宋進(jìn)喜,高雋清,李曉鑫,毛瑞晨,史阿瑩

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127;2.陜西省黃河研究院,陜西 西安 710127)

蒸散發(fā)(evapotranspiration)是指從地球表面輸送到低層大氣的總水蒸氣通量,是水循環(huán)和表面能量平衡的關(guān)鍵組成部分[1]。全球降雨近60%最終通過(guò)蒸散發(fā)回到大氣,并且隨著氣候變暖這個(gè)比例仍在增長(zhǎng)。氣候變化對(duì)蒸散發(fā)的影響已經(jīng)引起了關(guān)注,人為改變土地類(lèi)型(生態(tài)恢復(fù)工程、城市化)也被發(fā)現(xiàn)對(duì)蒸散發(fā)有著一定程度的影響,并且影響著區(qū)域水資源的分配。

黃土高原是我國(guó)主要的半干旱地區(qū),是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域,是世界上嚴(yán)重缺水、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的地區(qū)之一[2-4]。為了改善黃土高原水土流失狀況,自1999年以來(lái),國(guó)家相繼實(shí)施了一系列的生態(tài)修復(fù)治理工程,如退耕還林還草、封山育林、興修梯田、淤地壩等工程。退耕還林工程是目前中國(guó)最大的植被恢復(fù)項(xiàng)目,16 000 km2的旱地已經(jīng)被轉(zhuǎn)為非作物植被,過(guò)去近20年來(lái)植被覆蓋增加了25%,生態(tài)恢復(fù)效果顯著[5-6]。然而,大規(guī)模的生態(tài)修復(fù)工程帶來(lái)了新的生態(tài)問(wèn)題,包括徑流減少、植被退化、過(guò)度種植導(dǎo)致有限的土壤水分消耗并增加了實(shí)際蒸散發(fā),進(jìn)一步加劇了水資源的短缺[7-8]。

已有研究利用原位實(shí)驗(yàn)、蒸散發(fā)模型、全球蒸散發(fā)產(chǎn)品等對(duì)黃土高原蒸散發(fā)的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析。原位實(shí)驗(yàn)受制于實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方法,只能對(duì)黃土高原典型流域進(jìn)行小范圍的研究[9],例如渦度相關(guān)法[10],大孔徑閃爍儀[11]、蒸滲儀[12],并且這些實(shí)測(cè)方法通常只能在單株、樣地或景觀尺度上進(jìn)行,無(wú)法解釋區(qū)域尺度的水文變化情況。蒸散發(fā)模型可以模擬物理機(jī)理,但各類(lèi)蒸散發(fā)模型的計(jì)算方法在物理過(guò)程、參數(shù)化方案以及驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)等方面都存在較大差異。相比較而言,多元回歸方法對(duì)蒸散發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析簡(jiǎn)單易行,能夠直觀反映不同要素對(duì)于蒸散發(fā)的影響,并且對(duì)不同要素對(duì)蒸散發(fā)的影響進(jìn)行量化。黃土高原退耕還林還草政策實(shí)施使得黃土高原植被覆蓋發(fā)生了顯著變化,對(duì)水文過(guò)程產(chǎn)生重要影響,但已有的研究更多集中在植被覆蓋變化對(duì)河川徑流等過(guò)程的影響,蒸散發(fā)變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理的研究仍有欠缺。研究表明,蒸散發(fā)與降雨、溫度、日照時(shí)間、飽和水汽壓差、風(fēng)速等氣象要素以及植被變化有關(guān)[13-14],但是已有研究大多集中在其中2～3個(gè)要素對(duì)蒸散發(fā)的影響,并且這些要素對(duì)蒸散發(fā)組分的影響尚不明確。

鑒于此,本文基于黃土高原氣象數(shù)據(jù)(降雨、溫度、日照時(shí)間、飽和水汽壓差、風(fēng)速)、MOD13A3 EVI和GLEAM v3.7a遙感產(chǎn)品,采用趨勢(shì)分析和多元回歸殘差分析等統(tǒng)計(jì)方法,分析2001—2020年黃土高原蒸散發(fā)及其組分的時(shí)空變化特征,探究氣象、植被和非植被下墊面變化對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響,定量評(píng)估不同影響因素的相對(duì)貢獻(xiàn)率,旨在為科學(xué)認(rèn)識(shí)黃土高原蒸散發(fā)變化機(jī)理以及促進(jìn)水資源可持續(xù)利用管理提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于黃河中上游(33°43′～41°16′N(xiāo),100°54′～114°33′E)(見(jiàn)圖1), 具有典型的大陸季風(fēng)氣候特征, 春冬季寒冷干燥, 夏季炎熱多雨, 年均氣溫3.6～14.6 ℃, 降水200～800 mm, 日照時(shí)數(shù)4～8 h, 蒸發(fā)量1 400～2 000 mm, 蒸散發(fā)及其組分的分布具有明顯的空間異質(zhì)性, 自東南向西北逐漸遞減。 從歷史上大規(guī)模的農(nóng)田開(kāi)墾和亂砍濫伐, 到如今生態(tài)修復(fù)措施的開(kāi)展以及城鎮(zhèn)化, 都影響著黃土高原水資源的利用與分配。 在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下, 黃土高原成為全球水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣溫、濕度、降水等氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。2001—2020 年黃土高原及其周?chē)?56個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測(cè)日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),利用ArcGIS 10.7空間分析模塊的克里金插值方法對(duì)其進(jìn)行插值。飽和水汽壓差(vapor pressure deficit,VPD)采用袁瑞瑞[16]等的方法進(jìn)行計(jì)算。植被數(shù)據(jù)選擇增強(qiáng)型植被指數(shù)MOD13A3 EVI產(chǎn)品,來(lái)源于美國(guó)航空航天局,空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為30 d,MODIS數(shù)據(jù)在全球及區(qū)域植被變化研究、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面,有著廣泛的應(yīng)用前景。GLEAM(global land evaporation amsterdam mode)數(shù)據(jù)產(chǎn)品利用降水、土壤水分和植被含水率作為限制條件對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行估算,并且計(jì)算了全球陸面蒸散發(fā)不同組成部分。已有研究證實(shí)GLEAM 數(shù)據(jù)在中國(guó)不同植被類(lèi)型中的模擬精度較好[17-18],因此本文選擇 GLEAM v3.7a產(chǎn)品2001—2020年蒸散發(fā)及其組分?jǐn)?shù)據(jù),并對(duì)其重采樣至5 km。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析

采用基于像元的 Slope 一元線性回歸計(jì)算2001—2020年蒸散發(fā)及其組分的年際變化趨勢(shì)。Slope 的計(jì)算公式為

Slope=

(1)

式中:Slope為蒸散發(fā)及其組分?jǐn)M合的一元線性回歸方程的斜率(mm/a);n為時(shí)間序列長(zhǎng)度;ETi為第i年的蒸散發(fā)及其組分的觀測(cè)值。Slope>0表示蒸散發(fā)及其組分隨時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì),Slope<0表示呈減少趨勢(shì),Slope絕對(duì)值越大,表明蒸散發(fā)及其組分變化越快。

1.3.2 多元回歸殘差分析

以氣象要素、植被數(shù)據(jù)為自變量,蒸散發(fā)及其組分為因變量構(gòu)建多元線性回歸方程,

ETi=β0+∑βi×xi

(2)

式中:xi為氣象因子及植被因子(降雨、溫度、日照時(shí)數(shù)、飽和水汽壓差、風(fēng)速、增長(zhǎng)型植被指數(shù));βi為回歸系數(shù)。

基于氣象要素、植被數(shù)據(jù)以及回歸方程,計(jì)算得到ETi的模擬值ETi sim,用來(lái)表示氣候和植被因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響;計(jì)算ETi觀測(cè)值ETi obs和模擬值ETi sim的差值,即ETi殘差(ETi others),用來(lái)表示非植被下墊面因子對(duì)ETi的影響,包括水土保持措施、水庫(kù)調(diào)蓄等。計(jì)算公式為

ETi others=ETi obs-ETi sim

(3)

式中:ETi sim為多元回歸方程的ETi模擬值(mm);ETi others為ETi殘差(mm);ETi obs為觀測(cè)值(mm)。

1.3.3 ETi變化驅(qū)動(dòng)因素判定及貢獻(xiàn)率

根據(jù)公式(1)計(jì)算黃土高原2001—2020年ETi obs、ETi sim和ETi others的Slope變化趨勢(shì)。Slope(ETi sim)和Slope(ETi others)分別代表在氣候與植被因子和非植被下墊面因子影響下蒸散發(fā)及其組分的變化趨勢(shì),趨勢(shì)率為正表示氣候與植被因子或非植被下墊面因子導(dǎo)致蒸散發(fā)及其組分的增加,對(duì)蒸散發(fā)及其組分具有促進(jìn)作用;反之,表示會(huì)導(dǎo)致蒸散發(fā)及其組分的下降,對(duì)蒸散發(fā)及其組分具有抑制作用。為了更好地評(píng)價(jià)對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響,根據(jù)Slope(ETi sim)和Slope(ETi others)的變化趨勢(shì),將影響程度分為8個(gè)等級(jí),即極大促進(jìn)、明顯促進(jìn)、中度促進(jìn)、輕微促進(jìn)、輕微抑制、中度抑制、明顯抑制、極大抑制(見(jiàn)表1)。

表1 氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響分級(jí)

Tab.1 Classification of the impacts of the climate-vegetation factor and the non-vegetation underlying surface factor on evapotranspiration and its components

根據(jù)金凱[19]的方法計(jì)算黃土高原氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)ETi變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率(見(jiàn)表2)。

表2 ETi變化的驅(qū)動(dòng)因子判定標(biāo)準(zhǔn)及貢獻(xiàn)率Tab.2 The criteria for determining the driving factors of ETi change and the contribution rate

對(duì)公式(2)擬合后的回歸系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計(jì)算公式為

(4)

標(biāo)準(zhǔn)化后的回歸系數(shù)絕對(duì)值可以反映氣象因子、植被因子對(duì)ETi的變化的影響程度,通過(guò)運(yùn)算,可以得到氣象、植被單驅(qū)動(dòng)因子對(duì)ETi變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率[20]。計(jì)算公式為

Ci=

(5)

式中:Ci為氣象因子和植被對(duì)ETi的相對(duì)貢獻(xiàn)率(%);βi為各個(gè)驅(qū)動(dòng)因子的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù),無(wú)量綱;Csim為氣候和植被的綜合作用對(duì)ETi的相對(duì)貢獻(xiàn)率(%)。

2 結(jié)果

2.1 蒸散發(fā)模擬結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)公式(2)構(gòu)建的蒸散發(fā)多元線性回歸方程,輸入氣象因子和植被因子數(shù)據(jù),得到2001—2020年黃土高原蒸散發(fā)模擬值,并將得到的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)數(shù)據(jù),與GLEAM v3.7a蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,模擬值與GLEAM v3.7a數(shù)據(jù)比值越接近1,說(shuō)明模擬情況良好。結(jié)果表明,模擬值可以很好地模擬黃土高原蒸散發(fā)值(y=0.884 6x+49.352,R2=0.708 9),可以進(jìn)行后續(xù)有關(guān)蒸散發(fā)時(shí)空變化特征、貢獻(xiàn)率等研究(見(jiàn)圖2)。

圖2 黃土高原蒸散發(fā)模擬值與GLEAM v3.7a數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證Fig.2 Compared with the simulated evapotranspiration and GLEAM v3.7a data

2.2 蒸散發(fā)及其組分的時(shí)空變化特征

蒸散發(fā)(E)由土壤蒸發(fā)(Eb)、截留蒸發(fā)(Ei)、植被蒸騰(Et)、積雪升華(Es)、開(kāi)放水域蒸發(fā)(Ew)等組成,對(duì)于黃土高原來(lái)說(shuō),積雪升華和開(kāi)放水域蒸發(fā)可以忽略不計(jì)。對(duì)黃土高原蒸散發(fā)及其組分年蒸散量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖3所示,黃土高原蒸散發(fā)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),年均增長(zhǎng)2.869 4 mm(R2=0.384 6)。其中,土壤蒸發(fā)年均下降 1.405 4 mm(R2=0.741 5),且土壤蒸發(fā)占蒸散發(fā)的比重逐漸減少(R2=0.591 3),從2001年的31.93%下降到2020年的20.82%。截留蒸發(fā)和植被蒸騰均隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),截留蒸發(fā)年均增長(zhǎng)0.354 mm(R2=0.694 6),且占比逐年增加(R2=0.775 9);植被蒸騰年均增長(zhǎng)3.716 5 mm(R2=0.527 1),且占比增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯(R2=0.571)。

圖3 黃土高原蒸散發(fā)及其組分年際變化趨勢(shì)Fig.3 Interannual variation trend of evapotranspiration and its components in the Loess Plateau

利用2001—2020年GLEAM v3.7a 柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到黃土高原年均蒸散發(fā)及其組分的空間分布特征。如圖4(a)～(d)所示,黃土高原年均蒸散發(fā)為 412.30 mm,最高值為 645.06 mm,最低值為 141.58 mm,區(qū)域差異顯著,自東南向西北蒸散發(fā)逐漸減少,陜西、山西、河南西北部、甘肅南部、寧夏南部蒸散發(fā)較大,內(nèi)蒙古、寧夏北部蒸散發(fā)較小。從組分來(lái)看,年均土壤蒸發(fā)量為96.11 mm,最高值為244.32 mm,最低值為3.03 mm,東南部蒸發(fā)量較低,西北部蒸發(fā)量較高。年均截留蒸發(fā)量為12.25 mm,與其他蒸散發(fā)組分相比,分布較為平均,整體不高,僅有南部小部分地區(qū)超過(guò)100 mm。植被蒸騰呈現(xiàn)與蒸散發(fā)相似的空間分布特征,從東南向西北逐漸遞減,年均蒸騰量為298.122 mm,最高值為516.55 mm,最低值為3.53 mm。

圖4 黃土高原蒸散發(fā)及其組分年平均、變化趨勢(shì)、比例分配空間格局圖Fig.4 Spatial pattern of evapotranspiration and its components in the Loess Plateau(multi-year average, variation trend and proportion distribution)

黃土高原蒸散發(fā)及其組分的變化趨勢(shì)也具有明顯的空間異質(zhì)性,如圖4(e)～(h)所示,黃土高原81.80%的區(qū)域土壤蒸發(fā)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中顯著下降的區(qū)域占65.85%(p<0.1),主要分布在黃土高原中部、東部和南部,中部減少趨勢(shì)最為明顯。黃土高原65.58%的區(qū)域截留蒸發(fā)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),且 57.66%的區(qū)域通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(p<0.1),主要集中在黃土高原東南部,有34.42%的區(qū)域呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且4.46%的區(qū)域通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(p<0.1)。黃土高原87.27%的區(qū)域植被蒸騰呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),顯著增加的區(qū)域占70.21%(p<0.1),12.73%的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢(shì),顯著減少的區(qū)域僅占3.12%(p<0.1),主要分布在黃土高原南部?？傮w來(lái)看,黃土高原90.43%的區(qū)域蒸散發(fā)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),顯著增長(zhǎng)的區(qū)域占比 60.55%(p<0.1),主要分布在中部及北部地區(qū),中部等區(qū)域年均增長(zhǎng)超過(guò)了 4 mm,9.57%的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢(shì),顯著減少的區(qū)域只占比0.52%,主要分布在陜西中部和山西南部。

蒸散發(fā)各組分的比例分配空間格局有所不同,如圖4(i)～(k)所示,黃土高原西北部蒸散發(fā)的主要組分為土壤蒸發(fā),東南部主要為植被蒸騰,并且二者的比例分配空間格局呈現(xiàn)相反趨勢(shì),從西北至東南,土壤蒸發(fā)占比逐漸減少,而植被蒸騰逐漸增加。截留蒸發(fā)的比例分配空間格局與其年均蒸發(fā)量的空間格局相同,占比較低。植被蒸騰是黃土高原蒸散發(fā)最主要的組成部分,占比68.75%,其次是土壤蒸發(fā),占比27.34%,截留蒸發(fā)占比最少,僅為0.02%。

2.3 蒸散發(fā)及其組分變化驅(qū)動(dòng)力分析

氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響程度呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性,且不同組分其影響因素也有所不同。如圖5和表3所示,對(duì)蒸散發(fā)而言,氣候與植被因子的影響在-3.71～7.25 mm/a之間,非植被下墊面因子的影響在-3.03～6.63 mm/a之間。氣候與植被因子主要為促進(jìn)作用,占黃土高原的89.79%,主要集中在中部和北部地區(qū),中度促進(jìn)作用的占比最大,占黃土高原的37.49%;非植被下墊面因子也主要起促進(jìn)作用,其中輕微促進(jìn)作用占比最大,占黃土高原的69.08%。氣候與植被因子對(duì)土壤蒸發(fā)的影響在-6.51～3.11 mm/a之間,非植被下墊面因子的影響在-3.82～2.76 mm/a之間,土壤蒸發(fā)對(duì)氣候與植被因子和非植被下墊面因子的響應(yīng)呈現(xiàn)出與蒸散發(fā)相反的空間分布特征,氣候與植被因子主要為抑制作用,且分布廣泛,輕微抑制占比最多,為60.57%,在黃土高原中部地區(qū)甚至出現(xiàn)了極大抑制的情況,僅有18.59%為促進(jìn)作用,非植被下墊面對(duì)土壤蒸發(fā)也主要為抑制作用,輕微抑制占比77.48%。氣候與植被因子對(duì)截留蒸發(fā)的影響在-0.13～4.65 mm/a之間,非植被下墊面因子的影響在-0.42～1.65 mm/a之間,氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)截留蒸發(fā)的影響空間分布情況相似,促進(jìn)作用主要分布在黃土高原東南部,而抑制作用分布在西北部,影響最大的為輕微促進(jìn)作用,分別占比66.48%和62.87%。氣候與植被因子對(duì)植被蒸騰的影響在-5.84～12.5 mm/a之間,非植被下墊面因子的影響在4.09～7.59 mm/a之間,植被蒸騰與蒸散發(fā)的影響因素有著相似的空間分布特征,氣候與植被因子的促進(jìn)程度以黃土高原中部為中心向外逐漸遞減,中心為極大促進(jìn)作用,占比高達(dá)15.88%,非植被下墊面因子對(duì)植被蒸騰的影響主要為輕微促進(jìn)作用,占比為74.34%。

表3 氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分影響程度像元統(tǒng)計(jì)表

圖5 氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分影響程度空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of the influence degree of climate-vegetation factors and non-vegetation underlying surface factors on evapotranspiration and its components

綜合分析黃土高原蒸散發(fā)及其組分變化的影響因素可以看出(見(jiàn)圖6和表4),氣候與植被因子和非植被下墊面因子的綜合作用是黃土高原蒸散發(fā)及其組分變化最大的驅(qū)動(dòng)因素。導(dǎo)致黃土高原蒸散發(fā)增長(zhǎng)的因素中,氣候與植被因子和非植被下墊面因子的綜合作用影響區(qū)域最大,占黃土高原面積的66.16%,分布在東部和西部;其次是氣候與植被因子,占黃土高原面積的19.96%,主要分布在北部;最小的是非植被下墊面因子, 占黃土高原面積的3.52%, 主要分布在南部。 導(dǎo)致黃土高原蒸散發(fā)減少的驅(qū)動(dòng)因素中, 氣候與植被因子和非植被下墊面因子的綜合作用區(qū)域占3.58%,單獨(dú)由氣候與植被因子和非植被下墊面因子導(dǎo)致蒸散發(fā)減少的區(qū)域分別占2.85%和1.48%,主要集中在南部的城市群周?chē)?。氣候與植被因子和非植被下墊面因子的共同作用是導(dǎo)致黃土高原土壤蒸發(fā)減少的主要驅(qū)動(dòng)因素,占比68.93%,氣候與植被因子和非植被下墊面因子及其共同作用導(dǎo)致土壤蒸發(fā)增加的區(qū)域分別占4.88%、3.89%和9.29%,集中分布在西北部。影響截留蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)因素中,氣候與植被因子和非植被下墊面因子的共同作用影響區(qū)域最大,增長(zhǎng)作用占黃土高原面積的57.72%,分布在黃土高原東部及南部,減少作用占10.09%。導(dǎo)致植被蒸騰增加的驅(qū)動(dòng)因素中,氣候與植被因子和非植被下墊面因子的共同作用影響最大,占黃土高原面積的72.67%,氣候與植被因子、非植被下墊面因子及其共同作用導(dǎo)致植被蒸騰減少的區(qū)域分別占3.85%、1.31%和5.95%。

表4 蒸散發(fā)及其組分驅(qū)動(dòng)因素像元統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of driving factors to evapotranspiration and its components

圖6 蒸散發(fā)及其組分驅(qū)動(dòng)因素空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of evapotranspiration and its component driving factors

2.4 不同驅(qū)動(dòng)因素對(duì)蒸散發(fā)及其組分變化的相對(duì)貢獻(xiàn)

分析不同驅(qū)動(dòng)因素對(duì)黃土高原蒸散發(fā)及其組分變化的相對(duì)貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖7和表5),對(duì)于蒸散發(fā)而言,氣候變化的貢獻(xiàn)率較大,有88.21%的區(qū)域貢獻(xiàn)率大于40%,貢獻(xiàn)率主要集中在60%～80%,占黃土高原總面積的37.18%,分布在中部和北部地區(qū);植被變化的貢獻(xiàn)率為0～20%,占黃土高原總面積的79.75%,主要分布在中部;非植被下墊面的貢獻(xiàn)率主要為0～20%,在黃土高原西部、南部、東部貢獻(xiàn)較大,南部有9.59%地區(qū)出現(xiàn)貢獻(xiàn)率大于80%的情況。

表5 蒸散發(fā)及其組分驅(qū)動(dòng)因素相對(duì)貢獻(xiàn)率像元統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Statistical table of the relative contribution rate of driving factors to evapotranspiration and its components

圖7 蒸散發(fā)及其組分驅(qū)動(dòng)因素相對(duì)貢獻(xiàn)率空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of relative contribution rate of evapotranspiration and its component driving factors

氣候變化對(duì)黃土高原土壤蒸發(fā)的貢獻(xiàn)率主要為40%～60%,占總面積的43.19%,主要分布在東部、中部、南部;與蒸散發(fā)相似,植被變化對(duì)土壤蒸發(fā)的貢獻(xiàn)率也為0～20%,占總面積的52.57%;非植被下墊面的貢獻(xiàn)較少,貢獻(xiàn)率為40%以下占總面積的71.21%。

氣候變化對(duì)黃土高原截留蒸發(fā)的貢獻(xiàn)率也主要為40%～60%,占總面積的38.89%,其次是60%～80%,占總面積的32.14%,大于80%貢獻(xiàn)率的地區(qū)主要集中在南部,占總面積的12.92%;植被變化貢獻(xiàn)率的分布與土壤蒸發(fā)類(lèi)似,貢獻(xiàn)率主要為0～20%;非植被下墊面貢獻(xiàn)率主要為0～20%,占總面積的41.06%,其次是20%～40%,占總面積的31.68%。

植被蒸騰貢獻(xiàn)率的分布與蒸散發(fā)大體相似,氣候變化對(duì)其貢獻(xiàn)較大,貢獻(xiàn)率主要為60%～80%,占總面積的42.09%;植被變化的貢獻(xiàn)率與蒸散發(fā)相比有所增加,黃土高原33.88%的區(qū)域貢獻(xiàn)率為20%～40%,分布也更為廣泛;非植被下墊面貢獻(xiàn)率為0～20%,占總面積的50.68%,28%的區(qū)域貢獻(xiàn)率為20%～40%,大于80%的貢獻(xiàn)率占5.60%。

不同氣象要素對(duì)黃土高原蒸散發(fā)及其組分變化的貢獻(xiàn)率也有所不同(見(jiàn)圖8和表6)。對(duì)于蒸散發(fā)而言,降雨和溫度的貢獻(xiàn)率主要為10%～20%, 分別占總面積的48.53%和53.66%, 分布在中部地區(qū); 日照時(shí)間和風(fēng)速的貢獻(xiàn)率主要為0～10%,分別占總面積的52.36%和65.33%,北部和南部有貢獻(xiàn)率較高的區(qū)域;飽和水汽壓差貢獻(xiàn)率大于30%的區(qū)域占總面積的29.74%,且主要集中分布在中部及北部地區(qū)。氣象要素對(duì)土壤蒸發(fā)的貢獻(xiàn)率主要為0～10%,覆蓋黃土高原大部分地區(qū)。對(duì)截留蒸發(fā)而言,飽和水汽壓差的貢獻(xiàn)率主要為10%～20%,占總面積的34.95%,主要分布在中部和南部,除此之外,其余氣象要素的主要貢獻(xiàn)率均為0～10%。對(duì)植被蒸騰而言,溫度、日照時(shí)間和風(fēng)速的貢獻(xiàn)率主要為0～10%,占總面積分別為49.68%、54.65%和59.45%,降雨的貢獻(xiàn)率主要為10%～20%,占總面積的51.96%,飽和水汽壓差貢獻(xiàn)率整體較高,其貢獻(xiàn)率的空間分布與蒸散發(fā)相似。

表6 氣象因素對(duì)蒸散發(fā)及其組分相對(duì)貢獻(xiàn)率像元統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical table of the relative contribution rate of meteorological factors to evapotranspiration and its components

圖8 氣象因素對(duì)蒸散發(fā)及其組分相對(duì)貢獻(xiàn)率空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of relative contribution rate of meteorological factors to evapotranspiration and its components

不同要素對(duì)蒸散發(fā)及其組分的貢獻(xiàn)也有所不同(見(jiàn)圖9),對(duì)蒸散發(fā)相對(duì)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)榉侵脖幌聣|面(23.47%)>飽和水汽壓差(21.31%)>降雨(12.22%)>溫度(11.84%)>植被(11.83%)>日照時(shí)間(9.98%)>風(fēng)速(8.06%),對(duì)土壤蒸發(fā)相對(duì)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)榉侵脖幌聣|面(28.29%)>植被(19.15%)>飽和水汽壓差(13.66%)>風(fēng)速(11.72%)>日照時(shí)間(9.69%)>降雨(9.07%)>溫度(7.29%),對(duì)截留蒸發(fā)相對(duì)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)榉侵脖幌聣|面(22.24%)>植被(13.85%)>飽和水汽壓差(12.47%)>風(fēng)速(9.40%)>日照時(shí)間(9.17%)>溫度(7.93%)>降雨(6.26%),對(duì)植被蒸騰相對(duì)貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)榉侵脖幌聣|面(22.13%)>飽和水汽壓差(19.43%)>植被(15.86%)>降雨(12.42%)>日照時(shí)間(10.03%)>溫度(9.91%)>風(fēng)速(9.21%)。

圖9 蒸散發(fā)及其組分影響因素貢獻(xiàn)比例圖Fig.9 Contribution ratio of evapotranspiration and its components

整體分析各因素對(duì)蒸散發(fā)及其組分的貢獻(xiàn),氣候變化是蒸散發(fā)及其組分的主要貢獻(xiàn)因素,對(duì)蒸散發(fā)、土壤蒸發(fā)、截留蒸發(fā)、植被蒸騰的貢獻(xiàn)分別為63.41%、51.43%、45.23%、61%,其次是非植被下墊面,貢獻(xiàn)率分別為23.47%、28.29%、22.24%、22.13%,植被變化也是不可忽視的要素,貢獻(xiàn)率分別為11.83%、19.15%、13.85%、15.86%。飽和水汽壓差是影響蒸散發(fā)及其組分最主要的氣象要素,降雨對(duì)蒸散發(fā)和植被蒸騰影響較大,風(fēng)速對(duì)土壤蒸發(fā)和截留蒸發(fā)影響較大,溫度對(duì)蒸散發(fā)影響較大,日照時(shí)間對(duì)植被蒸騰影響較大。由于蒸散發(fā)及其組分的柵格數(shù)據(jù)精度不高,導(dǎo)致一些數(shù)值較小的柵格在計(jì)算過(guò)程中缺失,進(jìn)而在分析中出現(xiàn)貢獻(xiàn)率之和不等于 100%的情況。

3 討論

研究結(jié)果表明,2001—2020年黃土高原蒸散發(fā)整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),而其各組分呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),土壤蒸發(fā)及其占比呈現(xiàn)下降趨勢(shì),截留蒸發(fā)和植被蒸騰及其占比呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),且不同地區(qū)的變化有所不同,這與已有研究結(jié)論相同[21-22]。分析氣候與植被因子和非植被下墊面因子及其綜合作用對(duì)蒸散發(fā)及其組分影響可知,氣候變化和非植被下墊面變化的共同作用是導(dǎo)致蒸散發(fā)及其組分變化的主要原因。

氣候變化是影響蒸散發(fā)最主要的因素,王凱利等采用多元回歸殘差分析[23],Qiu等通過(guò)GLEAM數(shù)據(jù)和CLM模型均得到該結(jié)論[24],氣候變化導(dǎo)致區(qū)域水熱條件發(fā)生變化,從而對(duì)蒸散發(fā)產(chǎn)生影響。飽和水汽壓差是影響蒸散發(fā)及其組分變化的主要?dú)庀笠豙25],它可以反映大氣水分虧缺程度,通過(guò)加大下墊面與空氣間的水汽梯度對(duì)蒸散產(chǎn)生影響,在暖干化明顯的黃土高原,飽和水汽壓差也在逐漸增大,蒸散發(fā)及其組分對(duì)水汽變化響應(yīng)十分敏感[26],特別是截留蒸發(fā)[27]。黃土高原屬于半干旱地區(qū),降雨是黃土高原水分的重要來(lái)源,也是蒸散發(fā)水分的直接來(lái)源,尤其是對(duì)蒸散發(fā)和植被蒸騰來(lái)說(shuō),一部分停留在葉片上形成截留蒸發(fā),更多的是進(jìn)入土壤,而植被會(huì)從土壤中直接獲取水分。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中,植被蒸騰是其必要的水分消耗,并且由于黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)措施的開(kāi)展,導(dǎo)致植被蒸騰呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì),而植被蒸騰又是蒸散發(fā)主要的組成部分,因此,蒸散發(fā)也隨之增加。黃土高原地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)向西北干旱區(qū)的過(guò)渡地帶,平均風(fēng)速高于全國(guó)平均風(fēng)速[28],即使開(kāi)展了大規(guī)模植被恢復(fù),增加了地表的粗糙度,但較大的風(fēng)速仍使得空氣發(fā)生擾動(dòng)帶走水蒸氣,土壤表面的大氣濕度下降,進(jìn)而影響水汽壓差,水汽壓差越大,土壤蒸發(fā)越劇烈[29]。除此之外,風(fēng)速也會(huì)加劇冠層擾動(dòng),促進(jìn)冠層截留雨水轉(zhuǎn)化,空氣動(dòng)力學(xué)阻力減小,在一定程度上促進(jìn)蒸發(fā)的形成[27,29],而黃土高原退耕還林的開(kāi)展,進(jìn)一步擴(kuò)大了風(fēng)速對(duì)截留蒸發(fā)的影響,因此,風(fēng)速對(duì)黃土高原土壤蒸發(fā)和截留蒸發(fā)影響較大。溫度通過(guò)影響地表溫度、植物的生理活動(dòng)和葉面溫度影響蒸散發(fā)[30]。一方面,黃土高原氣候變暖,升高的溫度會(huì)影響土壤溫度,直接影響土壤蒸發(fā)和植被蒸騰;另一方面,溫度升高提高了飽和水汽壓差和空氣需水量,進(jìn)而通過(guò)影響氣孔導(dǎo)度影響植被蒸騰。但是過(guò)高的溫度也會(huì)導(dǎo)致植被氣孔閉合,甚至減弱植被蒸騰,這可能是溫度并不作為黃土高原蒸散發(fā)及其組分主要影響因素的原因[31]。日照時(shí)間與植被生長(zhǎng)有著密不可分的聯(lián)系,日照通過(guò)影響與植物生長(zhǎng)有關(guān)的因素,如凈輻射、溫度等,為植物提供能量,影響植物生長(zhǎng),而黃土高原所處緯度較高,日照時(shí)間充足,再加上植被大規(guī)模地恢復(fù),進(jìn)而影響了黃土高原蒸散發(fā)及其組分的變化,尤其是植被蒸騰。

越來(lái)越多的研究表明,土地利用變化對(duì)區(qū)域水文變化具有重要影響,如通過(guò)改變下墊面透水性、植被截留量、地表反照率、地表粗糙度等影響區(qū)域氣候和水文過(guò)程[32]。退耕還林還草對(duì)區(qū)域氣候和水文過(guò)程的影響引起廣泛關(guān)注,自2000年以后,黃土高原“變綠”速度明顯加快,黃土高原植被恢復(fù)導(dǎo)致地區(qū)蒸散發(fā)量增加的基本結(jié)論基本達(dá)成共識(shí)[32-34]。退耕還林還草后,植被蒸騰和截留蒸發(fā)占比增加,土壤蒸發(fā)占比減小的現(xiàn)象,可能是由植被恢復(fù)、太陽(yáng)輻射、溫度變化等多種因素共同導(dǎo)致[35]。一方面,黃土高原氣候暖干化趨勢(shì)明顯,導(dǎo)致蒸散發(fā)增加,徑流減少,降雨補(bǔ)給不充分,水資源短缺;另一方面,大規(guī)模的植被恢復(fù),增加了植被生物量和耗水量,植被蒸騰和截留蒸發(fā)相應(yīng)增加,土壤表面的陰影增加導(dǎo)致土壤蒸發(fā)減少。此外,非植被下墊面變化也對(duì)蒸散發(fā)的變化有著不可忽視的作用[36]。農(nóng)業(yè)灌溉活動(dòng)對(duì)區(qū)域水文過(guò)程的影響已經(jīng)得到證實(shí),而且黃河流域的農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比例超過(guò)60%,且灌溉方式以漫灌為主,對(duì)蒸散發(fā)有著重要影響[32]。梯田、淤地壩等水土保持措施也會(huì)通過(guò)攔蓄地表徑流[37],增加土壤水分含量的形式,導(dǎo)致黃土高原蒸散發(fā)的增加。

以往關(guān)于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)蒸散發(fā)影響的研究,考慮因素較少,本文考慮要素較為全面,但也存在一些不足。蒸散發(fā)數(shù)據(jù)已有精度更高更準(zhǔn)確的產(chǎn)品(PML-V2-ET)[38],而且本文已發(fā)現(xiàn)氣候變化與植被、非植被下墊面之間存在一定的耦合效應(yīng),但對(duì)其具體的貢獻(xiàn)并未充分討論。此外,地形地貌、土壤水含量、植被類(lèi)型等也對(duì)蒸散發(fā)有著重要影響[39-41]。未來(lái),可綜合考慮這些影響因素,對(duì)不同要素及其之間耦合關(guān)系對(duì)蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)做進(jìn)一步研究,提高研究的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本研究基于氣象數(shù)據(jù)(降雨、溫度、日照時(shí)間、飽和水汽壓差、風(fēng)速)、EVI數(shù)據(jù)及蒸散發(fā)及其組分?jǐn)?shù)據(jù),采用Slope趨勢(shì)分析和多元回歸殘差分析等方法,對(duì)2001—2020年黃土高原蒸散發(fā)及其組分變化的驅(qū)動(dòng)因素及相應(yīng)貢獻(xiàn)進(jìn)行了多尺度分析。主要結(jié)論如下。

1)2001—2020年黃土高原蒸散發(fā)量由東南向西北遞減,并呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì),年均增長(zhǎng)2.869 4 mm(R2=0.384 6),黃土高原90.43%的區(qū)域呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),主要分布在中部和北部地區(qū),9.57%的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢(shì),主要分布在陜西中部和山西南部。土壤蒸發(fā)量較大的區(qū)域主要集中在西北部,年均減少1.405 4 mm(R2=0.384 6),占蒸散發(fā)的比重也逐漸減少(R2=0.714 5),在中部、東部和南部顯著減少,中部減少趨勢(shì)最為明顯。截留蒸發(fā)量不大,占比不高,但隨年際變化呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),57.66%的區(qū)域?yàn)轱@著增長(zhǎng)(p<0.1),主要分布在東南部。植被蒸騰是蒸散發(fā)最主要的組分,占比68.75%,且逐年增長(zhǎng),空間分布與蒸散發(fā)相似,東南高西北低,有87.27%的區(qū)域呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),顯著增長(zhǎng)的區(qū)域占70.21%(p<0.1)。

2)氣候與植被因子和非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響程度有所不同。氣候與植被因子對(duì)蒸散發(fā)、截留蒸發(fā)、植被蒸騰主要為促進(jìn)作用,其中對(duì)蒸散發(fā)主要為中度促進(jìn),對(duì)截留蒸發(fā)和植被蒸騰主要為輕微促進(jìn),對(duì)土壤蒸發(fā)主要為輕微抑制作用。除對(duì)土壤蒸發(fā)是輕微抑制作用外,非植被下墊面因子對(duì)蒸散發(fā)、截留蒸發(fā)和植被蒸騰主要起輕微促進(jìn)作用。氣候與植被因子和非植被下墊面因子共同作用是近20年來(lái)導(dǎo)致蒸散發(fā)、土壤蒸發(fā)、植被蒸騰增長(zhǎng)和土壤蒸發(fā)減少的主要原因。

3)整體來(lái)看,氣候變化是黃土高原蒸散發(fā)最主要的影響因素,其中,飽和水汽壓差是影響蒸散發(fā)及其組分最主要的氣象要素,降雨對(duì)蒸散發(fā)和植被蒸騰影響較大,風(fēng)速對(duì)土壤蒸發(fā)和截留蒸發(fā)影響較大,溫度對(duì)蒸散發(fā)影響較大,日照時(shí)間對(duì)植被蒸騰影響較大。其次是非植被下墊面因素對(duì)蒸散發(fā)及其組分的影響,對(duì)土壤蒸發(fā)影響最大。黃土高原大規(guī)模植被恢復(fù)措施使得植被變化也成為不可忽視的影響因素,對(duì)土壤蒸發(fā)和植被蒸騰影響較大,在黃土高原中部等地區(qū)出現(xiàn)了對(duì)蒸散發(fā)及其組分高貢獻(xiàn)率的情況。