基于MODIS的土壤含水量时空变化及干旱化程度分析

郭 焘, 于红博,2, 马梓策, 曹聪明

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010022;2.内蒙古师范大学 遥感与地理信息系统重点实验室, 呼和浩特 010022)

干旱作为一种较为严重的自然灾害，影响范围广、持续时间长，严重影响农业生产和人类生活，每年全球由于干旱造成的经济损失高达60～80亿美元，远高于其他气象灾害[1-2]。此外，随着温室气体的增加，气温升高，造成土壤中潜在水分损失，而土壤含水量是评价干旱化程度的一个重要指标[3]。因此，了解土壤含水量时空分布特征变化对农牧业生态系统具有重要意义。目前，常用的土壤含水量测量方法主要分为实地测量法、土壤水分模型法、遥感法3种；其中，传统的实地测量法精度较高，但是获取数据慢、花费大量人力物力财力，难以实现大范围监测的需要[4]；土壤水分模型法是用来模拟林地土壤水分变化的专用模型，通过模拟土壤水分垂直方向的运动，能够精确地预测不同森林类型根系区土壤水分日变化值[5]；遥感技术虽然存在一定的局限性，但遥感数据以高的时空分辨率和实时监测的优势，为大范围区域土壤含水量的监测开辟了新的途径[6-7]。

锡林郭勒草原位于生态防护带的中心位置，具有极其重要的生态服务功能[8]。气候属于中温带半干旱、干旱大陆性气候，降水量稀少，气温普遍偏高，蒸发过程速度快，引起土壤含水量降低，植被生产力下降，了解土壤含水量时空分布特征对该区域生态系统可持续发展具有重要意义[9-10]。研究选用地表含水量指数(SWCI，surface water capacity index)模型，利用MODIS遥感数据，获得锡林郭勒盟的SWCI，然后结合野外实测数据对其进行修正和精度验证，得到2000—2017年每年7月研究区土壤含水量空间分布图。按照反演结果选取了枯水年(2007年)、平水年(2015年)和丰水年(2012年)3种年份，结合气象数据对研究区生长季4—9月土壤含水量的动态变化进行分析；通过土壤含水量对研究区干旱化程度进行划分，获得干旱化程度分布状况图，分析不同年份不同地区的干旱化程度。以此了解锡林郭勒盟土壤含水量的空间分布特点以及区域干旱化程度，为抗旱减灾决策、水利建设规划和水资源保护提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

锡林郭勒盟位于内蒙古自治区中部，地处东经115°13′—117°06′，北纬43°02′—44°52′，占地面积达20.26万km2，海拔在800～1 300 m，既是国家重要的畜产品基地，又是西部大开发的前沿。锡林郭勒盟属于中温带半干旱、干旱大陆性气候，年平均气温在0～4℃,降雨量大多集中在7—9月份，平均降水量为200～350 mm，由西北至东南呈现递增态势。研究区主要的地带性植被为草原，依水平地带性分异，由西至东分别分布有荒漠草原、典型草原、草甸草原3个亚型。锡林郭勒盟是西北干旱区向东部湿润区过渡的地带，也是响应全球变化的敏感区域之一[11]。地理位置以及实测样地路线如图1所示。

图1 锡林郭勒盟地理位置

1.2 数据来源及处理

所用MODIS遥感数据为美国航空航天局(NASA)提供的2000—2016年的部分遥感影像数据，为8 d合成数据，空间分辨率为500 m。利用MRT软件对选取的遥感数据进行投影变换和镶嵌，筛选出研究所需要的波段(6，7波段)，运用ENVI 5.3进行波段整合、裁剪和运算，得到土壤含水量反演图，采用Albers(双标准纬线等积圆锥)投影。在ArcGIS 10.3软件中制图。

气象数据(降水量、气温、气压、水汽压、风速和相对湿度)均由国家气象数据共享服务平台提供，运用SPSS软件，进行配对样本T检验，得到各气象要素与土壤含水量之间的相关性。

1.3 地表含水量指数(SWCI)

水分吸收高峰与植被土壤反射低谷波段相近，MODIS遥感数据中6，7波段分别对应水反射高峰和植被土壤反射低谷，对水分反射率变化较为敏感，且6，7波段有极为相同的大气散射和辐射值，因此可以根据6，7波段计算得到地表含水量指数(surface water capacity index，SWCI)，计算公式如下[12]：

(1)

式中：b6，b7分别为第6、7波段反射值。

所得结果为日均值，将影像所占天数作为权值合成为月SWCI数据，为使反演结果更加精确，用野外实测的土壤体积含水量数据(2013年7—9月、2014年5—6月0—50 cm土层)与同期遥感反演对应点的数据建立了相关模型。选择SWCI数据为自变量，0—50 cm土壤含水量实测数据为因变量，建立关系模型，用来修正遥感反演结果，5个月的关系模型分别如下：

(2)

(3)

Y7=0.0521e3.6254b7R=0.744

(4)

(5)

(6)

式中：Ya表示a月的土壤含水量；ba表示a月的SWCI值。

1.4 遥感反演结果验证

采用2017年的土壤含水量实测数据对同期遥感反演结果进行点上的验证。

1.5 干旱化等级划分

基于土壤含水量的干旱化程度划分，一般根据土壤相对湿度进行划分，将土壤的相对湿度换算为土壤体积含水量，可得到由土壤体积含水量划分的干旱化等级[2](表1)。

表1 土壤含水量的干旱等级

注:RMS为土壤相对湿度,SVM土壤体积含水量。

1.6 丰、平、枯水年计算标准

目前国内比较常用的分析丰水年、平水年、枯水年的标准如下：

2 结果与分析

2.1 土壤含水量空间变化特征

由此利用锡林郭勒盟2000—2017年每年7月，2007年(枯水年)，2012年(丰水年)，2015年(平水年)生长季4—9月的遥感影像和土壤体积含水量实测数据，反演得到土壤体积含水量空间分布图(附图1)。

由2000—2016年大量遥感反演结果可知，2000—2016年研究区土壤含水量空间分布自西南向东北均呈条带状逐渐增加趋势。其中，研究区西南部的苏尼特左旗、苏尼特右旗和二连浩特市生长季土壤含水量均为3%～11%，主要是因为该区域草原类型为荒漠草原，土壤固水能力较差，土壤含水量最低；南部的太仆寺旗与多伦县属于农牧交错区，通过农业灌溉用水补给，导致土壤含水量较多，且多伦县拥有丰富的水资源与森林资源，因此，土壤含水量偏高；中部偏东的大部分地区土壤含水量基本在11%～15%，主要为典型草原；研究区的东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗东北部土壤含水量最高，均在15%以上，主要为草甸草原。

以平水年土壤含水量空间分布图作参考，在2012年的丰水年时期，研究区土壤含水量丰沛；在2007年的枯水年时期，研究区土壤含水量低值区从西南向东部延伸，土壤干旱化严重。其中，东乌珠穆沁旗中西部、西乌珠穆沁旗西部、锡林浩特市、阿巴嘎旗北部和太仆寺旗在不同年份中的土壤含水量变化幅度明显高于其他地区。

2.2 土壤含水量时间变化特征

2000—2017年7月份的土壤含水量和降水量变化趋势如图2所示。土壤含水量和降水量变化趋势基本一致，2012年7月土壤含水量最大，2017年7月土壤含水量最小；在丰水年，7月份降水量充沛，地面有充足的水分补给，土壤含水量增大；在枯水年，降水量稀少，且由于植被处于生长旺季，植被蒸腾作用散失了大量水分，水分收支严重不平衡，支出远远高于补给，因此，枯水年土壤干旱化程度严重。

图2 锡林郭勒盟2000-2017年7月土壤含水量和降水量变化趋势

图3为锡林郭勒盟生长季4—9月份土壤含水量变化曲线，曲线的位置随枯水年、平水年和丰水年基本呈上升的趋势。其中，研究区4—5月份为非雨季，降水量稀少，土壤含水量主要为冬季冰雪融水供给，因此4—5月份土壤含水量变化幅度较小，在11%上下波动；研究区6—7月份为雨季，土壤含水量随着降水量的增减而增减，因此不同年份土壤含水量变化幅度具有明显差异，在9%～11%波动；8月份，土壤含水量基本为生长季最低值，主要是由于此时降雨减少，气温仍较高，植被处于生长旺季，植被蒸腾土壤水分蒸发仍然较大，因此土壤失水较多；9月份土壤含水量有回升趋势，虽然雨季已过，降水量减少，但是气温下降，植被大部分枯萎，植被蒸腾土壤水分蒸发减少，因此，土壤含水量有所回升。

2.3 土壤含水量与气象要素的相关性分析

用SPSS软件分析了2000—2017年锡林郭勒盟的土壤含水量与气象因素之间的相关性，结果见表2。由此可知，研究区的土壤含水量与降水量、水汽压和大气相对湿度均呈正相关，且均通过显著性检验(p<0.01)；土壤含水量与气温呈负相关，且通过显著性检验(p<0.01)；土壤含水量与大气压、风速呈负相关，且没有明显的相关性(p>0.05)。锡林郭勒盟属于中温带半干旱—干旱大陆性气候，主要植被类型为草原，土壤水分供给大部分来源于自然降水，随着降水的增减而增减；在生长期植物处于生长旺季，温度偏高时，蒸腾和蒸发量增加，会大量消耗土壤中的水分，因此，土壤含水量降低。

图3 锡林郭勒盟生长季4-9月份土壤含水量变化曲线

表2 锡林郭勒盟土壤含水量与气象因素相关性

降水量偏多、气温偏低的年份土壤含水量普遍偏高，降水量偏少、气温偏高的年份土壤含水量相应降低。降水量和气温是土壤含水量大小的主要限制因子。

2.4 基于土壤含水量的干旱化分析

根据表1，对丰、平、枯年生长季4—9月份的土壤含水量进行月平均，得到3个年份的生长季月平均土壤含水量，按照干旱等级进行划分，利用ArcGIS 10.3进行面积统计，分析锡林郭勒盟不同年份不同区域的干旱化程度(表3，附图2)。

锡林郭勒盟的干旱化程度主要以中度干旱为主，均高达40%以上，重度干旱面积所占比例最小，约为1%～2%，无干旱和轻度干旱适中。在枯水年2007年，中度干旱面积明显增加，达到79%，干旱化程度严重；在平水年2015年，中度干旱面积为52%，无干旱和轻度干旱面积占比较枯水年明显增加；在丰水年2012年，无干旱面积明显增加。

表3 锡林郭勒盟生长季干旱化等级面积及比例

由附图2可知，2015年(平水年)，苏尼特右旗、二连浩特、苏尼特左旗、镶黄旗、正镶白旗、阿巴嘎旗、锡林浩特、东乌珠穆沁旗西部、西乌珠穆沁旗西北部的大部分区域表现为中旱；正蓝旗、多伦县、太仆寺的大部分区域表现为轻旱；东乌珠穆沁旗中部和东部、西乌珠穆沁旗东部的大部分区域无旱情。2012年(丰水年)，苏尼特右旗、二连浩特、苏尼特左旗阿巴嘎旗、锡林浩特北部、东乌珠穆沁旗西部的大部分区域属于中度干旱；阿巴嘎旗北端、正蓝旗部分区域表现为轻度干旱，东乌珠穆沁旗中部和东部、西乌珠穆沁旗、锡林浩特南部、正镶白旗、正蓝旗南部、多伦县、太仆寺的大部分区域无干旱情况。2007年(枯水年)，除东乌珠穆沁旗东部、西乌珠穆沁旗东部、锡林浩特南部、多伦县的少部分区域无旱情外，其余绝大部分区域均呈现中度干旱。

在分析的3个年份中，苏尼特右旗、二连浩特、苏尼特左旗、阿巴嘎旗、镶黄旗长期处于中度干旱状态；东乌珠穆沁旗东部、西乌珠穆沁旗东部、多伦县大部分时间无旱情发生。枯水年干旱覆盖范围最广，丰水年干旱覆盖范围最小，平水年适中。

3 结 论

(1) 2000—2017年研究区土壤含水量空间分布自西南向东北均呈条带状逐渐增加趋势，荒漠草原<典型草原<草甸草原。丰水年，研究区土壤含水量丰沛；枯水年，土壤含水量低值区从西南向东部延伸，土壤干旱化严重；其中，不同年份的东乌珠穆沁旗中西部、西乌珠穆沁旗西部、锡林浩特市、阿巴嘎旗北部和太仆寺旗土壤含水量变化幅度明显高于其他区域。

(2) 在研究区植被生长季，4—5月份的土壤含水量变化幅度不大；6—7月份的土壤含水量随着降水的增减而增减；在8月份，土壤含水量基本达到生长季最低值；9月份土壤含水量有回升趋势。

(3) 研究区土壤含水量与降水、水汽压和相对湿度呈正相关关系(p<0.01)，与气温呈负相关关系(p<0.01)，与大气压、风速呈负相关，但没有明显的相关性(p>0.05)。

(4) 研究区土壤干旱化程度严重，主要以中度干旱为主，无干旱和轻度干旱适中，重度干旱面积最小。以锡林郭勒盟平水年的干旱化程度状况图为标准，在丰水年，中度干旱面积明显减少，转化为无干旱和轻度干旱区；在枯水年，中度干旱面积明显增加，无干旱和轻度干旱地区明显缩减。所分析的丰、平、枯3个年份，苏尼特右旗、二连浩特、苏尼特左旗、阿巴嘎旗、镶黄旗长期处于中度干旱状态；东乌珠穆沁旗东部、西乌珠穆沁旗东部、多伦县大部分时间无旱情发生。