2001-2017年黃土高原實際蒸散發(fā)的時空格局

周志鵬　孫文義　穆興民　高鵬　趙廣舉　宋小燕

摘要：為了給全面評估黃土高原地區(qū)大規(guī)模實施退耕還林還草的生態(tài)效應提供依據(jù)，基于NASA發(fā)布的空間分辨率為500 m的MOD16A2蒸散發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分析了黃土高原以及黃河中游典型流域2001-2017年實際蒸散發(fā)量時空變化特征。結果表明：黃土高原年均實際蒸散發(fā)量從西北向東南遞增，多年平均季節(jié)蒸散發(fā)量空間分布格局與年平均蒸散發(fā)量分布格局基本一致，季節(jié)蒸散發(fā)量由大到小順序為夏季>秋季>春季>冬季;實施退耕還林還草工程以來，黃土高原年均蒸散發(fā)量以8.23 mm/a的速率顯著增加，多年平均蒸散發(fā)量為278.71 mm;黃河中游各典型支流2001-2017年蒸散發(fā)量均呈現(xiàn)增加的趨勢，延河流域增速最大（為12.96 mm/a），皇甫川流域增速最?。?.34 mm/a）;不同流域實際蒸散發(fā)量差異較大，渭河干流年均蒸散發(fā)量最大（為388.26 mm），皇甫川流域年均蒸散發(fā)量最?。?53.71 mm）。

關鍵詞：實際蒸散發(fā)量：時空格局;退耕還林還草;黃河中游;黃土高原

中圖分類號：S157.2;S161.4

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.017

蒸散發(fā)是陸地水分和能量循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是地下水一土壤水一植被水一大氣水循環(huán)的重要驅動力[1-2]。2011年美國NASA（航空航天局）發(fā)布的基于Penman - Monteith公式的全球陸地蒸散數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD16，模擬精度達到86%[3].成功應用于區(qū)域和全球尺度蒸散發(fā)的動態(tài)監(jiān)測和模擬研究。賀添等[4]對我國森林、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究表明，MOD16產(chǎn)品在遼河、海河、黃河和淮河流域的模擬精度較高;鄧興耀等[5]采用流域水量平衡法驗證了MOD16產(chǎn)品在西北干旱區(qū)的模擬精度基本滿足區(qū)域尺度研究的需要。

黃土高原嚴重的水土流失是造成土地退化和黃河泥沙危害的主要原因，也是黃河流域暴雨洪水災害的重要根源，其對氣候變化及人類活動的影響十分敏感[6-7]。新中國成立以來，為治理水土流失，黃土高原地區(qū)實施了一系列重大生態(tài)治理工程，如退耕還林還草、大規(guī)模梯田建設、淤地壩工程建設等，其中1999年開始試點并大規(guī)模開展的退耕還林還草工程建設（截至2010年全國累計投資2 315.31億元、退耕面積252685 km2） [8-9]在黃土高原地區(qū)已實施近20 a.使黃土高原水土流失加劇態(tài)勢開始逆轉，植被恢復呈現(xiàn)良好態(tài)勢，植被覆蓋度由1981年的31%增長到2012年的50%[10]。植被的大規(guī)?；謴蛣荼貙^(qū)域水文循環(huán)過程產(chǎn)生重大影響，國內(nèi)外學者從水土保持、植被覆蓋度和土壤侵蝕變化等各個角度對退耕還林還草的生態(tài)效應進行評估[11-12].但對黃土高原植被恢復引起實際蒸散發(fā)量變化的研究相對較少，因此筆者采用MOD16A2蒸散發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對2001-2017年黃土高原實際蒸散發(fā)的時空變化特征進行探討，以期為全面評估退耕還林還草生態(tài)效應提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地形起伏、溝壑縱橫，地勢西北高、東南低.主要地形地貌類型有黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高塬溝壑區(qū)、河谷平原區(qū)、風沙區(qū)和土石山區(qū)。黃土堆積深厚，厚度一般為30 - 80 m，有些地區(qū)甚至達到400m[13-15]。黃土高原具有溫帶大陸性氣候特征，夏季高溫且多暴雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫6 - 14℃，年均降水量300 -700 mm，降水主要集中在6-8月12，16]。植被類型從東南到西北呈帶狀分布，依次有森林植被帶、森林草原植被帶、典型草原植被帶、荒漠草原植被帶、草原荒漠帶。主要土地利用類型有草地、農(nóng)田、林地、未利用地、建設用地、水體（見圖1），分別占黃土高原總面積（62.4萬km）的41.73%、31.35%、15.25%、6.30%、3.99%、1.38%。

黃土高原土質(zhì)疏松、地形破碎、植被破壞嚴重，使之成為我國乃至世界上水土流失最嚴重、生態(tài)最脆弱的地區(qū)[17-18]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

從美國NASA官方網(wǎng)站下載2001-2017年MOD16A2蒸散發(fā)數(shù)據(jù)（其中2008年缺失較多，本文未使用），其空間分辨率為500 m。采用MRT軟件將MOD16A2蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進行投影轉換、拼接和格式轉換批處理，坐標系統(tǒng)一為Albers等積圓錐投影。依據(jù)質(zhì)量控制文件，利用ArcGIS去除數(shù)據(jù)中的無效值，得到年和月尺度實際蒸散發(fā)量[19]。

1.3 研究方法

用變異系數(shù)C反映黃土高原不同區(qū)域蒸散發(fā)量的變異情況，計算公式為

2 結果與分析

2.1 實際蒸散發(fā)量的空間分布特征

黃土高原2001-2017年多年平均實際蒸散發(fā)量（ET）為278.71 mm，年均蒸散發(fā)量空間分布具有明顯的區(qū)域分異特征（見圖2）：表現(xiàn)為從東南向西北遞減，蒸散發(fā)量高值區(qū)（紅色區(qū)域）集中分布在黃土高原子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、秦嶺北坡林區(qū)、呂梁山區(qū)和太行山區(qū)及青海東部林區(qū);蒸散發(fā)量中值區(qū)（黃色區(qū)域）集中分布在黃土高原東部和南部，如關中平原灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)、土石山區(qū)以及青海等地;低值區(qū)（綠色區(qū)域）主要分布在黃土高原西北部。

黃土高原2001-2017年多年平均季節(jié)蒸散發(fā)量空間分布格局與年均蒸散發(fā)量分布格局基本一致（見圖3），整體上看，黃土高原季節(jié)蒸散發(fā)量大小順序為夏季>秋季>春季>冬季。春季（3-5月）蒸散發(fā)量均值為57.26 mm，占全年蒸散發(fā)量的20.54%;夏季（6-8月）蒸散發(fā)量均值為131.84 mm，占全年蒸散發(fā)量的47.30%;秋季（9-11月）蒸散發(fā)量均值為60.82 mm，占全年蒸散發(fā)量的21.82%：冬季（12月一翌年2月）均值為28.79 mm，占全年蒸散發(fā)量的10.34%。2.2實際蒸散發(fā)量時間變化特征

黃土高原2001-2017年實際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，平均增速為8.23 mm/a（見圖4，其中：y為年蒸散發(fā)量，x為年序，R2為確定系數(shù)，P為顯著性水平），其中：2001年蒸散發(fā)量最小，為196. 11 mm;2016年蒸散發(fā)量最大，為341.29 mm。蒸散發(fā)量年內(nèi)分配呈現(xiàn)單峰型特征（見圖5），其中：1-4月份蒸散發(fā)量變化較為平緩，5-7月迅速增加，7月蒸散發(fā)量達到最大值46. 94 mm，8月開始迅速下降，12月降至8.48 mm。

黃土高原蒸散發(fā)量變異系數(shù)C空間分布情況見圖6。蒸散發(fā)量非常穩(wěn)定及穩(wěn)定的區(qū)域面積占49.33%.集中分布在黃土高原西北部干旱草原區(qū)：蒸散發(fā)量不穩(wěn)定的區(qū)域面積占37.94%，主要分布在長城沿線以南、關中平原以北及固原、定西等地區(qū);蒸散發(fā)量很不穩(wěn)定區(qū)域面積占12.73%，集中分布于渭河上游、涇河、北洛河流域及呂梁山一帶。

黃土高原2001-2017年實際蒸散發(fā)量變化呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異特征（見圖7），整體上表現(xiàn)為增加的趨勢，呈現(xiàn)增加趨勢的面積占65. 64%，基本保持不變的面積占31 .46%，呈現(xiàn)減少趨勢的面積占2.90%。增速（趨勢線斜率）K> 14.51 mm/a的區(qū)域分布于六盤山、子午嶺、黃龍山、呂梁山一帶，以及寶雞北部、天水等地;基本不變（-3.01 mm/a

2.3 不同土地利用類型實際蒸散發(fā)量

黃土高原不同土地利用類型年均蒸散發(fā)量表現(xiàn)為林地（418.30 mm）>農(nóng)田（320. 26 mm）>草地（279.15mm）>建設用地（221.30 mm）（MODIS數(shù)據(jù)處理時把未利用地、水體這兩類數(shù)據(jù)剔除了），年內(nèi)蒸散發(fā)量均呈單峰型分布，1-4月緩慢增大.5-7月迅速增長并在7月份達到峰值.8月開始迅速減小，12月降至最小值，見圖8。

2.4 黃河中游典型支流實際蒸散發(fā)量

2001-2017年黃河中游典型支流年均實際蒸散發(fā)量表現(xiàn)為渭河（388.26 mm）>北洛河（367.99 mm）>涇河（ 326.16 mm）>延河（275.51 mm）>無定河（197.45mm）>窟野河（164.73 mm）>皇甫川（153.71 mm），各典型支流實際蒸散發(fā)量均呈顯著增加的趨勢（見圖9），其中：延河流域蒸散發(fā)量增長速率最大，為12.96mm/a;皇甫川流域增長速率最小，為4.34 mm/a。 2.5 討論

1999年黃土高原實施退耕還林還草工程以來，植被綠度（ NDVI）和覆蓋度表現(xiàn)為顯著的增長趨勢[7，22]，植被的大規(guī)模恢復勢必對區(qū)域水文過程和蒸散發(fā)格局產(chǎn)生重要影響。植被直接影響蒸散發(fā)量的時空分布格局，同時通過對水分的調(diào)蓄可以改變地表徑流與地表水文過程[23-24]。邵薇薇等[25]研究表明，陸面植被增加導致蒸散發(fā)量增加的同時，會使陸面水熱通量發(fā)生變化。Piao S等[26-27]研究表明，溫暖的春季促使植被物候提前以及植被的生長加速，影響著地表蒸散發(fā)量的變化，特別是林地，人工林的增加加速了蒸散發(fā)。信忠保等[28]研究表明，地表蒸散發(fā)量快速增加的過程，潛在地加劇了水分的缺乏，造成黃土高原地區(qū)土壤干層的發(fā)育，進而對植被生長產(chǎn)生抑制作用。黃土高原大面積的林區(qū)、較為茂密的草地以及農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，是黃土高原實際蒸散發(fā)量較大區(qū)域，不同土地覆蓋具有不同的動力和熱力性質(zhì)，會導致能量分配方式不同，進而造成不同土地覆蓋類型蒸散發(fā)量表現(xiàn)出較大差異‘29]，這與莫興國等[30]、余衛(wèi)東等[31]研究黃土高原地區(qū)蒸散發(fā)量得出的結論基本一致。

黃土高原自退耕還林還草工程實施以來，實際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，以8.23 mm/a的平均速率增加。黃土高原植被覆蓋度的提高導致了實際蒸散發(fā)過程的加速，使該地區(qū)的水資源承載能力面臨著新的問題[23.32]。

3 結論

利用分辨率為500 m的MOD16A2蒸散發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對我國實施退耕還林還草工程以來黃土高原實際蒸散發(fā)量的時空分布格局進行了分析，得出以下主要結論。

（1）黃土高原2001-2017年年均蒸散發(fā)量空間分布格局總體為從西北向東南遞增，其中子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、秦嶺北坡、呂梁山區(qū)、太行山區(qū)及青海東部多年平均實際蒸散發(fā)量較大。

（2）黃土高原2001-2017年多年季平均蒸散發(fā)量空間分布格局與年均蒸散發(fā)量分布格局基本一致，季節(jié)蒸散發(fā)量由大到小順序為夏季>秋季>春季>冬季。

（3）黃土高原2001-2017年實際蒸散發(fā)量總體上呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，平均增速為8.23 mm/a。蒸散發(fā)量呈現(xiàn)增加趨勢的面積占65 .64%，基本保持不變的面積占31.46%，呈現(xiàn)減少趨勢的面積占2.90%。

（4）黃河中游典型支流2001-2017年實際蒸散發(fā)量均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中延河流域蒸散發(fā)量增速最大（為12. 96 mm/a）、皇甫川流域增速最小（為4.34 mm/a）。不同流域實際蒸散發(fā)量差異較大：渭河干流（388.26 mm）>北洛河（367.99 mm）>涇河（326.16mm）>延河（275.51 mm）>無定河（197.45 mm）>窟野河（ 164.73 mm）>皇甫川（153.71 mm）。

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【責任編輯張智民】