干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量計(jì)算方法研究

彭 飛，何新林，劉 兵，張少博，張葉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

植被是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于自然環(huán)境的變遷起著決定性的作用[1,2]。而植被的生長(zhǎng)需要水資源的支持，有水即為綠洲，無(wú)水即變荒漠[3]。因此，要維持生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，必須將植被生態(tài)需水作為重點(diǎn)研究對(duì)象，滿足植被生態(tài)需水的要求。

生態(tài)需水的概念最早由Coleick在1993年提出的，他認(rèn)為生態(tài)需水是保證維持和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展所需要的水量[4]。對(duì)于目前生態(tài)需水定義，多數(shù)是以維持現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)功能，遏制其不再繼續(xù)退化的最小需水量為其生態(tài)需水量[5]?，F(xiàn)階段，生態(tài)需水量的計(jì)算方法有以下幾種：①面積定額法，此方法適用于計(jì)算基礎(chǔ)條件較好的植被生態(tài)需水量[3,6,7]。②潛水蒸發(fā)法，此方法適用于計(jì)算干旱區(qū)依賴地下水生存的植被生態(tài)需水量[1,4,8-9]。③水量平衡法，此方法適用于計(jì)算大尺度區(qū)域的植被生態(tài)需水量[10]。④基于遙感與地理信息系統(tǒng)的計(jì)算方法，此方法適用于長(zhǎng)時(shí)段尺度的植被生態(tài)需水量[11-13]。目前，計(jì)算植被生態(tài)需水量的常用方法為面積定額法及潛水蒸發(fā)法[1,3-4,6-9],而以上研究?jī)H通過一種特定方法計(jì)算荒漠植被的生態(tài)需水量，其研究結(jié)果合理性存在爭(zhēng)議，且在此前的研究當(dāng)中，未對(duì)面積定額法及潛水蒸發(fā)法計(jì)算干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量的合理性進(jìn)行驗(yàn)證且沒有一個(gè)計(jì)算干旱區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量的統(tǒng)一方法。為了解決以上問題，本文以2013年新疆塔里木河上游區(qū)為例，運(yùn)用遙感技術(shù)提取荒漠植被生長(zhǎng)面積，并通過面積定額法與潛水蒸發(fā)法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，并與前人的研究成果對(duì)比分析，驗(yàn)證以上兩種方法的合理性，且通過均值計(jì)算得到研究區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量，以此作為干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量合理的計(jì)算方法，為其他干旱區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量的計(jì)算提供依據(jù)。

1 荒漠植被生態(tài)需水量計(jì)算方法

1.1 荒漠植被面積提取方法

植被覆蓋度(fc)是指一個(gè)地區(qū)所有植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占研究區(qū)總面積的百分比，也是計(jì)算荒漠植被面積重要的因子之一[4]。植被覆蓋度可用像元二分模型進(jìn)行求解，該模型假設(shè)地表上一個(gè)像元僅由植被部分與無(wú)植被部分組成，并結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)構(gòu)成以下公式[4]：

(1)

式中：NDVI為各像元的NDVI值；NDVIsoil為無(wú)植被覆蓋時(shí)的NDVI值；NDVIveg為完全由植被覆蓋的NDVI值。

1.2 潛水蒸發(fā)法估算生態(tài)需水量

潛水蒸發(fā)法是用某一植被類型在某一地下水位的面積乘以該地下水位的潛水蒸發(fā)量及植被系數(shù)即可得到該植被的生態(tài)需水量，并對(duì)各種植被生態(tài)需水量求和得到區(qū)域植被生態(tài)需水總量，此方法為潛水蒸發(fā)法[4]，計(jì)算公式為：

(2)

式中：W為區(qū)域植被生態(tài)需水總量，m3；Ai為第i類型植被的面積，m2；n為植被種類總數(shù)；Wgi為第i類型植被在某一地下水位的潛水蒸發(fā)量，mm；Kc為植被系數(shù)，常由實(shí)驗(yàn)確定。

其中，潛水蒸發(fā)量Wgi可通過阿維里揚(yáng)諾夫公式進(jìn)行求解[4]，公式為：

Wgi=a(1-hi/hmax)bE20

(3)

式中：a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；hmax為潛水蒸發(fā)極限深度；hi為第i類型植被的地下水埋深，m；E20為20 cm小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm。

1.3 面積定額法估算生態(tài)需水量

面積定額法是用某一植被類型的面積乘以該植被的生態(tài)需水定額即可得到該植被的生態(tài)需水量[3]，對(duì)所有植被的生態(tài)需水量求和得到區(qū)域的植被生態(tài)需水總量，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：W為區(qū)域植被生態(tài)需水總量，m3；Ai為第i類型植被的面積，m2；n為植被種類總數(shù)；Pi為第i類型植被生態(tài)需水定額，m3/m2。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)概況

塔里木河干流上游區(qū)為平原地區(qū)，東部臨近沙雅縣，西部緊靠柯坪縣，南部與塔克拉瑪干沙漠相接，北部起于天山南麓，地理坐標(biāo)為80°30′～81°58′E， 40°22′～40°57′N，地勢(shì)由西北向東南傾斜，坡降為1/200～1/300，海拔高程為1 041～1 000 m，區(qū)域包括農(nóng)一師七團(tuán)至十六團(tuán)等11個(gè)子區(qū)域，總面積為4 196 km2，水資源主要通過塔里木河流域補(bǔ)給。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛O端大陸性干旱荒漠氣候，因此，其降水量少而蒸發(fā)量大，并且降雨無(wú)法形成有效的地表徑流，可忽略不計(jì)，地下水依靠側(cè)向補(bǔ)給和灌溉水補(bǔ)給，2013年該區(qū)地表水供水量為18.8 億m3、地下水供水量為1.19 億m3，再生水供水量為0.33 億m3，總供水量為20.32 億m3。在該區(qū)氣候條件的控制下，分布的荒漠植被種類較少且稀疏，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要有胡楊、鈴鐺刺、沙棗、黑果枸杞、鹽穗木、花花柴、蘆葦、檉柳等等。區(qū)域地理位置圖見圖1。

圖1 塔河干流上游區(qū)地理位置圖

2.2 塔河干流上游區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量計(jì)算

2.2.1 荒漠植被面積提取

本研究所用的遙感圖像為L(zhǎng)ANDSAT8攜帶的OLI_TIRS傳感器獲得的2013年6月30日的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，產(chǎn)品類型為L(zhǎng)evel 1T地形矯正影像。產(chǎn)品分辨率為1～7,9-OLI多光譜波段(30 m)；8-OLI全色波段(15 m)；10,11-TIRS波段(30 m)。產(chǎn)品格式為GEOTIFF，采用三次卷積算法取樣，投影坐標(biāo)系為UTM-WGS84，且L1數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正和幾何校正。此外還要用到塔河干流上游區(qū)矢量邊界，其投影坐標(biāo)系為UTM-WGS84。

其NDVI值可由ENVI5.2軟件的SPECTRSL/VEGETATION/NDVI工具箱進(jìn)行計(jì)算，其中NDVIveg、NDVIsoil分別為計(jì)算區(qū)域內(nèi)最大及最小NDVI值，然而由于噪聲的存在，NDVIveg及NDVIsoil一般取置信度區(qū)間內(nèi)的最大及最小值，其值需根據(jù)遙感圖像的實(shí)際情況進(jìn)行選取，本研究則取NDVIveg為0.61，取NDVIsoil為0.01，并認(rèn)為NDVI大于0.61時(shí)，fc取1，NDVI小于0.01時(shí)，fc取0，然后運(yùn)用ENVI5.2中的BAND MATH工具箱按照公式：(b1 lt 0.01)× 0 +(b1gt0.61)× 1 +(b1ge0.01 andb1le0.61)×(b1～0.01)/(0.61-0.01)進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算，在參考相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，按照相應(yīng)等級(jí)進(jìn)行劃分，其中灌木植被覆蓋度為0.1～0.15，疏林地植被覆蓋度為0.15～0.2，有林地植被覆蓋度為0.2～0.3，草地覆蓋度為0.3～0.4，如圖2。

圖2 植被覆蓋度分類圖

通過ARCGIS10.1軟件分析計(jì)算各種荒漠植被的像元個(gè)數(shù)，并按照各像元數(shù)與單個(gè)像元大小的乘積得到塔河干流上游區(qū)2013年各種荒漠植被的面積，見表1。

表1 不同荒漠植被的像元個(gè)數(shù)及生長(zhǎng)面積

2.2.2 潛水蒸發(fā)法計(jì)算結(jié)果

塔河干流上游區(qū)降雨稀少，荒漠植被的生長(zhǎng)主要依賴于地下水，并在毛細(xì)管力的作用下通過植被根系獲取水分，即該區(qū)植被的實(shí)際蒸散量主要是潛水向上轉(zhuǎn)為土壤水供給的，因此潛水蒸發(fā)量的大小也決定了土壤水分的多少。當(dāng)水分在土壤中進(jìn)行穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，土壤含水量及地表蒸發(fā)都趨于穩(wěn)定，此時(shí)，土壤水分通量、土壤蒸散量及潛水蒸發(fā)量三者相等，可以此通過潛水蒸發(fā)量間接估算植被的生態(tài)需水量[3,7]。

宋郁東等在中國(guó)塔里木河水資源與生態(tài)問題研究中提出不同埋深時(shí)植物植被系數(shù)(見表2)以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b的值，即0.62、2.8，因本文研究區(qū)亦在塔河地區(qū)，因此可直接引用其參數(shù)[14]；hmax是停止蒸發(fā)時(shí)的地下水埋深，在干旱區(qū)，有植被蓋度的區(qū)域以5 m為限，如果極限地下水深大于其深度，其潛水蒸發(fā)量可近似認(rèn)為等于0，這也是目前水文地質(zhì)計(jì)算中普遍采用的值[9]，因此取hmax為5 m；20 cm小型蒸發(fā)皿蒸發(fā)量 可取阿拉爾氣象站點(diǎn)1992-2001年的檢測(cè)數(shù)據(jù)，取均值2 754.02 mm，因該氣象站點(diǎn)皆在塔河流域，與本文研究區(qū)相近，因此有較高的參照性；hi為第i類型植被的地下水埋深，其值在潛水既不發(fā)生強(qiáng)烈的蒸發(fā)返鹽造成土壤鹽漬化，又不低于潛水蒸發(fā)極限深度造成土地荒漠化的地下水埋深[15]的范圍內(nèi)，參考多名研究者在塔河地區(qū)研究的荒漠植被的地下水埋深[2,7]，見表3。

表2 不同潛水埋深的植被系數(shù)

表3 不同荒漠植被的地下水埋深 m

根據(jù)以上參數(shù)，由阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算得到各荒漠植被在其地下水埋深時(shí)潛水蒸發(fā)量的上下限，并由潛水蒸發(fā)法模型計(jì)算出塔河干流上游區(qū)2013年各荒漠植被的生態(tài)需水量的上下限，見表4。

表4 不同荒漠植被的潛水蒸發(fā)量及生態(tài)需水量

2.2.3 面積定額法計(jì)算結(jié)果

面積定額法估算塔河干流上游區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量的重點(diǎn)在于各植被生態(tài)需水定額的確定，因此，生態(tài)需水定額的選取可參照郭斌及宋郁東在塔河的研究數(shù)據(jù)[3,11]，并通過面積定額法模型計(jì)算得到塔河干流上游區(qū)2013年各荒漠植被的生態(tài)需水量的上下限，見表5。

表5 不同荒漠植被的生態(tài)需水定額及生態(tài)需水量

3 計(jì)算結(jié)果比較

利用本文潛水蒸發(fā)法及面積定額法計(jì)算出的結(jié)果與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分別計(jì)算其潛水蒸發(fā)法與面積定額法結(jié)果相對(duì)差值百分比，通過相對(duì)差值百分比的比較對(duì)研究結(jié)果的合理性進(jìn)行分析，其中文獻(xiàn)[3]研究區(qū)為塔里木河干流，文獻(xiàn)[7]研究區(qū)為塔里木河流域下游區(qū)，與本文研究區(qū)域(塔里木河上游區(qū))相近，計(jì)算結(jié)果有較強(qiáng)可比性。通過表6可知，本文與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[7]中，在研究范圍及研究時(shí)間不同的情況下，其潛水蒸發(fā)法及面積定額法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)差值百分比相近，皆為50%左右(上下浮動(dòng)10%以內(nèi))，呈規(guī)律性，由此認(rèn)為本文潛水蒸發(fā)法及面積定額法計(jì)算結(jié)果較為合理。為確定塔里木河上游區(qū)合理的植被生態(tài)需水量 ，可將潛水蒸發(fā)法及面積定額法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均，即2.65 億m3，作為該區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量，因此，可將該方法推廣應(yīng)用于其他干旱區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量的計(jì)算。

表6 荒漠植被生態(tài)需水量研究成果比較

4 結(jié)果與討論

(1)植被覆蓋度是計(jì)算荒漠植被面積的重要因素，可通過像元二分法進(jìn)行求解，其模型參數(shù)用ENVI軟件計(jì)算處理，并將植被覆蓋度分類，最終利用ArcGIS軟件提取各植被像元個(gè)數(shù)及面積。從圖2及表1中可以看出，2013年塔河干流上游區(qū)荒漠植被主要沿水體周圍分布，有林地及稀疏林地分布面積最廣，其中有林地包括人造林地，是保護(hù)生態(tài)的重要屏障，草地及灌木林地分布面積依次減小，而總體上，研究區(qū)域荒漠植被分布面積較廣，應(yīng)注重其天然植被的保護(hù)，防止其退化造成生態(tài)環(huán)境的惡化。

(2)潛水蒸發(fā)法與面積定額法都是計(jì)算植被生態(tài)需水量常用的方法，而本文以2013年塔河干流上游區(qū)為研究區(qū)，通過以上兩種方法進(jìn)行研究區(qū)生態(tài)需水量計(jì)算并將結(jié)果與前人研究進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了潛水蒸發(fā)法及面積定額法計(jì)算干旱區(qū)荒漠植被的合理性，并通過均值計(jì)算得到該區(qū)荒漠植被的合理生態(tài)需水量，可推廣至其它干旱區(qū)荒漠植被合理生態(tài)需水量的確定。

(3)由于人類活動(dòng)的作用，如過度開墾耕地、增大農(nóng)業(yè)用水，塔河干流上游區(qū)荒漠植被退化，造成生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，影響了經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的正常發(fā)展。保護(hù)塔河干流上游區(qū)生態(tài)環(huán)境的安全，首先應(yīng)確定維持其生態(tài)健康穩(wěn)定的合理的生態(tài)需水量，本文基于面積定額法及潛水蒸發(fā)法分別得到其荒漠植被生態(tài)需水量，并以均值計(jì)算的方法得到塔河干流上游區(qū)2013年荒漠植被的合理生態(tài)需水總量，即2.65 億m3，可為該地區(qū)進(jìn)行水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支撐，并進(jìn)一步促進(jìn)其生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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