遥感监测蒸散发对黄土高原旱区城镇化的响应

代 秦，崔晨风,2*，翟羽婷，童山琳，金 武

（1.西北农林科技大学,陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西 杨凌 712100）

在各项自然因素对旱区蒸散发（ET）的影响中,下垫面土地利用类型占主导地位[1-2]。城镇化的快速发展,导致我国旱区黄土高原的下垫面土地利用与土地覆盖（LUCC）发生了巨大的改变[3-5]。大面积的农业用地和森林草地被道路、工厂和住宅等建筑物代替,导致下垫面的滞水性、渗透性和热力状况均发生了明显变化,使得市区及其近郊的水文要素和水文过程发生相应变化,进而导致实际ET量发生剧烈变化[3,5]。李宏宇[6]等研究了干旱区不同下垫面能量分配机理以及对微气候的反馈,得出高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高的结论；陶玮[7]等研究了城市化过程中下垫面改变对大气环境的影响；曹富强[8]等进行了我国农田下垫面变化对气候影响的模拟研究,得到下垫面对农田蒸发具有一定影响的结论。目前的研究主要集中在理论研究和定性研究上,针对某一区域的定量研究很少。传统的ET测量方法,局限在点尺度或小范围土地的块尺度上,测量周期长、成本高、效率低,难以满足区域尺度上的大规模监测；且传统测量所得预报系统不够完善稳定,具有严重的滞后性。鉴于此,利用卫星遥感技术,将遥感数据与地面数据相结合,可以更加精确地监测ET对区域城镇化的响应机制。

黄土高原作为我国进行干旱半干旱农业研究的典型地区之一,研究其ET量对农业经济的发展具有非常重要的意义。为了在水分缺少的旱区发展农业,必须了解LUCC对ET的影响,以获得对区域水文循环和能量平衡更深入的认识,大力发展旱区农业。基于此,本文选取了黄土高原地区4种土地利用类型,研究其城镇化发展对ET量的影响,为旱区发展模式、农耕模式制定以及结构调整等问题提供重要依据,对于实现水资源-生态-经济-社会复合系统良性循环、区域可持续发展以及提高土地经济利用效率具有非常积极的意义。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

黄土高原的总面积约为64.2万km2,占世界黄土分布的70%,地域辽阔、海拔差异较大,海拔高度在1 000～4 000 m之间,处于我国第二级阶梯区域范围内。黄土高原具有独特的自然生态特征,蕴藏着丰富的煤炭、石油、铝土矿等资源；黄土颗粒细、土质松软,含有丰富的矿物养分,利于耕作；盆地和河谷地区农垦历史悠久,是我国古代文化的重要发源地之一。

1.2 数据来源

本文采用的气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）地面资料的中国地面气候资料日值数据集（V3.0）,包括以34°～40°N、103°～114°E为研究区界线分布在黄土高原及其周边98个国家气象站点所收集的数据,如图1所示。研究时间设定为2010－2015年,气象数据包括站点最高和最低气温、相对湿度、风速等。本文采用的遥感数据主要分为两类:①由地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）提供的GDEMV2 30 m 分辨率数字高程数据,数据空间范围为34°～40°N、103°～114°E；②由地理空间数据云提供的MODND1D 中国 500 M NDVI 每天数据集,数据空间范围为34°～40°N、103°～114°E,研究时间为2010－2015年。黄土高原的地形图等数据通过全国地形图在ArcGIS下裁剪得到。

1.3 研究方法

根据最新研究[1],经济快速发展和人类活动范围扩大导致LUCC发生了巨大变化,使得土地对ET影响所占的比重也逐渐增大。由于降雨稀少,旱区ET对于土地利用类型的变化最为敏感[3]。

本文采用卫星遥感数据与地面数据相结合的方式,统计2010－2015年黄土高原旱区4种土地利用类型站点的数量变化。本文结合ET 与ET0之间的系数关系,利用ET0代替ET,采用FAO灌溉排水丛书第56分册推荐的Penman-Monteith公式计算不同土地利用类型城镇化发展后ET0的相应变化。

Penman-Monteith公式为:式中,ET0为参考作物蒸发蒸腾量（单位:mm/d）；Rn为植被表面净辐射量（单位:MJ/m2d）；G为土壤热通量（单位:MJ/m2d）；Δ为饱和水汽压—温度关系曲线的斜率（单位:kPa/℃）；γ为湿度计常数（单位:kPa/℃）；T为空气平均温度（单位:℃）；u2为在地面以上2 m处的风速（单位:m/s）；es为空气饱和水汽压（单位:kPa）；ea为空气实际水汽压（单位:kPa）。

将实验数据分为4组,并设置对照实验,定量分析4种土地利用类型城镇化后ET的变化量；再结合2010－2015年日均ET计算结果进行Matlab拟合整理,分析旱区内不同土地利用类型城镇化对于ET的影响。

2 研究结果与分析

2.1 研究站点土地利用类型数量变化

在研究区内的98个站点中,本文选取水田、旱地、低覆盖度草地和农村居民点4种土地利用类型进行统计分析（表1、图1）。结果表明,2010－2015年4种土地利用类型站点数量变化较小。由于西北内陆地区缺水,因此大部分农业种植区域均为旱地,达37个,水田较少,只有3个；城镇用地由20个增加为22个,农村居民点对应地减少了2个,城镇化效应导致对应点的区域ET值发生了显著变化。

表1 研究站点土地利用类型统计表/个

图1 黄土高原下垫面土地利用类型分类

2.2 不同土地利用类型城镇化对各季度ET的影响

实验将研究内容分成水田城镇化（PF to UL）、旱地城镇化（DL to UL）、农村居民点城镇化（RS to UL）和低覆盖度草地城镇化（LCG to UL）4组,并设置一直为城镇用地的站点为对照组（UL）。以季节为时间尺度进行统计分析,与对照组进行比较,2010－2015年4种土地利用类型城镇化对于ET的实际影响如表2～5所示。

表2 4种土地利用类型城镇化对春季ET的影响/（mm/d）

表3 4种土地利用类型城镇化对夏季ET的影响/（mm/d）

表4 4种土地利用类型城镇化对秋季ET的影响/（mm/d）

表5 4种土地利用类型城镇化对冬季ET的影响/（mm/d）

2.3 区域覆盖变化对ET影响的趋势分析

利用Matlab软件对计算所得的2010－2015年日均ET结果进行线性拟合。结果表明,由于旱地原有的植被稀少,ET值处于一个较低的水平,而城市绿化导致大量外来植株移入,从而使日均ET大幅增加[9],因此旱地城镇化后,日均ET值呈上升趋势,变化率为0.045 8 mm/d/a；其他3种土地利用类型城镇化后ET值均呈下降趋势,变化幅度最大的是RS to UL,其ET值以-0.032 1 mm/d/a的速度下降,其次为LCG to UL,其日均ET值的变化率为-0.024 7 mm/d/a,PF to UL的变化幅度最小,其日均ET值变化率为-0.008 7 mm/d/a。从年尺度上进行分析,结果如图2所示。

图2 不同土地利用类型变化对ET的影响

3 结 语

本文研究了黄土高原旱区土地城镇化对区域ET的影响问题,通过2010－2015年日均ET值的计算以及线性拟合,得出以下结论:

1）农村居民点和低覆盖度草地拥有较多的树木和绿草,土地城镇化使其被消除,导致日均ET值逐年下降。

2）水田城镇化的ET变化幅度最小,主要是由于城市的热岛效应弥补了一部分水面变成土地的ET减少量,因此旱区的水田年均ET值最接近城镇用地的年均ET值。

3）旱地ET值呈上升趋势,主要是由于旱地原有植被稀少,ET值处于一个较低的水平,而城市绿化导致大量外来植株移入,从而使日均ET值大幅增加。