黑河中游绿洲化地表特征参数研究

李芳，李元恒

中国农业科学院草原研究所/农业部草地生态与修复治理重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010

绿洲化是干旱区人与自然因素共同作用下荒漠向绿洲转变的过程，是自然生态系统通过人类活动提升至人工生态系统的过程（王涛，2010）。20世纪末，人口增加和经济的快速发展，促使我国西北干旱区人工绿洲快速扩张，具体表现为绿洲边缘天然草地或荒漠开垦为农田，荒漠绿洲过渡带萎缩甚至消失（贾宝全等，2000；角媛梅等，2003；陈曦等，2008）。绿洲化改变下垫面性质，通过地表土壤水分、地表反照率、地表温度、地表净辐射等地表特征参数影响地表热量和辐射平衡（赵文智等，2016）。Zhang et al.（2015）研究指出，绿洲边缘和荒漠绿洲过渡带接收的太阳辐射基本相同，而地表反照率差异显著。以上研究对干旱区绿洲-荒漠系统的能量和辐射平衡形成了进一步的认识，但这些研究多是基于绿洲-荒漠系统，并未考虑绿洲化各个发展阶段下垫面特征参数的变化及其影响因子。因此，分析认识绿洲化地表特征参数的变化，不仅能够提升绿洲化下垫面性质对地表能量和辐射作用机制的认识，有助于更好的理解绿洲化人类活动影响下地-气系统的水热平衡。

遥感数据和遥感技术为获取不同下垫面地表特征参数提供了数据源和技术手段。例如潘竟虎等（2010）采用线性混合光谱模型演荒漠化植被盖度。连晋姣等（2014）由热红外波段的辐射亮度值L6通过地表比辐射率的校正反演夏季黑河中游荒漠绿洲及过渡带的地表温度。Li et al.（2010）和Jia et al.（2013）反演黑河中游荒漠绿洲及过渡带地表反照率和净辐射。植被覆盖度、地表反照率、地表温度及净辐射作为遥感较为常见的反演参数，其反演方法成熟，反演结果准确。因此，利用遥感数据反演干旱区地表参数已成为当今研究的重要手段之一。

绿洲化不是一个连续过程，具有一定的阶段性。以“空间代替时间”的方法，选择荒漠到绿洲及过渡带绿洲的不同演化阶段，通过地面监测获取的土壤水分和遥感反演获取的植被覆盖度、地表温度、地表反照率及净辐射等地表参数，研究各参数的变化及其相互作用，寻求绿洲化下垫面特征参数作用的内在规律。本研究旨在，（1）分析绿洲化下垫面相关参数的变化特征。（2）确定植被覆盖和地表水分与地表能量特征的定量关系。研究绿洲化过程中地表植被生长、水分和能量的变化有助于理解绿洲可持续发展及水土气生相互作用，对荒漠绿洲及过渡带生态系统稳定健康发展具有重要的参考价值。

1 研究区与试验设计概况

研究区位于黑河中游的甘肃省临泽县北部荒漠、绿洲及过渡带。属温带大陆性荒漠气候。年平均气温7.6 ℃，最高气温39.1 ℃，最低-27.3 ℃。年均降水量116.8 mm，多集中在7-9月，约占全年降水量的65%。年蒸发量2390 mm，相对湿度46%。常年以西北风为主，风沙活动强烈，年均风速为3.2 m·s-1，最大风速21 m·s-1。地带性土壤为灰棕漠土，非地带性土壤为绿洲潮土和灌漠土，并有大片的盐碱化土壤和风沙土分布。地貌景观类型有流动、半流动、半固定沙丘、固定沙丘以及丘间低地。

本文采用空间代替时间的方法，选取绿洲内部、绿洲边缘、荒漠绿洲过度带、半固定沙丘和流动沙丘5个阶段，每个阶段选择3个采样区（表1、图1），每个采样区面积约1.0 km2左右。经过实地勘察，所选采样区反映了从绿洲到荒漠下垫面的实际状况，具有典型性和代表性。

2 数据收集与处理

2.1 数据收集

2.1.1 遥感数据收集及预处理

选取2002年、2006年、2011年8月过境的3景Landsat TM影像，其成像时间都在夏秋季节，这个时间段植物生长旺盛。数据来源于美国地质调查局（网址：http:/earthexplorer.usgs.gov/）。鉴于影像获取时研究区上空晴朗无云，并且大气性质均一，选取了应用广泛且不受区域特点及目标类型影响的6 S大气校正模型进行大气校正。其次，以1:5万地形图为基准选取地面控制点，进行多项式法几何校正，均方根误差在0.5个像元以内，将各波段影像通过最邻近算法重采样到30 m分辨率。

2.1.2 土壤水分

在2002-2003年、2006-2007年、2011-012年生长季（4-10月，每月采样一次），沿荒漠至绿洲，选择沙丘顶部、泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、柽柳（Tamarix chinensis）、沙枣（Elaeagnus angustifolia）、沙柳（Salix psammophila）、杨树（Pulus tremula））以及绿洲制种玉米不同类型，通过土钻法，每个类型区选取3个采样点。选择植被覆盖、土地利用和地形地貌变化较小的区域采样，每个采样区面积为90 m×90 m，与TM影像3×3（90 m×90 m）的像元对应，分析土壤水分与地表特征参数的关系。取样深度为0-20、20-40、40-60、60-80、80-100、100-120、120-140、140-160 cm土层的土壤，将3个采样点同层的土壤混合后装入铝盒，及时称量其湿重，然后在(105±2) ℃的烘箱里烘至恒重（需约8 h左右），冷却，再称量其干重，每个植被类型取3个采样点同层次样品的平均值为该层次的土壤质量含水量。文中的浅层土壤水分指的是0-20 cm土层土壤水分的平均值。分析土壤水分与植被覆盖度、地表温度、地表反照率和净辐射关系时，植被覆盖度、地表温度、地表反照率和净辐射数据为土壤水分采样点对应的遥感反演值。

表1 黑河中游荒漠到绿洲变化程度的特征 Table 1 Characteristic of the processes of oasis development in middle Heihe River Basin

图1 研究区概况图 Fig. 1 Map of the studied area

2.2 地表参数获取

通过遥感反演植被覆盖度、地表温度、地表反射率及净辐射地表参数确定绿洲化过程如何影响这些参数的变化以及植被覆盖度与地表能量辐射参数的关系。各参数获取的方法如下：

2.2.1 植被覆盖度（Fvc）

植被覆盖度用线性光谱模型获得（潘竟虎等，2010）。线性光谱混合分析是一个基于自然法则的影像处理方法，其假定通过传感器测得的光谱是像元中均一“端元”的线性宏观组合。其数学模型可表达为：

式中：i=1, …,m（光谱波段数量）；k=1, …,n（端元数量）；Ri为波段i某像元的光谱反照率；fk为端元k在该像元所占的比例；Rik是端元k在波段i该像元中的光谱反射率；εi是波段i的残差。运用最小二乘法，并假定使以下2个条件同时满足要求：

端元的选择：线性光谱混合分析的关键在于找到合适的端元，本研究直接在像元上获取端元。运用最小化噪声比例（minimum noise fraction，MNF）转化减少数据冗余和光谱波段之间的相关性（波段1-5和7），提高比例影响的质量。然后借助ENVI提供N维散度分析法对感兴趣区（Region of interest，ROI）中的纯净端元进行N维散度分析确定3类端元，即植被、裸土、水体。

需要指出的是，本研究中分析土壤水分与植被覆盖度相互关系中植被覆盖度数据为不同植被类型土壤水分采样点对应的植被覆盖度，而分析植被覆盖度与地表温度、地表反照率和地表净辐射的数据为研究区所选则的15个不同发展阶段的选择区。

2.2.2 地表反射率（α）

地表反照率定义为地表向各个方向反射的全部光通量与总入射光通量的比值，表征地表对太阳辐射的反射能力，是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天气预测和全球变化研究的重要参数。地表反照率α计算如下（Li et al.，2010）：

式中：αtoa是大气层顶反照率，可以用TM影像各短波波段反射率加权平均得到；αpath_radiance为大气层辐射值，变化范围0.025-0.04，取=0.03（Liang，2001；曾丽红等，2008）。当研究区较为平坦时，大气单向透射率τsw可根据研究区内气象观测站的海拔获得（Morse et al.，2000）：

式中：z为气象观测站的海拔，单位m。

2.2.3 地表温度（Ts）

地表温度Ts可由热红外波段的辐射亮度值L6通过地表比辐射率的校正得到（连晋姣等，2014），表达式为：

式中 1K、 2K为定标常数；6L为TM影响第6波段的辐射亮度值，W·(m2·sr·μm)-1。

地表比辐射率ε0可以通过归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）利用如下经验公式计算：

NDVI是通过利用经过FLAASH大气校正的TM/ETM+的近红外和红波段（band 4和band 3）反射率获取，公式如下：

式中：NIR为TM/ETM+近红外波段反射率；N为TM/ETM+红波段反射率。

2.2.4 地表净辐射（Rn）

地面净辐射是地表能量的总输入量，是地表净长波辐射和短波辐射之和（Li et al.，2010）：

式中：α式地表反照率；ε0是地表比辐射率；RS↓是下行的太阳短波辐射，W·m-2，RL↓是下行的长波辐射，W·m-2；RL↑是上行长波辐射，W·m-2。其中：

式中：GSC为太阳常数（1367 W·m-2）；θ为太阳入射角，rad；dr为日地距离因子，可通过儒略日求得；σ为Stefan Boltzman常数（5.67×10-8W·(m2·K4)-1；τsw为大气单向透射率；Ts为地表温度；Tref为参考高度的气温，由于气温无法通过遥感方法获取，通常情况下选取地表充分湿润的象元点的地温替代，因为在地表充分湿润的条件下，显热通量接近于0，地温与气温一致。

3 结果与分析

3.1 绿洲化不同植被类型土壤水分变化

土壤水分决定了的植被组成和空间结构，反过来植被生长同样影响土壤水分分布。沿绿洲发展阶段，植被组成、分布类型和其对应土壤质量含水量明显不同（图2，表2）。从荒漠到绿洲，植被类型分别为流动沙丘、半流动沙丘的泡泡刺、半固定沙丘的梭梭和柽柳、绿洲边缘的杨树林、沙枣和沙柳以及绿洲内部的制种玉米。土壤水分也发生了明显的变化，荒漠、荒漠绿洲过渡带、绿洲边缘和绿洲内部土壤水分分别为2.1%、2.3%、4.2%和7.8%。泡泡刺沙堆和沙丘的土壤质量含水量高于梭梭和柽柳的土壤质量含水量。从时间段的变化来看，除了绿洲边缘的人工林外，2010-2011年土壤水分明显高于2002-2003年。

图2 绿洲化梯度下不同植被类型土壤质量含水量的变化 Fig. 2 Soil moisture changes of the processes of oasis development in different vegetation type

表2 地表特征参数在不同时间段和不同绿洲化梯度的F值统计分析 Table 2 F-statistical analysis of land surface characterists to periods of time and oasis development gradient

3.2 绿洲化植被覆盖度、地表温度、地表反照率和净辐射的变化及特征

植被覆盖度是表征绿洲化不同发展阶段的重要指标。不同的植被类型和植被覆盖度改变地表的能量和热量参数（图3，表2）。流动沙丘（LS）、半流动沙丘（BLS）、半固定沙丘（BGS）、绿洲边缘（LZB）和绿洲内部（LZN）植被覆盖度由分别为8.06%、9.33%、14.98%、29.14%、84.62%，呈逐渐增加的趋势。LS、BLS、BGS、LZB和LZN地表反照率分别为0.235、0.259、0.243、0.195和0.125；绿洲过渡带明显高于绿洲边缘。LS、BLS、BGS、LZB和LZN地表温度分别为325.28、325.84、324.44、319.12和301.82 K；流动半流动沙丘明显高于绿洲内部及绿洲边缘。LS、BLS、BGS、LZB和LZN地面净辐射分别为479.89、471.41、492.72、575.78和755.85 W·m-2，表现为绿洲＞绿洲边缘＞荒漠绿洲过渡带＞流动半流动沙丘。

土壤水分、植被覆盖度、地表温度、地表反照率和地面净辐射在绿洲化发展的不同阶段都存在极显著的差异（P＜0.001），植被覆盖度、地表温度和地表反照率在3个时间段（2002年、2006年和2011年）差异显著（P＜0.05），而植被覆盖度和地表反照率在不同时间段和不同绿洲化的发展阶段二者交互作用的差异显著（P＜0.05）。

3.3 地表特征参数的关系研究

3.3.1 植被覆盖度与土壤质量含水量、地表温度、地表反照率和地表净辐射的关系

植被覆盖条件影响地表能量和热量参数（图4）。黑河中游随着植被覆盖度的变化，土壤质量含水量以及地表净辐射都表现为极显著增加趋势，即植被盖度每增加10%，土壤质量含水量增加0.75%（r2=0.613，P＜0.001），地表净辐射增加3.89 W·m-2（r2=0.887，P＜0.001）。相反，地表温度和地表反照率随植被覆盖度的增加呈极显著降低趋势；即植被盖度每增加1%，地表温度降低0.31 K（r2=0.505，P＜0.001），地表反射率降低0.002（r2=0.837，P＜0.001）。

3.3.2 浅层土壤质量含水量与植被盖度、地表温度、地表反照率以及净辐射的关系

地表水分状况同时影响地表能量和热量参数（图5）。随着浅层土壤质量含水量的变化，植被覆盖度和地表净辐射都表现为极显著增加趋势，即浅层土壤质量含水量每增加1%，植被盖度增加5.14%（r2=0.780，P＜0.001），地表净辐射增加12.85 W·m-2（r2=0.32，P＜0.001）。相反，地表温度和地表反射率随土壤质量含水量的增加呈极显著降低趋势；即浅层土壤质量含水量每增加1%，地表温度降低1.10 K（r2=0.261，P＜0.001），地表反照率降低0.005（r2=0.154，P=0.011）。

图3 绿洲化梯度下不同植被类型土壤水分的变化 Fig. 3 Soil moisture changes of the processes of oasis development in different vegetation type.

4 讨论

绿洲化不同发展阶段地表植被类型及其土壤水分发生明显变化。本研究指出农田土壤质量含水量大约为8%，与新疆策勒绿洲内部农田的土壤质量含水量（10%）相近（孟宪红等，2005），这与河流对土壤水分的补给包括生长季农田的长期灌溉有关；绿洲边缘土壤水分在4%左右，若考虑灌溉的作用，绿洲边缘0-200 cm的土壤水分约5%-6%（Shen et al.，2014）；荒漠绿洲过渡带土壤水分在2%-3%范围内，由于其下垫面较为复杂，而且植被的存在改变了下垫面的环境，对土壤水分的蒸发和入渗都有显著影响；流动沙丘的土壤水分约2%，且人为干扰的沙丘一般低于未干扰沙丘的土壤水分。以上结论与张帅普等（2017）和Shen et al.（2014）研究的从绿洲到荒漠的不同植被类型，其土壤水分和土壤蓄水量整体呈明显下降趋势，依次为农田＞乔木林地＞灌木林地＞荒漠的结论一致。

图4 植被覆盖度与土壤质量含水量、地表温度、地表反射率和地表净辐射的关系 Fig. 4 Relationship between vegetation coverage and soil moisture, land surface temperature, land surface albedo and land surface net radiation with the processes of oasis development

图5 浅层土壤质量含水量与地表温度、地表反射率和地表净辐射的关系 Fig. 5 Relationship between soil moisture and vegetation coverage, land surface temperature, land surface albedo and land surface net radiation with the processes of oasis development

通过遥感数据和遥感技术反演绿洲化不同发展阶段地表植被和能量特征参数，研究结果指出，从裸露沙丘到绿洲内部农田，地表温度降低23.5 K，地表反照率降低0.11，地表净辐射增加276 W·m-2，此结果与Wang et al.（1998）的研究结果基本一致，但绿洲和沙丘的地表温度、地表反照率和地表净辐射值存在一定差异，这是由于本研究反演的地表温度、地表反照率和地表净辐射值为卫星过境时间（8月初）的瞬时值，而Wang et al.（1998）遥感影像获取时间为7月9日的瞬时值。以上结果说明遥感反演地表能量特征参数的准确性较高，从数据和技术方面在获取地表能量参数特征具有明显的优势。

从荒漠到绿洲，由于水分的限制，地表植被覆盖类型发生明显的改变，而地表植被类型和覆盖度的变化，改变地表土壤水分含量及能量分配，从而影响地表能量及水分平衡过程（周剑等，2008）。地表植被覆盖和表层土壤水分作为影响地表能量参数的主要因子，可分别解释地表能量参数50%-90%和25%-32%的变化。同时研究指出随植被覆盖度和土壤水分的增加，地表净辐射增加，地表温度和地表反射率降低，与管延龙等（2015）研究结果一致。绿洲化改变了地-气系统的能量交换。与绿洲相比，荒漠的地表净辐射较低，地表反照率和地表温度较高，这是因为沙漠地表裸露程度大且表层土壤水分较少，地表接受辐射增温后向外的长波辐射增多，地表净辐射减小，且主要以显热通量的形式用于加热地表，即表层土壤直接接受到的太阳辐射增多，地表传递给土壤的热量增多，导致地表温度、地表反照率较高；而绿洲内部由于灌溉和地表覆盖率较大，植被生长状况好，吸收的太阳辐射较多，地表净辐射增加，且主要用于下垫面水分的蒸发和蒸腾，导致地表温度和地表反照率较低（Mostovay et al.，2008；Karnieli et al.，2010；Zhang et al.，2018）。

绿洲化使得植被盖度增大、物种增加、生物量提高，对太阳辐射、地表温度、地表发照率、地表净辐射有较好的调节作用，“湿岛效应”和“冷岛效应”增强。同时，绿洲化改变了水资源的时空分配和消耗方式，使得人工绿洲与沙漠同时扩大，荒漠绿洲过渡带缩小，形成沙漠危逼绿洲的态势（樊自立等，2004）。如何维持绿洲稳定健康发展，关键是发挥荒漠绿洲过渡带的“生态屏障”作用，牺牲荒漠绿洲过渡带植被为代价的绿洲化过程，危及干旱区绿洲的生态安全和稳定。根据绿洲的承载能力确定绿洲的适宜规模，避免过度绿洲化问题。此外，荒漠绿洲过渡带防护林带建设在一定程度上能够减弱风速，影响温度变化，增加空气湿度，抑制植被蒸腾及土壤蒸发，进而减少水资源的消耗，同时农田防护林网能够增加下垫面粗糙度，减少湍流交换、有效抵御沙尘与流沙侵袭。因此，绿洲防护林体系建设成为防沙治沙及维持绿洲稳定发展的重要措施。

5 结论

以空间代替时间的方法，选择从荒漠、荒漠绿洲过渡带以及绿洲的不同演化阶段，通过地面调查的土壤水分和遥感反演的植被覆盖度、地表温度、地表反照率及净辐射等地表参数，确定绿洲演化过程中这些参数的变化及其之间的定量关系，以寻求绿洲化中下垫面特征参数的内在规律。研究结果发现，从荒漠到绿洲，分布的植被依次为裸露沙丘-泡泡刺+沙拐枣-梭梭+柽柳-沙枣+沙柳-杨树-制种玉米，土壤水分从7.8%降低到2.1%。作为影响地表能量参数的主要因子，可解释地表能量参数50%-90%和25%-32%的变化，其中植被覆盖度和土壤水分每增加1%，地表净辐射增加3.64 W·m-2和6.98 W·m-2，地表温度降低0.31 K和0.74 K，地表反射率降低0.002和0.005。绿洲化地表能量、水分和植被生长等参数的变化研究，进一步提升绿洲化下垫面性质对地表能量和辐射作用机制的认识，有助于理解绿洲可持续发展及水土气生相互作用，对荒漠绿洲过渡带生态系统稳定健康发展具有重要的参考价值。