基于SEBAL模型的農牧交錯區蒸散演變及生態需水規律

馬龍龍, 杜靈通, 宮 菲, 丹 楊, 王 樂, 鄭琪琪,3, 孟 晨

(1.寧夏大學 西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室, 寧夏 銀川 750021; 3.寧夏大學 農學院, 寧夏 銀川 750021)

蒸散(evapotranspiration， ET)是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，包括植物葉片的蒸騰以及來自土壤、水體和植物表面的蒸發，涉及植物生理學過程和空氣動力學過程[1]，它決定著土壤—植被—大氣系統中的水分和熱量傳輸，是土壤—植被—大氣系統(soil-plant-atmosphere continuum， SPAC)水文—生態過程耦合的紐帶[2-3]，在水圈、大氣圈、生物圈的水分循環和能量平衡過程中有著關鍵作用[4]。全球陸地每年有59%的降水通過蒸散返回大氣圈，而在干旱區甚至高達90%的有效降水消耗于蒸散過程[5]；由于氣候變化而引起全球水循環的變化已影響到地表蒸散過程，進而影響干旱、半干旱地區的生態系統的穩定性。傳統的蒸散研究方法是基于“點”尺度測量或計算，對于幾何結構和物理性質非均勻的陸面，在空間尺度擴展時會引起較大的誤差[6-7]。遙感技術提供了從“面”尺度研究蒸散的途徑，通過衛星遙感影像和少量地面觀測數據就能反演區域蒸散，可準確有效地反映出蒸散的時空連續性和動態性[7-8]，已成為區域乃至全球尺度蒸散估算的有力工具[9]。近年來學界提出了許多遙感反演蒸散的模型算法，其中地表能量平衡算法(surface energy balance algorithm for land， SEBAL)是一種典型的基于能量平衡方程的蒸散模型，要求輸入的觀測數據較少，反演精度較高，在區域水資源管理、流域水量平衡等研究中得到廣泛應用[10]。

寧夏回族自治區鹽池縣處于半干旱的農牧過渡帶，受氣候波動和人類活動影響，鹽池縣的荒漠草原在20世紀70—80年代嚴重退化，之后當地政府開始實施防沙治沙、退耕還林還草等生態治理工程，導致植被類型和土地利用格局發生了深刻變化，這也影響到了鹽池縣的生態系統蒸散格局和需水規律。目前有關鹽池縣農牧交錯帶蒸散的研究主要集中在植物蒸騰速率[11]、潛在蒸散估算[12-14]等方面，生態需水量的估算也僅依靠植被需水系數調整潛在蒸散量來實現[12]，無法準確獲取生態系統實際蒸散的空間格局及其隨時間演變的規律，對區域生態系統水分消耗量估算不準確。為此，本文采用Landsat遙感數據和SEBAL模型反演鹽池縣實際蒸散，研究區域環境在生態治理的影響下蒸散的演變規律，估算生態系統需水量，以期為區域生態治理和水資源管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，37°04′—38°10′N和106°30′—107°47′E，海拔1 295～1 951 m。鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風氣候，1958—2017年的年平均氣溫為8.34 ℃，年均降水為296.99 mm，年均蒸發量高達2 403.70 mm[15]，年均風速2.59 m/s。鹽池縣北接毛烏素沙地，南達黃土高原，地形自東南向北從黃土高原向鄂爾多斯臺地過渡，中北部為廣闊的緩坡丘陵風成地貌。土壤以灰鈣土為主，黑壚土、風沙土、黃土、鹽土和白漿土少量分布，土壤風化嚴重，有機質較少，導致植被體系發育較差，全縣自東南向西北由干草原向荒漠草原過渡，以灌叢草原、沙生植被和荒漠植被為主。土地利用類型主要以草地、耕地、林地為主，水域面積較少。

1.2 數據資料

采用2000年8月22日、2006年9月8日、2015年9月1日和2017年9月6日共4景Landsat 5TM和Landsat 8OLI/TIR遙感數據反演日蒸散；高程數據為90 m空間分辨率的SRTM DEM；氣象數據來自中國氣象數據共享網，為衛星過境當日鹽池縣氣象站的風速、氣溫等氣象要素數據；土地利用類型由2010年的遙感影像解譯獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 SEBAL模型原理及參數計算 SEBAL模型是基于地表能量平衡方程，利用晴朗天氣下的遙感數據反演地表反照率、植被指數、地表反射率、地表溫度等參數，結合氣溫、風速等地面氣象觀測資料，計算區域凈輻射通量和土壤熱通量，通過選取遙感影像中的冷熱像元點，確定地表溫度和溫度梯度差的線性關系，通過Monin-Obukhov相似理論迭代計算顯熱通量，從而求得潛熱通量(瞬時蒸散)，再進行時間尺度擴展，求區域日蒸散量[16]：

λET=Rn-G-H

(1)

式中：λET——潛熱通量，λ為潛熱蒸發系數，通常取2.49×106〔W/(m2·mm〕；Rn——輻射通量(W/m2)；G——土壤熱通量(W/m2)；H——感熱通量(W/m2)。

地表凈輻射量Rn反映了地表短波輻射和長波輻射的凈收支，其計算公式為[16-17]：

Rn=(1-α)RS↓+RL↓-RL↑-(1-ε)RL↓

(2)

式中：α——地表反照率；RS↓——下行的太陽短波輻射；RL↓——下行的長波輻射；RL↑——上行的太陽輻射；ε——地表比輻射率。

土壤熱通量G指進入土壤和植被內部的熱交換能量，計算公式為[17]：

(1-0.097 8NDVI4)×Rn

(3)

式中：TS——地表溫度；C11——常數，衛星過境時間在地方時12：00以前，C11=0.9；在12：00—14：00， =1.0；在14:00—16:00，C11=1.1。

感熱通量H是指以對流和傳導形式進入空氣的那部分熱能量，感熱通量是由于溫度的梯度差異作用而造成的，計算公式為[16-17]：

(4)

式中：ρair——空間密度(kg/m3)；Cp——空氣熱通量常數，Cp=1004 〔J/(kg·K)〕；dT——高度在Z1和Z2處的溫度之差；rah——空氣動力學阻力(S/m)，rah,dT——未知量，它們與不同梯度的溫度、地表粗燥度和風速有關[16]。

因為衛星過境時所觀測的是地面瞬時數據，我們只求得的是ΛET，因此把瞬時蒸散量擴展到日蒸散量，蒸散比Λ計算公式為[16-17]：

(5)

式中：Λ24——一天24 h內的蒸散發比。

日蒸散量ET24的計算公式為[17]：

λET24=Λinst(Rn24-G24)

(6)

式中：Rn24——一天內的凈輻射量；G24——一天內的土壤熱通量。

1.3.2 生態需水量計算 生態需水量指維持某一環境功能或環境目標所需的水資源量[18]，在水資源匱乏的西北內陸地區，生態需水量是脆弱生態區恢復與重建中必須考慮的一個關鍵問題[19]。蒸散作為植被水分最重要的輸出項，可用某一植被類型的蒸散量表達維持該植被正常生長所必須的水分量，各植被類型生態需水量之和即構成區域植被生態需水總量，計算公式為：

(7)

式中：Ai——第i種植被類型的面積；Ei——第i種植被類型的蒸散量；W——總生態需水量[18]。

2 結果與分析

2.1 蒸散的年際變化

由圖1可知，2000—2017年鹽池縣秋季初(8月22日至9月8日間)的單日蒸散在0.89～1.71 mm/d，近17 a來單日蒸散增長了0.82 mm，增長幅度達到了92.1%，平均每年增幅為0.05 mm，線性增長趨勢明顯(R2=0.987 5)。其中2000—2006年的蒸散增長了0.25 mm，年均增幅為0.041 7 mm；2006—2015年的蒸散增長了0.38 mm，年均增幅為0.042 2 mm；而2015—2017年的蒸散增長了0.19 mm，年均增幅為0.095 0 mm。由此可知，近幾年鹽池縣蒸散的增幅在逐漸升高，其生態系統的耗水量也越來越多。鹽池縣生態系統蒸散呈整體上升趨勢，與20世紀末開始實施的大批生態治理工程密切相關，2001年鹽池縣試點退耕還林還草，2002年全縣實施封育禁牧[20]，加之持續的“三北”防護林建設和防沙治沙措施，近十幾年來全面改變了鹽池縣的植被格局[21]，地表植被覆蓋度增加，生態系統蒸散增強，生態耗水量也增多。

圖1 鹽池縣2000-2017年日蒸散量變化

2.2 蒸散的空間變化

鹽池縣日蒸散量具有較強的空間異質性，總體呈現南高北低的分布特征，尤以東南部的麻黃山黃土丘陵地區日蒸散最高(圖2)，這一區域降水量相對高，氣候較為濕潤，植被以典型草原植被和人工種植檸條灌木叢為主，植被覆蓋度高，蒸騰量大，故整體蒸散為全縣最高。此外，鹽池縣中部有一條由南到北的緩坡丘陵地貌，這一區域的蒸散也略高于平原沙地。蒸散偏低的區域主要集中在西部和西南的馮記溝和惠安堡2個鄉鎮。鹽池縣蒸散的空間分布特征與全縣自東南向西北由典型草原向荒漠草原過渡的植被類型變化具有一定的相似性，同時也受局地人為農林活動的影響，如近些年鹽池縣周邊發展起來的部分灌溉農田和人工林地較大的拉高了其蒸散量。

圖2 鹽池縣不同時間的日蒸散空間分布

此外，從不同時期的蒸散空間分布圖對比來看，近17 a來鹽池縣的蒸散在逐漸增強(圖2)，但不同區域間的蒸散增強幅度存在較大差異(圖3)。2000—2017年鹽池縣蒸散年均增幅主要集中在0.00～0.12 mm，其中西南部的惠安堡鎮和馮記溝鄉的蒸散年均增幅高于其它地區，平均在0.04～0.12 mm，而其它鄉鎮的蒸散年平均增幅則主要在0.00～0.08 mm，尤以鹽池縣西北部的高沙窩鎮和花馬池鎮北部最低。同時，不同時間段的蒸散增強幅度也存在較大差異(圖3)。

2000—2006年鹽池縣蒸散年均增幅表現出明顯的南高北低特征，其中惠安堡鎮、麻黃山鄉和馮記溝鄉南部的蒸散年均增幅在0.08 mm以上，但西北部的高沙窩鎮和花馬池鎮北部不增反降，年均增幅在-0.01～0.00 mm；2006—2015年鹽池縣蒸散年均增幅則與之前的變化基本相反；而最近的2015—2017年，鹽池縣蒸散年均增幅則出現非常大的波動，即南部增幅量非常大，出現高于0.16 mm的增幅(圖3)。近17 a的平均增幅基本上體現了區域實施封育禁牧政策、退耕還林還草等一系列生態治理工程所產生的生態水文效應，植被蓋度的增加和氣象活動的增強導致蒸散增加。

而短期幾年的蒸散變化則與降水、氣溫等氣象條件的短期波動有關，如2014—2017年鹽池縣的年平均降水量在347.10～393.30 mm，比近50 a的平均值高出50 mm多，氣溫也較近50 a平均值高出1 ℃以上，較高的氣溫和降水量導致這幾年蒸散增幅很大。

圖3 不同時間段鹽池縣日蒸散量的年均增幅

2.3 不同地類的蒸散特征

土壤含水量的空間差異性和不同地物的耗水特性會導致不同地類的蒸散具有一定的差異性，本研究利用土地利用數據對鹽池縣4期蒸散數據進行掩膜，獲得耕地、林地和草地3種主要地類的蒸散值。2000—2017年各地類蒸散由高到低依次是耕地、林地和草地(圖4)，且各地類的蒸散增幅明顯，蒸散年增幅最大的地類是草地，其次為林地和耕地。近17 a耕地的日蒸散量為1.01～1.76 mm/d，均值為1.42 mm/d，日蒸散量最大，其蒸散年均增幅為0.044 mm；林地的日蒸散量為0.92～1.70 mm/d，均值為1.33 mm/d，其蒸散年均增幅為0.046 mm；草地的日蒸散量為0.84～1.68 mm/d，均值為1.27 mm/d；雖然草地的日蒸散量最小，但其蒸散年均增幅卻最大，達到了0.05 mm。

圖4 鹽池縣2000-2017年各地類蒸散變化特征

由以上結果可得，鹽池縣的耕地是最耗水的一個生態系統，耕地包括旱地和水澆地，其中水澆地受人為灌溉活動的影響，其土壤水分供應充足，農作物的種植密度較高，導致耕地的土壤蒸發和植被蒸騰都很強烈，總體蒸散最強。此外，現有研究表明，鹽池縣近些年水澆地面積增加明顯，旱地面積持續減少[20]，這將繼續增加鹽池縣總的蒸散量。鹽池縣的林地由喬木林和灌木林混雜構成，其林地斑塊碎雜，連片高密度的喬木林面積較少，其生態系統生物量不大，葉片蒸騰不高，整個系統水分消耗不強，故其蒸散弱于耕地。草地是鹽池縣面積最大的地類，但大多數為荒漠草原，部分典型草原的蓋度和密度也不甚高，故該類生態系統的蒸散強度最弱。不管是哪一類地類，在近17 a間均表現出了蒸散增強的趨勢，這與區域生態系統整體好轉有關。

2.4 鹽池縣生態需水量

利用SEBAL模型反演的日蒸散數據，估算寧夏鹽池縣2000—2017年的生態需水量。結果看出，鹽池縣秋季初的平均生態需水量為9.23×106m3，其中最低的2000年為5.96×106m3，最高的2017年1.15×107m3，年均增幅為3.25×105m3,生態需水量在近17 a中表現出明顯的增加趨勢。從不同地類來看(圖5)，生態需水量由高到低依次是草地、耕地和林地，因鹽池縣的草地面積占總縣域面積的60%，故草地生態需水量最高。從變化趨勢來看，草地的生態需水量增加最多，近17 a增加了3.37×106m3；其次是耕地，其生態需水量增加了8.00×105m3；生態需水量增加最少的是林地，增加了7.20×105m3。但從各地類的單位面積生態需水量來看，其由高到低依次是耕地、林地和草地，即單位面積的草地生態需水量是最低的地類，而單位面積的耕地生態需水量卻最高，3種地類中耕地生態耗水率最高，可見在鹽池縣這種水資源極度匱乏的地區，不易大面積發展高耗水的耕作農業，應保持適度面積的草原，以保持鹽池縣農牧交錯區農牧復合系統的穩定性[22]。

圖5 各土地利用類型的生態需水量

盡管鹽池縣生態需水總量和各地類的生態需水量近17 a中都在增加，但各地類的生態需水量組成格局卻在發生變化。從各地類生態需水量占總生態需水量的百分比來看，耕地和林地生態需水量占總生態需水量的比例在下降，而草地生態需水量占總生態需水量的比例在上升(表1)。鹽池縣實施的封育禁牧、退耕還林還草、防沙治沙土地荒漠化治理工程是引起這一變化的原因，這些生態治理工程改變了地表植被覆蓋結構和植被蓋度，生態系統的整體好轉和植被蓋度增加，整體增加了區域生態系統需水總量，而退耕還林還草工程使旱耕地面積大幅減少，草地與林地的面積增加，這種地表植被覆蓋結構的變化引起了各地類的生態需水量占比發生變化。

表1 鹽池縣各地類需水量占總生態需水量的比例%

日期耕地林地草地2000082217.8614.3656.532006090818.6013.8555.212015090116.0014.0858.962017090616.2413.7258.67

3 討論與結論

劉可等[23]研究得出，寧夏回族自治區中部和南部草地的蒸散以增強為主；張霞等[24]認為近30 a來全球干旱半干旱區年蒸散量的變化明顯，中國北部呈增加趨勢；全球氣候的變暖使大氣中水汽含量變低、地表蒸散量增大并加速全球水循環[25]；這些研究結論與本文的結果一致。范亞云等[18]在艾比湖流域的研究結果顯示，不同地類日蒸散量由高到低依次為喬木林地、耕地、牧草地和灌木林地，而本研究得到鹽池縣日蒸散量由高到低依次為耕地、林地和草地。由于鹽池縣的林地既非單一的喬木林地，也非單一的灌木林地，本研究在地物類別劃分時將喬木林地、灌木林地等斑塊碎雜的林地斑塊均劃分為林地，從而造成本研究中林地蒸散介于喬木林地和灌木林地之間。本研究得出的地類間蒸散差異的結果和大小順序，與張曉玉等[26]利用SEBS模型在干旱區反演的日蒸散量結果一致，也與代鵬超等[27]基于SEBAL模型在新疆精河流域研究的結果相同。范亞云等[18]在艾比湖流域的研究結果顯示，生態需水量整體呈增加的趨勢，與本文研究結果一致，而李金燕[12]研究得到鹽池縣草地的生態需水量遠高于林地，主要是由于該研究分析的是2014年典型平水年份，而本文主要分析了近17 a的鹽池縣生態需水量的變化情況。近17 a鹽池縣蒸散的增強和生態需水量的增加，主要與其實施的一系列生態治理工程有關，封育禁牧、退耕還林還草、防沙治沙等生態工程改變了地表下墊面結構[21,23]，使得地表植被覆蓋度增加，植被蒸騰增強。然而，地表蒸散變化還與區域氣象條件等因素有關[23-24]，干旱半干旱區地表蒸散的主要水分供給來源是大氣降水，降水直接影響地表土壤含水率大小，影響蒸散大小[28]。已有報道顯示，鹽池降水量近些年在波動增加[15]，氣象資料統計顯示，2000—2017年的年平均降水量為301.57 mm，除去2000年和2005年的大旱年份[23]，這一時期的平均降水量達到了317.96 mm，高于近1958—2017年的平均值(296.99 mm)，降水增加在一定程度上促進了植被的蒸散，也保障了區域生態系統維持的水分供給。然而，由于本研究受遙感數據的限制，每年相同日期或相近日期可用的Landsat數據量較少，故近17 a間只優選出了4期數據用于反演蒸散。因遙感數據為單日瞬時觀測結果，而蒸散受降水量、相對濕度、氣溫、太陽輻射、日照時數、風速等氣象因素的影響明顯[7,28-29]，所以用單日遙感數據反演的蒸散在表征生態系統整體蒸散強弱時也有一定的局限性，在今后的研究中應采用數據量豐富、時間連續性強的數據進行蒸散演變規律的研究。此外，本文主要側重研究區蒸散時間演變規律和空間分布格局，因受限于數據資料局限，關于蒸散變化驅動力及其驅動機制等方面的研究不夠深入，這也是未來需加強的方向。決定地表蒸散強弱的因素主要有地表入射能量、區域氣象條件和下墊面條件[23-24]等，同時也受土地利用類型變化以及人類生產活動的共同影響[29]，而在綜合考慮這些因子基礎之上的蒸散反演模型，將會提高干旱半干旱區遙感蒸散反演的精度以及生態需水量估算的可靠性。綜上研究表明，近17 a鹽池縣日蒸散量變化趨勢明顯，并具有較強的時空異質性。日蒸散量由2000年的0.89 mm/d增加到了2017年的1.71 mm/d，增幅為92.1%，增強趨勢顯著。在空間上，日蒸散呈南高北低的格局，尤以東南部的黃土丘陵區蒸散最高，但不同時間段、不同區域的蒸散增強幅度存在較大差異。不同地類的日蒸散量具有一定的差異性，蒸散年增幅最大的是草地。鹽池縣生態需水總量和各地類的生態需水量也都在增加，但各地類的生態需水結構卻發生變化。