艾比湖绿洲实际蒸散量变化特征及与景观格局的关系

张桉赫， 丁建丽， 张钧泳， 董 煜

（1.新疆大学智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046； 3.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；4.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054）

0 引言

蒸散发是气候系统的一个核心过程，对于地球大气系统的能量收支和水平衡变化至关重要，区域长时间序列的蒸散发变化是生态水文研究的焦点问题［1-2］。尤其在西北干旱-半干旱区，由于远离海洋，水汽含量较低，大约有90% 的水分通过蒸散发进入大气中参与水文过程［3］，蒸散发对于区域水资源评价、农业灌溉、旱情监测及盐渍化等问题具有重要意义［4］。近年来，有学者对西北干旱-半干旱区不同尺度的潜在蒸散发和实际蒸散发进行了研究。在较大尺度区域上，董煜等［5］指出新疆的潜在蒸散量呈下降趋势，而艾比湖流域的相关研究显示，该区域的潜在蒸散量与新疆整体变化趋势较为一致，表现出显著的下降趋势［6-7］。在实际蒸散量的研究中，骞东南等［8］基于互补相关理论，发现塔里木河流域实际蒸散量与潜在蒸散量呈现良好的互补关系，实际蒸散量为上升趋势；代鹏超等［9］使用基于遥感的SEBAL 模型发现精河流域实际蒸散量为下降趋势，水域和耕地具有较高的实际蒸散量。以上关于干旱-半干旱区蒸散发的研究多集中于蒸散发本身的变化趋势，而缺少蒸散发与其他环境因素关系的探讨和分析，尤其是随着人类对地球陆地表面的改造不断加剧，土地利用/覆被变化所引起的水资源危机越来越受到学者的重视［10-11］。

土地利用/覆被变化影响着生态系统的结构和功能，是影响区域蒸散发的重要因子。Liu 等［12］指出20 世纪人类对耕地的开发是影响水资源的最主要的人为驱动力；Yan 等［13］发现水体和稻田的实际蒸散量较大，而城镇用地的实际蒸散量最小。利用景观格局描述土地利用/覆被变化，能够较好地反映区域生态系统的异质性和人与自然间的相互作用。景观格局方法可以高度浓缩景观格局信息，反映景观组成结构和空间支配特征。目前，已经有学者对艾比湖绿洲景观格局与水质、气溶胶等进行了探讨［14-15］。作为区域陆面水循环中重要水文过程的蒸散发，受土地利用/覆被变化的影响显著，尤其是农地和未利用地的扩大会增加地表蒸散量［16］。运用景观格局分析方法能够从较大尺度定量分析区域景观格局变化，从而在一定程度上反映出实际蒸散量对景观格局变化的响应。

艾比湖绿洲是新疆重要的农业区，同时该地区生态环境脆弱，其环境变化对生态水文过程的影响具有独特性［17］。因此，本研究选取艾比湖绿洲为研究区，探讨该区域实际蒸散量与景观格局的关系，以期从一个新的角度去分析和理解区域蒸散发的变化特征，为当地水资源管理和土地利用规划提供科学依据。

1 研究区概况

艾比湖绿洲如图1所示，其位于天山西北麓、准噶尔盆地西南部，包括阿拉山口市、博乐市、温泉县和精河县，大致范围在43°38′～45°52′N，79°53′～85°02′E。研究区日平均气温6～8 ℃，年日照时数约为2 800 h，多年平均降水量为164.1 mm，年平均蒸发能力达到3 790 mm以上，大风天气较多。

图1 研究区示意图Fig.1 Map of the study area

2 数据与方法

（1）数据来源

精河站、博乐站、温泉站和阿拉山口站的气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn），获取各站点1960—2013 年逐月的平均气温、相对湿度、风速和日照时数等气象要素，将四个站点的各气象要素平均值用于实际蒸散量的计算。季节划分为春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至次年2月）。

研究区遥感影像采用Landsat系列卫星，选取无云、植被生长较好的四期影像，在ENVI 中进行辐射定标、大气校正、拼接、裁剪等操作，使用监督分类法进行影像土地利用/覆被分类。

（2）实际蒸散量计算

Budyko［18］假设流域中长时间序列的年蒸散发由降水及辐射能量决定，即E/P=f（E0/P）=f（ω），其中P为平均年降水量，E为实际蒸散发，E0为潜在蒸散发，则蒸发指数δ=E/P。E0用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith 公式进行计算［19］。Budyko［18］根据应用实践揭示长期平均蒸散发指数表达的曲线函 数，即Budyko 曲线方程Φ=［δtanδ-1×（1-cosδ+。在极端干旱条件下，降水完全被蒸发至大气，降水量认为等于实际蒸发量，因此E0/P→∞，E/P→1，因此利用潜在蒸散发估算实际蒸散量的公式［19］为

（3）实际蒸散量分析方法

使用R/S 法［20］计算Hurst 指数H，用来表征实际蒸散量时间序列的持续性。H=0.5时表明时间序列是随机变化的；0.5＜H＜1 时，表明时间序列具有正的持续性，H越接近于1，序列的正持续性越强；0＜H＜0.5 时，表明时间序列具有负的持续性，H越接近于0，序列的反持续性越强。使用Mann-Kendall 突变检验［21］分析实际蒸散量的突变点，变差系数Cv和偏态系数Cs用于分析实际蒸散量的离散程度和分布状况。以上方法通过MATLAB编程和SPSS软件实现。

（4）景观格局指数计算

本研究结合当地的自然条件，并参考过去的相关研究成果［14，22-23］，选择了一些较为常用且意义较为明确的景观格局指数，具体景观格局指数如表1所示，由Fragstats 4.2软件计算。

表1 景观格局指数的公式及描述Table 1 Landscape pattern indices’formulae and their descriptions

3 结果与分析

3.1 艾比湖绿洲实际蒸散量年际及季节变化

艾比湖绿洲1960—2013 年全年实际蒸散量的变化趋势如图2 所示。实际蒸散量呈上升趋势，变化速率为7.76 mm·（10a）-1，多年平均值为162.97 mm，最小值为69.04 mm（1969 年），最大值为256.09 mm（2012年）。变差系数Cv为0.24，说明年实际蒸散量序列离散程度较小；偏态系数Cs为0.14，说明年实际蒸散量序列为正偏分配。Hurst指数H=0.76，说明年实际蒸散量序列具有正的持续性，即过去的一个增长趋势意味着将来的一个增长趋势，且序列的正持续性较强。非参数Mann-Kendall 单调趋势检验的统计量︱z︱=0.2048＞z（0.05）=0.1836，说明研究区年实际蒸散量具有显著的增加趋势。由于艾比湖绿洲处于干旱区，由式（1）可知，该区域的降水量几乎都被蒸发，随着降水量的不断增加，实际蒸散量也呈现为增加趋势。

图2 1960—2013年艾比湖绿洲实际蒸散量变化趋势Fig.2 Trend of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis during 1960—2013

表2为艾比湖绿洲各年代际的实际蒸散量。实际蒸散量从20世纪60年代到2000年以后整体为增加趋势，但20 世纪90 年代的实际蒸散量与80 年代相比出现了下降。20 世纪60—70 年代和90 年代的实际蒸散量均为负距平，这些时期的实际蒸散量要小于多年平均值，而20 世纪80 年代和2000 年以后均为正距平，这两个时期的实际蒸散量比多年平均更大，其中从2000 年以后开始转为最大的正距平，说明这一时期的实际蒸散量的增加较为显著。

表2 艾比湖绿洲实际蒸散量年际与季节变化（单位：mm）Table 2 Interannual and seasonal variation of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis（unit：mm）

由于艾比湖绿洲冬季气温均在0 ℃以下，气候寒冷干燥，实际蒸散量极低，因此本研究只分析春季、夏季和秋季的实际蒸散量变化特征。三个季节中，1960—2013 年夏季的平均实际蒸散量最高，为22.75 mm，秋季最低为10.44 mm。夏季和秋季实际蒸散量的变化趋势与全年的变化趋势一致，均为上升趋势，而春季实际蒸散量为下降趋势，且变化幅度较小。秋季2000 年以后实际蒸散量与20 世纪60 年代相比增长最大，增幅达到77.7%，夏季实际蒸散量在20 世纪60—90 年代均为不断减小的负距平，2000 年以后转为正距平，而秋季在20 世纪80 年代和2000年以后均出现了正距平，说明夏季实际蒸散量为持续的增加趋势，并且在2000年以后增加的更为明显，而秋季实际蒸散量在整个年代际中波动较为明显。

对艾比湖绿洲全年以及春季、夏季和秋季的实际蒸散量进行Mann-Kendall 突变检验（图3），研究区实际蒸散量在20 世纪60—80 年代变化不明显，而从80年代以来，实际蒸散量有一个明显的上升趋势，尤其是在2003 年之后，这种增加的趋势均超过了显著性水平0.05临界线，说明实际蒸散量的增加趋势是显著的。而通过观察UF 和UB 交点的位置可以确定实际蒸散量是从1987 年开始突变性增加的。对1960—1986 年和1987—2013 年这两个时期的实际蒸散量进行t检验，结果为︱t0︱=2.902＞t0.01=2.674，说明这两个时期的实际蒸散量具有显著差异，1987 年为突变点。春季实际蒸散量不存在突变点，夏季和秋季的突变性增加年份分别为1992年和1975 年。对全年以及春季、夏季和秋季的降水量进行Mann-Kendall 突变检验（图4），发现年际、夏季和秋季的降水量的突变年份与实际蒸散量的突变年份一致，均为1987 年、1992 年和1975 年，春季同样不存在突变点，说明艾比湖绿洲降水量的变化趋势对于实际蒸散量的变化影响很大。全年实际蒸散量在突变后的均值比突变前的均值增加了29.97 mm，增长幅度为20.25%，夏季和秋季实际蒸散量在突变后比突变前分别增长了21.88% 和39.91%。

图3 艾比湖绿洲实际蒸散量Mann-Kendall突变检验Fig.3 Interannual and seasonal Mann-Kendall mutation test for the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

图4 艾比湖绿洲降水量Mann-Kendall突变检验Fig.4 Interannual and seasonal Mann-Kendall mutation test for the precipitation in the Ebinur Lake oasis

3.2 艾比湖绿洲土地利用变化

本研究利用ENVI 软件，依据全国土地资源分类系统和研究区土地利用现状，将研究区土地利用/覆被划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、荒漠和盐渍地这7 个土地利用/覆被类型，通过支持向量机分类与人工目视解译相结合的方法进行分类，基于混淆矩阵法和野外采样点进行精度评价，分类总精度均大于85%，可以进行进一步的研究。

图5为四个时期研究区各地类的面积，可以看出四个时期中荒漠占主导地位，其面积远远大于其他地类的面积，四期所占比重均超过50%，耕地与城镇建设用地持续增长，且增长幅度较大，2013 年其面积比1990 年分别增长了409.69% 和704.56%，林地、草地和水域的面积均为波动下降的趋势，盐渍地面积则为波动增加的趋势。表3为1960—2013年艾比湖绿洲土地利用/覆被转移矩阵，可以看出1990—1997 年间，新增耕地面积中来源于草地的面积占到33.06%，来源于荒漠的面积则占到39.25%，林地和草地面积的减少主要转化为荒漠和耕地，城镇面积的增长主要来源于荒漠，而增加的盐渍地面积中有85.17% 都来源于荒漠；1997—2006 年新增耕地面积中有37.48% 来源于荒漠，有28.57% 来源于草地，而有64.65% 的新增草地面积来源于荒漠，新增城镇面积的主要来源还是荒漠，水域面积的增长主要来源于盐渍地；2006—2013 年间，大量减少的草地面积主要转化为耕地和部分林地，荒漠持续转化为城镇用地，而盐渍地的增长主要来源于水域的减少，并且部分草地也转化为了盐渍地；从1990—2013 年来看，荒漠始终是新增耕地和新增城镇用地面积的最主要来源，其比例均超过了50%，盐渍地的增加除了部分来源于荒漠外，水域面积的减少也是重要因素，草地退化较为严重，有60.42% 的草地都变为荒漠，整体上艾比湖绿洲的天然植被呈现不断减少的趋势，而耕地、城镇用地这些人工绿洲呈逐渐增加的趋势。1990—2013 年间的土地利用/覆被变化与气候变化和人类活动关系密切。强烈的蒸发和较少的降雨造成艾比湖绿洲的荒漠景观占主导地位，林地和草地的波动下降可能与该区域太阳辐射量下降［24］以及人工绿洲的扩张有关，而水域和盐渍地的面积变化与遥感影像当年的气候状况有关，具有一定的不确定性；随着当地经济社会的快速发展，耕地和城镇建设用地的大幅度增加则为人类活动导致。

图5 艾比湖绿洲地类的面积变化Fig.5 Change of land use/cover area in the Ebinur Lake oasis

表3 1990—2013年艾比湖绿洲土地利用/覆被转移矩阵（单位：km2）Table 3 Transition matrix of land use/cover in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013（unit：km2）

3.3 艾比湖绿洲景观格局变化

由表4 各时期景观格局指数可以看出，斑块类型级别上，草地拥有最多的斑块数量NP 和最大的斑块密度PD，水域的斑块数量最少，说明草地的破碎度最高，水域由于位置相对固定，破碎度最低；斑块密度PD 与林地、草地和荒漠的面积的变化趋势相反，而与其他地类的面积变化较为一致；荒漠的最大斑块指数LPI 最高，说明艾比湖绿洲尽管人工绿洲不断扩大，但整体上荒漠还是占据整个景观类型的主导地位，LPI 与各土地利用/覆被类型的面积的变化趋势均较一致；草地具有最高的景观形状指数LSI，说明草地的形状构成最为复杂，而形状相对固定的水域的LSI 最低；由于艾比湖绿洲处于干旱区，许多植被受制于水的分布而彼此邻近，因此各土地利用/覆被类型的散布与并列指数IJI 普遍较高，而盐渍地多围绕湖泊与耕地分布，因此其IJI 值相对较低；城镇的面积相对集中，因此具有最高的聚集度指数AI，而较为分散的草地AI值最低。

表4 1990—2013年艾比湖绿洲斑块类型级别的景观格局指数Table 4 Landscape pattern indices at patch types level in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013

由表5可知，景观级别上，各景观格局指数均为波动增加趋势。其中斑块数量NP 从1990 年的182 671 个增加到2013 的214 072 个，景观破碎度增大；斑块密度PD 在1990 年最低，仅为3.87 个·km-2，而在之后的三个时期均大于4 个·km-2；香农多样性指数SHDI 在1997 年最低，说明这一时期土地利用较为单一，破碎化程度较低，其不确定性的信息含量较小，而SHDI在2006年出现最大值，说明这一时期土地利用复杂，不确定性高；蔓延度指数CONTAG的最大值出现在1997年，说明这一时期斑块类型形成了较好的连接性，破碎度较低；各时期中景观连通性指数COHESION 均较高，艾比湖绿洲整体上的景观连通较好。

表5 1990—2013年艾比湖绿洲景观级别的景观格局指数Table 5 Landscape pattern indices at landscape level in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013

3.4 实际蒸散量与景观格局指数的相关性

为分析艾比湖绿洲1990—2013 年不同地类景观格局指数与实际蒸散量的关系，将不同地类的景观格局指数与当年实际蒸散量进行相关性分析，结果如表6 所示。在各地类中，水域的各景观格局指数与实际蒸散量的相关性普遍较高，而林地的各景观格局指数与实际蒸散量的相关性普遍较低，其他地类的各景观格局指数与实际蒸散量的相关性差别不大。在各地类的景观格局指数与实际蒸散量的相关系数中，仅有水域的NP 和PD 与实际蒸散量呈现显著负相关，相关系数达到-0.981（P＜0.05），说明大面积的水域对于当地涵养水分、抑制蒸散具有十分重要的作用。景观级别上，各景观格局指数与实际蒸散量的相关系数如表7 所示。选取的8 个景观格局指数中，实际蒸散量与LPI、CONTAG 和COHESION 呈负相关，与其他指数呈正相关；AI 与实际蒸散量的相关性最高，达到0.953（P＜0.05），表明区域景观格局越集中，实际蒸散量会越高；NP 和PD 的相关性最低，仅为0.148。斑块数量NP、香农多样性指数SHDI、景观连通性指数CONTAG、散布与并列指数IJI 和聚集度指数AI 均表征了景观的破碎程度，但这些景观格局指数与实际蒸散量既有正相关也有负相关，说明景观格局的破碎程度虽与实际蒸散量普遍具有较好的相关性，但其对实际蒸散量的影响还具有较大的不确定性。所选的8个景观格局指数中，仅有AI与实际蒸散量的相关系数具有显著性，艾比湖绿洲土地利用/覆被集中程度的提高也在一定程度上增加了该区域的实际蒸散量。

表6 艾比湖绿洲各地类不同景观格局指数与实际蒸散量的相关系数Table 6 Correlation coefficients between different landscape pattern indices of different land use/cover and the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

4 讨论

因为较难通过仪器测定足够数量的、可靠的实际蒸散量数据，目前多采用模型计算方式获取实际蒸散量值［25］。较为常用的实际蒸散量计算方法包括AA 模型、GG 模型、CRAE 模型［26］和傅抱璞公式［27］等，本研究使用Budyko曲线进行实际蒸散量计算，其在较大的时空尺度下估测长时间序列的蒸发指数，精度较高，误差较少［19］。但相较于SEBAL 等基于遥感的蒸散发模型，该方法只能反映出一个区域整体的实际蒸散量，缺乏关于空间上的表达，无法对于不同土地利用/覆被下的蒸散量做出分析，在过去的研究中，已有学者发现不同土地利用/覆被状况下的蒸散发有较大差异［9，16］，因此在今后的研究中可使用基于遥感的蒸散发模型对于艾比湖绿洲不同土地利用/覆被下的实际蒸散量变化做更为深入的分析。

在全球变暖的背景下，全球实际蒸散量理论上应该表现为增加趋势，然而全球许多地点观测到的实际蒸散量却为稳定的下降趋势［28］，关于出现的“蒸发悖论”，有学者指出这可能是由于全球太阳辐射与风速的下降和潜在蒸散量与实际蒸散量的互补关系导致的［29］。本文中实际蒸散量为增加趋势，没有出现“蒸发悖论”，一方面可能是由于艾比湖绿洲地处西北干旱区，荒漠占主导地位，虽然西北地区的风速有较为明显的下降［30］，但蒸发强烈，气候干燥，实际蒸散发与潜在蒸散发难以形成有效互补，随着全球气候的变暖，干旱区的蒸发会更强烈［31］。董煜［19］对1960—2013 年各气候因子对实际蒸散量的相对贡献率进行分析，发现降水量的相对贡献率到达50% 以上，其次是风速。艾比湖绿洲显著增加的降雨量是该区域实际蒸散量呈增加趋势的一个重要原因。另一方面，人类活动也在一定程度上影响了下垫面的蒸散量变化。有大量研究表明在过去几十年间艾比湖绿洲的土地利用/覆被发生了显著的变化［32-33］，气候变化和人类活动都是土地利用/覆被变化的驱动因素，其中人类活动是土地利用/覆被变化最主要的驱动力［33］，耕地扩张、城镇建设等活动显著地改变了艾比湖绿洲的下垫面，不同的下垫面类型也改变着区域的生态水文过程［16］。阿布都沙拉木等［34］发现在干旱-半干旱区，植被覆盖度较高的区域实际蒸散量也较高，不断增大的植被面积会增加艾比湖绿洲的实际蒸散量，这可能也是其表现为上升趋势的原因。

对于多数景观格局指数与实际蒸散量的相关系数没有表现出足够高的可信度，这可能存在两方面的原因：第一，景观格局指数虽然是描述区域景观格局变化的有效方式，但其可能从机理上较难解释一些自然过程和人为活动过程的变化。王泉泉等［35］、杨帆等［36］、金佳莉等［37］分别使用景观格局指数对人类经济活动、土壤理化因子和地表温度进行相关性分析，结果表明其二者的相关性普遍较低，有很多相关系数仅为0.01～0.03 之间，而部分P值超过了0.7，因此景观格局指数对于一些现象并不能很好地解释。第二，本研究进行相关分析的样本数太少。由于考虑到遥感影像的质量和可获得性，只选取了四期遥感影像，导致用于相关性分析的景观格局指数过少，使很多相关系数无法表现出显著性。下一步的研究将考虑使用MODIS 等高时间分辨率土地利用/覆被产品与实际蒸散量进行分析，深入探讨二者的关系。

5 结论

本研究对艾比湖绿洲1960—2013 年的实际蒸散量变化特征进行分析，并结合四期土地利用/覆被数据从景观格局的角度分析了实际蒸散量对景观格局的响应，得出以下结论：

（1）艾比湖绿洲年际实际蒸散量平均值为162.97 mm，呈上升趋势；夏季的平均实际蒸散量最高，为22.75 mm，秋季最低为10.44 mm；年际实际蒸散量在1987年发生突变性增加，夏季和秋季的突变点分别为1992年和1975年。

（2）四期土地利用/覆被图中荒漠占主导地位，耕地和城镇用地增长较为明显，分别增长了409.69%和704.56%，林地、草地和水域的面积均为波动下降的趋势，盐渍地面积则为波动增加的趋势。

（3）斑块类型级别上，不同地类的景观格局指数差异明显，水域的斑块数量最少，荒漠的LPI值最高，草地和城镇具有最高的LSI 和AI；景观级别上，各景观格局指数均为波动增加趋势。

（4）斑块类型级别上，仅有水域的NP 和PD 与实际蒸散量呈显著负相关；景观级别上，实际蒸散量 与LPI、CONTAG 和COHESION 呈负相关，与NP、PD 等指数呈正相关，实际蒸散量与AI 的相关性最高，达到0.953（P＜0.05），而与NP和PD的相关性最低，仅为0.148。仅有AI 与实际蒸散量的相关系数具有显著性。