2001-2017年黄土高原实际蒸散发的时空格局

周志鹏　孙文义　穆兴民　高鹏　赵广举　宋小燕

摘要：为了给全面评估黄土高原地区大规模实施退耕还林还草的生态效应提供依据，基于NASA发布的空间分辨率为500 m的MOD16A2蒸散发数据产品，分析了黄土高原以及黄河中游典型流域2001-2017年实际蒸散发量时空变化特征。结果表明：黄土高原年均实际蒸散发量从西北向东南递增，多年平均季节蒸散发量空间分布格局与年平均蒸散发量分布格局基本一致，季节蒸散发量由大到小顺序为夏季>秋季>春季>冬季;实施退耕还林还草工程以来，黄土高原年均蒸散发量以8.23 mm/a的速率显著增加，多年平均蒸散发量为278.71 mm;黄河中游各典型支流2001-2017年蒸散发量均呈现增加的趋势，延河流域增速最大（为12.96 mm/a），皇甫川流域增速最小（为4.34 mm/a）;不同流域实际蒸散发量差异较大，渭河干流年均蒸散发量最大（为388.26 mm），皇甫川流域年均蒸散发量最小（为153.71 mm）。

关键词：实际蒸散发量：时空格局;退耕还林还草;黄河中游;黄土高原

中图分类号：S157.2;S161.4

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.017

蒸散发是陆地水分和能量循环过程中的重要环节，是地下水一土壤水一植被水一大气水循环的重要驱动力[1-2]。2011年美国NASA（航空航天局）发布的基于Penman - Monteith公式的全球陆地蒸散数据产品MOD16，模拟精度达到86%[3].成功应用于区域和全球尺度蒸散发的动态监测和模拟研究。贺添等[4]对我国森林、农田生态系统的研究表明，MOD16产品在辽河、海河、黄河和淮河流域的模拟精度较高;邓兴耀等[5]采用流域水量平衡法验证了MOD16产品在西北干旱区的模拟精度基本满足区域尺度研究的需要。

黄土高原严重的水土流失是造成土地退化和黄河泥沙危害的主要原因，也是黄河流域暴雨洪水灾害的重要根源，其对气候变化及人类活动的影响十分敏感[6-7]。新中国成立以来，为治理水土流失，黄土高原地区实施了一系列重大生态治理工程，如退耕还林还草、大规模梯田建设、淤地坝工程建设等，其中1999年开始试点并大规模开展的退耕还林还草工程建设（截至2010年全国累计投资2 315.31亿元、退耕面积252685 km2） [8-9]在黄土高原地区已实施近20 a.使黄土高原水土流失加剧态势开始逆转，植被恢复呈现良好态势，植被覆盖度由1981年的31%增长到2012年的50%[10]。植被的大规模恢复势必对区域水文循环过程产生重大影响，国内外学者从水土保持、植被覆盖度和土壤侵蚀变化等各个角度对退耕还林还草的生态效应进行评估[11-12].但对黄土高原植被恢复引起实际蒸散发量变化的研究相对较少，因此笔者采用MOD16A2蒸散发数据产品，对2001-2017年黄土高原实际蒸散发的时空变化特征进行探讨，以期为全面评估退耕还林还草生态效应提供依据。

1 數据与方法

1.1 研究区概况

黄土高原地形起伏、沟壑纵横，地势西北高、东南低.主要地形地貌类型有黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、河谷平原区、风沙区和土石山区。黄土堆积深厚，厚度一般为30 - 80 m，有些地区甚至达到400m[13-15]。黄土高原具有温带大陆性气候特征，夏季高温且多暴雨，冬季寒冷干燥，年均气温6 - 14℃，年均降水量300 -700 mm，降水主要集中在6-8月12，16]。植被类型从东南到西北呈带状分布，依次有森林植被带、森林草原植被带、典型草原植被带、荒漠草原植被带、草原荒漠带。主要土地利用类型有草地、农田、林地、未利用地、建设用地、水体（见图1），分别占黄土高原总面积（62.4万km）的41.73%、31.35%、15.25%、6.30%、3.99%、1.38%。

黄土高原土质疏松、地形破碎、植被破坏严重，使之成为我国乃至世界上水土流失最严重、生态最脆弱的地区[17-18]。

1.2 数据来源与处理

从美国NASA官方网站下载2001-2017年MOD16A2蒸散发数据（其中2008年缺失较多，本文未使用），其空间分辨率为500 m。采用MRT软件将MOD16A2蒸散发数据进行投影转换、拼接和格式转换批处理，坐标系统一为Albers等积圆锥投影。依据质量控制文件，利用ArcGIS去除数据中的无效值，得到年和月尺度实际蒸散发量[19]。

1.3 研究方法

用变异系数C反映黄土高原不同区域蒸散发量的变异情况，计算公式为

2 结果与分析

2.1 实际蒸散发量的空间分布特征

黄土高原2001-2017年多年平均实际蒸散发量（ET）为278.71 mm，年均蒸散发量空间分布具有明显的区域分异特征（见图2）：表现为从东南向西北递减，蒸散发量高值区（红色区域）集中分布在黄土高原子午岭林区、黄龙山林区、秦岭北坡林区、吕梁山区和太行山区及青海东部林区;蒸散发量中值区（黄色区域）集中分布在黄土高原东部和南部，如关中平原灌溉农业区、土石山区以及青海等地;低值区（绿色区域）主要分布在黄土高原西北部。

黄土高原2001-2017年多年平均季节蒸散发量空间分布格局与年均蒸散发量分布格局基本一致（见图3），整体上看，黄土高原季节蒸散发量大小顺序为夏季>秋季>春季>冬季。春季（3-5月）蒸散发量均值为57.26 mm，占全年蒸散发量的20.54%;夏季（6-8月）蒸散发量均值为131.84 mm，占全年蒸散发量的47.30%;秋季（9-11月）蒸散发量均值为60.82 mm，占全年蒸散发量的21.82%：冬季（12月一翌年2月）均值为28.79 mm，占全年蒸散发量的10.34%。2.2实际蒸散发量时间变化特征

黄土高原2001-2017年实际蒸散发量呈现显著增加的趋势，平均增速为8.23 mm/a（见图4，其中：y为年蒸散发量，x为年序，R2为确定系数，P为显著性水平），其中：2001年蒸散发量最小，为196. 11 mm;2016年蒸散发量最大，为341.29 mm。蒸散发量年内分配呈现单峰型特征（见图5），其中：1-4月份蒸散发量变化较为平缓，5-7月迅速增加，7月蒸散发量达到最大值46. 94 mm，8月开始迅速下降，12月降至8.48 mm。

黄土高原蒸散发量变异系数C空间分布情况见图6。蒸散发量非常稳定及稳定的区域面积占49.33%.集中分布在黄土高原西北部干旱草原区：蒸散发量不稳定的区域面积占37.94%，主要分布在长城沿线以南、关中平原以北及固原、定西等地区;蒸散发量很不稳定区域面积占12.73%，集中分布于渭河上游、泾河、北洛河流域及吕梁山一带。

黄土高原2001-2017年实际蒸散发量变化呈现明显的区域分异特征（见图7），整体上表现为增加的趋势，呈现增加趋势的面积占65. 64%，基本保持不变的面积占31 .46%，呈现减少趋势的面积占2.90%。增速（趋势线斜率）K> 14.51 mm/a的区域分布于六盘山、子午岭、黄龙山、吕梁山一带，以及宝鸡北部、天水等地;基本不变（-3.01 mm/a

2.3 不同土地利用类型实际蒸散发量

黄土高原不同土地利用类型年均蒸散发量表现为林地（418.30 mm）>农田（320. 26 mm）>草地（279.15mm）>建设用地（221.30 mm）（MODIS数据处理时把未利用地、水体这两类数据剔除了），年内蒸散发量均呈单峰型分布，1-4月缓慢增大.5-7月迅速增长并在7月份达到峰值.8月开始迅速减小，12月降至最小值，见图8。

2.4 黃河中游典型支流实际蒸散发量

2001-2017年黄河中游典型支流年均实际蒸散发量表现为渭河（388.26 mm）>北洛河（367.99 mm）>泾河（ 326.16 mm）>延河（275.51 mm）>无定河（197.45mm）>窟野河（164.73 mm）>皇甫川（153.71 mm），各典型支流实际蒸散发量均呈显著增加的趋势（见图9），其中：延河流域蒸散发量增长速率最大，为12.96mm/a;皇甫川流域增长速率最小，为4.34 mm/a。 2.5 讨论

1999年黄土高原实施退耕还林还草工程以来，植被绿度（ NDVI）和覆盖度表现为显著的增长趋势[7，22]，植被的大规模恢复势必对区域水文过程和蒸散发格局产生重要影响。植被直接影响蒸散发量的时空分布格局，同时通过对水分的调蓄可以改变地表径流与地表水文过程[23-24]。邵薇薇等[25]研究表明，陆面植被增加导致蒸散发量增加的同时，会使陆面水热通量发生变化。Piao S等[26-27]研究表明，温暖的春季促使植被物候提前以及植被的生长加速，影响着地表蒸散发量的变化，特别是林地，人工林的增加加速了蒸散发。信忠保等[28]研究表明，地表蒸散发量快速增加的过程，潜在地加剧了水分的缺乏，造成黄土高原地区土壤干层的发育，进而对植被生长产生抑制作用。黄土高原大面积的林区、较为茂密的草地以及农业灌溉区，是黄土高原实际蒸散发量较大区域，不同土地覆盖具有不同的动力和热力性质，会导致能量分配方式不同，进而造成不同土地覆盖类型蒸散发量表现出较大差异‘29]，这与莫兴国等[30]、余卫东等[31]研究黄土高原地区蒸散发量得出的结论基本一致。

黄土高原自退耕还林还草工程实施以来，实际蒸散发量呈现显著增加的趋势，以8.23 mm/a的平均速率增加。黄土高原植被覆盖度的提高导致了实际蒸散发过程的加速，使该地区的水资源承载能力面临着新的问题[23.32]。

3 结论

利用分辨率为500 m的MOD16A2蒸散发数据产品，对我国实施退耕还林还草工程以来黄土高原实际蒸散发量的时空分布格局进行了分析，得出以下主要结论。

（1）黄土高原2001-2017年年均蒸散发量空间分布格局总体为从西北向东南递增，其中子午岭林区、黄龙山林区、秦岭北坡、吕梁山区、太行山区及青海东部多年平均实际蒸散发量较大。

（2）黄土高原2001-2017年多年季平均蒸散发量空间分布格局与年均蒸散发量分布格局基本一致，季节蒸散发量由大到小顺序为夏季>秋季>春季>冬季。

（3）黄土高原2001-2017年实际蒸散发量总体上呈现显著增加的趋势，平均增速为8.23 mm/a。蒸散发量呈现增加趋势的面积占65 .64%，基本保持不变的面积占31.46%，呈现减少趋势的面积占2.90%。

（4）黄河中游典型支流2001-2017年实际蒸散发量均呈现增加的趋势，其中延河流域蒸散发量增速最大（为12. 96 mm/a）、皇甫川流域增速最小（为4.34 mm/a）。不同流域实际蒸散发量差异较大：渭河干流（388.26 mm）>北洛河（367.99 mm）>泾河（326.16mm）>延河（275.51 mm）>无定河（197.45 mm）>窟野河（ 164.73 mm）>皇甫川（153.71 mm）。

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【责任编辑张智民】