土地利用/覆被變化扎龍濕地蒸散發(fā)量及生態(tài)需水量的遙感估算

宮兆寧,陸 麗,金點點,2,*,邱華昌,張 強 ,關 暉

1 首都師范大學資源與環(huán)境學院 三維信息獲取與應用教育部重點實驗室 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室, 北京 100048 2 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心, 北京 100094 3 北京空間飛行器總體設計部, 北京 100086

濕地是指那些常年積水和過濕的下墊面,具有較高的生產(chǎn)力,被譽為“地球之腎”,是全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一[1],在調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防旱、涵養(yǎng)水源和降解環(huán)境污染等方面發(fā)揮著極其重要的作用,具有巨大的環(huán)境功能和環(huán)境效益[2]。近年來,隨著人口劇增和經(jīng)濟不斷發(fā)展,人類對水資源無節(jié)制的開發(fā)利用,導致了很多濕地瀕臨干涸,水資源短缺和水環(huán)境惡化等問題越來越突出[3]。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,合理確定濕地的生態(tài)環(huán)境需水,已成為水資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境保護中亟待解決的重點問題[4]。因此,準確高效的估算濕地的蒸散發(fā)情況及生態(tài)需水量,為濕地生物多樣性的保護,以及區(qū)域水資源有效管理和合理利用,提供重要的科學依據(jù)。

國外學者關于濕地生態(tài)需水的研究開始于20世紀80年代。Eamus等研究并提出了植被及土壤需水量的計算方法[5]。Wilcox等利用GIS模型模擬了濕地中植被需水的與濕地水環(huán)境之間的響應關系[6]。Powell等通過建立半分布式水平衡模型估算了洪泛區(qū)濕地生態(tài)需水的研究[7]。Vymazal等從植被及土壤需水的角度,分析了濕地健康修復的方法和途徑[8]。Xu等提出了LBNSCCP模型,不僅滿足了濕地最小化總供水成本,也能滿足濕地蘆葦生長和其他用水戶的用水需求,用來支持小清河流域的供水和濕地恢復計劃[9]。國外對于濕地生態(tài)需水的研究總體上較為全面,不僅詳細計算了各種類型的濕地生態(tài)需水量,而且注重研究水資源與生態(tài)系統(tǒng)中各因素之間的相關關系。國內(nèi)對于濕地生態(tài)需水的研究起步雖晚,但進展較快。廣義的濕地生態(tài)需水量是指濕地為維持自身發(fā)展過程和保護生物多樣性所需要的水量,狹義的濕地生態(tài)需水量是指濕地每年用于生態(tài)消耗而需要補充的水量,主要是補充濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸散需要的水量[10]。一些學者從各自的研究角度出發(fā),并提出了不同的濕地生態(tài)需水量的計算方法[11- 14]。

位于黑龍江省齊齊哈爾市東南處的扎龍濕地,是我國最大的以鶴類為主的珍禽鳥類的國家級自然保護區(qū),擁有較為原始的濕地生態(tài)系統(tǒng),1992年被列入“世界重要濕地名錄”。隨著人類對濕地的不斷破壞和對濕地水資源的不合理利用,導致扎龍濕地近年連續(xù)干旱,濕地面積和鶴類的數(shù)量明顯減少,扎龍濕地面臨萎縮甚至消亡的威脅,扎龍濕地的生態(tài)環(huán)境用水成為學者研究的熱點問題[15- 17]。蒸散發(fā)包括土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰,是影響濕地水熱平衡的主要因素和水分損失的主要途徑,是計算濕地生態(tài)需水量的重要參量。之前學者的研究大多采用站點觀測的蒸散發(fā)量[18-19],主要依靠氣象和水文數(shù)據(jù)得到,但存在插值外延精度低、觀測成本大、時效性差等缺陷[20]。而遙感技術基于少量的地面觀測數(shù)據(jù),結合遙感數(shù)據(jù)反演得到區(qū)域的蒸散發(fā)量,為快速、大面積估算濕地地表蒸散量提供了較有效的方法。

由于全球氣候變化的影響,以及人類活動影響的加劇,扎龍濕地的水資源面臨逐漸匱乏的趨勢,導致自然保護區(qū)內(nèi)發(fā)生過數(shù)次大火,其中2001年的大火持續(xù)10d,使得濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴重的破壞。因此,為了有效保護濕地生態(tài)系統(tǒng),2001年開始,水利部等部門建立了扎龍濕地應急補水工程?？紤]到扎龍濕地關鍵補水節(jié)點及長時間序列Landsat遙感數(shù)據(jù)的可獲取性,研究基于2002、2010、2016年3個時期逐月的Landsat遙感數(shù)據(jù),采用應用較廣泛的SEBAL模型估算3個時期日、月、年尺度的扎龍濕地蒸散發(fā)量,同時結合對應時期研究區(qū)的土地覆被類型數(shù)據(jù),從濕地湖泡需水量、濕地植物需水量和濕地生物棲息地需水量3個方面,定量估算不同年份扎龍濕地生態(tài)需水量,以期為未來扎龍濕地水資源合理配置和濕地保護等提供科學支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

扎龍濕地是中國著名的以鶴類等水禽為主體的珍稀鳥類和濕地類型國家級自然保護區(qū),位于松嫩平原的烏裕爾河和雙陽河下游湖沼、葦草地帶,地理位置為123°51.5′—124°37.5′E, 46°48′—47°31.5′N(見圖1)。扎龍濕地地勢低洼平坦,平均海拔約143m,年平均氣溫3.5℃,1月平均氣溫-19.5℃,7月份平均氣溫23.0℃。扎龍濕地多年平均年降水量為419mm,蒸發(fā)強烈。扎龍濕地內(nèi)分布著眾多泡沼,由于地下水位高,排水不暢,土壤鹽漬化比較普遍。根據(jù)黑龍江省政府關于扎龍濕地自然保護區(qū)功能區(qū)劃的批復,將濕地劃分為3個區(qū)域:核心區(qū)為典型的濕地生境,主要分布為蘆葦沼澤,是珍稀水禽的棲息地和巢區(qū)；緩沖區(qū)也是鶴類等珍稀水禽的活動區(qū)和鳥類棲息繁殖地,分布著成片或斷續(xù)的蘆葦沼澤、湖泡、村屯、鐵路、公路干線和大型水利工程。實驗區(qū)的生境與緩沖區(qū)相同,主要供進行鶴類試驗研究,并有限的開放生態(tài)旅游。

圖1 扎龍濕地保護區(qū)地理位置示意圖Fig.1 The location map of Zhalong wetland reserve

1.2 研究數(shù)據(jù)

Landsat影像具有數(shù)據(jù)獲取容易、光譜信息豐富及存儲數(shù)據(jù)多等優(yōu)點,及其熱紅外波段對地物熱信息比較敏感。研究采用的Landsat系列遙感影像來源于USGS官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov/),研究區(qū)域行列號為119/27或120/27?？紤]到扎龍濕地的補水時間和長時間序列Landsat數(shù)據(jù)全年每月影像的可獲取性,下載了Landsat系列影像共34景,且下載的影像在研究區(qū)部分含云量較少,質量較好,具體信息如表1所示。除Landsat數(shù)據(jù)外,同時下載了與Landsat數(shù)據(jù)過境時間相近的MOD02數(shù)據(jù)和MOD11_L2,用于估算研究區(qū)域的大氣水汽含量和地表溫度反演結果的驗證。研究所需的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),考慮到扎龍濕地內(nèi)部的氣象站點數(shù)據(jù)難獲取性,因此需要將附近5個氣象站點(富裕、齊齊哈爾、明水、泰來、安達)的氣象要素采用克里金差值方法以得到研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)(平均氣溫、風速、降水量等)。對獲取的遙感影像進行幾何校正、輻射定標和大氣校正等預處理,并利用扎龍濕地邊界裁剪,得到校正后的研究地區(qū)影像。

表1 Landsat 系列數(shù)據(jù)信息

2 研究方法及參數(shù)估算

本文基于少量的地面觀測數(shù)據(jù),結合遙感數(shù)據(jù)反演,可以得到濕地歷史景觀格局、植被演替、蒸散狀況及生態(tài)需水的時空變化狀況,開展扎龍濕地蒸散發(fā)量及生態(tài)需水量估算研究。首先利用ArcGIS 10.2和ENVI 5.4軟件遙感解譯出扎龍濕地不同年份的土地利用/覆被數(shù)據(jù),并分析其動態(tài)變化特征。同時利用遙感影像得到SEBAL模型所需的各項地表參數(shù),如植被覆蓋度、地表反照率、地表比輻射率、地表溫度等。其中為更精確的估算地表溫度,針對Landsat系列數(shù)據(jù)采用三種地表溫度反演算法研究其適用性。最終計算得到扎龍濕地的各項地表通量和瞬時蒸散發(fā)量,通過時間擴展得到日蒸散發(fā)量和月蒸散發(fā)量,并分析蒸散發(fā)量的時空變化規(guī)律和影響因素。結合蒸散發(fā)量反演結果、土地利用現(xiàn)狀和氣象水文數(shù)據(jù)計算得到各個年份扎龍濕地的生態(tài)需水量,為濕地生態(tài)環(huán)境提供科學建議。技術路線見圖2。

圖2 研究技術流程圖Fig.2 Research technology flow chart

2.1 蒸散發(fā)量遙感估算方法

研究主要利用Landsat和MODIS遙感影像提取蒸散發(fā)量反演模型——SEBAL模型中需要的一系列地表參數(shù),包括地表反照率、比輻射率、植被覆蓋度、地表溫度等。本文通過中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)收集了扎龍濕地附近5個氣象站點逐日和逐月的氣溫、降水和風速等氣溫數(shù)據(jù)。SEBAL模型遙感反演蒸散發(fā)量的理論基礎是地表能量平衡方程[21]。

Rn=G+H+λET

(1)

式中,λ為汽化潛熱,ET為蒸散發(fā)量,λET為潛熱通量(W/m2),Rn為凈輻射通量(W/m2),G為土壤熱通量(W/m2),H為感熱通量(W/m2)。

通過反演出方程中地表凈輻射量、土壤熱通量、顯熱通量,從而推算出潛熱通量,進而得到蒸散發(fā)量ET。

2.1.1蒸散法模型所需地表參數(shù)反演

(1)地表反照率

地表反照率(Albedo)是對地表而言的總的反射輻射通量與入射輻射通量之比[22]。地表反照率是地表能量平衡研究中的一個重要參數(shù)的比值,對于Landsat衛(wèi)星來說,是指可見光與熱紅外波段的加權集合值。綜合多光譜的傳感器所獲得的有效的大氣信息和地表特征信息,利用Liang[23]建立的針對 Landsat-TM/ETM 的適用廣、精度高的反演公式：

α=0.356α1+0.130α3+0.373α4+0.085α5+0.072α7-0.0018

(2)

式中,α為地表反照率,α1、α3、α4、α5、α7分別為1,3,4,5,7波段的地表反射率。

(2)地表比輻射率

地表比輻射率ε是指在同溫度和波長下地表的輻射出射度與黑體的輻射出射度的比值,表征地表發(fā)射能力的大小,其取值范圍為0—1,可以采用經(jīng)驗公式與NDVI相結合計算[24]:

ε=1.009+0.047lnNDVI

(3)

(3)植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被的葉、莖、枝在地面上的垂直投影面積與土地總面積的比值,是衡量地表植被狀況的重要指標。研究證明,估算植被覆蓋度較常用的方法是像元二分模型,通過歸一化植被指數(shù)NDVI來獲得[25]:

(4)

(5)

式中,ρNIR和ρR分別為Landsat數(shù)據(jù)近紅外與紅外波段反射值；NDVImax為完全植被覆蓋時的NDVI；NDVImin為裸土時的NDVI。

(4)地表溫度

地表溫度是地表蒸散發(fā)反演的重要參數(shù),可通過大氣校正法、單窗算法或單通道法反演得到[26]。但是針對Landsat系列影像,地表溫度反演算法的適用性研究相對較少。本文以扎龍濕地自然保護區(qū)為研究區(qū),采用單窗算法(Mono-window Algorithm,之后簡稱MW算法)、單通道算法(Single-channel Algorithm,之后簡稱SC算法)和輻射傳輸方程法(Radiative transfer equation Algorithm,之后簡稱RTE算法),分別對Landsat 5/7/8系列熱紅外波段數(shù)據(jù)進行地表溫度反演,并基于MODIS地表溫度產(chǎn)品對反演結果進行對比分析和精度驗證,從而研究三種方法對于不同傳感器的Landsat數(shù)據(jù)的適用情況,以期為基于Landsat系列數(shù)據(jù)地表溫度反演算法的選擇提供一定的科學依據(jù),從而達到更精確的蒸散發(fā)量反演結果。具體的計算公式和參數(shù)估算可參閱文獻[23]。

2.1.2蒸散發(fā)量的時間擴展

由于遙感數(shù)據(jù)是瞬時影像,因此反演所得的地表參數(shù)和能量平衡各分量均為瞬時值,最終估算得到瞬時潛熱通量,在實際應用中,往往需要將瞬時潛熱通量在時間尺度上進行擴展,得到日、月或年的蒸散量[27]。SEBAL模型假設全天中蒸發(fā)比穩(wěn)定不變,采用蒸發(fā)比法可將瞬時的蒸散量擴展為日蒸散量。蒸散發(fā)比Λ的計算式如下:

(6)

可以得到24小時的潛熱通量為:

λET24=Λ(Rn24-G24)

(7)

式中,Rn24和G24分別為日凈輻射通量(W/m2)和日土壤熱通量(W/m2),一般在計算每天的蒸散量時可以忽略土壤熱通量G[25]；λ是水的汽化潛熱(J/kg),計算公式為:

λ=(2.501-0.002361(TS-273.15))×106

(8)

在天氣晴朗的情況下,24 小時的凈輻射通量可以通過公式(9)計算得到:

Rn24=(1-α)Ra24-110τsw

(9)

(10)

ws=arccos(-tanφtanδ)

(11)

式中,τsw為大氣單向透射率,GSC是太陽常數(shù)(取值為1367 W/m2),dr為日地相對距離,φ是像元的地理緯度(rad),δ是太陽赤緯。

由此可得出日蒸散發(fā)量(mm/d),公式如下:

(12)

由于云覆蓋和水汽吸收的影響,在1個月中難以有連續(xù)的有效衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),來計算一個月的累計蒸散量。本研究通過氣象站實測的蒸發(fā)數(shù)據(jù),結合遙感反演的日蒸散量來推算扎龍濕地的月蒸散量[18]。轉化公式為:

(13)

式中,ETm為月蒸散量；i為1到30日的序號(隨每月天數(shù)而定)；ETSEBAL為模型反演的蒸散量值；ET氣象站為當日氣象站實測值；ETi為第i日氣象站實測蒸散發(fā)量。

2.2 濕地生態(tài)需水量的估算方法

根據(jù)調(diào)研結果和扎龍濕地的實際情況,扎龍濕地生態(tài)需水量指濕地每年用于生態(tài)消耗而需要補充的水量,主要是補充濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸散需要的水量，包括湖泡需水量、植物需水量及野生生物棲息地需水量等。

2.2.1濕地湖泡需水量

對于北方湖泊,蒸發(fā)大于降水,扎龍濕地湖泊水庫生態(tài)需水量是用以維持扎龍濕地湖泡水庫水量平衡而消耗的凈水量[16],計算公式為:

Wl=∑Ai(ETi-Pi)×10-3

(14)

式中,Wl為湖泡水庫的生態(tài)環(huán)境需水量(m3)；Ai為湖泡水庫的水面面積(m2)；ETi為相應水面的蒸發(fā)能力(mm)；Pi為湖泡水庫上的降水量(mm)。

2.2.2濕地植物需水量

濕地植物需水量是指植物正常生長所需要的水分。其中蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)是最主要的耗水項目,占植物需水量的99%。因而把植物需水量近似理解為植物葉面蒸騰和棵間土壤蒸發(fā)的水量之和,稱為蒸散發(fā)量[28]。扎龍濕地植物的種類繁多,結合野外踏勘和遙感圖像反演,扎龍濕地的植被分布類型是以蘆葦為主[16],計算時主要考慮蘆葦?shù)纳鷳B(tài)需水量。其表達式為:

Wp=ETp(t)Ap×10-3

(15)

式中,Wp為濕地植被需水量(m3)；ETp(t)為蒸散發(fā)量(mm)；Ap為沼澤濕地植被面積(m2)。

2.2.3野生生物棲息地需水量

野生生物棲息地需水量是魚類、鳥類等濕地生物棲息、繁殖需要的基本水量。其計算公式為:

Wq=A(t)CH(t)×0.1

(16)

式中,Wq為濕地生物棲息需水量(m3)；A(t)為濕地面積(m2)；H(t)為濕地水深(m)；C為水面面積百分比。

以濕地的不同類型為基礎,找出關鍵保護物種,如魚類或鳥類,根據(jù)正常年份鳥類或魚類在該區(qū)棲息、繁殖的范圍,核算其正常水量,為避免與濕地土壤需水量的重復,這里只核算地表以上低洼地的蓄水量(滿足野生動物棲息、繁殖的水量)。

3 蒸散發(fā)量及生態(tài)需水量的估算

3.1 基于時序NDVI數(shù)據(jù)的土地覆被分類

多時相遙感影像能反映同一植被在不同季節(jié)的光譜差異。 歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,其時序數(shù)據(jù)也已成為基于生物氣候特征開展大區(qū)域植被和土地覆蓋分類的基本手段[29]。因此,本文利用多時相的遙感影像提取植被在時間上的物候特征規(guī)律,從而實現(xiàn)了扎龍濕地的土地利用/覆被類型的精確提取。

根據(jù)2008年國家林業(yè)局發(fā)布的國家標準《自然保護區(qū)土地覆被類型劃分》(LY/T 1725—2008)和2017年國土資源部組織修訂的國家標準《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 2010—2017)對照表,結合扎龍濕地的植被、水和土地覆蓋等實地情況,將研究區(qū)土地覆被分為6類,分別為耕地、草地、建設用地、水體、蘆葦沼澤和鹽堿地。

主成分分析被用來描述地表覆被類型的季節(jié)變化。主成分分析的算法是:基于每月植被指數(shù)圖像的均值, 計算均方差矩陣, 并求特征值和特征向量, 接著計算主成分變換矩陣, 最后計算出12幅主分量圖像。以2016年為例,基于多時相的NDVI數(shù)據(jù)提取出的主成分信息(見圖3),可見第一主成分反映了全年植被茂盛、稀疏分布特征,依據(jù)其低值可分離出鹽堿地、水體和建筑用地。第二主成分低值區(qū)凸顯水體特征,可提取濕地中的水體信息。第三主成分在一定程度上反映季節(jié)變化差異較明顯的地物類型,高值區(qū)主要凸顯耕地、蘆葦沼澤特征,而低值區(qū)凸顯鹽堿地、草地和建筑用地信息。依據(jù)分類決策樹構建的分類規(guī)則(見圖4),得到2016年扎龍濕地最終的分類結果(見圖5)。

圖3 主成分信息Fig.3 Principal component information

圖4 CART決策樹分類模型Fig.4 CART decision tree classification model

圖5 2016年扎龍濕地保護區(qū)土地覆被分類圖Fig.5 Land cover classification map of the zhalong wetland in 2016

選取一定數(shù)量的樣本,利用ENVI軟件建立混淆矩陣,計算結果如表2,2016年扎龍濕地保護區(qū)土地覆被分類總體精度為85.38%,Kappa系數(shù)為0.83,分類精度較高,表明該分類方法具有較高的可行性和準確性,基于NDVI時序特征可有效實現(xiàn)較為準確的扎龍濕地土地覆被類型的提取。基于34景逐月的Landsat影像數(shù)據(jù),最終得到3個時期扎龍濕地高精度的土地覆被分類結果,見表3和圖6。

圖6 扎龍濕地土地利用/覆被類型時空分布圖Fig.6 Spatial distribution map of land use/cover types in Zhalong wetland

表2 地表覆被分類精度驗證

表3 扎龍濕地土地利用/覆被分類

扎龍濕地自然保護區(qū)土地利用面積約為2174.82 km2,以蘆葦沼澤、草地和耕地為主要的地物類型,扎龍濕地內(nèi)蘆葦沼澤分布占絕對優(yōu)勢,且大部分分布在濕地的核心區(qū)域。扎龍濕地緩沖區(qū)內(nèi)主要分布著蘆葦沼澤和草地,而實驗區(qū)內(nèi)耕地占比較多,還分布著一些草地和鹽堿地。2002—2016年間濕地內(nèi)土地利用/覆被類型發(fā)生了明顯的變化:扎龍濕地的蘆葦沼澤是濕地內(nèi)最主要的土地利用/覆被類型,其面積14年間總共增加了205.82 km2；濕地草地面積由2002年551.73 km2減少至2010年497.13 km2,隨后慢慢減少至2016年432.39 km2；研究區(qū)內(nèi)耕地的面積總體上是減少的趨勢,由2002年的393.66 km2減少至2010年359.19 km2,變化量為34.47 km2,隨后繼續(xù)減少；水體對維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)揮著重要作用,由表可知,研究區(qū)內(nèi)水體面積2002—2010年減少量為3.42 km2,隨后在2016年面積略微增加,增加至130.42 km2,整體來看水體的面積在這14年間基本穩(wěn)定不變；扎龍濕地內(nèi)2002年鹽堿地面積的76.88 km2,8年后增加到91.72 km2,而到2016年鹽堿地面積減少了10.77 km2,但整體上看面積增加了4.08 km2,面積變化相對較少；研究區(qū)內(nèi)建設用地面積最少,2002—2016年這14年間的建設用地呈持續(xù)增長的態(tài)勢,2002—2010年增加了4.90 km2,面積占比由0.80%增加到1.03%,而2010—2016年建設用地面積增加相對較少,僅僅增加了0.92 km2。

3.2 扎龍濕地蒸散發(fā)量的時空特征分析

3.2.1蒸散發(fā)量精度驗證

考慮到扎龍濕地內(nèi)氣象站點數(shù)據(jù)的難獲取性,本文利用扎龍濕地附近的富裕、齊齊哈爾、扎蘭屯、明水、泰來5個氣象站觀測的日蒸散量值與提取蒸散發(fā)量遙感反演結果進行對比[30- 32],得到以下相關關系圖,如圖7。根據(jù)統(tǒng)計比較,發(fā)現(xiàn)基于SEBAL模型反演得到的日蒸散量值與氣象觀測站點實際觀測值相近,均方根誤差RMSE為0.714 mm。由圖可以看出,SEBAL模型蒸散發(fā)值與氣象站點實測值的相關關系較好,兩者之間的擬合優(yōu)度R2達到0.8087,此結果與蔡玉林[10]、杜嘉等[33]采用SEBAL模型反演日蒸散量的結論相近。綜上可以認為基于SEBAL 模型反演得到的蒸散發(fā)量基本符合實際,可以作為扎龍濕地自然保護區(qū)的蒸散發(fā)遙感估算模型。

圖7 ET估算值與實測值對比圖 Fig.7 Comparison diagram of ET estimated value and measured value

3.2.2蒸散發(fā)量的時空特征分析

利用SEBAL模型估算了2002年、2010年和2016年扎龍濕地的月均蒸散發(fā)量。以2016年為例,分析扎龍濕地蒸散發(fā)量的年內(nèi)變化特征,圖8和圖9分別為扎龍濕地2016年逐月的蒸散量空間分布圖和變化折線圖。整體上看,扎龍濕地地表蒸散發(fā)量年內(nèi)大致呈現(xiàn)單峰型分布。受到太陽輻射、地表溫度和風速等的影響,扎龍濕地冬季(12—2月)的地表蒸散發(fā)量是一年中的最低值,此時氣溫較低,濕地內(nèi)多為裸土狀態(tài),蒸發(fā)能力較弱。結合土地覆被情況,發(fā)現(xiàn)僅在湖泊、水庫等水體及周圍區(qū)域地表蒸散發(fā)量值相對高些,其他區(qū)域均較低。其中1月份為一年中蒸散發(fā)量最小的月份。

3月氣溫回暖,冰雪緩慢融化,地表蒸散發(fā)量逐漸增加,月均值為49.71mm。4、5月植被進入生長期,土壤水分多,從4月開始,蒸散發(fā)量持續(xù)升高,月均值為72.50mm。與前幾個月相比,除水體區(qū)域蒸散量依然較高外,4月份耕地蒸散發(fā)量有一定的增加,蘆葦蒸散發(fā)量增加也較為明顯。5月份蒸散發(fā)量整體仍在增加,平均值約為95.31mm,其中蒸散值為40—145mm區(qū)域約占總面積的86.94%?？傮w來看,由于氣溫升高、植物生長、地表溫度升高等原因,扎龍濕地春季的蒸散發(fā)量較冬季明顯增加。

6、7、8月份處于夏季,降水較多,供水充足,氣溫較高,日照強烈,提供了地表水分蒸散發(fā)的有利條件,因此蒸散發(fā)量較高。6月份月均蒸散發(fā)量為103.07mm,高值區(qū)主要分布著湖泡水庫等水體和蘆葦沼澤。同時耕地區(qū)域的蒸散量也隨著農(nóng)作物的生長有所增加。7月月蒸散發(fā)量達到年內(nèi)最大值。與6月份相比,7月份濕地整體蒸散發(fā)量有一定的增加,尤其是蘆葦沼澤和耕地區(qū)域增加較明顯,且耕地的蒸散量達到12個月中的最高值,這可能是因為春小麥和大豆的生長期在4—7月,此時農(nóng)作物在處于成熟期所致。由于受到氣溫、植被覆蓋度和風速等要素的影響,8月份的蒸散發(fā)值較7月份有所下降,月均蒸散發(fā)量為104.05mm。8月份的遙感影像部分區(qū)域受到云的影響,蒸散發(fā)量較高。而其他蒸散發(fā)量高值區(qū)主要分布于水體以及蘆葦區(qū)。受到農(nóng)作物收割影響,耕地蒸散發(fā)量較7月份有所減少?？傮w上夏季是扎龍濕地全年蒸散發(fā)量最高的季節(jié),全區(qū)蒸散發(fā)量都相對較高。

9月份后,氣溫緩慢下降,隨著植被枯萎凋落等原因,濕地蒸散量逐步下降。濕地9月的平均蒸散發(fā)量為41.74mm,高值區(qū)主要位于湖泡水庫等水體和中間區(qū)蘆葦區(qū)域。濕地10月的蒸散發(fā)量持續(xù)下降,月均值為32.91mm,其中蒸散值為20—45mm的區(qū)域占濕地總面積的90.35%。高值區(qū)主要位于水體、中部蘆葦區(qū)以及東北部部分區(qū)域。11月份蒸散發(fā)量進一步降低,月均值為11.95mm。整體來看,扎龍濕地2016年秋季地表蒸散發(fā)量相對較小,低于春季的蒸散發(fā)量。

總體可見,2016年扎龍濕地蒸散量年內(nèi)變化規(guī)律為:夏季>春季>秋季>冬季。夏季蒸散量最大,總蒸散量達到312.58mm；其次為春季和秋季,各季度蒸散量分別為217.52mm和86.59mm；蒸散量最小值出現(xiàn)在冬季。遙感估算的結果反映了扎龍濕地的自然氣候特征和地表蒸散的變化規(guī)律。

根據(jù)反演的3個時期扎龍濕地逐月的蒸散發(fā)量,得到不同年份的月均蒸散發(fā)量曲線圖(圖9)。由圖9可見,3個年份的月蒸散發(fā)量曲線均屬于單峰型,其蒸散發(fā)量年內(nèi)規(guī)律均是夏季最大,春季和秋季次之,冬季最小。在不同的年份,扎龍濕地相同季節(jié)的蒸散發(fā)量有一些變化,但變化不大。2002年、2010年和2016年6—8月的蒸散發(fā)量較大,其中2002年和2016年均是7月地表蒸散發(fā)量最大,分別為119.03mm和105.46mm；2010年6月地表蒸散發(fā)量最大,為104.45mm。2002年、2010年和2016年的年蒸散發(fā)量分別為518.87mm、553.19mm和625.98mm,可以看出扎龍濕地的年蒸散發(fā)量有所增加。隨著全球氣候變暖,區(qū)域內(nèi)作物的需水量也在增加,進而影響了區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)平衡。

3.3 濕地生態(tài)需水量的核算

降水量和蒸散發(fā)量是生態(tài)需水量估算的重要參數(shù),本研究通過克里金插值法將扎龍濕地附近5個氣象站點的降雨量數(shù)據(jù)進行空間插值,得到扎龍濕地降水量情況。同時結合土地覆被動態(tài)信息和蒸散發(fā)量反演結果,分別估算出水域和蘆葦沼澤的月尺度蒸散發(fā)量,由于蘆葦?shù)纳L期為4—9月,因此只統(tǒng)計生長期的蘆葦蒸散發(fā)量。以2002年為例,扎龍濕地2002年月均降水量、水面蒸發(fā)量和蘆葦蒸散發(fā)量的統(tǒng)計結果見表4。

表4 扎龍濕地平均降水量和蒸發(fā)量統(tǒng)計表

濕地內(nèi)分布著湖泊泡沼約208個,其中較大的有克欽湖、仙鶴湖、東升水庫等[34]。根據(jù)湖泡水庫生態(tài)需水量計算方法,代入表4中的月均降水量和蒸散發(fā)量的值,得到扎龍濕地湖泡水庫的生態(tài)需水量結果如表5。

表5 扎龍濕地湖泡需水量

根據(jù)實地踏勘、歷史資料以及遙感圖像解譯結果,扎龍濕地內(nèi)主要的濕地植被為蘆葦群落。因此在計算濕地植被需水量中,選擇以蘆葦為主要植被計算扎龍濕地的植被生態(tài)需水量,得到結果如表6所示。

表6 扎龍濕地植物需水量

由于野生生物棲息地需水量是野生生物棲息、繁殖等活動需要的基礎水量。扎龍濕地主要的保護物種為丹頂鶴,根據(jù)李興春[16]等學者的研究結果,扎龍濕地丹頂鶴需要的領地為350km2,遠小于核心區(qū)的面積,此部分計算的水量屬于重復計算。因此,扎龍濕地需水量由湖泡、濕地植物兩部分組成,其計算結果見表7。

表7 扎龍濕地生態(tài)需水量

根據(jù)以上的計算過程,計算湖泡水庫和濕地植被等需水時扣除了雨水的補充,蘆葦蒸騰僅扣除了生長期(4—9月)的降雨,因此需要扣除其他月份的降雨。根據(jù)相應的降雨量數(shù)據(jù),計算可得扎龍濕地自然保護區(qū)和核心區(qū)對應的蘆葦應扣除的水量分別為34.48×106m3和17.57×106m3。最終扎龍濕地自然保護區(qū)2002年的生態(tài)需水總量為5.40億m3,核心區(qū)為2.71億m3。

綜上所述,扎龍濕地自然保護區(qū)2002年滿足5.40億m3適宜生態(tài)需水量時,可以維持濕地湖泊、植被的現(xiàn)況,從而維系健康的濕地動植物棲息地,其中蘆葦?shù)葷竦刂脖滑F(xiàn)狀的所需的生態(tài)需水量最大,約占濕地生態(tài)需水總量的93.3%。同時,扎龍濕地保護區(qū)的最小生態(tài)需水量是維持濕地核心區(qū)生態(tài)健康所需的生態(tài)需水量,即濕地2002年最小生態(tài)需水量為2.71億m3。

李興春[15]和王建群等[16]計算扎龍濕地2002年的生態(tài)需水量時,均以濕地1956—2000年多年平均的蒸散發(fā)氣象站點統(tǒng)計值作為參數(shù)進行計算,未能考慮濕地復雜下墊面情況下現(xiàn)實的蒸散情況,其計算的扎龍濕地適宜生態(tài)需水量分別為5.09億m3和5.55億m3。而本研究利用實時的遙感數(shù)據(jù)反演得到的蒸散發(fā)量計算濕地的生態(tài)需水量,雖仍有一定偏差,但更加符合實際的現(xiàn)狀需水量的情況,為濕地水資源的平衡和可持續(xù)發(fā)展提供科學可靠的依據(jù)。

根據(jù)遙感反演,同樣得到2010年和2016年的扎龍濕地的每月的降水量和蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)(見表8),通過上述計算方法統(tǒng)計得到3個年份扎龍濕地自然保護區(qū)和核心區(qū)對應的生態(tài)需水量(見圖10)。

表8 扎龍濕地平均降水量和蒸發(fā)量統(tǒng)計表/mm

圖10 2002—2016年扎龍濕地的生態(tài)需水量 Fig.10 Zhalong wetland corresponds to ecological water demand

從統(tǒng)計結果可看出,2002—2016年扎龍濕地保護區(qū)生態(tài)需水量的變動范圍為5.40億m3—7.08億m3,濕地生態(tài)需水量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢,這與近年來扎龍濕地的恢復態(tài)勢,濕地植被如蘆葦沼澤分布面積增加有關。根據(jù)遙感提取的下墊面土地覆被類型的變化,隨著人們對于濕地管理和保護意識的提升,2002—2016年扎龍濕地內(nèi)的耕地面積大約減少了95.96km2,水體面積雖無太大變化,但蘆葦沼澤的面積大量增加,濕地植被生長旺盛造成蒸散發(fā)量也相應升高。同時,2002年、2010年和2016年扎龍濕地的年蒸散發(fā)量分別為518.87mm、553.19mm和625.98mm,扎龍濕地內(nèi)的蒸散發(fā)量在整體上是逐年升高的,增加了20.64%。因此基于需水量計算公式,扎龍濕地生態(tài)需水量必定是增加的。而核心區(qū)生態(tài)需水量的變化范圍為2.71億—3.32億m3,核心區(qū)的生態(tài)需水量也是逐年升高,但變化范圍沒有全區(qū)的變化大,主要是因為濕地的核心區(qū)是典型的濕地生境,分布著大量的蘆葦沼澤,15年間核心區(qū)土地利用/覆被變化不大,蒸散發(fā)一直較為強烈。

4 結論與討論

扎龍濕地結構完整、功能齊全,是具有代表性的典型濕地生境,具有較高的科研價值。本研究根據(jù)所確定的生態(tài)需水量的計算方法,在運用Landsat 系列數(shù)據(jù)使用SEBAL模型計算扎龍濕地蒸散發(fā)量的基礎上,得到了扎龍濕地自然保護區(qū)不同年份對應的生態(tài)需水量。扎龍濕地需水量由湖泡、濕地植物和濕地土壤需水量三部分組成,2002—2016年扎龍濕地保護區(qū)生態(tài)需水量的變動范圍為5.40億—7.08億m3,核心區(qū)即濕地最小生態(tài)需水量變化范圍為2.71億—3.32億m3,需水量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢。

由于人類活動的影響,扎龍濕地的水資源逐漸減少,自然保護區(qū)內(nèi)發(fā)生過數(shù)次大火,其中2001年的大火持續(xù)10d,使得濕地內(nèi)損失慘重。因此,為了保護濕地生態(tài)系統(tǒng),2001年開始,水利部等部門建立了扎龍濕地應急補水工程,連續(xù)幾年對濕地進行應急補水,從本文的結果中可以看出此工程取得了較好的效果,扎龍濕地的濕地植被面積逐漸增加,植被旺盛的生長導致蒸散發(fā)量的升高。為了滿足濕地內(nèi)的蒸散所需要的水量,2002—2016年濕地的生態(tài)需水量也相應的增加, 濕地生態(tài)需水量的增加繼續(xù)促進扎龍濕地生態(tài)補水、生態(tài)修復工程的實施,這也是維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定的前提條件,最終實現(xiàn)扎龍濕地內(nèi)資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

濕地環(huán)境往往較為復雜,很多區(qū)域人為難以進入。本文也缺少實際觀測數(shù)據(jù)驗證中間參數(shù)及最終結果,另外遙感數(shù)據(jù)源的缺失也對最終生態(tài)需水量的估算造成影響。但隨著遙感技術的進步,遙感影像的時間和空間分辨率更高,這將會為遙感監(jiān)測濕地的地表溫度、蒸散發(fā)量等各種環(huán)境變量提供更為精確便利的數(shù)據(jù)源。同時隨著遙感反演模型的不斷改進,基于蒸散發(fā)量反演的濕地生態(tài)需水量估算將更加實用,為濕地保護區(qū)管理人員制定科學合理的補水方案提供科學建議。