香日德-柴達(dá)木河流域土壤濕度時(shí)空變化特征及其影響因素

程夢(mèng)園， 曹廣超， 趙美亮， 刁二龍， 何啟欣，高斯遠(yuǎn)， 邱巡巡， 程 國(guó)

（1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2.青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧

810008；3.青藏高原地表過(guò)程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；4.青海省人民政府-北京師范大學(xué)高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810008）

土壤濕度是陸地表面水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，在地表能量平衡中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用，是氣象、水文、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域研究的重要指標(biāo)［1-2］。目前獲取土壤濕度信息的方法主要有兩種［3］。一是田間實(shí)測(cè)法，利用地面觀測(cè)站或野外采樣直接測(cè)量土壤濕度值，該方法具有數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)，但僅代表觀測(cè)站或采樣點(diǎn)局部區(qū)域的土壤濕度信息，不宜應(yīng)用于大范圍測(cè)量，具有局限性［4］。二是利用多源遙感技術(shù)，通過(guò)遙感反演快速獲取大范圍、空間連續(xù)的土壤濕度信息，是當(dāng)前監(jiān)測(cè)土壤濕度的主要方法［5］。遙感反演土壤濕度的方法主要有熱慣量法、微波遙感法和植被指數(shù)法［6］。Waston 等［7］首次利用熱慣量模型估測(cè)土壤濕度，但該方法對(duì)日較差數(shù)據(jù)有較高精度要求，在數(shù)據(jù)收集上有一定的困難。微波遙感主要分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感［8］，微波遙感法監(jiān)測(cè)精度高，但受植被覆蓋及地表粗糙度的影響較大。植被指數(shù)法通過(guò)獲取植被光譜特征從而間接反映出土壤濕度情況［9］，例如運(yùn)用NDVI-LST 光譜特征空間，可以對(duì)土壤干旱進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)［10］。劉一哲等［11］運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和TVDI法和對(duì)藏北地區(qū)的春夏旱情動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該方法可為藏北地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。Cao等［12］利用TVDI 法對(duì)蒙古高原干旱時(shí)空變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為在1982—2018年蒙古高原普遍存在干旱現(xiàn)象，且干旱化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)分布、生物多樣性等均有影響。眾多研究表明運(yùn)用TVDI 法反演土壤濕度在高原地區(qū)具有較好的適用性。

香日德-柴達(dá)木河流域地處高海拔內(nèi)陸盆地，水資源相對(duì)匱乏，由于特殊的地理位置和干旱氣候的影響，流域內(nèi)植被稀疏，覆蓋度低，土壤風(fēng)蝕、鹽漬化嚴(yán)重，是典型的脆弱生態(tài)系統(tǒng)［13］。流域內(nèi)大量的地表徑流用于灌溉，導(dǎo)致下游生態(tài)環(huán)境惡化，流域整體抗旱能力不強(qiáng)。香日德-柴達(dá)木河流域是柴達(dá)木盆地重要的糧食作物和油料作物產(chǎn)區(qū)［14］，而土壤濕度是影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，也是農(nóng)作物估產(chǎn)及旱情監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。但研究區(qū)氣象站點(diǎn)稀少，缺少長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)，難以通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得土壤濕度相關(guān)信息。目前尚未有利用TVDI 法對(duì)該流域進(jìn)行干旱狀況變化趨勢(shì)的研究。基于此，本研究應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建Ts-NDVI 特征空間計(jì)算出TVDI，得到香日德-柴達(dá)木河流域2005年、2010年、2015年和2020年植被生長(zhǎng)季土壤濕度的時(shí)空變化特征，并探討其與地形和氣象因素的關(guān)系，為香日德-柴達(dá)木流域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、水資源合理利用、生態(tài)工程建設(shè)以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

香日德-柴達(dá)木河流域位于青海省海西蒙古族藏族自治州，柴達(dá)木盆地東南部，地勢(shì)東南高西北低，流域內(nèi)有盆地和山區(qū)兩種地貌類(lèi)型，南部高山連綿，平均海拔在4000 m以上，西北部為沖積平原，平均海拔在2900～3100 m［15］，屬于大陸性氣候，日照充足，晝夜溫差大，年均降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，流域多年平均氣溫在3.1～4.4 ℃，多年均降水量262.18 mm，年蒸散發(fā)量為2525.3 mm（圖1）。流域東南部為山區(qū)，以草地為主，主要有紫花針茅草原、蘆葦草甸和小葉金露梅灌叢等，農(nóng)田和建設(shè)用地位于山區(qū)邊緣，中部和西北部則多為裸地，主要有鹽沼和蒿葉豬毛菜礫漠等［16］。

圖1 香日德-柴達(dá)木河流域位置示意圖Fig.1 Location of Xiangride-Qaidam River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)選用NASA（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）下載的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間范圍為2005 年、2010 年、2015 年和2020 年植被生長(zhǎng)季（5—9 月），空間分辨率均為1 km，時(shí)間分辨率為8 d 的MOD11A2 LST 產(chǎn)品數(shù)據(jù)和16 d 的MOD13A2 NDVI 產(chǎn)品數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）SRTMDEMUTM 90 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)選用2005 年、2010 年、2015 年香日德-柴達(dá)木河流域內(nèi)的都蘭和諾木洪，及其周邊的烏蘭、茶卡和瑪多5 個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）。

1.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理 使用MRT 軟件分別對(duì)MOD11A2 LST和MOD13A2 NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、重投影以及格式轉(zhuǎn)換等處理，并使用ENVI軟件將LST和NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)復(fù)原得到其真實(shí)值，最后在ArcGIS軟件中裁剪出研究區(qū)的LST和NDVI的柵格影像數(shù)據(jù)。為便于后續(xù)研究，在ArcGIS軟件中將DEM數(shù)據(jù)重采樣到1 km。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度干旱植被指數(shù) 土壤濕度變化受氣溫、植被生長(zhǎng)狀況、土壤性質(zhì)等眾多因素影響，其間存在一系列復(fù)雜的交互作用［17］。Sandholt等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，植被指數(shù)與地表溫度間呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，故將植被指數(shù)和地表溫度相結(jié)合構(gòu)建Ts-NDVI特征空間，并提出了溫度植被干旱指數(shù)TVDI 用來(lái)估測(cè)土壤濕度，根據(jù)Ts-NDVI 特征空間，可以定義TVDI的表達(dá)式為［18］：

式中：Ts為任意像元的地表溫度；Tsmax、Tsmin分別為最高地表溫度、最低地表溫度。TVDI取值為0～1，TVDI 值越接近0 表示該像元越濕潤(rùn)，TVDI 值越接近1則表示該像元越干旱。

1.3.2 干濕邊方程擬合 以NDVI值為橫坐標(biāo)、相同時(shí)相的LST值為縱坐標(biāo)，對(duì)Tsmax和Tsmin與NDVI進(jìn)行線(xiàn)性擬合，由于植被覆蓋度會(huì)影響NDVI值的變化，NDVI 值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)土壤濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，故在擬合干濕邊方程時(shí)NDVI 有效值選擇在0.2～0.8范圍內(nèi)，計(jì)算公式為［19-20］：

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

1.3.3 相關(guān)性分析 為研究香日德-柴達(dá)木河流域TVDI 值與其他因子間的關(guān)系，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，該相關(guān)系數(shù)可以檢驗(yàn)兩個(gè)變量因子之間的相關(guān)性，在氣象、水文及生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其計(jì)算公式為［21］：

式中：Rxy為相關(guān)系數(shù)，其取值范圍在［-1，1］之間；n為樣本量；xi和yi分別為x和y第i月的某像元值；和分別為x和y第i月的平均值。當(dāng)R＞0表示呈現(xiàn)正相關(guān)，R＜0則表示呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其絕對(duì)值越大表示相關(guān)性越顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕邊方程擬合結(jié)果

通過(guò)建立香日德-柴達(dá)木河流域Ts-NDVI 特征空間，從2005 年、2010 年、2015 年和2020 年6 月的Ts-NDVI特征空間圖可知（圖2），各年干濕邊方程擬合結(jié)果表現(xiàn)出的特征都較為相似，均呈現(xiàn)出三角形或梯形，這與王漢文等［22］和楊茹等［23］對(duì)干濕邊方程擬合的研究結(jié)果一致。NDVI 值增大干邊上的地表最大溫度隨之減少，呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，濕邊上的地表最小溫度隨之增大但不穩(wěn)定。

圖2 2005年、2010年、2015和2020年6月的Ts-NDVI特征空間Fig.2 The Ts-NDVI feature space in June 2005,2010,2015 and 2020

從香日德-柴達(dá)木河流域2005年、2010年、2015年和2020年植被生長(zhǎng)季的干、濕邊方程來(lái)看（表1），NDVI與Tsmax的干邊方程斜率均為負(fù)，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，R2除2005 年5 月為0.67 之外，其余時(shí)相的R2在0.75～0.93，擬合效果較好。而NDVI 與Tsmin的濕邊方程的相關(guān)性則較弱，表明研究區(qū)NDVI與Tsmin之間的關(guān)系不穩(wěn)定。

表1 香日德柴達(dá)木河流域2005年、2010年、2015年和2020年植被生長(zhǎng)季干、濕邊方程Tab.1 The dry and wet edge equations in the Xiangride-Qaidam River basin growing season in 2005,2010,2015 and 2020

2.2 香日德-柴達(dá)木河流域植被生長(zhǎng)季TVDI 時(shí)空格局

TVDI是反映土壤干濕狀況的替代指標(biāo)，只能估算表層土壤濕度，反映其空間分布狀況［24］。本研究根據(jù)吳英杰等［25］對(duì)土壤濕度的分級(jí)方法將TVDI 值劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別為極濕潤(rùn)（0≤TVDI＜0.2）、濕潤(rùn)（0.2≤TVDI＜0.4）、正 常（0.4≤TVDI＜0.6）、干 旱（0.6≤TVDI＜0.8）、極干旱（0.8≤TVDI＜1）。

根據(jù)2005 年、2010 年、2015 年和2020 年TVDI值可知（表2），香日德-柴達(dá)木河流域TVDI 多年均值為0.61，最大值為2015 年（0.64），最小值為2020年（0.58），年際TVDI 值緩慢下降，但在2015 年出現(xiàn)上升現(xiàn)象，流域旱情不穩(wěn)定且土壤濕度長(zhǎng)期處于干旱（0.6≤TVDI＜0.8）等級(jí)。植被生長(zhǎng)季TVDI 月均值，由大到小依次為7 月（0.66）＞8 月（0.64）＞6 月（0.63）＞9 月（0.57）＞5 月（0.54），出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是，6—8 月研究區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、氣溫達(dá)到全年最大值、植被生長(zhǎng)所需水分也達(dá)到最大，導(dǎo)致土壤含水量降低，土壤濕度減小。從2005年、2010年、2015 年和2020 年TVDI 分級(jí)結(jié)果面積統(tǒng)計(jì)來(lái)看（圖3），香日德-柴達(dá)木河流域土壤濕度不同等級(jí)面積從大到小為干旱＞極干旱＞正常＞濕潤(rùn)＞極濕潤(rùn)，約占研究區(qū)總面積的30.63%、25.77%、22.16%、16.44%、5.01%。

表2 2005年、2010年、2015年和2020年TVDI值Tab.2 TVDI value in 2005,2010,2015 and 2020

通過(guò)香日德-柴達(dá)木河流域植被生長(zhǎng)季TVDI反演結(jié)果圖可以看出（圖4），流域TVDI值整體上呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸增高的趨勢(shì)，西北部以干旱和極干旱等級(jí)為主，東南部正常和濕潤(rùn)等級(jí)占比相對(duì)較高，具有明顯的區(qū)域差異性。TVDI高值區(qū)主要分布于河流下游的沖積平原，此區(qū)域多為荒漠，整體植被覆蓋度低［26］，降雨稀少，不利于土壤水分儲(chǔ)存。TVDI 低值區(qū)主要位于河流上游地區(qū)及諾木洪一帶，該區(qū)域有冬給措納湖、阿拉克湖以及較多河流分布，植被覆蓋度相對(duì)較高，土壤濕度較大。在2005—2020年的5月主要由極干旱等級(jí)轉(zhuǎn)換為干旱等級(jí)，極干旱等級(jí)的面積從2005 年的8355.98 km2（占比19.01%）減少到2020 年的1345.4 km2（占比3.07%）；6 月變化最明顯的是東南部和西南部的干旱等級(jí)轉(zhuǎn)換為正常等級(jí)，干旱等級(jí)的面積從2005年的9041.1 km2（占比20.56%）減少到2020年的5461.29 km2（占比12.42%）；7 月和8 月北霍魯遜湖以東大部分區(qū)域極干旱面積減少，7 月極干旱等級(jí)面積由2005 年的16181.04 km2（占比36.83%）減少到2020年的13059.71 km2（占比29.72%）。8 月極干旱等級(jí)面積由2005 年的14129.82 km2（占比32.13%）減少到2020 年的10358.56 km2（占比23.57%）；9 月南霍魯遜湖周?chē)鷧^(qū)域及都蘭縣以南部分區(qū)域正常面積增加，由2005 年的7756.06 km2（占比17.63%）增加到2020 年的12375.03 km2（占比28.1%）。說(shuō)明研究區(qū)植被生長(zhǎng)季的土壤濕度狀況在由極干旱等級(jí)向干旱和正常等級(jí)轉(zhuǎn)變。

圖3 2005年、2010年、2015年和2020年TVDI分級(jí)結(jié)果面積占比Fig.3 Area share of TVDI classification results in 2005,2010,2015 and 2020

圖4 香日德-柴達(dá)木河流域植被生長(zhǎng)季TVDI反演結(jié)果Fig.4 TVDI inversion results of vegetation growing season in Xiangride-Qaidam River Basin

2.3 土壤濕度影響因素分析

2.3.1 地形因子 海拔和坡度是TVDI 的重要影響因子，香日德-柴達(dá)木河流域海拔相對(duì)高差及坡度變化較大。本研究根據(jù)鐘祥浩等［27］提出的山地海拔類(lèi)型分級(jí)指標(biāo)，基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)海拔進(jìn)行分級(jí)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地貌類(lèi)型以高中山（2500～3500 m）和高山（3500～5500 m）為主，隨海拔的升高TVDI 值呈逐漸減小的趨勢(shì)，高中山的土壤濕度高于高山，進(jìn)一步將海拔以500 m 為間隔劃分為6 個(gè)區(qū)間，各海拔區(qū)間與多年TVDI 平均值進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析，結(jié)果表明TVDI 與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），海拔每升高500 m，TVDI值減少0.11（圖5）。

圖5 TVDI與海拔、TVDI與坡度的關(guān)系Fig.5 The relationship between TVDI and altitude,TVDI and slope

依據(jù)國(guó)際地理學(xué)會(huì)地貌調(diào)查與制圖專(zhuān)業(yè)委員會(huì)提出的坡度劃分標(biāo)準(zhǔn)，將香日德-柴達(dá)木河流域坡度劃分為平原至微斜坡（0°～2°）、緩斜坡（2°～5°）、斜坡（5°～15°）、陡坡（15°～25°）、急坡（25°～35°）、急陡坡（35°～55°）、垂直坡（大于55°）7個(gè)區(qū)間，TVDI在急陡坡值最大，在垂直坡值最小，整體上變化不明顯。由于海拔高度直接影響地形地貌和水熱條件，同時(shí)隨著海拔增加，冰雪凍融作用對(duì)土壤濕度的影響增強(qiáng)，植被覆蓋度增加，使得土壤濕度增加。

2.3.2 氣象因子 香日德-柴達(dá)木河流域?qū)俚湫偷母咴箨懶詺夂騾^(qū)，氣候嚴(yán)寒，降水在地區(qū)分布上極不均勻，降水量由東部向西部、由四周山區(qū)向盆地中心遞減。通過(guò)將2005年、2010年、2015年植被生長(zhǎng)季各氣象站點(diǎn)的平均氣溫、累積降水量數(shù)據(jù)與同月份的TVDI 平均值進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與TVDI值均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），R2值均在0.7 以上。通過(guò)對(duì)比香日德-柴達(dá)木河流域平均氣溫與TVDI的關(guān)系（圖6），發(fā)現(xiàn)各站點(diǎn)植被生長(zhǎng)季平均氣溫與TVDI 平均值的月際變化趨勢(shì)相似，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)隨著溫度的升高地表蒸發(fā)量增加，TVDI值也隨之升高，土壤濕度減小。在累積降水量與同月份TVDI 平均值的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，累積降水量與TVDI之間不存在明顯的相關(guān)性關(guān)系（R2在0.09～0.467），這與研究區(qū)地形復(fù)雜、氣象站點(diǎn)少、降水量少等因素有關(guān)，未能很好的反應(yīng)出流域整體的降水情況?？偟膩?lái)說(shuō)，香日德-柴達(dá)木河流域TVDI值的變化與當(dāng)?shù)貧鉁刈兓芮邢嚓P(guān)，氣溫是影響香日德-柴達(dá)木河流域土壤干濕狀況的重要因子，而降水對(duì)其的影響不顯著。

圖6 香日德-柴達(dá)木河流域平均氣溫與TVDI的關(guān)系Fig.6 Relations between average temperature and TVDI in Xiangride-Qaidam River Basin

3 討論

本研究基于TVDI 對(duì)香日德-柴達(dá)木河流域的土壤濕度進(jìn)行反演，通過(guò)本項(xiàng)研究對(duì)該流域的土壤濕度變化情況有了直觀的認(rèn)識(shí)。流域土壤濕度狀況在空間上變化較小，干旱和極干旱區(qū)集中在流域西北部的荒漠地區(qū)，結(jié)合研究區(qū)地理?xiàng)l件可推斷出植被覆蓋度和地形可能對(duì)其具有主導(dǎo)影響。在時(shí)間上，研究區(qū)6—8月的TVDI均值較高，究其原因是該時(shí)間段內(nèi)流域日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)、氣溫上升、植被生長(zhǎng)所需水分增加。在土壤濕度影響因素方面，本研究利用相關(guān)性分析，探究海拔、坡度、氣溫和降水對(duì)土壤濕度的影響作用，發(fā)現(xiàn)海拔和氣溫是影響該地區(qū)土壤濕度變化的重要因素，這與覃藝等［28］對(duì)內(nèi)蒙古干旱影響因子分析中對(duì)海拔和氣溫與TVDI 值關(guān)系的分析結(jié)果相一致，但在本研究中降水與TVDI 的相關(guān)性不顯著，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是該流域地處我國(guó)西北干旱區(qū)，流域植被覆蓋度低，蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水量少，且降水對(duì)TVDI 的影響具有一定的滯后性［24］，這與李彩瑛等［24］基于TVDI 對(duì)羌塘高原土壤濕度變化分析中降水量與TVDI 值不具有顯著相關(guān)性的結(jié)果相一致。本研究對(duì)香日德-柴達(dá)木河流域的土壤濕度狀況的研究?jī)H限于植被生長(zhǎng)季，同時(shí)在土壤濕度影響因素方面只考慮了4 種，因此在以后的相關(guān)研究工作中需對(duì)時(shí)間尺度進(jìn)行擴(kuò)展，并結(jié)合NPP、蒸散發(fā)、人為因素等多方面進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

（1）使用MODIS 數(shù)據(jù)反演香日德-柴達(dá)木河流域植被生長(zhǎng)季土壤濕度效果較好，表明通過(guò)MOD11和MOD13數(shù)據(jù)反演的TVDI指數(shù)可用于該流域土壤濕度監(jiān)測(cè)。

（2）香日德-柴達(dá)木河流域土壤濕度整體上以干旱為主，植被生長(zhǎng)季TVDI 最大值在7 月，最小值在5 月，具有一定的周期性變化，年際TVDI 緩慢下降，說(shuō)明干旱程度有所減輕。TVDI的空間分布表現(xiàn)為西北部和中部較干旱，東南部較濕潤(rùn)，流域土壤濕度存在明顯的區(qū)域差異性。

（3）從TVDI 與地形和氣象因子的相關(guān)性分析可以看出，TVDI 與海拔呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系、與平均氣溫呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系、與坡度和降水的相關(guān)性不高，表明香日德-柴達(dá)木河流域土壤濕度受海拔和氣溫的影響最為顯著。