2001-2015年伊犁河谷草地蒸散發時空變化分析

閆俊杰, 付秀東, 趙 玉, 劉 影, 呂光輝, 崔 東, 劉海軍

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 3.中國科學院大學, 北京 100049; 4.伊犁師范大學, 新疆 伊寧 835000)

全球草地面積34億hm2(FAO，1991年)，約占陸地表面積的24%，是陸地表面生態組成的關鍵部分，然而目前，全球約有一半的草地已處于退化或正在退化的狀態[1]，草地退化的環境效應及對生態功能的影響被廣泛關注。蒸散發(Evapotranspiration，ET)是植被及地面向大氣輸送水汽的總通量[2]，是地表能量和水量平衡的關鍵環節及重要組成部分[3-4]，全球約有60%的地表凈輻射能量在蒸散發過程被消散[5]，約60%～65%的降水通過蒸散發返回到大氣[6-7]，其中80%左右通過植物的蒸騰作用實現[8]，研究退化草地蒸散發的時空動態對掌握草地退化的生態效應具有重要意義。

蒸散發長期以來就是陸地表層水循環最難估算的分量[9]，自1802年Dalton提出蒸散發的計算方法至今[10]，國內外相關學者相繼發展了多種觀測和計算方法，如蒸滲儀、波文比和渦動相關等觀測方法，以及水量平衡、互補相關模型，陸地表面模型和基于遙感數據的估算模型等計算方法[11]，其中基于遙感數據的方法是面向區域的蒸散發估算方法，其計算結果為蒸散發空間分布數據，減少了站點數據非均質界面上尺度外推所造成的誤差[12-13]，是滿足全球和區域尺度蒸散發動態監測的有效方法[14]，因而被廣泛關注和采用。起始于2000年的MODIS MOD16數據是由美國航空航天局(NASA)制作并公開發布的全球蒸散發成品數據集，被國內外大量研究人員采用，用于全球及區域尺度ET時空動態研究[15-17].

伊犁河谷地處歐亞大陸腹地，新疆西天山。河谷內草地植被發育良好，是新疆優質畜牧基地，然而隨著社會發展，人類活動對草地生態的干擾強度不斷增強，草地生產能力逐步降低[18-19]，生態效益受損[19]。本文以伊犁河谷為研究區，利用2001—2015年MODIS ET和NDVI時間序列遙感數據，以及氣溫和降水數據，分析伊犁河谷草地ET時空變化特征，及其與覆蓋度、氣溫和降水關系，以期為伊犁河谷生態保護與管理提供科學依據。

1 研究區概況

伊犁河谷地理位置介于80°09′42″—84°56′50″E，42°14′16″—44°53′30″N，河谷呈東西直向，東高西低，西寬東窄，呈喇叭狀向西坦蕩展開，東部頂點為鞏乃斯河源頭，西部底邊朝向中哈邊界，科古琴—博羅克努山橫亙與河谷北部，中部為烏孫山，南部為哈爾克—那拉提山，山脈之間盆地、河谷、平原及丘陵廣布。受地形影響，河谷內降水豐沛，被稱為西域濕島。伊犁河谷氣候溫帶大陸性氣候，但高山氣候特征明顯[20]，平原與山區氣候差異明顯[21]，年均降水量200～900 mm，年均氣溫2.9～9.1℃[22]。復雜的地形、多變的氣候及充沛的降水為植被的生長提供了多樣的生境，河谷內植被類型多樣，草地植被發育良好，分布有高寒草甸類、山地草甸類、溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類及低平地草甸類等草地類型[23]。

2 材料與研究方法

2.1 數據來源與預處理

ET數據來自MODIS MOD16A2數據集，時間序列2001年1月—2015年12月，時間和空間分辨率分別為8 d和1 000 m。NDVI 數據來自MODIS MOD13Q1數據集，時間序列與ET數據一致，其時間和空間分辨率分別為16 d和250 m。對獲得的ET及NDVI遙感數據除進行數據格式轉換、鑲嵌、投影轉換及研究區提取等預處理外，還進行了年累積ET數據及年最大值NDVI數據合成，以獲得年ET和NDVI數據。利用年NDVI數據和像元二分模型[24]，反演獲得年草地植被覆蓋度數據。

草地空間分布矢量數據通過對伊犁河谷2015年6—9月Landsat8 OLI影像的解譯獲得。對草地分布的矢量數據進行柵格化處理，轉化為柵格數據。

2001—2015年的年累積降水和年平均氣溫數據來自中國氣象信息中心。包括伊犁河谷之內霍城、霍爾果斯、察布查爾、昭蘇、特克斯、伊寧市、伊寧縣、鞏留、新源和尼勒克及附近巴音布魯克共計11氣象站點的數據。利用Anusplin4.2軟件對獲得的氣象數據進行插值計算，獲得年累積降水和年平均氣溫空間分布數據。最后為保證多源數據的空間匹配，數據像元均重采樣為250 m×250 m。

2.2 差值分析

單個年份ET隨機波動較大，為削弱這種隨機性對ET變化評估的影響，文中將2001—2015年序列數據分為了2001—2005年、2006—2010年及2011—2015年3個時間段，計算各個時段ET的5 a平均值，以平均值代表各個時段ET水平。并分別對2001—2005年與2006—2010年、2001—2005年與2011—2015年以及2006—2010年與2011—2015年的ET空間分布數據進行差值運算，分析2001—2010年、2001—2015年及2006—2015年3個時期草地植被ET變化特征。

3 結果與分析

3.1 ET總體特征及其變化

根據15 a的平均數據，伊犁河谷草地ET等級以300～400 mm和400～500 mm為主，兩者所占比例分別為19.69%和43.21%(表1)。經計算，近15 a內伊犁河谷草地ET的平均值為400.57 mm(表2)，相對于新疆地表近15 a年間ET均值364.29 mm[1]，高出9.96%。空間上，就15 a平均來看(圖1)，伊犁河谷草地ET海拔分異明顯，ET <200 mm的區域主要分布在鞏乃斯河下游至伊犁河一線兩側的洪積沖積扇底部和低山丘陵區，ET為200～400 mm的分布區海拔有所提高，主要分布在鞏乃斯河中下游至伊犁河兩側洪積沖積扇，以及喀什河中下游兩側和特克斯河中下游兩側的低山丘陵區；而ET為400～600 mm的區域則主要分布在河谷東部、南部以及北部的高山區域；ET >600 mm的區域僅在河谷東部有部分分布。而ET為500～600 mm的區域主要分布在婆羅科努山脈以南和那拉提山脈以北的高山丘陵地帶及其鞏乃斯河上游與喀什河的下游(圖1)。

表1 草地植被ET均值及變化

表2 草地植被ET均值及其變化

2001—2005年、2006—2010年和2011—2015年3個時間段，伊犁河谷全區草地ET均值分別為426.41 mm，396.03 mm，379.26 mm，ET量逐步降低，2001—2005—2006—2010年減少7.13%，2006—2010—2011—2015年減少4.23%，15 a內共降低了11.06%(表2)。根據表1中的統計數據，在各等級類型中，ET為300～400 mm的面積增加最多，面積由47.04萬hm2增加到89.28萬hm2，增加了42.24萬hm2，增加比例達89.80%；而ET為500～600 mm的面積減少最多，由79.75萬hm2減少到15.34萬hm2，減少了64.41萬hm2，減少比例為80.76%；ET為400～500 mm的幾乎無明顯變化。ET<200 mm的也有較大面積的增加，增加了27.52 萬hm2，增加比例達到74.99%；ET >600 mm的面積減少了6.22萬hm2，但減少比例高達94.82%。可見，近15 a年來伊犁河谷草地植被ET呈現ET高值(ET>500 mm)區域面積減少而ET低值(ET<400 mm)區域面積增加的變化趨勢，空間上，前者主要分布于鞏乃斯河上游、河谷北部的科古琴山與阿吾拉山南部以及昭蘇盆地周圍，后者主要分布于伊犁河河谷兩側山前鴻基沖擊扇區(圖1)。

3.2 ET變化的空間特征

從圖2可以看出，2001—2015年伊犁河谷絕大部分草地ET出現降低，根據統計結果(表3)，15 a內ET降低區域總面積高達306.35萬hm2，占草地總面積的98.07%。其中以降低比例為10%～20%的面積最廣，面積為161.86萬hm2，占草地總面積的51.82%，其主體分布在喀什河下游和伊犁河河谷兩側的洪積平原和低山區；降低比例為20%～30%和0%～10%的面積比例也分別達到了25.83%和1.88%，主體分布在科古琴山東南部以及特克斯河上游；降低比例為>30%的面積很小，僅占1.88%，主要在河谷北部低山丘陵和特克斯河中下游西北的低山區有零星分布。ET增加區域面積為6.03萬hm2，僅占草地總面積的1.93%，僅在河谷西北部和東部有零星分布。

圖1 2001-2015年3個時段及15 a平均草地植被ET等級

圖2 草地植被ET變化等級空間分布

對于不同時期，由圖2中2001—2010年和2001—2015年兩個時期ET變化等級空間分布圖可知，伊犁河谷草地ET發生減少的面積在增強。其比例由86.35%增加到了98.07%(表3)，同時，ET減少程度也在加深。鞏乃斯河中下游至伊犁河出國境口一線兩側的很大區域，ET的減少比例由10%～20%或0%～10%加深到了20%～30%，而河谷北部、東部、南部和中部的中山和高山區內的很大區域ET由增加或減少0%～10%變為了減少20%～30%；具體來看，ET減少>20%的面積比例由6.47%增加到27.71%，ET減少為10%～20%的比例則由38.78%增加到了51.82%，而減少為0%～10%的比例則由49.10%減少到18.54%，同時ET不變和有所增加的面積比例也由13.65%減少到1.93%。

此外，由圖2中2001—2010年和2006—2015年兩個時期ET變化等級空間分布圖可知，2011—2015年，伊犁河谷ET變化在空間上發生了較大變化，鞏乃斯河中下游至伊犁河出國境口一線兩側的很大區域，ET的減少比例由>10%級別減弱為<10%級別和增加，表明這些區域ET的減少速率有所減緩；而河谷北部、東部及南部的中山和高山區域內有很大面積的ET則由減少0%～10%或增加變為了減少10%～20%，表明這些區域ET的減少速率有所增大，但全區ET平均減少速率在增大(表3，圖2)。

表3 草地植被ET變化等級統計

3.3 ET與覆蓋度、氣溫及降水量關系

基于2001—2015年草地年ET和年覆蓋度空間分布數據，以及10個氣象站(不包括巴音布魯克氣象站)年平均氣溫和年累積降水量數據，分別計算其年平均值，繪制草地ET、覆蓋度、降水和氣溫年際變化曲線(圖3)。

由圖3可知，2001—2015年伊犁河谷草地覆蓋度、降水和氣溫均呈降低趨勢，促使ET也呈現降低趨勢。但在年際波動上，相對于降水和氣溫，ET與覆蓋度年際波動高度一致(圖3A)；ET與降水年際波動也較為一致，較大的差異存在于2010年、2011年和2014年(圖3B)；而ET與氣溫年際波動的差異較大，兩者差異不僅表現在年際多動的峰值和估值出現的年份上，且在2006—2010年，氣溫的5 a平均值均高于2001—2005年和2011—2015年的5 a平均值，氣溫出現先增高后降低的變化，而ET則呈持續降低的變化(圖3C)。同時，經計算，ET與覆蓋度、降水量和氣溫的相關系數分別為0.96，0.61，0.09，草地ET年際變化與覆蓋度年際變化的相關性最高，可見，就整體的平均狀況而言，草地覆蓋度年際變化對其ET年際變化具有重要影響；而對于降水量和氣溫，降水年際變化與ET年際變化的相關性明顯高于氣溫年際變化與ET年際變化的相關性。

4 討 論

根據上文分析，伊犁河谷草地覆蓋較低的河谷平原區ET減小比例相對較高，而植被覆蓋較高的山區ET減小比例相對較小(圖2)，閆俊杰等[18]對伊犁河谷草地覆蓋度變化的分析結果表明，伊犁河谷草地覆蓋較低的河谷平原區也是草地覆蓋度減小比例相對較高的區域，且植被覆蓋較高的山區也是草地覆蓋度減小比例相對較小的區域，可見，ET變化與覆蓋度變化在空間上也具有較高的一致性。利用伊犁河谷草地ET和植被覆蓋度的15 a平均空間分布數據以及ET和覆蓋度15 a變化比例空間分布數據，分別繪制ET與覆蓋度以及ET變化比例與覆蓋度變化比例的散點圖(圖4)，進一步分析ET與植被覆蓋度相關性的空間分異特征。

圖3 ET、覆蓋度、降水量和氣溫年際變化

圖4 ET與覆蓋度散點圖

由圖4A可知，ET隨覆蓋度的增加而逐步增加，表明在空間上植被覆蓋度高的區域其ET也高，經計算，兩者相關系數達到了0.89(表4)，但對ET變化與覆蓋度變化的關系，其相關系數為0.50(表4)，同時由圖4B可以看出，覆蓋度變化比例由-25.00%縮減到-2.50%時，ET平均變化比例迅速由-23.00%縮減到-11.58%，ET平均減小比例隨覆蓋度減小比例的降低而縮減；覆蓋度變化比例為-90.00%～-25.00%時，ET平均減少比例雖然也逐步擴大，但變化速率明顯減小；覆蓋度變化比例由-2.50%變為40.00%時，ET平均變化比例也快速由-11.58%變為-2.00%，但覆蓋度變化比例位于此范圍的區域面積較小，根據統計其面積比例為12.44%?？梢姡诳臻g上，覆蓋度變化不同時ET的變化存在差異。

對于降水和氣溫，同樣利用草地ET、降水量和氣溫的15 a平均空間分布數據，以及ET、降水量和氣溫的15 a變化比例空間分布數據，分別繪制ET與降水量及氣溫的散點圖(圖5A、圖6A)和ET變化比例與氣降水量化比例及溫變變化比例的散點圖(圖5B及圖6B)，分析ET與降水和氣溫相關性的空間分異特征。

圖5 ET與降水量散點圖

由圖5和表4可知，ET與降水量總體呈正相關，平均ET與平均降水量相關系數為0.59，而ET變化比例與降水量變化比例相關系數僅為0.10。同時ET與降水量關系也存在區域差異，其中降水量為295～645 mm的區域，ET總體隨降水量增加而增加，而降水量>645 mm的區域，ET總體隨降水量增加而減小；降水量變化比例為-19.50～12.50%的區域，ET平均減小比例隨降水量減小比例的縮減而逐步由12.44%擴大到了17.48%，而降水量變化比例為-12.50%～5.00%的區域，ET平均減小比例隨降水量由減少轉變為增加而逐步縮減，比例由17.48%縮減為了9.84%。

圖6 ET與氣溫散點圖

平均ET與平均氣溫以及ET變化比例與氣溫變化比例的相關系數分別為-0.51和-0.25(表4)，呈負相關，而ET年際變化與氣溫年際變化相關系數雖僅為0.09，然而卻為正，此差異可能與ET與氣溫相關性較小且存在較大空間差異有關。由圖6A可知，對于平均氣溫為-9.00～3.00℃的區域，平均ET隨氣溫的增加由386.99 mm逐步增加到463.41 mm，溫度高的區域ET也高；對于平均氣溫為3.00～12.00℃的區域，平均ET隨氣溫的增加由463.41 mm逐步降低到126.59 mm，溫度高的區域ET反而較低。同時，由圖6B可知，2001—2015年伊犁河谷全區氣溫均發生不同程度降低(圖6中氣溫變化比例均<0)，對于氣溫減低比例大于47.99%的區域，其ET平均變化比例相對穩定，在-12.00%左右；而對于氣溫變化比例為-47.99%～-9.96%的區域，ET平均減小比例由11.82%逐步擴大到了18.93%，ET減小比例隨氣溫降低比例的減小而擴大；氣溫減小比例由9.96%縮減到0的區域，其ET平均減小比例也逐步18.93%縮減為了10.72%，ET減小比例隨氣溫降低比例的減小而縮減。

表4 2001-2015年ET及其變化比例與覆蓋度、氣溫和降水量及其變化比例的相關系數

ET作為地表熱量平衡及水分循環的重要分量，鏈接了地球水圈、大氣圈和生物圈[25-26]，需要大氣、植被及土壤等環境要素的參與。伊犁河谷地處天山山脈，河谷內植被及氣候垂直分異特征明顯，草地分布由低海拔區的荒漠草地向中高海拔區的溫性草原以及高海拔區的山地草甸和高寒草甸逐步演變[23]，降水隨海拔增加由250 mm增高到860 mm(圖5A)，氣溫則由12℃逐步降低到-10℃(圖6A)，海拔較低的區域雖然溫度較高，但降水較少，降水是植被生長的重要限制因子，而在高海拔區，降水雖然相對豐富，但氣溫較低，氣溫成為限制植被生長的重要因子。同時河谷河流及山脈縱橫交錯，分布有山間盆地、沖積平原、丘陵及高山等多種地形地貌，復雜的地形使植被和氣候的空間分布在垂直分異規律的基質上表現出復雜且多樣的局地特性，ET及其變化也隨之呈現明顯而復雜的空間差異。上文分析中不同覆蓋度、氣溫及降水量取值范圍內ET所存在的不同甚至相反的變化趨勢也正是復雜地形控制下的氣候、植被及其他環境要素配置在空間上的異質性所支配的水分循環復雜性的體現。

5 結 論

(1) 伊犁河谷草地ET近15 a平均值為394.57 mm，其中43.21%區域ET位于400～500 mm，空間上，ET隨海拔分異明顯，呈現由山前洪積沖積扇區向高山區逐步增加的總體變化。

(2) 15 a內伊犁河谷草地平均ET逐步降低，由2001—2005年時段的427.26 mm降低到了2011—2015年時段的361.27 mm，降低了11.06%；ET位于300～400 mm的面積明顯增加，而ET位于500～600 mm的面積明顯減少。

(3) 差值分析表明，伊犁河谷98.07%草地ET發生不同程度的減少，其中51.82%的ET降低比例在10%～20%之間，主要分布在喀什河下游和伊犁河河谷兩側的洪積平原和低山區；2011—2015年時段ET變化在空間上發生較大變化，山前洪積沖積扇區及低山丘陵區ET減少比例明顯縮減甚至變為增加，而中山和高山區域ET則減少比例擴大甚至由增加變為減少。

(4) 植被覆蓋度、降水及氣溫的降低均構成了伊犁河谷草地ET降低的驅動因素，但植被覆蓋度是決定伊犁河谷草地ET空間分布及時空變化的關鍵因素，降水對草地ET空間分布及變化的影響高于氣溫；同時，由于復雜地形控制下的植被及氣候條件配比的復雜性，不僅在空間分布上ET與降水和氣溫的相關性存在空間差異，而且在時空變化上ET變化與氣溫及降水變化的相關性也存在明顯且多樣的空間差異。