黄土高原地区水量平衡研究

2017-06-01 11:29:54裴婕赵芳媛董刚徐巧峰
关键词:气候区黄土高原地区黄土高原

裴婕,赵芳媛,董刚,3*,徐巧峰

(1.山西大学 黄土高原研究所,山西 太原 030006;2.中国科学院 沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016;3.山西大学 生命科学学院,山西 太原030006;4.山西林业职业技术学院,山西 太原 030009)

黄土高原地区水量平衡研究

裴婕1,赵芳媛2,董刚1,3*,徐巧峰4

(1.山西大学 黄土高原研究所,山西 太原 030006;2.中国科学院 沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016;3.山西大学 生命科学学院,山西 太原030006;4.山西林业职业技术学院,山西 太原 030009)

水分是黄土高原植物生长的主要限制因子,植被的生长和分布与水量平衡密切相关。利用MODIS数据,结合回归分析和t检验等方法,对比了黄土高原地区多雨、少雨、高温和低温等四种气候条件下的林地、草地、农田等三种主要植被类型的蒸散,并研究了各种生态系统的水量平衡。结果表明:(1)2000~2014年(15 a)蒸散波动明显,上升不显著(p>0.05),主要受降雨的影响,其次是温度;其中多雨区蒸散明显大于少雨区,高温区明显大于低温区;水量平衡随着降水的趋势变化而变化,水量平衡的高值和低值区域都在逐步缩小,中值区域逐步扩大。(2)三种植被类型的蒸散量的大小依次为林地>农田>草地。农田和草地相较于林地生态系统更容易受单一气候因子影响,也更加脆弱。(3)水量平衡并不是降雨与蒸散的绝对平衡,而是一个相对的平衡。各个生态系统中蒸散随着降雨的增加而增加;当降水达到一定的阈值后,蒸散受降雨的影响减小。

水量平衡;降水;蒸散;MODIS;黄土高原

0 引言

在干旱半干旱地区,水资源是植物生长的主要限制因子[1],植被生产力和分布与降雨(precipitation,P)和蒸散量(evapotranspiration,ET)紧密相关[2]。树木不仅在水循环和碳循环中起到至关重要的作用[3],可以防止环境中土壤流失[4],而且树木产生的枯落物(例如落叶)比其他植被类型给土壤增加更多的有机质,使水分可以在土壤中较大的渗透和保留[5]。种植树木可以防止土壤荒漠化,也可在一定程度上修复退化土地[6]。但树木的蒸腾可能会超过降雨量,减少土壤中的可利用水分,降低径流和水库的降雨量[7],进而减少地下水的储存量[8]。

水量平衡反映了生态系统水分收支情况,是蒸散、地表径流和土壤水分存储变化量与降雨之间的平衡,是一种动态平衡状态[9],是评价降水和植被之间关系的有效方式之一[2],为区域内的水资源分配和管理提供参考。在黄土高原地区,蒸散主要受水分控制[10]。因为近年来降水逐渐减少,温度逐渐升高[1],水分消耗加大,蒸散量也逐年上升[11],进一步导致黄土高原的水分损失更加严重[3]。区域内常年承受水分亏缺,降雨得不到有效补充,在这种情况下,种植大量的耗水人工林,可能会导致该地区的生态环境进一步恶化[12]。

前人对水量平衡的研究集中于模型估算(主要是农业和水文循环的应用模型)[13-16],水量平衡模型主要是预测时空上的土壤含水量的变化,模拟在水分胁迫下的作物和林分的水分收支[14]。模型运算复杂,需要参数众多,操作难度较大,估算结果误差也较大。近年来,迅速发展的遥感技术能够为我们提供更高分辨率、更多时间序列和更大空间范围的遥感产品,这对于研究全球各种尺度的地表信息变换提供了更加便捷的途径[17]。中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据被人们在很多不同区域进行了多次验证[18-20],黄土高原区域尺度上也有人曾经验证过MOD16产品数据的准确性[21-23],取得了良好的效果,证明了该数据在黄土高原地区具有很高的可信度。

本研究目的是确定不同降水条件下不同植被类型的水量平衡状态,利用MODIS数据中的蒸散数据,通过回归分析和t检验等方法,从以下几个方面展开研究:(1)2000~2014年黄土高原蒸散和水量平衡的气候影响因子以及时空变化的规律;(2)比较分析不同气候分区下的林地、草地和农田的蒸散;(3)比较分析不同气候分区下的林地、草地和农田的水量平衡状况,以期为黄土高原植被恢复与生态环境改善提供理论依据。

1 数据

1.1 研究区概况

中国黄土高原区域(100°54′~114°33′E,33°43′~41°16′N,海拔94~4 945 m)跨河南、宁夏、青海、甘肃、陕西、山西和内蒙古省区,总面积为64.87×104km2[1](图1)。黄土高原地区降雨总量相对较少,季节分配不均,年总降水量115.7~1 279.8 mm,年降雨从东南至西北递减[11]。2009年~2014年降雨量下降了29.1 mm,而温度上升了1.19℃[24],整体呈现暖干的趋势。黄土高原地区主要土地利用类型为林地、草地、农田和裸地[25]。地貌类型包括风沙区、高原沟壑区和丘陵区等。植被地带性分布明显。除了少数石质区以外,土壤类型以黄土为主,土质结构十分疏散,黏性很差,最厚达150~180 m,是世界上水土流失的重灾点之一[26]。

Fig.1 Geographic position and altitude of the Loess Plateau图1 黄土高原区域位置及海拔

1.2 研究数据

1.2.1 遥感数据

NASA数据中心的MODIS数据即中分辨率成像光谱仪数据,可从网址(https:∥wist.echo.nasa.gov)下载。本文利用的MODIS产品的年际蒸散数据(MOD16A3),选择年份为2000年到2014年。数据需利用MRT(MODIS Reprojection Tool)软件进行提取波段、拼接和定义坐标等,然后利用ENVI等软件经过格式转换、重投影、改变分辨率并经过重新计算方可使用(见图2)。所有数据采用Universal Transverse Mercator (UTM)投影,WGS-1984坐标系统;空间分辨率为1 000 m。MOD16数据集中存在水体、永久水体(雪、冰川、湿地)等区域均为无数据的情况,参考土地利用图并结合实际植被覆盖情况,黄土高原地区无数据的地区较少,对于分析年际尺度动态变化没有影响,所以做无数据处理。

Fig.2 Technological roadmap图2 技术路线图

1.2.2 气象数据

从国家气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)获得研究区内共214个站点的站点数据和气象数据。每日气象数据主要使用日平均气压、日平均温度、日降水量和日照时数。利用ArcGIS 的空间分析模块按克里金法进行插值得到覆盖研究区的1 000 m分辨率的网格状气象数据。配合MODIS数据,所有气象数据需经运算得到年际尺度气象数据。

1.2.3 土地利用

土地利用图(图3)来自于中科院地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn),总共3期,分别为2000年、2005年和2010年。黄土高原研究区域主要的植被类型分别为林地(forest,F)、草地(grassland,G)和农田(cropland,C);裸地(bareland,B)地类由于MOD16数据集的数据缺失仅作为基础对照出现,并不参与分析。

Fig.3 Main land use types in the Loess Plateau图3 黄土高原土地利用图

1.3 研究方法

1.3.1 年际变化率

为了更好地研究15 a期间黄土高原地区蒸散量的时间变化特征,用线性回归模型计算每年的线性变化趋势(S):

(1)

其中,n为蒸散数据年序列年数;i为某一年具体计算年份;ETi为某一年MODIS数据计算得到的蒸散量。

蒸散与降雨相关系数的显著性采用t检验法。

1.3.2 水量平衡数据

水量平衡的公式为:

(2)

其中,P为降水;Q为径流,包括地表径流和地下径流;ΔS为储存水的动态变化,在年尺度或多年尺度时可以忽略[15-16]。则公式(2)可以变形为:

(3)

(4)

(5)

由于干旱半干旱地区的地域特殊性,并且大尺度上径流数据难以获得,本文忽略径流部分,所以水量平衡公式变形为:

(6)

水量平衡的比值不为1。

2 结果

2.1 黄土高原地区蒸散和水量平衡的时空变化

2.1.1 四个气候分区下的水量平衡和蒸散的时间动态变化

降水和温度都是黄土高原地区生态环境的限制因子[27]。为了比较分析两个气候因素对黄土高原地区植被的影响,参考前人研究对温度和降水梯度的划分[8,11,24,28],根据半干旱、半湿润地区划分时所用的降雨梯度和温暖年、寒冷年划分时的温度梯度并结合气候数据,将2000年~2014年这15 a的平均温度分为低温(8℃以下,L)和高温(8℃以上,H)区域,降雨分为少雨(400 mm以下,F)和多雨区域(400 mm以上,M),从而得到黄土高原地区的4个气候区域(图4):FL少雨低温区域;ML多雨低温区域;FH少雨高温区域;MH多雨高温区域。

Fig.4 Area of classification of precipitation and temperature in the Loess Plateau图4 黄土高原地区降水和温度分级区域

图5展示了气候、蒸散和水量平衡15 a的变化趋势。15 a降水年平均值范围为109 mm~283 mm,其中2003年降水量最多,2011年最少。15 a温度平均值范围为6.29℃~7.77℃;其中2006年温度最高,2012年出现15 a最低温。这与李志[11]、卢爱刚[29]等人的研究结果相似。

黄土高原区域的蒸散整体波动明显,但上升不显著(R2=0.012,p>0.05)。2003年的蒸散出现最大值,2006年出现最小值;蒸散强度为ETMH>ETML>ETFH>ETFL,四个气候分区整体趋势相似;2003年四个气候分区的蒸散都出现最大值。从四个气候分区来看,FL气候区的蒸散范围为188~248 mm,2006年出现明显波谷,最大值出现在2003年;ML的蒸散范围为313~415 mm,最大值出现在2003年,最小值出现在2001年;FH的蒸散范围为200~225 mm,2006年出现波谷,最大值出现在2003年,15 a整体波动平稳;MH中的蒸散范围为319~428 mm,最大值出现在2003年,最小值出现在2001年。

水量平衡和蒸散的趋势表现出明显的不同。整体来说,P/ET的变化趋势基本与降水一致,但气候区的水量平衡值的量级与蒸散和降水正好相反:P/ETFL>P/ETML>P/ETMH>P/ETFH。对比少雨的两个气候区,降水偏少,蒸散整体量级偏小,水量平衡除干旱年外的其他年份基本都大于1,并且高温少雨(FH)的降水除个别年份外都比低温少雨的降水稍低,但蒸散正好相反,而P/ET则又与降水一致;但2001、2007、2009和2011年与其他年份不同:PFH>PFL,ETFHP/ETFL。比较多雨的两个气候区,降雨偏多,蒸散也随之增大,水量平衡基本都小于1,高温多雨(MH)的降水除个别年份外都比低温多雨(ML)的降水稍高,蒸散与降水的趋势一致,水量平衡的趋势与降水和蒸散的趋势一致;2004、2006、2008和2012年出现区别:PML>PMH,ETMLP/ETMH。

Fig.5 Comparison of precipitation, temperature, evapotranspiration and water balance under different climatic area (FL、FH、ML、MH)in the Loess Plateau from 2000 to 2014图5 2000~2014年黄土高原不同气候分区下的降水、温度、蒸散和水量平衡比较

2.1.2 水量平衡和蒸散量的空间变化特征

黄土高原地区15 a的蒸散量地域分布存在显著差别,ET的整体分布情况为西北低、东南高(图6a),与贺添[19]、王鹏涛[22]等人的研究结果一致。从省级区域来说,山西全境都属于蒸散较高的区域,高值集中于中南部山区,但北部蒸散值偏低;陕西北部蒸散偏低,中部峡谷处偏高,南部居中;甘肃西北部处于低值地带,东南部处于高值地带;而青海则正好相反,但是青海整体蒸散居中,没有明显的高值区域和低值区域;内蒙古和宁夏全境蒸散都较低。但从5a间隔来看,高、低值区域的变化有较大差异,高值区域明显向西北方向扩大,同时东部和南部的高值区域有减弱的趋势。

从15 a平均水量平衡(图6b)来看,高值区域主要分布于黄土高原中部偏北区域,集中于内蒙古东部,山西西北部和陕西北部,而低值区域主要分布于蒸散较高的山脉区域。从5 a平均水量平衡来看,水量平衡高值和低值区域都逐步缩小,中值区域逐步扩大。

Fig.6 Spatial distribution of the mean ET (a) and water balance(b) in the Loess Plateau from 2000 to 2014图6 黄土高原2000~2014年平均蒸散量(a)和水量平衡(b)的空间分布

2.1.3 三种植被类型下的蒸散的时间动态变化

蒸散强度方面:ETf>ETc>ETg,ETMH>ETML>ETFH>ETFL(图7)。农田蒸散强度比草地稍高,而二者趋势相似;气候区ML和MH整体二者差距显著(p<0.05),2000年相差较大,2001年到2010年趋势的差距相近而后差距越来越大,2010年后差距逐渐减小,年际波动明显;气候区FH和FL趋势年际波动也明显,二者差距不显著(p>0.05),2001年到2010年稍有差距,其他年份差距不明显。林地蒸散在四个气候区强度分化明显,和农田、草地有所区别,FH和FL整体二者差异显著(p<0.05),趋势在2000年差距不大而后差距加大;气候区MH和ML的趋势年际波动明显,二者差异显著(p<0.05),差距从2003年之后越来越小,在2012年后又增加。

Fig.7 Tends of evapotranspiration of four land-use types (forest,grassland,cropland and bareland) under different climatic areas (FL,ML,FH and MH) in the Loess Plateau from 2000 to 2014图7 黄土高原四种地类在不同气候分区下15 a的变化趋势

2.2 各植被类型水量平衡的比较

水量平衡(P/ET)在四种气候分区下和三种植被类型的情况有所差异(图8)。整体来说,MH气候区和ML气候区降雨量级相似,FH区和FL区的降雨量级相似;MH气候区蒸散大于其他气候区(除裸地外),而FH气候区蒸散最小;林地蒸散高于其他地类,草地蒸散最小。从地类来说,草地在MH、ML和FH分区中的降水都大于蒸散,FL气候区蒸散和降水相差不多,但蒸散稍大于降雨;林地四个气候分区的降雨均小于蒸散,MH气候区的降雨和蒸散相差最大,其次是ML气候区;农田在FL、FH和ML分区中的降水都大于蒸散,MH气候区蒸散和降水差异较小,但蒸散稍大于降雨。

Fig.8 Comparison of evapotranspiration and precipitation of four land-use types (grassland, forest, cropland and bareland) under different climatic areas (FL,FH,ML,MH) in the Loess Plateau from 2000 to 2014图8 黄土高原四种地类(草地、林地、农田、裸地)降水和蒸散在不同气候分区下的比较

图9为四种地类的四种气候分区下的降雨和蒸散的关系。可以看出,四个气候区蒸散都随着降雨的增加而增加,但当降雨达到一定降雨阈值(下面简称为阈值)后,蒸散会明显增加(下面简称为蒸散迅速上升点位)。林地数据在同等降雨条件下,低温气候区和高温气候区对比,未达到降雨阈值时的ML(或FL)的蒸散增幅比MH(或FH)大,达到阈值后MH(或FH)的蒸散增幅比ML(或FL)大。多雨区域降雨阈值比少雨区域阈值高,蒸散开始迅速上升的点位多雨比少雨高;高温区域阈值比低温区域阈值稍高,蒸散开始迅速上升的点位高温比低温高。其中,多雨区域MH的降雨阈值大约为550 mm~600 mm,ET在阈值内大约从750 mm左右迅速上升;ML的降雨阈值大约为500 mm~550 mm,ET从560 mm左右开始迅速上升;少雨区域FH的降雨阈值大约为370 mm~420 mm,ET最低值为450 mm;FL的降雨阈值大约为330 mm~370 mm,ET最低值为400 mm。农田数据和草地数据在各个气候区中趋势和强度相似,各个气候区中农田、草地趋势都有交点,在起始阶段同等降雨条件下草地比农田的蒸散增幅大,交点之后农田比草地的蒸散增幅大。在FL气候区中,草地降雨阈值大约为280 mm~320 mm,ET最低值大约为200 mm,农田降雨阈值大约为300 mm~350 mm,ET最低值大约为200 mm;在FH气候区中,草地降雨阈值大约为300 mm~360 mm,ET最低值大约为250 mm,农田降雨阈值大约为300 mm~360 mm,ET最低值大约为320 mm;在ML气候区中,草地降雨阈值大约为440 mm~480 mm,ET最低值大约为420 mm,农田降雨阈值大约为450 mm~480 mm,ET最低值大约为420 mm;在MH气候区中,草地降雨阈值大约为460 mm~500 mm,ET最低值大约为550 mm,农田降雨阈值大约为480 mm~500 mm,ET最低值大约为550 mm。农田降雨阈值比草地稍高,蒸散迅速增加范围除FH气候区外和草地相似。

3 讨论和结论

蒸散是影响水量平衡的重要因素。从黄土高原15 a的动态来看,蒸散趋势基本和降水趋势吻合,不同气候区域蒸散有显著差异,在多雨高温区域蒸散大,多雨低温区域其次,少雨高温区域再次,少雨低温区域蒸散最小(图5),这表明在干旱半干旱地区降水是蒸散的主要限制因子[1],温度是影响蒸散的重要因子[11]。因蒸散主要受降雨影响,并且也因为本身比值公式的特征[30],所以水量平衡的主要影响因子为降雨。15 a水量平衡的趋势因为受到降水和蒸散的双重影响,在不同的气候区域中差别极大。从地理位置来看,参照土地利用图(图3),蒸散高值区域大部分分布在森林集中的区域,而低值区域大部分集中于草地和裸地(图6),说明植被类型对黄土高原区域蒸散分布有明显的影响[31]。受到降水和蒸散的双重影响,水量平衡的分布充分地体现了两种因子的特点,西北地区的降水和蒸散都最低,反而使得西北部出现了中值区域,并随着蒸散的变化趋势出现了中值区域逐步扩大的现象;水量平衡最小值区域为内蒙古和宁夏的农田,这可能是因为该区域处于低温少雨的区域,本身降雨偏少,又是蒸散偏大的农田地类,这有可能无形中增加了水量的压力,最终导致该区域水量平衡偏小。

对于四种气候区域来说(图7,8),适量的高温和多雨条件都能促进蒸散的增长;同时,不同的植被类型具有不同的蒸散趋势[32],导致了不同的水量平衡。林地对蒸散的贡献最大,农田和草地变化的趋势基本与林地一致(图7),这与郭瑞萍[33]的研究结果一致,这是因为蒸散由植物蒸腾和土壤蒸发组成[34],林地、农田和草地的地面都有植被覆盖,比较来说植物耗水程度的大小依次为树木>农作物>草本,植物蒸腾大小也依次为林地>农田>草地。农田土壤经过人为的耕作使土壤结构松散粗糙,与太阳辐射有更大的接触面积,从而导致土壤蒸散加大[35],而且为了更好地提高经济作物的生产量,农田的水分来源除了降水还有人工灌溉[36-37]。所以农田地类的蒸散在降雨逐渐增加的前期阶段会出现比草地高的情况(图8,9),这与Sun等[37]研究结果一致。多雨和少雨对蒸散的强度分化起到至关重要的作用,但是农田和草地少雨区的高温和低温差异不显著,这说明农田和草地生态系统受降雨的影响程度比林地大(图8)。如果出现干旱年降雨较少的情况,森林受到的威胁可能小于农田和草地。

因为地上地下径流,P/ET并不是绝对平衡。蒸散随着降雨增加而缓慢增加,但降雨达到阈值时,蒸散出现迅速的增加(图9)。林地对降水的需求比其他植被类型更明显,相对应的蒸散迅速增加的点位也较高,整体达到水量平衡状态缓冲的阶段也相对更长。树木的蒸腾导致了林地蒸散比其他植被更大,但树木的固碳能力比其他地类的植物更强,这有利于整个生态循环的良性发展。相对于农田,草地的土壤质地疏松、容重小、孔隙度大、通气性好,能更好地储存水分[38-39],而且草地的降水基本大于蒸散(图8),这为土壤蓄积水分提供了有利条件。在降水达到阈值时,草地的蒸散小于林地蒸散,所以对于降水较少、生态环境较为脆弱的地区进行改善当地生态环境、增加植被覆盖的工程(例如退耕还林工程),可先进行草本植物的恢复,改善土壤质量和水量平衡之后再进行林地的转化,成功率可能会更高。

在干旱半干旱地区,影响蒸散的主要气候因子是降雨。当降雨达到阈值后,蒸散受降雨影响的程度下降,气温等其他因素的影响程度上升,蒸散增加的速度加快,在同等降雨的条件下其他因素的剧烈变化也会造成蒸散较大的增幅。各个生态系统达到降水阈值后,如果植物的正常生理蒸散远超过该区域的蒸散迅速增加位点时,这可能就会消耗掉生态系统中除降雨外的其他水分,例如地下水[8]或是春夏季的积雪融水[35]等,这也有可能使本来就有限的水资源出现持续的危机[24],进入恶性循环。因此,在生态环境脆弱的地区,选择植被恢复工作的实施、方式和植物种类时,需要慎重地考虑降水、蒸散和水量平衡等因素,实现可持续性用水。

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Study of Water Balance in the Loess Plateau of China

PEI Jie1,ZHAO Fangyuan2,DONG Gang1,3*,XU Qiaofeng4

(1.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;2.Instituteofappliedecology,Chineseacademyofsciences,Shenyang110016,China;3.SchoolofLifeScience,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China;4.Forestryvocationalandtechnicalcollege,Taiyuan030009,China)

In the Loess Plateau, water is the main factor limiting plant growth, productivity and distribution of vegetation is strongly related to the water balance. This study studies the water balance of different ecosystems using evapotranspiration and climate variables (precipitation and temperature) by the linear regression andt-test. Results showed that (1) evapotranspiration experienced fluctuation but a not notably rise (p>0.05) in the past 15 years (2000~2014) and precipitation is a key factor than temperature. Besides, evapotranspiration was greater in rainy area than dry area, higher temperature area than lower temperature area. The ratio of precipitation and evapotranspiration varies with the changing of precipitation. Areas with higher or lower ratio are decreasing, while areas with medium ratio are expanding. (2) Evapotranspiration of different vegetation types followed the descending order of forest, cropland and grassland, with grassland and cropland showing larger variation and vulnerability. (3) Water balance was a relative ratio of P andETrather than absolute ratio. The evapotranspiration increases with precipitation in different ecosystem, but evapotranspiration continues to rise even precipitation has reached a certain threshold.

water balance;precipitation;evapotranspiration;MODIS;Loess Plateau

山西大学学报(自然科学版)40(1):187-194,2017JournalofShanxiUniversity(Nat.Sci.Ed.)

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.024

2016-09-03;

2016-10-28

山西省自然科学基金(113626901034);中国清洁发展机制赠款项目(113023901040)

裴婕(1989-),山西吕梁人,硕士研究生,主要研究碳水循环和植被恢复的关系。E-mail:pjsxdx@126.com

*通信作者:董刚(DONG Gang),E-mail: dongg@sxu.edu.cn

S16;Q143

A

0253-2395(2017)01-0175-12

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