姚 佳， 陈启慧， 李琼芳,2， 崔 罡， 张良憬

（1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098；3.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

实际蒸散发（Evapotranspiration，ET）包括土壤蒸散发、植物截留水分蒸发和植被蒸腾，是陆地水文循环和能量循环的重要环节。位于干旱半干旱地区的伊犁河—巴尔喀什湖流域（简称“伊巴流域”）是我国与哈萨克斯坦之间的重要跨界流域，流域面积大且流域内地貌气候特征差异悬殊。随着近年来巴尔喀什湖（简称“巴湖”）水位波动［1-3］，伊犁河的三角洲生态环境变化［4-5］，水资源分配问题变得极为敏感。在全球气候变化和人类活动加剧的情况下，蒸散发作为干旱半干旱地区水量平衡中最大的支出项，其时空演变及驱动因素对伊巴流域的水资源分配与管理意义重大。

已有许多学者针对干旱半干旱区蒸散发时空变化及驱动因素开展研究。李修仓［6］通过研究3个不同气候区的典型流域发现，1961—2010 年，塔里木河流域的实际蒸散发呈增加趋势，而珠江和海河流域的蒸散发呈下降趋势，且同等降水增幅条件下，塔里木河流域的降水对蒸散发贡献更大；刘洋等［7］利用相关性分析得出，中国西北干旱区1960—2019 年的实际蒸散发呈现增加趋势，且主要受气温、相对湿度和风速的影响；Xia 等［8］通过对东亚草原生态系统的研究得出，内蒙古锡林郭勒地区的蒸散发和降水相关性很高；Zhang 等［9］研究发现，内蒙古中部和西部地区的蒸散发变化主要受相对湿度驱动；闫俊杰等［10］研究2001—2015年伊犁河谷草地蒸散发变化发现，多年平均ET 为395.74 mm；植被覆盖度、降水及气温的降低均为草地ET降低的驱动因素；邓兴耀等［11］研究2000—2014年天山地区蒸散发发现，天山山区ET值的减小趋势是由区域降水量减少所致；梁红闪等［12］研究2000—2014年伊巴流域的蒸散量发现，流域实际蒸散发分布不均，境内部分多年平均年ET 为401.18 mm，远高于境外的194.45 mm，供水不足是制约流域植被蒸散最主要的因素。

干旱半干旱区不同流域的蒸散发变化受不同因素驱动，且前人在伊巴流域的蒸散发研究方面已取得相关研究成果，但由于数据源的不同、时间空间尺度的不同，尚未系统揭示伊巴流域的蒸散发演变特征及影响因子变化特征。因此，本文依据巴湖的主要水量来源——伊犁河来划分伊巴流域的上、中、下游，基于长序列的遥感资料，揭示环境变化下伊巴流域实际蒸散发的演变规律，并利用相关性分析剖析多重环境因子对其产生的影响，结果可为伊巴流域的水资源规划管理及中哈跨界水资源合理分配提供参考。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

伊巴流域地理位置见图1。巴湖位于哈萨克斯坦的内陆湖，伊犁河的径流是其水量最重要的补给来源，占总入湖水量的78.4%［13］。伊犁河上游的天山地区是产流区，下游哈萨克斯坦境内则是径流的消散区。以伊犁河三道河子水文站和哈萨克斯坦的伊犁村（即现在的卡普恰盖镇水文站）为分界点，将伊犁河—巴尔喀什湖流域分为上、中、下游三部分，其中下游还包括除伊犁河外的卡拉塔尔河、阿克苏河、列普瑟河、阿亚古兹河的集水面积［1］。

图1 伊巴流域地理位置Fig.1 Location of the Ili River-Balkhash Lake Basin

流域高程、土地利用、植被归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、降雨的空间分布见图2。由图2 可见，流域高程落差极大，且降雨量从山区向平原减少现象极为明显，高山区多年平均降水量大于1000 mm，低山区年降水量为300～400 mm，巴湖沿岸年降水量仅为150 mm 左右［14］。NDVI 的高值区主要位于流域上游、中游高海拔地区及中下游交界处，而巴尔喀什湖周边除伊犁河三角洲外植被覆盖度极低，土地利用的空间分布也印证了NDVI的分布特征。

图2 伊巴流域基础信息空间分布Fig.2 Spatial distribution of basic information in the Ili River-Balkhash Lake Basin

1.2 数据来源

1.2.1 ET、NDVI 数据 首先，采用美国航空航天局（NASA）提供的APPEEARS 工具（https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/）下载编号为MOD16A2GF（时空分辨率为8 d、500 m）的蒸散发数据和编号为MOD13C2（时空分辨率为月、0.05°）的NDVI 数据；然后，经过去除无效值、重采样、研究区域提取和数据合并等预处理后，得到栅格大小为0.1°的月平均数据；最后通过Arcmap软件将各月的蒸散发数据进行逐像元计算，分别得到年与季节尺度的ET。

1.2.2 降雨、气温、相对湿度、风速数据 由NASA提供的饥荒预警系统网络土地数据同化系统（The Famine Early Warning Systems Network Land Data Assimilation System，FLDAS）数据集，提取研究区2000—2020年空间分辨率为0.1°的月降水、气温、相对湿度、风速数据。

学校布局的调整和城市化的加速推进，导致了农村学校教育资源的闲置和城市学校教育资源的不足。城乡教育资源仍然存在“数量相同，质量不同”的矛盾。从数据指标来看，农村学校校舍等硬件指标甚至超过了城市指标，但实际上许多农村学校的校舍建设质量远远低于城市学校。因此，在农村学校的硬件建设上必须加强。消除危险房屋后，重建土壤游乐场，增加设备，城市学校开始实施多媒体教学，并为学生教室安装空调，电视机等设备。城乡教育资源配置步调不一，农村教育资源的配置滞后于城市，农村教育经费的投入仍然很低。

1.2.3 土壤湿度数据 NASA 发布的全球陆地数据同化系统（The Global Land Data Assimilation System，GLDAS）提供土层厚度分别为0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm 和100～200 cm 的土壤湿度数据，为了反映影响ET的供水条件，同时考虑植被根系的生长深度，故从GLDAS 中提取空间分辨率为0.25°的月尺度土壤湿度（10～40 cm）数据，经过Arcmap软件重采样得到空间分辨率为0.1°的月土壤湿度数据。

1.2.4 土地利用数据 土地覆被数据选用欧洲航天局（European Space Agency，ESA）气候变化倡议（Climate Change Initiative，CCI）与哥白尼气候变化服务（Copernicus Climate Change Service，C3S）提供的全球300 m 分辨率土地利用产品（CCI-LC 与C3S-LC）。按照李元春等［15］的土地覆被分类方法，将土地覆被重分类为草地、林地、裸地、水体、永久冰雪、人类占用地共6类，其中人类占用地包括耕地与城区。

1.3 研究方法

根据夏自强等［14］在该流域的研究，将四季划分为：春（4—5 月）、夏（6—8 月）、秋（9—10 月）、冬（11月—次年3月）。首先，利用伊巴流域不同时间尺度的ET数据，计算面平均值得到上、中、下游及全流域的ET值；然后借助Mann-Kendall（M-K）法［16-17］，分别计算逐栅格上、中、下游及全流域的蒸散发的Z值；基于Theil-Sen median 趋势分析［18］计算上、中、下游月尺度ET 与年尺度环境要素的年际变化率。最后计算每个栅格2010—2020 年相对2000—2010 年多年平均年ET 的变化率，分析不同年代间ET 的空间变化。

根据流域2000 年和2020 年的土地利用数据，依据土地利用转移矩阵原理［19］制作流域土地利用变化图，分析土地覆被变化对流域ET的影响。为了确定控制不同区域ET 的主要环境因素，基于Pearson相关系数法［20］进行月ET与NDVI、气温、风速、相对湿度、土壤湿度5 个环境影响因素之间的相关性分析。Pearson相关系数r可以衡量两变量间线性相关性，|r|∈［0,1］，|r|≥0.8时为高度相关，0.5≤|r|＜0.8为中度相关，0.3≤|r|＜0.5 为低度相关，|r|＜0.3 为不相关。根据年尺度水量平衡［21-22］，研究伊巴流域生态系统水资源供给量的变化。

2 结果与分析

2.1 流域蒸散发时空变化规律分析

2.1.1 年尺度

（1）多年平均ET的空间分布

流域多年平均ET具有明显的空间分布特征（图3），东南高、西北低，最大值可达1028.6 mm，而最小值仅为117.6 mm。ET高值区主要位于卡拉塔尔河、阿克苏河上游、阿拉木图南部、喀什河和巩乃斯河流域等植被覆盖度较高的区域，其土地利用类型多为林地或耕地；ET低值区主要分布在巴湖周边平原地区及伊犁河中游低海拔地区。

图3 2000—2020多年平均年ET的空间分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of multi-year average evapotranspiration from 2000 to 2020

全流域多年平均年ET 为249.7 mm，而上、中、下游多年平均年ET 则分别为439.0 mm、317.9 mm、201.1 mm，比例近似于4：3：2，上、中、下游多年平均年ET存在显著差异。

从图4来看，伊巴流域大部分区域年ET呈增加趋势，其中在上游伊犁河谷及天山山脉的大部分地区通过99%的显著性检验；在伊犁河谷的周边区域，年蒸散发量呈下降趋势，但不显著；上游蒸散发的变化趋势与王倩等［23］提出的上游植被生长季NDVI 的空间变化特征具有一致性。在伊犁河中游地区，绝大部分面积的年ET 变化趋势不显著；在伊犁河下游的三角洲周边地区及巴湖的东北部，年ET呈增加趋势，且通过了95%的显著性检验。

图4 2000—2020年蒸散发的M-K趋势检验Z值的空间分布Fig.4 Spatial distribution of M-K trend test Z-values for evapotranspiration from 2000 to 2020

（3）上、中、下游年ET的变化趋势

伊巴流域上、中、下游和全流域年ET 的年际变化（图5）规律相似，均呈增加趋势，其在2000—2020年间的平均增幅分别为18.32 mm·（10a）-1，8.07 mm·（10a）-1，10.35 mm·（10a）-1和12.22 mm·（10a）-1。上、下游和全流域年ET 的M-K 趋势检验Z值分别为1.74、1.96和1.96，分别通过了90%、95%和95%的显著性检验，中游蒸散发量增加趋势不显著。

图5 流域上、中、下游年蒸散发总量年际变化Fig.5 Interannual variation of total evapotranspiration in the upper,middle and lower basin

2.1.2 季节尺度

（1）季节尺度ET的空间分布

由图6可知，全流域春、夏、秋、冬四季的多年平均日蒸散发量分别为：0.91 mm、0.92 mm、0.60 mm和0.72 mm，而上游四季的分别为：1.36 mm、2.47 mm、0.98 mm 和0.89 mm，中游的分别为：1.12 mm、1.37 mm、0.68 mm 和0.85 mm，下游的分别为：0.79 mm、0.54 mm、0.51 mm 和0.67 mm。就全流域而言，春、夏两季的多年平均日蒸散发量几乎相同，秋、冬两季的则小一些。上、中游均是夏季的多年平均日蒸散发量最大，而下游则是春季的多年平均日蒸散发量最大。从高程和NDVI 的空间分布（图2a，图2c）来看，四季ET 高值区均主要分布在海拔较高且植被覆盖度较高的地区，但在夏、秋两季，伊犁河谷地区也呈现较高的日均蒸散发量，这是由于伊犁河谷地区的土地利用类型主要为耕地，且当地在3 月下旬至4 月上旬才进入播种阶段［24-25］，故春季伊犁河谷的日均蒸散发量较低，而伊犁河谷外天然植被覆盖度较高的区域，则在春季呈现出较高的日均蒸散发量。

图6 2000—2020年四季蒸散发空间分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of seasonal evapotranspiration from 2000 to 2020

（2）季节尺度蒸散发变化趋势空间分布

2000—2020 年四季蒸散发M-K 趋势检验Z值的空间分布见图7。上游伊犁河谷地区蒸散发在夏、秋两季呈增加趋势，天山山脉地区蒸散发在春、夏、秋三季呈增加趋势，且两区域的大部分面积通过了99%的显著性检验；中游大部分地区蒸散发在四季中均呈增加趋势，但不显著；下游巴湖周边区域的蒸散发在春、夏、秋季呈增加趋势，且大部分面积通过了95%的显著性检验。冬季流域上中游、中下游交界处的大片区域蒸散发呈不显著上升趋势，而巴湖北部局部地区的蒸散发呈下降趋势，且通过了95%的显著性检验。

图7 2000—2020年蒸散发的四季M-K趋势检验Z值空间分布Fig.7 Spatial distribution of the M-K trend test Z-values for the seasonal evapotranspiration from 2000 to 2020

2.1.3 月尺度 由图8 可知，上、中、下游ET 的年内分配呈现不同变化特征，上、中游ET 的年内分配为单峰，其中上游在7 月达到峰值81.1 mm，中游在6月达到峰值43.5 mm。上游ET 的峰值相较于中游有偏高偏晚的分布特征，与上、中游作物种植结构和种类不同有关［26］。下游ET的年内分配为双峰，在3月达到峰值后开始下降至9月，而后又开始上升至11月，达到另1个峰值后再次下降，其中3月和11月的峰值分别为29.9 mm和24.4 mm。

图8 2000—2020年多年平均蒸散发的年内分配Fig.8 Intra-annual distribution of multi-year average evapotranspiration from 2000 to 2020

流域不同月份蒸散发的年际变化率见表1。流域上、下游的年ET 呈上升趋势，主要是由于春、夏、秋（4—10月）季ET的年际变化率大于0，其中上游9月及下游4 月和9 月的ET 变化率分别通过95%和99%的显著性检验。与其他3个季节相比，冬季（11月—次年3 月）多数月份ET 的年际变化率小于0 且值较小，故对年ET的变化趋势影响不大。

表1 2000—2020 年月蒸散发的年际变化率Tab.1 Interannual trends in monthly evapotranspiration from 2000 to 2020 /(mm·a-1)

2.1.4 ET 年代际空间变化规律 由图9 可知，在上游伊犁河谷地区和下游三角洲地区ET出现了显著增加，增幅超过了10%。三角洲周边区域ET增幅超过5%，这一变化趋势与图4的M-K的空间分布一致。在中下游交界处、卡普恰盖水库南部以及上游远离伊犁河谷的局部区域，年平均ET则出现了明显的下降，降幅超过5%。其中卡普恰盖水库南部ET下降幅度超过了5%，其原因可能是2005年后水库周边由ET值较大的耕地持续向ET值较小的天然植被转化［12,27］。

图9 2010—2020年相对2000—2010年多年平均年ET变化率Fig.9 2010-2020 relative to 2000-2010 multi-year average annual ET rate of change

2.2 流域蒸散发影响因子变化特征

由图10可知，巴湖的北部和伊犁三角洲周边有大片的裸地变为草地，而在三角洲的内部则存在森林退化为草地。在上游较为明显的土地利用转换为草地变为林地，主要分布在天山山脉处，一定程度上解释了该地区蒸散发的上升，此外，草地变为人类占用地也是较为明显，这一点与刘婉如［28］和王宏伟等［29］的研究成果一致。

图10 土地利用转移空间分布Fig.10 Spatial distribution of land use transfer

由表2 可知，全流域的风速在21 a 内变化趋势不明显，而降水量与气温在21 a 里呈下降趋势，其中，中游降水降幅为5.77 mm·a-1，且通过95%的显著性检验。全流域的相对湿度、土壤湿度和NDVI均呈增加趋势，其中下游相对湿度与上、下游的NDVI 增幅均通过95%的显著性检验，且NDVI 的变化趋势与段伟利等［2］研究中得出的2000 年后流域内荒地面积减少的趋势一致。降水和土壤湿度相反的变化趋势反映出可能是人类的引水灌溉活动造成土壤湿度的增大，这有助于干旱区植被的生长，且在一定程度上也促进了流域ET的增大。从图8、图11 可以看出，上、中游ET 的年内分配与气温和NDVI 的年内分配相似，下游ET 的年内分配则与土壤湿度和相对湿度的年内分配相似，且上、中游多山区，植被覆盖度较高，下游多平原且植被覆盖度较低，迥异的气候条件和地形地貌可能使上、中、下游的ET受不同因素影响。

图11 2000—2020年多年平均环境影响因素的年内分配Fig.11 Intra-year distribution of multi-year average environmental impact factors from 2000 to 2020

表2 2000—2020 年间环境因子的年际变化率Tab.2 Interannual trends of environmental factors from 2000 to 2020

2.3 不同区域ET的影响因素

MOD16的ET产品是基于Penman-Monteith（PM）公式［30］计算，运用PM 公式需要气象、植被、土壤水分等条件［29-30］。学者们研究了基于PM 公式的实际蒸散发的影响因素，发现不同地区ET的主要影响因素不同［31-32］。为明确影响本流域内ET 变化的主要因素，本文基于Pearson 相关系数法，计算月ET 与5个环境影响要素的相关系数，得到相关系数的空间分布（表3、图12）。在流域的上、中游，NDVI和气温与ET达到中等程度正相关，并通过了99%的显著性检验，表明上、中游的ET 可能主要受这2 个因素影响，且会随着这2 个因素的增大而增大。具体到特定区域来看，伊犁河谷地区蒸散发与气温呈显著的正相关，而天山山脉地区ET 则同时与NDVI 和气温均呈正相关（图12a，图12b）。在下游ET 的影响因素中，仅有土壤湿度与ET 达到低度正相关，故推测下游ET主要受土壤湿度控制，即一方面土壤水分增加改善植被生长条件促进植被蒸腾，另一方面也会促进土壤自身蒸发；根据PM公式，在其他条件不变的情况下，当土壤水分在凋萎系数和饱和含水量之间增加时，蒸散发所受的胁迫作用将减轻，土壤水分胁迫系数增大进而促使ET 增大［33］。具体到特定区域来看，下游巴湖北岸和南岸的土壤湿度与ET的相关性分别达到了低度和中度相关，而在伊犁河三角洲的湿地沼泽区和阿克苏河与卡拉塔尔河上游的林地、耕地区域（图2b），土壤湿度与ET呈负相关或不相关关系，类似的现象也体现在相对湿度与ET的相关系数空间分布上。出现这种现象的原因可能是由于该区域较大的降雨量［34］或人为灌溉活动使得蒸散发所需的供水条件得到保障，供水条件（土壤湿度）不再是决定这些地区蒸散发的关键要素，而植被覆盖度和气温才是影响ET大小的主要因素。风速与ET 的相关系数在大部分区域未通过95%的显著性检验，仅在局部地区与蒸散发呈现显著的相关关系（图12c），说明在多数地区，风速并不是ET的主要影响因素。

表3 流域上、中、下游蒸散发量与环境因子的相关性Tab.3 Correlation between evapotranspiration and environmental factors in the upper,middle and lower basin

3 讨论

梁红闪等［12］研究了伊巴流域2000—2014 年ET的变化特征，认为流域总体呈下降趋势，且未来以持续性减少为主。而根据本文研究结果，全流域年ET的年际变化呈增加趋势，2000—2020年间的平均增幅为12.22 mm·(10a)-1。图5说明了2014年后，流域上、中、下游年蒸散发量上升趋势明显，经计算上、中、下游2015—2020 年年均值分别为466.59 mm、334.26 mm、217.38 mm，均显著大于2000—2014 年年平均值（427.91 mm、311.36 mm、194.58 mm）。ET 的持续升高会直接影响到伊巴流域生态系统的水资源供给服务能力，故基于水量平衡原理，可以计算出流域生态系统水资源供给服务量在ET 显著增加背景下的变化趋势（图13）。2000 年来，流域的年降水量呈下降趋势（表2），而流域的年ET 呈增加趋势（图4），这导致流域的生态系统水资源供给服务总量出现下降的趋势，其中中游的下降趋势最明显。此外，流域上游的生态系统水资源供给服务总量在一些年份已经出现了负值，到2020年这一缺口甚至达到了100 mm，而中、下游的生态系统水资源供给服务总量也在2020 年出现了负值。近年来上游伊犁河谷地区的土地利用类型部分草地向耕地转变［28-29］，在一定程度上加剧了水资源的消耗。中游地区随着卡普恰盖水库的建立，周边区域的草地等几乎全部逐渐转变为农业用地，加剧了中游地区水资源的消耗，同时对维持巴湖水位也会造成不利影响［2］；1991 年后，中、下游的许多耕地面积处于撂荒状态，后经过一系列土地改革措施［35-37］，耕地面积开始大大增加，与此同时，下游巴湖附近的许多裸地也开始向草地转变，土地覆被的变化也驱动了蒸散发量的增大。

图13 2000—2020年生态系统的水资源供给服务量的年际变化Fig.13 Interannual variation in water supply services of ecosystems from 2000 to 2020

4 结论

为了研究伊巴流域ET 的演变规律及其环境影响因素，利用MOD16产品结合NDVI、气象数据和土壤湿度等数据得到以下结论：

（1）伊巴流域2000—2020 年年ET 在空间上呈现自上游向下游逐渐减少的分布，上、中、下游多年平均年ET分别为439.0 mm、317.9 mm、201.1 mm，比例近似4:3:2。其中上、中游在夏季的日蒸散发量最大，而下游在春季最大。流域上中游蒸散发量的年内分配均为“单峰型”，峰值分别在7月与6月，下游为“双峰型”，峰值分别在3月与11月。

（2）下游的年ET均呈显著上升趋势，显著区域主要分布在上游的伊犁河谷、天山山脉与下游的伊犁河三角洲附近；相对2000—2010 年，2010—2020年伊犁河谷和伊犁河三角洲地区多年平均年ET 增加超过10%。

（3）中游蒸散发与气温和NDVI 呈较高的正相关性；流域下游蒸散发与土壤湿度呈低度正相关。

（4）受到实际蒸散发的显著增加和降雨量减少的影响，流域生态系统水资源供给服务总量在2000—2020 年有所下降，其中上游已多次出现缺口，中、下游在2020年开始出现缺口，急需通过控制用水总量、提升用水效率保障水资源供需平衡。