西遼河流域平原區(qū)植被與降水及地下水埋深的關(guān)系

陳志云，尹雄銳，季葉飛，鐘建華

（1松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130021；2通遼市水利技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙 通遼 028000）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的中樞。植被變化在一定程度上代表了土地覆蓋變化，反映大氣、水、土壤和巖石等環(huán)境組成成分的變化，是景觀(guān)生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器[1]。因而，對(duì)于水資源短缺、生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的半干旱地區(qū)而言，開(kāi)展植被變化及其影響因素研究對(duì)該地區(qū)保護(hù)水資源、防止水土流失、保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[2-4]。西遼河流域地處東北平原西部農(nóng)牧交錯(cuò)帶的東緣，是國(guó)家實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)地區(qū)之一。歷史上，該區(qū)一直是農(nóng)業(yè)文化和游牧文化相互交替的場(chǎng)所。由于脆弱的自然基礎(chǔ)和人類(lèi)活動(dòng)的疊加作用，西遼河流域在過(guò)去的100多年一直處于荒漠化的嚴(yán)重威脅中，因此對(duì)于研究區(qū)植被覆蓋度的研究具有重要意義。文中利用遙感數(shù)據(jù)提取土地利用類(lèi)型；用歸一化植被指數(shù)（NDVI）計(jì)算得到植被覆蓋度，分析植被覆蓋度變化及原因，為提高研究區(qū)植被覆蓋度、保護(hù)區(qū)域水土資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及遙感數(shù)據(jù)情況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為地處東北地區(qū)南部的西遼河流域平原區(qū)，總面積5.16×104km2。在氣候上屬于溫帶半濕潤(rùn)向半干旱氣候的過(guò)渡帶，年際間干濕交替，春季干旱少雨多大風(fēng)。年降水量343～451 mm，呈現(xiàn)從南向北逐漸減少的規(guī)律。

西遼河流域水資源總量為70.61億m3，人均水資源量為1 100 m3，僅占全國(guó)平均水平的52%，流域水資源比較匱乏；水資源開(kāi)發(fā)利用程度為75%，其中地表水開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)到51%，水資源開(kāi)發(fā)利用程度高。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源

文中使用的數(shù)據(jù)有研究區(qū)矢量邊界、高程數(shù)據(jù)、分辨率為14.25 m的校正基準(zhǔn)影像以及從USGS網(wǎng)站下載的28景Landsat-5影像（TM、ETM+），獲取時(shí)間分別為 1989，1999，2006，2010 年這 4 個(gè)時(shí)期的7，8，9月份，該時(shí)期研究區(qū)的植被特征明顯。利用多項(xiàng)式變換（Polynomial）對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何糾正，最鄰近法（Nearest Neighbor）進(jìn)行重采樣，使誤差控制在0.2～0.5個(gè)像元，盡可能保留影像光譜信息。采用ENVI的FLAASH模型對(duì)遙感圖像進(jìn)行大氣校正。此外，數(shù)據(jù)還包括4個(gè)時(shí)期研究區(qū)內(nèi)庫(kù)倫縣、科爾沁區(qū)、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗、奈曼旗、扎魯特旗與開(kāi)魯縣的對(duì)應(yīng)年降水量和地下水位埋深。

1.2.2 植被覆蓋度的提取

植被覆蓋度定義為所有植被，包括喬木、灌木、草、農(nóng)作物的冠層、枝葉在生長(zhǎng)區(qū)域地面的垂直投影面積占區(qū)域地面面積的百分比。目前用于計(jì)算植被覆蓋度的方法有很多種，其中可以通過(guò)其與植被指數(shù)之間的關(guān)系得出[5]。目前，NDVI是多種植被指數(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種。植被覆蓋度可以通過(guò)NDVI計(jì)算得到，公式為：

其中NDVI計(jì)算公式為：

（2）式中，NIR和Red分別表示近紅外、紅光波段的反射率。-1≤NDVI≤1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和Red近似相等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

（1）式中，NDVImin和NDVImax是代表研究區(qū)域的NDVI的最小值和NDVI的最大值?？紤]到遙感影像中存在噪聲，NDVImin和NDVImax并不能直接取NDVI灰度圖統(tǒng)計(jì)出來(lái)的最大和最小值，而是取給定置信度區(qū)間的最大值與最小值。在文中取NDVI頻率累積表上累計(jì)到1%和99%的NDVI值，分別作為NDVImin和NDVImax[6]。1.2.3土地利用類(lèi)型的提取

根據(jù)分類(lèi)要求，將研究區(qū)分為：耕地、草地、林地、未利用地、水體和居民用地這6種土地利用類(lèi)型。這里采用的波段組合為T(mén)M第一波段、主成分分析后的第二主成分及NDVI這三個(gè)相關(guān)性最小的波段進(jìn)行組合。采用監(jiān)督分類(lèi)中最常用的最大似然法[7]對(duì)新的波段組合進(jìn)行分類(lèi)，并采用聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行處理，以去除面積小于一個(gè)像元的圖斑，最終獲得1989，1999，2006及2010年西遼河流域平原區(qū)的土地利用類(lèi)型圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度年際變化

將通過(guò)NDVI計(jì)算得到的植被覆蓋度數(shù)值，按照植被覆蓋度常用的五級(jí)表示法從低到高依次劃分為：低植被覆蓋度：0%～30%，較低植被覆蓋度：30%～45%，中植被覆蓋度：45%～60%，較高植被覆蓋度：60%～75%，高植被覆蓋度：75%～100%。得到四個(gè)時(shí)期的西遼河流域平原區(qū)植被覆蓋分級(jí)圖。各圖顯示研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度具有顯著的空間分異性，高植被覆蓋度主要分布在干流沿河兩岸區(qū)域；較高植被覆蓋度與中度植被覆蓋度主要分布在各支流沿河兩岸區(qū)域；較低與低植被覆蓋度區(qū)域在距離河流稍遠(yuǎn)的廣大區(qū)域。

圖 1 1989、1999、2006、2010 年植被覆蓋度面積圖

圖1 為研究區(qū)不同時(shí)段不同覆蓋度植被面積的統(tǒng)計(jì)圖，由圖1可見(jiàn)：研究區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化特征：植被平均覆蓋度以1989年最高，1999年降為最低，之后2006年和2010年平均覆蓋度有略微增加的趨勢(shì)；中等和較低覆蓋度面積顯著減小，而低覆蓋度面積顯著增加，中高和高覆蓋度面積變化相對(duì)較小。1999，2006，2010年三個(gè)時(shí)期植被覆蓋度面積組成較相似，低覆蓋度面積大于較低覆蓋度面積，較低覆蓋度面積大于中等覆蓋度面積，中等覆蓋度面積大于中高覆蓋度面積，而高覆蓋度面積與中等覆蓋度面積接近?？梢?jiàn)，從上世紀(jì)八十年代末到2010年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境經(jīng)歷了從快速惡化到逐漸好轉(zhuǎn)的過(guò)程，但總體上研究區(qū)生態(tài)環(huán)境還未根本改善。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)年際變化

對(duì)1989，1999，2006及 2010年的最佳波段進(jìn)行分類(lèi)，得到四個(gè)時(shí)期的影像分類(lèi)圖，不同土地利用類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：四個(gè)時(shí)期西遼河流域土地利用類(lèi)型主要以林地為主，覆蓋面積最大，其次是草地、耕地和未利用地，后三者覆蓋面積相當(dāng)，水體和居民用地面積最小。林地在研究區(qū)有大面積分布，以西遼河流域東部居多；草地主要分布于西遼河流域西部；耕地大面積分布在中部城鎮(zhèn)地區(qū)，并沿東西走向的西遼河水系呈條帶狀分布；水體為西遼河及其支流水系；城鎮(zhèn)居民用地主要分布在中部；未利用地主要分布在研究區(qū)西南部地區(qū)，以沙地為主。

自1989年至2010年，耕地、草地與居民用地這三種土地利用類(lèi)型的面積都在不斷增大，而林地、未利用地面積變化的整體趨勢(shì)是不斷減少，林地主要轉(zhuǎn)化為草地；水體的面積變化沒(méi)有規(guī)律，在1999年其面積最大，可能受1998年的洪水影響，而2006年面積最小。西遼河流域土地利用類(lèi)型變化結(jié)合植被覆蓋變化數(shù)據(jù)說(shuō)明，2010年植被覆蓋相比于1999和2006年稍有改善的原因，可能是由于2010年研究區(qū)的耕地、草地與林地的總面積較1999和2006年增多。

圖2 1989，1999，2006及2010年影像分類(lèi)圖

2.3 植被覆蓋變化的影響因子分析

西遼河流域降水存在較大空間變異性，為反映空間變異性對(duì)研究結(jié)果的影響，此次研究以研究區(qū)內(nèi)七個(gè)區(qū)縣為基本分析單元。將研究區(qū)的1989，1999，2006及 2010年四個(gè)時(shí)期庫(kù)倫縣、科爾沁區(qū)、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗、奈曼旗、扎魯特旗與開(kāi)魯縣的植被覆蓋度均值，結(jié)合可能影響其變化的地下水埋深、降水兩個(gè)因子進(jìn)行分析，其中地下水埋深因子采用各區(qū)縣的年均地下水埋深數(shù)據(jù)，降水因子采用各區(qū)縣年降水量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需預(yù)先進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)比各區(qū)植被覆蓋度、降水量和地下水埋深變化過(guò)程，1989-2010年各區(qū)縣植被覆蓋度除科爾沁左翼中旗外，都成先減小后增大的趨勢(shì)，與整個(gè)研究區(qū)變化基本一致。其中庫(kù)倫縣、科爾沁左翼后旗、奈曼旗、開(kāi)魯旗4個(gè)旗縣以1999年最低，科爾沁區(qū)和扎魯特旗以2006年最低，科爾沁左翼中旗1989年以來(lái)植被覆蓋度持續(xù)增大。地下水埋深除庫(kù)倫縣和扎魯特旗成上下波動(dòng)變化外，其他各旗縣都成增大的趨勢(shì)。降水?dāng)?shù)據(jù)大多區(qū)縣沒(méi)有1989年數(shù)據(jù)，但從1999-2010年的變化趨勢(shì)看，總體都成增加的趨勢(shì)。

研究區(qū)內(nèi)各縣（區(qū)）1999-2010年降水和地下水埋深總體上都呈增加的趨勢(shì)，植被覆蓋度也成增大的趨勢(shì)。通常情況下，降水量增加將會(huì)有更多的水量補(bǔ)給地下水，從而抬升地下水水位，使得地下水埋深成減小的趨勢(shì)，而西遼河的實(shí)際情況卻與此相反，地下水埋深隨降水量的增加而加大，說(shuō)明該區(qū)域地下水系統(tǒng)已經(jīng)劇烈地受到人類(lèi)活動(dòng)影響，人口的增長(zhǎng)和城市化快速發(fā)展需要更多的水資源，地表水資源不豐富的西遼河平原區(qū)只能加大地下水開(kāi)采量，從而使得區(qū)域地下水埋深成不斷加大。1999-2006年植被覆蓋度變化的趨勢(shì)與降水變化一致，說(shuō)明1999年以后西遼河流域平原區(qū)植被覆蓋變化的主要自然因素是降水，而地下水系統(tǒng)由于受人類(lèi)活動(dòng)的影響加大，地下水埋深與植被覆蓋度變化關(guān)系變得更加復(fù)雜，人類(lèi)活動(dòng)作為重要的影響因素通過(guò)地下水系統(tǒng)間接地影響到植被覆蓋變化。

1989-1999缺少降水資料，南部3個(gè)區(qū)縣庫(kù)倫縣、科爾沁區(qū)、科爾沁左翼后旗植被覆蓋度變化與地下水埋深負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度降低而地下水埋深增加，北部4個(gè)區(qū)縣植被覆蓋度變化與地下水埋深正相關(guān)，其中西北部3個(gè)區(qū)縣奈曼旗、扎魯特旗與開(kāi)魯縣植被覆蓋度降低同時(shí)地下水埋深也減小，科爾沁左翼中旗植被覆蓋度增大同時(shí)地下水埋深加大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料西遼河流域雖然1989年和1999年降水偏枯，但1989-1999年屬于降水量相對(duì)豐沛的時(shí)期，區(qū)域地下水得到了較好地補(bǔ)給，西北部區(qū)域地下水水位升高，而南部地區(qū)地下水位成下降趨勢(shì)，主要是由于南部社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，工業(yè)發(fā)展和農(nóng)田灌溉大量抽取地下水，導(dǎo)致地下水埋深逐年增加等因素導(dǎo)致?？傮w上來(lái)說(shuō)該時(shí)期的植被覆蓋度變化與降水關(guān)系較密切，而與地下水埋深關(guān)系由于人類(lèi)活動(dòng)影響存在區(qū)域差異性，西北部3個(gè)區(qū)縣奈曼旗、扎魯特旗與開(kāi)魯縣植被覆蓋度受地下水埋深變化影響較大，而對(duì)南部地下水埋深變化的響應(yīng)不明顯。

3 結(jié)論

研究通過(guò)分析1989-2010年西遼河流域土地利用類(lèi)型和植被覆蓋度變化，以及主要影響因素，主要得出如下結(jié)論：

1）研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)為在1989至1999年間下降，自1999年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從20世紀(jì)80年代末到2010年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境經(jīng)歷了從快速惡化到逐漸好轉(zhuǎn)的過(guò)程，但總體上研究區(qū)生態(tài)環(huán)境還未根本改善。

2）由1989年至2010年，耕地、草地與居民用地這三種土地類(lèi)型的面積都在不斷增大，而林地、未利用地的面積變化的大的趨勢(shì)是不斷減少，水體面積較小，變化沒(méi)有規(guī)律，1999年面積最大，可能受1998年的洪水影響，而2006年水體面積最小。

3）研究區(qū)植被覆蓋度變化與降水關(guān)系較密切，而在人類(lèi)活動(dòng)影響下，植被覆蓋度變化與地下水埋深的關(guān)系存在區(qū)域差異性，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，地下水開(kāi)采量越大的地區(qū)，植被覆蓋度與地下水關(guān)系越不顯著。上世紀(jì)九十年代庫(kù)倫縣、科爾沁左翼后旗及科爾沁區(qū)植被覆蓋度與地下水埋深關(guān)系密切，而南部地區(qū)植被覆蓋度與地下水埋深關(guān)系不顯著。1999年以后整個(gè)研究區(qū)的植被覆蓋度受降水量的影響相對(duì)較大，與地下水關(guān)系都不顯著。

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