西辽河流域平原区植被与降水及地下水埋深的关系

陈志云，尹雄锐，季叶飞，钟建华

（1松辽水利委员会，吉林 长春 130021；2通辽市水利技术推广站，内蒙 通辽 028000）

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是生态系统中物质循环与能量流动的中枢。植被变化在一定程度上代表了土地覆盖变化，反映大气、水、土壤和岩石等环境组成成分的变化，是景观生态环境变化的综合指示器[1]。因而，对于水资源短缺、生态环境相对脆弱的半干旱地区而言，开展植被变化及其影响因素研究对该地区保护水资源、防止水土流失、保护和改善生态环境具有重要的意义[2-4]。西辽河流域地处东北平原西部农牧交错带的东缘，是国家实施西部大开发战略的重点地区之一。历史上，该区一直是农业文化和游牧文化相互交替的场所。由于脆弱的自然基础和人类活动的叠加作用，西辽河流域在过去的100多年一直处于荒漠化的严重威胁中，因此对于研究区植被覆盖度的研究具有重要意义。文中利用遥感数据提取土地利用类型；用归一化植被指数（NDVI）计算得到植被覆盖度，分析植被覆盖度变化及原因，为提高研究区植被覆盖度、保护区域水土资源，促进生态环境修复提供依据。

1 研究区概况及遥感数据情况

1.1 研究区概况

研究区为地处东北地区南部的西辽河流域平原区，总面积5.16×104km2。在气候上属于温带半湿润向半干旱气候的过渡带，年际间干湿交替，春季干旱少雨多大风。年降水量343～451 mm，呈现从南向北逐渐减少的规律。

西辽河流域水资源总量为70.61亿m3，人均水资源量为1 100 m3，仅占全国平均水平的52%，流域水资源比较匮乏；水资源开发利用程度为75%，其中地表水开发利用程度达到51%，水资源开发利用程度高。

1.2 数据准备及方法

1.2.1 数据源

文中使用的数据有研究区矢量边界、高程数据、分辨率为14.25 m的校正基准影像以及从USGS网站下载的28景Landsat-5影像（TM、ETM+），获取时间分别为 1989，1999，2006，2010 年这 4 个时期的7，8，9月份，该时期研究区的植被特征明显。利用多项式变换（Polynomial）对遥感图像进行几何纠正，最邻近法（Nearest Neighbor）进行重采样，使误差控制在0.2～0.5个像元，尽可能保留影像光谱信息。采用ENVI的FLAASH模型对遥感图像进行大气校正。此外，数据还包括4个时期研究区内库伦县、科尔沁区、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗、奈曼旗、扎鲁特旗与开鲁县的对应年降水量和地下水位埋深。

1.2.2 植被覆盖度的提取

植被覆盖度定义为所有植被，包括乔木、灌木、草、农作物的冠层、枝叶在生长区域地面的垂直投影面积占区域地面面积的百分比。目前用于计算植被覆盖度的方法有很多种，其中可以通过其与植被指数之间的关系得出[5]。目前，NDVI是多种植被指数中应用最广泛的一种。植被覆盖度可以通过NDVI计算得到，公式为：

其中NDVI计算公式为：

（2）式中，NIR和Red分别表示近红外、红光波段的反射率。-1≤NDVI≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和Red近似相等；正值，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。

（1）式中，NDVImin和NDVImax是代表研究区域的NDVI的最小值和NDVI的最大值。考虑到遥感影像中存在噪声，NDVImin和NDVImax并不能直接取NDVI灰度图统计出来的最大和最小值，而是取给定置信度区间的最大值与最小值。在文中取NDVI频率累积表上累计到1%和99%的NDVI值，分别作为NDVImin和NDVImax[6]。1.2.3土地利用类型的提取

根据分类要求，将研究区分为：耕地、草地、林地、未利用地、水体和居民用地这6种土地利用类型。这里采用的波段组合为TM第一波段、主成分分析后的第二主成分及NDVI这三个相关性最小的波段进行组合。采用监督分类中最常用的最大似然法[7]对新的波段组合进行分类，并采用聚类统计的方法对分类结果进行处理，以去除面积小于一个像元的图斑，最终获得1989，1999，2006及2010年西辽河流域平原区的土地利用类型图。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度年际变化

将通过NDVI计算得到的植被覆盖度数值，按照植被覆盖度常用的五级表示法从低到高依次划分为：低植被覆盖度：0%～30%，较低植被覆盖度：30%～45%，中植被覆盖度：45%～60%，较高植被覆盖度：60%～75%，高植被覆盖度：75%～100%。得到四个时期的西辽河流域平原区植被覆盖分级图。各图显示研究区内植被覆盖度具有显著的空间分异性，高植被覆盖度主要分布在干流沿河两岸区域；较高植被覆盖度与中度植被覆盖度主要分布在各支流沿河两岸区域；较低与低植被覆盖度区域在距离河流稍远的广大区域。

图 1 1989、1999、2006、2010 年植被覆盖度面积图

图1 为研究区不同时段不同覆盖度植被面积的统计图，由图1可见：研究区植被覆盖度时空变化特征：植被平均覆盖度以1989年最高，1999年降为最低，之后2006年和2010年平均覆盖度有略微增加的趋势；中等和较低覆盖度面积显著减小，而低覆盖度面积显著增加，中高和高覆盖度面积变化相对较小。1999，2006，2010年三个时期植被覆盖度面积组成较相似，低覆盖度面积大于较低覆盖度面积，较低覆盖度面积大于中等覆盖度面积，中等覆盖度面积大于中高覆盖度面积，而高覆盖度面积与中等覆盖度面积接近。可见，从上世纪八十年代末到2010年研究区生态环境经历了从快速恶化到逐渐好转的过程，但总体上研究区生态环境还未根本改善。

2.2 土地利用结构年际变化

对1989，1999，2006及 2010年的最佳波段进行分类，得到四个时期的影像分类图，不同土地利用类型面积统计结果见图2。由图2可见：四个时期西辽河流域土地利用类型主要以林地为主，覆盖面积最大，其次是草地、耕地和未利用地，后三者覆盖面积相当，水体和居民用地面积最小。林地在研究区有大面积分布，以西辽河流域东部居多；草地主要分布于西辽河流域西部；耕地大面积分布在中部城镇地区，并沿东西走向的西辽河水系呈条带状分布；水体为西辽河及其支流水系；城镇居民用地主要分布在中部；未利用地主要分布在研究区西南部地区，以沙地为主。

自1989年至2010年，耕地、草地与居民用地这三种土地利用类型的面积都在不断增大，而林地、未利用地面积变化的整体趋势是不断减少，林地主要转化为草地；水体的面积变化没有规律，在1999年其面积最大，可能受1998年的洪水影响，而2006年面积最小。西辽河流域土地利用类型变化结合植被覆盖变化数据说明，2010年植被覆盖相比于1999和2006年稍有改善的原因，可能是由于2010年研究区的耕地、草地与林地的总面积较1999和2006年增多。

图2 1989，1999，2006及2010年影像分类图

2.3 植被覆盖变化的影响因子分析

西辽河流域降水存在较大空间变异性，为反映空间变异性对研究结果的影响，此次研究以研究区内七个区县为基本分析单元。将研究区的1989，1999，2006及 2010年四个时期库伦县、科尔沁区、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗、奈曼旗、扎鲁特旗与开鲁县的植被覆盖度均值，结合可能影响其变化的地下水埋深、降水两个因子进行分析，其中地下水埋深因子采用各区县的年均地下水埋深数据，降水因子采用各区县年降水量数据。数据需预先进行归一化处理。

对比各区植被覆盖度、降水量和地下水埋深变化过程，1989-2010年各区县植被覆盖度除科尔沁左翼中旗外，都成先减小后增大的趋势，与整个研究区变化基本一致。其中库伦县、科尔沁左翼后旗、奈曼旗、开鲁旗4个旗县以1999年最低，科尔沁区和扎鲁特旗以2006年最低，科尔沁左翼中旗1989年以来植被覆盖度持续增大。地下水埋深除库伦县和扎鲁特旗成上下波动变化外，其他各旗县都成增大的趋势。降水数据大多区县没有1989年数据，但从1999-2010年的变化趋势看，总体都成增加的趋势。

研究区内各县（区）1999-2010年降水和地下水埋深总体上都呈增加的趋势，植被覆盖度也成增大的趋势。通常情况下，降水量增加将会有更多的水量补给地下水，从而抬升地下水水位，使得地下水埋深成减小的趋势，而西辽河的实际情况却与此相反，地下水埋深随降水量的增加而加大，说明该区域地下水系统已经剧烈地受到人类活动影响，人口的增长和城市化快速发展需要更多的水资源，地表水资源不丰富的西辽河平原区只能加大地下水开采量，从而使得区域地下水埋深成不断加大。1999-2006年植被覆盖度变化的趋势与降水变化一致，说明1999年以后西辽河流域平原区植被覆盖变化的主要自然因素是降水，而地下水系统由于受人类活动的影响加大，地下水埋深与植被覆盖度变化关系变得更加复杂，人类活动作为重要的影响因素通过地下水系统间接地影响到植被覆盖变化。

1989-1999缺少降水资料，南部3个区县库伦县、科尔沁区、科尔沁左翼后旗植被覆盖度变化与地下水埋深负相关，植被覆盖度降低而地下水埋深增加，北部4个区县植被覆盖度变化与地下水埋深正相关，其中西北部3个区县奈曼旗、扎鲁特旗与开鲁县植被覆盖度降低同时地下水埋深也减小，科尔沁左翼中旗植被覆盖度增大同时地下水埋深加大。根据统计资料西辽河流域虽然1989年和1999年降水偏枯，但1989-1999年属于降水量相对丰沛的时期，区域地下水得到了较好地补给，西北部区域地下水水位升高，而南部地区地下水位成下降趋势，主要是由于南部社会经济发展较快，工业发展和农田灌溉大量抽取地下水，导致地下水埋深逐年增加等因素导致。总体上来说该时期的植被覆盖度变化与降水关系较密切，而与地下水埋深关系由于人类活动影响存在区域差异性，西北部3个区县奈曼旗、扎鲁特旗与开鲁县植被覆盖度受地下水埋深变化影响较大，而对南部地下水埋深变化的响应不明显。

3 结论

研究通过分析1989-2010年西辽河流域土地利用类型和植被覆盖度变化，以及主要影响因素，主要得出如下结论：

1）研究区植被覆盖度变化趋势为在1989至1999年间下降，自1999年呈现上升趋势。从20世纪80年代末到2010年，研究区生态环境经历了从快速恶化到逐渐好转的过程，但总体上研究区生态环境还未根本改善。

2）由1989年至2010年，耕地、草地与居民用地这三种土地类型的面积都在不断增大，而林地、未利用地的面积变化的大的趋势是不断减少，水体面积较小，变化没有规律，1999年面积最大，可能受1998年的洪水影响，而2006年水体面积最小。

3）研究区植被覆盖度变化与降水关系较密切，而在人类活动影响下，植被覆盖度变化与地下水埋深的关系存在区域差异性，且经济发展快，地下水开采量越大的地区，植被覆盖度与地下水关系越不显著。上世纪九十年代库伦县、科尔沁左翼后旗及科尔沁区植被覆盖度与地下水埋深关系密切，而南部地区植被覆盖度与地下水埋深关系不显著。1999年以后整个研究区的植被覆盖度受降水量的影响相对较大，与地下水关系都不显著。

［1］Turner B L Ⅱ，Meyer W B，Skole D L.Global Land use/Land cover change:towards an intergrated study.Ambio，1994，23（1）：91-95.

［2］盖永芹，李晓兵，张立，李超，梁燕.土地利用/覆被变化与植被盖度的遥感监测—以北京市密云县为例［J］.资源科学，2009，31（3），523-529.

［3］李根明，董治宝，孙虎，钱广强，罗万银，王洪涛，逯军峰.基于3S的豫北内黄县近30年来植被覆被变化研究［J］.地域研究与开发，2010，29（4），127-144.

［4］杨军军，高小红，吴国良，冯仕超，邹婵.基于遥感与GIS的县域土地利用/覆被变化研究—以青海省湟中县为例［J］.遥感技术与应用，2011，26（5），561-568.

［5］冯露，岳德鹏，郭祥.植被指数的应用研究综述［A］.林业调查规划，2009（4），34（2）：48-52.

［6］刘少军,张京红,蔡大鑫,田光辉.基于遥感影像的植被覆盖度统计方法的分析［J］.热带作物学报，2009，30（1）：119-120.

［7］赵春霞，钱乐祥.遥感影像监督分类与非监督分类的比较［J］.河南大学学报（自然科学版），2004，（3）：90-93.