基于土壤含水量距平指數的塔里木流域時空演變特征

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，因此農業干旱分析應該基于土壤水分的變化。目前，土壤水分的監測站點無法實現大面積全覆蓋，而隨著遙感技術及其產品的出現彌補了這一不足，已有眾多學者將遙感技術應用于農業干旱評估(Cammalleri等,2016；Engda and Kelleners，2016；Mao等, 2017)。本文基于GLDAS數據集，提取2000-2010年3層土壤水分數據并計算土壤含水量距平指數(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)來評估塔里木流域農業干旱的時空演變特征[1]。

1 研究區概況

塔里木河是中國最大的內河，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。

2 數據資料和研究方法

2.1 數據資料

本文采用的 GLDAS 數據集是美國航空航天局(NASA)戈達德空間飛行中心(GSFC)和美國海洋和大氣局(NOAA)國家環境預報中心(NCEP)聯合發布的基于衛星、陸面模式和地面觀測數據的同化產品。本文采用的 GLDAS 數據為 1960-2010 年 3 層(0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm)土壤水分月值數據，單位為 kg/m3，空間分辨率為 0.25°。數據為 nc4格式，用 Matlab 程序提取塔里木流域數據[2]。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤含水量距平指數

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

式中：θ為當前土壤水分；α為多年中該時段土壤水分的均值，kg/m3。

基于 SMAPI 值將干旱劃分為 9 個等級，見表1。

表1 基于 SMAPI 的旱澇等級劃分

2.2.2 Mann-Kendall 統計檢驗方法

Mann-Kendall 統計檢驗方法是一種非參數統計檢驗方法，樣本無需遵從一定的分布，不受少數異常值的干擾，計算簡便。進行突變分析時，給出一定的顯著性水平并確定臨界值，計算并繪制 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 在置信區間內有交點，則認為該點為突變點的開始[4]。

3 研究結果

3.1 年際變化

統計塔里木流域 SMAPI 指數的多年平均值及其變化趨勢，結果見圖1。SMAPI 多年平均值在-0.12～-0.02；流域西部上游地區 SMAPI 均值相對較高，東南部地區 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性。中東部地區 SMAPI 值下降趨勢較大，西部上游地區 SMAPI 值下降趨勢相對較小；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 值呈現多年下降趨勢，為 2.485/10 a，相關系數為 0.53，流域土壤水分含量呈現減小趨勢，可能加重農業干旱事件的發生。SMAPI 年值變化范圍在-30%～38%，最大值發生在 1964 年，最小值發生在 1995 年。1960-2010 年間，有 10 年發生輕度干旱；10 年發生輕度濕潤；1964 年達到中度濕潤；其余年份 SMAPI 年值均在正常范圍內。1960-2010 年間，月尺度 SMAPI 最小值、最大值和均值均呈現下降趨勢，分別為 0.184/10 a、0.307/10 a 和 0.207/10 a。1960-2010 年共 612 個月份中，其中 51 個月份發生中度干旱，中旱發生頻率為 8.33%；137 個月份發生輕度干旱，輕旱發生頻率為 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 突變檢驗方法，分析塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值時間突變特征，結果見圖 3。1964 年之前，UF 大于 0，SMAPI 值呈現上升趨勢，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，且相交點處于臨界線直線，該年可能發生突變。

圖3 塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值 M-K 突變檢驗

3.2 季節變化

旱澇站次比能表征一定區域內旱澇發生范圍，同時可間接反映區域受旱澇影響的嚴重程度。為表明塔里木流域不同季節干旱發生范圍的變化特征，基于 SMAPI 值計算結果，分別統計 1960-2010 年四季干旱站次比。根據干旱站次比值，將干旱發生范圍分為4個等級，即無明顯干旱(<10%)、局域性干旱(10%～25%)、部分區域干旱(25%～33%)、區域性干旱(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。其中，28 年無明顯干旱事件發生，9 年發生局域性干旱，僅 2010 年發生部分區域性干旱，4 年發生區域性干旱，9 年發生全域性干旱。2007 和 2009 年，干旱站次比達到 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。其中，21 年無明顯干旱事件發生，5 年發生局域性干旱，2 年發生部分區域性干旱，8 年發生區域性干旱，15 年發生全域性干旱。在 2001、2005 和 2006 年，夏季干旱站次比均達到 100%，塔里木發生全域性干旱。在 1970 年之前，干旱站次比相對較小，之后穩步增加，在 1990 年左右有所下降，在 2000 年之后干旱站次比持續上升。

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。其中，26 年無明顯干旱事件發生，沒有發生局域性干旱，8 年發生部分區域性干旱，5 年發生區域性干旱，11 年發生全域性干旱。

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。其中，26 年無明顯干旱事件發生，3 年發生局域性干旱，2 年發生部分區域性干旱，4 年發生區域性干旱，16 年發生全域性干旱。在 2002 和 2006 年，干旱站次比達到 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干旱站次比變化特征可知，在 1960-2010 年，四季干旱發生范圍整體上呈增大趨勢；2000 年之后，塔里木流域季節干旱發生范圍及其發生頻率顯著增大。季節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 值進行統計分析，結果見圖5。塔里木流域生長季 SMAPI 值多年變化呈現下降趨勢，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；在 1964 年，達到最大值為 17.53%，發生中度濕潤事件；1973 年，SMAPI 值為-10.77，發生輕度干旱事件；之后 SMAPI 值有所上升，恢復到正常狀態。在 1987 年，SMAPI 值達到最小為-15.01，發生中度干旱事件；1994、1995 和 1996年發生連續干旱事件，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，干旱站次比呈現多年增加趨勢，平均每 10 a 增加 9.37。在 1968 年之前，沒有明顯干旱事件發生；1969 年，干旱站次比達到 69.23%，發生全域性干旱；在 1970 年，干旱站次比為 0，沒有干旱事件發生。20世紀70 年代干旱發生頻率較大，1971-1980年，干旱站次比均在15%以上；1983-1985 年，干旱站次比為0，沒有干旱事件發生；1986-2000年，干旱事件交替發生，雖然發生頻率較大，但持續時間不長。2001 和 2006 年，干旱站次比達到 100%，發生全域性干旱；2003 和 2010 年，干旱站次比為 7.69%，無明顯干旱事件發生；但在 20 世紀的其他年份，均有不同程度的干旱事件發生，不僅發生頻率大且持續時間長。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 值突變檢驗見圖 7。在 1968 年之前，UF 值大于 0，表明該時段生長季 SMAPI 值呈現上升趨勢，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；且相交點處于臨界線直線，這 4 年可能發生突變。

圖7 塔里木流域 1960-2010 年生長季M-K 突變檢驗

4 結 論

對于農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 產品的 3 層土壤水分數據來計算土壤含水量距平指數(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)，并分析其在年際、季節和生長季的時空變化，并基于 M-K 方法對塔里木流域時間序列進行突變檢驗，以此來評估塔里木流域農業干旱時空演變特征。主要結論如下：統計分析塔里木流域年際、季節和生長季 SMAPI 值變化規律及其突變分析，表明塔里木流域在不同時間尺度下均呈現干旱化趨勢，特別是在 2000 年以后。塔里木流域是西北重要的糧食生產基地，分析土壤含水量的時空變化可進一步明晰下墊面對農業干旱的影響，對該地區農業生產具有重要的參考價值。