基于NDVI科克蘇濕地蒸散量時空變化特征分析

阿依努·吐遜，張青青*，徐海量，閆俊杰

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011；3.伊犁師范大學，新疆 伊寧 835000)

【研究意義】蒸散量是生態系統水分平衡的重要指標，植物光合作用與生態系統生產力密切相關，在濕地生態系統中還可作為評價其功能的重要指標[1]。水分輸入和輸出的動態平衡在陸地和水生生態系統之間為濕地創造了調節功能，其中蒸散量作為濕地與大氣之間水熱交換的主要方式，對濕地水位和氣象條件有較大影響。蒸散量是地表水分循環和熱量循環的重要環節，是區域水熱平衡的重要指標[2]，在植被生態系統耗水中占有重要比例，量化區域生態系統蒸發與植被變化及其相互關系，對開展濕地生態系統資源分配具有重要指導價值[3]。在科學技術不斷進步的背景下，遙感技術應運而生，開始為蒸散量測定注入了新的活力，這一技術搭配渦度相關法，可以得出比較精確和有效的測定結果，研究濕地蒸散量變化規律，對于當地水資源合理分配、利用與管理具有重要的意義。【前人研究進展】目前，已有多個世界機構和科研團隊公開發布了不同時間及空間尺度的蒸散發與植被遙感的成品數據；由于蒸散與植被生產力具有良好相關性，歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)可以用于衡量植被的生長狀況和植被覆蓋度的最佳動態監測的有效指標[4-5]。而MODIS NDVI數據則是植被動態監測中被廣泛采用的數據[6-7]。Srivastava等[8]以印度干旱區作為研究課題，對植被指數以及植物干物質產量之間存在的聯系進行深入的分析，確定了累計NDVI與蒸散量之間存在的具體聯系。Kerr等[9]利用積累NDVI估算了非洲的蒸散量。2006年，喬平林等[10]使用MODIS圖像獲得了一種利用遙感圖像反演大面積地表蒸散的研究方法；楊秀芹等[11]基于遙感技術開展了淮河流域MOD16-ET數據的精度驗證工作，并對2000-2014年淮河流域的蒸散發時空分布情況進行了深入分析。周妍妍等[12]利用MODIS數據和SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型反演了疏勒河流域蒸散量時空動態。馮飛等[13]在MOD16產品估算的基礎上，對三江平原的蒸散量時空分布情況進行了深入分析。至今，還未出現能夠準確及直接測量蒸散量的方法，大都是根據氣象站的氣象資料，采用理論公式或者經驗公式來計算獲得蒸散量，或通過蒸發皿法和蒸滲儀法獲取蒸散量。只能代表較小區域或某一種植被類型的蒸發情況，對于大區域或流域蒸散量的獲取要進一步研究。【本研究切入點】本文利用2018-2019年渦度相關觀測系統測得的蒸散量數據和NDVI遙感數據結合建立模擬關系，通過回歸分析法反演科克蘇濕地蒸散量的空間變化格局與演變規律。【擬解決的關鍵問題】以科克蘇濕生態系統為研究對象，用渦度相關法定量分析濕地蒸散量的時間變化規律，并利用MODIS MOD13Q1產品的NDVI數據和常規地面用渦度相關觀測系統實測的ET數據相結合，估算并分析科克蘇濕地植被覆蓋度及蒸散量的空間變化特征，為區域濕地發展、退化濕地植被恢復與重建、水資源分配與合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域

科克蘇濕地自然保護區位于新疆阿勒泰市西南部，47°28′31″～47°40′9″N，87°9′12″～87°34′59″E。該保護區有2條河流相匯，濕地在兩者作用之下形成。科克蘇濕地自然保護區存在多種濕地類型。濕地總面積964.82 km2，東西長20.8 km，南北寬20.2 km，海拔高度476～796 m；每年平均溫度4.9 ℃，最高溫可達39.5 ℃；最低溫可達-46.7 ℃；大于5 ℃的年積溫3087.4 ℃；大于10 ℃的年積2794.7 ℃；年累計日照時間2825～2960 h。平均年降水量和蒸發量分別為112.6、2000 mm[14]。本研究區包括平原河谷北屯區域，地區生態環境相對較好，科克蘇濕地形成于額爾齊斯河與其支流克蘭河交匯的三角地帶，克蘭河在此分叉散失，二者共同形成了科克蘇濕地，包括河流、沼澤(森林沼澤和草本沼澤)、灘地(河灘和湖灘)、鹽沼等多種濕地類型。微地形的變化和對地表水分的再分配，導致了研究區內土壤水分梯度的劇烈變化，形成了草原、草甸、沼澤、森林、河流、湖泊等多種景觀類型，同時也孕育了復雜多樣的植被類型[15-16]。科克蘇濕地主要的優勢種是巨序剪股穎小糠草(Agrostisgigantea)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、水燭(Typhaangustifolia)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

1.2 研究方法

本文采用美國LI-COR公司的LI-7500DS渦度相關開路通量系統對科克蘇濕地進行儀器安裝和監測。該系統主要由開路式三維超聲風速儀(CSAT3，Campbell Scientific Inc.，USA)、CO2/H2O紅外分析儀(LI-7500，Li-COR Inc.，USA)和數據采集器(CR5000，Campbell Scientific Inc.，USA)組成。通量觀測系統架設在地勢平坦開闊的典型天然草地上，符合通量觀測對下墊面的要求，儀器高度距地面2.5 m，采樣頻率為10 Hz，分別用來測定CO2、水汽脈動，并通過數據采集器CR5000記錄和存儲10 Hz 的原始通量數據。數據記錄時間間隔為30 min，每自動記錄一次水汽和CO2通過觀測面的通量，自動將水汽單位轉換成mm。

MODIS 植被指數產品來自于美國地質勘探局(http://glovis.usgs.gov/)中的 MODIS NDVI數據(MOD13Q1)。其空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，選取2018和2019年每年4-10月的 MODIS NDVI數據，作為研究區植被生長狀況和類型的反映。

1.3 數據分析

對于渦度相關觀測系統得到的10Hz原始湍流數據運用Logger Net軟件進行格式轉換(TOB3-TOB1)，采用美國LI-COR公司研發的Eddy Pro軟件進行系列校正計算，包括異常值及野值點剔除、坐標旋轉修正、頻率損失修正、超聲虛溫修正、空氣密度效應修正(WPL修正)等基本處理，得到采樣間隔為30 min的通量數據，然后經過大氣平穩性檢驗、總體湍流特征檢驗等初步質量控制。

植被蒸發量指采用渦度通量儀器測算兩種情況下的湍流脈動值，一方面是潛熱，另一方面是顯熱。其計算公式為：

(1)

式中，E為瞬時蒸發量值，ρ為空氣密度，w為垂直風速，q為濕度的瞬時脈動值。

采用ENVI+IDL軟件對遙感數據進行處理，將HDF文件轉換為Geo tiff格式，再進行投影轉換。為了降低噪音信息，獲得代表植被生長最好狀況的年NDVI數據，將NDVI數據進行兩方面的合成處理，一方面是最為核心的MVC，另一方面是容易忽略的Savitzky-Golay濾波。

通過NDVI與蒸散量建立關系，利用關系模型估算得到科克蘇濕地蒸散量的空間變化和空間分布圖。最后為保證蒸散量數據與NDVI數據的空間匹配。

2 結果與分析

2.1 蒸散量(ET)的時間變化特征

科克蘇濕地植被生長季為4-10月，濕地蒸散量年內分布呈現先增大后減小的單峰型分布趨勢。由圖1可以看出，蒸散量從4月開始增加，7月達到最大，為313.31 mm。7月后，蒸散量開始下降。2019年，科克蘇濕地月蒸散量在4-5月增加78.79 mm，比2018年同月增加35.02 mm；2018年，6-8月月蒸散量分別為140.86、243.73和313.31 mm，比2019年同月增加13.91、10.77和10.22 mm；2019年9-10月蒸散量分別為127.69和45.07 mm，略高于2018年9-10月。

2.2 蒸散量(ET)的空間變化特征

利用監測樣點實測的月ET數據，并提取樣點所對應的月NDVI數據，建立兩者回歸分析模型。由圖2可知，研究區ET隨NDVI的增加逐步增加，其線性回歸方程為y=253.45x+0.6231，決定系數R2=0.8905，P<0.001(其中，x為NDVI，y為ET)，表明 NDVI和濕地ET的擬合效果良好，呈顯著正相關關系。植被多的區域對應ET高值區域，說明ET空間分布是由地區的植被覆蓋情況決定的。

通過NDVI與ET的回歸關系，反演ET不同時間段的空間變化(圖2)。濕地生長季平均蒸散量具有較強的空間異質性，科克蘇濕地ET變化特征與植被覆蓋的地帶性變化大體一致。植被覆蓋度高的地方，蒸散量較高。利用2018-2019年平均ET數據分析科克蘇濕地蒸散量的空間特征。并按ET的大小劃分(<50 mm)、(50～100 mm)、(100～150 mm)、(150～200 mm)、(>250 mm)5個等級。

由圖3和表1可知，ET從東南到西北逐步增加，東南區降水稀少，植被稀疏，ET減小。2018和2019年，全區2.26 %和3.22 %的區域ET<50 mm，全區18.05 %和8.55 %的區域ET為50～100 mm，中部平原區水分充足，日照充足，植被ET位于150～200 mm的比例最大，為34.93 %和36.15 %，其次是ET>200 mm，比例為30.98 %和31.34 %；再次是ET位于100～150 mm，比例為23.78 %和20.74 %。

表1 研究區2018-2019年均植被ET等級比例 Table 1 Proportion of ET average vegetation percentage in study area from 2018 to 2019 (%)

(1)2018年不同月份ET的空間變化特征。由表2可知，4月全區植被ET以<100 mm和100～150 mm為主，兩者占全區域的比例分別為69.14 %和16.65 %，平均ET為40.10 mm，植被ET主要分布在東南西北區和中部。5月ET逐步由<100 mm變為100～150 mm，達到34.36 %，ET位于150～200 mm的面積分布區也向周圍蔓延，比例為20.75 %，平均ET值為87.30 mm；6-7月水分多，為植被生長旺季及植被ET最高期，2個月ET >250 mm的比例分別達到54.49 %和80.63 %，ET<100 mm和位于100～150 mm的比例則有不同程度減少，ET位于200～250 mm的比例分別為20.55 %和9.86 %。8月植被開始衰敗，植被蒸散量下降，ET>250 mm的區域面積占51.27 %，ET位于150～200 mm和200～250 mm的比例增加，分別為20.88 %和20.40 %；9月，ET >250 mm的比例減少到了3.12 %，ET位于100～150 mm和150～200 mm的比例增加，分別為30.97 %和31.23 %；10月，ET <100 mm的面積最大，比例達到45.66 %，其次ET位于150～200 mm的比例增加，達到32.38 %。全區平均ET值為126.35，ET >250 mm的比例最大，為45.48 %。

表2 研究區2018年月平均ET及ET等級比例 Table 2 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2018 (%)

(2)2019年不同月份ET的空間變化特征。從表3可知，4月ET位于<100 mm、100～150 mm的比例分別為71.22 %、18.36 %，平均ET值為38.08 mm；5月，植被ET面積增加，ET逐步由<100 mm變為100～150 mm，主要向西北區域蔓延，比例為22.56 %和28.77 %，平均ET值為112.65 %；6-7月，植被ET分布格局幾乎一致，以ET >250 mm為主，分別在西北、中部及東南的部分區域，兩個月份的比例分別為59.23 %和77.84 %，ET為于200～250 mm的比例分別為19.72 %和12.10 %，ET位于150～200 mm的比例分別為12.34 %和6.07 %，平均ET值為203.20和225.82 mm；8-10月，科克蘇濕地植被ET逐步下降，8月ET位于>20 mm的面積減少到30.67 %，ET位于150～200和200～250 mm的比例增加到29.11 %和23.97 %；9月， ET位于100～150和150～200mm的比例增加到了40.21 %和29.46 %，10月，ET位于<100 mm和100～150 mm的比例增加，分別為65.47 %和17.54 %，其他等級不斷減少。全區平均ET值為126.86 mm，ET位于>250 mm的比例最大，為41.50 %。

表3 研究區2019年月平均ET及ET等級比例 Table 3 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2019 (%)

2.3 蒸散量(ET)年變化率的空間變化特征

由圖4和表4可知，科克蘇濕地植被ET的變化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例為27.90 %，主要位于中部和西北區；ET變化率< -36 mm·a-1的比例為20.91 %，主要位于西北區；ET變化率為0～23 mm·a-1的比例為24.04 %，空間上主要分布于東南和西北區；ET變化率為23～61 mm·a-1的比例為18.46 %，空間上主要位于東南和西北區；ET變化率> 61 mm·a-1的比例為8.69 %，空間上主要位于東南、中部及西北區域零星分布。

表4 蒸散量年變化率等級比例 Table 4 Grade ratio of annual change rate of evapotranspiration (%)

3 討 論

蒸散量對濕地的生態平衡非常重要，是水文和生態之間的紐帶。對于生態環境差的濕地，研究其蒸散量的發展變化趨勢，對當地的農牧發展、生態環境的治理和重建意義重大[17]。科克蘇濕地地區降水量較多，地下水位較高；又處于干旱區，蒸散量在空間上的分布主要取決于水分和熱量狀況，而且植被分布也與水文地質條件有密切關系。孫睿等[18]建立了年蒸散量與累積NDVI及相對濕潤指數之間的關系，對黃河流域近20年地表蒸散的時空分布進行分析，得出年平均年蒸散量為389 mm。閆俊杰等[19]利用MODIS的蒸散量(ET)和NDVI數據對塔里木河干流植被覆蓋和蒸散發蒸散量(ET)時空變化及其關系進行分析，發現，空間上全區48.8 %區域的NDVI發生降低，主要集中在中段，而ET比例達則高達70.5 %，廣泛分布于中段及下段。袁國富等[20]研究塔里木河干流下游收集到的數據，發現植被覆蓋和蒸散量成正比關系，與本結果相近。通過以上分析結果可見，本文采用MODIS NDVI估算科克蘇濕地蒸散量，在不同等級的ET估算中可以發現，4月植被逐漸復蘇，降水也較豐沛； 5月植被處于生長旺季，蒸散量不斷增加；6-7月是植被生長旺盛時期，植被的蒸騰以及土壤的蒸發作用較強，使蒸散量迅速增加，因此這2個月的蒸散量較大；9-10月天氣變冷，植物生長緩慢，并開始凋落，蒸散量開始降低。地表入射量、區域氣候情況、地表下墊面條件與地表蒸散量息息相關[21]，同時，土壤缺水，其他條件不變的情況下，水源的多少決定了地表蒸散量的大小[22]。由于時間尺度較短，還需進一步研究在較大程度上改變ET與植被及氣象等因素的時空匹配特征，以便為科克蘇濕地加強區域蒸散量監測，能夠幫助分析區域濕地需水量，為水資源的有效利用和管控提供幫助。

4 結 論

(1)2018-2019年，科克蘇濕地蒸散量年內分布呈現先增大后減小的單峰型分布趨勢，從4月開始，蒸散量逐漸增加，蒸散量波動范圍分別為42.99～313.32 mm和45.38～302.53 mm。兩年峰值出現在7月12日，ET日變化值分別為11.42和10.87 mm。

(2)濕地蒸散量實測值與 MOD13Q NDVI 產品之間的相關系數較高，y=253.45x+0.6231(R2=0.89)，得出的結果能研究該地區的蒸散量提供幫助。

(3)2018和2019年ET空間分布看，濕地平均蒸散量具有較強的空間異性規律，呈出現東南低西北高的變化趨勢，該特征與植被覆蓋的地帶性變化大體一致，2018-2019年4-10月蒸散量平均值分別為126.35和126.86 mm；從ET的變化率來，2018-2019年濕地植被ET的年變化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例為27.90 %，空間上主要位于中部和西北區。