青土湖區植被與土壤鹽漬化響應研究

楊志輝，趙 軍，溫媛媛

(西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤鹽漬化是各國所面臨的主要生態環境問題之一[1]。科學獲取土壤鹽漬化信息、分析植被對土壤鹽漬化的響應機制是土壤鹽漬化研究的發展趨勢，及時獲取土壤鹽漬化時空變化信息，對鹽漬化防治、植被恢復及生態保護至關重要[2]。隨著全球氣候變暖，干旱和半干旱地區的蒸發量和礦物質積累增加[3]，鹽漬化對植被覆蓋度的影響已成為各國關注的生態問題[4]。土壤鹽漬化信息遙感獲取研究始于20世紀70年代，經歷了定性向定量研究發展過程。20世紀80年代，人們主要利用多波段、多時相遙感圖像結合鹽堿土壤和鹽生植被光譜特征進行目視解譯。20世紀90年代后定量研究越來越多地得到應用，如許迪等[5]用Landsat衛星遙感影像數據，利用監督分類、NDVI指數等對黃河上游寧夏青銅峽灌區進行了土壤鹽堿分布研究，Howari等采用Landsat ETM+、AVI RIS、彩紅外航空像片(CIR)獲取的數據提取了格蘭德河地區的鹽堿地信息，并進行了詳細的比較[6-8]，魏娜等[9]利用高光譜遙感數據實現了對土壤特性的定量分析。近年來已有學者利用與土壤鹽分密切相關的指標提取土壤鹽分信息，如王飛等[10]認為NDVI-SI能較好地表征研究區實際的鹽漬化程度，丁建麗等[11-12]提出鹽漬化距離指數(SDI)對鹽漬化信息提取精度高且與地表覆蓋度密切相關，但這些研究皆側重于對土壤鹽漬化提取方法精度的提高，而在土壤鹽漬化對植被覆蓋度的影響方面關注較少。

近年來青土湖區鹽漬化問題日益突出，嚴重影響到植被覆蓋。本文利用Landsat OLI影像計算青土湖區植被覆蓋度(FVC)和改進鹽漬化指數(MSI)，通過分析干旱區內陸河尾閭湖區植被覆蓋度時空變化與土壤鹽漬化的聯系，探究不同程度鹽漬土及其變化對植被覆蓋度的影響特征，以期對植被恢復、控制土壤鹽漬化和生態環境保護提供科學依據。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

青土湖是石羊河的尾閭湖，地處甘肅民勤縣西渠鎮境內，位于巴丹吉林沙漠東南部、騰格里沙漠西部,地理位置39°04′～39°09′N、103°36′～103°39′E(圖1)。該區海拔1 292～1 310 m，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫7.8℃，年平均降水量110 mm，年平均風速為4.1 m·s-1。其中青土湖淺水區面積為16.6 km2，占研究區總面積的12.72%。研究區植被類型為荒漠植被，主要植物為白刺、蘆葦、檉柳、黑果枸杞、鹽爪爪、豬毛、砂藍刺頭、碟果蟲實等。

圖1 研究區位置概況Fig.1 Location of the study area

1.2 研究數據

本文采用2015—2017年7月和12月Landsat OLI影像數據，空間分辨率為30 m，合成影像分辨率15 m，時間分辨率16 d，來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)。利用ENVI和ArcGIS軟件對數據做了幾何校正、大氣校正、裁剪和指標計算等處理。將手持光譜儀測得的實地樣點數據與波段計算結果進行對比分析，檢驗了NDVI指標結果的準確度。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度及其計算 植被覆蓋度(FVC)是指植被冠層或葉面在地面的垂直投影面積占植被區總面積的比例[13]，植被覆蓋度的估測采用像元二分模型，該模型假設一個像元的信息可分為植被與裸土兩部分。青土湖周邊植被主要以蘆葦為主，土壤主要為沙土，地類單一，能夠取一定置信區間內NDVI的方法計算FVC 。計算公式如下：

(1)

式中,NDVIv取99.5%置信區間內的平均最大值，代表純植被覆蓋像元值，NDVIs為取0.5%置信區間內的平均最小值，代表無植被覆蓋的裸土像元值。FVC在一定程度上解決了NDVI對于覆蓋度較高的植被易于飽和、而對覆蓋度較低的植被難于區分的不足，更好地反映了研究區地表植被覆蓋狀況[14]。

1.3.2 改進鹽漬化指數及其計算 研究表明，鹽分指數(SI)容易將鹽堿地和裸土地混淆[15]，不能準確表示鹽漬化程度。因此本文采用12月份Landsat OLI數據計算土壤鹽漬化，這時像元內以裸土信息為主，改進鹽漬化指數(modified salinization index，MSI)在提取鹽漬化信息時具有明顯優勢。計算公式如下：

(2)

式中,ρgre表示綠光波段反射率，ρred表示紅光波段反射率，ρblu表示藍光波段反射率。

1.3.3 相關性分析 為評估青土湖區土壤鹽漬化對植被覆蓋度的影響，逐像元計算了改進鹽漬化指數值和植被覆蓋度的Pearson’s相關系數，計算公式如下：

(3)

2 結果與分析

2.1 歸一化植被指數結果驗證

依據2017年7月野外手持光譜儀采集的25個觀測樣點數據對歸一化植被指數計算結果進行驗證。由圖2可知，2017年研究區內實測光譜儀數據與歸一化植被指數顯著正相關(R2=0.9205)，表明NDVI計算結果與青土湖區實際狀況極為接近，可進一步用于該區域植被覆蓋度的計算。

圖2 2017年NDVI樣點值與計算結果Fig.2 NDVI sample values and calculation results in 2017

2.2 植被覆蓋度時空特征

2015—2017年植被覆蓋度空間分布如圖3(見236頁)所示，借鑒干旱區植被覆蓋度分級標準[16]，結合青土湖區鹽漬土條件及植被覆蓋度得到適用于研究區的分級標準，將植被覆蓋度分為四級：第一級，植被覆蓋度≤0.1，屬于極低覆蓋度植被；第二級，植被覆蓋度0.1～0.35，屬于低覆蓋度植被；第三級，植被覆蓋度0.35～0.65，屬于中高覆蓋度植被；第四級，植被覆蓋度≥0.65，屬于高覆蓋度植被。2015—2017年各等級植被覆蓋度面積比例(表1)表明：中高和高覆蓋度植被占比整體較低，2015—2017年中高和高覆蓋度平均保持在4.3%和2.0%，且占比較為穩定。極低覆蓋度占比最大，平均為50.0%；低覆蓋度占比平均為44.3%。相比上一年，2016年極低覆蓋度植被向低覆蓋度植被轉化了30.7%，2017年由低覆蓋度植被向極低覆蓋度植被退化了40.3%，可見極低和低覆蓋度植被之間的變化較大。

圖3 2015—2017年植被覆蓋度空間分布Fig.3 FVC spatial distribution in 2015-2017

表1 2015—2017年各等級FVC面積統計

2.3 鹽漬化分級分析

利用2017年影像計算的NDVI和改進鹽漬化指數結果進行重采樣，在SPSS中進行斯皮爾曼等級相關系數分析。結果表明：相關系數R為-0.626，通過顯著性差異檢驗(P<0.01)，即NDVI和改進鹽漬化指數為強相關關系。NDVI反演結果間接檢驗了改進鹽漬化指數在青土湖區提取土壤鹽漬化信息的準確性，鹽漬化反演結果符合區域實際狀況。目前，土壤鹽漬化等級一般根據土壤含鹽量、鹽離子組成和土壤鹽堿性劃分[17]。本文基于研究區鹽漬土特征和羅家雄[18]提出的干旱區鹽漬土等級劃分標準[18]，得到適用于研究區的鹽漬土等級劃分標準(表2)。青土湖區2015—2017年土壤鹽漬化計算結果(圖4)顯示：研究區內鹽漬化較高的區域主要分布在淺水區北部和東南部，其中西北部有小面積低鹽漬化區域分散分布；東南部有鹽漬化區域連片分布，除2016年略有降低外，其他兩年皆表現為重鹽漬化。依據圖4計算結果和表2劃分等級標準得到研究區2015—2017年MSI各等級面積比例(表3)。數據表明，非鹽漬土和輕度鹽漬土占比整體偏低，其中非鹽漬土平均保持在25.9%，2015—2017年增長了2.5%。重度鹽漬土占比最高，平均占研究區總面積的45.4%，致使該區域植物生長困難，嚴重影響植被覆蓋度的增加。

圖4 2015—2017年MSI反演結果Fig.4 MSI inversion results in 2015-2017

表3 2015—2017年不同MSI面積比例

表2 土壤鹽漬化程度劃分等級標準

2.4 植被覆蓋度與土壤鹽漬化相關性分析

2.4.1 植被覆蓋度與土壤鹽漬化的相關性分析 采用SPSS計算2015—2017年青土湖區植被覆蓋度(FVC)與改進鹽漬化指數的皮爾森相關系數，結果表明：相關系數最高為2017年(R=-0.691,P<0.01)；2016相關系數(R=-0.651,P<0.01)；相關系數最低為2015年(R=-0.621,P<0.01)。數據顯示：2015—2017年FVC和MSI相關系數的顯著性差異檢驗結果均為顯著相關。表明植被覆蓋度與鹽漬化評價指數結果具有負向高度相關關系，該區土壤鹽漬化對植被覆蓋度有明顯的影響。

2.4.2 植被覆蓋度與土壤鹽漬化的空間相關分析 采用空間相關性分析方法[19]，得到青土湖區植被覆蓋度與土壤鹽漬化空間相關性分布圖(圖5,見236頁)。統計表明：植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈顯著負相關關系(r=-0.532,P<0.05)的面積為88.95 km2，占研究區面積的62.84%，主要分布在離青土湖淺水區較遠的外圍區域；植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈正相關關系(r=0.092,P<0.05)的面積為20.69 km2，占研究區面積的14.62%，主要分布在青土湖淺水區鄰近區域和湖中零星區域，分布離散且多呈條帶狀圍繞淺水區分布，這一區域地下水位較高，減小了土壤鹽漬化對植被生長的抑制作用，故植被覆蓋度與土壤鹽漬化呈正相關關系。王佺珍等[20]的研究也指出輕度鹽漬土可以促進植被覆蓋度的提高，高濃度則會明顯抑制，且隨濃度的升高，抑制作用增強，與本文結論一致。

圖5 植被覆蓋度和土壤鹽漬化空間相關性Fig.5 Spatial correlation of vegetation coverage and soil salinization

2.4.3 不同植被覆蓋度與不同等級鹽堿土關系的定量分析 依據植被覆蓋度和改進鹽漬化指數值分級結果，在ArcGIS中通過疊置分析統計不同植被覆蓋度各等級鹽漬土的面積，結果見表4。結果表明：高覆蓋度植被主要分布在非鹽漬土區域，2015年100.00%的高覆蓋度植被分布在非鹽漬土區域，2016年和2017年分別為94.44%和100.00%，占比極高且分布穩定。中高覆蓋度植被同樣集中分布在非鹽漬土區域，2015—2017年中高覆蓋度植被在非鹽漬土分布的區域面積占比分別為99.73%、81.55%和99.92%，比例極高且比較穩定。低覆蓋度植被在非鹽漬土區域的面積占比在2015—2017年平均為46.6%，但低覆蓋度植被不同年份在不同鹽漬土上分布不穩定，變化較大。極低覆蓋度植被主要分布在鹽漬土區域，大部分分布在中度和重度鹽漬土區域，2015—2017年極低覆蓋度植被平均分布在中度鹽漬土區域的面積比例為16.3%，分布在重度鹽漬土區域的面積比例為51.4%。不同覆蓋度植被在各等級鹽漬土上的分布比例充分顯示了鹽漬土等級對植被覆蓋度的影響程度，中高覆蓋度和高覆蓋度植被主要分布于非鹽漬土區域，低覆蓋度和極低覆蓋度植被主要分布在鹽漬土區域，且年際間面積變化較大、空間分布不穩定，對不同鹽漬土響應更為敏感。

表4 不同覆蓋度植被占各級鹽漬土的面積統計

2.4.4 植被覆蓋度與土壤鹽漬化年際變化響應分析 定義植被覆蓋度和鹽漬土降低為逆轉，植被覆蓋度升高和鹽漬土濃度增加為發展。為進一步研究青土湖區植被覆蓋度和土壤鹽漬化的空間變化，將極低覆蓋度、低覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度植被和非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土的4個等級分別進行1～4賦值，將2015—2017年植被覆蓋度和鹽漬土的變化依據表5進行分級，通過ArcGIS柵格計算器，得到植被覆蓋度和鹽漬土變化圖(圖6，見236頁)。

圖6 2015—2017年青土湖區植被覆蓋度(a) 和鹽漬化程度(b)變化Fig.6 Vegetation coverage (a) and salinization (b) change in Qingtu Lake area in 2015-2017

表5 青土湖區植被覆蓋度和土壤鹽漬化變化分級

對植被覆蓋度和鹽漬土變化統計發現(表6)，80.36%植被覆蓋度和82.53%鹽漬土未發生變化，未變化的植被覆蓋度和鹽漬土分布于整個研究區但不連續，被逆轉或發展的條帶、斑塊所分割。植被覆蓋度明顯逆轉區域面積極小，占研究區面積的0.45%，逆轉區域占研究區面積的15.34%；鹽漬化明顯逆轉區域占研究區面積的7.24%，逆轉區域占研究區面積的2.14%。植被覆蓋度明顯逆轉和逆轉區域主要分布在研究區南部，在小范圍內連續分布，部分非連續區域分布于研究區西北部，整體來看研究區植被覆蓋度發展和土壤鹽漬化逆轉區域在空間分布上基本一致，充分說明了鹽漬土對植被覆蓋度變化的巨大影響。植被覆蓋度發展和快速發展區域面積較小，占比分別為3.69%和0.16%，主要分布于淺水區域，小部分零星分布在淺水區外圍。同樣，研究區鹽漬化發展和快速發展區域比例較小，僅占研究區面積的3.36%和4.73%，淺水區域基本未出現鹽漬化發展狀況，僅在淺水區西北邊緣出現小片鹽漬化區域。結果表明，研究區植被覆蓋度逆轉區域和土壤鹽漬化發展區域的占比與空間分布趨于一致。

表6 2015—2017年植被覆蓋和鹽漬化變化面積統計

2.5 植被覆蓋度與鹽漬土發展緩沖區分析

青土湖淺水區邊界以間距500 m作多環緩沖區，對不同距離內植被覆蓋度和土壤鹽漬化的變化做統計發現(表7)：500 m范圍內植被覆蓋度發展較快，其中發展區域面積占9.63%，快速發展區域面積占0.68%，明顯逆轉區域面積占1.63%，逆轉區域面積占18.15%，總體呈逆轉趨勢；而鹽漬化發展區域面積占1.64%，快速發展區域面積占1.42%，明顯逆轉區域面積占12.68%，逆轉區域面積占0.40%，總體也呈逆轉趨勢，所以在500 m范圍內鹽漬化對植被覆蓋度變化無顯著影響。在500 m之外植被覆蓋度發展區域面積占比急劇下降，鹽漬化發展和快速發展比例則逐漸增加，說明淺水區外部區域土壤鹽漬化是影響植被覆蓋度的重要因素之一，且隨著距離的增加植被覆蓋度對土壤鹽漬化響應愈加顯著。氣候、土壤是影響植被覆蓋度發展的重要因素，但前人研究發現青土湖區降水量小、蒸散發量高，30年來該區域氣候變化波動較小，且隨著氣候的變化植被覆蓋變化不明顯，氣候因子對植被覆蓋度的影響較弱[21]。所以鹽漬化對該區域植被覆蓋度影響更加重要。

表7 距淺水區不同距離植被覆蓋度和土壤鹽漬化變化趨勢

3 討論與結論

本文在計算青土湖區土壤鹽漬化和植被覆蓋度的基礎上，進一步定量分析了土壤鹽漬化對不同等級植被覆蓋度時空分布和時空變化的影響特征，得出如下主要結論：

(1)土壤鹽漬化是影響青土湖及其周邊地區植被覆蓋度的重要因素之一。鹽漬土抑制植被覆蓋度的增加，影響植被的分布。植被覆蓋程度與土壤鹽漬化等級之間存在顯著負向相關，青土湖淺水區輕度鹽漬土區域植被覆蓋度與土壤鹽漬化之間為正相關關系，而青土湖外圍中度和重度鹽漬土區域則為負相關關系。

(2)高覆蓋度和中高覆蓋度植被主要分布于非鹽漬土區域且分布穩定，低覆蓋度植被分布于鹽漬土區域且對不同程度鹽漬土響應靈敏。土壤鹽漬化變化時，低覆蓋度植被受鹽漬土影響較大且變化明顯。

(3)土壤鹽漬化嚴重影響植被覆蓋度的時空變化，植被覆蓋度隨鹽漬土的發展而逆轉，鹽漬土的變化直接影響植被覆蓋度的發展和空間分布。在青土湖淺水區500 m范圍內鹽漬化對植被覆蓋度變化無顯著影響，淺水區外圍則響應明顯，隨距離的增加植被覆蓋度與鹽漬土時空變化關系愈加緊密。