孔晶晶，昝 梅*，張振東

（1.新疆師范大學(xué)，烏魯木齊830054；2.山東師范大學(xué)，濟(jì)南250358）

0 引 言

【研究意義】蒸散發(fā)是水文循環(huán)過程中自降水到達(dá)地面后由液態(tài)(或固態(tài))轉(zhuǎn)化為水汽返回大氣的一個(gè)階段。指水分子從蒸發(fā)面即物體表面，向大氣逸散的現(xiàn)象。水量消耗的主要途徑之一是蒸散發(fā)[1]，是水循環(huán)過程中不可缺少的一部分，與水分和熱量各要素之間關(guān)系的協(xié)調(diào)以及能量保持相對(duì)平衡有著非常緊密的聯(lián)系[2]?，敿{斯河流域是沙漠、綠洲、山地3 種地貌類型共同存在的干旱半干旱地區(qū)，水資源比較珍貴[3]。蒸散量的變化對(duì)流域原生態(tài)發(fā)展和人類活動(dòng)有很大的影響，因此，深入了解瑪納斯河流域蒸散發(fā)時(shí)空特征，對(duì)該地區(qū)水資源分布和利用有著極其重要的意義[2]。

【研究進(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于蒸散的研究較多[1]。靖娟利等[4]運(yùn)用Theil-Sen 中值趨勢(shì)分析法及Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對(duì)流域內(nèi)ET的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究；鄧興耀等[5]運(yùn)用變異系數(shù)、Theil-Sen median 趨勢(shì)分析與Mann-Kendall 檢驗(yàn)和Hurs 指數(shù)法對(duì)中國天山山區(qū)蒸散發(fā)的空間和時(shí)間變化特征及未來趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析[5]；美國NASA 團(tuán)隊(duì)根據(jù)Penman-Monteith遙感模型和MODIS 數(shù)據(jù)，于2011年發(fā)布了全球陸地蒸散數(shù)據(jù)集（MOD16）[6-10]。MOD16 產(chǎn)品提供了表面蒸散的各種特征參數(shù)。該數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確度達(dá)86%，已在全球范圍內(nèi)廣泛使用[11-13]。

近年來，瑪納斯河流域水資源利用情況、生態(tài)服務(wù)價(jià)值、水資源的合理調(diào)配是許多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[14]，但多集中在降水、土地利用、河川徑流的變化等方面[15]。ET與能量平衡、水熱平衡有著非常緊密的聯(lián)系，對(duì)水資源分布和利用有著十分重要的意義?！厩腥朦c(diǎn)】目前而言，對(duì)區(qū)域蒸散發(fā)的研究主要是集中在對(duì)大片區(qū)域的研究，研究新疆整個(gè)區(qū)域的相關(guān)文章較多，而有關(guān)瑪納斯河小流域ET的系統(tǒng)研究還不完善。因此，利用長(zhǎng)時(shí)間序列的最新氣象資料來開展瑪納斯河流域ET時(shí)空變化規(guī)律及ET與氣候因素的相互關(guān)系研究將是重要的研究方向[3]。本文主要研究了ET與氣溫和降水量2 個(gè)氣候因素的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上探討了影響瑪納斯河流域蒸散發(fā)量變化的原因。

【擬解決的關(guān)鍵問題】利用2000、2005、2010、2015、2018年5 期空間分辨率為500 m 的MOD16產(chǎn)品以及氣象數(shù)據(jù)，分別以年尺度和季節(jié)尺度分析瑪納斯河流域ET的時(shí)空分布特征及變化趨勢(shì)和不同土地利用類型ET的變化特征，最后分析溫度和降水對(duì)ET的影響。為該流域估算生態(tài)需水量和水資源合理分配提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域坐落在天山北麓中部，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理位置43°03′—46°02′N，84°50′—86°36′E，研究區(qū)面積3.35×104km2?，敿{斯河流域?yàn)楦珊祬^(qū)典型的山盆結(jié)構(gòu)，從南到北地貌類型依次為上游山區(qū)，中游綠洲平原區(qū)和下游荒漠地區(qū)，為典型的“山地-綠洲-荒漠”地形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。海拔最高5 152 m，主要河流有塔西河、金溝河、瑪納斯河等，該流域年均降水量114～200 mm，年均潛在蒸發(fā)量在1 500～2 100 mm，主要集中在夏季，時(shí)空分布不均。近18年來年均氣溫7.7 ℃，最高氣溫42 ℃，最低氣溫-39.3 ℃，瑪納斯河流域年均風(fēng)速1.5 m/s，氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)量大，氣溫年較差大?，敿{斯河流域位于天山北坡，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation map of research area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)

MOD16 地表蒸散發(fā)產(chǎn)品來源于美國國家航空航天局（https://search.earthdata.nasa.gov/）。全球陸地蒸散數(shù)據(jù)集產(chǎn)品（MOD16）包括3 種時(shí)間分辨率，分別為8 d、月以及年，空間分辨率有500 m、1 km。根據(jù)MOD16 產(chǎn)品數(shù)據(jù)在中國區(qū)域的行列號(hào)排列情況，本文下載了2000、2005、2010、2015、2018年共5 期時(shí)間分辨率為8 d、空間分辨率為500 m 的MOD16A2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)。選取研究區(qū)的行列號(hào)為h23v04和h24v04。用MRT（MODIS Reprojection Tool）工具將原數(shù)據(jù)的格式（.hdf）提取轉(zhuǎn)換為柵格（.tif）格式，再投影轉(zhuǎn)換和拼接，將原有的投影轉(zhuǎn)換為UTM投影（Universal Transverse Mercator，通用橫軸墨卡托投影），最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪提取并獲取研究區(qū)各月、季、年的ET值。

1.2.2 土地覆蓋數(shù)據(jù)

土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局的MCD12Q1 產(chǎn)品。MCD12Q1 產(chǎn)品時(shí)間序列為2000、2005、2010、2015、2018年，時(shí)間分辨率為年尺度，空間分辨率為500 m，包括17 種土地覆蓋類型。MCD12Q1 土地覆蓋數(shù)據(jù)反映了瑪納斯河流域植被面積的年度動(dòng)態(tài)變化過程。本文重點(diǎn)分析瑪納斯河流域內(nèi)主要土地覆蓋類型的變化特征，將17 種土地覆蓋數(shù)據(jù)重分類為草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域和未利用地6 種土地利用類型，如圖2。

圖2 2018年土地利用類型Fig.2 Land use types

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包括2000、2005、2010、2015、2018年5 期瑪納斯河流域氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)。本研究選取了瑪納斯河流域的莫索灣、炮臺(tái)、石河子、瑪納斯、沙灣、烏蘭烏蘇6 個(gè)氣象觀測(cè)站的2000、2005、2010、2015、2018年月尺度序列的降水、溫度、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)。利用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)MOD16產(chǎn)品做了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明MOD16 產(chǎn)品數(shù)據(jù)在研究區(qū)ET的精度較好，可以滿足本研究的工作。

1.2.4 DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)

DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），空間分辨率為90m。DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)直觀反映了瑪納斯河流域的地形和地貌特征。本文對(duì)DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算分析、拼接、裁剪、異常值處理、投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，得到瑪納斯河流域的DEM（圖1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪納斯河流域蒸散發(fā)量的分布特征

2.1.1 蒸散發(fā)量的時(shí)間分布特征

在年際尺度上，平均ET的時(shí)間分布特征2000—2018年期間瑪納斯河流域地表ET年際變化如圖3 所示。平均ET波動(dòng)范圍為179.50～270.21 mm 之間，多年平均ET為222.27 mm；明顯超出多年ET均值的年份是2015年和2018年，其中2018年ET最高，超出平均值47.94 mm，年ET波動(dòng)最為突出，距平相對(duì)變化率為21.57%；ET最小值出現(xiàn)在2000年，為179.5 mm，距平相對(duì)變化率為-19.24%。線性回歸（圖3）表明，2000—2018年，蒸散發(fā)量以19.891 mm/a 的增長(zhǎng)率大幅增加。線性回歸R2為0.918 6，說明2000—2018年瑪納斯河流域蒸散發(fā)量與時(shí)間擬合效果較好，隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)。

圖3 瑪納斯河流域ET年際變化Fig.3 Interannual change of ET in Manas River Basin

年內(nèi)季尺度上對(duì)瑪納斯河流域的ET進(jìn)行了分析，如圖4，把一年劃分為4 個(gè)季節(jié)，具體為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），ET的年內(nèi)主要分布情況處于先增大后減少的變化趨勢(shì)。將四季平均ET值重分類成不同等級(jí)，可以看出瑪納斯河流域ET存在明顯的季節(jié)差異性。各季節(jié)平均值分別為55.29、102.02、50.98、28.45 mm，ET在夏季最高，其次為春季、秋季，冬季最少；春季（3—5月）蒸散發(fā)ET處于增加趨勢(shì)，3月開始?xì)鉁芈?、降水量逐漸增多、植物生長(zhǎng)發(fā)芽需要大量的水，ET也隨之升高；夏季（6—8月）太陽輻射最強(qiáng)烈，氣溫增溫強(qiáng)烈，受夏季風(fēng)的影響，雨量充沛，植物生長(zhǎng)旺盛，蒸騰作用和土壤蒸發(fā)更強(qiáng)烈，ET達(dá)到最大值，因此夏季的ET值最高。秋季（9—11月）太陽直射點(diǎn)逐漸向南移動(dòng)，溫度隨之逐漸降低，植被開始枯萎、凋落，降雨減少，ET隨之急劇減少；冬季（12—2月）太陽直射點(diǎn)在赤道以南到南回歸線，輻射最小，氣溫最低、降水量少，植被已經(jīng)枯敗，幾乎沒有蒸騰作用，因此冬季的ET值最低。

圖4 瑪納斯河流域四季ET 的時(shí)間分布Fig.4 Temporal distribution of ET in four seasons of Manas River Basin

2.1.2 蒸散發(fā)量的空間分布特征

瑪納斯河流域多年ET均值在16.08～598.77 mm/a，表現(xiàn)出顯著的空間差異性，整體上呈南部高、中部次之、北部最低，流域上中游高，下游低的分布格局。由圖5 可知，流域內(nèi)多年平均ET峰值出現(xiàn)在林地、流域南部草地以及和耕地接壤部分，達(dá)到598.77 mm/a，ET的高值區(qū)域集中在瑪納斯河流域中部的耕地和建設(shè)用地南部及南部的高山區(qū)域，而低值區(qū)域則主要分布在克拉瑪依區(qū)南部、沙灣縣和瑪納斯縣的北部以及呼圖壁縣北部的部分地區(qū)，其ET值小于100 mm/a。

圖5 瑪納斯河流域多年ET 平均值空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual ET in Manas River Basin

由圖6 可知，瑪納斯河流域ET大面積呈增加趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在草地類型上；流域中部蒸散量變化不明顯，中部土地利用類型以耕地為主。蒸散發(fā)量大概呈南部降低、中北部升高的趨勢(shì)，與其土地利用類型正好相對(duì)。大幅度減少的面積約占整個(gè)盆地的25%，主要集中在山區(qū)和城鎮(zhèn)附近；蒸散量的變化受氣候條件和人類活動(dòng)的聯(lián)合影響，相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)表明，近年來，流域降水量呈明顯減少趨勢(shì)。2000—2018年，草地面積減少了6.34%，未利用地面積減少了3.5%，而耕地面積則增加了9.23%。可能是由于近年來建設(shè)用地的擴(kuò)張，耕地的開墾和降水減少以及全球氣候變暖等的綜合影響，導(dǎo)致了平原區(qū)耕地的ET增加不顯著；高海拔丘陵地區(qū)的ET顯著減少可能受氣候、地形及其構(gòu)造的影響。

圖6 瑪納斯河流域多年平均ET 變化趨勢(shì)空間分布Fig.6 Spatial distribution of annual average ET change trend in Manas River Basin

2.2 不同土地利用類型的差異

2.2.1 土地利用變化分析

2000—2018年土地利用面積變化情況如圖7 所示，草地、未利用地和耕地所占瑪納斯河流域面積的比例比較大，平均占比分別為47.67%、33.45%和16.38%，可見，草地、未利用地和耕地為該流域最主要的土地利用類型。2000—2018年耕地面積呈顯著的增加趨勢(shì)，其中2005—2010年耕地面積顯著增加，增長(zhǎng)率高達(dá)35.27%，2010—2015年增長(zhǎng)率達(dá)到17.58%；林地面積在2000—2005年急劇減少，但在2015—2018年林地面積緩慢增加，增長(zhǎng)率為14.57%；2000—2018年草地面積變化比較大，呈明顯的減少趨勢(shì)，其中2000年草地面積占比為51.27%，到2018年占到總土地利用面積的44.92%，2005—2010年草地面積明顯減少，減少率為7.12%，2010—2015年草地面積減少率為5.92%。水域的面積從2000年到2010年的變化不大，但2010—2018年水域的面積呈增加趨勢(shì)，面積增長(zhǎng)率為37.51%，2018年水域面積占總面積的2.45%；建設(shè)用地面積變化呈穩(wěn)定的小幅增長(zhǎng)；未利用地占流域總面積的30%以上，并且未利用面積趨于減少。尤其是近幾年，水域、林地、草地增幅較顯著，未利用地面積顯著減少，正反映了瑪納斯河流域的生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。

圖7 不同土地類型面積變化Fig.7 Area change of different land types

2.2.2 不同土地利用類型的蒸散發(fā)特征

流域內(nèi)，蒸散發(fā)量受不同土地利用類型影響，產(chǎn)生的結(jié)果存在差異，為了揭示瑪納斯河流域不同土地利用類型的蒸散特征，使用ArcGIS 中的提取分析功能，分別提取瑪納斯河流域不同土地利用類型的年均蒸散發(fā)量。各類土地利用的平均蒸散發(fā)量表現(xiàn)為林地（418.65 mm）>水域（302.36 mm）>耕地（257.32 mm）>未利用地（222.00 mm）>建設(shè)用地（218.10 mm）>草地（207.04 mm）。

表1 為瑪納斯河流域各類土地利用的平均蒸散發(fā)量。2000—2005年，瑪納斯河流域水域的平均蒸散發(fā)量有所減少，其他土地利用的平均蒸散發(fā)量都有不同程度的增加，其中耕地、未利用地的平均蒸散發(fā)量增加幅度最大，建設(shè)用地、草地的平均蒸散發(fā)量增加幅度次之，林地的平均蒸散發(fā)量增加幅度最?。?005—2010年，各類土地利用的平均蒸散發(fā)量增加幅度最大的為建設(shè)用地，其次為未利用地，再次為草地，水域的平均蒸散量依然處于減少趨勢(shì)，而林地的平均蒸散量也出現(xiàn)減小趨勢(shì)；2010—2015年各種土地利用類型的平均蒸散量變化幅度不大；2015—2018年，各類土地利用的平均蒸散發(fā)量均有增加，不同土地利用的平均蒸散發(fā)量增加程度表現(xiàn)為建設(shè)用地>未利用地>耕地>草地>水域>林地；2000—2018年，不同土地利用的平均蒸散發(fā)量增加程度從大到小排列為未利用地、耕地、建設(shè)用地、草地、林地、水域，其中水域的平均蒸散量有輕微的減少。

表1 各類土地利用的平均蒸散量Table 1 Average evapotranspiration of various land uses mm

由表1 可知，建設(shè)用地的平均ET值和未利用地比較接近，林地的平均ET最高。2018年各土地利用類型的蒸散發(fā)都顯著增加。而林地的蒸散發(fā)量在2010年有波動(dòng)，總體呈增加趨勢(shì)；2000—2015年，水域的平均ET值逐年減少，在2018年有明顯的回升。草地的平均ET逐年增加；其他土地利用類型的平均ET都有明顯的波動(dòng)，但總體呈增加趨勢(shì)。

2.3 蒸散發(fā)量與影響因素相關(guān)性分析

ET受到氣溫、降水等多種因素的共同影響。將2000—2018年MODISET的均值、降水量和氣溫分別做一元線性回歸分析（圖8），探討瑪納斯河流域蒸散發(fā)量隨時(shí)間變化的特征及相關(guān)性。2000—2018年，全流域蒸散發(fā)量分布在179.50～270.21 mm，最小值在2000年，最大值在2018年（270.21 mm）。降水量的變化率為-5.108 7 mm/a，氣溫的變化率為0.032 9 mm/a。在2010年溫度有降低，降水增加明顯，是因?yàn)?010年瑪納斯河流域突發(fā)暴雪，造成特大洪水災(zāi)害[16-17]，而2010年ET呈上升趨勢(shì)，說明在2010年降水對(duì)ET的影響比較大。氣溫在2015年顯著增加，降水量在2015年明顯減少，是因?yàn)?015年干旱比較嚴(yán)重[18]，而在2015年，ET值也有增加，但增加的程度不大，說明在2015年ET受溫度的影響比較大，同時(shí)在2015年林地和水域的蒸散發(fā)量也比較大，瑪納斯河流域?yàn)榫G洲灌溉區(qū)，在2015年耕地面積大幅增加，灌溉農(nóng)業(yè)抽取地下水，進(jìn)一步提高了蒸散發(fā)量。分析瑪納斯河流域ET與氣溫、降水的相關(guān)性得知，該流域ET與氣溫正相關(guān)；與降水呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 氣溫、年降水量、ET 變化Fig.8 Temperature,annual precipitation and ET change

3 討論

瑪納斯河流域是新疆最大的棉花種植區(qū)之一，水分利用效率對(duì)棉花的生長(zhǎng)非常重要，具有研究?jī)r(jià)值。蒸散發(fā)是水循環(huán)過程中不可缺少的一部分，而瑪納斯河流域利用MOD16 產(chǎn)品分析蒸散發(fā)的研究較少，本文利用MOD16 蒸散產(chǎn)品結(jié)合研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)氣象站數(shù)據(jù)，分析瑪納斯河流域ET時(shí)空分布規(guī)律，說明MOD16 蒸散發(fā)產(chǎn)品對(duì)瑪納斯河流域有一定的適用性，對(duì)今后深入了解瑪納斯河流域蒸散發(fā)時(shí)空特征對(duì)該區(qū)域節(jié)水灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上，本文分別探討了不同氣象因子、土地利用類型及與蒸散發(fā)的定量關(guān)系。此外，本文與張?zhí)氐萚11]、楊秀芹等[12]、佟斯琴等[19]的論文相比，對(duì)土地類型的劃分比較精細(xì)；在數(shù)據(jù)方面，時(shí)間比較新且序列長(zhǎng)。因此，本文在分析蒸散發(fā)對(duì)瑪納斯河流域的影響也得出了對(duì)比較精細(xì)的結(jié)論。

基于2000—2018年MOD16 蒸散發(fā)產(chǎn)品分析瑪納斯河流域近18年蒸散發(fā)的時(shí)空變化格局。探討蒸散發(fā)增加的可能原因是耕地和灌溉面積增加提高了蒸散發(fā)量[20-21]。此外，地形、植被覆蓋、降水強(qiáng)度，植被截流、土壤下滲等因素都會(huì)對(duì)蒸散發(fā)量產(chǎn)生一定的影響[22]。除此之外，氣候變化和人類活動(dòng)的綜合作用也會(huì)影響蒸散發(fā)。以后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步利用定量的方法研究ET反演的敏感性，提高后續(xù)反演ET產(chǎn)品的精度，綜合考慮氣象因子對(duì)蒸散發(fā)的影響，深入研究蒸散發(fā)及發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1）不同土地利用的平均蒸散發(fā)量表現(xiàn)為林地>水域>耕地>未利用地>建設(shè)用地>草地。

2）瑪納斯流域蒸散發(fā)量最高的季節(jié)是夏季，其次為春季、秋季，冬季的蒸散發(fā)量最少；多年平均ET為222.27 mm，2018年ET最高，超出平均值47.94 mm，2000—2018年，蒸散發(fā)量整體上大幅增加，蒸散發(fā)量增長(zhǎng)率為19.891 mm/a。

3）瑪納斯河流域多年ET均值在16.08～598.77 mm/a 之間。表現(xiàn)出顯著的空間差異性，整體上呈南部高、中部次之、北部最低，流域上中游高，下游低的分布格局。由于水熱資源和植被土壤的分布情況受地勢(shì)差異的影響，土壤蒸散發(fā)量也因此會(huì)產(chǎn)生差異。而瑪納斯河流域的地貌分布差異顯著，再加上季節(jié)變化造成的水熱資源改變，瑪納斯河流域四季蒸散發(fā)量的空間分布差異非常明顯。