青土湖區(qū)植被與土壤鹽漬化響應(yīng)研究

楊志輝，趙 軍，溫媛媛

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

土壤鹽漬化是各國(guó)所面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。科學(xué)獲取土壤鹽漬化信息、分析植被對(duì)土壤鹽漬化的響應(yīng)機(jī)制是土壤鹽漬化研究的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)獲取土壤鹽漬化時(shí)空變化信息，對(duì)鹽漬化防治、植被恢復(fù)及生態(tài)保護(hù)至關(guān)重要[2]。隨著全球氣候變暖，干旱和半干旱地區(qū)的蒸發(fā)量和礦物質(zhì)積累增加[3]，鹽漬化對(duì)植被覆蓋度的影響已成為各國(guó)關(guān)注的生態(tài)問題[4]。土壤鹽漬化信息遙感獲取研究始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)歷了定性向定量研究發(fā)展過程。20世紀(jì)80年代，人們主要利用多波段、多時(shí)相遙感圖像結(jié)合鹽堿土壤和鹽生植被光譜特征進(jìn)行目視解譯。20世紀(jì)90年代后定量研究越來越多地得到應(yīng)用，如許迪等[5]用Landsat衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用監(jiān)督分類、NDVI指數(shù)等對(duì)黃河上游寧夏青銅峽灌區(qū)進(jìn)行了土壤鹽堿分布研究，Howari等采用Landsat ETM+、AVI RIS、彩紅外航空像片(CIR)獲取的數(shù)據(jù)提取了格蘭德河地區(qū)的鹽堿地信息，并進(jìn)行了詳細(xì)的比較[6-8]，魏娜等[9]利用高光譜遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤特性的定量分析。近年來已有學(xué)者利用與土壤鹽分密切相關(guān)的指標(biāo)提取土壤鹽分信息，如王飛等[10]認(rèn)為NDVI-SI能較好地表征研究區(qū)實(shí)際的鹽漬化程度，丁建麗等[11-12]提出鹽漬化距離指數(shù)(SDI)對(duì)鹽漬化信息提取精度高且與地表覆蓋度密切相關(guān)，但這些研究皆側(cè)重于對(duì)土壤鹽漬化提取方法精度的提高，而在土壤鹽漬化對(duì)植被覆蓋度的影響方面關(guān)注較少。

近年來青土湖區(qū)鹽漬化問題日益突出，嚴(yán)重影響到植被覆蓋。本文利用Landsat OLI影像計(jì)算青土湖區(qū)植被覆蓋度(FVC)和改進(jìn)鹽漬化指數(shù)(MSI)，通過分析干旱區(qū)內(nèi)陸河尾閭湖區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化與土壤鹽漬化的聯(lián)系，探究不同程度鹽漬土及其變化對(duì)植被覆蓋度的影響特征，以期對(duì)植被恢復(fù)、控制土壤鹽漬化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

青土湖是石羊河的尾閭湖，地處甘肅民勤縣西渠鎮(zhèn)境內(nèi)，位于巴丹吉林沙漠東南部、騰格里沙漠西部,地理位置39°04′～39°09′N、103°36′～103°39′E(圖1)。該區(qū)海拔1 292～1 310 m，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫7.8℃，年平均降水量110 mm，年平均風(fēng)速為4.1 m·s-1。其中青土湖淺水區(qū)面積為16.6 km2，占研究區(qū)總面積的12.72%。研究區(qū)植被類型為荒漠植被，主要植物為白刺、蘆葦、檉柳、黑果枸杞、鹽爪爪、豬毛、砂藍(lán)刺頭、碟果蟲實(shí)等。

圖1 研究區(qū)位置概況Fig.1 Location of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文采用2015—2017年7月和12月Landsat OLI影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，合成影像分辨率15 m，時(shí)間分辨率16 d，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。利用ENVI和ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)做了幾何校正、大氣校正、裁剪和指標(biāo)計(jì)算等處理。將手持光譜儀測(cè)得的實(shí)地樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與波段計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)了NDVI指標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度及其計(jì)算 植被覆蓋度(FVC)是指植被冠層或葉面在地面的垂直投影面積占植被區(qū)總面積的比例[13]，植被覆蓋度的估測(cè)采用像元二分模型，該模型假設(shè)一個(gè)像元的信息可分為植被與裸土兩部分。青土湖周邊植被主要以蘆葦為主，土壤主要為沙土，地類單一，能夠取一定置信區(qū)間內(nèi)NDVI的方法計(jì)算FVC 。計(jì)算公式如下：

(1)

式中,NDVIv取99.5%置信區(qū)間內(nèi)的平均最大值，代表純植被覆蓋像元值，NDVIs為取0.5%置信區(qū)間內(nèi)的平均最小值，代表無植被覆蓋的裸土像元值。FVC在一定程度上解決了NDVI對(duì)于覆蓋度較高的植被易于飽和、而對(duì)覆蓋度較低的植被難于區(qū)分的不足，更好地反映了研究區(qū)地表植被覆蓋狀況[14]。

1.3.2 改進(jìn)鹽漬化指數(shù)及其計(jì)算 研究表明，鹽分指數(shù)(SI)容易將鹽堿地和裸土地混淆[15]，不能準(zhǔn)確表示鹽漬化程度。因此本文采用12月份Landsat OLI數(shù)據(jù)計(jì)算土壤鹽漬化，這時(shí)像元內(nèi)以裸土信息為主，改進(jìn)鹽漬化指數(shù)(modified salinization index，MSI)在提取鹽漬化信息時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。計(jì)算公式如下：

(2)

式中,ρgre表示綠光波段反射率，ρred表示紅光波段反射率，ρblu表示藍(lán)光波段反射率。

1.3.3 相關(guān)性分析 為評(píng)估青土湖區(qū)土壤鹽漬化對(duì)植被覆蓋度的影響，逐像元計(jì)算了改進(jìn)鹽漬化指數(shù)值和植被覆蓋度的Pearson’s相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 歸一化植被指數(shù)結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)2017年7月野外手持光譜儀采集的25個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)歸一化植被指數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由圖2可知，2017年研究區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)光譜儀數(shù)據(jù)與歸一化植被指數(shù)顯著正相關(guān)(R2=0.9205)，表明NDVI計(jì)算結(jié)果與青土湖區(qū)實(shí)際狀況極為接近，可進(jìn)一步用于該區(qū)域植被覆蓋度的計(jì)算。

圖2 2017年NDVI樣點(diǎn)值與計(jì)算結(jié)果Fig.2 NDVI sample values and calculation results in 2017

2.2 植被覆蓋度時(shí)空特征

2015—2017年植被覆蓋度空間分布如圖3(見236頁)所示，借鑒干旱區(qū)植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，結(jié)合青土湖區(qū)鹽漬土條件及植被覆蓋度得到適用于研究區(qū)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度分為四級(jí)：第一級(jí)，植被覆蓋度≤0.1，屬于極低覆蓋度植被；第二級(jí)，植被覆蓋度0.1～0.35，屬于低覆蓋度植被；第三級(jí)，植被覆蓋度0.35～0.65，屬于中高覆蓋度植被；第四級(jí)，植被覆蓋度≥0.65，屬于高覆蓋度植被。2015—2017年各等級(jí)植被覆蓋度面積比例(表1)表明：中高和高覆蓋度植被占比整體較低，2015—2017年中高和高覆蓋度平均保持在4.3%和2.0%，且占比較為穩(wěn)定。極低覆蓋度占比最大，平均為50.0%；低覆蓋度占比平均為44.3%。相比上一年，2016年極低覆蓋度植被向低覆蓋度植被轉(zhuǎn)化了30.7%，2017年由低覆蓋度植被向極低覆蓋度植被退化了40.3%，可見極低和低覆蓋度植被之間的變化較大。

圖3 2015—2017年植被覆蓋度空間分布Fig.3 FVC spatial distribution in 2015-2017

表1 2015—2017年各等級(jí)FVC面積統(tǒng)計(jì)

2.3 鹽漬化分級(jí)分析

利用2017年影像計(jì)算的NDVI和改進(jìn)鹽漬化指數(shù)結(jié)果進(jìn)行重采樣，在SPSS中進(jìn)行斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)分析。結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)R為-0.626，通過顯著性差異檢驗(yàn)(P<0.01)，即NDVI和改進(jìn)鹽漬化指數(shù)為強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。NDVI反演結(jié)果間接檢驗(yàn)了改進(jìn)鹽漬化指數(shù)在青土湖區(qū)提取土壤鹽漬化信息的準(zhǔn)確性，鹽漬化反演結(jié)果符合區(qū)域?qū)嶋H狀況。目前，土壤鹽漬化等級(jí)一般根據(jù)土壤含鹽量、鹽離子組成和土壤鹽堿性劃分[17]。本文基于研究區(qū)鹽漬土特征和羅家雄[18]提出的干旱區(qū)鹽漬土等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]，得到適用于研究區(qū)的鹽漬土等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)。青土湖區(qū)2015—2017年土壤鹽漬化計(jì)算結(jié)果(圖4)顯示：研究區(qū)內(nèi)鹽漬化較高的區(qū)域主要分布在淺水區(qū)北部和東南部，其中西北部有小面積低鹽漬化區(qū)域分散分布；東南部有鹽漬化區(qū)域連片分布，除2016年略有降低外，其他兩年皆表現(xiàn)為重鹽漬化。依據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果和表2劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得到研究區(qū)2015—2017年MSI各等級(jí)面積比例(表3)。數(shù)據(jù)表明，非鹽漬土和輕度鹽漬土占比整體偏低，其中非鹽漬土平均保持在25.9%，2015—2017年增長(zhǎng)了2.5%。重度鹽漬土占比最高，平均占研究區(qū)總面積的45.4%，致使該區(qū)域植物生長(zhǎng)困難，嚴(yán)重影響植被覆蓋度的增加。

圖4 2015—2017年MSI反演結(jié)果Fig.4 MSI inversion results in 2015-2017

表3 2015—2017年不同MSI面積比例

表2 土壤鹽漬化程度劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 植被覆蓋度與土壤鹽漬化相關(guān)性分析

2.4.1 植被覆蓋度與土壤鹽漬化的相關(guān)性分析 采用SPSS計(jì)算2015—2017年青土湖區(qū)植被覆蓋度(FVC)與改進(jìn)鹽漬化指數(shù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)最高為2017年(R=-0.691,P<0.01)；2016相關(guān)系數(shù)(R=-0.651,P<0.01)；相關(guān)系數(shù)最低為2015年(R=-0.621,P<0.01)。數(shù)據(jù)顯示：2015—2017年FVC和MSI相關(guān)系數(shù)的顯著性差異檢驗(yàn)結(jié)果均為顯著相關(guān)。表明植被覆蓋度與鹽漬化評(píng)價(jià)指數(shù)結(jié)果具有負(fù)向高度相關(guān)關(guān)系，該區(qū)土壤鹽漬化對(duì)植被覆蓋度有明顯的影響。

2.4.2 植被覆蓋度與土壤鹽漬化的空間相關(guān)分析 采用空間相關(guān)性分析方法[19]，得到青土湖區(qū)植被覆蓋度與土壤鹽漬化空間相關(guān)性分布圖(圖5,見236頁)。統(tǒng)計(jì)表明：植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.532,P<0.05)的面積為88.95 km2，占研究區(qū)面積的62.84%，主要分布在離青土湖淺水區(qū)較遠(yuǎn)的外圍區(qū)域；植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.092,P<0.05)的面積為20.69 km2，占研究區(qū)面積的14.62%，主要分布在青土湖淺水區(qū)鄰近區(qū)域和湖中零星區(qū)域，分布離散且多呈條帶狀圍繞淺水區(qū)分布，這一區(qū)域地下水位較高，減小了土壤鹽漬化對(duì)植被生長(zhǎng)的抑制作用，故植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈正相關(guān)關(guān)系。王佺珍等[20]的研究也指出輕度鹽漬土可以促進(jìn)植被覆蓋度的提高，高濃度則會(huì)明顯抑制，且隨濃度的升高，抑制作用增強(qiáng)，與本文結(jié)論一致。

圖5 植被覆蓋度和土壤鹽漬化空間相關(guān)性Fig.5 Spatial correlation of vegetation coverage and soil salinization

2.4.3 不同植被覆蓋度與不同等級(jí)鹽堿土關(guān)系的定量分析 依據(jù)植被覆蓋度和改進(jìn)鹽漬化指數(shù)值分級(jí)結(jié)果，在ArcGIS中通過疊置分析統(tǒng)計(jì)不同植被覆蓋度各等級(jí)鹽漬土的面積，結(jié)果見表4。結(jié)果表明：高覆蓋度植被主要分布在非鹽漬土區(qū)域，2015年100.00%的高覆蓋度植被分布在非鹽漬土區(qū)域，2016年和2017年分別為94.44%和100.00%，占比極高且分布穩(wěn)定。中高覆蓋度植被同樣集中分布在非鹽漬土區(qū)域，2015—2017年中高覆蓋度植被在非鹽漬土分布的區(qū)域面積占比分別為99.73%、81.55%和99.92%，比例極高且比較穩(wěn)定。低覆蓋度植被在非鹽漬土區(qū)域的面積占比在2015—2017年平均為46.6%，但低覆蓋度植被不同年份在不同鹽漬土上分布不穩(wěn)定，變化較大。極低覆蓋度植被主要分布在鹽漬土區(qū)域，大部分分布在中度和重度鹽漬土區(qū)域，2015—2017年極低覆蓋度植被平均分布在中度鹽漬土區(qū)域的面積比例為16.3%，分布在重度鹽漬土區(qū)域的面積比例為51.4%。不同覆蓋度植被在各等級(jí)鹽漬土上的分布比例充分顯示了鹽漬土等級(jí)對(duì)植被覆蓋度的影響程度，中高覆蓋度和高覆蓋度植被主要分布于非鹽漬土區(qū)域，低覆蓋度和極低覆蓋度植被主要分布在鹽漬土區(qū)域，且年際間面積變化較大、空間分布不穩(wěn)定，對(duì)不同鹽漬土響應(yīng)更為敏感。

表4 不同覆蓋度植被占各級(jí)鹽漬土的面積統(tǒng)計(jì)

2.4.4 植被覆蓋度與土壤鹽漬化年際變化響應(yīng)分析 定義植被覆蓋度和鹽漬土降低為逆轉(zhuǎn)，植被覆蓋度升高和鹽漬土濃度增加為發(fā)展。為進(jìn)一步研究青土湖區(qū)植被覆蓋度和土壤鹽漬化的空間變化，將極低覆蓋度、低覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度植被和非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土的4個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行1～4賦值，將2015—2017年植被覆蓋度和鹽漬土的變化依據(jù)表5進(jìn)行分級(jí)，通過ArcGIS柵格計(jì)算器，得到植被覆蓋度和鹽漬土變化圖(圖6，見236頁)。

圖6 2015—2017年青土湖區(qū)植被覆蓋度(a) 和鹽漬化程度(b)變化Fig.6 Vegetation coverage (a) and salinization (b) change in Qingtu Lake area in 2015-2017

表5 青土湖區(qū)植被覆蓋度和土壤鹽漬化變化分級(jí)

對(duì)植被覆蓋度和鹽漬土變化統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表6)，80.36%植被覆蓋度和82.53%鹽漬土未發(fā)生變化，未變化的植被覆蓋度和鹽漬土分布于整個(gè)研究區(qū)但不連續(xù)，被逆轉(zhuǎn)或發(fā)展的條帶、斑塊所分割。植被覆蓋度明顯逆轉(zhuǎn)區(qū)域面積極小，占研究區(qū)面積的0.45%，逆轉(zhuǎn)區(qū)域占研究區(qū)面積的15.34%；鹽漬化明顯逆轉(zhuǎn)區(qū)域占研究區(qū)面積的7.24%，逆轉(zhuǎn)區(qū)域占研究區(qū)面積的2.14%。植被覆蓋度明顯逆轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部，在小范圍內(nèi)連續(xù)分布，部分非連續(xù)區(qū)域分布于研究區(qū)西北部，整體來看研究區(qū)植被覆蓋度發(fā)展和土壤鹽漬化逆轉(zhuǎn)區(qū)域在空間分布上基本一致，充分說明了鹽漬土對(duì)植被覆蓋度變化的巨大影響。植被覆蓋度發(fā)展和快速發(fā)展區(qū)域面積較小，占比分別為3.69%和0.16%，主要分布于淺水區(qū)域，小部分零星分布在淺水區(qū)外圍。同樣，研究區(qū)鹽漬化發(fā)展和快速發(fā)展區(qū)域比例較小，僅占研究區(qū)面積的3.36%和4.73%，淺水區(qū)域基本未出現(xiàn)鹽漬化發(fā)展?fàn)顩r，僅在淺水區(qū)西北邊緣出現(xiàn)小片鹽漬化區(qū)域。結(jié)果表明，研究區(qū)植被覆蓋度逆轉(zhuǎn)區(qū)域和土壤鹽漬化發(fā)展區(qū)域的占比與空間分布趨于一致。

表6 2015—2017年植被覆蓋和鹽漬化變化面積統(tǒng)計(jì)

2.5 植被覆蓋度與鹽漬土發(fā)展緩沖區(qū)分析

青土湖淺水區(qū)邊界以間距500 m作多環(huán)緩沖區(qū)，對(duì)不同距離內(nèi)植被覆蓋度和土壤鹽漬化的變化做統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表7)：500 m范圍內(nèi)植被覆蓋度發(fā)展較快，其中發(fā)展區(qū)域面積占9.63%，快速發(fā)展區(qū)域面積占0.68%，明顯逆轉(zhuǎn)區(qū)域面積占1.63%，逆轉(zhuǎn)區(qū)域面積占18.15%，總體呈逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)；而鹽漬化發(fā)展區(qū)域面積占1.64%，快速發(fā)展區(qū)域面積占1.42%，明顯逆轉(zhuǎn)區(qū)域面積占12.68%，逆轉(zhuǎn)區(qū)域面積占0.40%，總體也呈逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)，所以在500 m范圍內(nèi)鹽漬化對(duì)植被覆蓋度變化無顯著影響。在500 m之外植被覆蓋度發(fā)展區(qū)域面積占比急劇下降，鹽漬化發(fā)展和快速發(fā)展比例則逐漸增加，說明淺水區(qū)外部區(qū)域土壤鹽漬化是影響植被覆蓋度的重要因素之一，且隨著距離的增加植被覆蓋度對(duì)土壤鹽漬化響應(yīng)愈加顯著。氣候、土壤是影響植被覆蓋度發(fā)展的重要因素，但前人研究發(fā)現(xiàn)青土湖區(qū)降水量小、蒸散發(fā)量高，30年來該區(qū)域氣候變化波動(dòng)較小，且隨著氣候的變化植被覆蓋變化不明顯，氣候因子對(duì)植被覆蓋度的影響較弱[21]。所以鹽漬化對(duì)該區(qū)域植被覆蓋度影響更加重要。

表7 距淺水區(qū)不同距離植被覆蓋度和土壤鹽漬化變化趨勢(shì)

3 討論與結(jié)論

本文在計(jì)算青土湖區(qū)土壤鹽漬化和植被覆蓋度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定量分析了土壤鹽漬化對(duì)不同等級(jí)植被覆蓋度時(shí)空分布和時(shí)空變化的影響特征，得出如下主要結(jié)論：

(1)土壤鹽漬化是影響青土湖及其周邊地區(qū)植被覆蓋度的重要因素之一。鹽漬土抑制植被覆蓋度的增加，影響植被的分布。植被覆蓋程度與土壤鹽漬化等級(jí)之間存在顯著負(fù)向相關(guān)，青土湖淺水區(qū)輕度鹽漬土區(qū)域植被覆蓋度與土壤鹽漬化之間為正相關(guān)關(guān)系，而青土湖外圍中度和重度鹽漬土區(qū)域則為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)高覆蓋度和中高覆蓋度植被主要分布于非鹽漬土區(qū)域且分布穩(wěn)定，低覆蓋度植被分布于鹽漬土區(qū)域且對(duì)不同程度鹽漬土響應(yīng)靈敏。土壤鹽漬化變化時(shí)，低覆蓋度植被受鹽漬土影響較大且變化明顯。

(3)土壤鹽漬化嚴(yán)重影響植被覆蓋度的時(shí)空變化，植被覆蓋度隨鹽漬土的發(fā)展而逆轉(zhuǎn)，鹽漬土的變化直接影響植被覆蓋度的發(fā)展和空間分布。在青土湖淺水區(qū)500 m范圍內(nèi)鹽漬化對(duì)植被覆蓋度變化無顯著影響，淺水區(qū)外圍則響應(yīng)明顯，隨距離的增加植被覆蓋度與鹽漬土?xí)r空變化關(guān)系愈加緊密。