川滇農牧交錯帶參考作物蒸散量演變特征及驅動因子分析

侯玲琳，黃璽瑋，徐 霞，聶常樂

（1.四川師范大學地理與資源科學學院，成都 610101；2.西藏昌都市第四高級中學，西藏 昌都 854000；3.金華市賓虹高級中學，浙江 金華 321000；4.浙江師范大學地理與環境科學學院，浙江 金華 321004）

近百年來全球氣溫呈明顯波動上升趨勢［1］，影響了水循環過程，導致全球降水變化復雜且具有顯著的區域差異性，部分地區極端氣候事件出現頻率與強度增加［2］。因此，參考作物蒸散量（ET0）與地表濕潤指數（SWI）逐漸成為研究熱點，其核心特征是水分損益和收支變化，即在自然條件下由大氣水汽凝結帶來的降水輸入與下墊面經土壤蒸發及植物蒸騰過程造成的耗水輸出決定，當二者增減變化不平衡時，需綜合考慮氣溫和降水的共同作用［3，4］。近年來國內外學者在區域蒸散量與干濕性等方面取得了不少有價值的研究成果。Ramachandra 等［5］提出印度半島地區導致ET0上升的主要因素是平均氣溫、太陽輻射 和相對濕度。Dinpashon 等［6］、Nasrollahi等［7］的研究表明，導致伊朗ET0變化的主要因素是風速與相對濕度。代海燕等［8］應用徐文鐸濕度指數對內蒙古干濕氣候類型進行了劃分，結果表明過去30年該區域氣候變暖，變干面積大于變濕面積，降水量在正常氣候波動中減少，且與凈第一性生產力顯著相關。邢愿等［9］對貴州省巖溶地貌區的參考作物蒸散量及其影響因子進行主成分分析，發現非巖溶地貌區的ET0高于巖溶地貌區，二者變化趨勢具有一致性，導致ET0變化的主導因子為氣溫。ET0和SWI的應用為長三角地區、祁連山區等區域的地表干濕變動特性研究提供了豐富的理論依據［10-15］。但作為生態脆弱且具有多重地理過渡性質的川滇農牧交錯帶，土地利用相關研究較多［16-18］，但有關蒸散量和干濕變化研究甚少。本研究結合ET0和SWI探討該區域干濕狀況的時空變化特點，并定量分析不同氣象要素對該地干濕演變的影響程度，以期為農牧業生產容易受到干濕波動限制的川滇農牧交錯帶的自然生態協調、經濟戰略實施的可持續發展提供參考。

1 研究區概況

川滇農牧交錯帶包括四川省西部和云南省西北部，地形以高原、山地為主，地勢由西北向東南傾斜并橫跨第一級與第二級階梯界線，其中部山脊海拔多在5 000 m 以上［16］［圖1，該圖及文中涉及的地圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2019）1823 號的1∶48 000 000中國地圖制作，底圖無修改］。該區地處東亞季風和南亞季風交匯區，主要屬高原山地溫帶、寒溫帶季風氣候。受青藏高原和四川盆地控制，其氣候特征具有明顯垂直分布現象［18］。研究區西北部靠近濕潤區與干旱區分界線，南部、東南部接近800 mm 等降水量線，干濕季交替顯著，年均降水量介于700～900 mm［19］。該交錯帶是中國三大經濟帶中由東部較發達區向西部欠發達區變化的轉折帶，并作為長江上游地區遏制荒漠化和沙化東移的生態屏障［16］。

圖1 川滇農牧交錯帶各氣象站點分布及地形

圖2 1961—2015 年川滇農牧交錯帶氣溫和降水量的年際變化趨勢

圖3 1961—2015 年川滇農牧交錯帶ET0和SWI的年際變化趨勢

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

研究區內氣象站點在四川省和云南省分別分布有13 個和5 個，研究區外氣象站點有6 個（峨眉山站點除外，圖1）。研究區外站點數據可起輔助作用，提高研究的精確度與科學性。氣象數據來自中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/），其缺測值做如下訂正：①舍棄缺測天數較多（≥30 d）臺站。②若缺測序列＜5 d，由線性插值推算；若缺測序列≥5 d，則用該站其他年份同一日值多年平均值代替。校正后選取24 個地面觀測點（圖1）1961—2015 年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速（高地表2 m處）、日照時數、大氣壓（0.1 hPa）及降水量資料作基礎數據。DEM 數據來自地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/）。

2.2 研究方法與數據處理

2.2.1 參考作物蒸散量的計算 該區域有大面積位于半濕潤區，冬季少雨季節易發生超滲產流，計算PDSI 潛在蒸發誤差較大［20］，而使用基于能量平衡和水汽擴散理論的Penman-Monteith 公式計算ET0更能真實反映陸地、水面蒸發及植物蒸騰形成水蒸氣進入大氣的實際水量［21，22］。

FAO在綜合考慮作物生理特征、諸多氣象因子及空氣動力學和輻射作用下對Penman-Monteith 模型進行修正［21，23］，使下墊面情況及作物參考系數更趨理想化，穩定性較好。Penman-Monteith修正公式為：

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm/d）；Rn為地表凈輻射［MJ/（m2·d）］；G為土壤熱通量［MJ/（m2·d）］；γ為濕度計常數（kPa/℃）；Tmean為日平均氣溫（℃）；U2為地面2 m 高處風速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率（kPa/℃）。

2.2.2 地表濕潤指數（SWI）的計算SWI是反映某一時段地區干濕程度的良好指標［10］，能客觀表征區域降水和蒸散兩方面水熱平衡狀況。在自然條件下將其定義為大氣水汽輸入降水量與輸出蒸散量之比，即：

式中，P為降水量。

將SWI與降水量作為研究區干濕氣候劃分標準，具體如表1 所示［13，15］。

表1 SWI和降水量的干濕分區標準

2.2.3 其他數據處理方法 在ArcGIS10.5 軟件支持下，用IDW 插值法分析ET0和SWI空間分布；以最小二乘法表示歷年ET0和SWI及相應要素隨年份變化過程的擬合直線，并由該一次直線方程回歸系數的10 倍描述多年氣象數據序列變化傾向度［11］；選擇Mann-Kendal 檢驗法［12］進行突變檢驗；用主成分回歸法研究氣象因子對ET0的影響程度。主成分回歸分析是將多個指標降維處理，選取的主成分作為自變量，得到標準分構成的回歸模型，有效解決指標之間的共線性，已被廣泛應用。尤其是氣象因子之間存在復雜關聯，ET0歸因研究選擇主成分回歸分析優勢更加明顯。

3 結果與分析

3.1 年均氣溫和年均降水量變化

在全球氣溫變暖大背景下，1961—2015 年川滇農牧交錯帶年均氣溫呈明顯的上升趨勢，上升速率為0.26 ℃/10 年，年均氣溫為7.68 ℃。最冷年出現在1965 年，年均氣溫為6.71 ℃，最暖年為2009 年，年均氣溫為8.80 ℃。1961—2015 年研究區年均降水量呈上升趨勢，速率為3.88 mm/10 年。1961—2015 年研究區年均降水量為774.58 mm，年均降水量最低值出現在1972 年，為682.43 mm，較多年平均值低92.15 mm；最高值為1998 年的886.36 mm，較多年平均值高111.78 mm，最高年均降水量和最低年均降水量的極差達203.93 mm。

3.2 ET0和SWI的時空變化

3.2.1 年均ET0和年均SWI時間變化趨勢 川滇農牧交錯帶年均ET0和年均SWI受年均氣溫和年均降水量波動而改變。年均ET0為702.76 mm，年均SWI為1.25。ET0以-2.32 mm/10 年的速率下降，其中，1961—1980 年的年均ET0呈大幅上升趨勢，其線性趨勢為39.82 mm/10 年，1981—2015 年下降，其線性趨勢為-1.46 mm/10 年；SWI則以0.02/10 年的速率上升，其中，1961—1990 年年均SWI呈上升趨勢，線性趨勢為0.01/10 年，1991—2015 年下降，線性趨勢為-0.01/10 年。

3.2.2ET0和SWI突變檢驗 對1961—2015 年研究區年均ET0和年均SWI分別進行Mann-Kendal 突變檢驗。由圖4a 可知，UF曲線交UB于1987 年，說明ET0在1987 年發生突變。1961—1994 年除個別年份（1962 年和1965）UF＜0，其余年份UF＞0，且有19 個年份上升趨勢超過0.05 顯著水平，說明此階段ET0上升趨勢顯著；在1995 年以后UF位于0 以下，說明研究區ET0出現下降趨勢，但并未通過95%置信區間（除2005 年外）。

圖4 1961—2015 年川滇農牧交錯帶ET0（a）和SWI（b）的突變檢驗

由圖4b 可知，UF與UB相交于1987 年，為川滇農牧交錯帶近55 年SWI的突變年。1961—1990 年中除個別年份（1962 年和1965 年）UF＞0，其余年份UF＜0，說明此階段SWI主要呈下降趨勢。1990 年以后，UF一直位于0 以上，說明SWI從1990 年后呈上升趨勢。

3.2.3 年均ET0及年均SWI空間分布 由圖5 可知，1961—2015 年川滇農牧交錯帶年均ET0基本處于300～1 050 mm，空間分布差異較大，總體上呈由北向南遞增的趨勢，但在西南存在一個低值區。低值區主要出現在研究區東北方的汶川、彭州、寶興和交錯帶西南方的貢山附近，年均ET0基本處于300～500 mm；研究區東南方的麗江、鹽源、木里為高值區，年均ET0基本處于900～1 058 mm，中部的小金和甘孜ET0也較高，在850 mm 以上。年均ET0最高值在鹽源，達1 058.38 mm。研究區其余大部分地區ET0基本處于500～800 mm。研究區南部的ET0空間變化梯度大于北部，東部大于西部。

圖5 1961—2015 年川滇農牧交錯帶年均ET0的空間分布

由 圖6 可 知，1961—2015 年 研 究 區SWI介 于0.68～4.67，區域之間的濕潤指數差異較大。除了研究區中西部甘孜、新龍、道孚、小金和東南部木里、鹽源、中甸、麗江SWI大致介于0.5～1.0，為半濕潤區，其余地區SWI都大于1.0，都屬濕潤區，濕潤區與半濕潤區劃分可近似以橫斷山區邊界作為分界線。從總體來看，研究區北部，SWI由東向西遞減，南部則由東向西遞增。“濕極”位于研究區東部的寶興，濕潤指數高達4.67。該地區位于青藏高原東南部，特殊地理位置接受多方水汽來源，地勢東高而三面（西、北、南）低，具備“喇叭口”與“迎風坡”，地形爬坡和地形漩渦對氣流抬升與輻合造成當地降水量較多［24］。位于西南方的貢山也極為濕潤，這與王允等［10］的研究認為貢山是西南地區近52 年平均濕潤指數高值區的結論具有相似性，原因是貢山緯度較低，臨近印度洋，且處于夏季風的迎風坡，致使暖而濕的西南季風遇地勢高峻、南北延伸的高黎貢山能夠抬升至山脊，形成降水，冬季時高黎貢山又阻斷西北寒流侵襲，使貢山提前步入雨季形成長期大暴雨。“干極”位于研究區中部的小金，濕潤指數都在0.70 以下，這主要是由于該地氣溫較高、降水量較少、蒸發相對旺盛造成的；SWI等值線西南和東部密集，西部稀疏，說明越濕潤地區的SWI變化梯度越大。

圖6 1961—2015 年川滇農牧交錯帶年均SWI的空間分布

3.2.4 基于年和季節尺度的ET0變化傾向率空間分布 根據SWI的計算公式可知，SWI可由ET0計算得出，并呈負相關關系，因此著重分析了ET0的變化傾向率。川滇農牧交錯帶年（圖7）與四季（圖8）ET0變化傾向率都表現出明顯空間差異性。研究區內11.11%的站點（n=2）通過0.05 顯著性水平檢驗和33.33%的站點（n=6）通過0.01 顯著性水平檢驗；1961—2015年ET0變化傾向率在-2.35～1.59 mm/10年，南部和北部為ET0上升區，中部為ET0下降區，下降區面積多于上升區（圖7）。

圖7 1961—2015 年川滇農牧交錯帶年際ET0變化傾向率

圖8 1961—2015 年川滇農牧交錯帶四季ET0變化傾向率

1961—2015年研究區春季（圖8a）、夏季（圖8b）、秋季（圖8c）、冬季（圖8d）ET0氣候傾向率分別為-1.88、-1.27、-0.43、-1.86 mm/10 年，其中通過0.05顯著水平檢驗的站點數春季、夏季、秋季、冬季分別占總站點數的44.44%、22.22%、38.89%和11.11%。研究區春季、夏季和秋季ET0上升趨勢較為顯著，冬季ET0演變趨勢不明顯。春季研究區南部和北部的ET0為上升趨勢，尤其南部的木里為10.71%/10 年，上升速率最大，且達極顯著水平（P＜0.01）；中北部11 個站點ET0為下降趨勢，尤其是甘孜、新龍的ET0呈極顯著下降趨勢（P＜0.01），其中新龍下降速率最大，為-9.26%/10 年。夏季、秋季、冬季的ET0變化傾向率與春季存在空間相似性，都為研究區南部和北部ET0呈上升趨勢，中部呈下降趨勢。四季ET0上升區和下降區存在明顯的分界線。1986—2015 年川滇農牧交錯帶夏季、秋季和冬季ET0上升和下降速率最大的分別為木里的6.69%/10 年（P＜0.01）和小金的-6.37%/10 年、木里的7.12%/10 年（P＜0.01）和小金的-6.92%/10 年（P＜0.01）、木里的5.12%/10 年和新龍的-8.21%/10 年（P＜0.01）。結合圖5，木里、小金、甘孜為ET0高值區，但近55 年來，木里ET0呈增加趨勢，而甘孜和小金ET0卻為減少趨勢，說明高值區ET0的變化趨勢各不相同。

3.3 ET0驅動因子分析

3.3.1 主成分分析 為了進一步探究各氣象因子對ET0的影響程度，選取平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數、相對風速、降水量7 個指標作為因子分析變量，進行PCA 分析，且各指標均通過KMO 和巴特利特檢驗。提取前3 個主成分，累計貢獻率達89.33%（表2）。各因子與主成分相關系數絕對值均超過0.70，說明各因子與主成分之間呈較強的聯系。

表2 主成分的特征值及貢獻率

由表2 和表3 可知，第1 主成分主要反映最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫，累計貢獻率達48.54%；第2 主成分主要反映相對濕度、日照時數和降水量，累積貢獻率達30.04%；第3 主成分主要反映平均風速，貢獻率為10.75%。由因子載荷矩陣和特征值，得到各主成分的線性公式。

表3 各特征值對應的特征向量

式中，F1、F2、F3分別表示第1、第2、第3 主成分值；XMT、XHT、XLT、XRH、XSH、XWS、XP分別表示平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數、平均風速、降水量的標準化值。

由表達式可知，第1 主成分與熱力因子（平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫）呈較強正相關；第2 主成分與水分因子（相對濕度、降水量）呈正相關，與天文因子（日照時數）呈負相關；第3 主成分與動力因子（平均風速）呈正相關。

3.3.2 主成分回歸分析 以影響ET0的前3 個主成分共7 個影響因子作為自變量（X），川滇農牧交錯帶近55 年的ET0作為因變量（Y）進行回歸分析，得到影響ET0的多元回歸模型。

研究區內熱力因子（平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫）、天文因子（日照時數）、動力因子（平均風速）對ET0產生正效應，水分因子（相對濕度和降水量）對ET0產生負效應。上述7 個影響因子的影響程度由大到小為平均風速、日照時數、相對濕度、最高氣溫和降水量、平均氣溫、最低氣溫。即在日照豐富的高溫環境下，地面可獲取更多的太陽輻射，使得地面水分蒸發更旺盛，并在風速較大的作用下，加快地表水分子運移過程，導致ET0上升［15］。

1961—2015 年研究區平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫呈上升趨勢（表4），一定程度上導致ET0增大。但影響ET0的主導因子平均風速、日照時數、相對濕度呈下降趨勢，降水量呈上升趨勢。綜合作用下，造成川滇農牧交錯帶近55 年ET0呈下降趨勢。

表4 1961—2015 年川滇農牧交錯帶各氣象因子氣候傾向率

4 小結與討論

1）1961—2015 年，研究區年均氣溫為7.68 ℃，年均氣溫呈明顯的上升趨勢，上升速率為0.26 ℃/10年。年均降水量為774.58 mm，呈上升趨勢，速率為3.88 mm/10 年。

2）1961—2015年，研究區年均ET0為702.76 mm，以-2.32 mm/10 年的速率下降，變化趨勢為先上升而后下降再上升。年均SWI為1.25，以0.02/10 年的速率上升，表現出先上升再下降。ET0與SWI都于1987年發生突變。

3）1961—2015 年研究區年均ET0基本介于300～1 050 mm，空間分布差異較大，總體上呈由北向南遞增的趨勢，研究區東北方的汶川、彭州、寶興和西南貢山附近的年均ET0分別為300～500 mm 和380 mm，屬低值區，鹽源為高值區，年均ET0達1 058.38 mm。研究區SWI介于0.68～4.67，區域之間的濕潤指數差異較大。研究區北部SWI由東向西遞減，南部則由東向西遞增。“濕極”位于雅安寶興，SWI高達4.67。

4）1961—2015 年ET0變化傾向率大致在-2.35～1.59 mm/10 年，研究區南部和北部為ET0上升區，中部為ET0下降區，下降區面積多于上升區。近55 年該區春季、夏季、秋季、冬季ET0變化傾向率分別為-1.88、-1.27、-0.43、-1.86 mm/10 年，冬季參考作物蒸散量演變趨勢不顯著。四季ET0變化傾向率存在空間相似性，研究區南部和北部ET0呈上升趨勢，中部為下降趨勢，ET0高值區的變化呈雙向性。

5）主成分分析結果顯示，第1 主成分主要反映最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫，第2 主成分主要反映相對濕度、降水量、日照時數，第3 主成分主要反映平均風速。有研究顯示，不同區域ET0變化趨勢與驅動因子各不相同［5-7］，本研究得出平均風速為影響ET0的主導因子，日照時數與相對濕度次之，ET0對最低氣溫響應最弱，但氣象因子與參考作物蒸散量間存在復雜機制，其他因子尚未納入在內，還需要深入研究。