基于NDVI科克蘇濕地蒸散量時空變化特征分析

阿依努·吐遜，張青青*，徐海量，閆俊杰

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；3.伊犁師范大學(xué)，新疆 伊寧 835000)

【研究意義】蒸散量是生態(tài)系統(tǒng)水分平衡的重要指標(biāo)，植物光合作用與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力密切相關(guān)，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中還可作為評價其功能的重要指標(biāo)[1]。水分輸入和輸出的動態(tài)平衡在陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間為濕地創(chuàng)造了調(diào)節(jié)功能，其中蒸散量作為濕地與大氣之間水熱交換的主要方式，對濕地水位和氣象條件有較大影響。蒸散量是地表水分循環(huán)和熱量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是區(qū)域水熱平衡的重要指標(biāo)[2]，在植被生態(tài)系統(tǒng)耗水中占有重要比例，量化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)與植被變化及其相互關(guān)系，對開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)資源分配具有重要指導(dǎo)價值[3]。在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，開始為蒸散量測定注入了新的活力，這一技術(shù)搭配渦度相關(guān)法，可以得出比較精確和有效的測定結(jié)果，研究濕地蒸散量變化規(guī)律，對于當(dāng)?shù)厮Y源合理分配、利用與管理具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，已有多個世界機(jī)構(gòu)和科研團(tuán)隊公開發(fā)布了不同時間及空間尺度的蒸散發(fā)與植被遙感的成品數(shù)據(jù)；由于蒸散與植被生產(chǎn)力具有良好相關(guān)性，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)可以用于衡量植被的生長狀況和植被覆蓋度的最佳動態(tài)監(jiān)測的有效指標(biāo)[4-5]。而MODIS NDVI數(shù)據(jù)則是植被動態(tài)監(jiān)測中被廣泛采用的數(shù)據(jù)[6-7]。Srivastava等[8]以印度干旱區(qū)作為研究課題，對植被指數(shù)以及植物干物質(zhì)產(chǎn)量之間存在的聯(lián)系進(jìn)行深入的分析，確定了累計NDVI與蒸散量之間存在的具體聯(lián)系。Kerr等[9]利用積累NDVI估算了非洲的蒸散量。2006年，喬平林等[10]使用MODIS圖像獲得了一種利用遙感圖像反演大面積地表蒸散的研究方法；楊秀芹等[11]基于遙感技術(shù)開展了淮河流域MOD16-ET數(shù)據(jù)的精度驗證工作，并對2000-2014年淮河流域的蒸散發(fā)時空分布情況進(jìn)行了深入分析。周妍妍等[12]利用MODIS數(shù)據(jù)和SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型反演了疏勒河流域蒸散量時空動態(tài)。馮飛等[13]在MOD16產(chǎn)品估算的基礎(chǔ)上，對三江平原的蒸散量時空分布情況進(jìn)行了深入分析。至今，還未出現(xiàn)能夠準(zhǔn)確及直接測量蒸散量的方法，大都是根據(jù)氣象站的氣象資料，采用理論公式或者經(jīng)驗公式來計算獲得蒸散量，或通過蒸發(fā)皿法和蒸滲儀法獲取蒸散量。只能代表較小區(qū)域或某一種植被類型的蒸發(fā)情況，對于大區(qū)域或流域蒸散量的獲取要進(jìn)一步研究。【本研究切入點】本文利用2018-2019年渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)測得的蒸散量數(shù)據(jù)和NDVI遙感數(shù)據(jù)結(jié)合建立模擬關(guān)系，通過回歸分析法反演科克蘇濕地蒸散量的空間變化格局與演變規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以科克蘇濕生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，用渦度相關(guān)法定量分析濕地蒸散量的時間變化規(guī)律，并利用MODIS MOD13Q1產(chǎn)品的NDVI數(shù)據(jù)和常規(guī)地面用渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)實測的ET數(shù)據(jù)相結(jié)合，估算并分析科克蘇濕地植被覆蓋度及蒸散量的空間變化特征，為區(qū)域濕地發(fā)展、退化濕地植被恢復(fù)與重建、水資源分配與合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域

科克蘇濕地自然保護(hù)區(qū)位于新疆阿勒泰市西南部，47°28′31″～47°40′9″N，87°9′12″～87°34′59″E。該保護(hù)區(qū)有2條河流相匯，濕地在兩者作用之下形成。科克蘇濕地自然保護(hù)區(qū)存在多種濕地類型。濕地總面積964.82 km2，東西長20.8 km，南北寬20.2 km，海拔高度476～796 m；每年平均溫度4.9 ℃，最高溫可達(dá)39.5 ℃；最低溫可達(dá)-46.7 ℃；大于5 ℃的年積溫3087.4 ℃；大于10 ℃的年積2794.7 ℃；年累計日照時間2825～2960 h。平均年降水量和蒸發(fā)量分別為112.6、2000 mm[14]。本研究區(qū)包括平原河谷北屯區(qū)域，地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對較好，科克蘇濕地形成于額爾齊斯河與其支流克蘭河交匯的三角地帶，克蘭河在此分叉散失，二者共同形成了科克蘇濕地，包括河流、沼澤(森林沼澤和草本沼澤)、灘地(河灘和湖灘)、鹽沼等多種濕地類型。微地形的變化和對地表水分的再分配，導(dǎo)致了研究區(qū)內(nèi)土壤水分梯度的劇烈變化，形成了草原、草甸、沼澤、森林、河流、湖泊等多種景觀類型，同時也孕育了復(fù)雜多樣的植被類型[15-16]?？瓶颂K濕地主要的優(yōu)勢種是巨序剪股穎小糠草(Agrostisgigantea)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、水燭(Typhaangustifolia)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

1.2 研究方法

本文采用美國LI-COR公司的LI-7500DS渦度相關(guān)開路通量系統(tǒng)對科克蘇濕地進(jìn)行儀器安裝和監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由開路式三維超聲風(fēng)速儀(CSAT3，Campbell Scientific Inc.，USA)、CO2/H2O紅外分析儀(LI-7500，Li-COR Inc.，USA)和數(shù)據(jù)采集器(CR5000，Campbell Scientific Inc.，USA)組成。通量觀測系統(tǒng)架設(shè)在地勢平坦開闊的典型天然草地上，符合通量觀測對下墊面的要求，儀器高度距地面2.5 m，采樣頻率為10 Hz，分別用來測定CO2、水汽脈動，并通過數(shù)據(jù)采集器CR5000記錄和存儲10 Hz 的原始通量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄時間間隔為30 min，每自動記錄一次水汽和CO2通過觀測面的通量，自動將水汽單位轉(zhuǎn)換成mm。

MODIS 植被指數(shù)產(chǎn)品來自于美國地質(zhì)勘探局(http://glovis.usgs.gov/)中的 MODIS NDVI數(shù)據(jù)(MOD13Q1)。其空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，選取2018和2019年每年4-10月的 MODIS NDVI數(shù)據(jù)，作為研究區(qū)植被生長狀況和類型的反映。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對于渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)得到的10Hz原始湍流數(shù)據(jù)運(yùn)用Logger Net軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換(TOB3-TOB1)，采用美國LI-COR公司研發(fā)的Eddy Pro軟件進(jìn)行系列校正計算，包括異常值及野值點剔除、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正、頻率損失修正、超聲虛溫修正、空氣密度效應(yīng)修正(WPL修正)等基本處理，得到采樣間隔為30 min的通量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過大氣平穩(wěn)性檢驗、總體湍流特征檢驗等初步質(zhì)量控制。

植被蒸發(fā)量指采用渦度通量儀器測算兩種情況下的湍流脈動值，一方面是潛熱，另一方面是顯熱。其計算公式為：

(1)

式中，E為瞬時蒸發(fā)量值，ρ為空氣密度，w為垂直風(fēng)速，q為濕度的瞬時脈動值。

采用ENVI+IDL軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將HDF文件轉(zhuǎn)換為Geo tiff格式，再進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。為了降低噪音信息，獲得代表植被生長最好狀況的年NDVI數(shù)據(jù)，將NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行兩方面的合成處理，一方面是最為核心的MVC，另一方面是容易忽略的Savitzky-Golay濾波。

通過NDVI與蒸散量建立關(guān)系，利用關(guān)系模型估算得到科克蘇濕地蒸散量的空間變化和空間分布圖。最后為保證蒸散量數(shù)據(jù)與NDVI數(shù)據(jù)的空間匹配。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散量(ET)的時間變化特征

科克蘇濕地植被生長季為4-10月，濕地蒸散量年內(nèi)分布呈現(xiàn)先增大后減小的單峰型分布趨勢。由圖1可以看出，蒸散量從4月開始增加，7月達(dá)到最大，為313.31 mm。7月后，蒸散量開始下降。2019年，科克蘇濕地月蒸散量在4-5月增加78.79 mm，比2018年同月增加35.02 mm；2018年，6-8月月蒸散量分別為140.86、243.73和313.31 mm，比2019年同月增加13.91、10.77和10.22 mm；2019年9-10月蒸散量分別為127.69和45.07 mm，略高于2018年9-10月。

2.2 蒸散量(ET)的空間變化特征

利用監(jiān)測樣點實測的月ET數(shù)據(jù)，并提取樣點所對應(yīng)的月NDVI數(shù)據(jù)，建立兩者回歸分析模型。由圖2可知，研究區(qū)ET隨NDVI的增加逐步增加，其線性回歸方程為y=253.45x+0.6231，決定系數(shù)R2=0.8905，P<0.001(其中，x為NDVI，y為ET)，表明 NDVI和濕地ET的擬合效果良好，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。植被多的區(qū)域?qū)?yīng)ET高值區(qū)域，說明ET空間分布是由地區(qū)的植被覆蓋情況決定的。

通過NDVI與ET的回歸關(guān)系，反演ET不同時間段的空間變化(圖2)。濕地生長季平均蒸散量具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，科克蘇濕地ET變化特征與植被覆蓋的地帶性變化大體一致。植被覆蓋度高的地方，蒸散量較高。利用2018-2019年平均ET數(shù)據(jù)分析科克蘇濕地蒸散量的空間特征。并按ET的大小劃分(<50 mm)、(50～100 mm)、(100～150 mm)、(150～200 mm)、(>250 mm)5個等級。

由圖3和表1可知，ET從東南到西北逐步增加，東南區(qū)降水稀少，植被稀疏，ET減小。2018和2019年，全區(qū)2.26 %和3.22 %的區(qū)域ET<50 mm，全區(qū)18.05 %和8.55 %的區(qū)域ET為50～100 mm，中部平原區(qū)水分充足，日照充足，植被ET位于150～200 mm的比例最大，為34.93 %和36.15 %，其次是ET>200 mm，比例為30.98 %和31.34 %；再次是ET位于100～150 mm，比例為23.78 %和20.74 %。

表1 研究區(qū)2018-2019年均植被ET等級比例 Table 1 Proportion of ET average vegetation percentage in study area from 2018 to 2019 (%)

(1)2018年不同月份ET的空間變化特征。由表2可知，4月全區(qū)植被ET以<100 mm和100～150 mm為主，兩者占全區(qū)域的比例分別為69.14 %和16.65 %，平均ET為40.10 mm，植被ET主要分布在東南西北區(qū)和中部。5月ET逐步由<100 mm變?yōu)?00～150 mm，達(dá)到34.36 %，ET位于150～200 mm的面積分布區(qū)也向周圍蔓延，比例為20.75 %，平均ET值為87.30 mm；6-7月水分多，為植被生長旺季及植被ET最高期，2個月ET >250 mm的比例分別達(dá)到54.49 %和80.63 %，ET<100 mm和位于100～150 mm的比例則有不同程度減少，ET位于200～250 mm的比例分別為20.55 %和9.86 %。8月植被開始衰敗，植被蒸散量下降，ET>250 mm的區(qū)域面積占51.27 %，ET位于150～200 mm和200～250 mm的比例增加，分別為20.88 %和20.40 %；9月，ET >250 mm的比例減少到了3.12 %，ET位于100～150 mm和150～200 mm的比例增加，分別為30.97 %和31.23 %；10月，ET <100 mm的面積最大，比例達(dá)到45.66 %，其次ET位于150～200 mm的比例增加，達(dá)到32.38 %。全區(qū)平均ET值為126.35，ET >250 mm的比例最大，為45.48 %。

表2 研究區(qū)2018年月平均ET及ET等級比例 Table 2 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2018 (%)

(2)2019年不同月份ET的空間變化特征。從表3可知，4月ET位于<100 mm、100～150 mm的比例分別為71.22 %、18.36 %，平均ET值為38.08 mm；5月，植被ET面積增加，ET逐步由<100 mm變?yōu)?00～150 mm，主要向西北區(qū)域蔓延，比例為22.56 %和28.77 %，平均ET值為112.65 %；6-7月，植被ET分布格局幾乎一致，以ET >250 mm為主，分別在西北、中部及東南的部分區(qū)域，兩個月份的比例分別為59.23 %和77.84 %，ET為于200～250 mm的比例分別為19.72 %和12.10 %，ET位于150～200 mm的比例分別為12.34 %和6.07 %，平均ET值為203.20和225.82 mm；8-10月，科克蘇濕地植被ET逐步下降，8月ET位于>20 mm的面積減少到30.67 %，ET位于150～200和200～250 mm的比例增加到29.11 %和23.97 %；9月， ET位于100～150和150～200mm的比例增加到了40.21 %和29.46 %，10月，ET位于<100 mm和100～150 mm的比例增加，分別為65.47 %和17.54 %，其他等級不斷減少。全區(qū)平均ET值為126.86 mm，ET位于>250 mm的比例最大，為41.50 %。

表3 研究區(qū)2019年月平均ET及ET等級比例 Table 3 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2019 (%)

2.3 蒸散量(ET)年變化率的空間變化特征

由圖4和表4可知，科克蘇濕地植被ET的變化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例為27.90 %，主要位于中部和西北區(qū)；ET變化率< -36 mm·a-1的比例為20.91 %，主要位于西北區(qū)；ET變化率為0～23 mm·a-1的比例為24.04 %，空間上主要分布于東南和西北區(qū)；ET變化率為23～61 mm·a-1的比例為18.46 %，空間上主要位于東南和西北區(qū)；ET變化率> 61 mm·a-1的比例為8.69 %，空間上主要位于東南、中部及西北區(qū)域零星分布。

表4 蒸散量年變化率等級比例 Table 4 Grade ratio of annual change rate of evapotranspiration (%)

3 討 論

蒸散量對濕地的生態(tài)平衡非常重要，是水文和生態(tài)之間的紐帶。對于生態(tài)環(huán)境差的濕地，研究其蒸散量的發(fā)展變化趨勢，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的治理和重建意義重大[17]?？瓶颂K濕地地區(qū)降水量較多，地下水位較高；又處于干旱區(qū)，蒸散量在空間上的分布主要取決于水分和熱量狀況，而且植被分布也與水文地質(zhì)條件有密切關(guān)系。孫睿等[18]建立了年蒸散量與累積NDVI及相對濕潤指數(shù)之間的關(guān)系，對黃河流域近20年地表蒸散的時空分布進(jìn)行分析，得出年平均年蒸散量為389 mm。閆俊杰等[19]利用MODIS的蒸散量(ET)和NDVI數(shù)據(jù)對塔里木河干流植被覆蓋和蒸散發(fā)蒸散量(ET)時空變化及其關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，空間上全區(qū)48.8 %區(qū)域的NDVI發(fā)生降低，主要集中在中段，而ET比例達(dá)則高達(dá)70.5 %，廣泛分布于中段及下段。袁國富等[20]研究塔里木河干流下游收集到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋和蒸散量成正比關(guān)系，與本結(jié)果相近。通過以上分析結(jié)果可見，本文采用MODIS NDVI估算科克蘇濕地蒸散量，在不同等級的ET估算中可以發(fā)現(xiàn)，4月植被逐漸復(fù)蘇，降水也較豐沛； 5月植被處于生長旺季，蒸散量不斷增加；6-7月是植被生長旺盛時期，植被的蒸騰以及土壤的蒸發(fā)作用較強(qiáng)，使蒸散量迅速增加，因此這2個月的蒸散量較大；9-10月天氣變冷，植物生長緩慢，并開始凋落，蒸散量開始降低。地表入射量、區(qū)域氣候情況、地表下墊面條件與地表蒸散量息息相關(guān)[21]，同時，土壤缺水，其他條件不變的情況下，水源的多少決定了地表蒸散量的大小[22]。由于時間尺度較短，還需進(jìn)一步研究在較大程度上改變ET與植被及氣象等因素的時空匹配特征，以便為科克蘇濕地加強(qiáng)區(qū)域蒸散量監(jiān)測，能夠幫助分析區(qū)域濕地需水量，為水資源的有效利用和管控提供幫助。

4 結(jié) 論

(1)2018-2019年，科克蘇濕地蒸散量年內(nèi)分布呈現(xiàn)先增大后減小的單峰型分布趨勢，從4月開始，蒸散量逐漸增加，蒸散量波動范圍分別為42.99～313.32 mm和45.38～302.53 mm。兩年峰值出現(xiàn)在7月12日，ET日變化值分別為11.42和10.87 mm。

(2)濕地蒸散量實測值與 MOD13Q NDVI 產(chǎn)品之間的相關(guān)系數(shù)較高，y=253.45x+0.6231(R2=0.89)，得出的結(jié)果能研究該地區(qū)的蒸散量提供幫助。

(3)2018和2019年ET空間分布看，濕地平均蒸散量具有較強(qiáng)的空間異性規(guī)律，呈出現(xiàn)東南低西北高的變化趨勢，該特征與植被覆蓋的地帶性變化大體一致，2018-2019年4-10月蒸散量平均值分別為126.35和126.86 mm；從ET的變化率來，2018-2019年濕地植被ET的年變化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例為27.90 %，空間上主要位于中部和西北區(qū)。