疏勒河流域陸地水儲(chǔ)量與植被指數(shù)的時(shí)空耦合關(guān)系

岳東霞,苗俊霞,朱敏翔,周妍妍,鄒明亮,陳冠光,郭建軍

1 蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/資源環(huán)境學(xué)院,蘭州 730000 2 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域,作為相對(duì)獨(dú)立的水文單元和生態(tài)單元,其水資源與生態(tài)環(huán)境之間存在密切的相互影響、相互作用的時(shí)空耦合關(guān)系。一方面,水是生命之源,是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域綠洲興衰、植被演替的決定因素[1]。水文過程和水資源的時(shí)空變化控制著流域基本的生態(tài)格局和生態(tài)過程,特別是控制著基本的植被分布格局和演替過程[2-3],也是維持區(qū)內(nèi)生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。另一方面,植被演替不僅深刻地改變著地表生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,還對(duì)流域水文過程和水資源的時(shí)空變化造成顯著影響[4-5]。近年來,隨著全球氣候變化的加劇和人類活動(dòng)的增強(qiáng),我國西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的水資源變化、生態(tài)環(huán)境演替及其相互作用關(guān)系顯得更為深刻和復(fù)雜[1],引起了學(xué)術(shù)界的廣泛重視。

疏勒河流域?yàn)槲覈z綢之路經(jīng)濟(jì)帶關(guān)鍵地區(qū)——河西走廊的第二大內(nèi)陸河流域,敦煌所在地,該區(qū)氣候極端干旱,水資源短缺、生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重,因此水資源合理利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)是該流域未來發(fā)展必須面臨的兩個(gè)相互制約相互依存的巨大挑戰(zhàn)。目前,國內(nèi)外已有研究表明,最近30年來疏勒河流域上游降水量呈增加趨勢(shì),中下游卻呈減少趨勢(shì)；受氣溫升高影響,上游祁連山冰川積雪融水補(bǔ)給量增加,地表徑流呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)[6-7]；但隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,流域中游瓜敦盆地、玉踏盆地地下水位表現(xiàn)為大范圍整體下降的趨勢(shì),估測(cè)最近10年地下水位累計(jì)下降了0.6—4 m,且下降速度逐年增大,導(dǎo)致泉水溢出持續(xù)減少,使得雙塔灌區(qū)可利用泉水灌溉的耕地面積減少了95%以上,不得不用井灌來替代[8-9]。此外,疏勒河流域地表水的鹽分和礦化度也呈持續(xù)增高趨勢(shì),水質(zhì)下降,污染嚴(yán)重[10],導(dǎo)致疏勒河流域水資源短缺更為嚴(yán)重。而近30年來,疏勒河流域生態(tài)環(huán)境問題突出,表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)終端湖往上游退縮、濕地逐漸萎縮、生物多樣性不斷減少、土地退化加劇等[11]。據(jù)利用MODIS的增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index,EVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析,2000—2016年間疏勒河流域植被狀態(tài)呈現(xiàn)整體改善,但局部惡化的時(shí)空格局[12]。因此,對(duì)于該流域水資源與生態(tài)環(huán)境變化的耦合關(guān)系的研究已開始得到學(xué)者的關(guān)注,如陳荷生曾定性地分析了20世紀(jì)80年代該流域地表水、地下水以及水資源分配格局的變化導(dǎo)致流域中下游部分地區(qū)天然林喪失、草場(chǎng)退化和土地荒漠化鹽漬化加劇[13]；章予舒利用20世紀(jì)后50年地處疏勒河流域的安西縣、玉門縣的降雨、風(fēng)速、大風(fēng)天數(shù)等觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)氣象因素對(duì)土地荒漠化的影響進(jìn)行了初步研究,發(fā)現(xiàn)降水量與土地荒漠化的關(guān)系較為復(fù)雜且不直觀[14]；葉紅梅利用2002年流域中游昌馬灌區(qū)的地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)和EVI數(shù)據(jù),對(duì)灌區(qū)地下水埋深和EVI的相關(guān)性進(jìn)行了定量分析,指出該灌區(qū)天然植被蓋度與地下水埋深存在著復(fù)雜的相關(guān)性,且在不同地下水的埋深區(qū)和不同植被類型區(qū)的相關(guān)性差異較大[15]。

盡管國內(nèi)外研究對(duì)疏勒河流域的水資源和生態(tài)環(huán)境各自的變化已有較多探討,但在該流域水資源與生態(tài)環(huán)境變化的耦合關(guān)系研究方面成果不多,處于研究的起步階段,且已有研究多利用傳統(tǒng)水文水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)流域內(nèi)的部分地區(qū)開展了初步研究工作,尚缺乏利用高分辨率的遙感數(shù)據(jù),開展全流域及其內(nèi)部多尺度區(qū)域的水資源與生態(tài)環(huán)境變化的時(shí)空耦合關(guān)系研究。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)方法(水文站和觀測(cè)井等)雖然可以直接對(duì)點(diǎn)位水文信息進(jìn)行高時(shí)間精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但由于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)成本較高,空間選址受地形地貌、交通和土地利用等因素限制,在空間尺度上無法實(shí)現(xiàn)大面積的、密集的、均勻的布點(diǎn),使得傳統(tǒng)的水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間精度、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)的豐富度和延續(xù)性等方面都無法滿足大區(qū)域空間尺度的水資源變化研究的需求,也因此制約著干旱區(qū)水資源與生態(tài)環(huán)境時(shí)空變化耦合關(guān)系的深入研究。

陸地水儲(chǔ)量(Terrestrial Water Storage,TWS)是陸地生態(tài)系統(tǒng)地表水、地下水、土壤水、冰雪和生物體含水量的綜合體,其變化量是刻畫水文循環(huán)過程的重要指標(biāo)[16],但用傳統(tǒng)方法測(cè)量宏觀區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量變化則非常困難。重力(Gravity Recovery And Climate Experiment,GRACE)衛(wèi)星自成功發(fā)射以來,為全球、區(qū)域和流域生態(tài)系統(tǒng)的陸地水儲(chǔ)量時(shí)空變化研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為克服傳統(tǒng)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足,研究流域尺度水資源與生態(tài)環(huán)境變化的時(shí)空耦合關(guān)系提供了數(shù)據(jù)支撐。目前,我國對(duì)GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演陸地水儲(chǔ)量變化的流域尺度研究已涉及到長(zhǎng)江、黃河、海河、黑河以及雅魯藏布江等流域[17-24],其中部分研究通過與全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,證明了GRACE數(shù)據(jù)能較精確地反映流域尺度水儲(chǔ)量變化的時(shí)空格局。

基于此,本文以疏勒河流域?yàn)檠芯繀^(qū),以2002—2016年GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的該流域陸地水儲(chǔ)量變化(Terrestrial Water Storage Anomaly,TWSA)為水資源時(shí)空變化的綜合指標(biāo),以MODIS的增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI作為衡量流域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)疏勒河流域水資源和生態(tài)環(huán)境的時(shí)、空變化規(guī)律及其耦合關(guān)系進(jìn)行全面、定量分析,以期闡明水資源利用與生態(tài)環(huán)境變化的相互關(guān)系,為未來該流域乃至整個(gè)干旱區(qū)的水資源優(yōu)化配置和合理開發(fā)利用,以及為實(shí)現(xiàn)區(qū)域“生產(chǎn)-生活-生態(tài)”的可持續(xù)發(fā)展提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)：疏勒河流域圖Fig.1 The study area: Shule River basin in Northwest China

疏勒河流域地處我國西北干旱區(qū)河西走廊(圖1),地理坐標(biāo)為93°22′—98°59′E,38°01′—42°47′N之間,海拔932—5792 m,面積約12×104km2,其中以戈壁、裸巖和沙地為主的未利用地約占流域總面積的75.77%；低覆蓋度為主的草地約占21.50%；耕地約占2.94%；水域和林地分別約占0.60%和0.51%。流域?qū)儆诖箨懶曰哪蜌夂?年溫差在31.5—34.1℃之間,多年平均降水量?jī)H有47 mm,而潛在蒸發(fā)量大于3200 mm,是甘肅省干旱程度最嚴(yán)重的地區(qū)之一。疏勒河流域南部祁連山區(qū)是流域內(nèi)所有地表徑流的產(chǎn)流區(qū),流域水系自西向東,主要包括安南壩河、黨河、榆林河、疏勒河干流、石油河以及白楊河等。干流和主要支流的水源補(bǔ)給主要是祁連山冰川融水和南北兩山(祁連山、馬鬃山)山區(qū)降水。冰川年融水量49.4×108m3,約占流域出山徑流量的30%,年降水資源為125億m3/a,其中南部山區(qū)約占63%,中部平原區(qū)和北部山區(qū)約占37%。疏勒河流域上游山體陡峭,水流迅速。中下游平坦,綠洲與沙漠共存[25],是典型的內(nèi)陸河流域。

2 數(shù)據(jù)來源、處理與分析方法

2.1 GRACE衛(wèi)星反演的TWSA數(shù)據(jù)

GRACE衛(wèi)星是美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)和德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)聯(lián)合研發(fā)的全球第二顆地球重力衛(wèi)星,于2002年3月升空。利用該地球重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演TWSA的基本原理是：如果把地球表層10—15 km范圍看作一個(gè)薄層,Wahr等[26]認(rèn)為地球重力場(chǎng)的變化絕大多數(shù)是發(fā)生在這個(gè)薄層中的,而在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)期內(nèi),這個(gè)薄層中的重力場(chǎng)變化又是由這個(gè)薄層中水文過程和水量時(shí)空分布變化引起的。因此,可通過觀測(cè)地球重力變化來反映地球水儲(chǔ)量的變化。目前,利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)能精確地反演區(qū)域月時(shí)間尺度的TWSA,精度高于9 mm等效水高[27],而且區(qū)域面積越大,反演精度越高,為全球、區(qū)域和流域等多尺度區(qū)域的水資源時(shí)空變化研究提供了新思路和新方法[28]。

目前,GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心(Center for Space Research,CSR)以及德國波茨坦地學(xué)研究中心(German Research Centre for Geosciences,GFZ)3個(gè)單位負(fù)責(zé)處理和分發(fā)。GRACE衛(wèi)星反演的TWSA數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要可分為四類：Level—0、Level—1A與Level—1B、Level—2、Level—3等。本文選用Level—3數(shù)據(jù),即CSR GRACE RL05 Mascon Solutions,從CSR下載獲得,地址為：http://www2.csr.utexas.edu/grace/。該數(shù)據(jù)是基于GRACE Mascon模型,根據(jù)Watkins等[29]在全球劃定的4551個(gè)質(zhì)量均勻分布的3°等面積球帽(Mascon),利用CSR RL05 Level 1b數(shù)據(jù),通過加權(quán)最小二乘法計(jì)算得到的。數(shù)據(jù)值直接表示為月等效水柱高度,單位為cm,空間分辨率為0.5°×0.5°,時(shí)間分辨率為1月。時(shí)間序列為2002年4月—2016年12月,共177個(gè)月。由于衛(wèi)星自身原因和測(cè)量誤差等因素的影響,本文實(shí)際獲得該時(shí)段的161個(gè)月份數(shù)據(jù),缺失16個(gè)月份數(shù)據(jù)。對(duì)于缺失的數(shù)據(jù),本文采用缺失月份的多年平均值替代。

利用GRACE衛(wèi)星反演得到的TWSA實(shí)際是每個(gè)像元陸地水儲(chǔ)量的多年距平值。比如i像元j月TWSA為Xi,jcm,即Xi,j為i像元j月陸地水儲(chǔ)量與i像元陸地水儲(chǔ)量多年平均值的差值,若Xi,j的值為正,則說明該像元該月的陸地水儲(chǔ)量高于歷年均值,為積累期,若Xi,j的值為負(fù),則說明該像元該月的陸地水儲(chǔ)量低于歷年均值,為虧損期。

2.2 MODIS的EVI數(shù)據(jù)

NASA提供的MODIS的植被指數(shù)產(chǎn)品按種類分可分為兩類——?dú)w一化植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)。增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)針對(duì)歸一化植被指數(shù)(NDVI)在大氣噪聲、土壤背景和飽和度等問題做出了優(yōu)化和改進(jìn),更適用于植被覆蓋度較低的干旱區(qū)。因此,本文采用了MOD13A3 EVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)開展研究。該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1月,空間分辨率為1000 m。為了防止云霧等的影響,本文將逐月的所有16天合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均或最大值合成處理。數(shù)據(jù)獲取后,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、投影變換、幾何校正、重采樣、裁剪等一系列的預(yù)處理,最終得到2002年4月—2016年12月期間疏勒河流域WGS84坐標(biāo)系、空間分辨率為0.5°×0.5°、時(shí)間分辨率為1月的 EVI數(shù)據(jù)集。

以上兩種數(shù)據(jù)的來源、時(shí)間、空間分辨率和數(shù)據(jù)格式均不同,為便于分析,本文采用了統(tǒng)一的空間參考系統(tǒng),利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和重采樣等數(shù)據(jù)處理方法,最終使兩種數(shù)據(jù)達(dá)到相同的坐標(biāo)系、時(shí)間分辨率和空間分辨率,為開展相關(guān)分析做好了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2.3 時(shí)間序列季節(jié)性分解

植被生長(zhǎng)和水文過程在時(shí)間變化上除了有顯著的周期性外,還會(huì)受到自然或人為擾動(dòng)等一系列復(fù)雜因素的影響,而出現(xiàn)趨勢(shì)性或隨機(jī)性等非周期性的變化,導(dǎo)致植被和水文現(xiàn)象的周期性變化和非周期性變化信號(hào)的相互糾纏,給時(shí)間序列數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析造成影響。因此,需要應(yīng)用時(shí)間序列的季節(jié)性分解方法對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和特征提取。

時(shí)間序列季節(jié)性分解法是將一組具有強(qiáng)烈季節(jié)性或周期性的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,得到趨勢(shì)、周期、季節(jié)和隨機(jī)4個(gè)因子,4個(gè)因子的組合方式可以是相乘,也可以是相加,如下列式子所示：

Y=T+C+S+R或Y=T×C×S×R

(1)

式中,Y表示時(shí)間序列植被指數(shù)或水文數(shù)據(jù)；T表示季節(jié)性分解后的長(zhǎng)期趨勢(shì)因子；C表示季節(jié)性分解后得到的周期因子；S表示剔除周期因子后的時(shí)間序列因子；R表示誤差因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域水儲(chǔ)量變化和植被指數(shù)的時(shí)間變化規(guī)律

根據(jù)疏勒河流域地形地貌特征、行政區(qū)劃現(xiàn)狀以及地質(zhì)構(gòu)造特征,流域大致可分為三大區(qū)域,即南部山區(qū)(流域上游祁連山區(qū))、中部平原區(qū)(流域中下游綠洲與荒漠地區(qū))和北部山區(qū)(馬鬃山地區(qū))。本文以像元為最小計(jì)算單位,計(jì)算并分析了逐月尺度、多年月平均尺度、多年季節(jié)尺度、年際尺度上疏勒河流域及其3個(gè)子分區(qū)的TWSA和EVI的時(shí)間變化規(guī)律。

3.1.1逐月尺度上變化規(guī)律

在研究期177個(gè)月的逐月尺度上,為了能有效剔除時(shí)間上的復(fù)雜性對(duì)流域TWSA和EVI變化規(guī)律分析的影響,本文利用時(shí)間序列季節(jié)性分解法(公式1)和趨勢(shì)分析法對(duì)疏勒河流域整體及3個(gè)子分區(qū)逐月尺度的TWSA和EVI進(jìn)行季節(jié)性分解和趨勢(shì)分析,分別得到逐月尺度的TWSA和EVI及其周期因子、趨勢(shì)因子、去除周期因子后的數(shù)據(jù)序列。

如圖2所示,2002—2016年期間流域整體及3個(gè)子分區(qū)逐月尺度的TWSA均呈下降趨勢(shì)(黑色趨勢(shì)線),流域整體下降速率較快,約為0.0073 cm/月,而3個(gè)子分區(qū)下降幅度差異較大,其中北部山區(qū)降低速度最快,約為0.0107 cm/月；中部平原區(qū)降低速度較快,約為0.0091 cm/月；南部山區(qū)降低速度最慢,約為0.0024 cm/月；從時(shí)間分段上看,流域整體及3個(gè)子分區(qū)在2002—2011年變化均較平穩(wěn),2011—2016年變化波動(dòng)幅度較大,多年月極低值和極高值均出現(xiàn)在2015—2016年。從周期性上看,2002—2016年期間流域整體及3個(gè)子分區(qū)逐月尺度的TWSA(藍(lán)色實(shí)線)和去除周期因子后的TWSA(橙色實(shí)線)變化趨勢(shì)基本一致,存在顯著的周期波動(dòng)規(guī)律(綠色虛線),周期因子波動(dòng)的振幅均保持在-2—2之間；波動(dòng)的周期均為12個(gè)月,說明該流域TWSA存在顯著的年周期性,且波峰和波谷出現(xiàn)的時(shí)間比較統(tǒng)一,說明其在年內(nèi)波動(dòng)變化的最高值和最低值出現(xiàn)月份一致。

圖2 流域整體及各子分區(qū)逐月TWSA及季節(jié)性分解結(jié)果Fig.2 Monthly TWSA and seasonal decomposition results in Shule River basin and subregions

由圖3可知,2002—2016年期間,流域整體及3個(gè)子分區(qū)的逐月EVI都出現(xiàn)了不同的程度的上升趨勢(shì)(黑色趨勢(shì)線),其中,南部山區(qū)EVI上升速度最快,斜率為0.70；流域整體及中部平原區(qū)次之,斜率分別為0.53和0.48；增長(zhǎng)最慢的是北部山區(qū),斜率僅為0.31。從時(shí)間分段上看,流域整體以及南部山區(qū)在2002—2009年EVI變化比較平穩(wěn),2010—2016年EVI有一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)；中部平原區(qū)EVI在2002—2016年期間均呈上升趨勢(shì),且波動(dòng)較無規(guī)律；北部山區(qū)EVI 在2002—2009年波動(dòng)變化較大,2010年以后開始趨于穩(wěn)定。從周期性上看,2002—2016年期間,流域整體及3個(gè)子分區(qū)的逐月EVI(藍(lán)色實(shí)線)和去除周期因子影響后的EVI(橙色實(shí)線)變化趨勢(shì)雖然差異較大,但都存在顯著的周期波動(dòng)規(guī)律(綠色虛線),周期相對(duì)一致,波動(dòng)的幅度差異較大,其中流域整體波動(dòng)的幅度保持在-200—250之間,南部山區(qū)保持在-300—450之間,中部平原區(qū)保持在-100—100之間,北部山區(qū)保持在-150—50之間。

圖3 流域整體及各子分區(qū)逐月EVI變化及季節(jié)性分解Fig.3 Monthly EVI changes and seasonal decomposition results in Shule River basin and subregions

3.1.2多年月平均尺度變化規(guī)律

圖4 流域及子分區(qū)多年月平均TWSA和EVI變化 Fig.4 Average monthly changes of TWSA and EVI in Shule River basin and subregions for many years

在多年月平均尺度上,如圖4所示,流域整體及子分區(qū)TWSA和EVI均呈單峰分布,且均為7、8月份最大,向兩端逐漸減小。流域整體TWSA在1—3月經(jīng)歷了一個(gè)先降后升的過程,但仍處于水資源虧損狀態(tài),4月開始轉(zhuǎn)為正值,水資源進(jìn)入積累狀態(tài),7月達(dá)到全年最高值,8月后又開始逐漸下降,到9月下降至虧損狀態(tài),12月降至全年最低值。流域3個(gè)子分區(qū)多年月平均TWSA變化情況與流域整體趨勢(shì)較為一致,但存在差異：(1)南部山區(qū)與其他兩個(gè)子分區(qū)比較,呈現(xiàn)一定的滯后效應(yīng),TWSA晚兩個(gè)月進(jìn)入積累期,晚一個(gè)月進(jìn)入虧損期。由于每年的3—5月,南部山區(qū)冰川和積雪開始消融,融水通過地表徑流和地下徑流的方式補(bǔ)給中部平原區(qū)和北部山區(qū),因此,除了流域南部山區(qū)TWSA仍處于虧損狀態(tài)外,中部平原區(qū)和北部山區(qū)都開始進(jìn)入積累狀態(tài)；6—8月,降水量開始增多,流域各子分區(qū)的TWSA均進(jìn)入積累狀態(tài)；9月到次年的2月,降水量極少,南部山區(qū)的冰川和積雪融化量也降低,各子分區(qū)的TWSA開始進(jìn)入虧損期,但由于南部山區(qū)降水量較其他子分區(qū)豐富,因此會(huì)滯后一個(gè)月進(jìn)入虧損期。(2)北部山區(qū)在一年12個(gè)月中TWSA波動(dòng)比其他子分區(qū)大很多。相關(guān)研究表明[30],北部馬鬃山地區(qū)巖土體以第四系上更新統(tǒng)洪積松散堆積物和侵入基巖為主,巖土體的滲透系數(shù)和給水度較高。所以該區(qū)含水層儲(chǔ)水和釋水能力較強(qiáng),在降水量較高的月份,通過滲透作用,有效地將水資源儲(chǔ)存在含水層,達(dá)到很好的補(bǔ)給效果；而在降水量較低的月份,大量地下水在重力作用下從巖土體空隙中排出,補(bǔ)給到流域中部平原區(qū),造成水儲(chǔ)量虧損嚴(yán)重。

流域整體及3個(gè)子分區(qū)的EVI均從1月至7或8月逐漸上升達(dá)到峰值，而后逐漸下降。但南部山區(qū)EVI年內(nèi)變幅最大,1—3月比流域整體和其他兩個(gè)子分區(qū)都低,4—11月有一個(gè)急促的上升和下降過程,并在7—8月期間達(dá)到遠(yuǎn)比其他子分區(qū)高的峰值,11—12月又變得很低；與南部山區(qū)不同的是中部平原區(qū)和北部山區(qū)EVI在年內(nèi)變幅較小。這是因?yàn)榱饔蚰喜可絽^(qū)草地比重大,植被生長(zhǎng)會(huì)隨氣候的季節(jié)性變化而發(fā)生萌芽、展葉、開花、結(jié)果、落葉和休眠等規(guī)律性的現(xiàn)象,造成EVI在不同月份出現(xiàn)幅度較大的變化；而中部平原區(qū)和北部山區(qū)大部分地區(qū)為荒漠戈壁,植被覆蓋度極低,EVI隨月份和季節(jié)變化較不明顯,因此EVI在不同月份間變化幅度較低。

3.1.3多年季節(jié)平均尺度變化規(guī)律

圖5 流域及子分區(qū)多年季節(jié)平均TWSA和EVI變化 Fig.5 Average seasonal changes of TWSA and EVI in Shule River basin and subregions for many years

在多年季節(jié)平均尺度上,如圖5所示,流域整體及子分區(qū)TWSA變化趨勢(shì)基本一致,呈夏季最高的單峰趨勢(shì),但各季節(jié)差異顯著,其中,春季流域整體基本持平,但南部山區(qū)TWSA仍處于虧損狀態(tài),中部平原區(qū)和北部山區(qū)處于積累狀態(tài),夏季各地區(qū)的TWSA均進(jìn)入累積狀態(tài),其中增幅順序?yàn)楸辈可絽^(qū)>南部山區(qū)>中部平原區(qū)；秋季和冬季各區(qū)域TWSA又進(jìn)入了虧損期,其中北部山區(qū)虧損最嚴(yán)重,中部平原區(qū)次之,南部山區(qū)水量虧損較不明顯。

與TWSA年相似,流域整體及子分區(qū)的EVI變化趨勢(shì)基本一致,也呈夏季最高的單峰趨勢(shì),但不同子分區(qū)EVI在四季中的變化差異則較大。其中南部山區(qū)EVI在春、夏、秋季都明顯高于另外兩個(gè)子分區(qū),唯獨(dú)在冬季低于另外兩個(gè)子分區(qū)。根據(jù)典型地物光譜曲線[31]和EVI計(jì)算原理可知,冰川積雪的覆蓋會(huì)大大降低EVI的計(jì)算結(jié)果。因此,雖然南部山區(qū)植被覆蓋度要比中部平原區(qū)和北部山區(qū)高得多,但受到冬季大面積積雪覆蓋的影響,南部山區(qū)冬季的EVI低于中部平原區(qū)和北部山區(qū)；中部平原區(qū)EVI在春、秋和冬季都處于全流域最低,唯獨(dú)在夏季反超北部山區(qū)。其原因是中部平原區(qū)的耕地面積比重遠(yuǎn)高于北部山區(qū),流域4個(gè)主要的灌區(qū)均分布在中部平原區(qū)。耕地是一種比較特殊的人工植被類型,與天然草地相比,耕地的時(shí)間序列EVI具有更明顯的季節(jié)性[32],特別是夏季,耕地的EVI曲線會(huì)形成又高又陡的波峰。

3.1.4年際尺度變化規(guī)律

在年際尺度上,本文以2002—2016年各年度流域整體及子分區(qū)TWSA和EVI的年內(nèi)月均值代表當(dāng)年的TWSA和EVI年均值。如圖6所示,2002—2016年以來,疏勒河流域整體及3個(gè)子分區(qū)的TWSA整體呈下降趨勢(shì),主要為2002—2014年逐年下降,至2014年降至15年來的最低點(diǎn)而后又有所回升的趨勢(shì),其中2006年前各區(qū)域均處于累積狀態(tài)，但累積量逐漸減小,2007—2016年除南部山區(qū)以外,其他地區(qū)均處于虧損狀態(tài)，且虧損量逐漸增大。15年來,中部平原區(qū)和北部山區(qū)波幅較大,而南部山區(qū)波幅較小。經(jīng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn),2014年是地處疏勒河流域的酒泉市有氣象記錄以來最干旱的年份,2013年9月—2014年4月,該市7個(gè)縣(市、區(qū))連續(xù)近200天無有效降水。15年來,流域整體及3個(gè)子分區(qū)的EVI均呈現(xiàn)波動(dòng)式上升趨勢(shì),其中2002—2009年波動(dòng)較大,但總體趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn),而2010年以后各地區(qū)EVI經(jīng)歷了一個(gè)明顯的上升過程,且南部山區(qū)上升幅度最大。

圖6 流域及子分區(qū)年際TWSA和EVI變化趨勢(shì)Fig.6 Inter-annual change trend of TWSA and EVI in Shule River basin and subregions for many years

3.2 流域TWSA和EVI的空間分布規(guī)律

利用一元線性回歸分析法,本文基于流域像元的2002—2016年逐月TWSA和EVI值得到每個(gè)像元的TWSA和EVI變化趨勢(shì)及其變化速率,并按變化速率進(jìn)行分級(jí),獲得空間分布圖。

如圖7所示,2002—2016年流域內(nèi)部基于像元的TWSA整體呈降低趨勢(shì),說明近15年來流域水儲(chǔ)量整體趨于減少,但下降速率的空間異質(zhì)性顯著。其中,南部山區(qū)大部分像元的TWSA呈輕微下降,主要分布在阿克塞縣和肅北縣南部區(qū)域,約占全流域像元總數(shù)的36.48%；中部平原區(qū)大部分像元的TWSA呈中度下降,約占全流域像元總數(shù)的25.68%,但玉門市花海、昌馬兩大灌區(qū)、瓜州安西極旱荒漠自然保護(hù)區(qū)、敦煌市西湖保護(hù)區(qū)所在像元呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì);北部山區(qū)幾乎所有像元均呈顯著下降趨勢(shì),占全流域像元總數(shù)的37.84%。相反,流域EVI整體呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì),說明流域整體植被狀態(tài)好轉(zhuǎn),但區(qū)內(nèi)空間異質(zhì)性也十分顯著。其中,EVI呈顯著上升和中度上升的像元主要分布在流域的中部平原區(qū)和南部山區(qū),其所在像元分別占全流域像元總數(shù)的22.97%、35.14%,顯著上升像元覆蓋了中游的四大灌區(qū)——花海灌區(qū)、昌馬灌區(qū)、雙塔灌區(qū)以及黨河灌區(qū),祁連山區(qū)的肅北縣部分地區(qū),以及敦煌西湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、敦煌陽關(guān)國家自然保護(hù)區(qū)和瓜州安西極旱荒漠國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)；流域北部山區(qū)像元EVI呈輕微上升趨勢(shì),占全流域像元總數(shù)的41.89%。

圖7 流域TWSA和EVI變化趨勢(shì)等級(jí)空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of the change trend grades between TWSA and EVI in Shule River basin

3.3 流域陸地水儲(chǔ)量變化與植被指數(shù)的時(shí)空耦合關(guān)系

3.3.1流域整體及子分區(qū)尺度的時(shí)空耦合關(guān)系

經(jīng)相關(guān)性分析,由表1可知,2002—2016年流域整體的TWSA與EVI年均值的相關(guān)系數(shù)為-0.561,P值為0.03,呈中度負(fù)相關(guān),說明就疏勒河流域整體而言,研究期間隨著流域植被狀況的整體好轉(zhuǎn),流域的水資源消耗量在不斷增加。3個(gè)子分區(qū)則各不相同,其中部平原區(qū)TWSA與EVI年均值的相關(guān)系數(shù)為-0.753,P值為0.001,呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系,而南部山區(qū)和北部山區(qū)的TWSA與EVI年均值的相關(guān)系數(shù)分別為-0.127和-0.284,P值為分別為0.651和0.306,相關(guān)性均不顯著。結(jié)合前文年際變化和空間格局分析結(jié)果可以看出,近15年來隨著疏勒河流域外來人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,中部平原區(qū)耕地和人工植被面積在不斷增加,植被EVI整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),因此消耗了該區(qū)域的大量地表和地下水資源[33-34],導(dǎo)致該地區(qū)TWSA的顯著或中度下降。在南部山區(qū),近年來受氣溫升高的影響,疏勒河流域上游山區(qū)永久性冰川雪地不斷消融,導(dǎo)致南部山區(qū)高海拔區(qū)域的陸地水儲(chǔ)量持續(xù)下降[35]；但南部山區(qū)高寒草甸生長(zhǎng)的主要限制因素為溫度[36],而氣溫升高使得該區(qū)植被生長(zhǎng)的溫度脅迫得到了緩解,有利于植被的生長(zhǎng),導(dǎo)致草地面積在近15年有顯著的上升趨勢(shì)。在北部山區(qū),植被分布稀疏且近15年各類植被面積變化不大,EVI維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平,而TWSA呈顯著下降趨勢(shì)，其原因可能與當(dāng)?shù)毓さV業(yè)、畜牧業(yè)的發(fā)展及人口增長(zhǎng)導(dǎo)致的地下水消耗量增加有直接的關(guān)系。從而導(dǎo)致南部山區(qū)和北部山區(qū)的TWSA與EVI年均值的負(fù)相關(guān)性不顯著。

表1 流域整體及各子分區(qū)TWSA與EVI年均值的相關(guān)性

**表示相關(guān)性在0.01層上顯著(雙尾)；*表示相關(guān)性在0.05層上顯著(雙尾); TWSA：陸地水儲(chǔ)量變化 Terrestrial Water Storage Anomaly；EVI：增強(qiáng)型植被指數(shù) Enhanced Vegetation Index

3.3.2基于像元尺度的時(shí)空耦合關(guān)系

圖8 流域TWSA年際變化與EVI年均值相關(guān)系數(shù)空間分布圖 Fig.8 Spatial distribution of the correlation between annual average TWSA and EVI in Shule River basin

進(jìn)一步基于流域像元進(jìn)行2002—2016年的TWSA與EVI年均值相關(guān)性分析,并按相關(guān)系數(shù)分級(jí)實(shí)現(xiàn)了像元尺度的相關(guān)性空間化表達(dá)。如圖8所示,全流域約19%的像元TWSA與EVI年均值呈高度負(fù)相關(guān),主要集中在流域中部平原區(qū)的4大灌區(qū)以及敦煌西湖國家保護(hù)區(qū)核心區(qū)范圍內(nèi)。說明隨著流域中部平原區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改變及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源的消耗量也隨之大幅上漲,直接導(dǎo)致該區(qū)陸地水儲(chǔ)量下降嚴(yán)重,并直觀地表現(xiàn)為中部平原區(qū)TWSA與EVI呈顯著的負(fù)相關(guān)。這與實(shí)際情況相符,據(jù)2015年甘肅省水利廳統(tǒng)計(jì)年鑒可知,疏勒河流域農(nóng)業(yè)灌溉用水占流域總用水量的81%,可見中部平原區(qū)農(nóng)業(yè)用水對(duì)全流域水資源消耗量的變化具有重要貢獻(xiàn)。約有32%的像元呈中度負(fù)相關(guān),主要集中在瓜州西北部的安西極旱荒漠國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、敦煌西南部的敦煌西湖國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、敦煌陽關(guān)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)；約有31%的像元呈低度負(fù)相關(guān),主要分布在北部馬鬃山地區(qū)以及南部祁連山山前戈壁；僅有18%的像元呈低度正相關(guān),主要分布在南部祁連山山區(qū)。

4 結(jié)論

疏勒河流域位于西北干旱區(qū),水資源異常稀缺,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,既是疏勒河流域最主要的兩大基本特征,也是該流域發(fā)展面臨的最為嚴(yán)峻的兩大問題。EVI作為生態(tài)環(huán)境狀況的重要指示因子,其與水資源變化之間存在相互影響、相互作用的時(shí)空耦合關(guān)系。

本文利用2002—2016年GRACE衛(wèi)星反演的TWSA數(shù)據(jù)和MODIS EVI數(shù)據(jù),在對(duì)疏勒河流域水資源和植被狀況時(shí)、空分布規(guī)律分析的基礎(chǔ)上,基于像元尺度分別在流域尺度、子分區(qū)尺度上對(duì)疏勒河流域TWSA與EVI時(shí)空耦合關(guān)系進(jìn)行深入分析。結(jié)果顯示,在時(shí)間尺度上,疏勒河流域TWSA和EVI表現(xiàn)出明顯的周期性、季節(jié)性以及趨勢(shì)性規(guī)律；在空間尺度上,流域TWSA和EVI在流域尺度、子分區(qū)尺度均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性；在時(shí)空耦合關(guān)系方面,流域TWSA與EVI年均值在流域整體尺度上呈中度負(fù)相關(guān)；在子分區(qū)尺度上,中部平原區(qū)兩者呈高度負(fù)相關(guān),南部山區(qū)和北部山區(qū)相關(guān)性不顯著；基于像元,全流域TWSA與EVI年均值呈高度負(fù)相關(guān)、中度負(fù)相關(guān)、低度負(fù)相關(guān)的像元分別占總量的19%、32%和31%；僅有18%的像元呈低度正相關(guān),說明該流域特殊的自然與人文因素驅(qū)動(dòng),導(dǎo)致流域TWSA與EVI的時(shí)空耦合關(guān)系非常復(fù)雜,且呈明顯的尺度效應(yīng)。較大區(qū)域相關(guān)性的分析,往往掩蓋了其內(nèi)部相關(guān)性的時(shí)空分異,因此,通過不同空間尺度的耦合關(guān)系分析可以較全面地展示區(qū)域TWSA與EVI的時(shí)空耦合關(guān)系。本文研究方法和結(jié)果可為干旱區(qū)水資源優(yōu)化配置和合理開發(fā)利用及實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

盡管本文對(duì)疏勒河流域TWSA和EVI的時(shí)空變化規(guī)律及其時(shí)空耦合關(guān)系進(jìn)行了深入研究,最終取得了一定的研究成果,但仍有不足：(1)缺少地下水位、土壤含水率等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GRACE反演的TWSA進(jìn)行驗(yàn)證和校正；(2)由于GRACE衛(wèi)星空間分辨率較低,無法對(duì)疏勒河流域水儲(chǔ)量變化進(jìn)行植物斑塊尺度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析；(3)由于GRACE衛(wèi)星時(shí)間跨度較短,僅為2002年至今,很難做到在更長(zhǎng)時(shí)間序列上的分析,有待數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累和深入分析。