基于地形地貌的干旱區(qū)植被與地下水關(guān)系研究

基于地形地貌的干旱區(qū)植被與地下水關(guān)系研究

大自然植物的生長(zhǎng)主要受陽(yáng)光、空氣、水和土壤（養(yǎng)分）等因素的影響。因此，植物生長(zhǎng)也隨著時(shí)間和空間的變化而改變。植被隨季節(jié)的差異是氣候等綜合作用的表現(xiàn),而空間上的不均一性則主要受地形地貌和土壤性質(zhì)的影響。西北干旱地區(qū)的盆地多屬內(nèi)陸盆地,降雨量缺乏,植被的生長(zhǎng)主要依賴(lài)于河流流量與地下水。當(dāng)河流流量較大或地下水水位埋深較淺時(shí),土壤含水量較大,供給植被的水分較充分;流量小或埋深較深時(shí),則相反。因此,植被發(fā)育在盆地水循環(huán)中占有極其重要的作用。研究植被與地形地貌及地下水的依存關(guān)系是揭示干旱區(qū)植被生態(tài)水文過(guò)程的關(guān)鍵,也對(duì)西北內(nèi)陸盆地合理配置水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。近10年來(lái),國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者曾探討了地形地貌對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。Lunetta等利用不同時(shí)間尺度的MODISNDVI植被指數(shù)研究了地形對(duì)不同植被格局的影響。Cuo等應(yīng)用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)討論了地形地貌對(duì)植被的影響,并提出應(yīng)用地形標(biāo)準(zhǔn)化方法修正土地覆蓋分類(lèi)的結(jié)果。魏雅玲等利用數(shù)字高程模擬數(shù)據(jù),對(duì)山區(qū)流域森林植被與地形因素的耦合關(guān)系進(jìn)行了研究。吳大千等基于遙感技術(shù),應(yīng)用植被指數(shù)建立了植被與地形要素間的依賴(lài)關(guān)系,以及植被分布格局對(duì)水分的再分配作用。針對(duì)干旱地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)對(duì)植被的影響,Lichner等探討了植被與土壤水分的關(guān)系,給出了不同植被覆蓋下土壤的飽和導(dǎo)水率。Goedhart等討論了地下水位埋深下降對(duì)植被的影響,探討了草地、灌木等不同植被種群對(duì)地下水位埋深下降的響應(yīng)。王志敏等從分析額濟(jì)納綠洲水環(huán)境的時(shí)空演變著手,論證了額濟(jì)納荒漠植被與水環(huán)境的關(guān)系。以上研究基于地面調(diào)查資料、數(shù)學(xué)方法和非連續(xù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)探討綠洲和水資源的關(guān)系,取得了一定的成果,但西北干旱地區(qū)地域廣闊,環(huán)境惡劣,缺乏實(shí)地調(diào)查資料,傳統(tǒng)的研究方法難以從宏觀尺度確定植被與地形地貌、地下水位埋深的定量關(guān)系。目前,隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、環(huán)境及生態(tài)領(lǐng)域的研究中。遙感數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)更新快、時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)及覆蓋面積大等特點(diǎn),在區(qū)域尺度的生態(tài)水文地質(zhì)研究中顯示出良好的優(yōu)越性。本文以我國(guó)西北鄂爾多斯高原海流兔河流域作為研究區(qū),應(yīng)用植被指數(shù)(NDVI)定量分析了流域植被的生長(zhǎng)狀況,結(jié)合野外實(shí)測(cè)的地形地貌、地下水位埋深數(shù)據(jù),從大尺度上定量評(píng)價(jià)了不同類(lèi)型的植被生長(zhǎng)與地形地貌、地下水位埋深的關(guān)系。1氣候、地貌條件海流兔河流域位于毛烏素沙漠東南部邊緣,地理位置為東經(jīng)108°56′~109°36′,北緯38°01′~38°42′,北起烏審旗的巴彥柴達(dá)木鄉(xiāng),南到韓家峁,西起烏審旗的查汗敖包,東至榆林大海則三隊(duì),流域總面積2602km2。海流兔河流域地處西北內(nèi)陸,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為350mm,多年平均蒸發(fā)量約為2000mm,具有降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫差大等特點(diǎn),是典型的干旱、半干旱草原氣候環(huán)境。研究區(qū)地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠之過(guò)渡地帶,地形以灘地和沙地為主。地勢(shì)北高南低,具有東西高、中間低的特點(diǎn)(圖1)。海流兔河是流域內(nèi)主要河流,全長(zhǎng)121km,區(qū)內(nèi)長(zhǎng)45km,至紅石橋匯入無(wú)定河,支流不發(fā)育,最大的支流為補(bǔ)浪河。沙丘間的洼地匯聚地下水滲流及降水形成了一系列內(nèi)陸堿湖,近年來(lái)陸續(xù)干涸多變?yōu)辂}堿地或耕地。僅有北部部分湖泊季節(jié)性積水,但水域面積大部分萎縮。近年來(lái),由于人類(lèi)活動(dòng)的加劇,工業(yè)用水迅速增加,同時(shí)上游修建較多水庫(kù),導(dǎo)致該區(qū)域水文及土壤條件發(fā)生明顯變化,植被也因此受到重要影響。研究海流兔河流域植被與地形地貌、地下水的關(guān)系,不僅對(duì)實(shí)現(xiàn)流域水資源的合理配置及可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義,同時(shí)也對(duì)干旱區(qū)內(nèi)陸盆地的水土保持和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的參考價(jià)值。2地下水位數(shù)據(jù)海流兔河流域的植被類(lèi)型主要有沙蒿、沙柳、檸條、揚(yáng)柴、旱柳等,地下水對(duì)這些植被生長(zhǎng)的好壞有著重要的影響。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺,小于或等于植物根系深度時(shí),植被生長(zhǎng)良好。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^深,大于植被根系深度但小于土壤毛細(xì)水上升高度時(shí),植被仍然能夠正常生長(zhǎng)。但是如果地下水位埋深過(guò)深,大于土壤毛細(xì)水上升高度時(shí),植被會(huì)由于供水不足而死亡。因此,地下水位埋深是控制干旱區(qū)植被生長(zhǎng)的重要因素之一。同時(shí),地形地貌也影響植被的分布。本文應(yīng)用區(qū)域遙感數(shù)據(jù)定量地分析植被的生長(zhǎng)狀況,進(jìn)而探討植被生長(zhǎng)與地形地貌、地下水水位埋深之間的關(guān)系。歸一化插值植被指數(shù)(NDVI)是目前常用的評(píng)價(jià)植被發(fā)育好壞的指標(biāo),NDVI值較高說(shuō)明植被發(fā)育良好,NDVI值低則說(shuō)明植被生長(zhǎng)狀況較差。基于海流兔河流域的特點(diǎn),本次研究采用中等分辨率的MODISNDVI數(shù)據(jù),其時(shí)間分辨率為16d,空間分辨率是250m。該數(shù)據(jù)由地球觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)計(jì)劃的網(wǎng)站免費(fèi)發(fā)布,對(duì)已有的植被指數(shù)進(jìn)行修正,不僅減少了其他因素的干擾、增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)植被的敏感性,而且使用新的合成算法減小了幾何因素對(duì)植被指數(shù)的影響。同時(shí),應(yīng)用分子散射、臭氧吸收、氣溶膠修正等算法生成NDVI的格點(diǎn)資料。目前,MODISNDVI數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化。本文此次選用的數(shù)據(jù)是2008—2011年6—9月份的MODISNDVI數(shù)據(jù)。地下水位數(shù)據(jù)是2010年7月統(tǒng)測(cè)的數(shù)據(jù),共計(jì)100個(gè)地下水位觀測(cè)孔。通過(guò)地下水模擬后得到地下水水位埋深等值線(xiàn)圖。3研究結(jié)果3.1不同地貌類(lèi)型植被分布根據(jù)海流兔河流域2008—2011年每年6—9月共計(jì)32幅數(shù)據(jù),得到研究區(qū)MODISNDVI平均值分布圖(圖2),NDVI值在0~0.6間變化?？傮w上看,研究區(qū)植被發(fā)育南部好于北部,特別是河谷及河兩岸的灘地地區(qū),植被發(fā)育較好。研究區(qū)屬鄂爾多斯盆地內(nèi)的一個(gè)內(nèi)陸盆地,西北側(cè)位于毛烏素沙漠,向南逐漸向黃土高原過(guò)渡。研究區(qū)內(nèi)以河谷地、灘地(風(fēng)沙灘)、沙地為主,東南、西部、北部存在沙蓋黃土梁崗,中部主要為灘地,水體除北部的寶寨淖爾湖,均聚集到海流兔河,形成河谷。地貌類(lèi)型根據(jù)成因和形態(tài)劃分為河谷、灘地、沙丘沙地及沙梁(圖3)。首先,將灘地、河谷、沙丘沙地等不同地貌類(lèi)型提取出來(lái),分別統(tǒng)計(jì)不同地貌類(lèi)型的像元個(gè)數(shù)。由于沙梁主要分布于盆地邊緣且植被發(fā)育與沙地相似,將其放入沙地地貌統(tǒng)計(jì)。然后,以0.05為間距,將NDVI值從0.1~0.6劃分為10個(gè)區(qū)間,分別統(tǒng)計(jì)灘地、河谷、沙丘及沙地的每個(gè)區(qū)間的NDVI像元個(gè)數(shù),計(jì)算每個(gè)區(qū)間像元數(shù)占不同地貌像元數(shù)的比率,得到不同地貌類(lèi)型植被分布圖(圖4)。從圖中可以看出,NDVI從0.1~0.6幾乎都有分布。沙丘沙地地貌主要以低植被指數(shù)為主,ND-VI值絕大多數(shù)小于0.25,NDVI<0.25的像素占沙地總體像素的82%,植被發(fā)育較差,以覆蓋率較低的沙蒿、沙柳為主;灘地的植被指數(shù)主要在0.2~0.35變化,NDVI為0.2~0.35的像素占灘地總體像素的81%,以農(nóng)田和沙蒿等灌木為主;河谷的植被指數(shù)較高,主要為0.25~0.45,NDVI為0.25~0.45的像素占灘地總體像素的70%,以旱柳、苔草等植被為主?？傮w上看,河谷、灘地、沙丘沙地地貌的植被發(fā)育狀況是依次變差的。3.2高程區(qū)間植被分布海流兔河流域總的地勢(shì)是北側(cè)較高、南部較低,周?chē)猩襟w分布,中間位于過(guò)渡型盆地,存在沙土覆蓋,整體地勢(shì)變化不大,高程在1100~1430m間變化。將植被指數(shù)與高程圖相對(duì)應(yīng),高程以10m為步長(zhǎng),統(tǒng)計(jì)每一高程區(qū)間內(nèi)NDVI的平均值,利用這個(gè)平均值代表對(duì)應(yīng)高程區(qū)間內(nèi)的植被發(fā)育狀況(圖5)。結(jié)果表明,植被指數(shù)隨著高程的增加逐漸增加,到1220m時(shí)植被發(fā)育最好,之后植被指數(shù)緩慢減小。對(duì)比高程圖和地貌圖可以發(fā)現(xiàn),高程在1200m以下的地區(qū)主要是海流兔河兩邊的沙地,位于流域的南部,植被覆蓋率較低,植被整體長(zhǎng)勢(shì)較差(不包括河谷地區(qū))。高程在1200~1300m間的區(qū)域在流域中部,主要為灘地地區(qū),植被以農(nóng)田和灌木為主,植被覆蓋率高,長(zhǎng)勢(shì)較好。高程在1300~1430m間的區(qū)域位于流域北部,以沙丘沙地和沙蓋黃土梁為主,植被覆蓋率較低,植被發(fā)育較差。3.3海流兔河流域植被敏感分區(qū)海流兔河流域地處半干旱區(qū),常年降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,地下水是影響植被發(fā)育的主要因素之一。本次研究根據(jù)2010年7月份統(tǒng)測(cè)的水位埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬后,得到地下水位埋深分布圖(圖6),研究區(qū)大部分地區(qū)地下水位埋深小于5m,河谷及北部淺灘區(qū)水位埋深小于2m。同時(shí),根據(jù)同期野外植被調(diào)查結(jié)合2010年7月TM遙感數(shù)據(jù)解譯,得到海流兔河流域植被類(lèi)型分布圖(圖7)。研究區(qū)內(nèi)主要的植被類(lèi)型有旱柳、農(nóng)田、草地、沙柳、沙蒿、檸條、芨芨草等。對(duì)比水位埋深和植被類(lèi)型圖可以發(fā)現(xiàn),地下水位埋深小于2m的區(qū)域以草地、旱柳、芨芨草等植被為主;而農(nóng)田、沙柳、檸條、沙蒿等植被分布在水位埋深2~5m的區(qū)域;盆地邊緣分水嶺地區(qū)及一些沙丘地區(qū)地下水位埋深大于5m,對(duì)植被發(fā)育影響不大。本次研究在海流兔河沿岸及周邊建立生態(tài)剖面(圖8),詳細(xì)調(diào)查了生態(tài)剖面上的植被種類(lèi)隨地貌和水位埋深的變化,植被發(fā)育情況見(jiàn)表1。在上述研究的基礎(chǔ)上,本文對(duì)海流兔河流域植被的敏感性進(jìn)行分區(qū):(1)非敏感區(qū)。主要分布在研究區(qū)的北部和西部。該區(qū)的地下水位埋深大于5m,植被以沙柳等沙地植被為主,氣候與土壤因素是決定非敏感區(qū)內(nèi)植被的主要因素,地下水位的變化對(duì)植被的長(zhǎng)生狀況影響不大。(2)敏感區(qū)。主要分布于盆地的大部分地區(qū),包括灘地、河谷和部分沙地地區(qū)。根據(jù)潛水埋深區(qū)間<2m,2~5m,進(jìn)一步將植被敏感區(qū)劃分為一級(jí)敏感區(qū)和二級(jí)敏感區(qū)。一級(jí)敏感區(qū)。水位埋深小于2m,主要分布于河谷地區(qū)及湖盆淺灘一帶,優(yōu)勢(shì)植物有寸草、旱柳等,總面積289km2,占總流域面積的11%。由于水位埋深較淺,區(qū)內(nèi)植被根系水分充足,如果地下水位下降將使中生植物向旱生植物演變,植被多樣性將減少。而另一方面,區(qū)內(nèi)的湖盆灘地區(qū)鹽漬化較為分布,地下水位下降將使鹽堿化程度減輕,植被長(zhǎng)勢(shì)變好。因此,一級(jí)敏感區(qū)內(nèi)可適量開(kāi)采地下水,適度降低地下水位,將水位控制在土壤毛細(xì)水上升高度之上,這樣,既可保持植被正常生長(zhǎng),也可減輕土壤鹽漬化。二級(jí)敏感區(qū)。水位埋深2~5m,主要分布于沙地、灘地等區(qū)域,面積1660km2,占流域面積的64%。植被生長(zhǎng)對(duì)地下水的依賴(lài)程度相對(duì)一級(jí)敏感區(qū)較弱,地下水位下降將使植物長(zhǎng)勢(shì)受到抑制,植被種群將發(fā)生變化。4植被分布及高程的影響本文以鄂爾多斯高原海流兔河流域的植被作為研究對(duì)象,在區(qū)域尺度上定量分析了地形地貌、地下水位埋深對(duì)植被的影響,得到以下結(jié)論:(1)沙丘沙地地貌NDVI<0.25的像素占沙地總體像素的82%,植被發(fā)育較差;灘地NDVI為0.2~0.35的像素占灘地總體像素的81%,以農(nóng)田和沙蒿等灌木為主;河谷NDVI為