遙感監(jiān)測(cè)蒸散發(fā)對(duì)黃土高原旱區(qū)城鎮(zhèn)化的響應(yīng)

代 秦，崔晨風(fēng),2*，翟羽婷，童山琳，金 武

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100）

在各項(xiàng)自然因素對(duì)旱區(qū)蒸散發(fā)（ET）的影響中,下墊面土地利用類(lèi)型占主導(dǎo)地位[1-2]。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,導(dǎo)致我國(guó)旱區(qū)黃土高原的下墊面土地利用與土地覆蓋（LUCC）發(fā)生了巨大的改變[3-5]。大面積的農(nóng)業(yè)用地和森林草地被道路、工廠(chǎng)和住宅等建筑物代替,導(dǎo)致下墊面的滯水性、滲透性和熱力狀況均發(fā)生了明顯變化,使得市區(qū)及其近郊的水文要素和水文過(guò)程發(fā)生相應(yīng)變化,進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際ET量發(fā)生劇烈變化[3,5]。李宏宇[6]等研究了干旱區(qū)不同下墊面能量分配機(jī)理以及對(duì)微氣候的反饋,得出高覆蓋度下墊面的凈輻射、感熱和潛熱相對(duì)更高的結(jié)論；陶瑋[7]等研究了城市化過(guò)程中下墊面改變對(duì)大氣環(huán)境的影響；曹富強(qiáng)[8]等進(jìn)行了我國(guó)農(nóng)田下墊面變化對(duì)氣候影響的模擬研究,得到下墊面對(duì)農(nóng)田蒸發(fā)具有一定影響的結(jié)論。目前的研究主要集中在理論研究和定性研究上,針對(duì)某一區(qū)域的定量研究很少。傳統(tǒng)的ET測(cè)量方法,局限在點(diǎn)尺度或小范圍土地的塊尺度上,測(cè)量周期長(zhǎng)、成本高、效率低,難以滿(mǎn)足區(qū)域尺度上的大規(guī)模監(jiān)測(cè)；且傳統(tǒng)測(cè)量所得預(yù)報(bào)系統(tǒng)不夠完善穩(wěn)定,具有嚴(yán)重的滯后性。鑒于此,利用衛(wèi)星遙感技術(shù),將遙感數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)相結(jié)合,可以更加精確地監(jiān)測(cè)ET對(duì)區(qū)域城鎮(zhèn)化的響應(yīng)機(jī)制。

黃土高原作為我國(guó)進(jìn)行干旱半干旱農(nóng)業(yè)研究的典型地區(qū)之一,研究其ET量對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的意義。為了在水分缺少的旱區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè),必須了解LUCC對(duì)ET的影響,以獲得對(duì)區(qū)域水文循環(huán)和能量平衡更深入的認(rèn)識(shí),大力發(fā)展旱區(qū)農(nóng)業(yè)。基于此,本文選取了黃土高原地區(qū)4種土地利用類(lèi)型,研究其城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)ET量的影響,為旱區(qū)發(fā)展模式、農(nóng)耕模式制定以及結(jié)構(gòu)調(diào)整等問(wèn)題提供重要依據(jù),對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)良性循環(huán)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及提高土地經(jīng)濟(jì)利用效率具有非常積極的意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原的總面積約為64.2萬(wàn)km2,占世界黃土分布的70%,地域遼闊、海拔差異較大,海拔高度在1 000～4 000 m之間,處于我國(guó)第二級(jí)階梯區(qū)域范圍內(nèi)。黃土高原具有獨(dú)特的自然生態(tài)特征,蘊(yùn)藏著豐富的煤炭、石油、鋁土礦等資源；黃土顆粒細(xì)、土質(zhì)松軟,含有豐富的礦物養(yǎng)分,利于耕作；盆地和河谷地區(qū)農(nóng)墾歷史悠久,是我國(guó)古代文化的重要發(fā)源地之一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）地面資料的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）,包括以34°～40°N、103°～114°E為研究區(qū)界線(xiàn)分布在黃土高原及其周邊98個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)所收集的數(shù)據(jù),如圖1所示。研究時(shí)間設(shè)定為2010－2015年,氣象數(shù)據(jù)包括站點(diǎn)最高和最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等。本文采用的遙感數(shù)據(jù)主要分為兩類(lèi):①由地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）提供的GDEMV2 30 m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)空間范圍為34°～40°N、103°～114°E；②由地理空間數(shù)據(jù)云提供的MODND1D 中國(guó) 500 M NDVI 每天數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)空間范圍為34°～40°N、103°～114°E,研究時(shí)間為2010－2015年。黃土高原的地形圖等數(shù)據(jù)通過(guò)全國(guó)地形圖在A(yíng)rcGIS下裁剪得到。

1.3 研究方法

根據(jù)最新研究[1],經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人類(lèi)活動(dòng)范圍擴(kuò)大導(dǎo)致LUCC發(fā)生了巨大變化,使得土地對(duì)ET影響所占的比重也逐漸增大。由于降雨稀少,旱區(qū)ET對(duì)于土地利用類(lèi)型的變化最為敏感[3]。

本文采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式,統(tǒng)計(jì)2010－2015年黃土高原旱區(qū)4種土地利用類(lèi)型站點(diǎn)的數(shù)量變化。本文結(jié)合ET 與ET0之間的系數(shù)關(guān)系,利用ET0代替ET,采用FAO灌溉排水叢書(shū)第56分冊(cè)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算不同土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化發(fā)展后ET0的相應(yīng)變化。

Penman-Monteith公式為:式中,ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（單位:mm/d）；Rn為植被表面凈輻射量（單位:MJ/m2d）；G為土壤熱通量（單位:MJ/m2d）；Δ為飽和水汽壓—溫度關(guān)系曲線(xiàn)的斜率（單位:kPa/℃）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（單位:kPa/℃）；T為空氣平均溫度（單位:℃）；u2為在地面以上2 m處的風(fēng)速（單位:m/s）；es為空氣飽和水汽壓（單位:kPa）；ea為空氣實(shí)際水汽壓（單位:kPa）。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為4組,并設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn),定量分析4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化后ET的變化量；再結(jié)合2010－2015年日均ET計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Matlab擬合整理,分析旱區(qū)內(nèi)不同土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)于ET的影響。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 研究站點(diǎn)土地利用類(lèi)型數(shù)量變化

在研究區(qū)內(nèi)的98個(gè)站點(diǎn)中,本文選取水田、旱地、低覆蓋度草地和農(nóng)村居民點(diǎn)4種土地利用類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1、圖1）。結(jié)果表明,2010－2015年4種土地利用類(lèi)型站點(diǎn)數(shù)量變化較小。由于西北內(nèi)陸地區(qū)缺水,因此大部分農(nóng)業(yè)種植區(qū)域均為旱地,達(dá)37個(gè),水田較少,只有3個(gè)；城鎮(zhèn)用地由20個(gè)增加為22個(gè),農(nóng)村居民點(diǎn)對(duì)應(yīng)地減少了2個(gè),城鎮(zhèn)化效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)點(diǎn)的區(qū)域ET值發(fā)生了顯著變化。

表1 研究站點(diǎn)土地利用類(lèi)型統(tǒng)計(jì)表/個(gè)

圖1 黃土高原下墊面土地利用類(lèi)型分類(lèi)

2.2 不同土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)各季度ET的影響

實(shí)驗(yàn)將研究?jī)?nèi)容分成水田城鎮(zhèn)化（PF to UL）、旱地城鎮(zhèn)化（DL to UL）、農(nóng)村居民點(diǎn)城鎮(zhèn)化（RS to UL）和低覆蓋度草地城鎮(zhèn)化（LCG to UL）4組,并設(shè)置一直為城鎮(zhèn)用地的站點(diǎn)為對(duì)照組（UL）。以季節(jié)為時(shí)間尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,與對(duì)照組進(jìn)行比較,2010－2015年4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)于ET的實(shí)際影響如表2～5所示。

表2 4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)春季ET的影響/（mm/d）

表3 4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)夏季ET的影響/（mm/d）

表4 4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)秋季ET的影響/（mm/d）

表5 4種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化對(duì)冬季ET的影響/（mm/d）

2.3 區(qū)域覆蓋變化對(duì)ET影響的趨勢(shì)分析

利用Matlab軟件對(duì)計(jì)算所得的2010－2015年日均ET結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合。結(jié)果表明,由于旱地原有的植被稀少,ET值處于一個(gè)較低的水平,而城市綠化導(dǎo)致大量外來(lái)植株移入,從而使日均ET大幅增加[9],因此旱地城鎮(zhèn)化后,日均ET值呈上升趨勢(shì),變化率為0.045 8 mm/d/a；其他3種土地利用類(lèi)型城鎮(zhèn)化后ET值均呈下降趨勢(shì),變化幅度最大的是RS to UL,其ET值以-0.032 1 mm/d/a的速度下降,其次為L(zhǎng)CG to UL,其日均ET值的變化率為-0.024 7 mm/d/a,PF to UL的變化幅度最小,其日均ET值變化率為-0.008 7 mm/d/a。從年尺度上進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同土地利用類(lèi)型變化對(duì)ET的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了黃土高原旱區(qū)土地城鎮(zhèn)化對(duì)區(qū)域ET的影響問(wèn)題,通過(guò)2010－2015年日均ET值的計(jì)算以及線(xiàn)性擬合,得出以下結(jié)論:

1）農(nóng)村居民點(diǎn)和低覆蓋度草地?fù)碛休^多的樹(shù)木和綠草,土地城鎮(zhèn)化使其被消除,導(dǎo)致日均ET值逐年下降。

2）水田城鎮(zhèn)化的ET變化幅度最小,主要是由于城市的熱島效應(yīng)彌補(bǔ)了一部分水面變成土地的ET減少量,因此旱區(qū)的水田年均ET值最接近城鎮(zhèn)用地的年均ET值。

3）旱地ET值呈上升趨勢(shì),主要是由于旱地原有植被稀少,ET值處于一個(gè)較低的水平,而城市綠化導(dǎo)致大量外來(lái)植株移入,從而使日均ET值大幅增加。