基于SEBAL模型的農(nóng)牧交錯區(qū)蒸散演變及生態(tài)需水規(guī)律

馬龍龍, 杜靈通, 宮 菲, 丹 楊, 王 樂, 鄭琪琪,3, 孟 晨

(1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點實驗室培育基地, 寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室, 寧夏 銀川 750021; 3.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

蒸散(evapotranspiration， ET)是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，包括植物葉片的蒸騰以及來自土壤、水體和植物表面的蒸發(fā)，涉及植物生理學(xué)過程和空氣動力學(xué)過程[1]，它決定著土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的水分和熱量傳輸，是土壤—植被—大氣系統(tǒng)(soil-plant-atmosphere continuum， SPAC)水文—生態(tài)過程耦合的紐帶[2-3]，在水圈、大氣圈、生物圈的水分循環(huán)和能量平衡過程中有著關(guān)鍵作用[4]。全球陸地每年有59%的降水通過蒸散返回大氣圈，而在干旱區(qū)甚至高達90%的有效降水消耗于蒸散過程[5]；由于氣候變化而引起全球水循環(huán)的變化已影響到地表蒸散過程，進而影響干旱、半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的蒸散研究方法是基于“點”尺度測量或計算，對于幾何結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)非均勻的陸面，在空間尺度擴展時會引起較大的誤差[6-7]。遙感技術(shù)提供了從“面”尺度研究蒸散的途徑，通過衛(wèi)星遙感影像和少量地面觀測數(shù)據(jù)就能反演區(qū)域蒸散，可準確有效地反映出蒸散的時空連續(xù)性和動態(tài)性[7-8]，已成為區(qū)域乃至全球尺度蒸散估算的有力工具[9]。近年來學(xué)界提出了許多遙感反演蒸散的模型算法，其中地表能量平衡算法(surface energy balance algorithm for land， SEBAL)是一種典型的基于能量平衡方程的蒸散模型，要求輸入的觀測數(shù)據(jù)較少，反演精度較高，在區(qū)域水資源管理、流域水量平衡等研究中得到廣泛應(yīng)用[10]。

寧夏回族自治區(qū)鹽池縣處于半干旱的農(nóng)牧過渡帶，受氣候波動和人類活動影響，鹽池縣的荒漠草原在20世紀70—80年代嚴重退化，之后當(dāng)?shù)卣_始實施防沙治沙、退耕還林還草等生態(tài)治理工程，導(dǎo)致植被類型和土地利用格局發(fā)生了深刻變化，這也影響到了鹽池縣的生態(tài)系統(tǒng)蒸散格局和需水規(guī)律。目前有關(guān)鹽池縣農(nóng)牧交錯帶蒸散的研究主要集中在植物蒸騰速率[11]、潛在蒸散估算[12-14]等方面，生態(tài)需水量的估算也僅依靠植被需水系數(shù)調(diào)整潛在蒸散量來實現(xiàn)[12]，無法準確獲取生態(tài)系統(tǒng)實際蒸散的空間格局及其隨時間演變的規(guī)律，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水分消耗量估算不準確。為此，本文采用Landsat遙感數(shù)據(jù)和SEBAL模型反演鹽池縣實際蒸散，研究區(qū)域環(huán)境在生態(tài)治理的影響下蒸散的演變規(guī)律，估算生態(tài)系統(tǒng)需水量，以期為區(qū)域生態(tài)治理和水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，37°04′—38°10′N和106°30′—107°47′E，海拔1 295～1 951 m。鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，1958—2017年的年平均氣溫為8.34 ℃，年均降水為296.99 mm，年均蒸發(fā)量高達2 403.70 mm[15]，年均風(fēng)速2.59 m/s。鹽池縣北接毛烏素沙地，南達黃土高原，地形自東南向北從黃土高原向鄂爾多斯臺地過渡，中北部為廣闊的緩坡丘陵風(fēng)成地貌。土壤以灰鈣土為主，黑壚土、風(fēng)沙土、黃土、鹽土和白漿土少量分布，土壤風(fēng)化嚴重，有機質(zhì)較少，導(dǎo)致植被體系發(fā)育較差，全縣自東南向西北由干草原向荒漠草原過渡，以灌叢草原、沙生植被和荒漠植被為主。土地利用類型主要以草地、耕地、林地為主，水域面積較少。

1.2 數(shù)據(jù)資料

采用2000年8月22日、2006年9月8日、2015年9月1日和2017年9月6日共4景Landsat 5TM和Landsat 8OLI/TIR遙感數(shù)據(jù)反演日蒸散；高程數(shù)據(jù)為90 m空間分辨率的SRTM DEM；氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，為衛(wèi)星過境當(dāng)日鹽池縣氣象站的風(fēng)速、氣溫等氣象要素數(shù)據(jù)；土地利用類型由2010年的遙感影像解譯獲得。

1.3 研究方法

1.3.1 SEBAL模型原理及參數(shù)計算 SEBAL模型是基于地表能量平衡方程，利用晴朗天氣下的遙感數(shù)據(jù)反演地表反照率、植被指數(shù)、地表反射率、地表溫度等參數(shù)，結(jié)合氣溫、風(fēng)速等地面氣象觀測資料，計算區(qū)域凈輻射通量和土壤熱通量，通過選取遙感影像中的冷熱像元點，確定地表溫度和溫度梯度差的線性關(guān)系，通過Monin-Obukhov相似理論迭代計算顯熱通量，從而求得潛熱通量(瞬時蒸散)，再進行時間尺度擴展，求區(qū)域日蒸散量[16]：

λET=Rn-G-H

(1)

式中：λET——潛熱通量，λ為潛熱蒸發(fā)系數(shù)，通常取2.49×106〔W/(m2·mm〕；Rn——輻射通量(W/m2)；G——土壤熱通量(W/m2)；H——感熱通量(W/m2)。

地表凈輻射量Rn反映了地表短波輻射和長波輻射的凈收支，其計算公式為[16-17]：

Rn=(1-α)RS↓+RL↓-RL↑-(1-ε)RL↓

(2)

式中：α——地表反照率；RS↓——下行的太陽短波輻射；RL↓——下行的長波輻射；RL↑——上行的太陽輻射；ε——地表比輻射率。

土壤熱通量G指進入土壤和植被內(nèi)部的熱交換能量，計算公式為[17]：

(1-0.097 8NDVI4)×Rn

(3)

式中：TS——地表溫度；C11——常數(shù)，衛(wèi)星過境時間在地方時12：00以前，C11=0.9；在12：00—14：00， =1.0；在14:00—16:00，C11=1.1。

感熱通量H是指以對流和傳導(dǎo)形式進入空氣的那部分熱能量，感熱通量是由于溫度的梯度差異作用而造成的，計算公式為[16-17]：

(4)

式中：ρair——空間密度(kg/m3)；Cp——空氣熱通量常數(shù)，Cp=1004 〔J/(kg·K)〕；dT——高度在Z1和Z2處的溫度之差；rah——空氣動力學(xué)阻力(S/m)，rah,dT——未知量，它們與不同梯度的溫度、地表粗燥度和風(fēng)速有關(guān)[16]。

因為衛(wèi)星過境時所觀測的是地面瞬時數(shù)據(jù)，我們只求得的是ΛET，因此把瞬時蒸散量擴展到日蒸散量，蒸散比Λ計算公式為[16-17]：

(5)

式中：Λ24——一天24 h內(nèi)的蒸散發(fā)比。

日蒸散量ET24的計算公式為[17]：

λET24=Λinst(Rn24-G24)

(6)

式中：Rn24——一天內(nèi)的凈輻射量；G24——一天內(nèi)的土壤熱通量。

1.3.2 生態(tài)需水量計算 生態(tài)需水量指維持某一環(huán)境功能或環(huán)境目標所需的水資源量[18]，在水資源匱乏的西北內(nèi)陸地區(qū)，生態(tài)需水量是脆弱生態(tài)區(qū)恢復(fù)與重建中必須考慮的一個關(guān)鍵問題[19]。蒸散作為植被水分最重要的輸出項，可用某一植被類型的蒸散量表達維持該植被正常生長所必須的水分量，各植被類型生態(tài)需水量之和即構(gòu)成區(qū)域植被生態(tài)需水總量，計算公式為：

(7)

式中：Ai——第i種植被類型的面積；Ei——第i種植被類型的蒸散量；W——總生態(tài)需水量[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散的年際變化

由圖1可知，2000—2017年鹽池縣秋季初(8月22日至9月8日間)的單日蒸散在0.89～1.71 mm/d，近17 a來單日蒸散增長了0.82 mm，增長幅度達到了92.1%，平均每年增幅為0.05 mm，線性增長趨勢明顯(R2=0.987 5)。其中2000—2006年的蒸散增長了0.25 mm，年均增幅為0.041 7 mm；2006—2015年的蒸散增長了0.38 mm，年均增幅為0.042 2 mm；而2015—2017年的蒸散增長了0.19 mm，年均增幅為0.095 0 mm。由此可知，近幾年鹽池縣蒸散的增幅在逐漸升高，其生態(tài)系統(tǒng)的耗水量也越來越多。鹽池縣生態(tài)系統(tǒng)蒸散呈整體上升趨勢，與20世紀末開始實施的大批生態(tài)治理工程密切相關(guān)，2001年鹽池縣試點退耕還林還草，2002年全縣實施封育禁牧[20]，加之持續(xù)的“三北”防護林建設(shè)和防沙治沙措施，近十幾年來全面改變了鹽池縣的植被格局[21]，地表植被覆蓋度增加，生態(tài)系統(tǒng)蒸散增強，生態(tài)耗水量也增多。

圖1 鹽池縣2000-2017年日蒸散量變化

2.2 蒸散的空間變化

鹽池縣日蒸散量具有較強的空間異質(zhì)性，總體呈現(xiàn)南高北低的分布特征，尤以東南部的麻黃山黃土丘陵地區(qū)日蒸散最高(圖2)，這一區(qū)域降水量相對高，氣候較為濕潤，植被以典型草原植被和人工種植檸條灌木叢為主，植被覆蓋度高，蒸騰量大，故整體蒸散為全縣最高。此外，鹽池縣中部有一條由南到北的緩坡丘陵地貌，這一區(qū)域的蒸散也略高于平原沙地。蒸散偏低的區(qū)域主要集中在西部和西南的馮記溝和惠安堡2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。鹽池縣蒸散的空間分布特征與全縣自東南向西北由典型草原向荒漠草原過渡的植被類型變化具有一定的相似性，同時也受局地人為農(nóng)林活動的影響，如近些年鹽池縣周邊發(fā)展起來的部分灌溉農(nóng)田和人工林地較大的拉高了其蒸散量。

圖2 鹽池縣不同時間的日蒸散空間分布

此外，從不同時期的蒸散空間分布圖對比來看，近17 a來鹽池縣的蒸散在逐漸增強(圖2)，但不同區(qū)域間的蒸散增強幅度存在較大差異(圖3)。2000—2017年鹽池縣蒸散年均增幅主要集中在0.00～0.12 mm，其中西南部的惠安堡鎮(zhèn)和馮記溝鄉(xiāng)的蒸散年均增幅高于其它地區(qū)，平均在0.04～0.12 mm，而其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)的蒸散年平均增幅則主要在0.00～0.08 mm，尤以鹽池縣西北部的高沙窩鎮(zhèn)和花馬池鎮(zhèn)北部最低。同時，不同時間段的蒸散增強幅度也存在較大差異(圖3)。

2000—2006年鹽池縣蒸散年均增幅表現(xiàn)出明顯的南高北低特征，其中惠安堡鎮(zhèn)、麻黃山鄉(xiāng)和馮記溝鄉(xiāng)南部的蒸散年均增幅在0.08 mm以上，但西北部的高沙窩鎮(zhèn)和花馬池鎮(zhèn)北部不增反降，年均增幅在-0.01～0.00 mm；2006—2015年鹽池縣蒸散年均增幅則與之前的變化基本相反；而最近的2015—2017年，鹽池縣蒸散年均增幅則出現(xiàn)非常大的波動，即南部增幅量非常大，出現(xiàn)高于0.16 mm的增幅(圖3)。近17 a的平均增幅基本上體現(xiàn)了區(qū)域?qū)嵤┓庥琳摺⑼烁€林還草等一系列生態(tài)治理工程所產(chǎn)生的生態(tài)水文效應(yīng)，植被蓋度的增加和氣象活動的增強導(dǎo)致蒸散增加。

而短期幾年的蒸散變化則與降水、氣溫等氣象條件的短期波動有關(guān)，如2014—2017年鹽池縣的年平均降水量在347.10～393.30 mm，比近50 a的平均值高出50 mm多，氣溫也較近50 a平均值高出1 ℃以上，較高的氣溫和降水量導(dǎo)致這幾年蒸散增幅很大。

圖3 不同時間段鹽池縣日蒸散量的年均增幅

2.3 不同地類的蒸散特征

土壤含水量的空間差異性和不同地物的耗水特性會導(dǎo)致不同地類的蒸散具有一定的差異性，本研究利用土地利用數(shù)據(jù)對鹽池縣4期蒸散數(shù)據(jù)進行掩膜，獲得耕地、林地和草地3種主要地類的蒸散值。2000—2017年各地類蒸散由高到低依次是耕地、林地和草地(圖4)，且各地類的蒸散增幅明顯，蒸散年增幅最大的地類是草地，其次為林地和耕地。近17 a耕地的日蒸散量為1.01～1.76 mm/d，均值為1.42 mm/d，日蒸散量最大，其蒸散年均增幅為0.044 mm；林地的日蒸散量為0.92～1.70 mm/d，均值為1.33 mm/d，其蒸散年均增幅為0.046 mm；草地的日蒸散量為0.84～1.68 mm/d，均值為1.27 mm/d；雖然草地的日蒸散量最小，但其蒸散年均增幅卻最大，達到了0.05 mm。

圖4 鹽池縣2000-2017年各地類蒸散變化特征

由以上結(jié)果可得，鹽池縣的耕地是最耗水的一個生態(tài)系統(tǒng)，耕地包括旱地和水澆地，其中水澆地受人為灌溉活動的影響，其土壤水分供應(yīng)充足，農(nóng)作物的種植密度較高，導(dǎo)致耕地的土壤蒸發(fā)和植被蒸騰都很強烈，總體蒸散最強。此外，現(xiàn)有研究表明，鹽池縣近些年水澆地面積增加明顯，旱地面積持續(xù)減少[20]，這將繼續(xù)增加鹽池縣總的蒸散量。鹽池縣的林地由喬木林和灌木林混雜構(gòu)成，其林地斑塊碎雜，連片高密度的喬木林面積較少，其生態(tài)系統(tǒng)生物量不大，葉片蒸騰不高，整個系統(tǒng)水分消耗不強，故其蒸散弱于耕地。草地是鹽池縣面積最大的地類，但大多數(shù)為荒漠草原，部分典型草原的蓋度和密度也不甚高，故該類生態(tài)系統(tǒng)的蒸散強度最弱。不管是哪一類地類，在近17 a間均表現(xiàn)出了蒸散增強的趨勢，這與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體好轉(zhuǎn)有關(guān)。

2.4 鹽池縣生態(tài)需水量

利用SEBAL模型反演的日蒸散數(shù)據(jù)，估算寧夏鹽池縣2000—2017年的生態(tài)需水量。結(jié)果看出，鹽池縣秋季初的平均生態(tài)需水量為9.23×106m3，其中最低的2000年為5.96×106m3，最高的2017年1.15×107m3，年均增幅為3.25×105m3,生態(tài)需水量在近17 a中表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。從不同地類來看(圖5)，生態(tài)需水量由高到低依次是草地、耕地和林地，因鹽池縣的草地面積占總縣域面積的60%，故草地生態(tài)需水量最高。從變化趨勢來看，草地的生態(tài)需水量增加最多，近17 a增加了3.37×106m3；其次是耕地，其生態(tài)需水量增加了8.00×105m3；生態(tài)需水量增加最少的是林地，增加了7.20×105m3。但從各地類的單位面積生態(tài)需水量來看，其由高到低依次是耕地、林地和草地，即單位面積的草地生態(tài)需水量是最低的地類，而單位面積的耕地生態(tài)需水量卻最高，3種地類中耕地生態(tài)耗水率最高，可見在鹽池縣這種水資源極度匱乏的地區(qū)，不易大面積發(fā)展高耗水的耕作農(nóng)業(yè)，應(yīng)保持適度面積的草原，以保持鹽池縣農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)牧復(fù)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性[22]。

圖5 各土地利用類型的生態(tài)需水量

盡管鹽池縣生態(tài)需水總量和各地類的生態(tài)需水量近17 a中都在增加，但各地類的生態(tài)需水量組成格局卻在發(fā)生變化。從各地類生態(tài)需水量占總生態(tài)需水量的百分比來看，耕地和林地生態(tài)需水量占總生態(tài)需水量的比例在下降，而草地生態(tài)需水量占總生態(tài)需水量的比例在上升(表1)。鹽池縣實施的封育禁牧、退耕還林還草、防沙治沙土地荒漠化治理工程是引起這一變化的原因，這些生態(tài)治理工程改變了地表植被覆蓋結(jié)構(gòu)和植被蓋度，生態(tài)系統(tǒng)的整體好轉(zhuǎn)和植被蓋度增加，整體增加了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)需水總量，而退耕還林還草工程使旱耕地面積大幅減少，草地與林地的面積增加，這種地表植被覆蓋結(jié)構(gòu)的變化引起了各地類的生態(tài)需水量占比發(fā)生變化。

表1 鹽池縣各地類需水量占總生態(tài)需水量的比例%

日期耕地林地草地2000082217.8614.3656.532006090818.6013.8555.212015090116.0014.0858.962017090616.2413.7258.67

3 討論與結(jié)論

劉可等[23]研究得出，寧夏回族自治區(qū)中部和南部草地的蒸散以增強為主；張霞等[24]認為近30 a來全球干旱半干旱區(qū)年蒸散量的變化明顯，中國北部呈增加趨勢；全球氣候的變暖使大氣中水汽含量變低、地表蒸散量增大并加速全球水循環(huán)[25]；這些研究結(jié)論與本文的結(jié)果一致。范亞云等[18]在艾比湖流域的研究結(jié)果顯示，不同地類日蒸散量由高到低依次為喬木林地、耕地、牧草地和灌木林地，而本研究得到鹽池縣日蒸散量由高到低依次為耕地、林地和草地。由于鹽池縣的林地既非單一的喬木林地，也非單一的灌木林地，本研究在地物類別劃分時將喬木林地、灌木林地等斑塊碎雜的林地斑塊均劃分為林地，從而造成本研究中林地蒸散介于喬木林地和灌木林地之間。本研究得出的地類間蒸散差異的結(jié)果和大小順序，與張曉玉等[26]利用SEBS模型在干旱區(qū)反演的日蒸散量結(jié)果一致，也與代鵬超等[27]基于SEBAL模型在新疆精河流域研究的結(jié)果相同。范亞云等[18]在艾比湖流域的研究結(jié)果顯示，生態(tài)需水量整體呈增加的趨勢，與本文研究結(jié)果一致，而李金燕[12]研究得到鹽池縣草地的生態(tài)需水量遠高于林地，主要是由于該研究分析的是2014年典型平水年份，而本文主要分析了近17 a的鹽池縣生態(tài)需水量的變化情況。近17 a鹽池縣蒸散的增強和生態(tài)需水量的增加，主要與其實施的一系列生態(tài)治理工程有關(guān)，封育禁牧、退耕還林還草、防沙治沙等生態(tài)工程改變了地表下墊面結(jié)構(gòu)[21,23]，使得地表植被覆蓋度增加，植被蒸騰增強。然而，地表蒸散變化還與區(qū)域氣象條件等因素有關(guān)[23-24]，干旱半干旱區(qū)地表蒸散的主要水分供給來源是大氣降水，降水直接影響地表土壤含水率大小，影響蒸散大小[28]。已有報道顯示，鹽池降水量近些年在波動增加[15]，氣象資料統(tǒng)計顯示，2000—2017年的年平均降水量為301.57 mm，除去2000年和2005年的大旱年份[23]，這一時期的平均降水量達到了317.96 mm，高于近1958—2017年的平均值(296.99 mm)，降水增加在一定程度上促進了植被的蒸散，也保障了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)維持的水分供給。然而，由于本研究受遙感數(shù)據(jù)的限制，每年相同日期或相近日期可用的Landsat數(shù)據(jù)量較少，故近17 a間只優(yōu)選出了4期數(shù)據(jù)用于反演蒸散。因遙感數(shù)據(jù)為單日瞬時觀測結(jié)果，而蒸散受降水量、相對濕度、氣溫、太陽輻射、日照時數(shù)、風(fēng)速等氣象因素的影響明顯[7,28-29]，所以用單日遙感數(shù)據(jù)反演的蒸散在表征生態(tài)系統(tǒng)整體蒸散強弱時也有一定的局限性，在今后的研究中應(yīng)采用數(shù)據(jù)量豐富、時間連續(xù)性強的數(shù)據(jù)進行蒸散演變規(guī)律的研究。此外，本文主要側(cè)重研究區(qū)蒸散時間演變規(guī)律和空間分布格局，因受限于數(shù)據(jù)資料局限，關(guān)于蒸散變化驅(qū)動力及其驅(qū)動機制等方面的研究不夠深入，這也是未來需加強的方向。決定地表蒸散強弱的因素主要有地表入射能量、區(qū)域氣象條件和下墊面條件[23-24]等，同時也受土地利用類型變化以及人類生產(chǎn)活動的共同影響[29]，而在綜合考慮這些因子基礎(chǔ)之上的蒸散反演模型，將會提高干旱半干旱區(qū)遙感蒸散反演的精度以及生態(tài)需水量估算的可靠性。綜上研究表明，近17 a鹽池縣日蒸散量變化趨勢明顯，并具有較強的時空異質(zhì)性。日蒸散量由2000年的0.89 mm/d增加到了2017年的1.71 mm/d，增幅為92.1%，增強趨勢顯著。在空間上，日蒸散呈南高北低的格局，尤以東南部的黃土丘陵區(qū)蒸散最高，但不同時間段、不同區(qū)域的蒸散增強幅度存在較大差異。不同地類的日蒸散量具有一定的差異性，蒸散年增幅最大的是草地。鹽池縣生態(tài)需水總量和各地類的生態(tài)需水量也都在增加，但各地類的生態(tài)需水結(jié)構(gòu)卻發(fā)生變化。