中国西北干旱地区实际蒸散量的时空动态及其归因分析

《Agricultural Water Management》：Spatiotemporal dynamics of actual evapotranspiration and its attribution analysis in dryland regions of Northwest China

中国西北干旱区2001-2024年潜在蒸发散失量（ETa）时空格局及驱动机制研究。基于16个涡度协方差（EC）观测站数据优化Priestley-Taylor-JPL模型，揭示ETa年际均值为292.2毫米，以0.43毫米/年速率增加，呈现东高西低空间梯度。相对湿度（33.6%）、植被指数（NDVI，16.6%）及辐射（24.9%）是主要驱动因素，其中相对湿度主导干旱区ETa变异，NDVI在植被覆盖区起关键作用。土地利用变化（森林/草地扩张、农田扩张）显著影响ETa，生态恢复区ETa增幅达29.9%，而农业扩张导致水资源消耗增加。研究为干旱区水资源管理提供科学依据。

　　本研究通过优化Priestley-Taylor Jet Propulsion Laboratory (PT-JPL)模型，结合遥感数据和通量观测，对西北地区2001年至2024年实际蒸散发（ET_a）的时空变化及其控制机制进行了深入分析。该模型在数据稀缺的干旱区中展现出良好的适用性，其优化后的参数能够有效提升模型在不同生态系统类型下的预测精度。研究结果表明，西北地区的ET_a呈现出明显的东高西低的梯度特征，这与植被覆盖度和水分可用性密切相关。此外，标准化岭回归分析揭示了环境因素对ET_a变化的主导作用，其中相对湿度贡献最大，占比达33.6%；植被动态则贡献了16.6%，主要受农田扩张和造林活动影响。这些发现为干旱区蒸散发驱动因素的解析提供了坚实的基础，并强调了大气湿度和地表覆盖变化在塑造区域蒸散发模式中的关键作用。

研究首先介绍了蒸散发在陆地生态系统中连接能量、水分和碳循环的核心作用。在干旱区，如中国西北地区，水资源的可得性对生态系统功能具有决定性影响，因此理解ET_a的时空动态及其控制机制对于气候变化下的生态水文评估至关重要。然而，这些地区面临植被稀疏、土壤异质性和观测数据有限等挑战，使得准确的大尺度ET_a量化和归因分析变得困难。为解决这些问题，本研究采用了PT-JPL模型，并利用16个通量塔数据进行优化，实现了R²为0.74的模型可靠性，从而能够在数据稀缺的条件下提供可靠的区域ET_a估算。

PT-JPL模型在干旱区中的优势在于其参数化需求较少，并且能够与卫星数据兼容，这使其特别适用于复杂异质性的干旱区。研究中还采用了Differential Evolution Markov Chain (DE-MC)算法，该算法结合了差分进化算法的全局优化能力和MCMC方法的参数不确定性量化能力，有助于减少敏感参数的先验不确定性并提升模型的准确性。通过将16个通量塔站点分类为六种主要的植被类型，并分别优化PT-JPL模型参数，最终实现了根据不同植被覆盖分布进行空间应用。模型优化后，其在Nash-Sutcliffe效率（NSE）指标上表现出色，表明其在生态水文建模中的鲁棒性。

研究进一步探讨了ET_a的变化趋势及其驱动因素。从2001年至2024年，西北地区的年均ET_a呈现轻微上升趋势，年均增长率为0.43 mm/年，确定系数（R²）为0.32。具体而言，夏季和冬季的ET_a有显著增长，而春季和秋季则显示出轻微下降趋势。这些季节性差异表明，尽管整体ET_a在该地区呈现缓慢上升趋势，但季节性动态存在显著变化，主要受气候条件和植被覆盖变化的影响。

在空间分布上，ET_a呈现出明显的东高西低的梯度特征。东部地区由于植被覆盖度较高，水分供应相对充足，因此蒸散发较强；而西部地区由于植被稀疏和水资源匮乏，蒸散发较低。研究还发现，只有13.9%的区域表现出显著的ET_a增长，而9.2%的区域显示出轻微增长，26.2%的区域变化不显著，50.7%的区域则呈现下降趋势。这些空间分布特征进一步支持了生态恢复和植被变化对蒸散发动态的显著影响。

为了深入解析ET_a变化的主要驱动因素，研究采用标准化岭回归分析，评估了植被动态、气候因素和水文变量对ET_a的相对贡献。结果表明，气候因素对ET_a变化的解释度高达83.4%，其中相对湿度、净辐射和温度是最主要的驱动因素。相对湿度贡献最大，占33.6%，表明在干旱区，大气湿度是影响蒸散发的关键因素。净辐射和温度的贡献分别为24.87%和14.10%，反映了能量输入和气温变化在干旱区蒸散发动态中的重要作用。此外，植被动态（如NDVI）对ET_a变化的贡献率为16.6%，主要体现在农田扩张和生态恢复区域，这表明植被变化在某些地区对蒸散发有显著影响。

研究还分析了土地覆盖变化对ET_a的影响。通过比较不同土地覆盖类型的面积变化及其对应的ET_a总量，发现植被恢复和农田扩张显著增加了区域的蒸散发。例如，森林面积增加了40,698 km²，主要来源于耕地和草地的转化，导致ET_a增加了29.9%。草地面积增长了35,983.3 km²，主要由沙漠和耕地转化而来，使ET_a增加了16.9%。这些结果表明，土地利用变化，尤其是植树造林和农业扩张，对蒸散发动态有显著影响。然而，这些变化也带来了生态恢复与水资源利用之间的权衡问题，特别是在水资源稀缺的干旱区，需要平衡植被恢复与农业用水需求。

此外，研究还探讨了ET_a的时空变化与土地覆盖变化之间的关系。例如，NDVI的增加与ET_a的上升趋势相吻合，特别是在生态恢复区和绿洲地区。这些区域显示出较高的植被生产力和蒸散发，表明植被变化在这些地方对水循环有重要影响。相反，沙漠和沙漠化区域的NDVI与ET_a之间的相关性较弱，反映出这些地区由于植被稀疏和水资源匮乏，植被变化对蒸散发的贡献有限。这进一步支持了土地利用变化在干旱区水循环中的关键作用。

研究还评估了模型的性能，通过与两种广泛使用的卫星遥感蒸散发产品（MOD16A2和PML-V2）进行比较，验证了优化后的PT-JPL模型在干旱区的适用性。结果显示，优化后的PT-JPL模型在模拟精度上优于其他模型，特别是在草地区、灌木区和沙漠区。然而，模型在模拟耕地、森林和湿地等复杂生态系统时仍存在一定的局限性，这可能源于这些区域的土壤蒸发和植被动态的复杂性。因此，未来研究应进一步优化模型结构，提高土壤蒸发估算的准确性，并结合更高分辨率的卫星数据和多源土地覆盖数据，以减少模型不确定性。

本研究的结果不仅揭示了西北地区蒸散发动态的主要驱动因素，还为干旱区水资源管理和生态规划提供了科学依据。通过识别大气湿度、植被动态和辐射等关键因素，研究强调了在水资源稀缺的干旱区，水的可用性对蒸散发的决定性作用。同时，植被恢复和农业扩张的政策对水资源的消耗有显著影响，这需要在生态恢复与水资源管理之间进行权衡。因此，未来干旱区的可持续发展应考虑生态和水文之间的相互作用，制定综合的土地-水资源管理策略。

本研究的局限性在于，所使用的MODIS遥感数据和通过双线性插值得到的GLDAS气象数据可能平滑了局部气候的变异性，从而在模拟蒸散发时引入偏差。特别是在地形复杂或微气候显著的地区，这种偏差可能更为明显。此外，通量塔数据的稀缺性限制了模型参数优化的精度，导致区域参数校准存在一定的不确定性。因此，未来应进一步提高通量塔网络的空间覆盖和数据质量，并采用更精确的卫星数据输入和更先进的统计方法，以减少蒸散发归因分析中的不确定性。

总之，本研究通过优化PT-JPL模型，结合遥感数据和通量观测，揭示了西北地区蒸散发的时空变化及其主要驱动因素。这些发现不仅有助于理解干旱区水循环的机制，还为未来在气候变化背景下进行水资源管理和生态规划提供了科学依据。进一步研究应关注如何在异质性景观中改进蒸散发模型，并探索未来气候变化对蒸散发的长期影响，以促进全球干旱区的可持续发展。