苗林，張成福，王雨晴，賀帥，韓雅璐，李響，張新蕾

科爾沁沙地不同土地利用類型對區(qū)域水分平衡的影響

苗林，張成福*，王雨晴，賀帥，韓雅璐，李響，張新蕾

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018）

【】探索科爾沁沙地不同土地利用類型蒸散量以及水分虧缺量。以位于科爾沁沙地的奈曼旗為研究對象，利用MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，通過SEBAL模型反演奈曼旗生長季的地表蒸散量。在此基礎(chǔ)上分析了各土地利用類型的水分平衡狀況。生長季日均蒸散量最大值出現(xiàn)在7月，為3.74 mm/d，最小值出現(xiàn)在9月，為2.35 mm/d，整體呈南部較高，中部偏低的空間分布格局。蒸散量與地表溫度以及地面反射率之間均呈負相關(guān)（2分別為0.94，0.44），與歸一化植被指數(shù)（）正相關(guān)（2=0.49）。不同土地利用類型的日蒸散量從大到小為：水域＞建設(shè)用地＞林地＞耕地＞草地＞裸沙地。科爾沁沙地平均水分虧缺量為121 mm，南部林地以及耕地覆蓋區(qū)水分虧缺量大部分超過100 mm，蒸散過程需要依靠地下水或徑流方式來彌補降水不足。林地水分虧缺量達到204.7 mm，需要大量的地下水補充。該地區(qū)除特殊情況下不宜大面積造林。裸沙地的水分盈余量為16.8 mm，表明裸沙地是該地區(qū)水源地，對地下水資源有一定的補充作用，因此，在保證裸沙地穩(wěn)定性的同時，維持一定比例面積的裸沙地對科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有益的。

蒸散發(fā)；SEBAL模型；科爾沁沙地；土地利用；MODIS數(shù)據(jù)

0 引 言

【研究意義】科爾沁沙地作為我國北方嚴重的沙漠化區(qū)域之一，是京津冀地區(qū)主要沙源地[1]。在干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)水文過程中起著十分重要的作用[2-4]。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)年度降水量變化很大，近年來呈現(xiàn)波動下降的態(tài)勢，地表水資源日益減少，河流幾近干涸[5]。在干旱半干旱區(qū)，地表蒸散量（Evapotranspiration，）包括土壤水分蒸發(fā)、以及植物蒸騰作用，是地表水分消耗的主要途徑[6]。定量研究蒸散量有利于弄清區(qū)域氣候變化和土地利用對該地區(qū)水文循環(huán)過程和水分平衡的影響，可為科爾沁沙地綠色協(xié)調(diào)發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)退化的恢復(fù)提供一定的參考依據(jù)。

【研究進展】目前，獲取蒸散量的方法主要包括2種：實際測定和模型估算。實際測定時工作量大、耗時久且成本高，難以得到推廣使用。而利用模型估算可以避免此類狀況，并隨著遙感技術(shù)的進步，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一系列可以精確估算蒸散量的遙感模型[7]。包括SEBAL模型[8]、METRIC模型[9]和SEBS模型[10]。其中SEBAL模型估算蒸散量，能夠做到反演精度高、適用性廣泛、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取簡便和充分考慮到干旱半干旱區(qū)的空間異質(zhì)性[11]等優(yōu)勢，受到眾多國內(nèi)外學(xué)者的一致推薦。國外學(xué)者Elnmer等[12]利用Landsat8圖像進行SEBAL算法對尼羅河三角洲進行反演，Almhab等[13]和Kiptala等[14]應(yīng)用SEBAL模型分別對阿拉伯半島和東非干旱區(qū)進行反演，均得到較好的反演結(jié)果。國內(nèi)學(xué)者張殿君等[15]、李寶富等[16]和周妍妍等[17]通過SEBAL模型分別對黃土高原典型流域—羅玉溝流域、塔里木河干流區(qū)以及疏勒河流域估算蒸散量，研究結(jié)果表明反演精度均較高。由此可知，SEBAL模型適合在干旱半干旱區(qū)的應(yīng)用。

【切入點】本研究通過獲取遙感數(shù)據(jù)（歸一化植被指數(shù)、地表反射率、地表溫度和天頂角等），結(jié)合研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，）、氣象數(shù)據(jù)，利用SEBAL模型反演科爾沁沙地蒸散量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用數(shù)理統(tǒng)計分析和GIS技術(shù)分析研究區(qū)植被生長季蒸散量的時空變化特征，結(jié)合土地利用類型，綜合氣象數(shù)據(jù)，探明科爾沁沙地不同土地利用類型耗水量與水分虧缺量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市西南部，科爾沁沙地南緣的奈曼旗。流域面積約8 000 km2，海拔由南向北逐漸升高。南接遼西山地；北靠開魯縣；東臨庫倫旗；中部以風蝕堆積沙地為主；中北部地勢平坦；由西遼河以及教來河沖擊形成[18]。主要的土地利用結(jié)構(gòu)包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、裸沙地和未利用地(圖1)，分別占研究區(qū)總面積的33%、10%、30%、3%、4%、18%和2%。該地區(qū)屬于典型的半干旱溫帶大陸性季風區(qū)，夏季炎熱，冬季寒冷。年均降水量383.9 mm，降水多集中于夏季，占全年的63%，多年平均氣溫6.1 ℃，年平均風速3.6 m/s，春季風速最強，夏季風速最弱[19]。主要的植被類型是疏林草地植被[20]，主要天然植被為差巴嘎蒿（）和山竹巖黃氏（），人工植被主要有樟子松（）和小葉楊（）[21]。

圖1 科爾沁沙地土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)（http://data.cma.cn），為確保氣象數(shù)據(jù)能夠準確反映研究區(qū)實際情況，選擇奈曼旗周邊的氣象站點開魯和寶國的降水、逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、風速、日照時間和平均相對濕度等氣象數(shù)據(jù)，并在ArcGIS中進行插值（反距離權(quán)重法），將氣象站點的數(shù)據(jù)擴展至整個研究區(qū)域。

DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），選取GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）。依據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的土地利用分類系統(tǒng)并結(jié)合研究區(qū)實際狀況，將其劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和裸沙地與未利用地6類。研究區(qū)未利用地類型復(fù)雜多樣，但裸沙地居多，因此本研究只分析耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和裸沙地土地利用類型的蒸散量。遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(http://ladsweb.modaps.eosdis. nasa.gov/search/)，選取MODIS系列產(chǎn)品：MOD13A1、MOD11A2和MOD09A1（表1）。選取2019年植被生長季（5—9月）中云量覆蓋小，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的影像，以上數(shù)據(jù)皆經(jīng)ArcGIS通過投影轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_Zone_50N坐標，并進行鑲嵌、插值、重采樣、掩膜等處理，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一為相同坐標系、相同分辨率。

表1 MODIS產(chǎn)品

1.3 SEBAL模型計算原理

SEBAL模型是基于遙感的陸面能量平衡模型，通過遙感數(shù)據(jù)與氣象參數(shù)對各能量分量進行估算，得到區(qū)域的實際蒸散量[22]。區(qū)域的陸面能量平衡方程為：

式中：為潛熱通量（W/m2）；n為地表凈輻射通量（W/m2）；為土壤熱通量（W/m2）；為感熱通量（W/m2）；為潛熱蒸發(fā)系數(shù)（MJ/kg）。

1.3.1 地表凈輻射通量n

式中：為地表反射率；s為太陽短波總輻射（W/m2）；L為大氣長波輻射（W/m2）；g為地面長波輻射（W/m2）；為地表比輻射率，=1.009+0.047·ln()。

1.3.2 土壤熱通量

式中：s為地表溫度；為歸一化植被指數(shù)。

1.3.3 感熱通量

式中：air為空氣密度（kg/m3）；p為空氣熱量常數(shù)（取1 004 J/（kg·K））；ΔT高度為1、2處的溫度之差Z1-Z2（1=0.01 m，相當于裸露土壤的粗糙長度；2=2 m，為氣象數(shù)據(jù)中的參考高度）；ah空氣動力學(xué)阻力；ah和ΔT通過選取冷熱像元迭代試算取得。

1.3.4 蒸發(fā)比與日蒸散量

由于衛(wèi)星過境所觀測的為地面瞬時數(shù)據(jù)，通過蒸發(fā)比不變的方法將瞬時蒸散量擴展到日蒸散量[23]，計算式為：

式中：為蒸發(fā)比；24為日蒸散量；n24為凈輻射通量（W/m2）：s為地表溫度（K）；86 400為1 d秒數(shù)。

1.4 蒸散量驗證

在使用Penman-Monteith公式進行驗證時，參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的作物系數(shù)以及于輝等[24]和朱明承等[25]研究成果，耕地、林地以及草地作物系數(shù)c分別為1.15、1.08、0.85。計算式為：

式中：n為參考作物表面的凈輻射量（MJ/（m2·d））；為1 d內(nèi)土壤熱通量（MJ/（m2·d））；為干濕表常數(shù)（kPa/℃）；為日平均氣溫（℃）；2為距地表2 m處的風速（m/s）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）；s為飽和水汽壓（kPa）；a為實際水汽壓（kPa）。通過0和作物系數(shù)c可以確定作物的蒸散量：

1.5 數(shù)據(jù)分析

由于遙感數(shù)據(jù)容易受到天氣條件影響，因此每月高質(zhì)量的全日遙感數(shù)據(jù)無法全部精確獲取，月內(nèi)每日蒸散發(fā)難以全部估算。因此，本文通過選取質(zhì)量最好一期影像，作為當月的日蒸散量，降低特殊情況下所產(chǎn)生誤差。后續(xù)將計算所得5—9月的日蒸發(fā)量累積計算得到當月蒸發(fā)量[26]，進而擴展至生長季的蒸散量。

2 結(jié)果與分析

2.1 SEBAL模型精度分析

利用Penman-Monteith公式計算得到2019年7月平均地表日蒸散量，結(jié)合作物系數(shù)得出不同土地利用類型的實際蒸散量，并與遙感反演結(jié)果進行對比驗證。SEBAL模型計算耕地和林地出現(xiàn)高估，草地出現(xiàn)低估，其相對誤差均在21%之內(nèi)，表明SEBAL模型對于研究區(qū)估算結(jié)果合理（表2）。

表2 模型估算日蒸散量與P-M方法值對比

2.2 科爾沁沙地生長季蒸散發(fā)時空變化規(guī)律

蒸散量因受到氣象條件、植被生長情況和地形狀況等各方面的影響，隨時間呈明顯的空間變化規(guī)律[27]。圖2為研究區(qū)地表蒸散量反演值分布圖，科爾沁沙地研究區(qū)南部、西北部蒸散量偏高，中部蒸散量偏低，在整個生長季南部和中部的蒸散量差異明顯。西北部分布少量林地，春天積雪融化為地表植被生長提供了充足的水分，因此西北部的蒸散量較高；南部高值區(qū)大部分被耕地所覆蓋，與當?shù)鼐哂休^好的供水條件密切相關(guān)。中部大部分被沙漠覆蓋以及稀疏草地為主，且降水較少，水分供給不足，蒸散量比較小。

圖2 研究區(qū)生長季各天的蒸散量反演值分布

科爾沁沙地生長季初期（5月），日蒸散量變化范圍分別為0～9.87 mm/d，區(qū)域日均蒸散量為2.71 mm/d，區(qū)域內(nèi)大部分蒸散發(fā)量小于2 mm/d，其空間分布的異質(zhì)性較低。但此時氣溫回暖，積雪融化提供水分，植被生長，農(nóng)作物開始耕種，蒸散量逐漸升高。

6—8月是研究區(qū)生長季中期，日蒸散量變化范圍分別為0～7.95、0～8.43 mm/d和0～8.15 mm/d，區(qū)域日均蒸散量分別為2.70、3.74 mm/d和3.46 mm/d，7月蒸發(fā)量達到峰值，其空間異質(zhì)性也達到最大。此時氣溫明顯上升，日照時間變長，降水也進入了全年當中最為豐沛的時間，植被生長比較茂盛，耗水量增加。尤其耕地由于灌溉土壤水分供應(yīng)充足，具有全年當中最大的葉面積指數(shù)，蒸騰作用強烈，使得蒸散量最高。以上原因為蒸散量提供了有利的條件，使蒸散發(fā)量高值區(qū)面積明顯增加，主要分布在耕地與植被覆蓋度較高草地。

9月為研究區(qū)生長季末期，日蒸散量變化范圍為0～8.33 mm/d，區(qū)域日均蒸散量為2.35 mm/d，為1 a生長季當中的最低值，其空間分布的異質(zhì)性最低。此時氣候條件發(fā)生了明顯的變化，氣溫正在逐步下降、降水變得稀少，農(nóng)業(yè)灌溉水也減少，從而導(dǎo)致土壤含水率較低，并且大部分植物的新陳代謝逐步下降，有小部分甚至枯萎死亡，使得光合作用和蒸騰作用減弱，植被對于蒸散量的貢獻大不如前，因而蒸散量最低。

2.3 蒸散量與地表參數(shù)的分析

影響蒸散量的重要地表參數(shù)有許多，其中包含、地表溫度和地表反照率。由此，本研究在估算生長季蒸散量圖上采集5 000個樣點，利用SPSS 26.0軟件分析植被生長季、地表溫度以及地表反照率與研究區(qū)蒸散量的關(guān)系。圖3、圖4和圖5為各地表參數(shù)與蒸散量的回歸分析，可知與蒸散量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，2=0.49，即植被覆蓋度越高，植物的蒸騰作用越強烈，則蒸散量越高；蒸散量與地表溫度二者之間呈顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，2=0.94，植被覆蓋度較高的地區(qū)吸收了大量的太陽輻射，因而地表溫度相對較低，加之由于植物的呼吸作用以及蒸騰作用，故而蒸散量較高，而地表溫度的高值區(qū)主要分布于裸沙地和戈壁，由于水分因素的限制，蒸散量較低。反照率與蒸散量之間呈負相關(guān)關(guān)系，2=0.44，反照率越高，到達地表的有效輻射越小，用于蒸散量的能量越少，所以蒸散量則越小。由以上分析可以得出，蒸散量與地表特征參數(shù)之間相關(guān)性由強到弱依次為地表溫度＞地表反照率＞。

圖3 蒸散量與NDVI

圖4 蒸散量與地表溫度

圖5 蒸散量與地表反射率

2.4 不同土地利用類型蒸散量分析

不同土地利用類型的日蒸散量各不相同是由下墊面理化性質(zhì)的差異所導(dǎo)致的。本文利用ArcGIS 10.2中的區(qū)域統(tǒng)計功能，統(tǒng)計科爾沁沙地研究區(qū)不同土地利用類型平均日蒸散量。統(tǒng)計結(jié)果見表3。水域的日蒸散量達到最大為3.95 mm/d。該研究區(qū)建設(shè)用地蒸散量較高，是由于當?shù)剞r(nóng)民在自家庭院中常種植瓜果蔬菜等農(nóng)作物，具有一定的植被蓋度，且靠近耕地存在許多與耕地混合像元，并且居民建設(shè)用地擁有人工管理的綠化樹木、草坪等，使得其具有較高蒸發(fā)潛力[28-29]。

表3 科爾沁沙地不同土地利用類型日均蒸散量

該研究區(qū)耕地、林地與最高值水域的蒸散量相差僅0.56 mm/d和0.61 mm/d，農(nóng)作物需要大量的水源灌溉，林地自身具有高的植被覆蓋度、并且與耕地相互交錯，故耕地、林地蒸散量較高從而接近水域的日蒸散量。草地主要以稀疏草地分布為主，植被覆蓋度低，蒸騰作用小。綜上所述，不同土地利用類型的日蒸散量變化大小依次為水域、建設(shè)用地、林地、耕地、草地、裸沙地。

2.5 土地利用類型的水分虧損狀態(tài)分析

大氣降水為蒸散提供主要水分，蒸散是植被和土壤向大氣輸送水汽的主要途徑，因此降水對陸面蒸散產(chǎn)生直接影響。由此，采用蒸散量與降水量的差值表示水分虧缺量，即d=-（d為水分虧缺量/mm；為蒸散量/mm；為降水量/mm）。當d>0時，該區(qū)域存在水分虧缺，有必要利用地下水和灌溉水來彌補水量的缺失；當d<0，該地區(qū)水分供應(yīng)充足，多余的降水將會以滲流形式進入河流或轉(zhuǎn)化為地下水，重新進入水循環(huán)。為深入探討科爾沁沙地2019年生長季蒸散量的天然水分來源，分析科爾沁沙地水分虧缺量的時空特征，以生長季為尺度，對科爾沁沙地平均蒸散量與水分虧缺進行了對比分析。圖6為科爾沁沙地2019年平均生長季降水量。

圖6 2019年平均生長季降水量

圖7 2019年平均水分虧缺量分布圖

由圖6可知，科爾沁沙地生長季平均降水量為338 mm，表現(xiàn)出南多，北少的變化趨勢，空間差異明顯。圖7為2019年平均水分虧缺量分布圖，從圖7可以看出，科爾沁沙地生長季平均水分虧缺量為121 mm，水分虧缺量取正值的區(qū)域占整個研究區(qū)總面積的73%，27%區(qū)域的水分虧缺為負值，表現(xiàn)出南部缺水嚴重。南部地區(qū)大部分大于100 mm，表明蒸散量大于降水量，蒸散過程中需要消耗地下水來彌補降水的不足，并且得不到充分天然水分的補給。在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS10．2中的區(qū)域統(tǒng)計功能，統(tǒng)計研究區(qū)2019年平均植被生長季上不同土地利用類型水分虧缺量，得到各土地利用類型的平均蒸散量（表4），從表4可以看出，各種土地覆蓋類型的平均水分虧缺量依照水域＞耕地＞林地＞建設(shè)用地＞草地＞裸沙地的順序減小，水域平均水分虧缺量最大，為234.6 mm。其次是耕地、林地，平均水分虧缺量分別為224.7 mm和204.7 mm；再次是建設(shè)用地、草地，分別為192.1 mm和43 mm；裸沙地的水分虧缺量最低，為-16.8 mm，是由于裸沙地的透水性強，植被覆蓋度低，耗水量小。研究區(qū)處于干旱半干旱地區(qū)，水分是植物生長的限制性因子。除水域和耕地外，林地的缺水量最高，因此在沒有特殊需求的情況下不宜大面積造林。裸沙地缺水量小，能夠為其他土地類型提供一定的水源，因此在保證裸沙地穩(wěn)定性的同時，維持一定比例面積的裸沙地對科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性是有益的。

表4 2019年生長季各類土地類型水分虧缺量

3 討 論

本文通過SEBAL模型反演科爾沁沙地2019年植被生長季的地表蒸散量，得出日蒸散量變化范圍是0～9.87 mm/d，總體呈先上升后下降的變化趨勢。楊宇娜等[30]利用SEBAL模型反演吉蘭泰周邊蒸散量得出日蒸發(fā)量變化范圍是0～9.67 mm/d，蘇婷婷等[31]在干旱半干旱地區(qū)土默特右旗反演周邊蒸散量得出日蒸散量變化范圍是0～7.45 mm/d，其總體變化趨勢均呈先上升后下降，相類似地區(qū)的研究結(jié)果與本文相同，這表明利用SEBAL模型在科爾沁沙地進行蒸散量的反演是可行的。

利用Penman-Monteith公式驗證SEBAL模型計算的結(jié)果，已經(jīng)成為一種普遍的手段，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在河套灌區(qū)[32]和陜西省的黃土區(qū)[35]等地進行驗證，均證實Penman-Monteith模型是種簡便有效的方法。本文選取開魯氣象站點的數(shù)據(jù)利用Penman-Monteith模型驗證估算結(jié)果，相對誤差均小于21%，并通過對比李霞等[33]在科爾沁地區(qū)生長季蒸散量的實測數(shù)據(jù)（2014年a為359 mm、2015年a為434 mm和2016年a為501 mm）發(fā)現(xiàn)與本文通過SEBAL模型估算2019年生長季蒸散量（a為448 mm）較為接近，證實了SEBAL模型估算蒸散量在該地區(qū)具有可信度。但利用Penman-Monteith模型驗證的過程中還是存在弊端，Penman-Monteith模型的計算是基于點的情況下得出結(jié)果，而模型的估算是基于面的情況下，造成不可避免的誤差。為增強驗證結(jié)果的準確性，今后的工作中應(yīng)架設(shè)多臺觀測儀器，通過增添實測數(shù)據(jù)進一步進行驗證，減少誤差。

本研究針對不同的土地利用類型蒸散量結(jié)果得出水域的日蒸散量（3.95 mm）最高，裸沙地最小，水域比裸沙地的日蒸散量（2.63 mm）高出1.5倍。不同土地利用類型蒸散量大小依次為水域（3.95 mm）、建設(shè)用地（3.79 mm）、林地（3.39 mm）、耕地（3.34 mm）、草地（2.47 mm）、裸沙地（2.63 mm）。程宇琪等[34]利用SEBAL模型在多倫縣反演各不同土地利用類型蒸散量大小順序為水域（4.78 mm）、林地（4.19 mm）、農(nóng)田（3.99 mm）、居民建設(shè)用地（3.97 mm）、草地（3.82 mm）、未利用地（3.80 mm），2個相近似的區(qū)域所得到結(jié)果基本相同，僅在建設(shè)用地的排列上產(chǎn)生差異，其原因是奈曼旗居民建設(shè)用地中多有農(nóng)作物耕種，以及擁有較多人工管理的綠化樹木、草坪等。但在部分的研究中發(fā)現(xiàn)林地的日蒸散量超過水域，在各土地利用類型中成為最大[36]，這可能與林地范圍、所處環(huán)境以及不確定的因素有關(guān)，這需要進一步的求證。此外，通過蒸散發(fā)與地表參數(shù)的相關(guān)性得出，蒸散發(fā)與地表溫度呈顯著負相關(guān)（2=0.94），這與王軍等[37]研究結(jié)果相同，說明在利用SEBAL模型估算蒸散發(fā)時，準確地獲取地表溫度是十分關(guān)鍵。最后，根據(jù)該地區(qū)生長季降水量（338 mm）和蒸散量（458 mm），二者作差，得到水分虧缺量為121 mm，再通過氣象數(shù)據(jù)結(jié)合各土地利用類型蒸散量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)耕地、林地和水域缺水量相差不多，分別為224.7、204.7 mm和234.6 mm，均需要通過地下水的補給，但裸沙地蒸發(fā)量小，反而能夠盈余水分（16.8 mm），為該地區(qū)其他類型土地提供水源。因此，當進行土地開墾和植樹造林時，要充分考慮到當?shù)貙嶋H情況。在沒有特殊情況下應(yīng)當減少耕地的繼續(xù)開墾和大面積的植樹造林。由于裸沙地蒸散量小能夠盈余一定的水分，所以在防沙治沙的同時，維持一定面積的裸沙地能夠作為水源地為其他區(qū)域提供水分。應(yīng)進一步加強區(qū)域規(guī)劃研究,按照因地制宜、適度發(fā)展的總原則利用土地資源以達到可持續(xù)發(fā)展的目的。

4 結(jié) 論

1）科爾沁沙地生長季蒸散量隨時間變化呈現(xiàn)明顯的空間變異性，生長季日均蒸散量最大值出現(xiàn)在7月，為3.74 mm/d，最小值出現(xiàn)在9月，為2.35 mm/d。整體呈現(xiàn)出南部高，中部偏低的空間分布格局。

2）蒸散量與地表溫度和地面反射率之間呈負相關(guān)關(guān)系，與正相關(guān)。其中與地表溫度相關(guān)性最大（2=0.94），表明地表溫度的獲取是模擬蒸散量的關(guān)鍵。

3）不同土地利用類型日蒸散量從大到小的順序為：水域＞建設(shè)用地＞林地＞耕地＞草地＞裸沙地。

4）研究區(qū)南部水分虧缺嚴重，北方水分虧缺程度較輕。平均水分虧缺量為121 mm，南部林地以及耕地覆蓋區(qū)水分虧缺量大部分超過100 mm，蒸散過程需要依靠地下水或徑流方式來彌補降水不足。林地水分虧缺量達到204.7 mm，該地區(qū)除特殊情況下不宜大面積的造林，裸沙地的水分盈余為16.8 mm，因此，維持一定比例面積的裸沙地是有益的。各土地利用類型的平均水分虧缺量從大到小的順序為：水域＞耕地＞林地＞建設(shè)用地＞草地＞裸沙地。

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The Effects of Land Usage on Water Balance in the Sandy Areas in Horqin of Inner Mongolia

MIAO Lin, ZHANG Chengfu*, WANG Yuqing, HE Shuai, HAN Yalu, LI Xiang, ZHANG Xinlei

(College of Desert Management, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

【】Water balance in a region is jointly controlled by land usage, precipitation and evapotranspiration. All these are modulated by soil texture. Taking the sandy areas in Horqin of Inner Mongolia as an example, this paper analyzes how land usage affects evapotranspiration and its consequence for water balance.【】The analysis was based on MODIS and meteorological data, and the evapotranspiration during crop growth season in Naiman Banner was retrieved by the SEBAL model. Using these data, we calculated the response of water balance to land usage across the region.【】The maximum daily evapotranspiration was 3.74 mm/d occurring in July, and the least was 2.35 mm/d occurring in September. Spatially, the evapotranspiration was high in the south and low in the center of the region. It was found that the evapotranspiration was negatively correlated with land surface temperature and reflectance with2=0.94 and 0.44, respectively, while positively correlated with the normalized vegetation index with2=0.4. Daily evapotranspiration from different land usage was ranked in the order: land for construction> woodland > cultivated land > grassland > bare soil. On average, the water deficit in the sandy region is 121 mm but varies spatially with land usage. Water deficit in the woodland and the cultivated land in the south was more than 100 mm. In some areas, part of the evapotranspiration emanated from groundwater or runoff; and the water deficit in some woodland could be as high as 204.7 mm. The water surplus in areas with bare soil was 16.8 mm, indicating that regions with bare soil functioned as the water source discharging to groundwater.【】Large-scale afforestation in this region is not recommended because of its high demand for water. It is beneficial to keep soil surface in some areas bare to maintain stability of ecological functions in Horqin while in the meantime ensuring its productivity.

evapotranspiration; SEBAL model; Horqin sandy land; land use; MODIS data

S157.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021102

1672 – 3317（2021）08 - 0106 - 08

苗林, 張成福, 王雨晴, 等. 科爾沁沙地不同土地利用類型對區(qū)域水分平衡的影響 [J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(8): 106-113.

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2021-03-23

自內(nèi)蒙古治區(qū)重大科技專項（2019ZD007）

苗林（1997-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人。碩士研究生，主要從事水土保持研究方向。E-mail: 925450183@qq.com

張成福（1966-），男，內(nèi)蒙古四子王旗人。教授，主要從事生態(tài)水文模型研究。E-mail: 2651534893@qq.com

責任編輯：白芳芳