艾比湖綠洲實際蒸散量變化特征及與景觀格局的關系

張桉赫， 丁建麗， 張鈞泳， 董 煜

（1.新疆大學智慧城市與環境建模自治區普通高校重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046； 2.新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046； 3.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；4.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊 830054）

0 引言

蒸散發是氣候系統的一個核心過程，對于地球大氣系統的能量收支和水平衡變化至關重要，區域長時間序列的蒸散發變化是生態水文研究的焦點問題［1-2］。尤其在西北干旱-半干旱區，由于遠離海洋，水汽含量較低，大約有90% 的水分通過蒸散發進入大氣中參與水文過程［3］，蒸散發對于區域水資源評價、農業灌溉、旱情監測及鹽漬化等問題具有重要意義［4］。近年來，有學者對西北干旱-半干旱區不同尺度的潛在蒸散發和實際蒸散發進行了研究。在較大尺度區域上，董煜等［5］指出新疆的潛在蒸散量呈下降趨勢，而艾比湖流域的相關研究顯示，該區域的潛在蒸散量與新疆整體變化趨勢較為一致，表現出顯著的下降趨勢［6-7］。在實際蒸散量的研究中，騫東南等［8］基于互補相關理論，發現塔里木河流域實際蒸散量與潛在蒸散量呈現良好的互補關系，實際蒸散量為上升趨勢；代鵬超等［9］使用基于遙感的SEBAL 模型發現精河流域實際蒸散量為下降趨勢，水域和耕地具有較高的實際蒸散量。以上關于干旱-半干旱區蒸散發的研究多集中于蒸散發本身的變化趨勢，而缺少蒸散發與其他環境因素關系的探討和分析，尤其是隨著人類對地球陸地表面的改造不斷加劇，土地利用/覆被變化所引起的水資源危機越來越受到學者的重視［10-11］。

土地利用/覆被變化影響著生態系統的結構和功能，是影響區域蒸散發的重要因子。Liu 等［12］指出20 世紀人類對耕地的開發是影響水資源的最主要的人為驅動力；Yan 等［13］發現水體和稻田的實際蒸散量較大，而城鎮用地的實際蒸散量最小。利用景觀格局描述土地利用/覆被變化，能夠較好地反映區域生態系統的異質性和人與自然間的相互作用。景觀格局方法可以高度濃縮景觀格局信息，反映景觀組成結構和空間支配特征。目前，已經有學者對艾比湖綠洲景觀格局與水質、氣溶膠等進行了探討［14-15］。作為區域陸面水循環中重要水文過程的蒸散發，受土地利用/覆被變化的影響顯著，尤其是農地和未利用地的擴大會增加地表蒸散量［16］。運用景觀格局分析方法能夠從較大尺度定量分析區域景觀格局變化，從而在一定程度上反映出實際蒸散量對景觀格局變化的響應。

艾比湖綠洲是新疆重要的農業區，同時該地區生態環境脆弱，其環境變化對生態水文過程的影響具有獨特性［17］。因此，本研究選取艾比湖綠洲為研究區，探討該區域實際蒸散量與景觀格局的關系，以期從一個新的角度去分析和理解區域蒸散發的變化特征，為當地水資源管理和土地利用規劃提供科學依據。

1 研究區概況

艾比湖綠洲如圖1所示，其位于天山西北麓、準噶爾盆地西南部，包括阿拉山口市、博樂市、溫泉縣和精河縣，大致范圍在43°38′～45°52′N，79°53′～85°02′E。研究區日平均氣溫6～8 ℃，年日照時數約為2 800 h，多年平均降水量為164.1 mm，年平均蒸發能力達到3 790 mm以上，大風天氣較多。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Map of the study area

2 數據與方法

（1）數據來源

精河站、博樂站、溫泉站和阿拉山口站的氣象數據來自于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn），獲取各站點1960—2013 年逐月的平均氣溫、相對濕度、風速和日照時數等氣象要素，將四個站點的各氣象要素平均值用于實際蒸散量的計算。季節劃分為春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至次年2月）。

研究區遙感影像采用Landsat系列衛星，選取無云、植被生長較好的四期影像，在ENVI 中進行輻射定標、大氣校正、拼接、裁剪等操作，使用監督分類法進行影像土地利用/覆被分類。

（2）實際蒸散量計算

Budyko［18］假設流域中長時間序列的年蒸散發由降水及輻射能量決定，即E/P=f（E0/P）=f（ω），其中P為平均年降水量，E為實際蒸散發，E0為潛在蒸散發，則蒸發指數δ=E/P。E0用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith 公式進行計算［19］。Budyko［18］根據應用實踐揭示長期平均蒸散發指數表達的曲線函 數，即Budyko 曲線方程Φ=［δtanδ-1×（1-cosδ+。在極端干旱條件下，降水完全被蒸發至大氣，降水量認為等于實際蒸發量，因此E0/P→∞，E/P→1，因此利用潛在蒸散發估算實際蒸散量的公式［19］為

（3）實際蒸散量分析方法

使用R/S 法［20］計算Hurst 指數H，用來表征實際蒸散量時間序列的持續性。H=0.5時表明時間序列是隨機變化的；0.5＜H＜1 時，表明時間序列具有正的持續性，H越接近于1，序列的正持續性越強；0＜H＜0.5 時，表明時間序列具有負的持續性，H越接近于0，序列的反持續性越強。使用Mann-Kendall 突變檢驗［21］分析實際蒸散量的突變點，變差系數Cv和偏態系數Cs用于分析實際蒸散量的離散程度和分布狀況。以上方法通過MATLAB編程和SPSS軟件實現。

（4）景觀格局指數計算

本研究結合當地的自然條件，并參考過去的相關研究成果［14，22-23］，選擇了一些較為常用且意義較為明確的景觀格局指數，具體景觀格局指數如表1所示，由Fragstats 4.2軟件計算。

表1 景觀格局指數的公式及描述Table 1 Landscape pattern indices’formulae and their descriptions

3 結果與分析

3.1 艾比湖綠洲實際蒸散量年際及季節變化

艾比湖綠洲1960—2013 年全年實際蒸散量的變化趨勢如圖2 所示。實際蒸散量呈上升趨勢，變化速率為7.76 mm·（10a）-1，多年平均值為162.97 mm，最小值為69.04 mm（1969 年），最大值為256.09 mm（2012年）。變差系數Cv為0.24，說明年實際蒸散量序列離散程度較小；偏態系數Cs為0.14，說明年實際蒸散量序列為正偏分配。Hurst指數H=0.76，說明年實際蒸散量序列具有正的持續性，即過去的一個增長趨勢意味著將來的一個增長趨勢，且序列的正持續性較強。非參數Mann-Kendall 單調趨勢檢驗的統計量︱z︱=0.2048＞z（0.05）=0.1836，說明研究區年實際蒸散量具有顯著的增加趨勢。由于艾比湖綠洲處于干旱區，由式（1）可知，該區域的降水量幾乎都被蒸發，隨著降水量的不斷增加，實際蒸散量也呈現為增加趨勢。

圖2 1960—2013年艾比湖綠洲實際蒸散量變化趨勢Fig.2 Trend of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis during 1960—2013

表2為艾比湖綠洲各年代際的實際蒸散量。實際蒸散量從20世紀60年代到2000年以后整體為增加趨勢，但20 世紀90 年代的實際蒸散量與80 年代相比出現了下降。20 世紀60—70 年代和90 年代的實際蒸散量均為負距平，這些時期的實際蒸散量要小于多年平均值，而20 世紀80 年代和2000 年以后均為正距平，這兩個時期的實際蒸散量比多年平均更大，其中從2000 年以后開始轉為最大的正距平，說明這一時期的實際蒸散量的增加較為顯著。

表2 艾比湖綠洲實際蒸散量年際與季節變化（單位：mm）Table 2 Interannual and seasonal variation of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis（unit：mm）

由于艾比湖綠洲冬季氣溫均在0 ℃以下，氣候寒冷干燥，實際蒸散量極低，因此本研究只分析春季、夏季和秋季的實際蒸散量變化特征。三個季節中，1960—2013 年夏季的平均實際蒸散量最高，為22.75 mm，秋季最低為10.44 mm。夏季和秋季實際蒸散量的變化趨勢與全年的變化趨勢一致，均為上升趨勢，而春季實際蒸散量為下降趨勢，且變化幅度較小。秋季2000 年以后實際蒸散量與20 世紀60 年代相比增長最大，增幅達到77.7%，夏季實際蒸散量在20 世紀60—90 年代均為不斷減小的負距平，2000 年以后轉為正距平，而秋季在20 世紀80 年代和2000年以后均出現了正距平，說明夏季實際蒸散量為持續的增加趨勢，并且在2000年以后增加的更為明顯，而秋季實際蒸散量在整個年代際中波動較為明顯。

對艾比湖綠洲全年以及春季、夏季和秋季的實際蒸散量進行Mann-Kendall 突變檢驗（圖3），研究區實際蒸散量在20 世紀60—80 年代變化不明顯，而從80年代以來，實際蒸散量有一個明顯的上升趨勢，尤其是在2003 年之后，這種增加的趨勢均超過了顯著性水平0.05臨界線，說明實際蒸散量的增加趨勢是顯著的。而通過觀察UF 和UB 交點的位置可以確定實際蒸散量是從1987 年開始突變性增加的。對1960—1986 年和1987—2013 年這兩個時期的實際蒸散量進行t檢驗，結果為︱t0︱=2.902＞t0.01=2.674，說明這兩個時期的實際蒸散量具有顯著差異，1987 年為突變點。春季實際蒸散量不存在突變點，夏季和秋季的突變性增加年份分別為1992年和1975 年。對全年以及春季、夏季和秋季的降水量進行Mann-Kendall 突變檢驗（圖4），發現年際、夏季和秋季的降水量的突變年份與實際蒸散量的突變年份一致，均為1987 年、1992 年和1975 年，春季同樣不存在突變點，說明艾比湖綠洲降水量的變化趨勢對于實際蒸散量的變化影響很大。全年實際蒸散量在突變后的均值比突變前的均值增加了29.97 mm，增長幅度為20.25%，夏季和秋季實際蒸散量在突變后比突變前分別增長了21.88% 和39.91%。

圖3 艾比湖綠洲實際蒸散量Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 Interannual and seasonal Mann-Kendall mutation test for the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

圖4 艾比湖綠洲降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 Interannual and seasonal Mann-Kendall mutation test for the precipitation in the Ebinur Lake oasis

3.2 艾比湖綠洲土地利用變化

本研究利用ENVI 軟件，依據全國土地資源分類系統和研究區土地利用現狀，將研究區土地利用/覆被劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、荒漠和鹽漬地這7 個土地利用/覆被類型，通過支持向量機分類與人工目視解譯相結合的方法進行分類，基于混淆矩陣法和野外采樣點進行精度評價，分類總精度均大于85%，可以進行進一步的研究。

圖5為四個時期研究區各地類的面積，可以看出四個時期中荒漠占主導地位，其面積遠遠大于其他地類的面積，四期所占比重均超過50%，耕地與城鎮建設用地持續增長，且增長幅度較大，2013 年其面積比1990 年分別增長了409.69% 和704.56%，林地、草地和水域的面積均為波動下降的趨勢，鹽漬地面積則為波動增加的趨勢。表3為1960—2013年艾比湖綠洲土地利用/覆被轉移矩陣，可以看出1990—1997 年間，新增耕地面積中來源于草地的面積占到33.06%，來源于荒漠的面積則占到39.25%，林地和草地面積的減少主要轉化為荒漠和耕地，城鎮面積的增長主要來源于荒漠，而增加的鹽漬地面積中有85.17% 都來源于荒漠；1997—2006 年新增耕地面積中有37.48% 來源于荒漠，有28.57% 來源于草地，而有64.65% 的新增草地面積來源于荒漠，新增城鎮面積的主要來源還是荒漠，水域面積的增長主要來源于鹽漬地；2006—2013 年間，大量減少的草地面積主要轉化為耕地和部分林地，荒漠持續轉化為城鎮用地，而鹽漬地的增長主要來源于水域的減少，并且部分草地也轉化為了鹽漬地；從1990—2013 年來看，荒漠始終是新增耕地和新增城鎮用地面積的最主要來源，其比例均超過了50%，鹽漬地的增加除了部分來源于荒漠外，水域面積的減少也是重要因素，草地退化較為嚴重，有60.42% 的草地都變為荒漠，整體上艾比湖綠洲的天然植被呈現不斷減少的趨勢，而耕地、城鎮用地這些人工綠洲呈逐漸增加的趨勢。1990—2013 年間的土地利用/覆被變化與氣候變化和人類活動關系密切。強烈的蒸發和較少的降雨造成艾比湖綠洲的荒漠景觀占主導地位，林地和草地的波動下降可能與該區域太陽輻射量下降［24］以及人工綠洲的擴張有關，而水域和鹽漬地的面積變化與遙感影像當年的氣候狀況有關，具有一定的不確定性；隨著當地經濟社會的快速發展，耕地和城鎮建設用地的大幅度增加則為人類活動導致。

圖5 艾比湖綠洲地類的面積變化Fig.5 Change of land use/cover area in the Ebinur Lake oasis

表3 1990—2013年艾比湖綠洲土地利用/覆被轉移矩陣（單位：km2）Table 3 Transition matrix of land use/cover in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013（unit：km2）

3.3 艾比湖綠洲景觀格局變化

由表4 各時期景觀格局指數可以看出，斑塊類型級別上，草地擁有最多的斑塊數量NP 和最大的斑塊密度PD，水域的斑塊數量最少，說明草地的破碎度最高，水域由于位置相對固定，破碎度最低；斑塊密度PD 與林地、草地和荒漠的面積的變化趨勢相反，而與其他地類的面積變化較為一致；荒漠的最大斑塊指數LPI 最高，說明艾比湖綠洲盡管人工綠洲不斷擴大，但整體上荒漠還是占據整個景觀類型的主導地位，LPI 與各土地利用/覆被類型的面積的變化趨勢均較一致；草地具有最高的景觀形狀指數LSI，說明草地的形狀構成最為復雜，而形狀相對固定的水域的LSI 最低；由于艾比湖綠洲處于干旱區，許多植被受制于水的分布而彼此鄰近，因此各土地利用/覆被類型的散布與并列指數IJI 普遍較高，而鹽漬地多圍繞湖泊與耕地分布，因此其IJI 值相對較低；城鎮的面積相對集中，因此具有最高的聚集度指數AI，而較為分散的草地AI值最低。

表4 1990—2013年艾比湖綠洲斑塊類型級別的景觀格局指數Table 4 Landscape pattern indices at patch types level in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013

由表5可知，景觀級別上，各景觀格局指數均為波動增加趨勢。其中斑塊數量NP 從1990 年的182 671 個增加到2013 的214 072 個，景觀破碎度增大；斑塊密度PD 在1990 年最低，僅為3.87 個·km-2，而在之后的三個時期均大于4 個·km-2；香農多樣性指數SHDI 在1997 年最低，說明這一時期土地利用較為單一，破碎化程度較低，其不確定性的信息含量較小，而SHDI在2006年出現最大值，說明這一時期土地利用復雜，不確定性高；蔓延度指數CONTAG的最大值出現在1997年，說明這一時期斑塊類型形成了較好的連接性，破碎度較低；各時期中景觀連通性指數COHESION 均較高，艾比湖綠洲整體上的景觀連通較好。

表5 1990—2013年艾比湖綠洲景觀級別的景觀格局指數Table 5 Landscape pattern indices at landscape level in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013

3.4 實際蒸散量與景觀格局指數的相關性

為分析艾比湖綠洲1990—2013 年不同地類景觀格局指數與實際蒸散量的關系，將不同地類的景觀格局指數與當年實際蒸散量進行相關性分析，結果如表6 所示。在各地類中，水域的各景觀格局指數與實際蒸散量的相關性普遍較高，而林地的各景觀格局指數與實際蒸散量的相關性普遍較低，其他地類的各景觀格局指數與實際蒸散量的相關性差別不大。在各地類的景觀格局指數與實際蒸散量的相關系數中，僅有水域的NP 和PD 與實際蒸散量呈現顯著負相關，相關系數達到-0.981（P＜0.05），說明大面積的水域對于當地涵養水分、抑制蒸散具有十分重要的作用。景觀級別上，各景觀格局指數與實際蒸散量的相關系數如表7 所示。選取的8 個景觀格局指數中，實際蒸散量與LPI、CONTAG 和COHESION 呈負相關，與其他指數呈正相關；AI 與實際蒸散量的相關性最高，達到0.953（P＜0.05），表明區域景觀格局越集中，實際蒸散量會越高；NP 和PD 的相關性最低，僅為0.148。斑塊數量NP、香農多樣性指數SHDI、景觀連通性指數CONTAG、散布與并列指數IJI 和聚集度指數AI 均表征了景觀的破碎程度，但這些景觀格局指數與實際蒸散量既有正相關也有負相關，說明景觀格局的破碎程度雖與實際蒸散量普遍具有較好的相關性，但其對實際蒸散量的影響還具有較大的不確定性。所選的8個景觀格局指數中，僅有AI與實際蒸散量的相關系數具有顯著性，艾比湖綠洲土地利用/覆被集中程度的提高也在一定程度上增加了該區域的實際蒸散量。

表6 艾比湖綠洲各地類不同景觀格局指數與實際蒸散量的相關系數Table 6 Correlation coefficients between different landscape pattern indices of different land use/cover and the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

4 討論

因為較難通過儀器測定足夠數量的、可靠的實際蒸散量數據，目前多采用模型計算方式獲取實際蒸散量值［25］。較為常用的實際蒸散量計算方法包括AA 模型、GG 模型、CRAE 模型［26］和傅抱璞公式［27］等，本研究使用Budyko曲線進行實際蒸散量計算，其在較大的時空尺度下估測長時間序列的蒸發指數，精度較高，誤差較少［19］。但相較于SEBAL 等基于遙感的蒸散發模型，該方法只能反映出一個區域整體的實際蒸散量，缺乏關于空間上的表達，無法對于不同土地利用/覆被下的蒸散量做出分析，在過去的研究中，已有學者發現不同土地利用/覆被狀況下的蒸散發有較大差異［9，16］，因此在今后的研究中可使用基于遙感的蒸散發模型對于艾比湖綠洲不同土地利用/覆被下的實際蒸散量變化做更為深入的分析。

在全球變暖的背景下，全球實際蒸散量理論上應該表現為增加趨勢，然而全球許多地點觀測到的實際蒸散量卻為穩定的下降趨勢［28］，關于出現的“蒸發悖論”，有學者指出這可能是由于全球太陽輻射與風速的下降和潛在蒸散量與實際蒸散量的互補關系導致的［29］。本文中實際蒸散量為增加趨勢，沒有出現“蒸發悖論”，一方面可能是由于艾比湖綠洲地處西北干旱區，荒漠占主導地位，雖然西北地區的風速有較為明顯的下降［30］，但蒸發強烈，氣候干燥，實際蒸散發與潛在蒸散發難以形成有效互補，隨著全球氣候的變暖，干旱區的蒸發會更強烈［31］。董煜［19］對1960—2013 年各氣候因子對實際蒸散量的相對貢獻率進行分析，發現降水量的相對貢獻率到達50% 以上，其次是風速。艾比湖綠洲顯著增加的降雨量是該區域實際蒸散量呈增加趨勢的一個重要原因。另一方面，人類活動也在一定程度上影響了下墊面的蒸散量變化。有大量研究表明在過去幾十年間艾比湖綠洲的土地利用/覆被發生了顯著的變化［32-33］，氣候變化和人類活動都是土地利用/覆被變化的驅動因素，其中人類活動是土地利用/覆被變化最主要的驅動力［33］，耕地擴張、城鎮建設等活動顯著地改變了艾比湖綠洲的下墊面，不同的下墊面類型也改變著區域的生態水文過程［16］。阿布都沙拉木等［34］發現在干旱-半干旱區，植被覆蓋度較高的區域實際蒸散量也較高，不斷增大的植被面積會增加艾比湖綠洲的實際蒸散量，這可能也是其表現為上升趨勢的原因。

對于多數景觀格局指數與實際蒸散量的相關系數沒有表現出足夠高的可信度，這可能存在兩方面的原因：第一，景觀格局指數雖然是描述區域景觀格局變化的有效方式，但其可能從機理上較難解釋一些自然過程和人為活動過程的變化。王泉泉等［35］、楊帆等［36］、金佳莉等［37］分別使用景觀格局指數對人類經濟活動、土壤理化因子和地表溫度進行相關性分析，結果表明其二者的相關性普遍較低，有很多相關系數僅為0.01～0.03 之間，而部分P值超過了0.7，因此景觀格局指數對于一些現象并不能很好地解釋。第二，本研究進行相關分析的樣本數太少。由于考慮到遙感影像的質量和可獲得性，只選取了四期遙感影像，導致用于相關性分析的景觀格局指數過少，使很多相關系數無法表現出顯著性。下一步的研究將考慮使用MODIS 等高時間分辨率土地利用/覆被產品與實際蒸散量進行分析，深入探討二者的關系。

5 結論

本研究對艾比湖綠洲1960—2013 年的實際蒸散量變化特征進行分析，并結合四期土地利用/覆被數據從景觀格局的角度分析了實際蒸散量對景觀格局的響應，得出以下結論：

（1）艾比湖綠洲年際實際蒸散量平均值為162.97 mm，呈上升趨勢；夏季的平均實際蒸散量最高，為22.75 mm，秋季最低為10.44 mm；年際實際蒸散量在1987年發生突變性增加，夏季和秋季的突變點分別為1992年和1975年。

（2）四期土地利用/覆被圖中荒漠占主導地位，耕地和城鎮用地增長較為明顯，分別增長了409.69%和704.56%，林地、草地和水域的面積均為波動下降的趨勢，鹽漬地面積則為波動增加的趨勢。

（3）斑塊類型級別上，不同地類的景觀格局指數差異明顯，水域的斑塊數量最少，荒漠的LPI值最高，草地和城鎮具有最高的LSI 和AI；景觀級別上，各景觀格局指數均為波動增加趨勢。

（4）斑塊類型級別上，僅有水域的NP 和PD 與實際蒸散量呈顯著負相關；景觀級別上，實際蒸散量 與LPI、CONTAG 和COHESION 呈負相關，與NP、PD 等指數呈正相關，實際蒸散量與AI 的相關性最高，達到0.953（P＜0.05），而與NP和PD的相關性最低，僅為0.148。僅有AI 與實際蒸散量的相關系數具有顯著性。