基于遥感的石河子垦区植被生态需水量的研究

王玲,姚亚楠,奚秀梅,苏建安,任远景

(石河子大学师范学院地理系,石河子 832003)

基于遥感的石河子垦区植被生态需水量的研究

王玲,姚亚楠,奚秀梅,苏建安,任远景

(石河子大学师范学院地理系,石河子 832003)

植被生态需水研究已成为水资源优化配置和生态环境建设中的热点问题。选取石河子垦区为研究区域,以2008年中巴卫星影像和2003年的土地利用现状图为基础,运用遥感图像处理技术对研究区域植被进行了分类,计算了各类植被面积的转移矩阵,分析了各类植被面积的变化,并结合确定的石河子垦区不同植被生态需水定额量,通过面积定额法计算了石河子垦区植被生态需水量,分析了石河子垦区植被生态需水量的数量变化和空间变化。结果表明:研究区内耕地的需水量最大,草地的其次,林地的最小;植被生态需水量主要集中在绿洲的中部,边缘部分比较少。这表明石河子垦区人工植被的生态需水量最大,因此,适当退耕还林、退耕还木,采用节水灌溉方式对减缓石河子垦区水资源的供需矛盾具有重要意义。

生态需水量;植被指数;植被类型;面积定额法

水是干旱区生态系统构成、发展和稳定的基础,是中国西部生态脆弱区最关键的生态因子,决定着中国西部干旱区绿洲化过程与荒漠化过程这两类极具对立与冲突性的生态环境演化过程[1]。植被是干旱区生态系统的重要组成部分,是退化生态系统恢复的关键所在,而其正常的生长必然消耗一定的水量。因此,近年来植被的生态需水问题已成为植被生态恢复和重建研究领域的热点问题[2-3]。关于植被生态需水,从现有的文献资料看还没有一个明确统一的定义,许多专家学者从不同的方向和层面提出的概念及其内涵也有所不同,这些研究成果促进了植被生态需水理论的发展[4]。本文认为干旱区的植被生态需水主要是指维持天然绿洲和人工绿洲防护体系稳定生长的耗水量[5]。

生态需水最早源于美国20世纪40年代为了维持河道内鱼类生存而开展的河道基流研究,之后发展到河岸带生态需水研究,直到现在开展的流域尺度、区域尺度上生态需水研究[6-7],具有较成熟的理论和计算方法。关于陆地植被生态需水的研究则侧重于大气土壤植被之间的生态水文过程的研究。20世纪20年代开始了对农作物需水的研究,并以此为基础建立了不同条件下农作物、森林和草地生态需水的计算和预报模型[2]。国内生态需水的研究始于20世纪90年代对西北地区水资源综合开发和利用[8],主要研究生态比较脆弱的干旱、半干旱地区的河道外植被生态需水[9]。很多学者围绕生态需水量的概念和估算开展了大量研究工作,得出了不同流域(如干旱内陆河流域,黄河流域等)的植被生态需水量计算结果,以新疆为背景对干旱区生态用水的概念和分类进行详尽的阐述,探讨了生态环境用水的必要性(如玛纳斯河流域生态与环境需水研究)[10-11]。

研究植被生态需水的理论主要有[3]:生态适应性理论、系统阈值理论、水文循环水量平衡理论、农业气象理论。这些理论已在植被生态需水的研究中得到应用。在生态需水计算方法研究方面,我国干旱区植被生态需水常采用的研究方法有直接计算法(面积定额法)[12]、间接计算法(潜水蒸发法)[13]、水量平衡法[14-16]和基于遥感与地理信息系统的研究方法[17]。这些方法各有有缺点,直接计算法适用于基础工作较好的地区与植被类型,间接计算法仅适用于降水量稀少、植被生长完全依赖地下水维持的干旱区域,水量平衡法比较适合中小闭合流域生态环境需水的计算,Whipple建议用计算机技术进行基础分析和系统模拟。随着计算机技术的发展,基于遥感和地理信息系统技术对区域生态需水进行计算及分析正在研究之中[17]。

石河子垦区地隶属于玛纳斯河流域,是新疆最为典型的绿洲农业区。20世纪50年代以来,由于流域上、中游对水资源的过度开采,使进入下游的水量显著减少,尾闾湖泊逐渐消失、地下水位下降、植被退化、天然绿洲萎缩、土地荒漠化发展迅速,以土地荒漠化、植被退化为代表的生态环境恶化已严重制约流域经济与社会的可持续发展[18]。石河子垦区是玛纳斯河流域水资源的主要使用者,在入境水量有限的情况下,如何合理分配农业灌溉用水与生态用水是维护与恢复该垦区生态系统的关键。本文以石河子垦区为例,进行植被生态需水的估算。一方面为玛纳斯河流域水资源的综合开发和管理提供理论依据;另一方面为生态需水理论的完善提供一些探索。

1 数据资料与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区为石河子垦区,地处天山北麓的中段,古尔班通古特大沙漠南缘,即东经84°58′～86°24′,北纬 43°26′～45°20′。研究区面积 7529 km2,平均海拔高度450.8 m,地势比较平坦,地形自东南向西北倾斜,由南向北依次为天山山区、山前丘陵区、山前倾斜平原、洪水冲积平原、风成沙漠区;土壤多系灰漠土、潮土、草甸土,土质多系砾质土、沙质土、粘质土等;属于典型的大陆性干旱气候,年平均气温6～6.6 ℃,无霜期160～170 d,年降水量110～200 mm,日照2798～2839 h,年蒸发量1000～1500 mm;水资源较为丰富,年径流量14.48亿 m3,其中地表水资源10.45亿 m3,地下水资源4.03亿 m3[19]。境内有玛纳斯河、宁家河、金沟河、大南沟,巴音沟共5条河流,各河流均发源于天山山脉北坡中段的伊连哈比尕山脉,由南向北流至准噶尔盆地。

石河子垦区是典型的灌溉农业区,宜农宜林宜草宜牧。经过近50年的发展,现代化农业已初具规模,形成了规模化经营和机械化水平较高的大农业优势。目前,从石河子的农业、工业以及资源现状来看,农业灌溉需要大量的淡水资源,工业、生活及城市绿化同样需要使用水资源,工业中优势产业也围绕着节水与灌溉等。目前,水资源的情况是制约石河子垦区人口数量,经济发展,资源开发和环境保护的重要因素。

1.2 数据资料

1)以2008年6月3日中巴卫星的石河子垦区影像为主要数据,该影像来源于石河子大学师范学院地理系数据中心,分辨率为19.5 m×19.5 m。利用 ENVI软件对遥感影像进行处理、拼接、分类,提取面积数据。

2)采用石河子垦区2003年的土地利用类型图进行辅助分析。

3)收集石河子垦区2008年水资源总量、石河子垦区2008年用水量等数据用来分析石河子垦区水资源的供需平衡。

1.3 研究方法

本文采用面积定额法计算石河子垦区植被生态需水量。在使用面积定额法计算植被生态需水量的过程中,先对影像的面积数据进行预处理,然后在ENVI中利用决策树方法对遥感影像进行分类,将植被分为不同的类型和不同的覆盖度,再利用遥感影像的栅格属性计算不同植被类型、不同覆盖度的面积的方法最终获取面积数据。采用前人实际测定的不同植被类型潜水蒸发量以及灌溉用水定额确定不同植被类型不同覆盖度的生态需水定额。

1.3.1 植被生态需水量的计算方法

本文对石河子垦区植被生态需水量的计算采用面积定额法。面积定额法是以某一地区某一类型植被的面积乘以其生态需水定额计算,得到该类型植被的生态需水量,各种类型植被的生态需水量总和即为所求的该地区植被生态需水总量。该法适用于基础工作较好的地区与植被类型,如防风固沙林、人工绿洲以及农田系统等人工植被的生态需水量的计算。由于石河子垦区具有较好的基础工作与植被类型,如农田系统、人工绿洲等,因此可以用面积定额法计算石河子垦区的植被生态需水量。具体计算公式如下:

式(1)中:W为生态需水总量(m3),Wi为植被类型i的生态需水总量(m3),Ai为植被类型i的面积(m2),ri为植被类型i的生态需水定额即潜水蒸发定额(m3/m2)。

使用面积定额法计算石河子垦区植被生态需水量的关键问题是要确定垦区内不同类型植被的需水定额与面积,即需要对垦区内的植被进行分类,然后采取合适的方法得出不同植被类型对应的需水定额与面积。

1.3.2 植被类型的分类方法

1.3.2.1 遥感影像预处理

若要对石河子垦区的植被进行分类,首先需要得到石河子垦区遥感影像图。具体是先将覆盖石河子垦区的三幅遥感影像拼接,然后结合覆盖石河子垦区的栅格图像(.tif,是遥感影像)与石河子边界矢量图(.shp),将石河子垦区的遥感影像在ArcGIS中用掩膜剪裁的方法剪裁获得所需要的区域范围,即石河子垦区的遥感影像(图1)。

图1 石河子垦区遥感影像图Fig.1 Remote image of Shihezi reclamation area

1.3.2.2 植被分类方法

石河子垦区不同植被类型的面积需要先确定不同植被的类型。因此,本文参照土地利用类型图及其他辅助资料,采用人机交互式判读方式对处理后的影像进行非监督分类,制作形成植被类型分布图,将石河子垦区的植被类型分为林地(分为高、中、低覆盖度的林地)、草地(分为高、中、低覆盖度的草地)和耕地三大类,并且通过分类结果计算不同植被类型的面积。

石河子垦区的遥感影像的成像原理是利用不同类型的地物能够辐射不同波长的电磁波的原理拍摄得到,根据地物光谱反射率的差异作比值运算可以突出遥感影像中植被的特征,提取植被类别或估算绿色生物量。

遥感影像中不同植被类型不同覆盖度的属性信息可以通过植被指数提取。植被指数(VI)有多种类型,本文采用的是归一化植被指数(NDVI)。NDVI是利用近红外波段与红波段做比值运算,具体计算如下:

式(2)中:NDVI指归一化植被指数,rnir指近红外波段的反射值,rred指红外波段的反射值。

本文利用 ENVI软件直接计算NDVI,将地物类型分为植被与非植被类型,不同植被类型具有不同的NDVI数值的范围,以此将NDVI范围作为分类依据,而后利用决策树的分类方法将植被分为不同的类型。

1.3.3 植被面积计算方法

分类后的遥感影像就是不同植被类型不同覆盖度的栅格图像,因为遥感影像有其固定的分辨率和坐标系统,根据遥感影像的分辨率和像元数量,即可求出遥感影像的面积。分类后通过每种植被类型的像元信息和遥感影像分辨率即可算出每种植被类型不同覆盖度的面积,不同植被类型面积的计算公式如下:

式(3)、(4)中:Ai指不同植被类型的面积,N指植被类型代表的像元总数,X%指不同植被类型占总像元的百分比。19.5×19.5指单个像元的面积。单位为m2,Ni指不同植被类型的像元个数。

1.3.4 植被生态需水定额的确定

由于影响植被需水的因子非常多,各种自然条件下植被的需水定额很难测定。因此,本文主要采用前人实际测定的不同植物类型潜水蒸发量以及灌溉用水定额量确定不同植物类型的生态需水定额。参考文献[20]的方法,确定不同植被类型的生态需水潜水蒸发定额与灌溉用水量定额见表1。

表1 不同植被类型不同覆盖度的潜水蒸发定额 mmTab.1 Phreatic evaporation quota of different vegetation type and vegetation coverage

2 结果与分析

2.1 遥感影像分类结果及分析

对遥感影像进行预处理后,经处理得到石河子垦区遥感影像图,利用 ENVI软件计算石河子垦区遥感影像图的NDVI数值,将石河子垦区的影像图分为植被和非植被类,通过 EDVI值找到不同类型不同植被覆盖度的归一化植被指数范围。以不同植被的归一化植被指数范围为依据,利用决策树的方法将石河子垦区遥感影像图分类为草地(分为高、中、低覆盖度)、耕地、林地(分为高、中、低覆盖度),分类后结果图见图2。

从图2可以看出:石河子垦区植被分布在空间上有一定的规律,耕地形状规则,中盖度草地与耕地交错存在,在分类图中分布在耕地周围,处于绿洲的中心地带。低盖度的草地分布在人工绿洲的边缘地带,与处于北部与东南部的林地环绕在绿洲的外缘。高盖度的草地分布面积相对较少,分布也比较分散,呈斑块状散布在绿洲中。

图2 石河子垦区植被分类图Fig.2 Vegetation classification of Shihezi reclamation area

2.2 植被面积计算结果

根据分类图的像元数量或像元所占的比例,利用植被面积计算的方法可以求出不同植被类型的面积。不同植被类型的像元数量与面积的计算结果见下表2。表2中包含了遥感影像分类图中的信息,像元数量是直接由 ENVI软件通过属性查询而得,面积数据是植被面积的计算公式计算不同类型的植被的面积而得。其中,耕地像元数最多,为3303476,面积最大为1256146749 m2,草地次之,像元数8697249,面积为3307128932 m2,林地最小,像元数为772101,面积为335016229 m2。

表2 不同植被类型像元数量和面积Tab.2 Pixel number and area of different vegetation type

2.3 植被生态需水量的计算结果及分析

2.3.1 石河子垦区植被生态需水量的计算

结合通过ENVI计算的不同植被类型不同覆盖度的面积数据和植被生态需水定额量,采用面积定额法计算石河子垦区植被生态需水量,结果见表3。

表3显示:不同植被类型的面积和生态需水总量,不同覆盖度的植被的面积和生态需水量,石河子垦区植被的需水总量。石河子垦区草地生态需水量为492939080 m3,耕地生态需水量为1023131527.1 m3,林地生态需水量为59506500.166 m3,石河子垦区植被生态需水总量为1563668116.266 m3。

表3 石河子垦区生态需水量计算结果Tab.3 Ecological Water Requirement result of Shihezi reclamation area

2.3.2 石河子垦区不同植被生态需水的分析

将石河子垦区不同植被类型生态需水量总量(表3)进行对比可知:耕地>草地>林地。在不区分覆盖度的情况下,按单位面积生态需水量计算,草地生态需水量为0.149 m3/m2,耕地的生态需水量为0.814 m3/m2,林地的生态需水量为0.246m3/m2。对比结果可知:耕地>林地>草地。这表明:不同植被的生态需水量,耕地无论从总量上还是单位面积的生态需水量都是最大的。

2.3.3 石河子垦区植被生态需水的空间分析

结合植被生态需水量计算结果与分类后不同植被的空间分布规律,石河子垦区植被的生态需水量在空间上符合植被的空间分布规律,石河子垦区绿洲的中部分布为生态需水量较高的耕地和中盖度植被,其需水总量为1192282809.1 m3,约占垦区总需水量的76%,位于垦区边缘的林地及低盖度草地需水量为116154335.166 m3,约占垦区需水量的7%,散布在垦区中的高盖度草地需水量267139751 m3,约占总需水量的17%。绿洲植被的需水量主要集中在绿洲的中部,边缘部分比较少。

2.4 石河子垦区水资源供需现状分析

石河子垦区位于西北干旱区,由于蒸发量大降雨稀少,水资源的总量为地表水与地下水的总和,为14.48亿 m3。2008年该区全年总用水量为16.35亿 m3,其中农业灌溉用水15.71亿 m3,工业、生活及城市用水0.64亿 m3。

将石河子垦区植被生态需水总量的计算结果与石河子水资源的现状结合起来分析,石河子垦区植被的生态需水量在石河子的水资源利用方面占了较大的部分。根据遥感影像图分析计算得出的植被生态需水总量为15.64亿 m3,结合2008年石河子总用水量,水资源的利用虽然除了植被维系其一定环境功能状况客观需求外,还有工业、生活等的水资源的利用,但是总的来说是植被的需水量最大。由此可知,在水资源受到限制的时候,植被生态系统必然首先受到影响;石河子垦区水资源的需求量大于供给量,水资源的供求未处于平衡状态。产生该供需不平衡的主要原因是:一是由于该地区水资源本身由于位于干旱区的原因总量本就不充足,二是因为水资源的利用配置不合理。

从植被生态需水的角度来看,是由于人工植被即耕地的需水量较大,导致该原因的因素除了维持耕地上植被现状的单位面积生态需水量本就大外,另一个主要原因是因为耕地本身所占有的植被面积也比较大,在三种植被类型中面积最大。

由于耕地的占地面积与需水量在垦区内都是最大的,因此,解决石河子垦区水资源的供需不平衡问题的方法主要有以下三种:

1)从生态系统的角度可通过退耕还林、退耕还牧等方法。因为该方法一方面可以降低耕地的生态需水总量,另一方面林地与草地的单位面积的植被生态需水量都较耕地的少,因此可以降低垦区植被的总的需水量,从而从需求角度减缓石河子垦区的水资源总量供需不平衡的状态。

2)改进耕地的用水方式。采用节水灌溉,如喷灌、滴灌等,减少漫灌来减少单位面积耕地的生态需水量,进而减少耕地的生态需水总量。

3)节约生活用水,减少工业用水等方式也可以减少水资源的总的利用,减缓水资源使用的供需不平衡的现状。

3 结论

通过上述植被生态需水量的计算与分析可以得出以下结论:

1)石河子垦区的植被生态需水总量为1563668116.266 m3,其中草地的生态需水量为492939080 m3,耕地的生态需水量为1023131527.1 m3,林地的生态需水量为59506500.166 m3。耕地需水总量最大,林地的最小。

2)目前石河子垦区水资源的现状为供需不平衡。石河子垦区植被生态需水短缺。

3)利用遥感技术研究植被生态需水量具有一定的优势。通过遥感技术增加了面积定额法获取计算生态需水量数据的途径和方法。有利于提高计算结果的现实意义,而且由于其时效性的特点使得利用遥感技术能够及时的估算出某一区域的植被生态需水量。

4 讨论

石河子垦区生态需水量的研究,结果证明了石河子垦区当前水资源的利用现状,对未来石河子地区的发展有制约性。本文从以下两方面讨论本研究的意义。

1)从技术手段上来看,遥感探测能在较短的时间内,从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测,并从中获取有价值的遥感数据,有其它技术手段与之无法比拟的特点。但是利用遥感影像更新、更快的特点提取数据计算植被在不同生长阶段的生态需水量,更加精细的根据植被的不同生长阶段的生态需水量对研究区域的水资源利用进行合理有效的调整还有待进一步研究。

2)水资源与环境是相互依存的,缺水会导致环境恶化,环境恶化又会引发资源利用与经济发展的问题。地处干旱区的石河子垦区生态平衡与发展的主要制约因素是水,因而石河子垦区的可持续发展与水资源的合理利用密不可分。水资源的利用在一定程度上影响石河子垦区生态平衡与经济发展的方向,由于植被在生态系统中的重要作用,应该将植被与其他生态系统的生态需水量结合起来,找到一条既能维持个生态系统安全与稳定,又能实现该区域资源、环境的可持续发展的有效途径,从而使该区域经济稳步快速的发展。

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The Ecological Water Requirement of Vegetation in Shihezi Based on Remote Sensing

WANG Ling,YAO Ya’nan,XI Xiumei,SU Jian’an,REN Yuanjing
(Department of Geography,Teachers College,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

The vegetation ecological water demand has become one of hot issues in optimal allocation of water resources and ecological environment construction.Shihezi reclamation area has been selected as the study area in this paper.Based on the CBERS Satellite Datum in 2008 and the land-use map in 2003,the vegetation types were classified by using remote sensing image processing technique.The area change of every type was analyzed by using transfer matrix.Then the amount of vegetation ecological water demand can be gotten by quota.Through analysis of the spatial changes of vegetation ecological water demand,the result shows that the water requirement in cultivated land is the biggest,that in grassland takes the second place,and that in forest is the least.Moreover,the nearer to the core of oasis,the more the vegetation ecological water demand.This indicates that the water demand in cultivated land occupies the largest part.So conversion of cropland to forest,replacing cropland with pasture and using water saving irrigation are very important to alleviating the supply and demand contradiction of water in Shihezi reclamation area.

ecological water requirement;vegetation index;vegetation type;quota of area

Q948.1

A

1007-7383(2011)02-0218-06

2010-11-08

国家大学生创新性实验计划项目(101075901)

王玲(1974-),女,副教授,从事3S技术在资源环境领域的应用研究;e-mail:wling@shzu.edu.cn。