劉海新, 高葉鵬, 王煒
(河北工程大學,礦業(yè)與測繪工程學院,河北 邯鄲 056038)
干旱是一種周期性頻發(fā)的自然災害之一[1]。近年來,受到全球氣候變暖以及極端天氣頻發(fā)的影響,干旱已演變成一種常態(tài)化現(xiàn)象,每年都會有一定程度的干旱現(xiàn)象發(fā)生[2-3]。農(nóng)業(yè)是受干旱影響的高危行業(yè),農(nóng)作物對干旱尤為敏感,干旱不僅會影響農(nóng)作物產(chǎn)量導致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至是絕產(chǎn),而且每年因干旱造成的經(jīng)濟損失也在逐年增加。農(nóng)業(yè)干旱之所以成災,往往是由于氣候因子引起的,氣候的變化會影響降水的分布和時空格局,造成地區(qū)水資源供需失衡[4]。為解決我國復雜的水資源和水環(huán)境問題,2012年1月國務院基于國情發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(以下簡稱“最嚴格水資源管理制度”),對區(qū)域農(nóng)業(yè)用水和水資源調(diào)配等問題提出了嚴格的要求[5]。京津冀地區(qū)作為我國重要的政治、經(jīng)濟中心,人口密集,對農(nóng)產(chǎn)品的需求量非常大,“最嚴格水資源制度”的提出給京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴峻的考驗,今后如何保障該地區(qū)農(nóng)作物正常的生長發(fā)育和產(chǎn)量是京津冀目前面臨的一個難題[6]。因此,深入研究京津冀地區(qū)干旱的特點和規(guī)律,對于建立干旱預警機制以及保障該地區(qū)糧食安全具有非常重要的實用價值。
近些年,隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展,影像的分辨率越來越高,遙感數(shù)據(jù)的種類和光譜信息也愈加豐富,因而也衍生出一系列遙感干旱監(jiān)測指數(shù)[7-8]。目前,國內(nèi)外開展干旱監(jiān)測研究主要是利用各種干旱監(jiān)測指數(shù)[9],例如,沙莎[10]等人利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)反演出植被狀態(tài)指數(shù)(VCI),并將其用于河南省干旱監(jiān)測;Kogan[11]在植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)的基礎上,提出了溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI),隨之更多的學者[12-14]在該指數(shù)的基礎上進行了廣泛的研究,將其應用于各種區(qū)域的干旱監(jiān)測;劉安麟[15]、申廣榮[16]、王玉娟[17]等人基于熱量平衡原理構(gòu)建的作物缺水指數(shù)模型(CWSI),分別將其用于黃淮海、陜西關(guān)中和渭河流域等地區(qū)的干旱監(jiān)測,并取得了很好的效果; Sandholt[18]等人在前人Nemani等的植被供水指數(shù)和Moran的梯形理論研究的基礎之上,提出了基于植被指數(shù)(VI)和陸地表面溫度(LST)的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI),隨之更多的學者[19-23]利用其進行了大量的研究,研究表明結(jié)合土壤水分和植被狀況在干旱監(jiān)測中相較其他指數(shù)監(jiān)測效果更好。
京津冀地區(qū)是一個干旱頻發(fā)的區(qū)域,嚴重的干旱災害制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展,目前針對該地區(qū)長時間序列的農(nóng)業(yè)干旱研究還相對較少,鑒于此,本文基于2000-2016年每年5-10月份的MODIS NDVI和LST數(shù)據(jù)擬合構(gòu)建的TVDI模型對京津冀地區(qū)進行干旱監(jiān)測,分析京津冀地區(qū)干旱的時空分布,進一步研究農(nóng)用地的干旱狀況,并重點探討“最嚴格水資源管理制度”的頒布對農(nóng)業(yè)干旱的影響,以期對京津冀地區(qū)干旱監(jiān)測與旱情評估提供科學的參考依據(jù),為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎。
京津冀地區(qū)即首都經(jīng)濟圈,范圍包括北京市、天津市以及河北省11個地級市(石家莊、保定、承德、邯鄲、邢臺、衡水、滄州、張家口、秦皇島、廊坊、唐山)。京津冀地區(qū)介于東經(jīng)113°27′~119°50′、北緯36°05′~42°40′之間,土地覆蓋面積達到21.6萬平方公里,地勢整體呈現(xiàn)北高南低,其北為燕山,南屬華北平原地勢平坦,西依太行山,西北為壩上高原,東與渤海相接,境內(nèi)還有眾多河流。京津冀地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候,其特點是四季分明、光照時間充足、降水波動較大且存在明顯的區(qū)域差異,降水東南多西北少,雨水大部分集中在夏季,易形成旱澇災害,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定影響。京津冀地區(qū)人口密集,人口流動性大,外來人口居多,常住人口大約在一億左右,對糧食的需求量大,保障糧食的基本供應對于該地區(qū)具有重要的實際意義。京津冀地區(qū)也是我國重要的糧食種植基地,主要農(nóng)作物是一年兩熟兩作的小麥和玉米,其他作物還有棉花、果樹、蔬菜等,而且小麥和玉米等屬于高強度耗水作物,每年需要消耗大量的水資源。
(一)數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理
本文選取的遙感數(shù)據(jù)為每年5-10月份空間分辨率為1Km的MODIS數(shù)據(jù),包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和地表溫度(LST)產(chǎn)品,數(shù)據(jù)時間跨度為2000-2016年,共計17年。其中MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品來源于兩部分:一部分來源于地理空間數(shù)據(jù)云2000-2010年MODIS中國合成產(chǎn)品;剩下的2011-2016年數(shù)據(jù)來源于NASA官網(wǎng),包括8天合成的MOD11A2地表溫度/反射率數(shù)據(jù)和MOD13A3植被指數(shù)月數(shù)據(jù)。其中MOD11A2和MOD13A3需經(jīng)過MRT進行預處理(拼接和重投影),獲得LST和NDVI波段信息。
降水量數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集,時間跨度為MODIS影像數(shù)據(jù)對應的2000-2016年。
土地覆蓋類型數(shù)據(jù)采用NASA官網(wǎng)下載的MODIS MCD12Q1 500m的3級陸地標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)品采用五種不同的土地覆蓋分類方案:國際地圈生物圈計劃(IGBP)的全球植被分類方案、美國馬里蘭大學(UMD格式)方案、基于MODIS葉面積指數(shù)/光合有效輻射方案、基于MODIS衍生凈初級生產(chǎn)力(NPP)方案,該數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要的提取技術(shù)是監(jiān)督分類和決策樹分類法。本文選擇馬里蘭大學的分類方案,利用MRT提取Land cover type2數(shù)據(jù),并重采樣到1km空間分辨率。Land cover type2包含17個主要土地利用覆蓋類型,本文在其基礎上進行修改、合并獲得主要的土地覆蓋類型。
(二)研究方法
1.最大值合成法
最大值合成法MVC[24](Maximum Value Composites)即從幾幅影像中取最大值重新生成一副新的影像,該方法可以有效減少影像噪聲、云、大氣、太陽高度角等的影響,大大提高影像的質(zhì)量。本文利用該方法將8天合成的地表溫度數(shù)據(jù)合成月數(shù)據(jù)產(chǎn)品,以達到和NDVI相同的時間分辨率。
2.溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)
地表溫度(LST)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間存在著明顯的負相關(guān)關(guān)系,二者結(jié)合可以更好地反映植被生長狀況和土壤濕度的信息。溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)[25]即通過擬合LST和NDVI構(gòu)建特征空間,用于干旱監(jiān)測,其計算公式如下:
(1)
Tsmax=a1+b1×NDVI
(2)
Tsmin=a2+b2×NDVI
(3)
式中Tsmin是最低地表溫度(℃),Tsmax是相同NDVI值條件下最高地表溫度(℃),a1,a2,b1,b2是干濕邊擬合模型的系數(shù)。
TVDI取值范圍介于0-1之間,TVDI值越大,干旱程度越嚴重,反之則越低[26]。本文根據(jù)前人研究[27-28]將TVDI劃分為5個等級,具體劃分結(jié)果如表1所示。
表1 TVDI分級表
(一)京津冀地區(qū)干旱時空分布年變化
由于5月前的植被長勢不夠穩(wěn)定,NDVI值偏低,易導致TVDI模型的計算精度差,因此,本文通過TVDI模型計算了2000-2016年每年5-10月份的TVDI,并對每年5-10月份TVDI結(jié)果進行平均處理,獲得TVDI平均分級圖,結(jié)果表明,京津冀地區(qū)干旱情況整體上是北旱南濕,干旱地區(qū)主要集中在北部張家口以及承德以北等地區(qū),嚴重干旱地區(qū)大多位于張家口地區(qū),但在2013年之后,干旱情況發(fā)生變動,出現(xiàn)由北向南偏移的現(xiàn)象,干旱開始集中在南部平原地區(qū)。
張家口地區(qū)素有“十年九旱”之稱,屬于典型的缺水型區(qū)域。該地區(qū)位于壩上高原,海拔較高,地形上又受到燕山和太行山兩座天然屏障對水汽的阻擋,導致水汽資源減弱,降水量比較偏少,因而干旱現(xiàn)象頻發(fā)。另該地區(qū)處于半干旱地區(qū),鄰接內(nèi)蒙古,生態(tài)環(huán)境惡劣,風沙現(xiàn)象嚴重,地表蒸發(fā)量較高,這也是致使該地區(qū)長期以來經(jīng)常性干旱的重要原因。
干旱地區(qū)在2013年之后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折,重心開始逐漸由北部向南部地區(qū)偏移,干旱地區(qū)大面積出現(xiàn)在京津冀南部地區(qū),北部只有零星的干旱地區(qū)存在,甚至到2015年之后北部嚴重干旱地區(qū)基本消失,只有少數(shù)地區(qū)較為干旱,而南部地區(qū)干旱現(xiàn)象卻開始加劇,局部地區(qū)出現(xiàn)嚴重干旱現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的發(fā)生是由于京津冀南部地區(qū)是重要的糧食種植基地,農(nóng)用地在南部地區(qū)占有很大的比例,而且該地區(qū)主要農(nóng)作物是小麥和玉米等高強度耗水作物,對水資源需求量非常大。
目前,京津冀農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來源于地下水,但由于長期的利用地下水,近幾年地下水位下降嚴重,同時2013年6月河北省響應“最嚴格水資源管理制度”的政策,開始實施對地下水開采進行了限制的措施,進一步加劇了該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的緊張,因而也是導致南部地區(qū)2013年之后會出現(xiàn)大面積干旱現(xiàn)象的重要原因。而張家口北部等地區(qū)是我國重要的防護林基地,經(jīng)過幾十年的生長發(fā)育,林木已具有一定規(guī)模,對于生態(tài)環(huán)境有了極大地改善,可以有效減緩地表水分蒸發(fā)的速度,而且林木對水分具有重要的涵養(yǎng)作用,可以降低地表溫度,減少水分流失,這也是該地區(qū)干旱現(xiàn)象緩解的重要原因。
比較研究期TVDI計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),濕潤地區(qū)在2013年之前主要集中在以北京為核心的周邊地區(qū)和沿海地區(qū)2013年之后開始向北和沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移。據(jù)統(tǒng)計,在2000-2016年之間,京津冀地區(qū)人口一直呈現(xiàn)上升的趨勢,激增的人口使得對水資源的需求量也在逐漸加大,同時城市擴張速度加快,城市熱島效應加劇,導致地表溫度急劇上升;另外社會經(jīng)濟有了長足發(fā)展,京津冀地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化,第二產(chǎn)業(yè)占據(jù)了經(jīng)濟的核心,水資源有一部分開始向第二產(chǎn)業(yè)傾斜,導致部分農(nóng)業(yè)用水被占據(jù),加之工廠污染物和化肥農(nóng)藥的使用加速了水質(zhì)的下降,加劇了水資源短缺的局面,這也是造成北京地區(qū)水資源短缺的重要因素。另外受到水資源灌溉設備的落后,水資源浪費現(xiàn)象嚴重,導致水資源分配不均,部分地區(qū)由于水資源不充分,出現(xiàn)嚴重的干旱現(xiàn)象。
(二)京津冀地區(qū)農(nóng)用地干旱統(tǒng)計分析
京津冀地區(qū)農(nóng)用地占據(jù)了總面積的51.25%,直接關(guān)系到當?shù)氐牡谝划a(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文以研究區(qū)域土地覆蓋類型為底圖提取京津冀農(nóng)用地的干旱情況,并分別對農(nóng)用地干旱和嚴重干旱的受災面積進行統(tǒng)計。
干旱統(tǒng)計結(jié)果表明,在2000-2016年期間,干旱在農(nóng)作物的生長階段一直存在,就月份來看,農(nóng)用地大面積干旱主要發(fā)生在5月、6月和10月這三個月份, 這與京津冀整體的干旱情況大體一致,干旱前半季度比后半季度形勢較為嚴峻,另外最不容易發(fā)生干旱的月份是7月和8月,這與京津冀大陸性季風氣候的特點相吻合,降雨主要集中在這一階段,使干旱受災情況在一定程度有所緩解;從年份的角度來看,在 2012年之前京津冀地區(qū)農(nóng)用地干旱情況逐年有所減緩,但在2012年之后干旱情況出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,之后幾年里農(nóng)用地受災面積越來越大,其中在2015年農(nóng)用地干旱受災情況最為嚴重,除7月和10月份之外其他月份干旱面積高達50%以上。
嚴重干旱統(tǒng)計表明,2000-2013年期間,京津冀農(nóng)用地嚴重干旱面積占比相對較小而且整體波動幅度不大,受災嚴重月份主要集中在每年五月;2014年之后,嚴重干旱面積占比出現(xiàn)激增,到2015年達到最大,增幅達到1.91%,2016年之后嚴重干旱面積仍保持較大的占比。
為進一步分析“ 最嚴格水資源管理制度”對農(nóng)業(yè)干旱的影響,本文將干旱及嚴重干旱占農(nóng)用地的百分比進行了累計,并獲取研究期5-10月份月均干旱及嚴重干旱所占百分比。同時,對研究區(qū)內(nèi)2000-2016年5-10月份的累計降水量進行平均處理,獲取月均降水量。圖1為月均干旱及嚴重干旱所占比例及月均降水量的統(tǒng)計圖,從圖中可以看出,2000-2016年5-10月的月均降水量變動幅度不大,在1000-1500 mm附近震蕩;而同期的干旱及嚴重干旱面積在2012年之前較為平穩(wěn),而2013年以后開始增長,尤其是在2015年和2016年度,出現(xiàn)了大幅度增加趨勢,其所占比例高達70%~80%。
“ 最嚴格水資源管理制度”的實施導致地下水開采受到極大的限制,而研究區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉主要采用地下水,由此造成研究區(qū)農(nóng)業(yè)干旱加劇。因此,有必要在“ 最嚴格水資源管理制度”下,基于作物的需水量和作物的生長發(fā)育周期以及其生長過程中所需的化肥農(nóng)藥對研究區(qū)的種植結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。
圖1 降水量與農(nóng)用地干旱和嚴重干旱月平均百分比對比圖
本文以2000-2016年5-10月份MODIS數(shù)據(jù)為基礎,基于TVDI模型,對京津冀地區(qū)干旱情況進行了系統(tǒng)的研究,分析其干旱的時空變化,并重點研究農(nóng)用地的干旱情況,得到如下結(jié)論:
(一)京津冀是一個干旱頻發(fā)的區(qū)域,有多年連續(xù)干旱的現(xiàn)象,其干旱主要集中在北部張家口和承德以北等地區(qū);南部地區(qū)作為京津冀重要的農(nóng)業(yè)種植基地,在2012年之前干旱情況屬于正常水平,自河北省 2013年6月積極響應“最嚴格水資源管理制度”后,受地下水開采的限制,農(nóng)業(yè)干旱開始加劇。
(二)京津冀干旱主要發(fā)生在5-7月份,8月之后由于大陸性季風氣候的特點,降水比較多,干旱情況就相對有所減緩。
本文的研究結(jié)果證實TVDI在京津冀地區(qū)有很好的適用性,其研究結(jié)果可為未來干旱政策制定和實施提供數(shù)據(jù)支持。當然,京津冀地區(qū)由于地形復雜多變,氣候類型多樣,土地覆被類型不盡相同,而且京津冀城市化發(fā)展較快、政策變化大而且實施快,因而衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能與地面的實際狀況存在一定的匹配問題;同時,受MODIS數(shù)據(jù)更新的影響,本文僅研究至2016年,隨著遙感數(shù)據(jù)的不斷更新,后續(xù)將進行持續(xù)研究,更深入地探討“ 最嚴格水資源管理制度”對農(nóng)業(yè)干旱的影響。