顏紅，馬龍生，韋小茶，楊文，梁建方，夏傳花

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，貴州貴陽550001)

近年來，在日益加劇的全球變化背景下，各區(qū)域的水熱條件發(fā)生了明顯變化[1]。蒸散發(fā)(evapotranspiration，ET)是地下水-土壤水-植被-大氣水循環(huán)系統(tǒng)的重要驅(qū)動力[2-3]。地表大約一半以上的降水都是以蒸散發(fā)的方式到達大氣中，它對區(qū)域水熱分布狀況起著重要作用[4-5]。因此，分析流域地表蒸散發(fā)的時空變化特征，對了解區(qū)域水熱分布規(guī)律、水資源合理開發(fā)利用與水土保持等有著重要意義[6-7]。

近年來，國內(nèi)外的相關(guān)學者對地表蒸散量開展了大量研究。在基于站點數(shù)據(jù)的地表蒸散發(fā)研究中，杜琦基于汾河流域1956—2010年6個水文站點的平均蒸散發(fā)系數(shù)，計算了植被恢復對流域蒸散發(fā)的影響[3]；吳霞等基于中國552個氣象站點1961—2015年逐日氣象數(shù)據(jù)的研究指出，風速減小、日照時數(shù)降低和水汽壓微弱增加是ET減少的主要原因[8]；于飛等研究認為日照時數(shù)、日最高溫度和日相對濕度對貴州潛在蒸散量的變化具有重要作用[9]。但對較大的流域尺度來說，地表存在著較大的差異性，水熱傳輸存在動態(tài)性，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備和方法已不適用于大尺度流域ET的監(jiān)測[10-12]。隨著遙感技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，地表參數(shù)獲取途徑越來越方便，為區(qū)域ET的遙感監(jiān)測找到新的途徑[13-15]。張長春通過利用相關(guān)遙感數(shù)據(jù)和方法對黃河的三角洲地區(qū)進行研究[16]；Hafeez等通過相應(yīng)的地表參數(shù)和模型，對菲律賓的Puma Panga河上游區(qū)域開展深入研究，掌握了區(qū)域地表蒸散發(fā)分布情況[17]；梁文廣等對鄱陽湖流域的地表蒸散發(fā)分布情況也進行相應(yīng)研究，并取得了良好的效果[18]。范建忠等利用MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析陜西省ET的時空變化特征[19]。鄧興耀等通過15 a的地表蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)，運用相關(guān)分析及模型模擬等方法，研究中國西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的空間分布格局，并對不同維度的時空分異規(guī)律和未來變化趨勢進行預(yù)測[20]。前人基于遙感數(shù)據(jù)和水文模型等方法的研究中[21-23]，表明MOD16產(chǎn)品能較好地表示各區(qū)域地表蒸散量時空分布特征，融合“遙感反演-實地監(jiān)測-計量經(jīng)濟學模型測算-數(shù)據(jù)綜合分析”四位一體是流域水資源管理的重要方法[24-25]。

喀斯特地區(qū)廣泛分布著可溶性的碳酸鹽巖，具有地表地下二元結(jié)構(gòu)，地表滲漏系數(shù)大，即使在降水條件豐富的條件下，仍容易形成“工程性缺水”的問題。在脆弱的喀斯特生態(tài)環(huán)境背景下，地表蒸散發(fā)更是加劇該區(qū)的水資源問題[26]。吳麗萍等研究發(fā)現(xiàn)，日照時數(shù)、風速和平均溫度等因子對ET的影響在喀斯特與非喀斯特地區(qū)表現(xiàn)出不同的特征[27]。漣江流域是貴州典型的喀斯特流域，水資源開發(fā)利用是當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的重要問題。因此，基于2000—2014年MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析貴州省漣江流域月、季節(jié)和年尺度下的地表蒸散量時空變化特性，為流域水資源的合理開發(fā)利用、水循環(huán)過程研究和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等提供科學依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)概況

漣江流域地處貴州省中南部，地理坐標為：東經(jīng)106°14′～106°51′，北緯25°32′～26°26′之間，流域面積約3 050.65 km2。地勢東南高西北低，主要分布著碳酸鹽巖，發(fā)育有巖溶高原和峰叢洼地為主的喀斯特地貌，其中黃壤、水稻土、草甸土和石灰土為主要土壤類型。屬亞熱帶季風氣候，具有溫暖濕潤、降雨量大的特點，年平均溫度為15.8 ℃，降水量約為1 231 mm，以亞熱帶常綠闊葉林為主[28]。區(qū)域?qū)倏λ固厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，日益加劇的人類活動干擾使得自然環(huán)境不斷遭到破壞，土壤侵蝕嚴重，基巖裸露導致土地生產(chǎn)力下降，流域內(nèi)長順市、羅甸縣和龍里縣等地的石漠化、水土流失現(xiàn)象較為嚴重。參考童曉偉等人的研究，將漣江流域劃分為峰叢洼地和巖溶高原2個大地貌單元[29](圖1)。

圖1 漣江流域區(qū)位

2 數(shù)據(jù)來源與處理

地表蒸散遙感數(shù)據(jù)(MOD16，Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer 16)的下載地址為http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/，研究區(qū)所處的衛(wèi)星軌道號為h27v06，所獲取數(shù)據(jù)的時間分辨率為8 d，時間序列為2000—2014年?；贗DL編程語言將MOD16產(chǎn)品的hdf格式批量轉(zhuǎn)換為tif格式，采用WGS_1984地理坐標，Albers Equal-Area Conic投影坐標。并通過IDL編程語言實現(xiàn)影像批量拼接、裁剪和像元亮度值(digital number，DN)轉(zhuǎn)化等。采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)將8 d的數(shù)據(jù)合成月份、年份數(shù)據(jù)，該方法能消除一部分云、大氣、太陽高度角的部分干擾，目前已被廣泛應(yīng)用于遙感數(shù)據(jù)的處理過程中[30]。

為說明MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)對漣江流域ET反演結(jié)果的適用性，通過所能獲取的漣江流域內(nèi)惠水站2009—2014年小型蒸發(fā)皿實測年均ET數(shù)據(jù)，以此對MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行精度驗證。圖2所示，可看出實測值與遙感產(chǎn)品之間的相關(guān)系數(shù)較高(R2=0.91)，總體上能滿足對該地區(qū)地表蒸散發(fā)的時空分布特征的分析。流域的土地利用數(shù)據(jù)(2010年)來源于地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)(http://www.gscloud.cn)。

圖2 2000—2014年漣江流域MOD16產(chǎn)品與實測ET值關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 不同月份的ET變化特征

漣江流域2000—2014年的月平均蒸散發(fā)量統(tǒng)計結(jié)果見圖3，從1—12月表現(xiàn)為先增后減，夏季的地表蒸散發(fā)量較高。最小值出現(xiàn)在1月多年月均蒸發(fā)量為41.54 mm，冬季地表氣溫較低，許多植被枝葉掉落，生長減緩，降水量少，植物的蒸騰作用以及地表的蒸散發(fā)等能力達到全年中最小，不利于地表蒸散發(fā)。而7月的ET值最大，為118.50 mm。在春季3—5月份期間，氣溫開始升高，同時隨著降雨的增加和植被的生長，春季的ET相對于冬季有了較大的上升；在夏季的6—8月份，降雨增加，氣溫升高，植被處于繁茂生長時期，流域內(nèi)的ET最高；在秋季的9—11月份，隨著氣溫開始下降，降雨量逐漸減少，植被生長處于落葉時期，在該時段的ET也出現(xiàn)下降的趨勢。在月尺度上，流域的ET變化受到氣溫、降水、植被生長狀態(tài)的顯著影響，總體呈春夏高、秋冬低的變化特征。

圖3 漣江流域2000—2014年地表蒸散量分布

3.2 不同季節(jié)ET變化特征

選取1、4、7、10月分別代表流域冬、春、夏、秋季，漣江流域2000—2014年不同季節(jié)的ET變化特征見圖4。其中，各年不同季節(jié)的ET值表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，可能是因為春季和夏季植被覆蓋度較高，蒸騰和蒸發(fā)作用加強，且該時間段的降水和氣溫均較高，所以蒸散發(fā)較大；而在秋冬季，氣溫較低，降水也減少，許多植被的枝葉開始枯落，植被蒸騰和蒸發(fā)減小，因此地表的蒸散量也較低。由此可看出，主要由于流域不同季節(jié)水熱條件集植被生長狀況的差異，使得地表蒸散量呈現(xiàn)出季節(jié)差異性。

圖4 漣江流域2000—2014年1、4、7、10月地表蒸散量

3.3 年均ET變化特征

漣江流域2000—2014年年均ET變化特征見圖5，研究期間年均ET值的變化范圍為725.68～775.98 mm/a，多年平均ET為745.35 mm/a。年均ET較高的年份為2003、2005、2011、2012、2013和2014年。其中，2014年的ET最高，為775.98 mm，這15 a的地表蒸散量大致呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，分析原因可能是近年來退耕還林等政策的實施，使得流域內(nèi)植被得到恢復，植被的蒸騰作用加強；同時，有報道全球氣溫正處于逐漸變暖地趨勢，各區(qū)域的氣溫均有所上升，從而影響了流域地表蒸散量大致呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。而且由于近年來在快速城鎮(zhèn)化進程的影響下，大面積不透水的城市建筑增加，這些下墊面也是地表蒸發(fā)量增加的重要原因。

圖5 漣江流域2000—2014年地表蒸散量年際變化

3.4 不同土地利用類型的ET變化特征

漣江流域2010年不同土地利用類型空間分布見圖6，共分為林地、草地、耕地、未利用地、建設(shè)用地。在Arc GIS中，通過分區(qū)統(tǒng)計工具統(tǒng)計多年平均不同土地覆蓋類型的地表蒸散特征的的統(tǒng)計結(jié)果見圖7。從圖中的分析結(jié)果可看出，土地覆蓋類型不同，其相應(yīng)的地表蒸散發(fā)量也存在差異。林地、草地、耕地、建設(shè)用地和未利用地的多年ET均值分別為1 580、730、262、211、227 mm/a，林地的多年ET均值最大，其次為草地，耕地和未利用地的多年ET均值較低，建設(shè)用地的多年ET均值最低，耕地、建設(shè)用地和未利用地的多年ET均值相差不大。綜上所述，植被覆蓋度較高的林地和草地的多年ET均值較高，而在植被覆蓋度較低的耕地、建設(shè)用地和未利用地，其對應(yīng)的多年ET均值較低。分析認為，除了植被自身生長需要消耗一定的水分，同時，隨著植被覆蓋度的增加，葉片對降雨的截留增加，葉片蒸發(fā)和植物蒸騰是高植被覆蓋區(qū)出現(xiàn)較高蒸散發(fā)的重要原因。貴州的退耕還林、石漠化治理等生態(tài)工程使得植被覆蓋增加，但也會在一定程度上造成該區(qū)域植被耗水和蒸騰的增加。

圖6 漣江流域不同土地覆蓋類型ET分布

圖7 不同土地覆蓋類型年均蒸散量

3.5 不同地貌類型的ET變化特征

不同地貌類型由于其生態(tài)環(huán)境背景的不同，地表蒸散量特征也會表現(xiàn)出差異性。為進一步了解地形地貌對蒸散發(fā)的影響，利用ArcGIS 10.2 軟件，提取巖溶高原、峰叢洼地2種不同地貌類型下的蒸散量特征。圖8所示，巖溶高原地貌的多年ET均值為76.71 mm，峰叢洼地的多年ET均值為44.56 mm，可見不同地貌的蒸散量也存在較顯著的差異。分析原因認為，在貴州省喀斯特地區(qū)，峰叢洼地地區(qū)的落水洞和地下暗河較多，當降水到達地表，降水會很快從山峰的垂直坡面匯聚到洼地中，進而流入落水洞和地下暗河中；而在溶巖高原地貌區(qū)域，降水到達地表后，滲漏的速度較慢，地表對降水的截留較多，從而蒸散量較大。

圖8 漣江流域不同地貌類型的ET特征

4 結(jié)論

基于MOD16遙感數(shù)據(jù)，從不同月份、季節(jié)、年、土地利用類型和地貌類型的角度，對貴州省漣江流域2000—2014年地表蒸散量的時空變化特征進行分析，得出主要結(jié)論：①漣江流域蒸散量實測值與MOD16遙感產(chǎn)品之間的相關(guān)系數(shù)較高(R2=0.91)，精度驗證結(jié)果表明該數(shù)據(jù)集能滿足對該區(qū)域地表蒸散發(fā)的研究需求；②流域不同季節(jié)、不同土地利用類型及地貌類型的蒸散量存在差異性，表現(xiàn)為：夏季>春季>秋季>冬季，林地>草地>耕地>未利用地>建設(shè)用地，巖溶高原>峰叢洼地；③15 a間的多年平均蒸散量總體呈上升趨勢，尤其是2011—2014年的蒸散量較大，氣溫、降水、土地利用方式和地質(zhì)條件背景對地表蒸散發(fā)的產(chǎn)生重要影響，植被覆蓋的增加是流域蒸散量上升的主要原因。