劉可,杜靈通*,候靜, 胡悅, 朱玉果, 宮菲

(1.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,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，包括植物葉片蒸騰及來自土壤、水體和植物表面的蒸發(fā)，涉及植物生理學(xué)過程和空氣動(dòng)力學(xué)過程[1]。蒸散是水文-生態(tài)過程耦合的紐帶[2]，在水圈、大氣圈和生物圈的水分循環(huán)和能量平衡過程中有著關(guān)鍵作用[3]，它決定著土壤-植被-大氣系統(tǒng)(soil-plant atmosphere continuum, SPAC)中的水分和熱量傳輸[4]，也是水循環(huán)過程中最重要、最難直接測(cè)量的分量之一[5]。Oki等[6]指出每年全球陸地有59%的降水通過蒸散返回大氣圈，而在干旱區(qū)甚至高達(dá)90%的有效降水消耗于蒸散過程[7]；由氣候變化引起的全球水循環(huán)變化必然影響地表蒸散過程，進(jìn)而對(duì)干旱、半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來諸多不確定性，因此氣候變化背景下準(zhǔn)確掌握陸地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散特征對(duì)于脆弱生態(tài)系統(tǒng)的維持和恢復(fù)具有重要的生態(tài)學(xué)意義。蒸散研究進(jìn)入多過程大尺度階段之前[8]，水量平衡法、蒸散儀法、波文比-能量平衡法、空氣動(dòng)力學(xué)法、渦度相關(guān)法和閃爍儀法等是測(cè)定蒸散的主要手段，但尺度擴(kuò)展問題使得上述方法無法用于大尺度蒸散估算。而遙感技術(shù)因具有實(shí)時(shí)的空間觀測(cè)能力，在估算區(qū)域蒸散過程中有著無可比擬的優(yōu)越性[9]，已經(jīng)成為局地、區(qū)域乃至全球尺度蒸散估算的有力工具[10]。2011年，美國(guó)蒙大拿大學(xué)Mu等[11-12]改進(jìn)Penman-Monteith公式，集合相關(guān)MODIS數(shù)據(jù)和全球氣象數(shù)據(jù)在蒸散反演算法上取得重大突破，開發(fā)出了全球陸地蒸散產(chǎn)品(MOD16)，現(xiàn)已應(yīng)用到蒸散時(shí)空動(dòng)態(tài)[13-15]、干旱監(jiān)測(cè)[16]和全球變化[3]等研究中。一些學(xué)者也利用分布于南美[17]、中國(guó)[18-19]、南非[20]等不同土地利用類型和氣候區(qū)的EC(eddy covariance)通量站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)MOD16進(jìn)行驗(yàn)證，得出MOD16數(shù)據(jù)的精度普遍較好，可用于區(qū)域蒸散時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的研究。

寧夏處于中國(guó)季風(fēng)區(qū)的西緣，特殊的氣候環(huán)境形成了類型多樣的草地，在長(zhǎng)期的歷史發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)與牧業(yè)、草地與荒漠相互交織，在一些地區(qū)形成了比較典型的農(nóng)牧交錯(cuò)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。然而，寧夏20世紀(jì)七八十年代的過度墾殖與放牧，致使一些地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)退化，生態(tài)功能萎縮，曾一度威脅到寧夏的生態(tài)安全，進(jìn)入21世紀(jì)以來，當(dāng)?shù)卣m時(shí)地實(shí)施了退耕還草、封育禁牧等生態(tài)治理工程，使得部分草原地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù)。寧夏草地的命運(yùn)變遷也引發(fā)了一些學(xué)者的關(guān)注，他們分別從土壤[21]、水分[22]、生物[23]等微觀生態(tài)因子著手，對(duì)寧夏草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和維持機(jī)理開展大量基礎(chǔ)研究，但氣候變化背景下以水分為切入點(diǎn)的區(qū)域蒸散研究較少，且已有研究主要集中在參考蒸散[24]和潛在蒸散[25-26]層面，針對(duì)寧夏草地的實(shí)際蒸散特征研究尚處于空白，全區(qū)草地蒸散的本底信息還不明確，草地生態(tài)系統(tǒng)從破壞到重建的過程中，實(shí)際蒸散的格局動(dòng)態(tài)和時(shí)空演化規(guī)律也鮮有報(bào)道，而掌握草地的蒸散特征和水分消耗規(guī)律，對(duì)制定科學(xué)合理的退化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本研究利用2000-2014年MOD16遙感蒸散數(shù)據(jù)，通過回歸分析、相關(guān)分析和重新標(biāo)度極差分析等方法，研究了近15年寧夏草地的蒸散時(shí)空格局與演變規(guī)律，討論影響寧夏草地蒸散的可能影響因素，以期為區(qū)域農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、退化草地恢復(fù)與重建、水資源分配與合理利用提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 寧夏草地分類圖Fig.1 The distribution of grassland classification in Ningxia

寧夏處于黃河上游，我國(guó)西北地區(qū)的東部邊緣，區(qū)內(nèi)氣候由南向北自中溫帶半濕潤(rùn)氣候向半干旱、干旱氣候類型過渡，多年平均降水量在166.9～647.3 mm之間，年平均氣溫5.3～9.9 ℃，呈北高南低分布；地勢(shì)自南向北階梯式逐漸下降，地貌類型復(fù)雜多樣。多樣的水熱組合形成了具有明顯地域分異特征的草地類型，全區(qū)由南向北既有草甸草原類、干草原類、荒漠草原類和草原化荒漠類的地帶性草地類型，也有因山地水熱分異或綠洲排灌而形成的低濕地草甸類、山地草甸類、干荒漠類、沼澤類、灌叢草原類和灌叢草甸類草地類型(圖1)[27]。

1.2 數(shù)據(jù)資料

遙感蒸散產(chǎn)品(MOD16)源自美國(guó)蒙大拿大學(xué)網(wǎng)站(http://ntsg.umt.edu/project/mod16)。根據(jù)研究區(qū)選擇衛(wèi)星軌道號(hào)h26v05，分別下載2000-2014年期間的MOD16A3年蒸散數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。由于原始數(shù)據(jù)是采用SIN投影的HDF文件格式存儲(chǔ)，因此用MRT(MODIS Reprojection tools)軟件進(jìn)行批量裁剪和重投影。

氣象數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，獲取了寧夏及周邊共19個(gè)主要?dú)庀笳镜哪杲邓?、平均氣溫、平均相?duì)濕度、平均風(fēng)速等指標(biāo)，由平均氣溫和平均濕度計(jì)算飽和水氣壓差(vapor pressure deficit, VPD)；并利用Anusplin[28]軟件進(jìn)行空間插值，為提高插值精度，采用90 m的SRTM3數(shù)字高程模型和TRMM3B43降水速率數(shù)據(jù)集作為相應(yīng)的協(xié)變量，生成近15年的1 km×1 km氣象要素空間柵格數(shù)據(jù)。

寧夏草地類型數(shù)據(jù)源自《寧夏暨毗鄰省(區(qū))市(盟)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展地圖集》的1∶120萬寧夏草場(chǎng)資源圖，掃描矢量化后定義投影，采用Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線投影與MOD16保持一致。

1.3 研究方法

1.3.1回歸分析 為了定量描述寧夏草地蒸散的變化趨勢(shì)，綜合反映地表蒸散的時(shí)空特征，利用IDL編程對(duì)2000-2014年間的年ET序列進(jìn)行逐像元最小二乘法回歸分析，計(jì)算回歸斜率，并采用F檢驗(yàn)對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)

式中：slope為回歸斜率；n為研究時(shí)段；ETi為第i年的蒸散值；當(dāng)slope>0說明蒸散處于增加趨勢(shì)，反之則是減少趨勢(shì)。結(jié)合蒸散變化趨勢(shì)和F檢驗(yàn)(P=0.05)，可得到顯著上升、上升(但不顯著)、下降(但不顯著)、顯著性下降4種變化趨勢(shì)。

蒸散的影響因素分析采用多元回歸方法，利用SPSS軟件分析蒸散與降水、氣溫、飽和水汽壓差及風(fēng)速等氣象因素的關(guān)系，構(gòu)建多元回歸模型。分析之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便計(jì)算各變量的貢獻(xiàn)率。

1.3.2相關(guān)分析 為了定量探討寧夏草地蒸散與相關(guān)氣象因素的關(guān)系，采用IDL編程逐像元計(jì)算蒸散與降水、氣溫、飽和水氣壓差和風(fēng)速之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行F檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)，相關(guān)性顯著。

1.3.3重新標(biāo)度極差分析與Hurst指數(shù) 重新標(biāo)度極差分析(rescaled range analysis，R/S)是英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出的一種非線性時(shí)間序列分析方法。對(duì)于一個(gè)具有長(zhǎng)程依賴性的時(shí)間序列，該序列不同時(shí)滯的極差和標(biāo)準(zhǔn)差的比值隨時(shí)滯而呈現(xiàn)冪律分布的趨勢(shì)，冪指數(shù)即為赫斯特指數(shù)(H)，據(jù)此判斷時(shí)間序列是遵從隨機(jī)游走還是有偏游走，進(jìn)而診斷時(shí)間序列的未來走勢(shì)。若0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散時(shí)間變化特征

2.1.1寧夏全區(qū)草地蒸散年際變化特征 2000-2014年，寧夏草地蒸散量介于177.51～274.43 mm，多年平均蒸散量為228.03 mm；2000年的平均蒸散量最低，僅為177.51 mm，低于多年平均值50.52 mm，相對(duì)變化率高達(dá)22.15%；2012年的平均蒸散量最高，達(dá)到274.43 mm，超出多年平均值46.40 mm，相對(duì)變化率為20.35%。寧夏草地蒸散總體呈增強(qiáng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不顯著(1.59 mm·年-1，P=0.86)，年際波動(dòng)極為明顯(圖2)，其中在2000和2006年前后分別形成了近15年來寧夏草地蒸散的兩個(gè)低谷，而2000-2003年和2008-2012年兩個(gè)階段，全區(qū)草地蒸散快速上升。造成這種蒸散年際波動(dòng)的原因主要與極端氣象干旱有關(guān)，2000及2005年是寧夏近15年氣象降水的極端虧缺年[30]，極端干旱導(dǎo)致寧夏草地生態(tài)系統(tǒng)供水不足，蒸散出現(xiàn)低谷；強(qiáng)旱過后，草地植被的恢復(fù)會(huì)持續(xù)增強(qiáng)其生態(tài)系統(tǒng)的蒸散。而近15年草地整體蒸散的增強(qiáng)趨勢(shì)，與寧夏中南部大規(guī)模實(shí)施退耕還草和草原封育禁牧有一定關(guān)聯(lián)[31]，實(shí)施生態(tài)治理的草原區(qū)廣泛種植了檸條(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等植物，提升了草地的植被覆蓋度，進(jìn)而增強(qiáng)了草地生態(tài)系統(tǒng)的蒸散。

圖2 2000-2014年寧夏草地蒸散及降水量變化Fig.2 Inter-annual variations of ET and precipitation in study area during 2000-2014

寧夏不同蒸散強(qiáng)度的草地面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖3)，2000-2014年，草地年均蒸散低于300 mm的區(qū)域占到寧夏草地總面積的74.6%以上，其中2000年達(dá)到了96.8%，這說明全區(qū)草地蒸散量總體較低；其中蒸散低于200 mm的草地面積年度變化較大，并顯著影響多年蒸散的波動(dòng)走勢(shì)。高于300 mm的像元比例不高，但近15年的增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，這與寧夏實(shí)施的系列生態(tài)治理工程有關(guān)。Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示(圖4)，寧夏近15年草地蒸散的UB和UF線分別在2001、2005和2011年出現(xiàn)交點(diǎn)，并在95%顯著性水平臨界線之間，這3年蒸散分別呈上升、下降和上升趨勢(shì)，可以認(rèn)為寧夏草地蒸散的變化趨勢(shì)波動(dòng)與多年降水量的變化有關(guān)?？傮w而言，近15年來UF線并未突破95%顯著性水平臨界線，蒸散上升趨勢(shì)不顯著，突變特征不明顯。為了解釋影響多年蒸散波動(dòng)的主要因素，將寧夏草地蒸散與降水、氣溫、飽和水汽壓差和風(fēng)速4個(gè)影響因子進(jìn)行多元回歸分析，回歸方程為：ET=0.3341×P-222.5238×VPD+264.1310 (R2=0.69，F(xiàn)=13.328，P<0.05)，式中：P為降水量，VPD為飽和水汽壓差?；貧w方程顯著，說明近15年來寧夏草地蒸散主要受降水和飽和水汽壓差影響，二者對(duì)蒸散的貢獻(xiàn)率分別為66.56%和33.44%，其中降水是驅(qū)動(dòng)寧夏草地蒸散多年波動(dòng)的主要因素。

圖3 寧夏草地不同蒸散強(qiáng)度的面積百分比Fig.3 The percentage of grassland at different ET intensity in Ningxia

圖4 寧夏2000-2014年草地蒸散的Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.4 Mann-Kendall statistical curves of evapotranspiration of grassland of Ningxia during 2000-2014

2.1.2不同類型草地蒸散的時(shí)間變化特征 寧夏各草地類型的年平均蒸散量存在明顯差異(圖5A)，按照草甸草原類(479.68 mm)、山地草甸類(475.40 mm)、灌叢草甸類(415.13 mm)、干草原類(282.61 mm)、低濕地草甸類(234.04 mm)、沼澤類(214.46 mm)、荒漠草原類(197.04 mm)、草原化荒漠類(183.97 mm)、干荒漠類(182.99 mm)和灌叢草原類(172.51 mm)的順序遞減。具體來說，主要分布于南部山區(qū)的草甸草原類、山地草甸類和灌叢草甸類草地的植被覆蓋度高，可利用水分充沛，因而蒸散量遠(yuǎn)高于其他類型草地；荒漠草原類、草原化荒漠類、干荒漠類和灌叢草原類草地多以旱生小禾草及小灌木為建群種，植被蓋度小，為減少蒸騰失水，植物葉片小而少，蒸散較低。另一方面，寧夏全區(qū)降水和太陽輻射有著明顯的地帶分異，降水量南多北少，氣溫總體北高南低，且局域的非地帶性因素更加劇了水熱分異，故分布在寧夏南部的地帶性草地類型(草甸草原類和干草原類)和隱域性植被類型構(gòu)成的山地草甸類、灌叢草甸類、低濕地草甸類和沼澤類草地的蒸散量較高；而荒漠草原類、草原化荒漠類、干荒漠類和灌叢草原類草地主要分布在寧夏中北部，這些地區(qū)的水熱搭配矛盾突出，土壤質(zhì)地較差，下滲能力強(qiáng)，保水性能不理想，土壤供水不足嚴(yán)重限制了這類草地的蒸散量。綜上所述，寧夏氣候由南向北從中溫帶半濕潤(rùn)區(qū)向中溫帶干旱區(qū)過渡，不同氣候區(qū)內(nèi)各草地類型的建群種和群落生境存在顯著差異，導(dǎo)致各草地類型的蒸散量因氣候差異而存在不同的變化特征。

從寧夏各類型草地蒸散的年內(nèi)動(dòng)態(tài)曲線來看(圖5B)，全區(qū)10類草地的蒸散變化過程可分成典型單峰型與非單峰型兩大類，其中山地草甸類、草甸草原類、灌叢草甸類、低濕地草甸類和沼澤類草地的年內(nèi)蒸散呈現(xiàn)明顯的單峰形態(tài)，隨著5月植被生長(zhǎng)季的開始，草地蒸散迅速增加，到7-8月植被生長(zhǎng)最茂盛的時(shí)期，蒸散也達(dá)到年內(nèi)最高值，此后隨著草地枯黃期的到來，蒸散迅速下降；而草原化荒漠類、干草原類、干荒漠類、灌叢草原類和荒漠草原類草地的年內(nèi)蒸散動(dòng)態(tài)與草地物候期的一致性較差，夏季蒸散的峰值不明顯，這與寧夏的年內(nèi)降水和太陽輻射變化特征嚴(yán)重不符，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于以上類型草地的植被覆蓋度都較低，植被蒸騰量少，蒸散量總體偏低，同時(shí)遙感蒸散算法對(duì)低植被覆蓋區(qū)月時(shí)間尺度的蒸散估算精度也較低，復(fù)雜下墊面表面阻抗的不準(zhǔn)確界定可能是導(dǎo)致冬季蒸散估算偏高的重要原因[8]。

圖5 各草地類型多年平均蒸散(A)及年內(nèi)動(dòng)態(tài)(B)Fig.5 The average of ET (A) and it’s annual dynamics (B) of each grassland types for 15 years a為草甸草原類草地Meadow steppe；b為草原化荒漠類草地Steppe desert；c為低濕地草甸類草地Wetland meadow；d為干草原類草地Steppe；e為干荒漠類草地Drought desert；f為灌叢草甸類草地Shrub meadow；g為灌叢草原類草地Shrub steppe；h為荒漠草原類草地Desert steppe；i為山地草甸類草地Upland meadow；j為沼澤類草地Everglade.

2.2 蒸散空間變化特征

2.2.1寧夏草地蒸散空間格局及波動(dòng)性 2000-2014年，寧夏草地的多年平均蒸散具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，呈現(xiàn)出南高北低的空間特征，這與寧夏多年平均降水量的空間分布特征比較一致，同時(shí)天然草地上零星分布的人工灌草地、林地也形成了局部高值區(qū)(圖6A)。全區(qū)草地蒸散量的空間分布極差較大，蒸散介于135.84～732.12 mm。最低值集中分布在石嘴山境內(nèi)的草原化荒漠類、干荒漠類和灌叢草原類草地，該類草地主要是以紅砂(Reaumuriasongarica)、白刺(Nitrariaspp.)等耐寒耐旱小灌木為優(yōu)勢(shì)種的草場(chǎng)，蓋度極小，降水稀少且下滲嚴(yán)重，因此成為全區(qū)草地蒸散最低的區(qū)域。六盤山迎風(fēng)區(qū)的山地草甸類草地主要是雜草類草原，植被覆蓋度高，且降水豐富，因而成為全區(qū)草地蒸散的高值分布區(qū)。

變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)可以從空間上指示草地蒸散的年際波動(dòng)強(qiáng)弱，圖6B顯示，近15年寧夏草地蒸散量的變異系數(shù)CV介于0.05～0.35，平均值達(dá)到0.12，但超過96%的草地CV低于0.15，變異系數(shù)總體不高，波動(dòng)性不強(qiáng)。從空間分布狀況來看，高波動(dòng)性區(qū)域主要分布在賀蘭山中段的荒漠草原類、灌叢草原類草地，沙坡頭區(qū)西北部黃河沿岸的荒漠草原類、草原化荒漠類草地，紅寺堡-同心一帶的荒漠草原類草地和南部山區(qū)的部分干草原草地，近15年來上述區(qū)域是退耕還林(草)、生態(tài)移民和引黃-揚(yáng)黃灌溉的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，人類活動(dòng)通過改變土地利用類型顯著改變了局部地表蒸散過程。低波動(dòng)性區(qū)域集中分布在六盤山地區(qū)的山地草甸類草地和靈鹽臺(tái)地的荒漠草原類草地，前者與六盤山地區(qū)相對(duì)較多的降水和良好的植被覆蓋有關(guān)，后者則反映了區(qū)域封育禁牧的效果。

圖6 多年平均ET空間分布(A)與波動(dòng)特征(B)Fig.6 Spatial distribution of average ET (A) and its coefficient of variation (B) in study area

圖7 寧夏草地蒸散與氣象要素的空間相關(guān)性(A、B、C、D)及顯著性檢驗(yàn)(E、F、G、H)Fig.7 Correlation (A, B, C, D) between ET and meteorological factors and the significance (E, F, G, H) of grassland in Ningxia A和E分別是蒸散與降水的空間相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)A is the spatial correlation between ET and precipitation， E is the corresponding significance tests；B和F分別是蒸散與飽和水汽壓差的空間相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)B is the spatial correlation between ET and vapor pressure deficit， F is the corresponding significance tests； C和G分別是蒸散與氣溫的空間相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)C is the spatial correlation between ET and air temperature, G is the corresponding significance tests；D和H分別是蒸散與風(fēng)速的空間相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)D is the spatial correlation between ET and wind speed， H is the corresponding significance tests.

2.2.2蒸散量與氣象因素的相關(guān)分析 蒸散量與氣象因素的相關(guān)分析結(jié)果(圖7)表明，寧夏草地蒸散與降水量總體呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較大，通過5%顯著性水平的草地比例高達(dá)95.99%，這很好地解釋了寧夏草地的蒸散年際波動(dòng)與降水量變化較為一致的現(xiàn)象。蒸散與降水不相關(guān)的草地主要分布在銀川平原周邊和賀蘭山北段，前者主要是引黃灌溉導(dǎo)致土地利用類型變化引起的，后者則與賀蘭山地區(qū)的煤礦開采活動(dòng)有關(guān)，露天煤礦的大規(guī)模開采顯著改變地表持水性，地下水位下降，蒸散來源不足。草地蒸散與飽和水汽壓差整體上以負(fù)相關(guān)和不相關(guān)為主，其中負(fù)相關(guān)的比例不足25%。草地蒸散與飽和水汽壓差呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在中衛(wèi)、吳忠和銀川西北部的荒漠草原類和草原化荒漠類草地，這些區(qū)域主要為珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂、隱子草(Cleistogenesspp.)和短花針茅(Stipabreviflora)類草地，同時(shí)該區(qū)域降水稀少，極度干旱；為避免干旱脅迫對(duì)植物生理過程產(chǎn)生不可逆的影響，隨著飽和水汽壓差升高，植物氣孔導(dǎo)度下降，抑制蒸騰，減少體內(nèi)水分消耗，降低草地蒸散。草地蒸散與氣溫整體上不相關(guān)，只有0.73%的草地呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能與較短時(shí)序的氣溫變化不顯著有關(guān)。草地蒸散與風(fēng)速整體不相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均值僅為0.05，呈顯著正相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的比例分別僅有2.18%和2.75%。其中，呈顯著正相關(guān)的區(qū)域集中分布在賀蘭山北段，該區(qū)域主要是分布在石質(zhì)低山、山麓、谷地及干河床沙地上的蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)、雜草類草場(chǎng)，淺層土壤水分不足，植被稀疏，蒸散主要來自地面蒸發(fā)，風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)的正向作用明顯。蒸散與風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域在全區(qū)都有零散分布，這部分地區(qū)主要是植被蓋度較高的草甸草原類、干草原類草地上發(fā)展的耕地、人工灌草地及林地，干旱脅迫條件下，風(fēng)速升高反而不利于植被蒸騰，蒸散與風(fēng)速顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 蒸散變化趨勢(shì)分析

2.3.1年際蒸散空間變化趨勢(shì)與檢驗(yàn) 從空間上看，2000-2014年，寧夏北部的草地蒸散以減弱趨勢(shì)為主，降幅自北向南遞減；寧夏中部和南部的草地蒸散以增強(qiáng)為主，增幅自北向南遞增(圖8A)。近15年寧夏草地蒸散的最大降幅為13.19 mm·年-1，最大增幅為21.66 mm·年-1，盡管變化斜率的極差較大，但全區(qū)大部分草地的蒸散變化幅度均保持在3 mm·年-1之內(nèi)，僅南部六盤山地區(qū)的山地草甸類和灌叢草甸類草地的蒸散增幅相對(duì)較高。

雖然全區(qū)草地有77.71%的區(qū)域其蒸散呈增強(qiáng)趨勢(shì)，但F檢驗(yàn)的結(jié)果顯示(圖8B)，草地蒸散呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)的面積僅占全區(qū)草地面積的10.41%，主要為南部山區(qū)的干草原類、灌叢草甸類和山地草甸類草地，中部和北部天然草地上引黃灌溉形成的灌木林地和草地的蒸散也顯著增強(qiáng)。盡管全區(qū)草地有22.29%的區(qū)域其蒸散呈減弱趨勢(shì)，但達(dá)到顯著性減弱(P<0.05)的僅有2.62%，主要為賀蘭山北段的灌叢草原類和荒漠草原類草地。資料表明[32]，賀蘭山北段降水稀少，蒸發(fā)旺盛，全區(qū)年降水量和年降水日數(shù)減少的趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域干旱加??；另外，賀蘭山北段大規(guī)模礦產(chǎn)資源開采對(duì)微地形、地下水、土壤結(jié)構(gòu)及植被群落都有影響，二者共同作用引起的草地退化可能是該區(qū)域蒸散顯著下降的原因。

2.3.2蒸散變化趨勢(shì)的持續(xù)特征診斷 寧夏草地蒸散的Hurst指數(shù)介于0.325～0.791，平均值為0.527，Hurst指數(shù)直方圖表現(xiàn)為單峰稍右偏分布，Hurst指數(shù)大于0.5的持續(xù)性像元數(shù)占總像元數(shù)的76.17%，呈持續(xù)性趨勢(shì)的像元比例占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，說明寧夏大部分草地的蒸散未來變化趨勢(shì)與過去一致，而Hurst指數(shù)小于0.5的反持續(xù)性像元數(shù)僅占總像元數(shù)的23.83%，趨勢(shì)發(fā)生反轉(zhuǎn)的像元比例較小(圖9A～B和圖10)。從空間上看， Hurst指數(shù)高于0.55的像元占25.00%，主要是分布在賀蘭山北段的灌叢草原類和荒漠草原類草地；而Hurst指數(shù)低于0.45的區(qū)域僅占3.47%，占比高達(dá)71.53%的草地的Hurst指數(shù)在0.45～0.55之間，說明近15年全區(qū)大部分草地的蒸散存在一種隨機(jī)波動(dòng)過程，未來草地蒸散變化趨勢(shì)可能存在隨機(jī)性，這可能是短時(shí)期內(nèi)降水的隨機(jī)波動(dòng)和人為活動(dòng)局部干擾共同作用于草地蒸散的結(jié)果。蒸散變化斜率與Hurst指數(shù)的疊加分析表明(圖10)，寧夏中南部的山地草甸類、草甸草原類、灌叢草甸類、干草原類和部分荒漠草原類草地的蒸散將主要呈持續(xù)上升的趨勢(shì)；中北部的荒漠草原類、草原化荒漠類、干荒漠類和灌叢草原類草地的蒸散主要呈持續(xù)下降趨勢(shì)；未來趨勢(shì)由上升轉(zhuǎn)下降的草地主要分布在中部干旱帶，多為干草原、荒漠草原和草原化荒漠；由下降轉(zhuǎn)上升的草地主要分布在北部灌區(qū)周邊，多為荒漠草原及草原化荒漠。

圖8 年際ET變化趨勢(shì)(A)與顯著性檢驗(yàn)(B)Fig.8 Spatial distribution of trend (A) and significance test (B) of ET in study area

圖9 寧夏草地蒸散的Hurst指數(shù)(A)和持續(xù)性特征(B)Fig.9 Hurst (A) and sustainability (B) of inter-annual ET of grassland in Ningxia

圖10 寧夏草地蒸散的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.10 Histogram of inter-annual ET of grassland in Ningxia

3 討論

決定地表蒸散的因素主要有地表入射能量、區(qū)域氣象條件和地表下墊面條件[33]，土壤含水量不足且其他條件不變時(shí)，地表蒸散量主要受水分來源控制[34]，而干旱半干旱地區(qū)天然草地的蒸散來源主要依靠降水，故寧夏草地對(duì)降水變化尤其敏感。本研究得出，寧夏草地95.99%的區(qū)域蒸散與降水顯著相關(guān)，這與田靜等[33]關(guān)于中國(guó)蒸散決定因素的研究結(jié)果一致，也與王鵬濤等[35]關(guān)于陜甘寧黃土高原區(qū)地表蒸散的影響因素研究得到的結(jié)果相近。另外，F(xiàn)eng等[36]指出黃土高原的人類活動(dòng)(退耕還林還草)是改變區(qū)域植被覆蓋度和蒸散的主要原因，本研究在蒸散空間分布圖中也發(fā)現(xiàn)個(gè)別地區(qū)的土地利用變化對(duì)天然草地的蒸散過程有一定影響，如賀蘭山東麓和中衛(wèi)南山臺(tái)子等，特色葡萄和硒砂瓜種植對(duì)區(qū)域?qū)幭牟莸卣羯⒌挠绊戄^為明顯，但由于這種土地利用變化區(qū)域分布零散，限于MOD16的空間分辨率，難以對(duì)這類區(qū)域展開詳細(xì)分析。

多種模型驅(qū)動(dòng)下的區(qū)域蒸散模擬存在一定差異，F(xiàn)eng等[36]利用LPJ、LPJ_GUESS、ORCHIDEE和CLM4CN陸地生態(tài)系統(tǒng)模型模擬發(fā)現(xiàn)，2000-2010年黃土高原自然條件下的蒸散量沒有顯著上升趨勢(shì)[(1.1±2.8) mm·年-1，P=0.71]；田靜等[33]利用NOAH 陸面過程模型研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)西北地區(qū)的蒸散呈0.25 mm·年-1的增加趨勢(shì)，該區(qū)草地的多年平均蒸散量為289.30 mm，高于MODIS模擬的寧夏草地多年平均蒸散量(228.03 mm)，這與研究區(qū)范圍有關(guān)，但均發(fā)現(xiàn)寧夏草地蒸散的變化趨勢(shì)不顯著。Chen等[18]將8種蒸散模型的模擬結(jié)果與渦度相關(guān)通量觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，盡管基于彭曼公式的MOD16模型模擬的蒸散量絕對(duì)精度不是最高，但仍可解釋61%的實(shí)際蒸散量變化，即在研究區(qū)域年際蒸散量相對(duì)變化時(shí)，MOD16有較高的可信度。

對(duì)比寧夏各類型草地的月平均蒸散特征發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度較低的草原化荒漠類、干草原類、干荒漠類、灌叢草原類和荒漠草原類草地的蒸散精度偏低，冬、春季的蒸散普遍高于夏、秋季，這與該地區(qū)年內(nèi)降水分布和太陽輻射特征存在矛盾，何慧娟等[37]在陜西地表蒸散變化的研究中也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。通過分析MOD16算法中改進(jìn)的Penman-Monteith公式可以發(fā)現(xiàn)，葉面積指數(shù)和低植被覆蓋地區(qū)表面阻抗的不準(zhǔn)確界定導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量的估算出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響到MOD16低植被覆蓋草原區(qū)的反演精度，這與大尺度的MOD16精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果一致[20]。因此，隨著寧夏區(qū)內(nèi)EC通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累，有必要對(duì)低植被覆蓋度草地的遙感蒸散數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，準(zhǔn)確界定表面阻抗等參數(shù)，對(duì)遙感蒸散模型的參數(shù)進(jìn)行本地化處理。

4 結(jié)論

基于2000-2014年MOD16遙感蒸散數(shù)據(jù)和同期氣象資料，利用回歸分析、相關(guān)分析和R/S分析等方法，分析了寧夏草地近15年來的蒸散時(shí)空特征及演變規(guī)律，并討論了蒸散變化的影響因素，取得如下研究結(jié)論：

1)2000-2014年，寧夏草地蒸散量介于177.51～274.43 mm，平均值為228.03 mm；受降水的年際波動(dòng)影響，全區(qū)草地蒸散呈不顯著的上升趨勢(shì)(P>0.05)；不同草地類型的年蒸散量按照“草甸草原類>山地草甸類>灌叢草甸類>干草原類>低濕地草甸類>沼澤類>荒漠草原類>草原化荒漠類>干荒漠類>灌叢草原類”的順序遞減，不同類型草地蒸散的年內(nèi)動(dòng)態(tài)特征差異明顯。

2)寧夏草地多年平均蒸散量具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，總體呈現(xiàn)南高北低的分布格局，北部最低為135.84 mm，南部最高可達(dá)732.12 mm，但變異系數(shù)總體不高，波動(dòng)性不強(qiáng)，人類生產(chǎn)活動(dòng)改變土地利用類型對(duì)局部蒸散的影響不容忽視。

3)近15年，寧夏北部草地的蒸散以減弱為主，降幅自北向南遞減；而中部和南部草地的蒸散以增強(qiáng)為主，增幅自北向南遞增，但大部分草地的蒸散變化幅度較小，總體變化趨勢(shì)不顯著。

4)Hurst分析表明，寧夏草地蒸散呈持續(xù)性序列的比重為76.17%，反持續(xù)性序列占比23.83%，全區(qū)草地蒸散的正向特征顯著，趨勢(shì)發(fā)生反轉(zhuǎn)的草地比例較小，且多為分布在中部干旱帶和灌區(qū)周邊的草原化荒漠類、荒漠草原類和干草原類草地。

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