劉義

（合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230601）

隨著全球氣候不斷趨向變暖，各地區(qū)的地表水熱條件也在發(fā)生著變化，直接和間接對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響［1-2］。蒸散（Evapotranspiration,ET）作為評(píng)價(jià)地表熱量和水分平衡的主要指標(biāo)之一，是指植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，既包括從地表和植物表面的水分蒸發(fā)，也包括通過(guò)植物的水分蒸騰，它是陸面水文過(guò)程中極其重要的分量，決定了土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的水分和熱量傳輸［3-6］。蒸散量受諸多因素限制，特別是氣溫、干燥度、輻射條件、風(fēng)力大小以及植被狀況。蒸散量在河流流域中的時(shí)空變化，反映了流域水熱變化與分布規(guī)律，有利于水資源合理開(kāi)發(fā)利用、水土保持等生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與保護(hù)。自遙感技術(shù)快速發(fā)展以來(lái)，遙感蒸散數(shù)據(jù)能夠較好地反映地表狀況，成為當(dāng)前進(jìn)行中尺度、大尺度地表蒸散研究的主要手段［7］。MODIS 陸地蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD16） 具有高時(shí)間分辨率以及免費(fèi)獲取等特點(diǎn)，對(duì)地表蒸散量研究起到了很大的促進(jìn)作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流域尺度的蒸散量時(shí)空變化與分布展開(kāi)了很多研究。Yagob Dinpashoh 等［8］從烏爾米亞湖盆地選取九個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，使用Mann-Kendall 方法進(jìn)行月、季、年時(shí)間尺度的趨勢(shì)分析。Francis Polong 等［9］利用肯尼亞塔納河流域的標(biāo)準(zhǔn)降水和蒸散指數(shù)（SPEI）分析了干濕事件的時(shí)空變異性。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)流域尺度展開(kāi)了很多研究，其中使用MOD 產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的不在少數(shù)。張靜等［10］、董晴晴等［11］、吳桂平等［12］、靖娟利［13］、位 賀 杰 等［14］、顏 紅［1］、張 猛［4］分 別 基 于MOD16 產(chǎn)品研究了漢江流域、渭河流域、鄱陽(yáng)湖流域、珠江流域、渭河流域、漣江流域、洞庭湖流域的地表蒸散量的年際和年內(nèi)時(shí)空變化狀況，并且探討了不同地表類型中蒸散量的差異性變化特征。

本研究通過(guò)獲取研究區(qū)2005 年—2014 年的MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS10.5平臺(tái)的分析功能，對(duì)沂沭泗河流域年際和年內(nèi)蒸散量的變化情況與空間分異規(guī)律、不同土地利用類型的蒸散量進(jìn)行分析，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、生態(tài)需水量研究等提供依據(jù)，也為加強(qiáng)水資源管理提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域是全國(guó)重要的棉糧油基地，以廢黃河為界，分淮河及沂沭泗河兩大水系，沂沭泗河水系位于淮河流域東北部，北起沂蒙山，東臨黃海，西至黃河右堤，南以廢黃河與淮河水系為界，包括山東、江蘇、安徽、河南等四省。沂沭泗河水系由沂河、沭河和泗河組成，均發(fā)源于沂蒙山區(qū)，地理位置在東經(jīng)114°45′—120°18′，北緯33°39′—36°19′之間，面積約為7.78×104km2。沂沭泗河流域內(nèi)包括南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、中運(yùn)河區(qū)、沂沭河區(qū)以及日贛區(qū)等5 個(gè)分區(qū)。地形西高東低、北高南低，大致由北向西向南逐漸降低，由低山丘陵逐漸過(guò)渡為傾斜沖積平原、濱海平原。屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有大陸性氣候特征。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春秋較干旱，冷暖和旱澇較為突出。沂沭泗水系流域較大面積的的平原排水支流有東魚(yú)河、洙趙新河、梁濟(jì)運(yùn)河等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

地表蒸散數(shù)據(jù)（MOD16）的下載地址為http：//files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/，選擇Geotiff 格式，數(shù)據(jù)為全球產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為0.05 deg，時(shí)間序列選取2005 年—2014 年。基于ArcGIS10.5 平臺(tái)，以沂沭泗河流域?yàn)橐匮谀みM(jìn)行提取，得到2005 年—2014 年的各月共120 個(gè)時(shí)相的研究區(qū)地表蒸散數(shù)據(jù)。楊秀芹等對(duì)淮河流域數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證并認(rèn)為MOD16 產(chǎn)品在分析淮河流域蒸散量的時(shí)空變化方面是可用的［15］。土地利用類型數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲航天局（European Space Agency），空間分辨率為300 m，時(shí)間序列選取2005年—2014年。按照聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）的土地類型分類標(biāo)準(zhǔn)，重分類處理后得到包括林地、農(nóng)田、草地、濕地、聚居地以及其它土地的6 種類型的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重采樣。

一元線性回歸分析能夠模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，該方法是指在一定時(shí)間內(nèi)，采用最小二乘法逐像元擬合年均ET的斜率，用以綜合反映植被覆蓋的時(shí)空演變特征?；谙裨叨鹊腅T一元線性回歸分析法，得出沂沭泗河流域ET的年際變化趨勢(shì)，用于分析年變化趨勢(shì)。數(shù)學(xué)公式為［1,6,11］：

式中：B為線性傾向值，即變化趨勢(shì)；x為蒸散量，xi為第i年的流域內(nèi)ET值；n為經(jīng)歷的總年份數(shù)，本研究中n取值為10。當(dāng)B＞0，表示蒸散量隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)；當(dāng)B＜0，蒸散量隨時(shí)間變化呈減少趨勢(shì)；當(dāng)B=0 時(shí)，蒸散量幾乎沒(méi)有明顯變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散的時(shí)間變化

在ArcGIS10.5 平臺(tái)中，將逐年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并繪制成圖，如圖1，沂沭泗河流域2005年—2014年年均蒸散量變化范圍是464.76～557.51 mm/a，這10年平均蒸散量為514.59 mm/a（圖1）。期間，2008 年蒸散量數(shù)值最大，為557.51 mm，高于平均水平42.92 mm；最小值出現(xiàn)在2011 年，為464.76 mm，低于平均水平49.83 mm。2008 年與2011 年年均蒸散量差距為92.75 mm，比值約為1.20。沂沭泗河流域以2008 年為界，2005 年—2008 年年均蒸散量均高于平均水平，2009 年—2014 年年均蒸散量低于平均水平。2009年、2011年以及2014年相對(duì)變化率為負(fù)，其余年份為正；2009年的相對(duì)變化率最低，達(dá)到了-10.04%；2012年相對(duì)變化率最高，達(dá)到了9.33%的水平。

圖1 沂沭泗河流域逐年蒸散量Fig.1 Annual ET of Yishusi River Basin

2005年—2014年每年各月的蒸散量制成點(diǎn)線圖，如圖2，沂沭泗河流域年內(nèi)蒸散量總體變化特征是是先上升后下降，且存在一小一大兩個(gè)峰值，以5 月為小峰（因6 月蒸散量下降而形成），以7 月—9 月為大峰。蒸散量主要集中在5 月、7 月、8 月以及9 月四個(gè)月份，其中12 月蒸散量最小，均未超過(guò)21 mm，10 年均值為18.46 mm；7 月、8 月蒸散量發(fā)量最大，均在80 mm 以上，7 月平均87.97 mm，8 月最高，平均102.02 mm；6月為年內(nèi)唯一下降月份，平均39.96 mm。這種分布情況主要可能性在于，10月、11月、12月、1 月、2 月、3 月、4 月處在冬季和春初，氣溫相對(duì)較低，蒸散量隨之較低。4 月開(kāi)始?xì)鉁亻_(kāi)始較快回升，直至8 月，處在春中后期以及夏季，春季農(nóng)田作物處在生長(zhǎng)期初，需人工灌溉，蒸散量隨之上升；夏季的雨熱同期滿足了生長(zhǎng)期的作物，植被蒸騰作用旺盛。6月因陰雨天氣較多，且作物小麥等進(jìn)入收割期，導(dǎo)致蒸散量大幅下降，但仍然在400 mm左右。7月、8 月降雨量增加，同時(shí)氣溫繼續(xù)升高，為年內(nèi)最熱的兩個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了最大蒸散量。9 月開(kāi)始進(jìn)入秋季，氣溫下降，蒸散條件受限。受氣溫、降水、太陽(yáng)輻射、植被生長(zhǎng)狀況等因素的影響，沂沭泗河流域的蒸散量在季節(jié)上的變化總體是春夏高，秋冬低。年內(nèi)季節(jié)蒸散發(fā)量大小為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖2 沂沭泗河流域逐月蒸散量Fig.2 Monthly ET of Yishusi River Basin

2.2 蒸散的空間變化

根據(jù)蒸散量均值計(jì)算結(jié)果，沂沭泗河流域蒸散量2005 年—2014 年的均值在空間上具有較強(qiáng)的異質(zhì)性，空間分布不均衡，流域內(nèi)蒸散量范圍在0～734.30 mm/a，主要集中在400～700 mm/a 這個(gè)區(qū)間。年均360～480 mm 區(qū)間、480～600 mm 區(qū)間以及600～720 mm 區(qū)間分別占全流域的31.11%、45.49%以及20.41%。流域內(nèi)主要分布表現(xiàn)為南高北低的特征；北部的丘陵山地地區(qū)蒸散數(shù)值偏低，普遍年均蒸散量圍多在400～490 mm/a，平均值為465 mm/a，低于全區(qū)平均水平約49.08 mm/a；平原地區(qū)蒸散量普遍集中在400～670 mm/a，平均值為529.08 mm/a，高于全區(qū)平均水平約15 mm/a。子流域蒸散量均值由小到大依次為日贛區(qū)、南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、沂沭河區(qū)以及中運(yùn)河區(qū)，蒸散量均值分別對(duì)應(yīng)為467.4 mm/a、467.88 mm/a、 508.32 mm/a、 527.52 mm/a 以 及548.76 mm/a。位于南端的中運(yùn)河區(qū)以及沂沭河區(qū)蒸散量數(shù)值較高，東北部的日贛區(qū)蒸散量最低，南四湖東、西兩區(qū)蒸散量較低。

根據(jù)沭泗河流域蒸散量變化趨勢(shì)結(jié)果可知，2005年—2014年沂沭泗河流域變化趨勢(shì)以減少為主，數(shù)值均值為-5.54，呈現(xiàn)出蒸散量下降的趨勢(shì)。全流域中有91.19%的面積呈蒸散量減少趨勢(shì)，廣泛分布；呈現(xiàn)出蒸散量增加趨勢(shì)的區(qū)域占全流域面積的7.49%，主要分布在南部的中運(yùn)河區(qū)和沂沭河區(qū)以及湖泊附近；1.33%的區(qū)域變化趨勢(shì)為0，此區(qū)域幾乎沒(méi)有蒸散量值的增減變化。沂沭泗河流域下的5 個(gè)子流域變化趨勢(shì)均值皆為負(fù)值，下降趨勢(shì)由強(qiáng)到弱為日贛區(qū)、南四湖西區(qū)、南四湖東區(qū)、中運(yùn)河區(qū)以及沂沭河區(qū)，分別變化趨勢(shì)數(shù)值為-7.47、-7.47、-5.96、-4.59、-4.12。

將1到12月各個(gè)月份的蒸散量在2005年—2014年十年的變化趨勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，并按照全流域及其5 個(gè)子流域制圖（圖3），就全流域來(lái)看，2 月、4 月是僅有的變化趨勢(shì)為正的兩個(gè)月份，其余月份在10 年中蒸散量均處在下降趨勢(shì)，其中7 月下降趨勢(shì)最快，為-21.50；6 月變化趨勢(shì)最微弱，為-0.09。子流域中增長(zhǎng)趨勢(shì)的月份分別是，南四湖東區(qū)為2 月、6 月；南四湖東區(qū)是4 月；中運(yùn)河區(qū)為2 月、4 月、6 月；沂沭河區(qū)是1月、2月、4月、6月；日贛區(qū)為1月、2月。南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、中運(yùn)河區(qū)以及沂沭河區(qū)均在7 月出現(xiàn)最大下降趨勢(shì)，其中沂沭河區(qū)最嚴(yán)重，為-28.20。日贛區(qū)則是在8 月出現(xiàn)最大下降趨勢(shì)，為-22.28。

圖3 沂沭泗河流域各區(qū)域逐月變化趨勢(shì)Fig.3 Monthly change trend of Yishusi River Basin

2.3 不同土地利用類型的蒸散量分布特征

計(jì)算土地利用類型數(shù)據(jù)中6類土地利用類型的面積比重并匯總制成表1，沂沭泗河流域中土地利用類型以農(nóng)田為主，比重逐年下降，由90.89%降至87.19%；草地、林地、濕地所占比重較小，變化較微；聚居地比重逐年增加，由3.21%增長(zhǎng)至7.41%，增長(zhǎng)了約1.3 倍；其它土地總體趨向減少。不同土地利用類型由于土地性質(zhì)各異，蒸散量各有差異，為了進(jìn)一步分析各種土地利用類型的蒸散分布特征，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制不同土地利用類型的年均蒸散量（圖4）。2005 年—2014 年沂沭泗河流域不同土地利用類型的平均蒸散量各不相同，它的6 種土地利用類型年均蒸散發(fā)量的數(shù)值總體上均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在10 年平均水平尺度上，其年均蒸散量排序：農(nóng)田＞林地＞濕地＞聚居地＞草地＞其它土地。農(nóng)田、林地的年均蒸散量10 年均值在500 mm/a 以上，農(nóng)田年蒸散量均值最高，達(dá)到526.41 mm/a；水體與裸地在內(nèi)的其它土地類型蒸散量均值最低，為331.98 mm/a。

表1 沂沭泗河流域2005 年—2014 年不同土地利用類型面積比重表Table 1 Proportion of different land use types in Yishusi River Basin from 2005 to 2014

圖4 不同土地類型年均ET 值變化Fig.4 Annual average ET change of different land types

根據(jù)2005 年—2014 年各月蒸散量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出沂沭泗河流域的不同土地利用類型10 年間月平均蒸散量（圖5）。月均蒸散量排序?yàn)檗r(nóng)田＞林地＞濕地＞聚居地＞草地＞其它土地，分別對(duì)應(yīng)的蒸散量數(shù)值為每年43.49 mm、42.21 mm、40.03 mm、38.84 mm、29.31 mm 以及26.67 mm。各土地利用類型1 月到12 月的蒸散量數(shù)值變化情況與沂沭泗河流域全流域的逐月變化基本一致，出現(xiàn)5 月，7 月—8 月兩個(gè)峰值，6 月因作物收割出現(xiàn)年內(nèi)蒸散量唯一回落。夏春蒸散量高，冬秋季節(jié)低。農(nóng)田、濕地、聚居地以及其它土地的蒸散量最低月份發(fā)生在12 月，林地和草地則是發(fā)生在3 月；農(nóng)田、草地、濕地、聚居地以及其它土地蒸散量最高的月份發(fā)生在8月，林地在7月。在冬季，由于氣溫低，太陽(yáng)輻射弱，植被生長(zhǎng)狀況較弱等因素，農(nóng)田、濕地、聚居地以及其它土地等各類型土地的蒸散量都很低。春初，氣溫雖有所回升，但林地、草地上的植被尚未長(zhǎng)開(kāi)，蒸騰作業(yè)較弱，涵養(yǎng)水源功能較低，出現(xiàn)最低蒸散量。夏季氣溫、降水以及太陽(yáng)輻射和植被長(zhǎng)勢(shì)都處在有利于蒸散量的區(qū)間，各類型土地出現(xiàn)最高蒸散量。

圖5 不同土地利用類型逐月ET 均值Fig.5 Mean monthly ET of different land use types

3 結(jié)論

基于MOD16 產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后從月份、季節(jié)、年份、土地利用類型等角度出發(fā)，分別對(duì)沂沭泗河流域2005 年—2014 年地表蒸散量的時(shí)間變化和空間分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得出主要結(jié)論：時(shí)間變化上，2005 年—2014 年沂沭泗河流域整體呈現(xiàn)出蒸散量下降的趨勢(shì)。91.19%的面積呈蒸散量減少趨勢(shì)，廣泛分布；7.49%的面積呈現(xiàn)出蒸散量增加趨勢(shì)。流域分區(qū)下降趨勢(shì)由強(qiáng)到弱為日贛區(qū)、南四湖西區(qū)、南四湖東區(qū)、中運(yùn)河區(qū)以及沂沭河區(qū)。沂沭泗河流域2005 年—2014 年蒸散量變化范圍是464.76～557.51 mm/a，10 年均值為514.59 mm/a。2005 年—2008 年年蒸散量高于平均水平，2009 年—2014 年低于平均水平。年內(nèi)蒸散量總體變化特征是是先升后降，以5 月、7 月—9 月為峰值，8 月蒸散量最大，平均102.02 mm；在季節(jié)上的變化總體是春夏高，秋冬低，年內(nèi)季節(jié)蒸散量大小為夏季＞春季＞秋季＞冬季。空間變化上，沂沭泗河流域蒸散量2005 年—2014 年的均值空間分布不均衡，蒸散量主要集中在400～700 mm/a，平均值為514.08 mm/a。流域內(nèi)主要分布表現(xiàn)為南高北低的特征；丘陵地區(qū)蒸散數(shù)值偏低，普遍集中在400～490 mm/a，平原地區(qū)集中在400～670 mm/a。流域分區(qū)蒸散量從小到大依次為日贛區(qū)、南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、沂沭河區(qū)以及中運(yùn)河區(qū)。