2008—2014年新疆艾比湖流域土壤水分時(shí)空分布特征

王瑾杰,丁建麗,*,張 喆

1 新疆大學(xué) 生態(tài)學(xué)科博士后科研流動(dòng)站,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046 3 新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與大氣能量交換的關(guān)鍵要素[1],對(duì)氣候變化及生態(tài)、水文過程有重要的調(diào)節(jié)作用[2]。目前全球氣候變化改變了陸面水循環(huán)要素和土壤水分[3],對(duì)以水定人、以水定地的干旱區(qū)而言,長(zhǎng)時(shí)間序列、區(qū)域尺度的土壤水分監(jiān)測(cè)對(duì)區(qū)域生態(tài)安全、旱情預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水資源管理等領(lǐng)域具有重要意義[4]。

艾比湖流域具有典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境特征,近年來由干旱引發(fā)的湖泊面積萎縮,使湖濱周邊干涸湖底大面積裸露且嚴(yán)重鹽堿化,受常年大風(fēng)影響,艾比湖目前已成為繼咸海之后全球第二大鹽塵暴、沙城暴發(fā)源地,干旱化不斷加劇。土壤水分作為流域干旱的重要指示性因子,其時(shí)空分布及變化受到諸多學(xué)者的關(guān)注。曹雷[5]等利用干旱植被指數(shù)分析了艾比湖地區(qū)土壤水分的時(shí)空變化。結(jié)果表明：2003—2013年該地區(qū)土壤水分空間分布由湖區(qū)向周邊地區(qū)呈減少趨勢(shì)；濕潤(rùn)、正常和輕旱面積減少，干旱和重旱面積有所增加。秦璐等[6]分析艾比湖流域16個(gè)典型群落的土壤水分,結(jié)果顯示流域內(nèi)阿齊克蘇河河谷土壤水分空間分布西部較東部干旱。張威海[7]、張雅麗等[8]利用傳統(tǒng)野外土壤水分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析艾比湖流域土壤水分空間異質(zhì)性,結(jié)果表明,除氣候條件外,地形地貌、水文地質(zhì)和人類活動(dòng)是影響艾比湖流域土壤水分空間異質(zhì)性的重要因素。朱小強(qiáng)[9]等利用MODIS影像結(jié)合TVDI指數(shù)反演艾比湖流域2013、2014、2015年的5月、10月土壤水分,并以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。

綜上述研究發(fā)現(xiàn),目前針對(duì)艾比湖流域土壤水分的研究主要受時(shí)空尺度制約,缺乏流域尺度、連續(xù)的時(shí)空變異性研究,難以全面反映流域特殊的“山地-綠洲-荒漠”系統(tǒng)土壤水分變化特征?；诖?本研究將SWAT模型與RS、GIS技術(shù)相結(jié)合模擬土壤水分,利用GF- 1號(hào)衛(wèi)星反演區(qū)域土壤剖面電導(dǎo)率修正SWAT模型土壤參數(shù),進(jìn)一步提高SWAT模型模擬地表分量精度,并對(duì)其模擬的2008—2014年流域尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列土壤水分時(shí)空變化及分布特征進(jìn)行分析,為流域土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)重建、旱情監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于43°38′—45°52′N和79°53′—85°02′E之間(圖1),深居大陸腹地,自然條件惡劣,受三面環(huán)山阻隔外界氣流的影響,流域內(nèi)氣候變化劇烈且十分干燥,降雨量稀少、日照充足,蒸發(fā)量大,流域水資源與生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)十分敏感。流域內(nèi)有內(nèi)陸干旱區(qū)典型的封閉型湖泊及新疆第一大鹽水湖——艾比湖,從20世紀(jì)50年代初至今,湖泊面積從1200 km2萎縮至500 km2左右,蓄水量由30多億m3減少到7億m3左右,湖濱荒漠林減少62%,湖中蘆葦面積減少94%,湖濱周邊干涸湖底大面積裸露且嚴(yán)重鹽堿化,受常年大風(fēng)影響,已使艾比湖成為繼咸海之后全球第二大鹽塵暴、沙城暴發(fā)源地。流域干旱化趨勢(shì)十分明顯,已對(duì)天山北坡農(nóng)牧業(yè)發(fā)達(dá)的綠洲內(nèi)生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。

圖1 艾比湖流域邊界示意圖Fig.1 Boundary figure of Ebinur Lake Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章研究思路如圖2所示,研究過程所涉及的數(shù)據(jù)介紹如下：①高程數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM制作,空間分辨率30 m；②土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于2010年中科院國(guó)家科技支撐計(jì)劃,利用多時(shí)相Landsat TM/ETM遙感影像目視解譯生成；③氣象數(shù)據(jù)來自中國(guó)水科院發(fā)布的中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)集(The China Meteorological Assimilation driving Datasets for the SWAT model, CMADS),空間分辨率1/3°,時(shí)間尺度為2008年1月1日—2014年12月31日。所有站點(diǎn)提供了日平均溫度、日最低高溫度、日累計(jì)24時(shí)降水量、日平均太陽輻射、日平均氣壓、日相對(duì)濕度、日比濕度、日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)；④土壤數(shù)據(jù)采用世界土壤數(shù)據(jù)庫 (Harmonized World Soil Database, HWSD) 1∶100萬土壤數(shù)據(jù),grid柵格格式,WGS84投影,FAO-90土壤分類系統(tǒng),美制土壤粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；⑤徑流數(shù)據(jù)來自博爾塔拉蒙古自治州溫泉、精河水文觀測(cè)站,日徑流數(shù)據(jù)為2009年1月1日—2010年12月31日日、月尺度數(shù)據(jù)。對(duì)SWAT模擬徑流結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；⑥歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)采用MODIS傳感器陸地3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),8天合成的MOD13A3產(chǎn)品,柵格數(shù)據(jù),空間分辨率250 m,時(shí)間序列為2008年1月—2014年12月,共252期。下載后通過ArcGIS10.0進(jìn)行縮放、拼接、裁剪,完成季度、年度數(shù)據(jù)合成,用于驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)間序列SWAT模擬土壤水分變化趨勢(shì)。

圖2 研究思路Fig.2 Research technical route

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT模型

研究采用SWAT模型模擬土壤水分,是目前全球應(yīng)用最廣泛的水文模型之一[10]。美國(guó)、印度、德國(guó)等學(xué)者對(duì)該模型在不同時(shí)空尺度上的適用性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證[11-14]?？紤]SWAT模型是基于濕潤(rùn)地區(qū)下墊面狀況研發(fā),國(guó)內(nèi)學(xué)者用于干旱區(qū)地表分量模擬時(shí)對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)修正及模型算法改進(jìn)等研究,都取得了良好的效果[15-16]。該模型由美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局開發(fā),主要包括氣候、土壤類型、農(nóng)業(yè)管理以及土地利用方式等多種參數(shù),可模擬地表徑流、土壤水分、氮、磷、泥沙等地表分量[17]。其中,土壤水分可以被植被吸收或蒸發(fā),也可從土壤剖面底滲漏并最終變?yōu)楹畬映隽?還可在土壤剖面中作水平運(yùn)動(dòng)補(bǔ)給河道徑流,過程復(fù)雜[18]。SWAT模擬土壤水分時(shí)充分考慮上述過程,以明確的物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)土壤水分的定量計(jì)算[19]。

2.2.2 分類回歸樹法

本文基于土壤鹽漬化發(fā)生機(jī)理,在劉廣明等[20]提出的分類回歸樹法反演區(qū)域土壤剖面電導(dǎo)率算法基礎(chǔ)上,以GF- 1衛(wèi)星16 m高分辨率遙感影像的多波段組合計(jì)算的土壤指數(shù)、植被指數(shù)、鹽分系數(shù)及飽和度作為自變量,將野外采樣得到的各層土壤電導(dǎo)率作為因變量,按不同土層輸入分類回歸樹(Classification and Regression Tree,CART)軟件建模,建立基于分類回歸統(tǒng)計(jì)規(guī)則的線性模型,具體通過Cubist2.08數(shù)據(jù)挖掘軟件實(shí)現(xiàn)。再將線性模型和自變量圖像輸入ENVI(The Environment for Visualizing Images,ENVI)軟件進(jìn)行計(jì)算,輸出各層土壤電導(dǎo)率空間分布圖,最終獲取0—100 cm艾比湖流域土壤剖面電導(dǎo)率空間數(shù)據(jù),用以代替修正SWAT土壤數(shù)據(jù)庫參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 構(gòu)建艾比湖流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫

驅(qū)動(dòng)SWAT模型除數(shù)字高程(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù)外,需制作土地利用數(shù)據(jù)庫、土壤數(shù)據(jù)庫和氣象數(shù)據(jù)庫為子流域和水文響應(yīng)單元的劃分提供空間物理依據(jù)。首先,利用4幅ASTER GDEM 30 m分辨率DEM數(shù)據(jù),將艾比湖流域劃分為30個(gè)子流域,如圖3所示。其次,選用由中科院提供的2010年全國(guó)陸地區(qū)域1∶10萬比例尺土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立艾比湖流域SAWT模型土地利用數(shù)據(jù)庫。其中,需將原土地利用分類轉(zhuǎn)換成為SWAT模型土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)換后各地類分別占流域總面積比例為：林地(FRST,5.20%),牧場(chǎng)(PAST,28.82%),細(xì)芽草(SWGR,15.16%),水域(WATR,3.81%),冰川及永久性積雪(CNJX,1.17%),中低密度居民區(qū)(URLD,0.28%),荒地(BALD,35.47%),混合濕地(WETL,0.25%),荒漠(HTHM,2.85%),中耕作物(AGRR,6.98%),空間分布如圖3所示。SWAT模型對(duì)土壤數(shù)據(jù)庫有嚴(yán)格且復(fù)雜的要求,本文依據(jù)HWSD土壤數(shù)據(jù)庫將艾比湖流域土壤質(zhì)地劃分為39種類型參與土壤水分的計(jì)算,具體劃分結(jié)果如圖3所示。

文章采用CMADS大氣同化氣象數(shù)據(jù)集(V1.0)制作艾比湖流域SWAT模型氣象數(shù)據(jù)庫,時(shí)間跨度為2008年1月1日—2014年12月31日的日尺度數(shù)據(jù),利用ArcGIS加載艾比湖流域邊界,共遴選出隸屬艾比湖流域邊界內(nèi)的45個(gè)站點(diǎn),數(shù)據(jù)包括降水、太陽輻射、溫度、壓強(qiáng)、相對(duì)濕度、風(fēng)速等六大要素。

圖3 艾比湖流域SWAT模型數(shù)據(jù)庫空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of SWAT database in the Ebinur Lake Watershed

將上述DEM、土地利用、土壤質(zhì)地及氣候數(shù)據(jù)通過索引表分別寫入SWAT模型數(shù)據(jù)庫,運(yùn)行SWAT模型模擬結(jié)果如下。

3.2 艾比湖流域土壤水分模擬

利用ArcGIS 10.0將2008—2014年SWAT模型模擬的艾比湖流域土壤水分?jǐn)?shù)據(jù),并將30個(gè)子流域數(shù)字格式轉(zhuǎn)化為空間格式數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 艾比湖流域2008—2014年土壤水分時(shí)空分布圖Fig.4 Temporal and spatial distribution of soil moisture in the Ebinur Lake Basin from 2008—2014

3.3 精度驗(yàn)證

為確保土壤水分模擬精度,以輸出分辨率最高的徑流模擬結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢驗(yàn),再通過SWAT-CUP進(jìn)行敏感性分析及參數(shù)調(diào)整,徑流量模擬結(jié)果達(dá)到最優(yōu)后提取土壤水分模擬結(jié)果進(jìn)行時(shí)空變化分析。

3.3.1 徑流模擬精度驗(yàn)證

選取納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE)和決定性系數(shù)(Coefficient of determination,R2)對(duì)徑流量模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估[21]。其中,Nash系數(shù)以Moriasi的SWAT月徑流模擬結(jié)果NSE≥0.6,日徑流模擬結(jié)果NSE>0.5為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；決定系數(shù)R2越接近1,表明模擬值越接近觀測(cè)值。

利用精河、溫泉水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,模擬評(píng)估結(jié)果見表1。表中參數(shù)率定期為2009—2010年,模型驗(yàn)證期為2011—2013年。

表1 SWAT模擬艾比湖流域徑流輸出日、月擬合結(jié)果評(píng)估

分析表1模擬結(jié)果,精河山口水文站模擬結(jié)果精度均高于溫泉水文站,且月模擬精度高于日模擬精度,總體符合精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),模擬結(jié)果在可利用范圍,下一步提取土壤水分模擬結(jié)果。

3.3.2 土壤水分模擬精度驗(yàn)證

(1)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

通過上述徑流模擬結(jié)果檢驗(yàn)及敏感性調(diào)參,我們得到2008年3月1日—2014年12月31日土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集。為確保模擬精度,采用2014年5月17日—21日間的38個(gè)野外實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,采集時(shí)間及采樣點(diǎn)坐標(biāo)如圖1所示。

圖5 土壤含水量實(shí)測(cè)值與SWAT模擬結(jié)果相關(guān)分析 Fig.5 Correlation analysis between measured soil moisture and SWAT simulation

選取相關(guān)系數(shù)R2進(jìn)行精度檢驗(yàn),取值范圍為0—1,R2越接近1,則說明二者變化趨勢(shì)越趨近于一致。38個(gè)野外采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值R2為0.1606。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),38個(gè)采樣點(diǎn)中有5組異常數(shù)據(jù)超出土壤水分正常值范圍,是導(dǎo)致模擬結(jié)果精度較低的主要原因。為減少野外數(shù)據(jù)采集和模型參數(shù)產(chǎn)生的誤差,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,選取在合理范圍內(nèi)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)33組重新計(jì)算模擬精度,R2為0.5602(圖5)。綜合比較國(guó)內(nèi)外土壤水分模擬研究結(jié)果[22],精度可靠。雖然精度還有待進(jìn)一步提高,但該模擬結(jié)果在眾多模擬研究中具有明顯的時(shí)間序列優(yōu)勢(shì),可為長(zhǎng)時(shí)空土壤水分變化研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

(2)遙感數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

為進(jìn)一步確保長(zhǎng)時(shí)間序列土壤水分模擬結(jié)果的可靠性,文章采用與土壤水分密切相關(guān)的植被指數(shù)NDVI對(duì)土壤水分模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。選取MODIS傳感器2008年1月—2014年12月8d合成1 km分辨率NDVI三級(jí)陸地產(chǎn)品252期數(shù)據(jù)進(jìn)行下載、縮放、裁剪、拼接、計(jì)算,得到與土壤水分時(shí)間和空間尺度相匹配的NDVI年尺度空間分布圖,圖6列舉了土壤水分變化劇烈的2008和2014年的NDVI空間分布圖。

圖6 艾比湖流域2008年和2014年NDVI時(shí)空分布圖Fig.6 Temporal and spatial distribution of NDVI in the Ebinur Lake Basin from 2008 and 2014

圖7 艾比湖流域2008—2014年土壤水分與NDVI變化趨勢(shì)比較 Fig.7 Compared of soil moisture and NDVI trends in the Ebinur Lake Basin from 2008 to 2014

圖中綠色區(qū)域代表NDVI高值區(qū),綠色越深代表植被長(zhǎng)勢(shì)越好或覆蓋度越高；紅色區(qū)域代表NDVI低值區(qū),紅色越深代表植被覆長(zhǎng)勢(shì)差或無植被覆蓋。以線性變化趨勢(shì)圖將2008—2014年年均土壤水分和歸一化植被指數(shù)NDVI進(jìn)行比較,如圖7所示。

2008—2014年間,NDVI整體上與流域土壤水分具有相同變化趨勢(shì)。該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí),本文通過SWAT模型模擬的2008—2014年艾比湖流域年均土壤水分變化趨勢(shì)結(jié)果可靠。

3.4 土壤水分的時(shí)空變化

3.4.1 年均土壤水分時(shí)空分布特征

由圖4可知,2008—2014年艾比湖流域年平均土壤水分表現(xiàn)為明顯的時(shí)空異質(zhì)性；其中,低值區(qū)為2008—2009年；2010年呈明顯上升趨勢(shì)；2011—2014年緩慢減少；2014年較2010年減少32.03%。將2008—2014年年均土壤水分以閾值進(jìn)行劃分,低于15 mm的年份為2008年、2009年占總年份的28.6%；15—20 mm之間的年份為2014年占總年份的14.2%；高于20 mm的年份為2010年、2011年、2012年、2013年占總年份的57.1%。雖2010—2013年年土壤水分高于20 mm,但流域整體干旱化趨勢(shì)并未減輕。因此,從氣候變化和人類活動(dòng)兩方面分析影響流域干旱化的主導(dǎo)因素。

2008年艾比湖流域年降水量189 mm,年平均氣溫為4.9℃,相對(duì)其他年份有降水量少、氣溫高的特點(diǎn),此時(shí)年平均土壤水分11.44 mm,為2008—2014年間最低值；2010年區(qū)域降水量(215.3 mm)明顯增加,氣溫保持平穩(wěn),流域年平均土壤水分23.13 mm呈明顯上升趨勢(shì)。由此可知,2008—2010年,氣候要素,尤其降水和氣溫是艾比湖流域土壤水分劇烈變化的主要影響因素。

2011年年平均氣溫4.6 ℃,年降水量343.9 mm,年平均土壤含水量22.97 mm；與2010年相比,年均氣溫降低0.1 ℃,降水量增加128.6 mm；土壤含水量卻減少0.16 mm。說明在氣溫降低且降水量增加59.7%的背景下,流域土壤含水量卻呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。且2011—2014年流域年均氣溫及降水量變化不明顯的情況下,年均土壤水分持續(xù)下降。說明從2011年起,還有其他因素和氣候要素共同影響區(qū)域土壤水分。查閱艾比湖流域2011發(fā)展規(guī)劃資料發(fā)現(xiàn),2011年艾比湖流域新增耕地3.4萬畝、新建維修改造防滲渠道30.03 km；新修防洪壩4.2 km；實(shí)施飲水安全工程4處,解決了全市2.1萬人的安全飲水問題；有效開展節(jié)水型社會(huì)建設(shè)試點(diǎn)3個(gè)；新增名特優(yōu)水產(chǎn)品養(yǎng)殖3戶；實(shí)施各類水利項(xiàng)目15個(gè)；各類水庫蓄水和大面積開荒灌溉措施將會(huì)對(duì)后期流域整體的干旱化帶來巨大影響,而類似的工程在2012—2014年還將持續(xù)新增,進(jìn)一步說明2010—2014年期間流域整體土壤水分的減少與人類活動(dòng)密不可分。

分析流域土壤水分空間變化,艾比湖流域年土壤水分均值總體偏低,且低值區(qū)由原來的北部山區(qū)及平原區(qū)的5、19、16、1、2、8號(hào)子流域逐漸向東部平原區(qū)、東南部平原區(qū)及南部山區(qū)的17、12、24、29、25、28號(hào)子流域遷移,截止到2014年土壤水分減少最明顯的區(qū)域主要集中在流域東部；西部及西南部也有不同程度降低；海拔較高的山區(qū)地帶7、15、23、26號(hào)子流域土壤水分范圍從2010年的27.78—82.07 mm變化到2014年的15.7—70.68 mm,呈明顯減少趨勢(shì)。造成這種格局變化主要有三方面原因：①流域近15年來雖受西風(fēng)環(huán)流影響,帶來大西洋的濕潤(rùn)氣流,在山地迎風(fēng)坡形成豐富的降水,使平原區(qū)降水量相對(duì)較少；加之流域深居內(nèi)陸、降水量總體偏少、蒸發(fā)量大、常年大風(fēng),使土壤水分低值區(qū)面積逐年擴(kuò)大。②土地覆被亦影響土壤水分的時(shí)空格局。從圖4可以看出,土壤水分的高值區(qū)主要分布在西部山區(qū)的林地和草地。低值區(qū)主要在艾比湖周邊及東部山區(qū)的草地和稀疏植被區(qū)。同時(shí),受人為灌溉的影響,綠洲區(qū)農(nóng)用地的土壤水分值高于綠洲邊緣植被稀疏區(qū)。為進(jìn)一步分析不同土地覆被類型的土壤水分變化特征,統(tǒng)計(jì)研究區(qū)典型的4種土地覆蓋年均土壤水分變化,發(fā)現(xiàn)2008年和2014年土地覆被類型的土壤水分狀況均為：林地>農(nóng)用地>草地>稀疏植被,這是由于不同土地覆被的根系對(duì)土壤水分的吸收及葉片蒸騰性質(zhì)存在差異,導(dǎo)致陸地與大氣間相互作用的能量重新分配,使土壤水分時(shí)空格局表現(xiàn)出顯著的時(shí)空異質(zhì)性。③近年來艾比湖流域人類活動(dòng)頻繁,開荒種植、植樹造林、興修水利等措施,勢(shì)必帶來大量水資源的消耗。且博爾塔拉蒙古自治州2010年人口44.36萬, 截止2014年末人口增加至49.38萬人,人口數(shù)量及城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)張,伴隨一系列農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生態(tài)用水的增加,給艾比湖流域地表水和地下水資源總量造成巨大影響。由此可知,艾比湖流域土壤水分低值區(qū)的遷移和擴(kuò)大與氣候變化和人類活動(dòng)密不可分。

3.4.2 四季土壤水分時(shí)空分布特征

以春、夏、秋、冬為時(shí)間節(jié)點(diǎn),選取艾比湖流域土壤水分變化較為典型的2008年及2014年深入分析季節(jié)時(shí)空變化特征。其中,以冬季后5天平均氣溫超過10℃時(shí)為春季開始；以春季后5天平均溫度高于22℃時(shí)為夏季開始；以夏季后5天平均溫度低于22℃為秋季開始；以秋季后5天平均溫度低于10℃為冬季開始。依此劃分將艾比湖流域四季定義為：3月、4月、5月為春季；6月、7月、8月為夏季；9月、10月為秋季；11月、12月、1月、2月為冬季。

首先分析2008年艾比湖流域四季土壤水分時(shí)空分布情況,如圖8所示。

圖8 2008年和2014年艾比湖流域四季土壤水分空間分布Fig.8 The distribution of soil moisture in the four seasons of Ebinur Lake subasin in 2008、2014

在季節(jié)尺度上,2008年春、夏、秋、冬季平均土壤水分變化范圍在8.92—11.45 mm之間。其中,冬季和夏季土壤水分較高,春季和秋季土壤水分較低。冬季頻繁的固態(tài)降水及夏季降雨量的增加是流域冬、夏兩季土壤濕度較大的主要原因。

在空間尺度上,3、5、7、10、19、26、28號(hào)子流域不同季節(jié)土壤水分變化較大,且2008—2014年的四季都表現(xiàn)出較大差異,其余子流域四季變化微弱。從地形角度分析,3、5、7、10、19、26、28號(hào)子流域主要集中在山區(qū)及出山口地帶,坡度變化明顯,降雨形成徑流后在重力作用下隨坡向以地表徑流和壤中流形式匯入河道。此時(shí),土壤持水能力弱,土壤水分高低主要取決于降水量的強(qiáng)度及頻率,而山區(qū)及出山口地帶四季降水量差異明顯,因此,這些子流域土壤水分表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。

2014年研究區(qū)30個(gè)子流域春、夏、秋、冬季土壤含水量空間變化趨勢(shì)基本一致。土壤含水量分布較高的子流域有3、5、7、11、13、15、19、23、24、26,較2008年增加3個(gè)流域；增加的3個(gè)子流域?yàn)?3、19、24；從地形角度分析,13、19號(hào)子流域?yàn)槌錾娇诤拥兰皼_積扇分布地帶,2014年年降雨量增加51.5%,因降雨量增加使到達(dá)出山口沖積扇地帶的徑流量增加,是我們發(fā)現(xiàn)的2014年5、7號(hào)子流域土壤含水量增加的原因之一。此外,在時(shí)間尺度上,流域土壤含水量四季變化范圍在11.82—18.49 mm之間,且冬季土壤含水量與春、夏、秋季差異相對(duì)較小。

綜上所述,艾比湖流域2008—2014年間,影響土壤水分變化因素各不同相同,2008、2009和2010年土壤水分變化主要受氣溫和降水影響；2011—2014年流域土壤水分持續(xù)減少,除受氣候要素影響外,人類活動(dòng)也是重要影響因素之一。

4 結(jié)論

基于2008—2014年的土壤水分空間模擬數(shù)據(jù),研究了艾比湖流域不同時(shí)空尺度下土壤水分變化特征,初步分析了土壤水分變化與氣候及人類活動(dòng)的關(guān)系,研究取得如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)分別利用野外實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和MOD13A3的NDVI產(chǎn)品對(duì)SWAT模型估算的艾比湖流域2008—2014年土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),R2為0.4595,與NDVI年變化趨勢(shì)吻合,說明SWAT模擬土壤水分精度雖有待進(jìn)一步提高,但長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤水分變化趨勢(shì)可靠,能滿足區(qū)域尺度長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤水分空間變化分析的需求。

(2)時(shí)間尺度上,2008—2014年艾比湖流域土壤水分值呈波動(dòng)變化,有總體下降趨勢(shì)。其中,2008—2009年為低值區(qū),主要受氣溫和降水量影響；2010年由于降水量的增加導(dǎo)致土壤水分驟增；2011—2014年呈緩慢減少趨勢(shì),除受氣候要素影響外,人類高強(qiáng)度的水土資源開發(fā)活動(dòng)也是影響土壤水分不斷減少的重要因素。

(3)空間格局上,受降水量影響,土壤水分表現(xiàn)為從山區(qū)向兩側(cè)平原減少的特點(diǎn)。受土地覆蓋影響,土壤水分高值區(qū)主要分布在流域山區(qū)的林地和草地及綠洲農(nóng)用地區(qū)域,土壤水分低值區(qū)主要分布于草地、稀疏植被區(qū)及艾比湖湖濱周邊區(qū)域,土壤水分值總體表現(xiàn)為：林地>農(nóng)用地>草地>稀疏植被。且土壤水分低值區(qū)由北部山區(qū)及平原向東部、東南部平原區(qū)及南部山區(qū)遷移,東部土壤水分減少最明顯。造成土壤水分空間格局變化的原因除降水時(shí)空分布不均外,還與流域人口增加、城鎮(zhèn)擴(kuò)張、綠洲面積擴(kuò)大、種植結(jié)構(gòu)變化等人為因素密切相關(guān)。

(4)艾比湖流域2008—2014年間土壤水分在春、夏、秋、冬四季存在時(shí)空差異。春季土壤水分主要受溫度帶來的積雪融化影響；夏季、秋季土壤水分主要受降雨量和氣溫影響；冬季土壤含水量主要受固態(tài)降雪和氣溫影響。因土壤水分受土壤質(zhì)地、土地覆被、DEM、坡度、季節(jié)性降水、氣溫等要素影響,因此,不同年份、相同季節(jié)、相同子流域的土壤水分變化趨勢(shì)具有相似性。

隨著全球及區(qū)域氣候系統(tǒng)的變化和人類活動(dòng)干預(yù),水文、土壤等各學(xué)科領(lǐng)域都需要區(qū)域尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的高精度土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)。因此,今后在本研究基礎(chǔ)上融合更多地學(xué)方法,盡可能均勻增加野外采樣點(diǎn)的布設(shè),進(jìn)一步提高土壤水分模擬精度,建立區(qū)域尺度、長(zhǎng)時(shí)序土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集,對(duì)認(rèn)識(shí)氣候變化和人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)下的干旱區(qū)“山地-綠洲-荒漠”系統(tǒng)土壤水分變化具有重要意義。