地表蒸散发(Evapotranspiration,ET)指土壤蒸发和植被蒸腾的总和,是评价区域地表能量、气候变化和水分平衡的主要指标,是生态环境和水资源评估的重要环节^[1]。全球约70%的地表降水以蒸散发方式返回大气,在水循环过程中蒸散发发挥着不可轻视的作用^[2],地表蒸散发不仅影响区域的降水量,同时伴随的潜热效应具有降温特征,被视为气候系统中的核心过程与连接水热循环的纽带^[3]。如何准确估算区域地表蒸散发量,并掌握其与影响因素的时空变化规律,对区域生态水源涵养与保护以及水资源合理开发利用提供理论基础和科学依据。

传统的蒸发皿、蒸渗仪等虽能获取相对准确的ET,但大多局限于站点或田间尺度,适用于“点”或中小尺度的研究,遥感数据具有覆盖范围广、时间周期短、信息量大、成本相对低,能够获取长时间序列、大尺度信息等无可替代的优越性,可动态、快速地获取长时间大尺度的非均匀地面蒸散量,已成为目前区域地表蒸散发研究热点^[4-5]。MOD16数据是由美国航空航天局(NASA)制作并免费公开发布的蒸散发成品数据集,并根据Penman-Monteith(P-M)公式对MOD16数据进行了修正,得到了广泛的认可和应用^[6-8]。国内外针对ET研究在蒸散模型估算^[9-10]、精度评估验证^[11-12]、与蒸散数据应用^[13-14]、时空特征^[15-17]与影响因子分析等^[18-19]方面。张猛等^[15]探讨了洞庭湖流域蒸散量时空变化,并采用回归模型分析了蒸散发与气候因子的相关性; 闫俊杰等^[16]对2000—2015年伊犁河谷草地蒸散发的影响因素进行了分析,研究表明全区ET不仅受海拔影响明显,且与覆盖度的空间分布总体保持一致; 邱丽莎等^[17]利用趋势分析及相关性分析等方法对比分析了2000—2018年的祁连山ET的时空变化特征及其主要影响因子。复相关分析综合考虑多个影响因子共同作用,偏相关分析可有效排除其他因子干扰,两者已被成为探究气候因子对蒸散发影响的有效方法。王焕等^[18]基于MOD16 ET数据和气象数据,综合运用单相关、偏相关和复相关分析法,分析了研究区ET的时空变化特征及其与气候因子的关系; 叶红等^[19]利用趋势分析、单相关、偏相关和复相关分析法,研究了2000—2014年黄河源区ET时空变化特征,重点探讨了在不同土地利用类型下ET的变化规律以及其与气候因子的关系。纵观现有研究发现,学者对河南省蒸散发的时空分布特征以及影响因素的研究比较缺乏。

河南省位于华北平原的南部地区,地貌自西向东突变,气候复杂多变,特别是随着现代化快速发展以及大规模频繁的生产建设活动,地表和植被不断遭受扰动,严重的水土流失导致水土资源破坏,生态环境恶化^[20]。“十三五”以来,河南省大力建设水土保持重点工程和生态文明工程,生态治理成效显著,但水资源开发利用效率低、结构性缺水问题仍然比较严重。由杨秀芹等^[21]对淮河流域实际蒸散发的探索中可知:MOD16A2数据对河南省区域的适用性、合理性。基于此,本研究以2001—2019年逐年MOD16 ET数据、MOD13 NDVI和气象数据为基础,综合应用Theil-Sen Median趋势分析对河南省蒸散发的时空分布特征进行分析,结合单相关、偏相关和复相关分析探究NDVI、气候因子对ET的影响,从而为该区域提高水资源的合理开发利用效率提供科学依据。

为了进一步揭示和掌握河南省ET与气候因子的关系,基于偏相关与复相关的基础上,参考叶红等^[19]的研究拟定的驱动规则(表3),探索河南省ET的驱动机制。研究区内ET受温度、降水驱动的地区存在空间分异现象,其中受降水驱动的区域占全区域为22.37%,受降水强驱动的地区占降水驱动区域的38.69%; 主要分布在南阳,信阳等豫南地区; 其中受气温驱动的区域占全区域为22.52%,气温强驱动的地区占气温驱动区域的43.49%,主要分布在豫北地区; 气温降水共同驱动的区域占全区域为5.54%,主要分布在信阳、驻马店和周口市等地区,气温降水共同强驱动的区域基本可以忽略。整体上,2001—2019年河南省ET驱动机制表现为气温或降水气象因子单一驱动影响,除此还存在其他因子驱动。

图8 河南省ET与气温降水量的复相关系数空间分布

表3 河南省ET驱动分布规则

河南省的ET时空特征具有一定的时空规律性,多年ET高值区主要分布在三门峡、驻马店,南阳与信阳南部等豫南地区; 多年ET低值区主要分布在郑州、平顶山等豫西北地区,与杨秀芹等^[21]研究一致。ET与NDVI的相关性较高区域主要分布在三门峡、南阳与信阳南部等豫南地区,此类地区海拔相对较高,植被类型以森林、草原为主,植被覆盖率较高,表明ET分布与海拔、植被覆盖度具有一定的联系。ET与气候因子的相关性分析结果表明全省ET与温度的显著正相关区域主要分布在豫北地区,与黄葵等^[27]对海河流域南部蒸散发与温度的相关性研究结论一致,而在郑州及周边区域存在少量的负相关区域,可能受工业化和城市化进程影响,生态环境遭受破环,存在“蒸发悖论”现象^[28]; 而豫南地区的ET与降水量的正相关性区域强于豫北地区,这与河南地处南北过渡带,即暖温带—亚热带、湿润—半湿润季风气候有关。

本文针对2001—2019年河南省ET时空特征及其与NDVI、气温和降水两气候因子的关系进行了深入研究,但仍存在一定的局限性:(1)选用的MOD16/ET时序数据空间分辨率为500 m×500 m,时间分辨率有8 d,其中少量的像元值为无效值,本研究以邻近时间的像元值为依据,合成各月尺度和年尺度的ET值,所以单个像元可能无法准确表现实际的ET分布。因此,在今后研究中,需选用更高分辨率的遥感数据,提高对区域细节和精度的解释能力;(2)本研究重点探索了河南省ET与NDVI、气候因子等影响因子的关系,但ET受土地利用类型、经济因素等众多因素的影响。因此,从多个角度综合考虑对河南省ET时空变化及其影响因素是以后研究重点之一。

(1)2001—2019年河南省年际ET介于397.54～607.2 mm,多年平均ET值为509.22 mm,变化率波动明显,从整体来看,河南省整体呈阶梯上升趋势现象与河南省生态文明建设工程的实施密切相关; 2001—2019年河南省ET年内呈现周期性波动变化趋势,具有强烈的季节差异性,四季多年ET均值从大到小排列为:夏季(217.72 mm)>春季(138.37 mm)>秋季(95.83 mm)>冬季(52.34 mm),且多年ET年际及四季的变化率分别为7.06 mm/a,2.43 mm/a,4.41 mm/a,1.80 mm/a,-0.34 mm/a,由四季、多年ET均值及四季的变化率结果表明,春季、夏季和秋季ET值对年际ET值变化影响较大,而冬季的ET值较小且变化相对比较稳定。

(2)河南省2001—2019年多年平均ET空间分布总体呈现从南高北低的趋势,ET的范围介于207.43～1 101.96 mm/a,根据19 a的数据来看,豫东南地区和豫西地区植被覆盖率高,降雨量丰富,ET主要500～700 mm为主; 焦作北部、济源北部等豫北地区植被覆盖率低,降雨量少,ET以300～500 mm为主; 从河南省ET的sen趋势分析来看:值介于在-28～48 mm/a,平均sen趋势值为7.247 7 mm/a,其中ET的上升区域所占总比重为92.32%,下降区域仅占总比重为6.64%,整体表明河南省ET整体向上升趋势发展。

(3)2001—2019年河南省多年月平均ET值和NDVI值两者皆呈双峰型变化规律,其中多年月平均NDVI值为0.34～0.76,多年月平均ET值为18.01～96.4 mm,伴随NDVI的波动变化,多年月平均ET值随之波动变化,具有显著的一致性; 从空间上对ET与植被指数NDVI的相关性进行分析,ET与NDVI的相关系数为-0.68～0.98,空间平均相关系数为0.51,ET与NDVI呈正相关区域占研究区总面积的96.53%,ET与NDVI具有显著的正相关,从整体上看,ET与NDVI的相关性与植被类型紧密相关。

(4)ET与气候因子的相关分析表明,ET与气温、降水整体呈正相关关系,其中豫南的ET受降水影响的区域大于豫北; 豫北的ET受温度影响的区域略大于豫南。整体上,2001—2019年河南省ET驱动机制表现为气温或降水气象因子单一驱动影响,除此还存在其他因子驱动。