2000-2017年錫林河流域地表蒸散量的時空特征及其影響因素

馬梓策，于紅博，張巧鳳

(內蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特 010022)

蒸散量(evapotranspiration，ET)指土壤蒸發和植被蒸騰的總和，包括陸地土壤水分的蒸發和植物體內水分的蒸騰，是評價地表熱量和水分平衡的主要指標之一，是氣候和自然生態系統的關鍵環節[1-3]。蒸散在地、氣、水循環中發揮重大作用，70%的地表降水可通過土壤的蒸發與植被的蒸騰作用回到大氣，干旱區可高達90%以上，蒸散的大小與變化特征直接關系到區域的干濕狀況和水資源的合理利用[4]。因此，準確地估算區域的蒸散，分析蒸散的時空變化特征及其與影響因素的關系，對區域地理、氣象、水文、水利工程及農業等領域具有重要的意義[5-9]。

由于各種土地利用類型的下墊面條件較為復雜，傳統的蒸散觀測與估算比較困難，因此傳統的蒸散觀測方法與估算研究只適用于“點”或中小尺度的研究，很難進行大區域蒸散的統計和分析[10]。相對于傳統的蒸散觀測和估算方法，遙感數據可以動態、快速地獲取地表狀況，因此遙感技術為大尺度非均勻地面蒸散量的研究提供了新的途徑[11-13]。以往的研究多基于分辨率較低的NOAA/AVHRR數據，盡管能夠分析大區域、大尺度范圍、長時間序列的蒸散狀況，但其無法精細地分析蒸散的空間變化情況[14]。2011年美國國家航空航天局(NASA)研究小組根據Penman-Monteith(P-M)公式對MOD16數據進行了修正，并以高時空分辨率和自由訪問方式發布了全球MOD16數據，提供了地表蒸散量的各種特征參數，并由全球通量塔臺數據驗證，模擬精度達到 86%，在全球范圍內得到廣泛應用[7,15,16]。阿迪來·烏甫等[1]利用MOD16數據分析了新疆地表蒸散量時空分布及變化趨勢；吳桂平等[17]基于MOD16產品分析了鄱陽湖流域地表蒸散量時空分布特征；赫曉慧等[18]基于MOD16數據分析了北洛河流域蒸散的空間格局演變特征。這些研究雖然從一定程度上，說明了區域內蒸散量的年際和年內變化特征，但是缺少對不同土地利用類型ET的研究。

基于此，本文以500 m空間分辨率的MOD16A2產品數據為基礎，在探討利用該產品進行錫林河流域蒸散量分析的可行性的基礎上，根據流域土地利用數據和地形數據，通過GIS的空間分析技術，對流域不同土地利用類型下蒸散量進行統計分析，深入探討了錫林河流域ET的變化特征，更進一步地探尋了ET與各氣象因子、植被覆蓋度和地形因子之間的相關性，以期更好地揭示錫林河流域蒸散量的變化規律及其影響因素，為錫林河流域旱澇監測和水資源管理等提供科學依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

錫林河流域位于內蒙古自治區錫林郭勒盟東部，大興安嶺南端西側，地處我國草原從東部半濕潤草甸草原區向西北半干旱典型草原區過渡地帶。該流域范圍介于43°26′～44°39′ N, 115°32′～117°12′ E，流域范圍內涵蓋了4個完整轄區和7個部分轄區，中心城市為錫林浩特 市，流域總面積約11 184.82 km2。流域內地貌形態復雜多樣，地勢由東向西逐漸降低，東南部的嘎順山最高海拔為1 609 m，西北部的錫林河下游，最低處小于900 m，全流域相對高差達700 m(圖1)。錫林河流域屬大陸性溫帶半干旱氣候，四季分明，年均降水量在250～400 mm，但降水和蒸散時空分布不均，具有明顯的季節性和區域性。

圖1 研究區域地理位置、海拔(m)、樣地及鄉鎮界限圖Fig1. Regional geographical location, elevation (m), sample plots and town boundary

1.2 數據來源及處理

(1)MOD16A2和MOD13Q1：蒸散量數據(MOD16A2)為2000-2017年8 d合成的MOD16-ET數據，歸一化植被指數為2000-2017年16 d合成的MOD13-NDVI數據，衛星軌道號均為h26v04，數據均下載于https:∥www.nasa.gov/。然后借助于NASA提供的MRT投影轉換工具將原始的采用HDF格式轉換為GeoTiff格式，將SIN投影轉為WGS-1984/Geographic經緯坐標系。根據網站提供的數據使用說明，剔除數據中的無效值和還原真實值，最后對數據進行矢量裁剪并獲取研究區每8 d的ET數據和16 d的NDVI數據，其中ET數據通過加權平均獲得每月ET和每年ET，而NDVI數據通過最大值合成每月NDVI和每年NVDI。

(2) DEM、坡位、坡度和landsat4-5 TM/landsat8OLI_TIRS衛星數字產品：均來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率為30 m，行列號為124/29，124/30。然后借助ENVI對其進行鑲嵌、裁剪最終獲取研究區的DEM、坡位、坡度及landsat4-5 TM/landsat8OLI_TIRS衛星數字產品。然后依據錫林河流域主要的土地利用類型和分析精度要求，利用ENVI將landsat四幅遙感影像進行預處理后，通過ArcGIS平臺，進行目視解譯。并將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個一級地類。四幅土地利用數據與Google地圖1 m分辨率的高精度影像進行對比，然后在ENVI中進行驗證，其Kappa系數均達到90%以上，符合研究的需求。

(3)氣象數據：來源于中國氣象科學數據共享網(http:∥cdc.nmic.cn)，選取2000-2017年研究區及周邊地區7個氣象站點的降水量、年平均氣壓、2 m處風速、平均溫度、平均水汽壓、平均相對濕度和日照時數。然后以研究區的DEM數據及氣象站點的經緯度數據為基礎，得到錫林河流域及周邊氣象站點柵格格式的經度、緯度數據，并在ArcGIS環境下，采用徑向基函數插值法將氣象要素空間化，進而獲取氣象要素柵格數據，并將其空間分辨率與MOD16A2/ET數據保持一致。

(4)實測的ET：對于樣地的選取考慮到了不同植被地退化程度、不同土壤類型、不同草原群落類型蒸散量的差異，在上游、中游、下游都選取了樣地。然后采用土柱稱重法測定2017年5-9月8個樣地(圖1)的日蒸散量共測得102組(每日測一次，一共測102 d)數據，通過加權平均合成8 d的實測數據集共40組。

1.3 研究方法

1.3.1 年際趨勢分析

利用線性傾向估計計算每個像元2000-2017年ET時間線性傾向率。計算公式為：

(1)

式中：slope為線性傾向率；ti=2000，2001，…，2017；n為年序列總長度(n=18)；ETi表示第i年的ET值；當slope>0時，隨著時間t增加，ET呈上升趨勢，反之，呈下降趨勢。

1.3.2 相關性分析

錫林河流域2000-2017年每個像元的ET值與各種影響因子的相關性，利用簡單相關系數來表達，計算公式為：

(2)

1.3.3 潛在蒸散量的計算方法

本文采用世界糧農組織1998年修正的Penman-Monteith公式計算錫林河流域及周邊7個氣象站點近18 a的逐日潛在蒸散量(ET0)，然后求出年ET0，其計算過程見參考文獻[19]。

2 MOD16A2的精度驗證

為了驗證MOD16-ET在錫林河流域地表ET時空反演的準確性，將通過加權平均法合成8 d的實測數據(40組)，與MOD16-ET數據在“點”尺度上進行驗證。

結果表明，2017年5-9月的實測值與MOD16-ET之間具有較強的相關性，決定系數R2=0.9236，且通過顯著性檢驗P<0.01(圖2)。MOD16-ET精度驗證滿足要求，說明MOD16產品在錫林河流域具有適用性，可以用于該研究區地表ET的時空分布特征研究。

圖2 實測ET數據和MOD16-ET的關系 Fig.2 Relationship between MOD16-ET product and measured ET

3 結果分析

3.1 錫林河流域年ET時空分布特征

3.1.1 多年平均ET值的空間特征

2000-2017年，錫林河流域多年平均蒸散量空間分布如圖3所示。多年平均年ET具有較高的空間分異性，呈現出西北部低、東南部高的趨勢。ET的空間分布不均勻特征，在一定程度上與流域的特殊地理位置有較大的聯系，流域位于東南部半濕潤草甸草原區向西北半干旱典型草原區的過渡帶。流域東南部由于降雨量豐沛、氣溫較低，致使植被覆蓋度相對較高，植物蒸騰作用明顯，從而使得ET較高；低值區聚集地多為地勢較低的西北部的典型草原區，這些區域年最大NDVI低于0.3，ET較低。

圖3 2000-2017年錫林河流域多年平均ET的空間分布Fig.3 Average ET of Xilin River Basin from 2000 to 2017

由于不同土地利用類型下墊面性質的差異，年平均ET及分布特征表現出不同的特點。利用錫林河流域2000、2005、2010和2015年的土地利用數據對MOD16數據中不同土地利用類型的ET進行提取，并統計得到不同土地利用類型多年平均ET值(圖4)。其中，林地的年均ET最高，為316.41 mm/a；建設用地的年均ET最低，為202.93 mm/a。除水體外，流域內各種土地利用類型的年均ET大小依次為林地>耕地>未利用土地>草地>建設用地，地表蒸散的情況主要與土地覆蓋類型、地理位置以及氣候等因素有關[20]。該流域未利用土地主要為河流兩側的低濕地植被，土壤水分較好，長勢茂密，覆蓋度較高，ET相對較大。

圖4 不同土地利用類型多年平均ET值Fig.4 Annual mean ET under different land covers

3.1.2ET的年際變化特征

錫林河流域ET值的年際變化特征，以及錫林河流域年ET的相對變化率的年際波動情況如圖5所示。2000-2017年，錫林河流域年ET值在200～300 mm之間波動；年ET最高值出現在2003年，蒸散量為287.97 mm；年ET最低值為201.38 mm，出現在2001年；多年平均ET值為235.15 mm，各年ET值整體呈緩慢波動上升趨勢。

2000-2017年ET的相對變化率的情況也極為復雜，相對變化率在-0.25%～0.25%之間波動，其中最低為-0.20%(2004年)，最高值為0.21%(2002年)，總體呈下降趨勢。

將2000-2017年流域各年ET與多年平均ET對比分析發現，年ET超出平均值的年份出現在2002-2004年、2008年、2010年和2012-2015年，其他年份均低于平均值。其中，2003年和2012年超出最為明顯，分別比平均值多52.82 mm和47.76 mm；2001年和2017年低于平均值最為突出，分別比平均值低33.77 mm和32.36 mm。由于2003年和2012年均為豐水年，降水量豐沛，蒸散作用較強，而2001年和2017年均為枯水年，降水量較少，蒸散作用較弱。年ET值的年際變化受到氣候復雜性的影響較大。

圖5 2000-2017年錫林河流域ET的年際變化Fig.5 Annual variation of ET in Xilin River Basin from 2000 to 2017

3.1.3ET的年際趨勢分析

2000-2017年ET值變化趨勢如圖6所示。近18 a流域內大部分地區的ET值變化趨勢不顯著，多年ET值的年際變化趨勢均值為4.16 mm/(10 a)。依據顯著性檢驗相關系數(R)的臨界值，當00.56時，為明顯增加或減少，共六種情況。年ET呈明顯減少、較明顯減少的區域主要分布在流域中游錫林浩特市周圍的極少部分區域，極有可能是人為活動例如大量開采煤礦、新建工礦區造成的；錫林河流域中上游河流流經地段及周邊形成的低濕地植被，呈明顯或較為明顯的增加趨勢，這些區域地勢較低、植被覆蓋較密集且植物種類繁多，以及下游河流周邊的沼澤灘地，地勢低凹，受降水的影響較大，而近18 a錫林河流域降水量呈增加趨勢，降水補充了河流水量，周邊土壤水分較好，ET值呈明顯或較明顯增加趨勢；剩余的大部分區域ET為輕微變化，上游為輕微減少趨勢，下游為輕微增加趨勢，這些區域主要為草原區，變化趨勢相對較為穩定。

圖6 錫林河流域2000-2017年ET值變化趨勢空間分布圖Fig.6 Change tendency of ET in Xilin River Basin during 2000-2017

3.2 錫林河流域ET與影響因子的相關性分析

3.2.1ET與氣象因子、NDVI、ET0的相關性分析

錫林河流域2000-2017年年ET與各種影像因子的相關系數見表1。由表可知，研究區ET受多種影響因素共同作用，年平均氣壓、年均溫、年ET0和年ET呈負相關，其余影響因素均與年ET呈正相關關系。ET受NDVI和降水量的影響最大，受風速和平均氣溫的影響最小。因此，本文重點研究降水量和NDVI對錫林河流域ET的影響。

表1 2000-2017年錫林河流域年ET與各影響因子的相關性Tab.1 Correlation of annual ET with various influencing factors in Xilin River Basin from 2000 to 2017

錫林河流域的降水量和NDVI的空間分布表現為：降水量從西北方向東南方逐漸增加，高值區出現在流域東南部；NDVI在流域上游和下游的差異較為明顯，上游為高值區，多年平均NDVI達0.7以上，下游為低值區，多年平均NDVI低于0.4[圖7(a)、7(b)]。

利用相關系數分析法分析2000-2017年年ET值與年降水量、年NDVI在像元尺度上的相關性，其空間分布如圖7(c)、7(d)所示，ET與降水量和NDVI的平均相關系數r分別為0.65和0.72，ET與NDVI的相關性更強。ET與降水量、NDVI正相關的面積占流域總面積的比例分別為84.72%和87.90%；ET與降水量、NDVI負相關的面積占流域總面積的比例分別為15.28%和12.10%。ET與降水量的正相關關系尤其以西北部最為明顯，少數地區呈現負相關，集中分布于錫林浩特市及周邊地區，以及白音錫勒牧場東部小部分地區。ET與NDVI的正相關關系以流域中游西部地區最為明顯，流域下游的裸地和東南方的小部分區域，呈現負相關。NDVI和降水量的耦合作用是影響錫林河流域ET的重要因素。

圖7 錫林河流域2000-2017年ET與降水量及NDVI的相關性空間分布Fig.7 Correlation between ET and precipitation, NDVI of Xilin River Basin during 2000-2017

3.2.2ET與地形因子的響應分析

研究區高程如圖8(a)所示，最低高程為899 m，最高為1 609 m。根據ArcGIS中的自然間斷法和研究區自然地理狀況，將高程重分類為6個等級，即等級1：899～1 001 m，等級2：1 001～1 097 m，等級3：1 097～1 176 m，等級4：1 176～1 261 m，等級5：1 261～1 357 m，等級6：1 357～1 609 m。利用ArcGIS空間分析技術提取各高程等級上的ET值，計算18 a的平均分布值，得到圖8(a)所示的ET分布。由圖8(a)可知，隨著高程等級的增加，ET值呈現逐漸增加的趨勢，尤其等級5～6增加最為明顯，增加了40.01 mm。通過擬合高程數據和ET數據，發現兩者具有較強的相關性，且符合指數曲線：

y=184.02 e0.018 3 xR2=0.962 1

(3)

式中：y為ET值，mm；x為高程，m。

研究區坡度如圖8(b)所示，坡度在0°～25°之間，結合研究區實際情況和研究目的，對坡度進行重分類得到5個等級，即等級1：0°～5°，等級2：5°～10°，等級3：10°～15°，等級4：15°～20°，等級5：20°～25°。

ET在各坡度上的分布為單峰曲線，如圖9(b)所示，等級4ET值最大，多年平均ET為254.40 mm。等級1～2增加最為明顯，增加了16.61 mm；等級3～4增加較小，僅增加了2.30 mm；等級4～5略有下降。坡度對ET的分布具有較大影響，尤其在區間0°～10°，坡度越大，ET值越高。通過擬合坡度數據和ET數據，發現兩者也具有較強的相關性，符合二次曲線：

圖8 地形因子分級Fig.8 Topographic factor classification

y=-0.151 4x2+4.328 1x2+224.66R2=0.946 3

(4)

式中：y為ET值，mm；x為坡度，°。

研究區坡位如圖8(c)所示，坡位分為6級，即等級1：山脊，等級2：上坡，等級3：中坡，等級4：平坡，等級5：下坡，等級6：谷底。由圖9(c)可知，中坡的ET值明顯高于其他坡位，多年平均ET為246.29 mm；平坡的ET值最小，多年平均ET為229.58 mm。

圖9 各高程、坡度、坡位等級上的ET分布Fig.9 Distribution of ET at various elevation levels

4 討 論

錫林河流域地處我國草原從東部半濕潤草甸草原區向西北半干旱典型草原區的過渡地帶。加強流域ET監測，對流域水量平衡、防止草地退化、加強水土保持、監測旱澇災害等具有重要意義。通過本文分析，錫林河流域的ET具有較強的空間分異性，而且變化規律與其土地利用類型、氣候因素、植被覆蓋度以及地形因子密切相關。

針對不同土地利用類型ET值的研究，與于紅博等[21]利用地表能量平衡原理反演錫林河流域地表蒸散量并提取了不同土地利用類型ET值的結果相一致，其大小依次為林地>耕地>未利用土地>草地>建設用地。這種現象是由于林地位于海拔較高的地區，降雨量豐沛且具有良好的涵養水分的能力，所以ET值最高；耕地由于灌溉用水的補給，其ET值較高；草地和未利用土地較林地和耕地而言，植株矮小，蒸散作用較弱，其ET值偏低；建設用地的植被覆蓋度低，ET值最低。

年ET與年平均氣溫相關性小且呈負相關，看似有悖于常識，主要是因為本文相關性分析所用數據均為年數據，其中年氣溫在1.98 ℃～5.23 ℃范圍內，年際間差異極小，不可能得到很好的相關性。由于錫林河流域地處干旱、半干旱區，降水是影響植被生長的主要限制因素，ET與降水呈正相關，而降水越少的年份，氣溫越高，反之亦然，因此年ET與年氣溫呈負相關。另有文獻表明，氣溫超過植被生長所需要的閾值將抑制植被生長[22]。

本文探索了ET與地形因子的響應，由于考慮到目前ET與地形因子的響應的研究尚不多見，而NDVI與ET相關性最強，因此本文為了更好地說明地形因子對ET的影響，建立了各地形因子與2000-2017年多年年均NDVI的關系(圖10)。研究結果表明，NDVI隨地形的變化趨勢與ET隨地形的變化趨勢相一致。隨著高程的增加，NDVI增加[圖10(a)]，主要因為錫林河流域東南緣與大興安嶺南端西側相連，海拔較高，降水量豐沛、氣溫相對適中，有利于植被生長，植被覆蓋度較高，因此ET值較大。坡度在15°～20°之間時，NDVI最大[圖10(b)]，ET最大，大于這個區間，NDVI下降，ET值下降，其原因是由于坡度太大，水分容易通過淋溶、徑流和下滲等方式散失，不利于植被生長，植被覆蓋度較低，因此蒸散的水分相對較少。中坡的NDVI明顯高于其他坡位[圖10(c)]，植被最為茂密，可能是由于中坡氣溫和降水量較為適中，易于植被生長，因此ET值高于其他坡位；平坡NDVI值最小，主要是因為平坡有利于建筑布局，綠化面積較小，因此ET值低于其他坡位。

圖10 各地形因子與年均NDVI的關系Fig.10 Relationships between topographic factors and annual average NDVI

本文尚存在一些不足之處，雖然錫林河流域的MODIS數據與野外實測數據進行了對比，結果表明精度較高，此外MODIS數據監測范圍廣且易于獲取，在研究過程中具有一定的優勢，但與氣象數據相比，其產品最早產生于2000年，時間尺度短，對于長時間而言，本文的研究結果有待于進一步驗證。此外，還需進一步研究流域內其他氣象因子與ET之間的關系，以及人為因素對流域ET的影響，更深探討影響流域ET的主導因子，以便加強水資源的利用與管理，改善流域氣候環境。

5 結 論

(1)錫林河流域多年平均ET為235.15 mm，呈現出西北部低、東南部高的趨勢。不同土地利用類型下ET存在明顯差異，ET由大到小依次為林地>耕地>未利用土地>草地>建設用地。此外，錫林河流域ET年均值呈波動上升趨勢。相對變化率在-0.25%～0.25%之間波動，其中最低為-0.20%(2004年)，最高值為0.21%(2002年)。流域內大部分區域的ET值變化趨勢不顯著，多年ET值的年際變化趨勢均值為4.16 mm/10 a，總體呈現北部增加，南部減少的趨勢，表明流域內北部地區水分增加，南部具有干旱化傾向。

(2)錫林河流域年ET與年降水量、年均風速、年均水汽壓、年均相對濕度、年均日照時數和年均NDVI呈正相關，與年均氣溫、年均氣壓和年ET0呈負相關。其中降水量和NDVI相關系數最高，說明降水量和NDVI對地表蒸散量的影響最大。高程、坡度和坡位等地形因子對ET值分布也具有較大影響，高程越高，ET值越大；隨著坡度的增加，ET先增加后減小，最大值出現在15°～20°；坡位表現為中坡的ET值最大，平坡的ET值最小。

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