在环境变化背景下，中黄河流域蒸散作用的空间-时间分布特征及其成因分析

《Journal of Hydrology》：Spatial-temporal patterns and attribution of evapotranspiration in the Middle Yellow River Basin under changing environments

蒸散量及其组分在黄土高原中游黄河流域的时空变化及归因研究，采用参数化SiB2模型结合多方法归因分析。研究发现地表变化（LC、LAI、FPAR）贡献率显著高于气候变化（ET 168.3%、T 86.0%、TF 68.6%），植被恢复导致蒸散量空间分布东南高西北低，并呈年际上升趋势。研究为区域水资源管理提供理论支撑。

　　在过去的二十年中，中黄河流域（Middle Yellow River Basin, MYRB）的蒸散发（ET）及其组成部分——蒸腾（T）和蒸散发占比（TF）经历了显著的变化。这些变化不仅受到气候因素的影响，也与人类活动引发的下垫面变化密切相关。中黄河流域位于干旱和半干旱地区，生态系统脆弱，土壤侵蚀严重，水资源短缺，植被覆盖度较低。该地区近年来经历了明显的变暖和干旱趋势，同时大规模的植被恢复项目改变了其下垫面特性，包括土地覆盖类型（LC）、叶面积指数（LAI）和光合有效辐射占比（FPAR）。研究发现，下垫面变化对ET、T和TF的增加起着更为关键的作用，而气候变化的影响则相对较小。这一结论对于制定该地区的水资源管理策略和可持续的植被恢复计划具有重要的参考价值。

### 蒸散发及其组成部分的时空特征

蒸散发是水循环中的关键环节，描述了液态水从地表转化为水蒸气并进入大气的过程。这一过程对区域内的水资源可用性具有重要影响，约59%的陆地降水通过蒸散发返回大气（Oki and Kanae, 2006）。在干旱和半干旱地区，这一比例甚至更高（Liu et al., 2018）。蒸散发及其组成部分的时空分布与气候和下垫面的变化密切相关。本研究利用参数校正后的SiB2模型，分析了中黄河流域从2000年至2020年间ET、T和TF的时空变化特征。

研究发现，中黄河流域的ET、T和TF在东南部较高，而在西北部较低。具体来说，2000年时，ET的平均值为479.10毫米，T为202.94毫米，TF为0.41。到了2020年，这些值分别增加至501.55毫米、247.94毫米和0.48。总体趋势显示，尽管并非严格单调上升，但ET、T和TF均呈现出增长态势。值得注意的是，2005年由于降水减少，ET出现下降，而2015年则因降水减少和分布不均，T和TF也出现短暂的减少。这表明，降水变化对蒸散发和蒸腾的影响具有显著性，尤其是在某些特定年份。

此外，ET、T和TF的季节性分布模式与年平均分布趋势基本一致，呈现出夏季和秋季较高的特点。夏季的降水集中以及植被蒸腾的增强，使得夏季的ET和T分别占全年总量的49.93%和60.50%。TF则在7月达到峰值，反映出植被对光合有效辐射的利用效率在夏季较高。这些季节性变化模式表明，该区域的蒸散发和蒸腾在不同季节和年份之间存在明显的差异，这对水资源管理具有重要的指导意义。

### 环境因素对蒸散发及其组成部分的影响

本研究采用Geodetector、Random Forests和SHAP三种方法，分析了影响ET、T和TF空间分布的关键环境因素。研究发现，降水（PRCP）、土地覆盖类型（LC）和叶面积指数（LAI）是影响ET的最重要因素，而LC、LAI和FPAR则对T和TF具有显著影响。这些环境因素的综合作用决定了蒸散发和蒸腾的空间格局。例如，森林具有较高的总根生物量和更深的有效根系深度，因此其蒸腾比草地和农田更高。同时，森林和高LAI区域通常位于降水较多的地区，这进一步促进了ET和T的增加。

LAI通过调节地表粗糙度、反照率和降水截留等过程，对ET及其组成部分产生影响。较高的LAI通常意味着更强的冠层截留蒸发，从而提高了ET和T的值。此外，光合有效辐射的增加也促进了植被的蒸腾过程，进一步提升了ET和T的数值。FPAR则反映了植被对光能的利用效率，直接影响植物的光合作用，从而影响T和TF的变化。这些因素的相互作用使得不同区域的ET、T和TF呈现出不同的空间分布特征。

### 气候变化与下垫面变化对蒸散发的影响

为了进一步量化气候和下垫面变化对ET、T和TF的影响，本研究设计了四种模拟情景。其中，S1和S4情景分别代表2000年和2020年的气候和下垫面条件，而S2和S3情景则分别考虑了单一因素的变化（气候或下垫面）。通过比较不同情景下的模拟结果，可以得出气候和下垫面变化对ET、T和TF的具体贡献。

研究结果显示，下垫面变化对ET、T和TF的增加贡献最大，分别达到168.3%、86.0%和68.6%。相比之下，气候变化对ET、T和TF的影响较小，分别贡献了-129.66%、-1.09%和35.71%。这意味着，在过去二十年中，中黄河流域的蒸散发和蒸腾主要由下垫面变化驱动，尤其是植被恢复和土地覆盖类型的变化。这种变化使得区域内的植被更加茂密，叶面积增加，从而提高了蒸腾和蒸散发的效率。

值得注意的是，尽管气候变化在某些年份导致了ET和T的减少，但其对TF的影响却较为复杂。气温升高可能促进植物的蒸腾作用，从而提高TF的值。这种现象在2000年至2020年间尤为明显，说明虽然降水减少对ET和T产生了一定的抑制作用，但温度升高和植被恢复的协同效应却推动了TF的上升。因此，在评估区域蒸散发变化时，不能忽视温度和植被变化的综合影响。

### 未来研究方向与管理建议

尽管本研究提供了关于中黄河流域蒸散发变化的深入分析，但仍存在一些不确定性需要进一步探讨。例如，模型参数的校正可能受到局部数据的影响，而高分辨率的土地覆盖数据将有助于提高模拟的准确性。此外，下垫面变化在局部区域可能对ET、T和TF产生显著影响，但在更大尺度上，其整体效应可能较为稳定。

从管理角度来看，中黄河流域的水资源管理和植被恢复计划需要充分考虑气候变化和下垫面变化的双重影响。首先，随着全球变暖和干旱趋势的加剧，该地区的水资源压力可能进一步增加。因此，水资源管理应更加注重节水措施，以应对未来的水资源短缺问题。其次，植被恢复项目应科学规划，避免因过度恢复而导致蒸腾增加，进而加剧水资源紧张。通过优化植被密度和调整土地覆盖类型，可以在促进生态恢复的同时，确保区域水资源的可持续利用。

最后，本研究的结果强调了下垫面变化在区域水循环中的主导作用。这意味着，未来的研究应更加关注土地利用和植被变化对蒸散发和蒸腾的影响，而不仅仅是气候变化。通过深入分析这些变化的机制，可以为制定更有效的水资源管理策略和生态恢复方案提供科学依据。