柴達(dá)木盆地蒸散發(fā)遙感估算與耗水有效性評(píng)價(jià)

涂晨雨,賈紹鳳,朱文彬,*,呂愛鋒,官云蘭

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

2 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院, 南昌 330013

我國(guó)西北干旱內(nèi)陸區(qū)地處歐亞大陸腹地,是全球氣候變化的生態(tài)脆弱區(qū),也是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的核心區(qū)[1—2]。面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的用水矛盾,水資源短缺成為制約該地區(qū)長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子。從水資源消耗的角度來看,干旱區(qū)80%的降水通過蒸散發(fā)形式耗散[3—4]；對(duì)于人類社會(huì)而言,農(nóng)業(yè)用水占我國(guó)用水總量的60%左右,其絕大部分也是以農(nóng)田灌溉的形式消耗于蒸散發(fā)。因此,準(zhǔn)確估算干旱區(qū)的陸面蒸散發(fā),掌握其時(shí)空變化特征,對(duì)于該地區(qū)的水資源合理利用與生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[5—7]。

陸面蒸散發(fā)(Evapotranspiration,ET)是土壤蒸發(fā)與植被蒸騰之和。考慮到ET在水文學(xué)、氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)和農(nóng)學(xué)等諸多領(lǐng)域中的重要作用,國(guó)內(nèi)學(xué)者在我國(guó)西北干旱區(qū)蒸散發(fā)研究方面已取得較多成果,概括為以下3個(gè)方面：一是站點(diǎn)尺度典型生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的觀測(cè)與分析研究[8—10],二是區(qū)域尺度遙感蒸散發(fā)模型的研發(fā)與應(yīng)用研究[11—13],三是基于蒸散發(fā)的水分利用效率評(píng)價(jià)與生態(tài)需水研究[14—16]。前兩者為后者提供數(shù)據(jù)與方法支撐,后者是前兩者的拓展應(yīng)用。具體來說,基于渦度相關(guān)法、波文比-能量平衡法和稱重法的站點(diǎn)觀測(cè)技術(shù),雖然可以實(shí)現(xiàn)ET的準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)于把握典型生態(tài)系統(tǒng)局地的ET特征具有明顯優(yōu)勢(shì),但無法有效反映大尺度異質(zhì)下墊面ET的空間變異性[17]。與之相反,遙感技術(shù)具有快速便捷、宏觀性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),在獲取區(qū)域尺度地表特征參數(shù)方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),因而成為當(dāng)前大尺度陸面蒸散發(fā)模擬估算的主流方法[18—19]。當(dāng)前關(guān)于遙感蒸散發(fā)模型的綜述文章較多,分類也不盡相同[18,20]。根據(jù)模型內(nèi)在的物理機(jī)制,基本可將其分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、能量平衡模型和特征空間模型三大類[21]。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型主要是基于蒸散發(fā)與遙感參量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行模型研發(fā),常用的遙感參量有植被指數(shù)、地表溫度和反照率等；能量平衡模型通過凈輻射、土壤熱通量和顯熱通量的遙感估算,基于能量平衡方程余項(xiàng)計(jì)算法求得潛熱通量,代表性模型有SEBAL模型[22—23]、SEBS模型[24]、TSEB模型[25]等；特征空間模型基于區(qū)域尺度地表溫度、植被指數(shù)、反照率等遙感參量二維散點(diǎn)圖的幾何形態(tài)構(gòu)建模型邊界,進(jìn)而通過插值算法獲得像元尺度蒸散發(fā)。值得注意的是,上述模型雖然在過去幾十年間獲得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展,但仍然面臨著共同的挑戰(zhàn)。一是受云量對(duì)光學(xué)遙感的影響限制,上述模型一般只應(yīng)用于無云條件下,陸面蒸散發(fā)的時(shí)空連續(xù)模擬方法仍待探索；二是上述模型在實(shí)際應(yīng)用中以單源架構(gòu)為主,如何構(gòu)建雙源遙感蒸散發(fā)模型,實(shí)現(xiàn)土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的有效分離,尚缺乏成熟可靠的技術(shù)體系；三是針對(duì)我國(guó)西北干旱區(qū)這種實(shí)測(cè)資料稀缺的區(qū)域,如何擺脫實(shí)測(cè)資料匱乏的制約,發(fā)展完全基于遙感的蒸散發(fā)模型,仍面臨較大困難。受制于上述挑戰(zhàn),當(dāng)前我國(guó)西北干旱區(qū)基于蒸散發(fā)的水分利用效率評(píng)價(jià)仍以站點(diǎn)和灌區(qū)尺度為主,難以在區(qū)域尺度以時(shí)空連續(xù)的方式揭示蒸散發(fā)水分消耗的有效性,這嚴(yán)重制約了基于ET的水資源管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[6]。

針對(duì)上述困難與挑戰(zhàn),本研究選定柴達(dá)木盆地這一高寒干旱內(nèi)陸區(qū)為代表,利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)遙感數(shù)據(jù),構(gòu)建了具有時(shí)空二維屬性的地表溫度-植被指數(shù)特征空間,在日尺度實(shí)現(xiàn)了陸面蒸散發(fā)的時(shí)空連續(xù)模擬,進(jìn)而通過土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的分離,從低效、中效和高效三個(gè)層次開展研究區(qū)水分消耗的有效性評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地處青藏高原東北部,介于90°16′—99°16′E、35°00′—39°20′N之間,四周被昆侖山、阿爾金山和祁連山環(huán)繞,平均海拔在3000 m以上,是我國(guó)四大盆地中海拔最高的盆地[26]。盆地總面積約為27.5萬km2,整體呈干旱荒漠景觀,自盆地邊緣到中心依次分為高山、山地、戈壁、沙丘、細(xì)土平原帶、鹽沼、湖泊等地貌類型。從氣候類型看,柴達(dá)木盆地屬于典型的高寒干燥大陸性氣候,各地全年太陽總輻射量均大于680 kJ/cm2,降水量總體在200 mm以下,并從四周山區(qū)向盆地內(nèi)部遞減[27]。圖1展示了柴達(dá)木盆地地形分布狀況。

圖1 柴達(dá)木盆地地形狀況及站點(diǎn)分布Fig.1 Topographic conditions and site distribution in the Qaidam Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩個(gè)方面。遙感數(shù)據(jù)采用的是MODIS系列產(chǎn)品。MODIS是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的光學(xué)傳感器,涵蓋了從可見光到熱紅外的36個(gè)光譜波段。本研究采用的MODIS產(chǎn)品包括MOD03、MOD06_L2、MOD07_L2、MOD11A1、MOD13A2、MOD15A2和MCD43B3。其中,MCD43B3用于地表反照率(α)的提取,MOD13A2提供的歸一化植被指數(shù)(NDVI)用于植被覆蓋度(fc)估算,MOD15A2提取的葉面積指數(shù)(LAI)用于雙源蒸散發(fā)模型的構(gòu)建,而其他產(chǎn)品則主要用于地表凈輻射的遙感反演。由于自然條件惡劣,柴達(dá)木盆地地廣人稀,僅有九個(gè)國(guó)家氣象站(圖1)。本研究采用的地面實(shí)測(cè)資料包括這九個(gè)氣象站的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速與蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)。

2 研究方法

本研究首先利用單源遙感蒸散發(fā)模型進(jìn)行蒸散發(fā)的總體遙感估算,進(jìn)而基于雙源蒸散發(fā)模型的理論框架,實(shí)現(xiàn)土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的分離,最后通過土壤蒸發(fā)的進(jìn)一步分離,開展蒸散發(fā)水分消耗的有效性評(píng)價(jià)。上述三部分的具體研究方法如下。

2.1 蒸散發(fā)的遙感估算

圖2 地表溫度-植被指數(shù)特征空間法示意圖[30]Fig.2 A conceptual sketch of the trapezoid Ts-VI space[30] Tsmax：純裸土在極端干旱條件下的最大地表溫度 maximum land surface temperature of the extremely dry bare soil；Tsoil：純裸土地表溫度 land surface temperature of the bare soil；Tw：充足水分供給條件下的地表溫度 land surface temperature under unlimited water access conditions；Tcanopy：植被完全覆蓋條件下的地表溫度 land surface temperature of full vegetated canopy；Ts：地表溫度 land surface temperature；fc：植被覆蓋度 fractional vegetation cover

本研究采用的遙感蒸散發(fā)模型為地表溫度-植被指數(shù)特征空間法[28—31]。該方法的基本假設(shè)是,若研究區(qū)內(nèi)存在著足夠多充分反映土壤濕度與植被覆蓋度變化情況的像元,則由地表溫度(Ts)和植被指數(shù)(VI)構(gòu)成的二維空間,將形成具有物理意義的三角形或梯形(圖2)。該形狀的上下邊界稱為干濕邊界,分別代表蒸散發(fā)的最小和最大速率,每個(gè)像元的蒸發(fā)比(潛熱通量占地表總的可利用能量的比值)可以根據(jù)其在干濕邊界中的相對(duì)位置,通過線性插值的方法求得。根據(jù)蒸發(fā)比(EF)的定義,在日尺度土壤熱通量(G)忽略的前提下,日蒸散發(fā)(ET)的估算公式如下：

ET=Rn,day×EFday

(1)

式中,Rn,day為日尺度地表凈輻射；EFday為日尺度蒸發(fā)比,可用衛(wèi)星過境時(shí)刻的瞬時(shí)蒸發(fā)比近似代替[32]。

2.1.1瞬時(shí)蒸發(fā)比的遙感估算

本研究瞬時(shí)EF的估算方法是Jiang & Islam[33]根據(jù)Priestley-Taylor方程[34]提出的,具體公式如下：

(2)

式中,Δ表示飽和水汽壓隨氣溫(Ta)變化的斜率；γ是濕度計(jì)常數(shù)；φ作為一個(gè)無量綱變量,反映的是空氣動(dòng)力學(xué)和地表阻抗信息,是特征空間法EF求解的關(guān)鍵參數(shù)。具體來說,各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的φ值主要由土壤濕度決定,從干邊向濕邊由0逐漸增大到1.26。對(duì)于純植被而言,由于冠層的熱力學(xué)屬性和顯著的蒸騰降溫作用兩方面原因,其表面溫度與空氣溫度處于平衡狀態(tài),兩者基本接近,因此純植被像元的φ值(φcanopy)恒等于1.26。而對(duì)于純裸地的φ值(φsoil),借助于反映地表土壤濕度的修訂型溫度植被干旱指數(shù)(MTVDI),求解公式如下：

φsoil=1.26[1-exp(MTVDI-1)]

(3)

基于此,混合像元的φ值以植被覆蓋度(fc)為權(quán)重,通過線性插值的方法求得：

φ=φsoil(1-fc)+φcanopyfc

(4)

本研究根據(jù)Gillies等[35]提出的方法,利用NDVI來估算fc,公式如下：

(5)

式中,NDVImin和NDVImax根據(jù)Zhu等[36]的研究,分別設(shè)為0.05和0.86。

2.1.2MTVDI的求解

Sandholt等[37]通過研究特征空間與土壤濕度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,提出了表征土壤濕度的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)。然而Sun等[38]研究表明這種經(jīng)驗(yàn)性的TVDI存在著較大的主觀性,因此提出了改進(jìn)型溫度植被干旱指數(shù)(ATVDI),其中ATVDI的求解需要分別構(gòu)建純裸地和純植被的地表能量平衡方程。在此之后,Zhu等[39]研究發(fā)現(xiàn)純植被地表能量平衡方程的構(gòu)建涉及復(fù)雜的參數(shù)化方案,具有較大的不確定性,進(jìn)而對(duì)TVDI進(jìn)行改進(jìn),提出修訂型溫度植被干旱指數(shù)(MTVDI),公式如下：

(6)

式中,Tsmax和Tw分別代表純裸土在極端干旱和充足水分供給條件下所能達(dá)到的地表溫度,兩者構(gòu)成了特征空間的干濕邊界；Tsoil為任意像元通過溫度分解求得的純裸土地表溫度,求解公式如下：

(7)

式中,Tcanopy為植被完全覆蓋條件下的地表溫度,可用近地表空氣溫度Ta近似代替,Ta根據(jù)Zhu等[40]提出的方法由MOD07_L2和MOD06_L2產(chǎn)品求得。Tsmax根據(jù)地表能量平衡原理,并參考Sun等[38]、Long & Singh[30]和Zhu等[31]的研究,求解公式如下：

(8)

式中,下標(biāo)“s”和“d”分別表示相關(guān)參數(shù)是純裸土在極端干旱條件下求得的。其中,σ、εss、ρ、cp和cs分別為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)、裸土地表發(fā)射率、空氣密度、空氣定壓比熱容和純裸土土壤熱通量占地表凈輻射的比例,五者均為常數(shù)；Sd和εa分別表示下行太陽輻射和空氣發(fā)射率,其遙感反演方法參見Bisht & Bras[41]；ras和Tasd分別表示裸土的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗及在極端干旱條件下的空氣溫度,ras通過風(fēng)速求得,Tasd參考Szilagyi等[42]的研究成果,求解公式如下：

(9)

(10)

式中,Td和Twb分別表示露點(diǎn)溫度和濕球溫度,e*表示對(duì)應(yīng)溫度的飽和水汽壓。Td參考Bisht & Bras[41]等的研究方法由MOD07_L2產(chǎn)品求得。

傳統(tǒng)特征空間法并未給出Tw的理論求解公式,一般選用水體、茂密植被等特定像元的地表溫度值近似代替[38,43]。這不但增強(qiáng)了該方法的經(jīng)驗(yàn)性,而且在很大程度上限制了其在柴達(dá)木盆地這類植被覆蓋稀疏地區(qū)的應(yīng)用?；诖?本研究參考Szilagyi[44]對(duì)于濕潤(rùn)環(huán)境表面溫度的求解方法,將Tw用衛(wèi)星過境時(shí)刻對(duì)應(yīng)的濕球溫度(Twb)近似代替。

2.1.3日地表凈輻射的估算

在瞬時(shí)地表凈輻射(Rn)遙感反演的基礎(chǔ)上,本研究采用Rivas & Cormora[45]提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行Rn,day的估算,公式如下：

Rn,day=0.43Rn-54

(11)

式中,全天氣條件下Rn的求解是完全基于MODIS產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的,具體參數(shù)化方案詳見Bisht & Bras[41]和余曉雨等[46]。

2.2 土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的分離

雖然Bisht & Bras[39]提供的參數(shù)化方案可以實(shí)現(xiàn)全天氣條件下Rn的遙感估算,但特征空間法對(duì)EF的求解需要Ts和VI兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),這決定了該方法只能求得晴天條件下非水體像元的EF值。有云條件下EF的估算一直是遙感蒸散發(fā)模型面臨的一大難題,關(guān)于云量對(duì)EF穩(wěn)定性的影響也存在一定的爭(zhēng)議。Santos等[47]和Farah等[48]的研究表明EF在5—10天具有一定的穩(wěn)定性?；诖?本研究通過線性插值的方法獲得相鄰有云天的EF數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)陸面蒸散發(fā)的時(shí)空連續(xù)估算。在ET已知的前提下,計(jì)算土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的任一組分,通過差值的方法即可實(shí)現(xiàn)另一組分的求解。柴達(dá)木盆地地處干旱區(qū),總體的植被覆蓋度極低,因此本研究重點(diǎn)對(duì)土壤蒸發(fā)進(jìn)行估算。具體分為三步：第一步是土壤凈輻射(Rn,soil)的計(jì)算,參考Purdy等[49]提出的參數(shù)化方法,估算公式如下：

Rn,soil=Rne(-kRnLAI)

(12)

式中,經(jīng)驗(yàn)參數(shù)kRn為0.6。第二步是土壤蒸發(fā)比的計(jì)算,由公式(2)和(3)聯(lián)合求得。第三步是日尺度土壤蒸發(fā)的計(jì)算,可參考公式(1)實(shí)現(xiàn)。

2.3 耗水有效性評(píng)價(jià)

在土壤蒸發(fā)與植被蒸騰分離的基礎(chǔ)上,本研究采用王浩等[50]提出的土壤水資源消耗效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,進(jìn)行柴達(dá)木盆地耗水有效性評(píng)價(jià)。具體來說,蒸散發(fā)的水分消耗效應(yīng)被分解為三個(gè)部分：植被蒸騰直接參與干物質(zhì)形成,被認(rèn)為是高效耗水；植被棵間的土壤蒸發(fā)雖然并未直接參與干物質(zhì)生成,但是具有調(diào)節(jié)植被生長(zhǎng)小氣候的作用,可認(rèn)為是中效耗水；而在柴達(dá)木盆地廣泛存在的鹽殼、戈壁和沙漠等,常年屬于無植被區(qū),這些地區(qū)的土壤蒸發(fā)被認(rèn)為是低效耗水。由此可見,為了實(shí)現(xiàn)低效耗水與中效耗水的分項(xiàng)評(píng)價(jià),還需進(jìn)一步將土壤蒸發(fā)進(jìn)行分離。本研究以公式(5)求得的多年平均植被覆蓋度為依據(jù),將fc接近于零的土壤蒸發(fā)定義為低效耗水,將fc高于零的土壤蒸發(fā)定義為中效耗水。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸散發(fā)精度評(píng)價(jià)與時(shí)空分布特征

3.1.1蒸散發(fā)估算精度評(píng)價(jià)

由于缺乏蒸散發(fā)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),本文主要是通過與現(xiàn)有蒸散發(fā)產(chǎn)品的對(duì)比分析來進(jìn)行精度說明。雖然當(dāng)前國(guó)外機(jī)構(gòu)已發(fā)布了多種全球尺度的遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品,譬如MOD16A2、GLEAM與SSEBop等,但這些產(chǎn)品或者空間分辨率較低,或者在柴達(dá)木盆地存在數(shù)據(jù)缺失。鑒于此,本研究基于國(guó)內(nèi)外蒸散發(fā)模擬研究的發(fā)展前沿,選用了兩套由國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的、相對(duì)較新并且具有較高空間分辨率的蒸散發(fā)產(chǎn)品作為參考。一套為Zhang等[51]通過總初級(jí)生產(chǎn)力與蒸散發(fā)耦合模擬生成的全球500m、8d時(shí)間尺度蒸散發(fā)產(chǎn)品,另一套為馬寧等[52]基于蒸散發(fā)互補(bǔ)模型建立的我國(guó)0.1°分辨率、月尺度蒸散發(fā)產(chǎn)品,該產(chǎn)品的氣象輸入是由我國(guó)氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同化得到的?？梢钥闯?這兩套產(chǎn)品無論是在空間分辨率還是輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。與本研究相比,兩者均未提供日尺度數(shù)據(jù),因此僅從年尺度和月尺度兩個(gè)方面來進(jìn)行精度評(píng)價(jià)(圖3)。從三組數(shù)據(jù)年尺度對(duì)比分析結(jié)果可以看出,前四年三者具有較好的一致性,此后2016—2018年,Zhang等人估算結(jié)果總體偏大,而馬寧的數(shù)據(jù)雖然缺少兩年,但整體與本研究結(jié)果比較接近。從本研究估算結(jié)果與馬寧等的數(shù)據(jù)集在2011—2017年間月尺度對(duì)比的情況來看,兩組數(shù)據(jù)平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和偏差(Bias)分別為4.04 mm、5.39 mm和0.58 mm,相關(guān)系數(shù)(r)高達(dá)0.96,具有顯著的正相關(guān)性。此外,雖然蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)代表的是潛在蒸散發(fā),其數(shù)值在柴達(dá)木盆地這類干旱區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際蒸散發(fā),但在實(shí)際蒸散發(fā)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏的條件下,兩者之間的對(duì)比也具有一定程度的驗(yàn)證作用。圖4為九個(gè)氣象站2011—2019年間月尺度兩者的散點(diǎn)圖,可以看出兩者在站點(diǎn)尺度具有很好的正相關(guān)性,r在0.52—0.85之間?；谝陨蟽煞矫婢C合評(píng)價(jià),本研究估算結(jié)果達(dá)到了一定的精度要求,可用于分析柴達(dá)木盆地蒸散發(fā)時(shí)空分布特征。

圖3 本研究蒸散發(fā)估算結(jié)果與現(xiàn)有產(chǎn)品的對(duì)比分析Fig.3 Comparison of the ET estimation in this study and other existing productsET:蒸散發(fā) Evapotranspiration

圖4 站點(diǎn)尺度月蒸散發(fā)估算值與蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)值之間的散點(diǎn)圖Fig.4 Scatterplots of monthly estimated evapotranspiration and observed pan evaporation at site scale

3.1.2蒸散發(fā)時(shí)空分布總體特征

柴達(dá)木盆地2011—2019年蒸散發(fā)時(shí)間變化趨勢(shì)如圖5所示。盆地年蒸散發(fā)變化范圍在173.04—205.99 mm之間,多年平均值為188.75 mm。從年際變化看,盆地蒸散發(fā)近九年整體呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì),標(biāo)準(zhǔn)差為9.62 mm/a。從月際變化看,九年蒸散發(fā)年內(nèi)變化趨勢(shì)非常接近,均呈顯著單峰型。1—5月盆地蒸散發(fā)持續(xù)增加,于6月或7月達(dá)到頂點(diǎn),之后逐漸下降。2011年,月蒸散發(fā)最小值出現(xiàn)在1月,其余年份月蒸散發(fā)最小值均出現(xiàn)在12月?？傮w來說,4—9月份是盆地蒸散發(fā)的集中期,這6個(gè)月的蒸散發(fā)約占全年蒸散發(fā)的80%。

圖6是柴達(dá)木盆地蒸散發(fā)空間分布圖,可以看出盆地蒸散發(fā)地域分異特征顯著,具有明顯的從東南向西北減少的趨勢(shì)。這種差異主要是由盆地降水量的空間格局決定的。具體來說,盆地降水整體表現(xiàn)為東部大于西部,四周山區(qū)高于盆地內(nèi)部,這與本研究蒸散發(fā)的空間分布特征非常吻合。對(duì)于盆地內(nèi)部而言,蒸散發(fā)高值受局部水文條件影響,多出現(xiàn)于盆地中部的地下水出流帶以及河流湖泊等水體附近(如達(dá)布遜湖、托素湖、托索湖、柴達(dá)木河等),呈亮斑及條帶狀分布。

圖5 柴達(dá)木盆地2011—2019年蒸散發(fā)時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Temporal variation of ET in Qaidam Basin from 2011 to 2019

圖6 柴達(dá)木盆地多年平均蒸散發(fā)空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of annual average ET in Qaidam Basin

3.2 土壤蒸發(fā)與植被蒸騰分項(xiàng)評(píng)價(jià)

圖7為柴達(dá)木盆地2011—2019年土壤蒸發(fā)與植被蒸騰時(shí)間變化趨勢(shì)圖。土壤蒸發(fā)多年平均值為171.06 mm,植被蒸騰多年平均值為14.26 mm,兩者分別占總蒸散發(fā)的92.3%和7.7%。根據(jù)本研究的估算結(jié)果,柴達(dá)木盆地總體的植被覆蓋度僅為4%,因而盆地整體的植被蒸騰量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于土壤蒸發(fā)量。就年際變化來看,土壤蒸發(fā)年際波動(dòng)明顯,變化趨勢(shì)與盆地蒸散發(fā)一致,整體呈單谷型,最大值出現(xiàn)在2012年(188.36 mm),最小值出現(xiàn)在2016年(156.41 mm),標(biāo)準(zhǔn)差為9.16 mm/年；而植被蒸騰與盆地蒸散發(fā)年際變化并非完全一致,兩者在2014—2016年以及2019年期間的變化趨勢(shì)相反。在年內(nèi)變化方面,土壤蒸發(fā)與植被蒸騰均呈單峰型,與降水量年內(nèi)分配不均相一致；然而植被蒸騰峰值出現(xiàn)時(shí)間(7月份)總體比土壤蒸發(fā)(6月份)晚1個(gè)月,具有明顯的滯后效應(yīng)。

圖8是土壤蒸發(fā)與植被蒸騰空間分布以及兩者分別占總蒸散發(fā)的比例分布圖。具體來說,土壤蒸發(fā)的空間分布趨勢(shì)與盆地總的蒸散發(fā)接近,具有明顯的由西北向東南增大、從盆地內(nèi)部向四周山區(qū)增加趨勢(shì)；對(duì)于植被蒸騰而言,由于盆地內(nèi)部屬于無植被區(qū),而在外部呈現(xiàn)半環(huán)狀植被分布帶[53],因此植被蒸騰的空間分布極不均勻,主要集中在盆地東南部,整體呈向西北開口的半環(huán)形,并在局部地區(qū)受河流及地下水等影響,具有間斷條帶狀分布特征。從土壤蒸發(fā)與植被蒸騰占蒸散發(fā)的比例分布可以看出,兩者具有顯著的互補(bǔ)效應(yīng),土壤蒸發(fā)占比在39%—100%之間變動(dòng),高值區(qū)廣泛分布于盆地內(nèi)部及西北部的無植被地帶；植被蒸騰占比在0—61%之間變動(dòng),這意味著在1 km的柵格尺度研究區(qū)尚無純植被覆蓋像元,其空間分布受植被覆蓋度控制,高值集中分布在盆地東南部以及祁連山和昆侖山的部分山區(qū)。

圖7 柴達(dá)木盆地2011—2019土壤蒸發(fā)與植被蒸騰時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.7 Temporal variation of soil evaporation and vegetation transpiration in Qaidam Basin from 2011 to 2019

圖8 柴達(dá)木盆地土壤蒸發(fā)與植被蒸騰空間分布及占比圖Fig.8 Spatial distribution of soil evaporation and vegetation transpiration as well as their corresponding proportion in Qaidam Basin

3.3 自然生態(tài)系統(tǒng)耗水有效性評(píng)價(jià)

表1是根據(jù)土壤水資源消耗效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)柴達(dá)木盆地2011—2019年自然生態(tài)系統(tǒng)耗水有效性評(píng)價(jià)的結(jié)果。具體來說,盆地自然生態(tài)系統(tǒng)多年平均耗水總量為430.94億m3,耗水量大小按有效性排序依次為中效耗水>低效耗水>高效耗水,三者分別為226.55億m3、176.17億m3和28.22億m3,占總耗水的比重分別為52.57%、40.88%和6.55%。高效、中效及低效耗水量年際變化整體均呈單谷型,即兩端年份(2011—2012年和2018—2019年)高而中間年份(2013—2017年)低。其中,低效與中效耗水年際變化與盆地耗水總量年際變化相吻合,而高效耗水與耗水總量年際變化趨勢(shì)相比存在一定差異,2014年高效耗水量增加,耗水總量減少；而2015年高效耗水量減少,耗水總量增加。此外,由于柴達(dá)木盆地自然景觀以荒漠、戈壁及鹽殼為主,植被覆蓋度極低,因而盆地整體的高效耗水占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中效耗水和低效耗水。然而就單位面積高、中、低效耗水情況而言,三者耗水量分別為297.83 mm、252.83 mm和132.23 mm。可以看出,單位面積純植被耗水實(shí)際要高于單位面積純裸土耗水；而就中效耗水與低效耗水而言,兩者雖然都是純裸地耗水,但是植被株間的裸地耗水遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無植被區(qū)。

表1 柴達(dá)木盆地2011—2019年耗水有效性評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖9 柴達(dá)木盆地不同等級(jí)耗水量逐月占比情況Fig.9 Monthly proportion of water consumption with different efficiency in Qaidam Basin

圖9是高、中、低效耗水量多年平均的逐月占比情況,其中高效耗水占比在3.57%和9.68%之間,具有明顯的生長(zhǎng)季高于非生長(zhǎng)季特點(diǎn),呈單峰型變化；低效耗水占比在38.63%到47.63%之間,則具有明顯的非生長(zhǎng)季高于生長(zhǎng)季特點(diǎn),表現(xiàn)為單谷型；而中效耗水占比在48.63%到55.01%之間,呈現(xiàn)雙峰型,耗水量占比于3—5月(春季)顯著上升,而6—8月(夏季)及10—11月具有明顯下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)干旱內(nèi)陸區(qū)實(shí)測(cè)資料匱乏的現(xiàn)狀,利用特征空間法實(shí)現(xiàn)了柴達(dá)木盆地逐日陸面蒸散發(fā)的遙感估算,進(jìn)而通過土壤蒸發(fā)與植被蒸騰分離技術(shù)研發(fā)和土壤水資源消耗效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建,以時(shí)空連續(xù)的方式揭示了土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的時(shí)空變化特征,評(píng)價(jià)了自然生態(tài)系統(tǒng)水分消耗的有效性。主要結(jié)論如下：

(1)近九年,柴達(dá)木盆地蒸散發(fā)總體呈先減少后增加趨勢(shì),多年平均值為188.75 mm,年內(nèi)變化則呈現(xiàn)為單峰型分布,4—9月蒸散發(fā)占比達(dá)到80%。受降水空間格局影響,蒸散發(fā)具有明顯的空間異質(zhì)性,整體表現(xiàn)為東部大于西部,四周山區(qū)高于盆地內(nèi)部,盆地內(nèi)部高值區(qū)主要集中在湖泊、河流及地下水出流帶等水體附近。

(2)盆地多年平均土壤蒸發(fā)與植被蒸騰分別為171.06 mm和14.26 mm,分別占總蒸散發(fā)的92.3%和7.7%。兩者年內(nèi)變化趨勢(shì)一致,但植被蒸騰達(dá)到峰值的時(shí)間總體比土壤蒸發(fā)晚一個(gè)月,滯后效應(yīng)顯著。土壤蒸發(fā)空間格局與盆地總蒸散發(fā)相一致,而植被蒸騰整體呈東南向西北開口的半環(huán)形,并在局部地區(qū)具有間斷條帶狀分布特征。

(3)盆地多年平均耗水總量為430.94億m3,其中高效、中效和低效耗水的占比分別為6.55%、52.57%和40.88%。盆地植被覆蓋度較低,因而高效耗水總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中效和低效耗水。然而就單位面積而言,三者的耗水量分別為297.83 mm、252.83 mm和132.23 mm,純植被耗水和植株間土壤耗水均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無植被區(qū)裸土耗水。