干旱區荒漠植被生態需水量計算方法研究

彭 飛，何新林，劉 兵，張少博，張葉

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003)

植被是干旱區生態系統的重要組成部分，對于自然環境的變遷起著決定性的作用[1,2]。而植被的生長需要水資源的支持，有水即為綠洲，無水即變荒漠[3]。因此，要維持生態環境的協調可持續發展，必須將植被生態需水作為重點研究對象，滿足植被生態需水的要求。

生態需水的概念最早由Coleick在1993年提出的，他認為生態需水是保證維持和恢復生態系統健康發展所需要的水量[4]。對于目前生態需水定義，多數是以維持現有生態系統功能，遏制其不再繼續退化的最小需水量為其生態需水量[5]。現階段，生態需水量的計算方法有以下幾種：①面積定額法，此方法適用于計算基礎條件較好的植被生態需水量[3,6,7]。②潛水蒸發法，此方法適用于計算干旱區依賴地下水生存的植被生態需水量[1,4,8-9]。③水量平衡法，此方法適用于計算大尺度區域的植被生態需水量[10]。④基于遙感與地理信息系統的計算方法，此方法適用于長時段尺度的植被生態需水量[11-13]。目前，計算植被生態需水量的常用方法為面積定額法及潛水蒸發法[1,3-4,6-9],而以上研究僅通過一種特定方法計算荒漠植被的生態需水量，其研究結果合理性存在爭議，且在此前的研究當中，未對面積定額法及潛水蒸發法計算干旱區荒漠植被生態需水量的合理性進行驗證且沒有一個計算干旱區荒漠植被合理生態需水量的統一方法。為了解決以上問題，本文以2013年新疆塔里木河上游區為例，運用遙感技術提取荒漠植被生長面積，并通過面積定額法與潛水蒸發法進行對比計算，并與前人的研究成果對比分析，驗證以上兩種方法的合理性，且通過均值計算得到研究區荒漠植被合理生態需水量，以此作為干旱區荒漠植被生態需水量合理的計算方法，為其他干旱區荒漠植被合理生態需水量的計算提供依據。

1 荒漠植被生態需水量計算方法

1.1 荒漠植被面積提取方法

植被覆蓋度(fc)是指一個地區所有植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占研究區總面積的百分比，也是計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行求解，該模型假設地表上一個像元僅由植被部分與無植被部分組成，并結合歸一化植被指數(NDVI)構成以下公式[4]：

(1)

式中：NDVI為各像元的NDVI值；NDVIsoil為無植被覆蓋時的NDVI值；NDVIveg為完全由植被覆蓋的NDVI值。

1.2 潛水蒸發法估算生態需水量

潛水蒸發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量及植被系數即可得到該植被的生態需水量，并對各種植被生態需水量求和得到區域植被生態需水總量，此方法為潛水蒸發法[4]，計算公式為：

(2)

式中：W為區域植被生態需水總量，m3；Ai為第i類型植被的面積，m2；n為植被種類總數；Wgi為第i類型植被在某一地下水位的潛水蒸發量，mm；Kc為植被系數，常由實驗確定。

其中，潛水蒸發量Wgi可通過阿維里揚諾夫公式進行求解[4]，公式為：

Wgi=a(1-hi/hmax)bE20

(3)

式中：a、b為經驗系數；hmax為潛水蒸發極限深度；hi為第i類型植被的地下水埋深，m；E20為20 cm小型蒸發皿蒸發量，mm。

1.3 面積定額法估算生態需水量

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

(4)

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

2 實例研究

2.1 研究區概況

塔里木河干流上游區為平原地區，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，地理坐標為80°30′～81°58′E， 40°22′～40°57′N，地勢由西北向東南傾斜，坡降為1/200～1/300，海拔高程為1 041～1 000 m，區域包括農一師七團至十六團等11個子區域，總面積為4 196 km2，水資源主要通過塔里木河流域補給。該區域屬于暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，因此，其降水量少而蒸發量大，并且降雨無法形成有效的地表徑流，可忽略不計，地下水依靠側向補給和灌溉水補給，2013年該區地表水供水量為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，群落結構簡單，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。區域地理位置圖見圖1。

圖1 塔河干流上游區地理位置圖

2.2 塔河干流上游區荒漠植被生態需水量計算

2.2.1 荒漠植被面積提取

本研究所用的遙感圖像為LANDSAT8攜帶的OLI_TIRS傳感器獲得的2013年6月30日的數據產品，產品類型為Level 1T地形矯正影像。產品分辨率為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)。產品格式為GEOTIFF，采用三次卷積算法取樣，投影坐標系為UTM-WGS84，且L1數據產品已經經過系統輻射校正和幾何校正。此外還要用到塔河干流上游區矢量邊界，其投影坐標系為UTM-WGS84。

其NDVI值可由ENVI5.2軟件的SPECTRSL/VEGETATION/NDVI工具箱進行計算，其中NDVIveg、NDVIsoil分別為計算區域內最大及最小NDVI值，然而由于噪聲的存在，NDVIveg及NDVIsoil一般取置信度區間內的最大及最小值，其值需根據遙感圖像的實際情況進行選取，本研究則取NDVIveg為0.61，取NDVIsoil為0.01，并認為NDVI大于0.61時，fc取1，NDVI小于0.01時，fc取0，然后運用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)進行植被覆蓋度計算，在參考相關文獻及實地調研的基礎上，按照相應等級進行劃分，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軟件分析計算各種荒漠植被的像元個數，并按照各像元數與單個像元大小的乘積得到塔河干流上游區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數及生長面積

2.2.2 潛水蒸發法計算結果

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

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

表3 不同荒漠植被的地下水埋深 m

根據以上參數，由阿維里揚諾夫公式計算得到各荒漠植被在其地下水埋深時潛水蒸發量的上下限，并由潛水蒸發法模型計算出塔河干流上游區2013年各荒漠植被的生態需水量的上下限，見表4。

表4 不同荒漠植被的潛水蒸發量及生態需水量

2.2.3 面積定額法計算結果

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

表5 不同荒漠植被的生態需水定額及生態需水量

3 計算結果比較

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

表6 荒漠植被生態需水量研究成果比較

4 結果與討論

(1)植被覆蓋度是計算荒漠植被面積的重要因素，可通過像元二分法進行求解，其模型參數用ENVI軟件計算處理，并將植被覆蓋度分類，最終利用ArcGIS軟件提取各植被像元個數及面積。從圖2及表1中可以看出，2013年塔河干流上游區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，是保護生態的重要屏障，草地及灌木林地分布面積依次減小，而總體上，研究區域荒漠植被分布面積較廣，應注重其天然植被的保護，防止其退化造成生態環境的惡化。

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

(3)由于人類活動的作用，如過度開墾耕地、增大農業用水，塔河干流上游區荒漠植被退化，造成生態環境惡化嚴重，影響了經濟及社會的正常發展。保護塔河干流上游區生態環境的安全，首先應確定維持其生態健康穩定的合理的生態需水量，本文基于面積定額法及潛水蒸發法分別得到其荒漠植被生態需水量，并以均值計算的方法得到塔河干流上游區2013年荒漠植被的合理生態需水總量，即2.65 億m3，可為該地區進行水資源優化配置提供理論依據及數據支撐，并進一步促進其生態-經濟-環境的可持續發展。

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