遙感模型支持下的精河流域綠洲表層土壤水分時空分布特征

劉 婕, 王明霞, 毋兆鵬,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054;2.新疆師范大學 干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室, 烏魯木齊 830054)

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遙感模型支持下的精河流域綠洲表層土壤水分時空分布特征

劉 婕1, 王明霞1, 毋兆鵬1,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054;2.新疆師范大學 干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室, 烏魯木齊 830054)

土壤水分對干旱區(qū)氣候變化、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的影響作用。以新疆精河流域綠洲為研究區(qū)，基于Landsat TM和ETM+影像，借助修正后的溫度植被干旱指數(shù)(TVDIm)，進而反演了研究區(qū)2002年和2011年春、夏、秋3季的表層土壤水分。結(jié)果表明：(1) 野外同步實測數(shù)據(jù)精度驗證R2值為0.800 2，TVDIm能夠較好反映綠洲土壤水分分布狀況；(2) 研究區(qū)表層土壤水分的季節(jié)性變化明顯，即秋季>夏季>春季，近10年間土壤水分總體呈趨濕特征；(3) 研究區(qū)綠洲內(nèi)部的土壤水分狀況明顯優(yōu)于過渡帶及天然荒漠區(qū)；(4) 土地利用疊加分析指示，人類活動對土壤水分的空間分布影響強烈。

遙感; 土壤水分; 時空分布; 精河流域

新疆光熱豐富，降水稀少，是典型的干旱區(qū)，形成了以沙漠、半沙漠、戈壁、草原、森林以及綠洲為主的自然景觀和綠洲經(jīng)濟。隨著全球變化研究的深入和發(fā)展，人類生存與發(fā)展對土地的開發(fā)利用以及土地覆蓋變化被認為是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因[1-2]。區(qū)域土壤水分檢測不但對改善區(qū)域及全球氣候的研究具有重要意義，而且能夠有效地監(jiān)控土地退化和干旱狀況。大量學者的研究闡明了土壤水分變化對環(huán)境生態(tài)和氣候變化響應(yīng)的重要性，以及農(nóng)作物生長發(fā)育和不同時期土壤水分狀況的關(guān)系，并且有學者建立了土壤干旱預(yù)警模型，更好地監(jiān)測土壤水分變化對干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的影響[3-6]。本文通過對精河流域綠洲土壤水分狀況的研究，不僅可以了解預(yù)測研究區(qū)土壤水分的干濕程度，也可以有效地掌握地表水分的運移狀態(tài)，對干旱綠洲的農(nóng)業(yè)活動具有一定的指導(dǎo)作用，也為改善小尺度區(qū)域的氣候，以及改善精河流域綠洲生態(tài)環(huán)境打下基礎(chǔ)。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)包含整個艾比湖湖區(qū)和精河流域綠洲，總面積達2 572.30 km2，地理位置為82°40′—83°10′E，44°20′—44°50′N，自南向北呈扇狀坡面，中部為沖積—洪積平原，北部為艾比湖(圖1)。研究區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠離海洋，干燥少雨，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，區(qū)內(nèi)降水量由西向東遞增[7]，年平均降水量約為251.9 mm，年平均氣溫7.8℃，年平均蒸發(fā)量2 447.1 mm[8]。

圖1研究區(qū)及土壤水分樣點分布

1.2數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究所用遙感數(shù)據(jù)主要來自美國陸地衛(wèi)星Landsat TM和ETM+影像共6景。其中，Landsat TM包括2002年5月7日(春季)、2002年7月10日(夏季)和2002年9月28日(秋季)；Landsat ETM+包括2011年5月24日(春季)、2011年7月11日(夏季)和2011年9月13日(秋季)。所有影像云量均小于5%，經(jīng)過輻射定標、幾何糾正及大氣校正。此外，Landsat ETM+于1999年4月15日發(fā)射升空后，2003年因校正器故障，使得影像數(shù)據(jù)出現(xiàn)部分重疊和丟失。本文主要運用ALR方法，即通過建立兩幅圖像灰度值的回歸方程，將填充影像的色調(diào)向待修復(fù)影像靠近，完成影像修復(fù)[9]，能夠滿足反演需求。

為了分析修正后的溫度植被干旱指數(shù)(TVDIm)與研究區(qū)域降水量、氣溫的關(guān)系，本文選取了2002年和2011年中4—10月的月平均溫度，氣象數(shù)據(jù)來源于精河氣象站，多年月平均降水量數(shù)據(jù)來自于相關(guān)文獻[8]。

1.3土壤水分反演算法

Sandholt等[10]在研究遙感反演土壤濕度的過程中，基于Ts-NDVI特征空間與土壤濕度的等值線關(guān)系，提出了可以表示土壤相對濕度狀況的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)。TVDI是由Ts-NDVI特征空間得到的比值，計算公式可以表示為：

(1)

式中：Tsmin——最小地表溫度，對應(yīng)的是濕邊；Ts——任意像元的地表溫度；Tsmax——指定像元NDVI對應(yīng)的最高地表溫度，對應(yīng)干邊；Tsmin，Tsmax的取值可以通過對Ts-NDVI特征空間的干邊及濕邊進行模擬得到：

Tsmin=a2+b2NDVI

(2)

Tsmax=a1+b1NDVI

(3)

式中：a1，b1——干邊擬合方程的系數(shù)；a2，b2——濕邊擬合方程的系數(shù)。

由于NDVI在植被覆蓋度較高的區(qū)域容易飽和，導(dǎo)致對高植被覆蓋區(qū)敏感性較低[11]，運用TVDI法反演濕度時會對結(jié)果造成一定的誤差。改進型土壤調(diào)整植被指數(shù)(Modified Soil-Adjusted Vegetation Index，MSAVI)與歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)相比較，MSAVI修正了NDVI在植被密閉區(qū)或者低植被覆蓋區(qū)估測的誤差，增加了依據(jù)實際情況選定的土壤調(diào)節(jié)系數(shù)，可以較好地消除或減弱土壤背景對植被指數(shù)的影響，提高計算的精度。

(4)

式中：ρNIR——近紅外波段的反射率；ρR——可見光紅色波段的反射率。

因此本文采用改進型土壤調(diào)整植被指數(shù)MSAVI替代NDVI參與計算，構(gòu)建Ts-MSAVI特征空間，減小因植被指數(shù)計算造成的誤差。結(jié)合公式(1)—(4)得到最終的TVDIm計算公式如下：

(5)

TVDIm=0表示土壤水分最大，地表最濕潤狀況，即濕邊；TVDIm=1表示土壤水分最小，地表最干旱的狀況，即干邊。TVDIm的取值范圍為0～1，TVDIm值表示土壤的土壤水分狀況，TVDIm值越大，對應(yīng)的土壤水分越低。

2　結(jié)果與分析

2.1精河流域綠洲土壤濕度反演結(jié)果驗證

為驗證反演結(jié)果，在研究區(qū)內(nèi)選取典型26個樣點，與衛(wèi)星同步對土壤表層(0—10 cm)水分進行實地監(jiān)測。監(jiān)測所用儀器為瑞士產(chǎn)MSR145土壤自動記錄溫濕儀，可連續(xù)自動記錄2年數(shù)據(jù)。本研究在衛(wèi)星過境前10 d埋入，衛(wèi)星過境后5 d取出。所有觀測樣點均采用GPS進行定位，研究區(qū)土壤監(jiān)測點分布如圖1所示。本研究反演所用TM影像數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，而野外觀測點是根據(jù)土地利用類型進行布設(shè)，二者雖在空間上難以對應(yīng)，但由于研究區(qū)地勢平坦，因此可以嘗試使用點上采集的土壤的含水量數(shù)據(jù)來驗證區(qū)域面上的數(shù)據(jù)。TVDIm和土壤含水量，經(jīng)回歸分析t檢驗(α=0.05)，得出線性回歸方程達到顯著。土壤含水量為橫坐標，以TVDIm值為縱坐標，對TVDIm和土壤含水量的相關(guān)性進行線性擬合。TVDIm與實測土壤含水量的擬合結(jié)果，如圖2所示。TVDIm與表層(0—10 cm)土壤含水量之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，隨著土壤含水量增大，TVDIm呈現(xiàn)減小趨勢。由于整個研究區(qū)的土壤含水量較低，散點集中在土壤濕度低值區(qū)域。對TVDIm和土壤含水量的線性擬合結(jié)果，R2值為0.800 2，說明TVDIm能夠反映地表土壤水分分布狀況，作為指示地表土壤濕度的指標比較合理。

圖2土壤含水率與TVDIm的相關(guān)性

2.2精河流域綠洲土壤濕度分布特征分析

在遙感圖像處理軟件的支持下，根據(jù)上述TVDIm模型和方法，利用Landsat TM影像，得到2002年和2011年春、夏、秋3季的土壤水分狀況反演結(jié)果。參照TVDI指數(shù)反演土壤干旱等級劃分標準[12]，將研究區(qū)TVDIm劃分為5個等級：極濕潤(0≤TVDIm<0.2)、濕潤(0.2≤TVDIm<0.4)、無旱(0.4≤TVDIm<0.6)、干旱(0.6≤TVDIm<0.8)、極干旱(0.8≤TVDIm≤1.0)。在研究中通過TVDI土壤水分反演模型的劃分標準對研究區(qū)TVDIm進行等級劃分，結(jié)果如圖3所示。

圖3精河流域土壤濕度反演結(jié)果分級

2.2.1精河流域綠洲土壤濕度時間分布特征由圖3可以看出，精河流域綠洲的土壤水分季節(jié)特征明顯，呈單峰型變化。從春季開始，TVDIm值開始明顯升高，表明土壤水分持續(xù)下降，連續(xù)最大的TVDIm值出現(xiàn)在夏季(6—8月)，反映出夏季土壤水分相對較低，進入秋季TVDIm值則出現(xiàn)迅速減少趨勢，說明研究區(qū)土壤水分呈現(xiàn)回升趨勢。從空間分布特征來看，春季，艾比湖湖區(qū)南部及西南部有部分呈斑塊狀區(qū)域土壤水分相對較高，其余區(qū)域土壤水分狀況均為干旱和極干旱。夏季，土壤水分較低的干旱區(qū)域呈片狀向四周擴展，研究區(qū)除精河沿河區(qū)、內(nèi)沖積—洪積平原及綠洲耕作區(qū)土壤水分狀況為無旱外，其余地區(qū)為不同程度的干旱、極干旱。秋季，研究區(qū)除常年較干的南部、東南部外，整體土壤水分狀況開始大范圍好轉(zhuǎn)。

對精河流域過去近50年的年內(nèi)降水研究表明精河流域的年內(nèi)降水分配極不均勻，具有明顯的集中性[8]。將本研究的TVDIm數(shù)值與李加強等[8]多年平均降水量的月份分配數(shù)值疊加分析得出，研究區(qū)綠洲的土壤水分狀況的季節(jié)性變化與多年降水量呈明顯相關(guān)性(圖4)，這似乎與“降水量增長則TVDIm值應(yīng)降低，即土壤水分升高”的常規(guī)性結(jié)論相悖。事實上這是由于研究區(qū)的特殊自然環(huán)境特點造成的。精河流域多年平均蒸發(fā)量2 447.1 mm，而多年平均降水量只有251.9 mm，相差近10倍，由此也表明，盡管降水量對土壤水分補充有一定影響，但不如其他氣象因子對土壤水分變化的影響強烈[13]。

圖4TVDIm與月平均降水量的關(guān)系曲線

進一步將TVDIm數(shù)值與年內(nèi)逐月氣溫疊加分析，二者的趨勢一致性同樣十分明顯(圖5)。這說明較高的氣溫會大大增加土壤蒸散發(fā)從而抵消降水對土壤水分的補給[14]。因此，對精河流域綠洲而言，在干旱區(qū)的大背景下，氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大的作用明顯大于降水量對土壤水分的補給作用，其影響起主導(dǎo)作用[7,13]。

圖5TVDIm與月平均氣溫的關(guān)系曲線

隨著全球氣候變暖，將引起蒸散發(fā)的增加，導(dǎo)致土壤干旱的加劇[8]。然而在這樣的大背景下，研究區(qū)2011年土壤水分狀況與2002年相比較好。這是因為艾比湖濕地2007年由自治區(qū)級自然保護區(qū)晉升為國家級自然保護區(qū)。研究區(qū)內(nèi)退耕還林、退耕還濕、引水治沙、引水治草等的保護措施逐步實施，保護力度的逐步加強，使得土壤水分相對較高。

2.2.2精河流域綠洲土壤濕度空間分布特征盡管如此，由于人文作用會影響地表能量平衡，改變地表結(jié)構(gòu)及土壤水分的分布，因此，研究區(qū)人文活動影響的疊加尤其是土地利用狀態(tài)，仍使地表土壤水分的狀況出現(xiàn)了較大的空間差異。本研究利用TM影像數(shù)據(jù)提取了2002年和2011年的土地利用數(shù)據(jù)(圖6)，并將TVDIm的月均值圖像與土地利用分類圖進行疊加分析，得到不同土地利用條件下的土壤水分分布狀況(圖7)。

結(jié)果表明：耕地月平均TVDIm為0.65～0.85，而草地和林地月平均TVDIm為0.6～0.75，城鎮(zhèn)建筑用地月平均TVDIm為0.75～0.8，未利用地月平均TVDIm為0.8～0.9，土壤水分與土地利用之間關(guān)系密切(圖7)。

圖6精河流域綠洲土地利用狀況

耕地區(qū)和草地區(qū)的TVDIm月均值在4—7月逐漸升高，8月穩(wěn)定在0.8左右，表明植物處于生長需水量較大的時期，9—10月TVDIm減小，土壤水分增加，表明植物已過生長需水期或農(nóng)作物已收割、植物已枯萎，耗水量下降。

圖7不同土地利用類型TVDIm變化

林地區(qū)的TVDIm月均值，4—8月為0.65～0.82，與草地區(qū)TVDIm值相比增加趨勢平穩(wěn)，則是因為一年生草本與多年生木本需水量變化情況不同。

城鎮(zhèn)建筑用地的TVDIm月均值為0.75～0.8，未利用地的TVDIm月均值為0.8～0.9，且后者TVDIm值整體比前者高，表明土壤水分極少，但二者時間序列的土壤水分分布趨勢基本一致。

從研究區(qū)整體來看，耕地、草地、林地和城鎮(zhèn)用地的TVDIm值明顯低于未利用地，這也表明人類活動對土壤水分的分布情況有很大的影響。

3　結(jié) 論

(1) 利用Ts-MSAVI模型能夠反映地表土壤水分分布狀況，可以作為有效指示地表土壤水分狀況的指標。

(2) 精河流域綠洲的土壤水分季節(jié)特征變化明顯。春季氣溫升高，土壤水分降低，隨著夏季的到來，溫度持續(xù)升高，蒸發(fā)量大于降水量，研究區(qū)土壤水分普遍下降。秋季降水量減少，氣溫降低，蒸發(fā)量減少，土壤干旱狀況得到緩解。在干旱區(qū)的大背景下，相對于降水量而言，氣溫升高導(dǎo)致的蒸發(fā)量增大是影響土壤水分狀況的主導(dǎo)因素。

(3) 雖然耕地、草地和林地這3種土地利用類型的土壤水分在年內(nèi)的變化趨勢具有較好的一致性，但不同土地利用類型的土壤在不同的時期，由于人類活動的影響，其TVDIm存在差異。對于生態(tài)環(huán)境極其脆弱的干旱區(qū)綠洲而言，在人口增長帶來對耕地需求增加的背景下，如若不提高農(nóng)田管理質(zhì)量而導(dǎo)致大面積撂荒，就會極易引起土地鹽漬化或荒漠化，對當?shù)厝嗣竦纳婧桶l(fā)展造成潛在威脅，繼而帶來一系列生產(chǎn)經(jīng)濟問題。因此，在合理規(guī)劃土地利用，注重經(jīng)濟效益的同時，應(yīng)繼續(xù)推行退耕還林、退耕還草政策。

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Spatiotemporal Distribution Characteristics of Soil Moisture in Surface Layer of Oasis in Jinghe Basin Under the Support of Remote Sensing Model

LIU Jie1, WANG Mingxia1, WU Zhaopeng1,2

(1.CollegeofGeographyandTourismScience,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China;2.MunicipalKeyLaboratoryofAridLakeEnvironmentandResources,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China)

Soil moisture has an important influence on the change of climate, the stability of ecological environment and the development of oasis farming in the arid area. Based on the Landsat TM and ETM+ images, we selected the Oasis of Jinghe Basin as the study site and investigated the moisture changes of the topsoil in spring, summer and autumn during the period from 2002 and 2011 using the modified Temperature-Vegetation Dryness Index (TVDIm). The findings are listed as follows： (1) By comparing and measuring, we found that theR2value of precision is 0.800 2, which means that TVDIm can better reflect the distribution of soil moisture in oasis； (2) The seasonal changes of moisture in the topsoil of the study area are significant, that is to say the moisture decreased in the order: autumn>summer>spring, and the water content is becoming higher in recent 10 years； (3) The condition of soil moisture in the inland of the study area is better than that in the transition belts and natural deserts； (4) The overlay analysis of land use indicated that human activities had the strong influence on the spatial distribution of soil moisture.

remote sensing; soil moisture; spatiotemporal distribution; Jinghe Basin

2015-06-02

2015-06-18

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學資助項目(2013211A022)；新疆師范大學研究生科技創(chuàng)新項目(XSY201502006);新疆師范大學地理學博士點支撐學科(XJNU-DL-201515)；新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”基金(XJDX0909201206)

劉婕(1992—),女,河南駐馬店人,碩士研究生,研究方向為資源環(huán)境地理信息系統(tǒng)。E-mail:liujie_ixj@163.com

毋兆鵬(1976—),男,陜西西安人,博士,教授,主要從事3S技術(shù)與綠洲資源開發(fā)研究。E-mail:wuzhaopengxj@sina.com

S152.7

A

1005-3409(2016)03-0095-05