黔中地區(qū)潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化及對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

楊銘珂， 賀中華， 任榮儀， 張 浪

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 研究背景

全球變暖對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)造成的影響日益明顯，水資源短缺，但洪澇和干旱等災(zāi)害事件頻發(fā)，如何有效管理以及有效利用水資源成為重要的研究課題[1]。地表蒸散發(fā)是陸面水分平衡和地表能量平衡的主要組成部分，它直接影響地表和大氣間的水汽輸送[2]，所以蒸散發(fā)研究對(duì)反映區(qū)域水文過(guò)程以及科學(xué)管理水資源都十分重要。水文過(guò)程較為復(fù)雜，地表蒸散發(fā)難以獲取，通常利用潛在蒸散發(fā)去估算區(qū)域蒸散發(fā)量以用于水資源管理以及評(píng)估[3]。土地利用模式的變化會(huì)使得區(qū)域水資源也隨著發(fā)生變化[4]，影響一個(gè)地區(qū)的水平衡，即影響該地區(qū)潛在蒸散發(fā)以及水供應(yīng)[5]。韓靜艷等[6]認(rèn)為區(qū)域蒸散發(fā)即潛在蒸散發(fā)的變化能夠反映不同土地利用類型對(duì)一個(gè)地區(qū)的水文循壞系統(tǒng)的潛在影響。不同土地利用類型的潛在蒸散發(fā)變化存在差異，Boisier等[7]研究發(fā)現(xiàn)森林面積減少會(huì)使得夏季蒸散發(fā)減少。而Liu等[8]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用地的蒸散發(fā)高于城市用地。并且區(qū)域蒸散發(fā)在不同地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)不同的變化。研究表明，農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)使得蒸散發(fā)增加，但在中國(guó)西北地區(qū)，依賴灌溉的農(nóng)業(yè)地區(qū)的潛在蒸散發(fā)有所下降[9]。因此根據(jù)不同地區(qū)研究不同土地利用類型對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響是非常有必要的。

黔中水利樞紐是解決該地區(qū)工程性缺水的重要調(diào)水工程，由于地處巖溶發(fā)育區(qū)，黔中地區(qū)的水資源有效利用率較低[10]。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，使得土地利用開發(fā)強(qiáng)度增大，而區(qū)域內(nèi)土地利用模式轉(zhuǎn)變將會(huì)引起該區(qū)域潛在蒸散發(fā)變化，這對(duì)該區(qū)域水資源有效調(diào)配提出了挑戰(zhàn)。黔中地區(qū)有關(guān)水環(huán)境研究主要集中在降水、徑流等時(shí)間序列變化[11]、河流水化學(xué)特征[12]以及土壤養(yǎng)分研究等[13]，而社會(huì)研究主要集中在水資源有效利用等經(jīng)濟(jì)方面。因此本文將結(jié)合潛在蒸散發(fā)和土地利用變化，對(duì)黔中地區(qū)不同土地利用類型的潛在蒸散發(fā)變化進(jìn)行分析，討論人類活動(dòng)即土地利用模式的轉(zhuǎn)變對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響，以了解區(qū)域水資源行為和水資源管理。

2 資料來(lái)源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黔中地區(qū)位于貴州省中部核心地帶，地處北緯25°23′30″～75°05′10″，東經(jīng)104°10′20″～107°02′20″，研究區(qū)的海拔在479～2 885 m，地形西高東低，95%以上為山地和丘陵地貌，土地利用類型主要以林地、耕地和草地為主；氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均降水量在1 100～1 400 mm之間，1月平均氣溫為6～8 ℃，7月平均氣溫一般為22～25 ℃，云量多，日照時(shí)數(shù)少，多年平均相對(duì)濕度為79.1%。因研究區(qū)地處兩江分水嶺河源地帶，巖溶地貌發(fā)育強(qiáng)烈，山高谷深水源低，雨水多，但不易蓄水，山體坡度大土層薄，使得該地區(qū)水土流失嚴(yán)重[14]，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，水資源開發(fā)利用難度大，且水資源時(shí)空分配不均，人均水資源量較少。黔中地區(qū)水利工程區(qū)及周邊地區(qū)氣象站分布見圖1。

圖1 黔中地區(qū)水利工程區(qū)及周邊地區(qū)氣象站分布圖

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文收集了研究區(qū)內(nèi)及周邊的13個(gè)氣象站(圖1)1995-2015年的氣象數(shù)據(jù)，獲取了各站點(diǎn)1995-2015年逐日的最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)。1995、2000、2005、2010、2015年共5期的土地利用數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat遙感影像經(jīng)過(guò)ENVI監(jiān)督分類處理而得。依據(jù)全國(guó)遙感監(jiān)測(cè)土地利用分類體系，將土地利用類型分為6個(gè)一級(jí)地類，不同年份各土地利用類型面積如表1所示。

表1 黔中地區(qū)不同年份各土地利用類型面積 km2

2.3 研究方法

2.3.1 Penman-Monteith公式 研究表明[15]Penman-Monteith(P-M)公式能夠較好地考慮氣象要素的綜合反映，適用于西南地區(qū)潛在蒸散發(fā)的計(jì)算，而且計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。本文研究采用FAO(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的P-M公式估算黔中地區(qū)的潛在蒸散發(fā)量(ET0)[16-17]，計(jì)算公式如下：

ET0=

(1)

式中：ET0為潛在蒸發(fā)量，mm/d；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕常數(shù)，kPa/℃；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；U2為2 m高處的風(fēng)速,m/s；es為平均飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；T為平均氣溫，℃。

公式(1)中Rn計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

式中：Ra為大氣頂層的太陽(yáng)輻射，MJ/(m2·d)；N為最大日照時(shí)數(shù)，h；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，h；Q為波爾茲曼常數(shù) (Q=4.903×10-9MJ/(K4·m2·d))；Tmax, k、Tmin,k分別為最高、最低絕對(duì)氣溫，K；as為云全部遮蓋下 (n=0) 大氣外界輻射到達(dá)地面的分量；bs為晴天 (n=N) 大氣外界輻射到達(dá)地面的分量；a為地表反射度[18]，取值0.23；as、bs分別取值為0.248、0.752[19]；Gsc=0.082 0 MJ/(m2·min)；dr為日地距離訂正；ωs為日落時(shí)角(弧度)；φ為示緯度(弧度)；δ為太陽(yáng)高度角(弧度)。

公式(1)中Δ計(jì)算公式為：

(5)

公式(1)中γ計(jì)算公式為：

(6)

(7)

式中：p為大氣壓，kPa；λ=2.501-0.002361T；λ為蒸發(fā)的潛熱系數(shù)；h為海拔高度，m。

公式(1)中ea和es的計(jì)算公式為：

(8)

es=

(9)

式中：Rh為相對(duì)濕度；Tmax、Tmin分別為最高、最低絕對(duì)氣溫，℃。

2.3.2 Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)與突變分析 Mann-Kendall(M-K)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，常用于水文長(zhǎng)時(shí)間序列的檢驗(yàn)與突變分析，該方法既能發(fā)現(xiàn)該序列的變化趨勢(shì)，也能找到該序列發(fā)生突變的時(shí)間[20]。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法將某一序列設(shè)為X，其時(shí)間長(zhǎng)度為n，檢驗(yàn)其統(tǒng)計(jì)量S：

(10)

(11)

趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)量Z:

(12)

給定一個(gè)置信水平(α=0.05為顯著水平，±1.96；α=0.001則為極顯著水平，±2.58)，Z在置信水平(Z的絕對(duì)值超過(guò)1.28、1.64、2.32即分別通過(guò)置信水平90%、95%以及99%)上表示該時(shí)間序列呈增大或者減小趨勢(shì)，即Z為正時(shí)表示增大，Z為負(fù)時(shí)表示減小。

突變分析統(tǒng)計(jì)量UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其計(jì)算公式為：

(13)

UB=-UF

(14)

式中：E[Sk]為Sk的均值； Var[Sk]為Sk的方差。UB為UF的反序列，將兩者繪制曲線，若在置信水平α內(nèi)相交，則相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為序列突變時(shí)間。同時(shí)若UF>0，則表示序列層上升趨勢(shì)；UF<0則表示其呈下降趨勢(shì)；當(dāng)它們超過(guò)顯著性水平對(duì)應(yīng)的臨界值時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著[21]。

2.3.3 潛在蒸散發(fā)估算值精度檢驗(yàn) 為了保證氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度，根據(jù)氣象站點(diǎn)的空間分布位置以及剔除缺失數(shù)據(jù)，從1995-2015年的13個(gè)站點(diǎn)中挑選了4個(gè)氣象站點(diǎn)，將氣象測(cè)量?jī)x器蒸發(fā)皿測(cè)量的蒸發(fā)數(shù)據(jù)依據(jù)折算系數(shù)換算成陸面蒸散發(fā)量，與估算的潛在蒸散發(fā)量做假設(shè)檢驗(yàn)以及精度檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在蒸散發(fā)量的空間分布

研究區(qū)春季、夏季、秋季及冬季的ET0分別占年總ET0的30%、35%、22%及10%。圖2為1995-2015年黔中地區(qū)季均ET0空間分布。由圖2可看出，不同季節(jié)ET0的空間變化趨勢(shì)不一致。春季ET0空間分布特征呈自西向東遞減的變化趨勢(shì)(圖2(a))，其高ET0值區(qū)主要出現(xiàn)在畢節(jié)西部以及安順南部，最大值為302.2 mm；低值區(qū)主要分布于貴陽(yáng)東部，最低值為245.2 mm。夏季時(shí)黔中地區(qū)ET0整體出現(xiàn)高值區(qū)(圖2(b))，安順以東等地區(qū)ET0均在315.6 mm以上，而畢節(jié)西部以及六盤水北部出現(xiàn)低值區(qū)，ET0均低于300 mm。秋季ET0的空間變化均呈現(xiàn)自東南向西北逐漸遞減的趨勢(shì)，秋季ET0最小值為178.4 mm，主要位于六盤水北部，最大值為216.6 mm，主要位于貴陽(yáng)南部、東南部以及安順東南部，中部地區(qū)平均ET0為197.5 mm。冬季ET0最大值出現(xiàn)在畢節(jié)西部(圖2(d))，為155.14 mm，最小值則主要出現(xiàn)在畢節(jié)南部，為108.2 mm。由圖2可知，夏季至冬季黔中地區(qū)ET0的低值區(qū)由畢節(jié)西部向畢節(jié)南部、六盤水東北部以及貴陽(yáng)東部移動(dòng)，而高值區(qū)由安順東部至貴陽(yáng)東南部逐漸向畢節(jié)西部移動(dòng)；夏秋季ET0的空間分布均呈現(xiàn)高海拔低ET0、低海拔高ET0的規(guī)律。

圖2 1995-2015年黔中地區(qū)季均ET0空間分布

圖3為1995-2015年黔中地區(qū)年均ET0空間分布。由圖3可發(fā)現(xiàn)，黔中地區(qū)年均ET0自東南向西北整體呈遞減趨勢(shì)，高值區(qū)主要位于貴陽(yáng)市東南部，最大ET0值為973.1 mm，低值區(qū)主要分布在六盤水北部，最小ET0值為854.4 mm。中部地區(qū)年均ET0在902.1～930.6 mm。黔中地區(qū)的地形呈西北高東南低，由圖3可以看出，區(qū)域高海拔地區(qū)ET0低于低海拔地區(qū)，海拔在1 700 mm以上地區(qū)的ET0平均為882.5 mm，而海拔在1 700 mm以下地區(qū)的ET0平均為942.5 mm。地形通過(guò)影響降水、風(fēng)速以及氣溫等氣候因素從而影響到了該地區(qū)ET0的空間分布。

圖3 1995-2015年黔中地區(qū)年均ET0空間分布

3.2 潛在蒸散量的時(shí)間變化

圖4為1995-2015年黔中地區(qū)月均ET0值。

圖4 1995-2015年黔中地區(qū)月均ET0值

由圖4可知，黔中地區(qū)月均ET0年內(nèi)呈雙峰變化，月均ET0最大值在7月，為111.5 mm，占全年ET0的12%，最小均值在1月，為36.9 mm，占全年ET0的4%，這與水熱時(shí)間分布相似。但6月出現(xiàn)了明顯的低峰，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)黔中地區(qū)6月降水最多，這表明當(dāng)降水增多時(shí)，空氣中的相對(duì)濕度會(huì)增大，ET0也會(huì)隨之減少。1-3月，ET0增長(zhǎng)速度要高于其他月份， 4-7月，ET0增長(zhǎng)速度變得平緩，在7月達(dá)到峰值，隨后7-11月，ET0急速下降，12-1月ET0變化平穩(wěn)，在1月達(dá)到ET0最低。結(jié)合黔中地區(qū)的氣象條件來(lái)看，1-4月與10-12月的月均ET0均低于100 mm，分別為61.0、48.9 mm，相比全年，這兩個(gè)時(shí)段的平均氣溫較低、平均降水較少，使得植被生長(zhǎng)速度緩慢，植物蒸騰作用下降，所以月均ET0較低。5-8月為全年月均ET0的高峰值區(qū)，這一時(shí)段，降水與氣溫逐漸增加并達(dá)到一年中最大值，日照時(shí)數(shù)增加，相對(duì)濕度減少，這些因素綜合作用使得這一時(shí)段的月均ET0最大。8-10月的月均ET0減少，這主要與降水減少、氣溫逐漸降低有關(guān)。由此可見，氣溫和降水的耦合作用也會(huì)引起月均ET0變化。

圖5為1995-2015年黔中地區(qū)多年月均ET0的M-K變化趨勢(shì)。由圖5可知，1995-2015年黔中地區(qū)的月均ET0整體呈增大趨勢(shì)。月均ET0增加趨勢(shì)以7月為最大，Z值為1.72，超過(guò)95%的置信水平，增加顯著；其次以增加趨勢(shì)大小排序分別為2月>5月>8月>11月>4月>3月；月均ET0以12月減小趨勢(shì)最為明顯，Z值為-1.60，通過(guò)了90%的置信水平，其次是1月、9月。這表明月際平均ET0變化出現(xiàn)不穩(wěn)定性，但大體上還是與水熱月際分配一致。

圖5 1995-2015年黔中地區(qū)月ET0的M-K變化趨勢(shì)

圖6為1995-2015年黔中地區(qū)ET0各季節(jié)變化趨勢(shì)。由圖6可看出，1995-2015年黔中地區(qū)季均ET0呈增加趨勢(shì)，以春季最為顯著。春季ET0多年平均值為273.6 mm(圖6(a))，呈增大—減小—增大的變化趨勢(shì)，由春季ET0的5 a滑動(dòng)平均曲線可以看出，1995-2002年春季ET0出現(xiàn)明顯的增大再減小的峰值，其他年份變化相對(duì)穩(wěn)定。夏季ET0占全年ET0總量的36.22%，整體呈增大趨勢(shì)(圖6(b))。夏季ET0出現(xiàn)3個(gè)明顯的峰谷，2005年ET0值最小，為284.6 mm；2011、2013年出現(xiàn)兩個(gè)高峰值，ET0值分別為372.9、369.1 mm，變化率為16.64%。夏季ET0的5 a滑動(dòng)平均曲線表明，夏季ET0在1995-2009年一直呈增大趨勢(shì)，但從2010年開始，ET0整體出現(xiàn)減小趨勢(shì)。秋季的ET0變化較為平穩(wěn)(圖6(c))，由5 a滑動(dòng)平均曲線來(lái)看，秋季ET0總體呈減小—增大—減小的趨勢(shì)，具體為1995-2003年以減小趨勢(shì)為主，2004-2007年則以增大趨勢(shì)為主，2007年以后ET0出現(xiàn)波動(dòng)，但以減小趨勢(shì)為主。冬季ET0最大值與最小值相差49.93 mm，由冬季5 a滑動(dòng)平均曲線發(fā)現(xiàn)，冬季曲線整體呈增加—減少的趨勢(shì)，1995-2009年ET0值波動(dòng)增大，2010年以后呈減小趨勢(shì)(圖6(d))。

圖7為1995-2015年黔中地區(qū)各季節(jié)ET0的突變分析。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)ET0在研究時(shí)段內(nèi)各季節(jié)均出現(xiàn)了突變年份，表明各季節(jié)ET0在研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生了明顯變化。春季ET0變化明顯，2003年以后，統(tǒng)計(jì)量UF以及UB均達(dá)到了α=0.05的置信水平(圖7(a))，研究間段內(nèi)共有3個(gè)突變年份，即2003、2004年春季ET0發(fā)生了顯著的減小趨勢(shì)，2007年則發(fā)生了顯著的增大趨勢(shì)，這與圖6(a)春季ET0變化趨勢(shì)一致。夏季ET0整體呈不明顯增大趨勢(shì)，僅有2002年為突變年份(圖7(b))。秋季ET0在1995-2003年以及2006-2014年UF統(tǒng)計(jì)量為正(圖7(c))，表明該兩個(gè)時(shí)段秋季ET0呈增大趨勢(shì)，但增大趨勢(shì)不顯著，并在2002年左右發(fā)生突變。2004-2005年秋季UF統(tǒng)計(jì)量為負(fù)，說(shuō)明該時(shí)段秋季ET0呈減小趨勢(shì)，且不顯著。冬季ET0變化與春季大體相似(圖7(d))，1995-2015年UF統(tǒng)計(jì)量均為正，表明冬季ET0整體呈增大趨勢(shì)，且1996-2013年間ET0上升趨勢(shì)顯著，并在2008年發(fā)生突變。

圖7 1995-2015年黔中地區(qū)各季節(jié)ET0的突變分析

圖8為1995-2015年黔中地區(qū)ET0的年際變化趨勢(shì)。由圖8可知，1995-2015年期間黔中地區(qū)的ET0整體呈增大趨勢(shì)，增大幅度為7.40 mm/10a；多年平均ET0為914.6 mm，ET0最大值為993.8 mm，最小值為835.3 mm，兩者差值為158.5 mm；歷年ET0圍繞多年平均ET0波動(dòng)幅度較大。圖8中的5 a滑動(dòng)平均曲線表明，年ET0呈增大與減小交替的變化趨勢(shì)，1995-2007年ET0總體呈增大趨勢(shì)，2008-2015年ET0呈減小趨勢(shì)。

圖8 1995-2015年黔中地區(qū)ET0的年際變化趨勢(shì)

表2為黔中及周邊地區(qū)各氣象站點(diǎn)ET0的M-K趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)量Z的特征值。由表2可以看出，貴陽(yáng)是13個(gè)氣象站點(diǎn)中唯一一個(gè)Z值為負(fù)值的站點(diǎn)，同時(shí)Z的絕對(duì)值大于1.28，通過(guò)了信度90%，說(shuō)明貴陽(yáng)站的ET0呈顯著的減小趨勢(shì)；威寧、畢節(jié)、安順、興仁、紫云以及羅甸站的Z值雖然為正，但ET0增大的趨勢(shì)不明顯。ET0增大趨勢(shì)顯著的是普安、息烽以及惠水站，均通過(guò)了信度99%顯著性檢驗(yàn)，其次是黔西、織金以及望謨站，通過(guò)了信度95%顯著性檢查。

表2 黔中及周邊地區(qū)各氣象站點(diǎn)ET0的M-K趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)量Z的特征值

圖9為1995-2015年黔中地區(qū)年平均ET0值M-K突變檢驗(yàn)。由圖9可看出，年際ET0總體呈增大趨勢(shì)，UF統(tǒng)計(jì)量均為正值，1996-2003年及2005-2014年的UF曲線超過(guò)了a=0.05顯著水平線，這表明黔中地區(qū)年平均ET0增大趨勢(shì)十分顯著。年平均ET0在2002-2007年出現(xiàn)了顯著的突變點(diǎn)，說(shuō)明在2002-2007年這段時(shí)期，ET0增大更為顯著。

圖9 1995-2015年黔中地區(qū)年平均ET0值M-K突變檢驗(yàn)

3.3 潛在蒸散量的精度檢驗(yàn)

研究表明，氣象測(cè)量?jī)x器蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)蒸發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用于陸面地表蒸散發(fā)檢驗(yàn)時(shí)，需要引入蒸發(fā)皿折算系數(shù)，使用蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量和蒸發(fā)皿折算系數(shù)計(jì)算ET0。依據(jù)王梅等[22]的研究，蒸發(fā)皿折算系數(shù)為0.9，鮑平勇[23]根據(jù)地區(qū)修正認(rèn)為濕潤(rùn)地區(qū)折算系數(shù)近似為1。本文考慮地區(qū)差異，并沒直接引用兩位作者提出的折算系數(shù)，而是采用張?chǎng)蔚萚24]在中國(guó)西南地區(qū)研究所提出的貴州蒸發(fā)皿折算系數(shù)0.8。

選擇年份與數(shù)據(jù)比較完整、分布比較均勻的4個(gè)氣象站點(diǎn)，以1995-2015年逐月ET0值與各站點(diǎn)實(shí)測(cè)蒸發(fā)值做相關(guān)性分析，即檢驗(yàn)了兩者在時(shí)間尺度上的相關(guān)性，也驗(yàn)證了兩者在空間上的一致性。圖10為該4個(gè)氣象站點(diǎn)ET0估算值與實(shí)測(cè)蒸發(fā)值的相關(guān)性分析。由圖10可知，ET0估算值與實(shí)測(cè)蒸發(fā)值的相關(guān)系數(shù)平均值為0.8，R2在0.7～0.9之間，其中畢節(jié)站的相關(guān)系數(shù)最大，R2為0.901 0；興仁站的相關(guān)系數(shù)最小，R2為0.708 8。上述結(jié)果表明，P-M公式估算的ET0值與各氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)蒸發(fā)值具有良好的相關(guān)性，同時(shí)在時(shí)間與空間分布上保持較高的一致性，估算的ET0精度可滿足該研究的需求。

圖10 4個(gè)氣象站點(diǎn)1995-2015年逐月ET0估算值與實(shí)測(cè)蒸發(fā)值的相關(guān)性分析

3.4 不同土地利用類型對(duì)潛在蒸散發(fā)量的影響

3.4.1 土地利用類型的變化 黔中地區(qū)的土地利用類型主要以林地、耕地及草地為主，其次是建設(shè)用地、少量的未利用地和水域。1995、2000、2005、2010、2015年5期的林地、草地、耕地3種主要土地利用類型的面積之和占整個(gè)研究區(qū)總面積的比例分別為97.7%，97.0%，95.6%，95.2%以及93.6%，其占比總體呈下降趨勢(shì)，但不顯著。

將研究時(shí)段按上述5期劃分為4個(gè)階段，即1995-2000、2000-2005、2005-2010以及2010-2015年，表3為各階段黔中水利工程區(qū)土地利用的轉(zhuǎn)移矩陣。

表3 1995-2015年不同階段黔中水利工程區(qū)土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表3可見，1995-2015年黔中水利工程區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在林地、草地、耕地以及建設(shè)用地4種地類，且每種土地利用類型轉(zhuǎn)移的規(guī)律不一致，具體為：(1)1995-2015年草地面積減少趨勢(shì)最為顯著，共減少了701.3 km2，主要向林地與耕地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移量分別為421.5、190.8 km2/a，轉(zhuǎn)移率分別為13.1%、5.9%。(2)1995-2015年耕地面積總體呈減少趨勢(shì)，共減少了356.4 km2，主要向林地、草地以及建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移量分別131.50、283.7、149.0 km2/a，轉(zhuǎn)移率分別為5.6%、12.2%、6.4%。(3)1995-2015年林地面積的變化呈減少—增加—減少的趨勢(shì)，但整體還是呈增加趨勢(shì)，林地面積共增加了386.14 km2，主要向草地和耕地轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移量分別為332.3、151.8 km2/a，轉(zhuǎn)移率分別為18.0%、8.2%。(4)1995-2015年建設(shè)用地面積主要呈增加趨勢(shì)，是增加面積最多的地類，共增加了587.3 km2，主要由耕地面積轉(zhuǎn)入，4個(gè)不同時(shí)期的轉(zhuǎn)移面積分別為164.1、183.9、58.9、196.5 km2，轉(zhuǎn)移率分別為7.0%、7.9%、2.5%、8.4%。

利用黔中地區(qū)的1995、2000、2005、2010、2015年的土地利用類型的數(shù)據(jù)來(lái)研究1995-2015年黔中連續(xù)4個(gè)時(shí)段的不同土地利用類型ET0的時(shí)間變化特征，從而探求土地利用變化對(duì)黔中地區(qū)ET0變化的影響。

3.4.2 不同土地利用類型的潛在蒸散量變化趨勢(shì) 圖11為1995-2015年4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的月均ET0。由圖11可以看出，不同時(shí)段各土地利用類型月均ET0存在差異但并不顯著。1995-2000年月均ET0總體低于其他時(shí)段，這一時(shí)段，水域的月均ET0最大，為74.6 mm，未利用地的月均ET0最小，為69.0 mm，可以認(rèn)為水域水面蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，使得水域月均ET0較大。該階段各地類的月均ET0大小排序?yàn)樗?建設(shè)用地>耕地>林地>草地>未利用地；2001-2005年未利用地月均ET0最大，為76.4 mm，建設(shè)用地的月均ET0最小，為74.4 mm。可以認(rèn)為降水增多、氣溫較高時(shí)，表面無(wú)覆蓋物的未利用土地ET0會(huì)隨之增大。該時(shí)段月均ET0大小排序?yàn)槲蠢玫?草地>林地>耕地>水域>建設(shè)用地；2006-2010年各地類月均ET0總體大于其他時(shí)段的，林地月均ET0為77.61 mm，在同時(shí)期各地類中為最大，建設(shè)用地的月均ET0最小，為76.2 mm。同期林地面積最大，植被的蒸騰作用以及葉面指數(shù)會(huì)使其月均ET0增加，該階段各地類月均ET0大小排序?yàn)榱值?耕地>水域>未利用地>草地>建設(shè)用地；2011-2015年林地月均ET0最大，為76.4 mm，建設(shè)用地月均ET0最小，為74.7 mm。該階段各地類月均ET0大小排序?yàn)榱值?耕地>草地>未利用地>水域>建設(shè)用地。

圖11 1995-2015年4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的月均ET0

圖12為1995-2015年4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的季均ET0。由圖12發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)段不同季節(jié)的平均ET0出現(xiàn)不同的變化。具體為：

圖12 1995-2015年4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的季均ET0

(1)各地類春季ET0在2001-2010年變化趨勢(shì)大體一致，以未利用地的季均ET0為最大，建設(shè)用地為最??；ET0在1995-2000年以及2011-2015年兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了明顯差異，1995-2000年以草地季均ET0為最大，未利用地為最小，而2011-2015年則以草地季均ET0為最大，建設(shè)用地為最小。

(2)各地類夏季ET0在不同時(shí)段變化趨勢(shì)不一致。1995-2000年季均ET0以水域?yàn)樽畲?，以未利用地為最?。?001-2005年，各地類季均ET0平均值大于300 mm，各地類之間ET0相差不大，以林地季均ET0為最大，以建設(shè)用地為最??；2006-2010年以及2011-2015年各地類ET0變化趨勢(shì)相似，均以水域季均ET0為最大，但最小季均ET0出現(xiàn)差異，2006-2010年以草地季均ET0為最小，2011-2015年則以未利用地季均ET0為最小。

(3)秋季各地類ET0變化可以分為兩個(gè)階段。1995-2000年以及2001-2005年各地類秋季ET0變化相似，均以未利用地季均ET0為最小。但在最大季均ET0上出現(xiàn)差異，1995-2000年以水域季均ET0為最大，2001-2005年則以建設(shè)用地季均ET0為最大。

(4)冬季各地類之間平均ET0差值不大，但其變化大于其他季節(jié)。1995-2000年各地類中建設(shè)用地冬季ET0最大，未利用地ET0最?。?001-2005年季均ET0以未利用地為最大，以建設(shè)用地季均ET0為最小；2006-2010年以林地季均ET0為最大，以建設(shè)用地季均ET0為最??；2011-2015年冬季ET0以草地為最大，以建設(shè)用地ET0為最小。

圖13為1995-2015年及其4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的年均ET0。

圖13 1995-2015年及其4個(gè)時(shí)段黔中地區(qū)各土地利用類型的年均ET0

由圖13可知，不同時(shí)段各地類年均ET0出現(xiàn)較大的差異。各地類在1995-2000年年均ET0最小，其中水域年均ET0最大，為894.2 mm，未利用地年均ET0最小，為834.5 mm，兩者相差59.7 mm，這表明1995-2000年年均ET0變化十分顯著；2006-2010年各地類年均ET0高于其他時(shí)段，林地年均ET0最大，為931.34 mm，建設(shè)用地年均ET0最小，為914.5 mm，兩者相差16.8 mm，這與2001-2005年以及2011-2015年年均ET0變化幅度相似，變化幅度平均值為19.4 mm。2001-2005年年均ET0最大值是916.3 mm，地類為未利用地，年均ET0最小值為893.7 mm，地類為建設(shè)用地，兩者相差22.6 mm；2011-2015年年均ET0最大值為912.5 mm，地類為林地，年均ET0最小值為893.5 mm，地類為建設(shè)用地，兩者相差19.0 mm。由此可以得出各地類多年平均ET0大小排序?yàn)榱值?耕地>草地>水域>建筑用地>未利用地。

4 討 論

1995-2015年研究區(qū)不同時(shí)段各土地利用類型月均ET0存在差異但并不顯著，總體月均ET0以林地為最大，以建設(shè)用地為最小，這與地類的屬性和面積有關(guān)。林地面積較大且因其蒸騰作用以及葉面指數(shù)大等，整體月均ET0較大；建設(shè)用地面積隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展快速增長(zhǎng)，但因其多為不透水層，整體月均ET0偏小。

不同季節(jié)不同土地利用類型的ET0有所差異，春季以草地和林地的ET0為最大，這與植被生長(zhǎng)期需水及春季氣溫回升有關(guān)；夏季ET0總體比其他季節(jié)的大，以耕地和水域?yàn)樽畲?，貴州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，6月降水最多，7、8月則高溫少雨，相對(duì)濕度小，并且黔中地區(qū)的糧食作物為以水稻為主，這使得耕地的ET0大于其他的地類，同時(shí)，夏季加快了水域表面的蒸發(fā)作用；秋季氣溫開始下降，植被生長(zhǎng)變慢，蒸騰作用減弱，使得這個(gè)時(shí)期的林地、草地以及耕地ET0減少；冬季受冷空氣影響，溫度、相對(duì)濕度較低，使得各地類的季均ET0低于其他季節(jié)，未利用地因其表面無(wú)覆蓋物且其土壤很難蓄水等原因，季均ET0又低于其他地類。

研究時(shí)段內(nèi)各地類多年平均ET0總體均呈增加—減少的變化趨勢(shì)，由圖13可知，各地類年均ET0可以分為兩個(gè)階段，ET0增加階段為1995-2010年，ET0減少階段為2011-2015年。1995-2010年，土地利用結(jié)構(gòu)變化明顯，主要以林地、草地、耕地以及建設(shè)用地變化趨勢(shì)為主，具體為林地和建設(shè)用地面積增加，草地以及耕地面積減少，這一時(shí)段，林地年均ET0比草地以及耕地年均ET0分別高4.1、4.3 mm/a。究其原因：一是根據(jù)林木根系吸水的生理特性，林地面積的增加，會(huì)使蒸騰作用加強(qiáng)；二是植被的葉面積指數(shù)升高也能使林地的年均ET0增大；三是退耕還林政策的實(shí)行對(duì)其產(chǎn)生的影響。2010-2015年年均ET0逐漸減少，該時(shí)期各土地利用變化以及轉(zhuǎn)移較為明顯，主要體現(xiàn)為林地、建設(shè)用地以及水域面積增加，耕地、草地以及未利用地面積減少。建設(shè)用地的不透水層以及未利用地?zé)o植被覆蓋，使得兩者的年均ET0小于其他地類。水域水體充足，主要以水面蒸發(fā)為主，所以年均ET0較高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，耕地主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移以及退耕還林政策使其向林地轉(zhuǎn)移，這使得耕地年均ET0呈減少趨勢(shì)。林地以及草地面積波動(dòng)范圍較小，這一時(shí)期年均ET0雖然小于1995-2010年時(shí)段的年均ET0，但仍然高于其他地類。

5 結(jié) 論

本文基于黔中地區(qū)13個(gè)氣象站逐日常規(guī)氣象觀測(cè)資料，采用FAO的Penman-Monteith公式估算了研究區(qū)1995-2015年逐月和逐年潛在蒸散發(fā)ET0，結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)ET0的時(shí)空格局特征進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步研究了ET0對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，得出以下主要結(jié)論：

(1)1995-2015年黔中水利工程區(qū)ET0整體呈增加趨勢(shì)。月尺度與季尺度的ET0變化與水熱時(shí)間分配一致，且年內(nèi)分配不均勻。月尺度ET0最大值出現(xiàn)在7、8月，最小值在1、12月；季尺度ET0最大值在夏季，最小值在冬季。年尺度ET0呈增加趨勢(shì)，且1995-2015年發(fā)生了3次突變，變化顯著，呈波動(dòng)式增大。黔中地區(qū)ET0表現(xiàn)為較顯著的空間分布格局，自東南向西北整體呈遞減趨勢(shì)。

(2)1995-2015年黔中水利工程區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化明顯，主要以林地、草地、耕地以及建設(shè)用地變化趨勢(shì)為主，且研究區(qū)內(nèi)林地、草地以及耕地面積占比最大。林地、建設(shè)用地面積的變化以增加趨勢(shì)為主，草地、耕地面積則以減少趨勢(shì)為主。

(3)不同土地利用類型的ET0總體呈增加—減少的變化趨勢(shì)，草地以及耕地向林地轉(zhuǎn)移面積會(huì)使ET0增大，林地、草地以及耕地向建設(shè)用地、未利用地轉(zhuǎn)移面積會(huì)使ET0減小。這表明土地利用變化明顯時(shí)，ET0也會(huì)隨之產(chǎn)生較大的變化。

本文通過(guò)不同土地利用類型的ET0變化來(lái)研究不同地類對(duì)ET0的影響，然而水文過(guò)程非常復(fù)雜，其受多種因素的影響，比如地形因子(坡度、海拔、地表粗糙度等)、地表參數(shù)(植被歸一化NDVI、地表比輻射率、地表反照率等)以及氣象因子(相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣壓、凈輻射等)，單獨(dú)考慮土地利用變化對(duì)潛在蒸散發(fā)的影響是不夠的，需要進(jìn)一步的完善。因此，未來(lái)時(shí)期將會(huì)繼續(xù)致力于地表蒸散發(fā)的研究，將土地利用類型與各影響因子相結(jié)合，進(jìn)一步探求影響地表蒸散發(fā)的原因和機(jī)理。