水年份(特別是夏季缺水年份)農(nóng)業(yè)耕地應(yīng)盡量以旱地為主的實際情況。基于此研究成果，可進一步研究土地利用變化對流域產(chǎn)水產(chǎn)沙以及水資源總量的影響，為變化環(huán)境下水循環(huán)演變研究提供支撐。

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