基于土壤含水量距平指数的塔里木流域时空演变特征

吐尔洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库车 843200)

农作物干旱主要是由于作物本身的需水量无法得到满足，因此农业干旱分析应该基于土壤水分的变化。目前，土壤水分的监测站点无法实现大面积全覆盖，而随着遥感技术及其产品的出现弥补了这一不足，已有众多学者将遥感技术应用于农业干旱评估(Cammalleri等,2016；Engda and Kelleners，2016；Mao等, 2017)。本文基于GLDAS数据集，提取2000-2010年3层土壤水分数据并计算土壤含水量距平指数(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)来评估塔里木流域农业干旱的时空演变特征[1]。

1 研究区概况

塔里木河是中国最大的内河，全长2 179 km，由叶尔羌河、和田河、阿克苏河等形成的。河流非常不稳定，被称为“脱缰的马”。塔里木盆地位于天山山脉和昆仑山之间新疆的南部。塔里木流域从东到西长1 100 km，从南到北宽600 km，是世界上最大的内陆河流流域。从最长的源流到塔里木河尽头的塔里木河尾闾——泰特茅斯湖，长250 km。流域总面积1.70×104km2，包括370 400 km2的沙漠地区。

2 数据资料和研究方法

2.1 数据资料

本文采用的 GLDAS 数据集是美国航空航天局(NASA)戈达德空间飞行中心(GSFC)和美国海洋和大气局(NOAA)国家环境预报中心(NCEP)联合发布的基于卫星、陆面模式和地面观测数据的同化产品。本文采用的 GLDAS 数据为 1960-2010 年 3 层(0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm)土壤水分月值数据，单位为 kg/m3，空间分辨率为 0.25°。数据为 nc4格式，用 Matlab 程序提取塔里木流域数据[2]。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤含水量距平指数

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

式中：θ为当前土壤水分；α为多年中该时段土壤水分的均值，kg/m3。

基于 SMAPI 值将干旱划分为 9 个等级，见表1。

表1 基于 SMAPI 的旱涝等级划分

2.2.2 Mann-Kendall 统计检验方法

Mann-Kendall 统计检验方法是一种非参数统计检验方法，样本无需遵从一定的分布，不受少数异常值的干扰，计算简便。进行突变分析时，给出一定的显著性水平并确定临界值，计算并绘制 UF 和 UB 曲线。若 UF 或 UB 的值大于 0，则表明序列呈上升趋势；反之，则相反。如果 UF 和 UB 在置信区间内有交点，则认为该点为突变点的开始[4]。

3 研究结果

3.1 年际变化

统计塔里木流域 SMAPI 指数的多年平均值及其变化趋势，结果见图1。SMAPI 多年平均值在-0.12～-0.02；流域西部上游地区 SMAPI 均值相对较高，东南部地区 SMAPI 均值相对较低，SMAPI 均值从东南向西北递增[5]。全流域多年 SMAPI 均呈现下降趋势，变化范围在-0.6～-0.05，但下降趋势不明显且具有空间异质性。中东部地区 SMAPI 值下降趋势较大，西部上游地区 SMAPI 值下降趋势相对较小；SMAPI 值斜率变化由北向南递增，由西向东递减。

图1 1960-2010 年塔里木流域 SMAPI 值变化过程

塔里木流域 SMAPI 值在年月尺度变化见图1和图2。由图1和图2中可知，在年尺度上，塔里木流域 SMAPI 值呈现多年下降趋势，为 2.485/10 a，相关系数为 0.53，流域土壤水分含量呈现减小趋势，可能加重农业干旱事件的发生。SMAPI 年值变化范围在-30%～38%，最大值发生在 1964 年，最小值发生在 1995 年。1960-2010 年间，有 10 年发生轻度干旱；10 年发生轻度湿润；1964 年达到中度湿润；其余年份 SMAPI 年值均在正常范围内。1960-2010 年间，月尺度 SMAPI 最小值、最大值和均值均呈现下降趋势，分别为 0.184/10 a、0.307/10 a 和 0.207/10 a。1960-2010 年共 612 个月份中，其中 51 个月份发生中度干旱，中旱发生频率为 8.33%；137 个月份发生轻度干旱，轻旱发生频率为 22.4%。

图2 1960-2010 年塔里木流域 SMAPI 月最大值、最小值、均值变化过程

采用 M-K 突变检验方法，分析塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值时间突变特征，结果见图 3。1964 年之前，UF 大于 0，SMAPI 值呈现上升趋势，且在 1964 年上升趋势显著。在 1964 年之后，UF 值均小于 0，SMAPI 值呈现下降趋势；1973-1975、1979-1983和 1992 年之后，下降趋势明显。在 1975 年，UB 和 UF 相交，说明 SMAPI 存在突变点，且相交点处于临界线直线，该年可能发生突变。

图3 塔里木流域 1960-2010 年 SMAPI 值 M-K 突变检验

3.2 季节变化

旱涝站次比能表征一定区域内旱涝发生范围，同时可间接反映区域受旱涝影响的严重程度。为表明塔里木流域不同季节干旱发生范围的变化特征，基于 SMAPI 值计算结果，分别统计 1960-2010 年四季干旱站次比。根据干旱站次比值，将干旱发生范围分为4个等级，即无明显干旱(<10%)、局域性干旱(10%～25%)、部分区域干旱(25%～33%)、区域性干旱(33%～50%)及全域性干旱(>50%)。塔里木流域干旱站次比及其变化趋势见图4。

图4 1960-2010 年塔里木流域季节干旱站次比及其变化趋势

1)春季。1960-2010 年，塔里木流域春季干旱站次比在 0～100%之间波动。其中，28 年无明显干旱事件发生，9 年发生局域性干旱，仅 2010 年发生部分区域性干旱，4 年发生区域性干旱，9 年发生全域性干旱。2007 和 2009 年，干旱站次比达到 100%。在 1980 年之前，干旱站次比逐渐增加；在 1980-2000 年间，干旱站次比有所降低；2001-2004 年，无明显干旱事件发生；2004 年之后，干旱站次比再次增加。即春季干旱站次比呈增加趋势，春旱影响范围呈增大趋势。

2)夏季。1960-2010 年，塔里木流域夏季干旱站次比在 0～100%之间波动。其中，21 年无明显干旱事件发生，5 年发生局域性干旱，2 年发生部分区域性干旱，8 年发生区域性干旱，15 年发生全域性干旱。在 2001、2005 和 2006 年，夏季干旱站次比均达到 100%，塔里木发生全域性干旱。在 1970 年之前，干旱站次比相对较小，之后稳步增加，在 1990 年左右有所下降，在 2000 年之后干旱站次比持续上升。

3)秋季。1960-2010 年，塔里木流域秋季干旱站次比在 0～100%之间波动。其中，26 年无明显干旱事件发生，没有发生局域性干旱，8 年发生部分区域性干旱，5 年发生区域性干旱，11 年发生全域性干旱。

4)冬季。1960-2010 年，塔里木流域冬季干旱站次比在 0～100%之间波动。其中，26 年无明显干旱事件发生，3 年发生局域性干旱，2 年发生部分区域性干旱，4 年发生区域性干旱，16 年发生全域性干旱。在 2002 和 2006 年，干旱站次比达到 100%。在 1980 年之后，冬季干旱站次比明显大于 1980 s 之前。

综合塔里木流域季节干旱站次比变化特征可知，在 1960-2010 年，四季干旱发生范围整体上呈增大趋势；2000 年之后，塔里木流域季节干旱发生范围及其发生频率显著增大。季节干旱站次比增加的趋势为夏季>冬季>春季>秋季。

3.3 生长季变化

选取秋粮的生长季 6-9 月份 SMAPI 值进行统计分析，结果见图5。塔里木流域生长季 SMAPI 值多年变化呈现下降趋势，平均每 10 a 下降 2.49。1960-1973 年之间，SMAPI值大于-5%，为正常和湿润状态；在 1964 年，达到最大值为 17.53%，发生中度湿润事件；1973 年，SMAPI 值为-10.77，发生轻度干旱事件；之后 SMAPI 值有所上升，恢复到正常状态。在 1987 年，SMAPI 值达到最小为-15.01，发生中度干旱事件；1994、1995 和 1996年发生连续干旱事件，均为轻度干旱。

图5 1960-2010 年塔里木流域生长季 SMAPI 值变化

塔里木流域生长季干旱站次比及其变化趋势见图6。1960-2010 年间，塔里木流域生长季干旱站次比在 0～100%之间波动，干旱站次比呈现多年增加趋势，平均每 10 a 增加 9.37。在 1968 年之前，没有明显干旱事件发生；1969 年，干旱站次比达到 69.23%，发生全域性干旱；在 1970 年，干旱站次比为 0，没有干旱事件发生。20世纪70 年代干旱发生频率较大，1971-1980年，干旱站次比均在15%以上；1983-1985 年，干旱站次比为0，没有干旱事件发生；1986-2000年，干旱事件交替发生，虽然发生频率较大，但持续时间不长。2001 和 2006 年，干旱站次比达到 100%，发生全域性干旱；2003 和 2010 年，干旱站次比为 7.69%，无明显干旱事件发生；但在 20 世纪的其他年份，均有不同程度的干旱事件发生，不仅发生频率大且持续时间长。这表明塔里木流域生长季趋于干旱，干旱影响范围呈增加趋势。

图6 1960-2010 年塔里木流域生长季干旱站次比

塔里木流域生长季 SMAPI 值突变检验见图 7。在 1968 年之前，UF 值大于 0，表明该时段生长季 SMAPI 值呈现上升趋势，且在 1963、1964 和 1965 年上升趋势显著。在 1969 年之后，生长季 SMAPI 值呈现下降趋势，且大部分年份下降趋势显著。1972、1976、1984和 1985 年，UF 和 UB 相交；且相交点处于临界线直线，这 4 年可能发生突变。

图7 塔里木流域 1960-2010 年生长季M-K 突变检验

4 结 论

对于农作物的生长情况而言，最直接的影响因子是土壤水分，土壤水分的亏缺对干旱起着重要作用。因此，本文选取 GLDAS 产品的 3 层土壤水分数据来计算土壤含水量距平指数(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)，并分析其在年际、季节和生长季的时空变化，并基于 M-K 方法对塔里木流域时间序列进行突变检验，以此来评估塔里木流域农业干旱时空演变特征。主要结论如下：统计分析塔里木流域年际、季节和生长季 SMAPI 值变化规律及其突变分析，表明塔里木流域在不同时间尺度下均呈现干旱化趋势，特别是在 2000 年以后。塔里木流域是西北重要的粮食生产基地，分析土壤含水量的时空变化可进一步明晰下垫面对农业干旱的影响，对该地区农业生产具有重要的参考价值。