冰川冻土, 2021, 43(6): 1829-1839 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1189

冰冻圈生态学

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,1,2,3, 丁建丽,1,2,3, 张钧泳1,2,3, 董煜4

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

Variation characteristics of actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis and its relationship with landscape pattern

ZHANG Anhe,1,2,3, DING Jianli,1,2,3, ZHANG Junyong1,2,3, DONG Yu4

1.Key Laboratory of Smart City and Environment Modelling of Higher Education Institute,Xinjiang University,Urumqi 830046,China

2.College of Resources and Environmental Sciences,Xinjiang University,Urumqi 830046,China

3.Key Laboratory of Oasis Ecology,Ministry of Education,Xinjiang University,Urumqi 830046,China

4.College of Geographical Sciences and Tourism,Xinjiang Normal University,Urumqi 830054,China

通讯作者: 丁建丽,教授,主要从事干旱区水盐变化遥感研究. E-mail: watarid@xju.edu.cn

编委: 武俊杰

收稿日期: 2018-11-07   修回日期: 2018-12-30  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41961059.  41771470
新疆教育厅自然科学重点项目.  XJEDUI2018I008

Received: 2018-11-07   Revised: 2018-12-30  

作者简介 About authors

张桉赫,助理工程师,主要从事干旱区资源环境及遥感应用研究.E-mail:626394366@qq.com , E-mail:626394366@qq.com

摘要

基于Budyko曲线方程计算新疆艾比湖绿洲1960—2013年实际蒸散量的年际和季节变化特征,选取研究区四期遥感影像进行土地利用/覆被分类,使用Fragstas 4.2软件计算景观格局指数,并分析实际蒸散量与景观格局指数之间的关系。结果表明:艾比湖绿洲实际蒸散量多年平均值为162.97 mm,并呈上升趋势,变化速率为7.76 mm·(10a)-1;夏季和秋季的实际蒸散量为上升趋势,春季则呈下降趋势;年实际蒸散量在1987年发生突变性增加,夏季和秋季实际蒸散量的突变年份分别为1992年和1975年,春季不存在突变点,这与降水量的突变状况一致,说明降水量的变化对实际蒸散量的变化有很大影响。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%。斑块类型级别上,不同地类的景观格局指数差异明显;景观级别上,各景观格局指数均为波动增加趋势。斑块类型级别上,仅有水域斑块数量NP和斑块密度PD与实际蒸散量呈显著负相关;景观级别上,实际蒸散量与最大斑块指数LPI、蔓延度指数CONTAG及景观连通性指数COHESION呈负相关,与斑块数量NP、斑块密度PD等指数呈正相关。实际蒸散量与聚集度指数AI的相关性最高,达到0.953(P<0.05);与NP和PD的相关性最低,仅为0.148。因此,AI指数在艾比湖绿洲可以较好地表征实际蒸散量的变化。

关键词: 绿洲 ; 艾比湖 ; 实际蒸散量 ; 景观格局

Abstract

Based on the Budyko curve equation, we calculated interannual and seasonal variation characteristics of actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis from 1960 to 2013. The four remote sensing images of the study area were selected for land use/cover classification, and the landscape pattern index was calculated with Fragstats 4.2. The relationship between actual evapotranspiration and landscape pattern index shows that: The average actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis is 162.97 mm, which was an upward trend with a tendency rate of 7.76 mm·(10a)-1; the actual evapotranspiration in summer and autumn was an upward trend, while the spring was a downward trend; the mutation in abrupt increase of annual actual evapotranspiration occurred in 1987. As to the seasonal mutation, the abrupt increase of summer and autumn occurred in 1992 and 1975, respectively. However, the actual evapotranspiration in spring did not exhibit mutation. The four periods of land use/cover map show that desert was dominated in the Ebinur Lake oasis, which was more than 50% in area, while cultivated land and urban land had a significant increase, which reached to 409.69% and 704.56%, respectively. Landscape pattern indices showed a significant difference at patch types level, and all landscape pattern indices showed a fluctuate increase at landscape level. At patch types level, the significant correlations were only observed among the actual evapotranspiration with water NP and PD, the correlation coefficient were both -0.981 (P<0.05); at landscape level, a negative relationship was observed among the actual evapotranspiration with LPI, CONTAG and COHESION, while a reverse one was among the NP, PD, IJI, SHDI and AI. The largest correlation coefficient was 0.953 (P<0.05) between the actual evapotranspiration and AI, while the two lowest correlation coefficient both were 0.148 occurred at NP and PD. This indicated that the AI index can better characterize the variation of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis.

Keywords: oasis ; Ebinur Lake ; actual evapotranspiration ; landscape pattern

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本文引用格式

张桉赫, 丁建丽, 张钧泳, 董煜. 艾比湖绿洲实际蒸散量变化特征及与景观格局的关系[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1829-1839 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1189

ZHANG Anhe, DING Jianli, ZHANG Junyong, DONG Yu. Variation characteristics of actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis and its relationship with landscape pattern[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(6): 1829-1839 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2018.1189

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

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

Budyko18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=fE0/P)=fω),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/PE0用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式进行计算19。Budyko18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+sinδ)]12。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

E=PE0PtanPE01-exp- E0P

(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1422-23,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

景观格局指数公式描述
斑块数量NPNP=nNP在斑块类型级别上等于景观中某一斑块类型的斑块总个数,在景观级别上等于景观中所有的斑块总数
斑块密度PDPD=NijANij为斑块数目,A为斑块面积之和。PD值越大则破碎化程度越高
最大斑块指数LPILPI=maxa1·anA×100%max(a1·an)为景观中最大斑块面积,A为景观总面积
蔓延度指数CONTAGCONTAG=1+i=1m j=1nPijln Pij2ln m×100%m为斑块类型总数,Pij为随相邻的栅格数据属于类型ij的概率
散布与并列指数IJIIJI=-k=1meikk=1meikln eikk=1meikln m-1×100%eik为与类型为k的斑块相邻的斑块的边长,m为景观中存在的斑块类型数
景观连通性指数 COHESIONCOHESION=1-i=1npi=1npa1-1Ap为斑块i在该类型中的周长,a为斑块i在该类型中的面积,A为斑块的总面积
香农多样性指数SHDISHDI=-i=1nPiln PiPi为第i类景观斑块数量占总景观斑块数量的百分比,n为景观的斑块数量
聚集度指数AIAI=GiimaxGii×100%Gii为景观类型的相似邻接斑块数量
景观形状指数LSILSI=0.25EAE为景观中所有斑块边界的总长度,A为斑块总面积

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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

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 (mm)

Table 2  Interannual and seasonal variation of the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

年代/年份全年春季夏季秋季
平均距平平均距平平均距平平均距平
20世纪60年代143.19-19.7816.890.4820.95-1.817.01-3.42
20世纪70年代149.93-13.0415.67-0.7320.95-1.809.92-0.52
20世纪80年代167.554.5816.21-0.1821.59-1.1612.882.45
20世纪90年代160.76-2.2116.560.1621.87-0.889.10-1.34
2000年以后184.7221.7516.590.1926.794.0412.462.02
1960—2013年162.9716.4022.7510.44

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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

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

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

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 ( km2)

Table 3  Transition matrix of land use/cover in the Ebinur Lake oasis during 1990—2013

年份土地利用/覆被类型耕地林地草地水域城镇荒漠盐渍地
1990—1997年耕地211.270.40255.440.300.03303.251.94
林地0.661 599.36213.190.170.01421.930.12
草地95.75300.05999.620.380.12501.694.30
水域0.200.181.76934.320.073.810.46
城镇0.260.011.190.153.382.750.03
荒漠127.551 408.254 007.5713.020.8812 938.7352.11
盐渍地0.290.7219.9284.460.12913.8053.67
1997—2006年耕地639.310.30540.580.120.04708.481.46
林地5.99703.75439.560.010.011 394.951.28
草地91.62481.73544.785.790.842 170.1562.77
水域0.380.781.45924.74018.00149.43
城镇0.700.020.790.656.517.090.15
荒漠32.881 048.67355.443.150.9814 107.12277.09
盐渍地1.770.1519.296.340.19142.32580.79
2006—2013年耕地1 553.058.04258.870.050.17389.1912.75
林地7.541 302.73927.390.330.02645.110.21
草地171.4465.56524.094.590.28557.6615.47
水域0.620.614.59891.200.024.342.72
城镇3.660.192.690.019.4220.550.57
荒漠153.381 165.001 583.873.065.7814 073.17160.15
盐渍地0.603.4255.43195.550.25135.33558.98
1990—2013年耕地299.280.59669.400.160.031 230.0122.64
林地7.731 633.251 070.180.090.01172.000.08
草地73.35345.83399.506.760.06508.245.33
水域0.261.674.72891.1806.210.04
城镇4.170.149.370.013.5819.710.10
荒漠51.051 323.693 321.929.200.6912 405.6732.19
盐渍地0.153.7823.59125.430.24744.1152.26

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3.3 艾比湖绿洲景观格局变化

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

地类年份NP/个PD/km2LPI/%LSIIJI/%AI/%
耕地1990年8 9290.190.02122.1718.1982.56
1997年9 7030.210.28125.9531.8786.49
2006年9 8300.211.12111.0631.7292.40
2013年9 2600.201.38105.7534.8393.33
林地1990年37 1030.791.06199.6638.4989.63
1997年40 4600.860.48228.6521.3485.54
2006年36 7110.781.65180.4932.5289.32
2013年42 8640.910.95235.4834.7786.89
草地1990年71 8601.521.70326.6345.0886.82
1997年83 7221.770.36351.2941.7075.88
2006年89 1501.890.45445.4654.2576.97
2013年114 6572.430.15433.3455.8264.52
水域1990年8680.021.196.4342.3399.49
1997年9590.021.006.4440.0399.47
2006年7920.011.327.2557.3899.43
2013年6830.010.975.1556.6499.59
城镇1990年1840.010.017.0350.3291.40
1997年90000.012.8235.2798.02
2006年1 5270.030.0221.2151.1684.68
2013年1 2290.030.0317.3936.3091.88
荒漠1990年61 1151.2928.19186.5040.6395.47
1997年48 3141.0237.68186.9860.8595.90
2006年47 5491.0130.27151.9943.9696.40
2013年36 8860.7834.57156.3260.2696.44
盐渍地1990年2 6080.060.0357.8427.4083.88
1997年30 3870.641.84120.2016.0789.07
2006年11 0560.230.4378.4936.6791.51
2013年8 4890.181.6457.0826.5794.53

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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

年份NP/个PD/km2LPI/%CONTAG/%IJI/%COHESIONSHDIAI/%
1990年182 6713.86728.18964.71541.15699.8991.30095.449
1997年213 5584.52137.67766.60947.25299.9471.23095.314
2006年196 6234.16230.26863.57547.18499.8861.35395.862
2013年214 0724.53234.57465.10351.40499.9291.30096.793

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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

地类景观格局指数相关系数地类景观格局指数相关系数
耕地NP-0.343城镇NP0.681
PD-0.344PD0.695
LPI0.763LPI0.795
LSI-0.912LSI0.709
IJI0.294IJI-0.060
AI0.639AI-0.415
林地NP0.433荒漠NP-0.588
PD0.433PD-0.586
LPI0.353LPI-0.174
LSI0.188LSI-0.710
IJI0.643IJI0.098
AI0.166AI0.575
草地NP0.792盐渍地NP-0.645
PD0.792PD-0.645
LPI-0.256LPI0.032
LSI0.636LSI-0.795
IJI0.865IJI0.460
AI-0.622AI0.606
水域NP-0.981*
PD-0.981*
LPI-0.149
LSI-0.646
IJI0.775
AI0.762

注:*表示通过了0.05显著性水平检验。

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表7   艾比湖绿洲景观格局指数与实际蒸散量的相关系数

Table 7  Correlation coefficients between different landscape pattern indices and the actual evapotranspiration in the Ebinur Lake oasis

景观格局指数NP/个PD/km2LPI/%CONTAG/%IJI/%COHESIONSHDIAI/%
相关系数0.1480.148-0.174-0.4290.524-0.1770.5170.953*

注:*表示通过了0.05显著性水平检验。

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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916,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。

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