基于地形地貌的干旱区植被与地下水关系研究

基于地形地貌的干旱区植被与地下水关系研究

大自然植物的生长主要受阳光、空气、水和土壤（养分）等因素的影响。因此，植物生长也随着时间和空间的变化而改变。植被随季节的差异是气候等综合作用的表现,而空间上的不均一性则主要受地形地貌和土壤性质的影响。西北干旱地区的盆地多属内陆盆地,降雨量缺乏,植被的生长主要依赖于河流流量与地下水。当河流流量较大或地下水水位埋深较浅时,土壤含水量较大,供给植被的水分较充分;流量小或埋深较深时,则相反。因此,植被发育在盆地水循环中占有极其重要的作用。研究植被与地形地貌及地下水的依存关系是揭示干旱区植被生态水文过程的关键,也对西北内陆盆地合理配置水资源、保护生态环境具有重要的意义。近10年来,国内外一些学者曾探讨了地形地貌对植被生长的影响。Lunetta等利用不同时间尺度的MODISNDVI植被指数研究了地形对不同植被格局的影响。Cuo等应用Landsat卫星数据讨论了地形地貌对植被的影响,并提出应用地形标准化方法修正土地覆盖分类的结果。魏雅玲等利用数字高程模拟数据,对山区流域森林植被与地形因素的耦合关系进行了研究。吴大千等基于遥感技术,应用植被指数建立了植被与地形要素间的依赖关系,以及植被分布格局对水分的再分配作用。针对干旱地区水资源开发对植被的影响,Lichner等探讨了植被与土壤水分的关系,给出了不同植被覆盖下土壤的饱和导水率。Goedhart等讨论了地下水位埋深下降对植被的影响,探讨了草地、灌木等不同植被种群对地下水位埋深下降的响应。王志敏等从分析额济纳绿洲水环境的时空演变着手,论证了额济纳荒漠植被与水环境的关系。以上研究基于地面调查资料、数学方法和非连续的卫星数据来探讨绿洲和水资源的关系,取得了一定的成果,但西北干旱地区地域广阔,环境恶劣,缺乏实地调查资料,传统的研究方法难以从宏观尺度确定植被与地形地貌、地下水位埋深的定量关系。目前,随着遥感技术的飞速发展,遥感数据已经广泛应用于农业、水文、环境及生态领域的研究中。遥感数据具有数据更新快、时间连续性强及覆盖面积大等特点,在区域尺度的生态水文地质研究中显示出良好的优越性。本文以我国西北鄂尔多斯高原海流兔河流域作为研究区,应用植被指数(NDVI)定量分析了流域植被的生长状况,结合野外实测的地形地貌、地下水位埋深数据,从大尺度上定量评价了不同类型的植被生长与地形地貌、地下水位埋深的关系。1气候、地貌条件海流兔河流域位于毛乌素沙漠东南部边缘,地理位置为东经108°56′~109°36′,北纬38°01′~38°42′,北起乌审旗的巴彦柴达木乡,南到韩家峁,西起乌审旗的查汗敖包,东至榆林大海则三队,流域总面积2602km2。海流兔河流域地处西北内陆,属温带大陆性季风气候,区内多年平均降雨量为350mm,多年平均蒸发量约为2000mm,具有降水稀少、蒸发强烈、温差大等特点,是典型的干旱、半干旱草原气候环境。研究区地处陕北黄土高原与毛乌素沙漠之过渡地带,地形以滩地和沙地为主。地势北高南低,具有东西高、中间低的特点(图1)。海流兔河是流域内主要河流,全长121km,区内长45km,至红石桥汇入无定河,支流不发育,最大的支流为补浪河。沙丘间的洼地汇聚地下水渗流及降水形成了一系列内陆碱湖,近年来陆续干涸多变为盐碱地或耕地。仅有北部部分湖泊季节性积水,但水域面积大部分萎缩。近年来,由于人类活动的加剧,工业用水迅速增加,同时上游修建较多水库,导致该区域水文及土壤条件发生明显变化,植被也因此受到重要影响。研究海流兔河流域植被与地形地貌、地下水的关系,不仅对实现流域水资源的合理配置及可持续利用具有重要的科学意义,同时也对干旱区内陆盆地的水土保持和生态环境保护具有重要的参考价值。2地下水位数据海流兔河流域的植被类型主要有沙蒿、沙柳、柠条、扬柴、旱柳等,地下水对这些植被生长的好坏有着重要的影响。当地下水位埋深较浅,小于或等于植物根系深度时,植被生长良好。当地下水位埋深较深,大于植被根系深度但小于土壤毛细水上升高度时,植被仍然能够正常生长。但是如果地下水位埋深过深,大于土壤毛细水上升高度时,植被会由于供水不足而死亡。因此,地下水位埋深是控制干旱区植被生长的重要因素之一。同时,地形地貌也影响植被的分布。本文应用区域遥感数据定量地分析植被的生长状况,进而探讨植被生长与地形地貌、地下水水位埋深之间的关系。归一化插值植被指数(NDVI)是目前常用的评价植被发育好坏的指标,NDVI值较高说明植被发育良好,NDVI值低则说明植被生长状况较差。基于海流兔河流域的特点,本次研究采用中等分辨率的MODISNDVI数据,其时间分辨率为16d,空间分辨率是250m。该数据由地球观测系统(EOS)计划的网站免费发布,对已有的植被指数进行修正,不仅减少了其他因素的干扰、增强了系统对植被的敏感性,而且使用新的合成算法减小了几何因素对植被指数的影响。同时,应用分子散射、臭氧吸收、气溶胶修正等算法生成NDVI的格点资料。目前,MODISNDVI数据已被广泛应用于研究区域生态环境的变化。本文此次选用的数据是2008—2011年6—9月份的MODISNDVI数据。地下水位数据是2010年7月统测的数据,共计100个地下水位观测孔。通过地下水模拟后得到地下水水位埋深等值线图。3研究结果3.1不同地貌类型植被分布根据海流兔河流域2008—2011年每年6—9月共计32幅数据,得到研究区MODISNDVI平均值分布图(图2),NDVI值在0~0.6间变化。总体上看,研究区植被发育南部好于北部,特别是河谷及河两岸的滩地地区,植被发育较好。研究区属鄂尔多斯盆地内的一个内陆盆地,西北侧位于毛乌素沙漠,向南逐渐向黄土高原过渡。研究区内以河谷地、滩地(风沙滩)、沙地为主,东南、西部、北部存在沙盖黄土梁岗,中部主要为滩地,水体除北部的宝寨淖尔湖,均聚集到海流兔河,形成河谷。地貌类型根据成因和形态划分为河谷、滩地、沙丘沙地及沙梁(图3)。首先,将滩地、河谷、沙丘沙地等不同地貌类型提取出来,分别统计不同地貌类型的像元个数。由于沙梁主要分布于盆地边缘且植被发育与沙地相似,将其放入沙地地貌统计。然后,以0.05为间距,将NDVI值从0.1~0.6划分为10个区间,分别统计滩地、河谷、沙丘及沙地的每个区间的NDVI像元个数,计算每个区间像元数占不同地貌像元数的比率,得到不同地貌类型植被分布图(图4)。从图中可以看出,NDVI从0.1~0.6几乎都有分布。沙丘沙地地貌主要以低植被指数为主,ND-VI值绝大多数小于0.25,NDVI<0.25的像素占沙地总体像素的82%,植被发育较差,以覆盖率较低的沙蒿、沙柳为主;滩地的植被指数主要在0.2~0.35变化,NDVI为0.2~0.35的像素占滩地总体像素的81%,以农田和沙蒿等灌木为主;河谷的植被指数较高,主要为0.25~0.45,NDVI为0.25~0.45的像素占滩地总体像素的70%,以旱柳、苔草等植被为主。总体上看,河谷、滩地、沙丘沙地地貌的植被发育状况是依次变差的。3.2高程区间植被分布海流兔河流域总的地势是北侧较高、南部较低,周围有山体分布,中间位于过渡型盆地,存在沙土覆盖,整体地势变化不大,高程在1100~1430m间变化。将植被指数与高程图相对应,高程以10m为步长,统计每一高程区间内NDVI的平均值,利用这个平均值代表对应高程区间内的植被发育状况(图5)。结果表明,植被指数随着高程的增加逐渐增加,到1220m时植被发育最好,之后植被指数缓慢减小。对比高程图和地貌图可以发现,高程在1200m以下的地区主要是海流兔河两边的沙地,位于流域的南部,植被覆盖率较低,植被整体长势较差(不包括河谷地区)。高程在1200~1300m间的区域在流域中部,主要为滩地地区,植被以农田和灌木为主,植被覆盖率高,长势较好。高程在1300~1430m间的区域位于流域北部,以沙丘沙地和沙盖黄土梁为主,植被覆盖率较低,植被发育较差。3.3海流兔河流域植被敏感分区海流兔河流域地处半干旱区,常年降水稀少,蒸发强烈,地下水是影响植被发育的主要因素之一。本次研究根据2010年7月份统测的水位埋深数据进行数值模拟后,得到地下水位埋深分布图(图6),研究区大部分地区地下水位埋深小于5m,河谷及北部浅滩区水位埋深小于2m。同时,根据同期野外植被调查结合2010年7月TM遥感数据解译,得到海流兔河流域植被类型分布图(图7)。研究区内主要的植被类型有旱柳、农田、草地、沙柳、沙蒿、柠条、芨芨草等。对比水位埋深和植被类型图可以发现,地下水位埋深小于2m的区域以草地、旱柳、芨芨草等植被为主;而农田、沙柳、柠条、沙蒿等植被分布在水位埋深2~5m的区域;盆地边缘分水岭地区及一些沙丘地区地下水位埋深大于5m,对植被发育影响不大。本次研究在海流兔河沿岸及周边建立生态剖面(图8),详细调查了生态剖面上的植被种类随地貌和水位埋深的变化,植被发育情况见表1。在上述研究的基础上,本文对海流兔河流域植被的敏感性进行分区:(1)非敏感区。主要分布在研究区的北部和西部。该区的地下水位埋深大于5m,植被以沙柳等沙地植被为主,气候与土壤因素是决定非敏感区内植被的主要因素,地下水位的变化对植被的长生状况影响不大。(2)敏感区。主要分布于盆地的大部分地区,包括滩地、河谷和部分沙地地区。根据潜水埋深区间<2m,2~5m,进一步将植被敏感区划分为一级敏感区和二级敏感区。一级敏感区。水位埋深小于2m,主要分布于河谷地区及湖盆浅滩一带,优势植物有寸草、旱柳等,总面积289km2,占总流域面积的11%。由于水位埋深较浅,区内植被根系水分充足,如果地下水位下降将使中生植物向旱生植物演变,植被多样性将减少。而另一方面,区内的湖盆滩地区盐渍化较为分布,地下水位下降将使盐碱化程度减轻,植被长势变好。因此,一级敏感区内可适量开采地下水,适度降低地下水位,将水位控制在土壤毛细水上升高度之上,这样,既可保持植被正常生长,也可减轻土壤盐渍化。二级敏感区。水位埋深2~5m,主要分布于沙地、滩地等区域,面积1660km2,占流域面积的64%。植被生长对地下水的依赖程度相对一级敏感区较弱,地下水位下降将使植物长势受到抑制,植被种群将发生变化。4植被分布及高程的影响本文以鄂尔多斯高原海流兔河流域的植被作为研究对象,在区域尺度上定量分析了地形地貌、地下水位埋深对植被的影响,得到以下结论:(1)沙丘沙地地貌NDVI<0.25的像素占沙地总体像素的82%,植被发育较差;滩地NDVI为0.2~0.35的像素占滩地总体像素的81%,以农田和沙蒿等灌木为主;河谷NDVI为