武陵山区地表蒸散量时空变化特征及其对气候变化的响应

周 璐, 汤弟伟, 刘 恒, 宋鄂平,2, 刘小芳

(1.湖北民族大学 林学园艺学院, 湖北 恩施 445000; 2.鄂西生态文化旅游研究中心, 湖北 恩施 445000; 3.恩施土家族苗族自治州自然资源和规划局, 湖北 恩施 445000)

蒸散发(Evapotranspiration, ET)直接影响着区域水资源及生态状况[1-3]。武陵山区是指武陵山覆盖的区域，该区自然条件恶劣、地理环境复杂，虽然水资源丰富，但农业产业比重大、农业基础设施落后，季节性降水偏少常会引发干旱灾害[4-5]，严重影响农业生产。再者，武陵山区经济发展落后，曾为14个连片集中特困区域之一，灾害抵御能力弱，自然灾害对该区影响显著大于其他地区。近年来，武陵山区实施了一系列生态环境保护和恢复措施，植被覆盖条件得到改善。而下垫面物理性质的变化会引起地气间能量水分的重新分配。因此，充分认识武陵山区蒸散量及时空特征，对于该区水资源管理和生态环境建设具有重要意义。

传统的基于站点观测资料估算蒸散量难以反映区域尺度ET的时空分布特征，而遥感分析由于具有时效性强、覆盖范围大等优点，已成为ET估算最主要的方法[6-7]。国内外学者基于经验统计公式、特征空间法和能量平衡法等方法[8-9]，生产了GLEAM[10]、GLDAS和MOD16等[11]诸多ET遥感数据产品，其中MOD16具有时空分辨率和精度高等优点，在全球范围得到了广泛验证与应用[12-13]。这些研究同时也表明，不同区域ET时空分布及影响因子存在较大差异，如温媛媛等[8]认为山西省ET呈现西北低、东南高的分布特征，近15 a来干旱情况在加剧，这种变化趋势在空间尺度上和时间尺度上分别与降水-相对湿度、气温-降水相关性最高，且均为正相关；马建琴等[14]则利用相关性分析发现河南省ET与气温、降水整体呈正相关关系；黄葵[15]、蒙雨[16]等同样认为降水和气温是影响海河流域和乌江流域ET的重要因素，但不同土地利用类型ET的驱动力机制存在较大差异；郭晓彤等[17]通过研究发现淮河流域绝大部分区域ET表现为非气候因子驱动型，受人类活动影响较大。对于山区而言，其下垫面更加复杂，ET对影响因子的响应机制显著不同，如气温和风速对祁连山的ET影响最为显著[18]；降水对滹沱河上游山区蒸散起控制作用[19]；最高温度、最高相对湿度和最低相对湿度是影响重庆丘陵山区ET的3个最主要因子[20]；受气温、日照时数、风速、降水量和空气相对湿度的综合影响，天山山区和南、北疆潜在蒸散量总体呈减少趋势[21]。

武陵山区作为国家重点生态功能区的组成部分，具有生物多样性保护和水土保持的重要功能。然而，目前未见该区ET的相关研究，ET的时空特征及其对气候变化的响应机制尚不清楚。基于此，本文拟基于MOD16产品和同时期气象数据，揭示武陵山区ET时空变化特征及其对气候变化的响应，以加深对该区地表蒸散量时空变化特征和机制的理解，为该区生态系统水源涵养和保护、水资源合理利用与开发等提供参考。

1 研究区概况

武陵山区地处25°52′—31°24′N，107°4′—112°2′E，包括重庆、湖北、贵州、湖南4省市交界地区的71个县(市、区)，国土总面积约1.718×105km2。该区域地势西北高东南低，地貌以山地为主，平均海拔在1 000 m左右，是第二级阶梯向第三级阶梯的过渡带。武陵山区属亚热带向暖温带过渡类型气候，年平均气温为13～16℃，年均降水量为1 100～1 600 mm，夏凉冬冷，雨量充足。区内森林覆盖率达53%，植被以常绿阔叶林和落叶林为主。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

蒸散数据为NTSG(http:∥www.ntsg.rmt.edu)发布的2000—2014年MOD16A2数据集，遥感卫星轨道号为h27v05和h27v06，时间和空间分辨率分别为月和1 km。该数据集包含蒸散发(ET)、潜热通量(LE)、潜在蒸散发(PET)和潜在热通量(PLE)，研究选用ET和PET两个数据，其中ET用于分析，PET用于精度检验。首先利用MRT软件对数据进行镶嵌、格式转换和重投影等操作，然后进行单位换算并剔除无效值，最后利用研究区边界裁剪和月值累加获得武陵山区蒸散量逐月、逐年数据集。

2000—2014年蒸发皿实测蒸散量数据为国家气象科学数据中心提供的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，同时选取研究区内及周围49个气象站点的气温和降水数据，采用Anusplin软件进行空间插值。太阳辐射、湿度和风速数据为中国区域地面气象要素驱动数据集(1979—2018)[22]，时间和空间分辨率分别为月和0.1°。此外，1 km分辨率的DEM来自于地理空间数据云，土地数据为2010年GlobeLand 30数据。

所有数据定义相同的空间参考(UTM_WGS_84_49N)和分辨率(1 km)，数据处理和分析使用ArcGIS和MATLAB完成。

2.2 研究方法

2.2.1 Sen趋势与M-K检验 Sen趋势可用于分析ET在时间序列上的变化趋势，该方法无需数据服从特定分布且不受异常值的干扰，对离散数据具有较强的规避能力[23-24]。其计算公式为：

(1)

式中:β为ET变化趋势;β>0表明ET呈上升趋势,β<0则为下降趋势;ETj和ETi分别为第j年和第i年的ET值。变化趋势的显著性通过M-K统计检验法判断,相关公式如下:

检验统计：

(2)

符号函数：

(3)

标准化统计量：

(4)

(5)

趋势检验的方法是[25]：零假设H0，β=0，当|Z|>Z1-α/2，拒绝零假设。Z1-α/2为标准正态方差；α为置信度水平。

2.2.2 Hurst指数 Hurst指数是定量描述时间序列信息长期依赖性的有效方法，它能够依据长时间序列数据的过去趋势预测未来发展趋势[26-27]。基本原理是：

考虑一个ET时间序列{ET(τ)}，对于任意正整数：

均值序列：

(6)

累计离差：

(7)

极差：

(8)

标准差：

(9)

若存在R/S∝τH，说明时间序列存在Hurst现象，H称为Hurst指数，H值在双对数坐标系[lnτ，ln(R/S)]中用最小二乘法拟合获得。

3 结果与分析

3.1 精度检验

蒸发皿实测蒸散量是在不受水分影响的情况下测得，而MOD16 PET是水分供应充足时的蒸散量，两者存在内在一致性。因此，可以通过评估两者的相关性来验证MOD16产品的适用性。为保证气象站点蒸发皿实测蒸散量的可靠性和连续性，剔除存在异常值和不连续的气象站点后，研究共选取秭归、靖州、新化、丰都、黔江、松桃和正安7个站点，将小口径蒸发皿蒸散量日值数据进行处理并折算系数，获得各站点逐月蒸散量。同时，提取气象站点所在位置MOD16 PET值，基于“点”尺度进行精度检验。从气象站点实测蒸散量与MOD16 PET的相关性(图1)可以看出，两者的相关系数达到R2=0.82(p<0.01)，具有较高的决定性，表明MOD16蒸散产品在武陵山区的精度满足要求，能够用于该区蒸散量的时空分布特征研究。

图1 蒸发皿实测蒸散量与MOD16 PET的相关性

3.2 武陵山区蒸散量变化特征分析

3.2.1 武陵山区蒸散量的时间变化特征 武陵山区2000—2014年ET的年际变化见图2。研究区近15 a ET呈波动增加趋势，其波动范围为808.56～898.88 mm，多年均值为858.92 mm。2001年(808.56 mm)和2003年(898.87 mm)分别为ET最小、最大年份，极差为90.31 mm。查阅气象资料发现，该区在2000年和2001年发生了大范围的干旱，ET值较低。2003年为多年降水最多年份，同时气温较高，因此ET高。此外，2001年、2003年和2013年ET相对变化率较大，分别为-6.23%，4.44%，2.78%，表明3个年份ET波动性较明显，2001年显著下降，2003年和2013年显著上升。

图2 武陵山区2000-2014年ET的年际变化

武陵山区ET月动态表现为先增后减的单峰型变化趋势(图3)。1—2月气温低(4.72℃)，植被处于休眠期，气温低，蒸发作用较弱，ET较小，仅33.35 mm；3—7月，水热明显增多，气温和降水达到年内峰值，植被进入生长季，植被生长加速，ET迅速增加，在7月达到峰值，ET最大为132.6 mm；8月ET继续维持在较高水平；9—10月，水热减少，太阳辐射减弱，同时植被进入成熟期，ET下降；10月后植被生长季结束，植被停止生长，蒸散量较小，其中12月为ET最小月份(27.36 mm)。月均ET与月均气温和月均降水均表现先增后减的单峰型变化趋势，其中ET与气温的变化特征趋于一致，表明水热因子的耦合作用是ET年内变化的重要影响因素。

图3 武陵山区2000-2014年ET、气温和降水的月际变化

3.2.2 武陵山区蒸散量的空间变化特征 由图4可知，武陵山区2000—2014年ET多年均值的空间分异明显。各地ET多年均值范围为497.02～1 322.55 mm，整体呈现中部高、四周低的分布格局，高值区集中在湖南的保靖、吉首、泸溪等地，低值区集中在湖北的秭归、湖南的石门东南部和重庆的丰都西北部等地。ET的空间分异与地表覆盖有一定联系，林地等高植被覆盖区域蒸发较为旺盛，耕地和城镇用地周围易受人类活动影响，ET较低。武陵山区不同土地利用类型ET主要表现为林地(867.49 mm)>草地(865.8 mm)>灌木地(854.7 mm)>耕地(847.25 mm)。

图4 武陵山区2000-2014年ET多年均值的空间分布

高程变化引起水热条件的再分配，从而对地表蒸散量产生一定影响。根据研究区实际和地貌基本形态划分指标[28]，对武陵山区不同地貌类型ET进行统计。由表1可知，武陵山区地貌以低山和中山为主，低山平均ET最高，依次是中山和高山，丘陵最低。

表1 不同地貌类型ET统计

受植被生长习性和区域环境状况的影响，武陵山区2000—2014年四季ET空间分异明显，该区春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—次年2月)ET的空间分布见图5。四季ET均值从大到小依次为夏季(365.49 mm)>春季(211.09 mm)>秋季(188.29 mm)>冬季(94.05 mm)，春季ET南高北低，夏季和秋季ET的空间分布与全区ET多年均值基本一致，表现为中部高、四周低，而冬季ET西高东低。春季气温回升使得植被开始生长，ET介于114.17～317.09 mm，湖北北部的秭归、巴东和重庆的丰都ET明显低于其他地区；夏季气温高，光照充足，太阳辐射强烈，同时伴有较多雨水，地表蒸散量旺盛，ET介于201.89～624.05 mm，各地ET较春季明显增加，中部地区尤为明显；秋季水热减少，植被进入成熟期，ET减少，介于101.26～316.87 mm；冬季气温低，植被生长停滞，蒸散量少，各地ET值均较小，介于53.9～130.92 mm，空间差异相对于其他季节减小。总体而言，四季水热条件搭配的不同使得各个季节蒸散量差异显著，而地形及植被覆盖等的不同使得同季各个区域蒸散量差异大。

图5 武陵山区2000-2014年四季ET的空间分布

3.2.3 武陵山区蒸散量空间变化的稳定性 基于像元尺度计算武陵山区2000—2014年ET的变异系数Cv值，分析区域蒸散量空间变化的稳定性(图6)。ET的Cv值范围为0.01～0.34，均值为0.05，表明近15 a武陵山区ET变异程度较低，空间变化处于相对稳定状态。高值集中在湖南的辰溪、溆浦、芷江、麻阳，重庆的丰都、彭水、秀山和贵州的铜仁、思南、凤冈等地，这些区域的Cv在0.3以上，用地类型多为耕地，植被覆盖度低，ET变化相对剧烈。

图6 武陵山区ET变异系数的空间分布

3.2.4 武陵山区蒸散量空间变化的趋势 基于像元尺度计算武陵山区2000—2014年ET的β值并进行M-K检验，分析蒸散量空间变化的趋势(表2和图7)。ET的β值域为-30.39～19.43，均值为0.23，呈增长和减少趋势的区域占比分别为51.13%，48.87%，说明研究时段武陵山区ET整体呈稳定趋势。ET变化趋势多不显著(99.09%)，中部地区如务川、酉阳、沅陵等地增加较多；下降区域占48.05%，主要分布在区域北部和南部；其他趋势像元较少，零散分布于各地。

图7 武陵山区ET变化趋势及显著性的空间分布

表2 ET变化趋势统计

3.2.5 武陵山区蒸散量空间变化的持续性 基于像元尺度计算Hurst指数，分析ET空间变化的持续性。由图8可知，Hurst指数介于0.14～0.98，均值是0.5，空间分布主要表现为西南高、东北和东南低。Hurst指数小于0.5的比例为49.08%，该区域ET空间变化特征具有反持续性，主要位于东部地区；另50.92%的区域Hurst指数大于0.5，其空间变化特征具有持续性，在西南部和北部地区较为明显。

图8 武陵山区ET Hurst指数空间分布

将趋势分析与Hurst指数图层叠加，分析武陵山区ET的未来变化趋势。由表3可知，ET未来变化趋势比较混沌，各个方向的趋势占比基本相当。减少—持续趋势略显明显，占比26.21%，主要分布在区域西南部，表明该区域ET未来将持续减少；其次是减少—反持续，占比25.4%，主要分布在北部和东南部，ET未来趋势可能由减少逆转为增加；然后是增加—持续，占比24.71%，在西南部聚集，未来ET将保持增加；最后是增加—反持续，占比23.68%，多分布在中部，未来趋势可能由增加转为减少。综合来看，武陵山区未来ET将在50.11%的区域呈现增加，另49.89%表现为减少。

表3 ET未来变化趋势统计

武陵山区ET与气温空间相关系数介于-0.74～0.95，均值为0.23，20.28%的区域通过了显著性检验(p<0.05)。在通过显著性检验区域中，显著正相关比例为81.07%，主要集中在重庆的酉阳、石柱和湖北的利川、咸丰等地；显著负相关比例为18.93%，主要是湖南的洞口、邵阳、慈利、石门和重庆的丰都等地(图9A)。ET与降水空间相关系数介于-0.86～0.86，均值为-0.04，显著相关区域比例为11.15%。在显著相关区域中，显著正相关为45.21%，湖南的石门、慈利和重庆的丰都等地多显著正相关；显著负相关为54.79%，湖南的安化、沅陵、古丈、新化、隆回和贵州的松桃、江口等地多显著负相关(图9B)。

ET与太阳辐射空间相关系数介于-0.80～0.89，均值为0.1，7.53%的区域通过了显著性检验。在通过显著性检验区域中，显著正相关比例为67.95%，主要为湖北的五峰、长阳、鹤峰和湖南的新化、冷水江、溆浦、涟源等地；显著负相关比例为32.05%，主要为湖南的泸溪、沅陵、永顺等地(图9C)。

ET与湿度空间相关系数介于-0.82～0.81，均值为-0.03，显著相关区域比例为6.19%。在显著相关区域中，显著正相关为54.28%，湖南的保靖、凤凰和邵阳等地多显著正相关；显著负相关为45.72%，湖南的沅陵、安化和重庆的武隆、丰都等地多显著负相关(图9D)。

ET与风速空间相关系数介于-0.87～0.92，均值为0.01，11.6%的区域通过了显著性检验。在通过显著性检验区域中，显著正相关比例为51.26%，主要为湖北的恩施、巴东和湖南的安化、溆浦、隆回等地；显著负相关比例为48.74%，主要为湖南的泸溪、古丈、辰溪和湖北的长阳、五峰、鹤峰等地(图9E)。

图9 武陵山区2000-2014年ET与气象因子的关系

总体上看，武陵山区ET与气温、太阳辐射和风速的正相关面积大于负相关且相关系数均值为正，主要表现为正相关；ET与降水和湿度的负相关面积大于正相关且相关系数均值为负，主要表现为负相关。各气象因子与ET显著相关范围的面积比例依次为气温(20.28%)>风速(11.6%)>降水(11.15%)>太阳辐射(7.53%)>湿度(6.19%)，气温是武陵山区ET时空变化的主要气象因子。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

武陵山区为我国亚热带森林生态系统核心区、长江流域重要的水源涵养区和生态屏障，加强其地表蒸散量的监测，对该区水土保持、水资源合理利用和旱涝灾害监测具有重要意义。近15 a武陵山区ET呈波动增加趋势，与田静等[30]研究结果一致，ET多年均值为858.92 mm，略高于贵州省(854.95 mm)[31]。ET空间分布格局表现出一定规律性，中海拔和高植被覆盖地区ET较高，不同用地类型ET表现为林地>草地>灌木地>耕地，与黄葵等[15]研究结论相似。

ET变化是多因子综合作用的结果，武陵山区地理环境复杂多变，其ET变化及响应机制较为复杂。研究选用气温、降水、太阳辐射、湿度和风速5个因子来分析ET与气候变化的关系，结果表明ET与气温、太阳辐射和风速整体正相关，但与降水和湿度整体负相关，这与詹云军[29]和崔豪[32]等研究结果相吻合。其原因在于当下垫面比较干旱时，蒸散量多受土壤水分影响，而下垫面水分充足时，温度、太阳辐射等成为蒸散量变化的最主要因素[33-34]。武陵山区近15 a气温呈上升趋势、降水呈下降趋势，但气候整体仍较为湿润，更多的受到热力和动力因素的影响，气温是该区ET时空变化的主要气象因子。值得注意的是，像元尺度、气象因子与ET的相关性总体显著性低，可能是土壤和植被状况对ET的贡献比较大，在未来的研究中需要进一步考虑。

4.2 结 论

(1) 武陵山区近15 a ET呈波动增加趋势，其波动范围为808.56～898.88 mm，多年均值为858.92 mm。ET月动态表现为先增后减的单峰型变化趋势，7月达到峰值。

(2) ET多年均值的空间分异明显，整体呈现中部高、四周低的分布格局，各地ET多年均值范围为497.02～1 322.55 mm。不同土地利用类型ET主要表现为林地>草地>灌木地>耕地，地貌以低山和中山为主，低山平均ET最高，依次是中山和高山，丘陵最低。四季ET均值从大到小依次为夏季>春季>秋季>冬季。

(3) ET变异程度较低，β值域为-30.39～19.43，均值为0.23，空间变化和趋势均处于相对稳定状态。Hurst指数介于0.14～0.98，均值是0.5，空间分布主要表现为西南高、东北和东南低。未来ET增加区域与减少区域面积大致相当。

(4) ET与气温、太阳辐射和风速主要表现为正相关，与降水和湿度主要表现为负相关，各气象因子与ET显著相关范围的比例依次为气温>风速>降水>太阳辐射>湿度，气温是武陵山区ET时空变化的主要气象因子。