遼寧省不同土地利用類型的蒸散發特征

曹永強,高 璐,郭 明

(遼寧師范大學城市與環境學院,遼寧 大連 116029)

遼寧省不同土地利用類型的蒸散發特征

曹永強,高 璐,郭 明

(遼寧師范大學城市與環境學院,遼寧 大連 116029)

基于遼寧省2014年Landsat TM遙感影像,通過對不同土地利用類型的實際蒸散發量的計算,結合ArcGIS軟件中的離散功能,從時間和空間角度對不同土地利用類型的蒸散發特征進行了分析。結果表明:實際蒸散發受土地利用類型的影響較大,不同土地利用類型的實際蒸散發量年內變化特征不同;蒸散發貢獻值的高低取決于土地利用類型的面積大小,同時其空間分布和土地利用類型的空間分布具有高度一致性,充分表明蒸散發和土地利用類型兩者之間存在密切聯系。

蒸散發;土地利用類型;離散處理;時空特征;遼寧省

蒸散發是水量平衡和能量平衡的重要組成部分,它是水文循環的關鍵紐帶[1]。蒸散發過程有多重性,涉及土壤、植被和大氣的多種復雜過程,是地表水量平衡、干旱監測及作物產量模擬的關鍵變量,同時也是水資源管理的一個重要參數[2]。關于蒸散發理論、蒸散發變化趨勢以及水文循環對氣候變化的響應(或敏感性)的研究已成為當今水文科學領域的熱點問題,也是未來水資源管理亟待解決的重要課題[3]。由于土地利用/覆被變化(LUCC)直接關系到地表反照率、太陽輻射等參數,從而影響到能量平衡和成云致雨的過程[4-6],最終引起區域蒸散發量的變化,甚至導致全球尺度水文循環的改變[7-8]。王潔等[9-10]研究發現蒸散發量的空間分布與土地利用/覆蓋類型有關,土地利用類型基本控制了研究區域蒸散發量的分布特點,氣候變化和土地利用變化共同影響蒸散的趨勢變化。遼寧省位于我國的東北地區南部,地貌和地形條件較為多樣、復雜,省內氣候的分布具有很強的地域性。由于近幾十年全球氣候的不斷變化,深入研究蒸散發的過程、機理和分布特征可以有助于遼寧省水資源的合理調度和評價工作的進行。本文在已有研究的基礎上,選擇2014年遼寧省Landsat TM遙感影像,利用ArcGIS10.0軟件中Create Fishnet工具,對遼寧省潛在蒸散發量進行分析,系統剖析不同土地利用類型下的空間分布特征,以期為遼寧省蒸散發領域的相關研究打下基礎。

1 研究資料與方法

1.1 數據來源

遼寧省2014年Landsat TM遙感影像(空間分辨率為30 m),來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據服務平臺;遼寧省23個氣象站點(圖1)的地面基礎氣象數據,包括站點經緯度、海拔高度、日最高/低氣溫、日平均氣溫、日平均風速(2 m高處)、日平均降水量及日照時數等氣象數據,來源于國家氣象局共享服務網。

圖1 遼寧省氣象站點空間分布

1.2 數據處理

按照國土資源部土地分類標準解譯遼寧省2014年一期Landsat TM遙感影像,得到2014年遼寧省土地利用現狀圖,并從中提取土地分類的基本信息,一級類別的6種土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城建用地和未利用地。本文對遙感影像進行離散處理,處理步驟如下:利用ArcGIS10.0軟件把解譯后的土地利用數據規范劃分為100 m×100 m的柵格數據,再運用Data Management Tools模塊提供的Create Fishnet工具對其進行離散,已有研究結果表明,選擇不同尺度進行離散,蒸散發量的差異很小[11-13],因此本文選擇離散的網格尺度為10 km×10 km,離散后經計算共分離出1 677個小網格覆蓋整個遼寧省研究區。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith法

Penman-Monteith法是公認的單點計算潛在蒸散發量誤差最小的方法,其理論源于能量平衡和水汽擴散原理,且充分考慮了植被的生理特征,公式為

(1)

式中:ET0為Penman-Monteith法計算的潛在蒸散發量,mm;Rn為凈輻射,MJ/(m2·d);T為日平均溫度,℃;G為熱通量密度,MJ/(m2·d);u2為2 m高處風速;es為飽和空氣水汽壓,kPa;ea為空氣水汽壓,kPa;Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度,kPa/℃;γ為濕度計常數;Gn、Gd為固定常數,在估算逐日潛在蒸散發量時取值分別為900和0.34。各參數的計算方法本文不再一一贅述,具體可參見文獻[14]。

1.3.2 實際蒸散發量

耕地、草地、水域和未利用地的實際蒸散發量ET1采用Penman-Monteith法計算的潛在蒸散發量ET0與相對應的作物系數乘積計算得到,計算公式為

ET1=KaET0

(2)

由于遼寧省主要種植的糧食作物為玉米,其種植面積占總面積70%左右,所以耕地按照玉米地計算[14]，未利用地按照裸地計算,草地按種植牧草計算,水域按特殊類計算,相關作物系數取值參照文獻[15]。

林地和城建用地的實際蒸散發量ET2采用降水量與潛在蒸散發量關系得到,計算公式[16]為

ET2=0.8ET0+α1P

(3)

式中:α1為林地截流損失率;P為日降水量。

城建用地的實際蒸散發量ET3的計算公式[17-18]為

(4)

式中:Pk為次降水臨界蒸發指標;n為月內日降水量P>Pk的次數;Pi為月內小于Pk的各次降水量；m為月內小于Pk的降水量次數。

1.3.3 蒸散發貢獻值

基于土地利用類型網格圖層,疊加上2014年逐月6種土地利用類型的實際蒸散發插值網格圖層,計算出每一個10 km×10 km小網格內6種土地利用類型的逐月蒸散發量。單位網格內不同土地利用類型的蒸散發貢獻程度采用蒸散發貢獻值表示,其定義為實際蒸散發量與土地利用類型面積百分比的乘積。

1.3.4 普通克里金插值法

克里金插值法又稱空間局部插值法,是以變異函數理論和結構分析為基礎,在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法,普通克里金法是區域化變量的線性估計,插值過程類似于加權滑動平均,權重值的確定來自于空間數據分析。

基于23個氣象站在遼寧省境內分布特點以及前人研究基礎,在獲得各個站點實際蒸散發量后借助ArcGIS1軟件的普通克里金插值法進行空間插值,從而對其空間變化情況進行分析。

圖2 2014年遼寧省土地利用分布

2 結果與分析

2.1 土地利用類型及現狀

圖2為土地利用分布圖,可以清晰發現,耕地和水域主要分布在中部的遼河平原地區,林地主要分布在東部低山地區、遼東半島丘陵區和西部低山丘陵地區,草地主要分布在西部地區,水域為中部的遼河及其30多條支流。遼寧省不同土地利用類型分布不均勻且面積存在著較大的差異,其中耕地6.18 萬km2(42.10%),林地6.12 萬km2(41.74%),草地0.47 萬km2(3.23%),水域0.53 萬km2(3.60%),城建用地1.21 萬km2(8.24%),未利用地0.16 萬km2(1.09%),耕地和林地為遼寧省主要的土地利用類型,占全省總面積的83.84%。

2.2 不同土地利用類型潛在蒸散發分析

2.2.1 季節分布

利用蒸散發公式(式(1)～(4)),分別計算出6種土地利用類型的日平均蒸散發量,按照春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月以及冬季為12—2月的四季劃分方法,計算得到各季節蒸散發總量,其變化情況如圖3所示。由圖3可知實際蒸散發量季節變化規律表現為夏季最大,其次為春季和秋季,并且夏季的蒸散發量要遠大于其他季節。由各個季節對比可知,實際蒸散發量受土地覆被類型的影響大,均呈現出明顯的差異性;不同土地利用類型的蒸散發量四季變化幅度不同。相同時期不同作物的作物系數不同,導致蒸散發量不同;而相同作物在不同季節作物系數也存在差別,因此造成了蒸散發量的差異。夏季由于氣溫高、降水充沛、日照時數多、作物系數大等有利條件,使得蒸散發量最大;而過渡到冬季后作物基本處于枯萎期,作物系數變小,降水量減少,光照、氣溫等其他因素共同作用使蒸散發量最小,并且在不同土地利用類型之間的差異明顯縮小。

圖3 不同土地利用類型的實際蒸散發量四季變化

2.2.2 月分布

圖4 不同土地利用類型的月實際蒸散發量變化

月實際蒸散發量變化趨勢如圖4所示。除城建用地外,其他土地利用類型月實際蒸散發量變化呈現出典型的單峰型分布,且最大值出現在7月,最小值為1月。蒸散發量呈現的單峰格局主要受諸多氣象要素和土地覆被作物系數的影響。而城建用地的蒸散發量呈現震蕩變化,最高值同樣出現在7月,但最低值出現在12月。這是因為月內日降水量和降水臨界值的關系決定了城建用地的實際蒸散發量,7月的降水量大于臨界降水量的次數較多,而12月基本不存在大于臨界降水量的情況。

2.3 蒸散發貢獻值分析

a. 耕地。耕地四季蒸散發貢獻值空間分布如圖5所示,由于中部的遼河平原為玉米集中種植區域，同時也是遼寧省主要的產糧基地,因此高值區主要分布于遼寧省中部地區,少部分分布于葫蘆島市和錦州市以及東部沿海邊緣地區。夏季耕地對全年蒸散發的貢獻值最大,是由于充分的日照以及降水,且此時玉米的作物系數達到最大。相反到了冬季,耕地對全年蒸散發的貢獻值最小,其最大貢獻值僅為37.43 mm。

圖5 耕地四季蒸散發貢獻值空間分布

b. 林地。林地四季蒸散發貢獻值空間分布特征顯著(圖6),存在兩個高值區,一個是東部的山地,另一個是綏中等小部分的西部地區。由于夏季氣溫高、降水充沛、光照充足,此時植被覆蓋度達到最大,是林地生長旺盛的階段,所以一年中林地蒸散發貢獻最高值出現在夏季;春季和秋季相比,前者對一年的蒸散發量貢獻較多,而冬季(圖6(d))僅在東部出現零星高值。

圖6 林地四季蒸散發貢獻值空間分布

c. 草地。從遼寧省草地四季蒸散發貢獻值空間分布圖(圖7)可以發現,遼寧省草地蒸散發貢獻值存在一個高值區,分布于遼寧省西部地區,高值區的蒸散發貢獻值從外圍向中心逐漸升高。雖然近年來西部區域植被退化,但仍存在大面積的自然草甸草場,因此蒸散發量相比其他地方仍然處于較高的水平。

圖7 草地四季蒸散發貢獻值空間分布

圖8 水域四季蒸散發貢獻值空間分布

d. 水域。遼寧省水域四季蒸散發貢獻值空間分布如圖8所示,水域蒸散發貢獻值的分布與水域利用分布高度匹配。高值區位于由北向南縱貫遼寧省中部的遼河及其支流,以及大連、丹東邊緣沿海沿江地區。同時從圖中顏色深淺變化可以發現,由于上游的河道較窄,水量較中下游要少,因此呈現出下游的蒸散發貢獻值大于上游的現象。

e. 城建用地。遼寧省城建用地四季蒸散發貢獻值(圖9)的高值區主要分布于中部地區的遼河平原、東南部沿海城市和遼寧中部城市群。遼寧省中部地區的蒸散發貢獻值分布規律表現為由南向北逐漸降低。雖然城建用地土地利用面積較大,但由于城建用地的蒸散發強度較弱,使得實際所提供的貢獻值較小,因此蒸散發強度對蒸散發的影響要大于土地利用面積百分比的影響。

圖9 城建用地四季蒸散發貢獻值空間分布

f. 未利用地。由未利用地四季蒸散發貢獻值空間分布情況(圖10)可知,遼寧省未利用地蒸散發貢獻值的高值區主要分布于盤錦、營口北部和沈陽中部地區。雖然未利用地分布的范圍小,但由于土地分布集中使得其對整體區域存在一定的貢獻。

圖10 未利用地四季蒸散貢獻值空間分布

綜上,對比不同土地利用類型蒸散發貢獻值發現,由于城市不斷發展,耕地和林地的土地面積不斷減少,削弱了耕地和林地對全年蒸散發的貢獻,但由于耕地和林地比其他土地利用類型面積大,因此其對蒸散發的貢獻量仍占據重要地位;雖然水域單位面積的蒸散發量最大,但貢獻值卻不大,這是因為水域所占的面積較小;城建用地面積近年來增長較多,因此其蒸散發貢獻值也相對有所增加;草地和未利用地由于分布范圍集中,仍對整體區域存在一定的貢獻。不同土地利用類型之間面積差異的影響要遠大于蒸散發差異的影響,所以蒸散發貢獻值的高低在很大程度上取決于前者,同時蒸散發貢獻值的空間分布和土地利用類型的空間分布具有高度一致性,土地利用類型基本上決定了潛在蒸散發的分布,這表明蒸散發和土地利用類型兩者有著密切的聯系。

3 結 論

a. 遼寧省6種土地利用類型所占比例不均勻且存在著較大的差異。

b. 實際蒸散發四季變化規律表現為夏季最大、其次為春季、秋季,冬季最小。

c. 蒸散發受土地利用類型的影響很大,呈現明顯的差異性,不同土地利用類型的實際蒸散發量四季變化幅度不同。除城建用地外,其他土地利用類型月實際蒸散發量變化呈現單峰型分布,而城建用地呈現震蕩波動趨勢。

d. 土地利用類型的面積差異對蒸散發貢獻值的高低影響較大,同時蒸散發貢獻值的空間分布和土地利用類型的空間分布具有高度一致性,表明蒸散發和土地利用類型兩者有著密切的聯系。

[1] 張淑杰,張玉書,隋東,等.東北地區參考蒸散量的變化特征及其成因分析[J].自然資源學報,2010,25(10): 1750-1761.(ZHANG Sunjie,ZHANG Yushu,SUI Dong,et al.Changes in reference evapotranspiration and its causes in Northeast China[J].Jouranl of Natural Resources,2010,25(10):1750-1761.(in Chinese))

[2] 趙玲玲,夏軍,王忠根,等.北京潛在蒸散發量年內-年際的氣候變化特征及成因辨識[J].自然資源學報,2013,28(11): 1911-1921.(ZHAO Lingling,XIA Jun,WANG Zhonggen,et al.The inter-intra annual chimatic pattern of potential evaporation in Beijing and attribution[J].Jouranl of Natural Resources,2013,28(11):1911-1921.(in Chinese))

[3] 孫福寶.基于Budyko水熱耦合平衡假設的流域蒸散發研究[D].北京:清華大學,2007.

[4] 何明軒.三峽庫區土地利用/覆被與地表蒸散發動態變化及二者關系研究[D].重慶:西南大學,2013.

[5] 張新榮,劉林萍,方石,等.土地利用、覆被變化(LUCC)與環境變化關系研究進展[J].生態環境學報,2014,23(12): 2013-2021.(ZHANG Xinrong,LIU Linping,FANG Shi,et al.Research advances on the relationship between land use/cover change and environmental change[J].Ecology and Environmental Sciences,2014,23(12):2013-2021.(in Chinese))

[6] 張殿君,張學霞,武騰飛.黃土高原典型流域土地利用變化對蒸散發影響研究[J].干旱區地理,2011,34(3):400-408.(ZHANG Dianjun,ZHANg Xuexia,WU Tengfei.Relationship betweenETand LUCC in a typical watershed of Loess Plateau over the past 20 years[J].Arid Land Geography,2011,34(3):400-408.(in Chinese))

[7] 史曉亮,楊志勇,嚴登華,等.灤河流域土地利用/覆被變化的水文響應[J].水科學進展,2014,25(1):21-27.(SHI Xiaoliang,YANG Zhiyong,YAN Denghua,et al.On hydrological response to land-use/cover change in Luanhe River Basin[J] Advances in Water Science,2014,25(1):21-27.(in Chinese))

[8] 曾思棟,夏軍,杜鴻,等.氣候變化、土地利用/覆被變化及CO2濃度升高對灤河流域徑流的影響[J].水科學進展,2014,25(1): 10-20.(ZENG Sidong,XIA Jun,DU Hong,et al.Effects of climate change,land use and cover change and CO2enrichment on runoff:a case study of the Luanhe River basin[J].Advances in Water Science,2014,25(1):10-20.(in Chinese))

[9] 王潔,董剛,張峰.松嫩平原西部氣候和土地利用變化對蒸散的影響[J].山西大學學報(自然科學版)，2015,38(2):375-384. (WANG Jie,DONG Gang,ZHANG Feng.Effects of climatic change and land use/cover change on evapotranspiration in the Western Songnen Plain of Northeast China[J].Journal of Shanxi University(Natural Science Edition),2015,38(2):375-384.(in Chinese))

[10] 劉朝順,高志強,高煒.基于遙感的蒸散發及地表溫度對LUCC響應的研究[J].農業工程學報,2007,23(8):1-8.(LIU Chaoshun,GAO Zhiqiang,GAO Wei.Retrieval evapotranspiration and land surface temperature in response to land use/cover change based on remote sensing data[J].Transactions of the CSAE,2007,23(8):1-8.(in Chinese))

[11] 葉許春,張奇.網格大小選擇對大尺度分布式水文模型水文過程模擬的影響[J].水土保持通報,2010,30(3):112-116.(YE Xunchun,ZHANG Qi.Effects of grid size on hydrological process modeling as a distributed hydrological model at large scale[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2010,30(3):112-116.(in Chinese))[12] 高超,劉青,蘇布達,等.不同尺度和數據基礎的水文模型適用性評估研究:淮河流域為例[J].自然資源學報,2013,28(10): 1765-1777.(GAO Chao,LIU Qing,SU Buda,et al.The applicability assessment of hydrological models with different resolution and database in the Huaihe River Basin,China[J].Jouranl of Natural Resources,2013,28(10):1765-1777.(in Chinese))

[13] 張曉琳,熊立華,林琳,等.五種潛在蒸散發公式在漢江流域的應用[J].干旱區地理,2012,35(2):230-231.(ZHANG Xiaolin,XIONG Lihua,LIN Lin,et al.Application of five potential evapotranspiration equations in Hanjing Basin[J].Arid Land Geography,2012,35(2):230-231.(in Chinese))

[14] 紀瑞鵬.遼寧地區玉米作物系數的確定[J].中國農學通報,2004,20(3):246-248.(JI Ruipeng.Ascertainment of crop coefficients of maize in Liaoning Area[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2004,20(3):246-248.(in Chinese))

[15] ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al. Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements:irrigation drainage paper No.56[R]. Rome:FAO,1998.

[16] XU C Y,SINGH V P. Evaluation and generalization of temperature-based methods for calculating evaporation[J].Hydrological Processes,2001,15:305-319.

[17] 郭偉,劉洪福.佳木斯市城市蒸散發量計算[J].黑龍江水專學報,1998,25(3):50-52.(GUO Wei,LIU Hongfu.Evaporation calculation for Jiamusi City[J].Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering College,1998,25(3):50-52.(in Chinese))

[18] MAIDMENT D R.Handbook of hydrology[M].New York:Mcgraw-Hill,1993.

Characteristics of evapotranspiration for different types of land use in Liaoning Province

CAO Yongqiang, GAO Lu, GUO Ming

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,LiaoningNormalUniversity,Dalian116029,China)

Based on Landsat TM remote sensing images of Liaoning Province in 2014, the characteristics of evapotranspiration for different land use types from the perspectives of time and space were analyzed by calculating the actual evapotranspiration for different land use types and using the discretization function of the ArcGIS software. The results show that the actual evapotranspiration was significantly affected by the land use types, and the intra-annual variation characteristics of actual evapotranspiration varied for different land use types. The contribution of the evapotranspiration depends on the size of the land with a certain land-use type. There is a high degree of consistency between the spatial distribution of evapotranspiration and land use types, indicating that evapotranspiration is closely linked to land use types.

evapotranspiration; land use types; discretization processing; temporal and spatial characteristics; Liaoning Province

國家自然科學基金(51579126);中國科學院農業水資源重點實驗室2016年對外開放基金(KFKT201602);流域水循環模擬與調控國家重點實驗室2015年開放研究基金(IWHR-SKL-201501)

曹永強(1972—),男,教授,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail:caoyongqiang@lnnu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.003

P333.1

：A

：1006-7647(2017)02-0014-06