基于土壤含水量距平指數(shù)的塔里木流域時(shí)空演變特征

吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

農(nóng)作物干旱主要是由于作物本身的需水量無法得到滿足，因此農(nóng)業(yè)干旱分析應(yīng)該基于土壤水分的變化。目前，土壤水分的監(jiān)測站點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)大面積全覆蓋，而隨著遙感技術(shù)及其產(chǎn)品的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一不足，已有眾多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)干旱評估(Cammalleri等,2016；Engda and Kelleners，2016；Mao等, 2017)。本文基于GLDAS數(shù)據(jù)集，提取2000-2010年3層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)并計(jì)算土壤含水量距平指數(shù)(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)來評估塔里木流域農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空演變特征[1]。

1 研究區(qū)概況

塔里木河是中國最大的內(nèi)河，全長2 179 km，由葉爾羌河、和田河、阿克蘇河等形成的。河流非常不穩(wěn)定，被稱為“脫韁的馬”。塔里木盆地位于天山山脈和昆侖山之間新疆的南部。塔里木流域從東到西長1 100 km，從南到北寬600 km，是世界上最大的內(nèi)陸河流流域。從最長的源流到塔里木河盡頭的塔里木河尾閭——泰特茅斯湖，長250 km。流域總面積1.70×104km2，包括370 400 km2的沙漠地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)資料和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用的 GLDAS 數(shù)據(jù)集是美國航空航天局(NASA)戈達(dá)德空間飛行中心(GSFC)和美國海洋和大氣局(NOAA)國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)聯(lián)合發(fā)布的基于衛(wèi)星、陸面模式和地面觀測數(shù)據(jù)的同化產(chǎn)品。本文采用的 GLDAS 數(shù)據(jù)為 1960-2010 年 3 層(0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm)土壤水分月值數(shù)據(jù)，單位為 kg/m3，空間分辨率為 0.25°。數(shù)據(jù)為 nc4格式，用 Matlab 程序提取塔里木流域數(shù)據(jù)[2]。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤含水量距平指數(shù)

Bergman 等在 1988 年提出土壤含水量距平指數(shù)(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)，其計(jì)算公式如下[3]：

式中：θ為當(dāng)前土壤水分；α為多年中該時(shí)段土壤水分的均值，kg/m3。

基于 SMAPI 值將干旱劃分為 9 個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 基于 SMAPI 的旱澇等級(jí)劃分

2.2.2 Mann-Kendall 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

Mann-Kendall 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，樣本無需遵從一定的分布，不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算簡便。進(jìn)行突變分析時(shí)，給出一定的顯著性水平并確定臨界值，計(jì)算并繪制 UF 和 UB 曲線。若 UF 或 UB 的值大于 0，則表明序列呈上升趨勢；反之，則相反。如果 UF 和 UB 在置信區(qū)間內(nèi)有交點(diǎn)，則認(rèn)為該點(diǎn)為突變點(diǎn)的開始[4]。

3 研究結(jié)果

3.1 年際變化

統(tǒng)計(jì)塔里木流域 SMAPI 指數(shù)的多年平均值及其變化趨勢，結(jié)果見圖1。SMAPI 多年平均值在-0.12～-0.02；流域西部上游地區(qū) SMAPI 均值相對較高，東南部地區(qū) SMAPI 均值相對較低，SMAPI 均值從東南向西北遞增[5]。全流域多年 SMAPI 均呈現(xiàn)下降趨勢，變化范圍在-0.6～-0.05，但下降趨勢不明顯且具有空間異質(zhì)性。中東部地區(qū) SMAPI 值下降趨勢較大，西部上游地區(qū) SMAPI 值下降趨勢相對較??；SMAPI 值斜率變化由北向南遞增，由西向東遞減。

圖1 1960-2010 年塔里木流域 SMAPI 值變化過程

塔里木流域 SMAPI 值在年月尺度變化見圖1和圖2。由圖1和圖2中可知，在年尺度上，塔里木流域 SMAPI 值呈現(xiàn)多年下降趨勢，為 2.485/10 a，相關(guān)系數(shù)為 0.53，流域土壤水分含量呈現(xiàn)減小趨勢，可能加重農(nóng)業(yè)干旱事件的發(fā)生。SMAPI 年值變化范圍在-30%～38%，最大值發(fā)生在 1964 年，最小值發(fā)生在 1995 年。1960-2010 年間，有 10 年發(fā)生輕度干旱；10 年發(fā)生輕度濕潤；1964 年達(dá)到中度濕潤；其余年份 SMAPI 年值均在正常范圍內(nèi)。1960-2010 年間，月尺度 SMAPI 最小值、最大值和均值均呈現(xiàn)下降趨勢，分別為 0.184/10 a、0.307/10 a 和 0.207/10 a。1960-2010 年共 612 個(gè)月份中，其中 51 個(gè)月份發(fā)生中度干旱，中旱發(fā)生頻率為 8.33%；137 個(gè)月份發(fā)生輕度干旱，輕旱發(fā)生頻率為 22.4%。

圖2 1960-2010 年塔里木流域 SMAPI 月最大值、最小值、均值變化過程

采用 M-K 突變檢驗(yàn)方法，分析塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值時(shí)間突變特征，結(jié)果見圖 3。1964 年之前，UF 大于 0，SMAPI 值呈現(xiàn)上升趨勢，且在 1964 年上升趨勢顯著。在 1964 年之后，UF 值均小于 0，SMAPI 值呈現(xiàn)下降趨勢；1973-1975、1979-1983和 1992 年之后，下降趨勢明顯。在 1975 年，UB 和 UF 相交，說明 SMAPI 存在突變點(diǎn)，且相交點(diǎn)處于臨界線直線，該年可能發(fā)生突變。

圖3 塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值 M-K 突變檢驗(yàn)

3.2 季節(jié)變化

旱澇站次比能表征一定區(qū)域內(nèi)旱澇發(fā)生范圍，同時(shí)可間接反映區(qū)域受旱澇影響的嚴(yán)重程度。為表明塔里木流域不同季節(jié)干旱發(fā)生范圍的變化特征，基于 SMAPI 值計(jì)算結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì) 1960-2010 年四季干旱站次比。根據(jù)干旱站次比值，將干旱發(fā)生范圍分為4個(gè)等級(jí)，即無明顯干旱(<10%)、局域性干旱(10%～25%)、部分區(qū)域干旱(25%～33%)、區(qū)域性干旱(33%～50%)及全域性干旱(>50%)。塔里木流域干旱站次比及其變化趨勢見圖4。

圖4 1960-2010 年塔里木流域季節(jié)干旱站次比及其變化趨勢

1)春季。1960-2010 年，塔里木流域春季干旱站次比在 0～100%之間波動(dòng)。其中，28 年無明顯干旱事件發(fā)生，9 年發(fā)生局域性干旱，僅 2010 年發(fā)生部分區(qū)域性干旱，4 年發(fā)生區(qū)域性干旱，9 年發(fā)生全域性干旱。2007 和 2009 年，干旱站次比達(dá)到 100%。在 1980 年之前，干旱站次比逐漸增加；在 1980-2000 年間，干旱站次比有所降低；2001-2004 年，無明顯干旱事件發(fā)生；2004 年之后，干旱站次比再次增加。即春季干旱站次比呈增加趨勢，春旱影響范圍呈增大趨勢。

2)夏季。1960-2010 年，塔里木流域夏季干旱站次比在 0～100%之間波動(dòng)。其中，21 年無明顯干旱事件發(fā)生，5 年發(fā)生局域性干旱，2 年發(fā)生部分區(qū)域性干旱，8 年發(fā)生區(qū)域性干旱，15 年發(fā)生全域性干旱。在 2001、2005 和 2006 年，夏季干旱站次比均達(dá)到 100%，塔里木發(fā)生全域性干旱。在 1970 年之前，干旱站次比相對較小，之后穩(wěn)步增加，在 1990 年左右有所下降，在 2000 年之后干旱站次比持續(xù)上升。

3)秋季。1960-2010 年，塔里木流域秋季干旱站次比在 0～100%之間波動(dòng)。其中，26 年無明顯干旱事件發(fā)生，沒有發(fā)生局域性干旱，8 年發(fā)生部分區(qū)域性干旱，5 年發(fā)生區(qū)域性干旱，11 年發(fā)生全域性干旱。

4)冬季。1960-2010 年，塔里木流域冬季干旱站次比在 0～100%之間波動(dòng)。其中，26 年無明顯干旱事件發(fā)生，3 年發(fā)生局域性干旱，2 年發(fā)生部分區(qū)域性干旱，4 年發(fā)生區(qū)域性干旱，16 年發(fā)生全域性干旱。在 2002 和 2006 年，干旱站次比達(dá)到 100%。在 1980 年之后，冬季干旱站次比明顯大于 1980 s 之前。

綜合塔里木流域季節(jié)干旱站次比變化特征可知，在 1960-2010 年，四季干旱發(fā)生范圍整體上呈增大趨勢；2000 年之后，塔里木流域季節(jié)干旱發(fā)生范圍及其發(fā)生頻率顯著增大。季節(jié)干旱站次比增加的趨勢為夏季>冬季>春季>秋季。

3.3 生長季變化

選取秋糧的生長季 6-9 月份 SMAPI 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖5。塔里木流域生長季 SMAPI 值多年變化呈現(xiàn)下降趨勢，平均每 10 a 下降 2.49。1960-1973 年之間，SMAPI值大于-5%，為正常和濕潤狀態(tài)；在 1964 年，達(dá)到最大值為 17.53%，發(fā)生中度濕潤事件；1973 年，SMAPI 值為-10.77，發(fā)生輕度干旱事件；之后 SMAPI 值有所上升，恢復(fù)到正常狀態(tài)。在 1987 年，SMAPI 值達(dá)到最小為-15.01，發(fā)生中度干旱事件；1994、1995 和 1996年發(fā)生連續(xù)干旱事件，均為輕度干旱。

圖5 1960-2010 年塔里木流域生長季 SMAPI 值變化

塔里木流域生長季干旱站次比及其變化趨勢見圖6。1960-2010 年間，塔里木流域生長季干旱站次比在 0～100%之間波動(dòng)，干旱站次比呈現(xiàn)多年增加趨勢，平均每 10 a 增加 9.37。在 1968 年之前，沒有明顯干旱事件發(fā)生；1969 年，干旱站次比達(dá)到 69.23%，發(fā)生全域性干旱；在 1970 年，干旱站次比為 0，沒有干旱事件發(fā)生。20世紀(jì)70 年代干旱發(fā)生頻率較大，1971-1980年，干旱站次比均在15%以上；1983-1985 年，干旱站次比為0，沒有干旱事件發(fā)生；1986-2000年，干旱事件交替發(fā)生，雖然發(fā)生頻率較大，但持續(xù)時(shí)間不長。2001 和 2006 年，干旱站次比達(dá)到 100%，發(fā)生全域性干旱；2003 和 2010 年，干旱站次比為 7.69%，無明顯干旱事件發(fā)生；但在 20 世紀(jì)的其他年份，均有不同程度的干旱事件發(fā)生，不僅發(fā)生頻率大且持續(xù)時(shí)間長。這表明塔里木流域生長季趨于干旱，干旱影響范圍呈增加趨勢。

圖6 1960-2010 年塔里木流域生長季干旱站次比

塔里木流域生長季 SMAPI 值突變檢驗(yàn)見圖 7。在 1968 年之前，UF 值大于 0，表明該時(shí)段生長季 SMAPI 值呈現(xiàn)上升趨勢，且在 1963、1964 和 1965 年上升趨勢顯著。在 1969 年之后，生長季 SMAPI 值呈現(xiàn)下降趨勢，且大部分年份下降趨勢顯著。1972、1976、1984和 1985 年，UF 和 UB 相交；且相交點(diǎn)處于臨界線直線，這 4 年可能發(fā)生突變。

圖7 塔里木流域 1960-2010 年生長季M-K 突變檢驗(yàn)

4 結(jié) 論

對于農(nóng)作物的生長情況而言，最直接的影響因子是土壤水分，土壤水分的虧缺對干旱起著重要作用。因此，本文選取 GLDAS 產(chǎn)品的 3 層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來計(jì)算土壤含水量距平指數(shù)(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)，并分析其在年際、季節(jié)和生長季的時(shí)空變化，并基于 M-K 方法對塔里木流域時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，以此來評估塔里木流域農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空演變特征。主要結(jié)論如下：統(tǒng)計(jì)分析塔里木流域年際、季節(jié)和生長季 SMAPI 值變化規(guī)律及其突變分析，表明塔里木流域在不同時(shí)間尺度下均呈現(xiàn)干旱化趨勢，特別是在 2000 年以后。塔里木流域是西北重要的糧食生產(chǎn)基地，分析土壤含水量的時(shí)空變化可進(jìn)一步明晰下墊面對農(nóng)業(yè)干旱的影響，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的參考價(jià)值。