余軍林, 羅 婭, 趙志龍, 楊月燕, 羅旭琴

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴安新區(qū) 550025)

干旱是全球頻發(fā)的自然災(zāi)害之一，其發(fā)生面積廣、頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來(lái)極大影響[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)因干旱造成的災(zāi)害面積每年約有2.00×107hm2，可導(dǎo)致糧食受災(zāi)減產(chǎn)1/2[2]。如中國(guó)西南五省(滇、黔、桂、川、渝)在2009年秋季至2010年春季連續(xù)發(fā)生了重大旱災(zāi)，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)力破壞嚴(yán)重，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。農(nóng)業(yè)干旱是受地質(zhì)地貌、土壤、氣象、灌溉模式和作物抗旱能力等因素綜合影響的復(fù)雜過(guò)程，其破壞性主要體現(xiàn)在干旱對(duì)作物的水分脅迫作用[4-5]。因此，有效地掌握旱情及其發(fā)生的時(shí)空特征，是減小災(zāi)害造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的基礎(chǔ)。

在滇黔桂石漠化地區(qū)，溶隙、溶洞、漏斗、落水洞和地下河等地下巖溶發(fā)達(dá)；地表石漠化面積廣，巖石裸露、土層薄，地表系統(tǒng)蓄水能力差；降雨通過(guò)溶隙、落水洞、地下河等地下管網(wǎng)快速匯入河流，地表徑流過(guò)程迅速，埋藏深的地下水無(wú)法補(bǔ)充上層土壤水分；因此，在濕潤(rùn)氣候條件下形成罕見(jiàn)的地表巖溶干旱現(xiàn)象[6]。在石漠化程度較高的喀斯特峽谷區(qū)，正常年份11月至次年2月無(wú)降雨，干旱持續(xù)超過(guò)兩個(gè)月，地表水干枯；加之居民點(diǎn)和耕地高于水面，人居分散，水資源利用困難，生活生產(chǎn)用水極為短缺[7]。為解決該地區(qū)水資源配置及飲水安全問(wèn)題，開(kāi)展干旱研究是必要的。

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)方法以有限地面觀測(cè)點(diǎn)的土壤水分含量來(lái)反映旱情，可代表范圍小、數(shù)據(jù)獲取時(shí)效性差、準(zhǔn)確性低、人力財(cái)力消耗大[8]。衛(wèi)星遙感技術(shù)可獲取地物光譜信息及時(shí)空特征，具有空間范圍廣、分辨率高、重訪周期短、數(shù)據(jù)獲取便捷可靠等優(yōu)點(diǎn)[9]，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足?，F(xiàn)應(yīng)用較為成熟的方法主要有土壤熱慣量法和植被指數(shù)法，兩者分別基于地表溫度(Ts)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)，都與地表土壤水分存在密切聯(lián)系，因此成為干旱監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)。土壤熱慣量法適用于裸土或低植被覆蓋地表，植被指數(shù)法適用于有植被覆蓋地表，但存在一定的滯后性[10]。Price[11]，Carlson等[12]，Sandholt等[13]把歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地表溫度(Ts)結(jié)合，提出溫度—植被干旱指數(shù)(temperature vegetation dryness index，TVDI)，用于評(píng)價(jià)地表土壤水分狀況，適用于包括裸土到完全覆蓋的地表?xiàng)l件，其適用性和準(zhǔn)確性都較高。

目前溫度—植被干旱指數(shù)得到廣泛應(yīng)用和改進(jìn)，榮祁遠(yuǎn)等[14]利用Landsat-8數(shù)據(jù)和TVDI對(duì)東北地區(qū)旱情監(jiān)測(cè)中，表明TVDI相對(duì)于改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)(MPDI)具有更高的精度。姚春生等[15]研究新疆土壤濕度時(shí)，發(fā)現(xiàn)TVDI與地表實(shí)測(cè)土壤水分含量具有顯著相關(guān)性；薛天翼等[16]采用MODIS數(shù)據(jù)和TVDI監(jiān)測(cè)陜西的春季旱情及其動(dòng)態(tài)變化，取得可靠結(jié)果。劉立文等[17]對(duì)比幾種植被指數(shù)，選擇經(jīng)地形校正的TVDI進(jìn)行作物的干旱狀況監(jiān)測(cè)，解決了地形對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。閆娜等[18]、伍漫春等[19]和季國(guó)華等[20]對(duì)TVDI模型進(jìn)行改進(jìn)和增強(qiáng)，分別發(fā)展出增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)-Ts構(gòu)建的干旱監(jiān)測(cè)模型、改進(jìn)型土壤調(diào)整植被指數(shù)(modified soil-justed vegetation index，MSAVI)-Ts建立的模型和改進(jìn)型溫度植被干旱指數(shù)模型(MDTVDI)，都表明比TVDI具有更高的精度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前期干旱遙感監(jiān)測(cè)多應(yīng)用于干旱、半干旱農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，較多采用MODIS和Landsat-TM數(shù)據(jù)。然而，在地表干旱頻發(fā)的喀斯特石漠化地區(qū)，利用高時(shí)效、高空間分辨率的遙感影像進(jìn)行干旱的研究尚為缺乏，需進(jìn)一步探索。

因此，本文擬以貴州花江喀斯特峽谷為研究區(qū)，運(yùn)用TVDI和Landsat-8數(shù)據(jù)對(duì)該研究區(qū)的地表旱情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示喀斯特峽谷區(qū)旱季旱情的時(shí)空分布特征，探索適用于喀斯特地表干旱遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，為石漠化治理監(jiān)測(cè)以及抗旱減災(zāi)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

花江峽谷位于貴州省關(guān)嶺縣和貞豐縣交界處、北盤江中游的花江河段南北兩岸，地理坐標(biāo)為105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N，總面積約47.63 km2。地勢(shì)西高東低，河谷深切，峽谷發(fā)育在強(qiáng)巖溶化三疊系碳酸鹽巖組向斜構(gòu)造上。北盤江北岸是典型峰叢、臺(tái)地地貌，南岸發(fā)育峰叢、峰叢深洼地地貌類型[21]，峽谷區(qū)喀斯特面積高達(dá)94%，石漠化面積占喀斯特面積的61.2%。海拔850 m以下屬南亞熱帶干熱河谷氣候，900 m以上是中亞熱帶河谷氣候，年降水量約1 100 mm，5—10月降水量占全年83%。地表除北盤江干流外，無(wú)常年流水支流。由于地下巖溶發(fā)育垂直裂隙、節(jié)理、孔隙，降雨快速下滲為地下水，且地下水埋藏深(>200 m)，地表干旱頻發(fā)。該區(qū)土層薄，且不連續(xù)，呈斑塊狀分布；土壤以石灰土為主[22]，土壤質(zhì)地黏重、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)缺乏，水分含量低、易干，富含鈣質(zhì)，土壤生產(chǎn)力低，土地質(zhì)量差。植被以人工植被為主，頂壇花椒(Zanthoxylumbungeanum)是廣泛分布于峽谷區(qū)的特有品種，是石漠化治理中培育的主要經(jīng)濟(jì)作物。此外，還有香椿(Toonasinensis)、復(fù)羽葉欒樹(shù)(Koelreuteriabipinnata)、核桃(Juglansregia)、構(gòu)樹(shù)(Broussonetiapapyrifera)、金銀花(Lonicerajaponica)、仙人掌(Opuntiastricta)等。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)選擇Landsat-8 OLI/TIRS影像，圖幅條帶號(hào)為128，127，列號(hào)為042，成像時(shí)間為2013年12月18日，2014年12月28日和2015年2月23日。Landsat-8的1—9波段除8波段空間分辨率為15 m外，其他為30 m；10，11波段為熱紅外波段，空間分辨率為100 m，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)將其重采樣到30 m。由于11波段的定標(biāo)參數(shù)存在不確定性[23]，本次選用10波段。數(shù)據(jù)下載于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局USGS(http:∥glovis.usgs.gov)和中國(guó)遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥rs.ceode.ac.cn)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于設(shè)在研究區(qū)的小型自動(dòng)氣象站和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。

利用ENVI5.1的輻射定標(biāo)工具對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，計(jì)算真實(shí)大氣表觀反射率。ENVI5.1的FLAASH大氣校正工具增加有Landsat-8 OLI傳感器類型，用于輻射定標(biāo)后的大氣校正。FLAASH大氣校正工具基于6 S模型，模型使用時(shí)，衛(wèi)星成像時(shí)太陽(yáng)天頂角等參數(shù)來(lái)源影像文件的質(zhì)量評(píng)估文件，大氣模式為中緯度冬天、氣溶膠類型選擇為城鄉(xiāng)、氣溶膠反演方法為2-band(K-T)。

2.1.2 實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù) 由于花江峽谷區(qū)全年陰雨天氣多，獲取衛(wèi)星過(guò)境時(shí)的實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)存在不確定性，所以用于驗(yàn)證TVDI作為旱情指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源于田漣祎等[24-25]在研究區(qū)已有的結(jié)果。該數(shù)據(jù)為2013—2015年各季度的地表0—10 cm土壤體積含水量均值，剔除極端值后選用22個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，各樣點(diǎn)基本特征見(jiàn)表1。

選取實(shí)測(cè)樣點(diǎn)以滿足研究區(qū)地形、土地利用類型、土壤類型、植被類型和石漠化程度的多樣性為原則，綜合土地利用類型、石漠化程度和植被類型等因素，每種石漠化等級(jí)至少選擇2個(gè)樣點(diǎn)[25]。其中，土地利用類型覆蓋了天然草地、灌木叢地、喬木林地、經(jīng)濟(jì)林、耕地、園地等，在石漠化治理模式上覆蓋坡改梯模式、火龍果種植模式、頂壇花椒模式、封山育林和國(guó)家天然保護(hù)林等治理措施。經(jīng)過(guò)空間自相關(guān)分析和研究空間結(jié)構(gòu)，表明所選取的樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與空間屬性具一定的空間相關(guān)性；樣點(diǎn)的半變異函數(shù)圖變化規(guī)律為：東北—西南比西北—東南向具有更大的空間距離，樣點(diǎn)布置呈東北—西南向，而不是在一條水平直線上，評(píng)價(jià)顯示實(shí)測(cè)樣點(diǎn)選取合理[24]。

2.2 溫度-植被干旱指數(shù)(TVDI)的計(jì)算

2.2.1 TVDI原理 Price[11]和Carlson等[26]發(fā)現(xiàn)當(dāng)研究區(qū)植被覆蓋度從裸土到完全覆蓋、土壤水分由干燥到濕潤(rùn)時(shí)，遙感反演的Ts與NDVI存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合的像元散點(diǎn)圖大致呈三角形，構(gòu)建出Ts-NDVI特征空間(圖1a)[27]。圖中A和B分別代表干燥裸土和濕潤(rùn)裸土，C是土壤水分充足的植被完全覆蓋，蒸散最大。AC為植被指數(shù)對(duì)應(yīng)最高地表溫度，作為土壤較干燥的“干邊”；BC為植被指數(shù)對(duì)應(yīng)最低溫度，作為土壤較濕潤(rùn)的“濕邊”。圖1a中的A，B，C表示特征空間的3種極端狀況。在植被生長(zhǎng)的任何時(shí)期，各地表類型對(duì)應(yīng)的Ts-NDVI特征關(guān)系都存在于ABC組成的三角形區(qū)內(nèi)[20]。

Sandholt等[13]認(rèn)為Ts-NDVI特征空間中存在一系列的土壤水分等值線，這些等值線近似相交于干邊與濕邊的交點(diǎn)，并且這些等值線近似為直線；直線的斜率與土壤水分存在一元線性關(guān)系(圖1b)，提出溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)可作為植被缺水指標(biāo)，TVDI指數(shù)同時(shí)考慮植被覆蓋和地表溫度，比較客觀的指示土壤水分狀況。表達(dá)式如下：

(1)

式中：Tsmax——NDVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，代表干邊；Tsmin——NDVI對(duì)應(yīng)的最小地表溫度，代表濕邊；Ts——任意像元地表溫度，在干邊上TVDI等于1，在濕邊上TVDI等于0。TVDI的干、濕邊方程是利用反演得到的地表溫度和植被指數(shù)擬合。Tsmin和Tsmax與NDVI存在的線性關(guān)系：

Tsmin=a+bNDVI

(2)

Tsmax=c+dNDVI

(3)

式中：a，b——濕邊擬合方程的系數(shù)；c,d——干邊擬合方程的系數(shù)。

表1 地表土壤水分實(shí)測(cè)樣點(diǎn)基本特征[24-25]

TVDI值在[0，1]，干邊的TVDI值近似為1，濕邊為0。TVDI值越大表示土壤越干燥，反之，TVDI值越小土壤越濕潤(rùn)，TVDI值與土壤水分存在負(fù)相關(guān)關(guān)系?；贓NVI擴(kuò)展模塊TVDI，輸入Ts值和NDVI數(shù)據(jù)可求得干濕邊方程和TVDI指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)。

注：A為干燥裸土； B為濕潤(rùn)裸土； C為植被完全覆蓋。圖1 簡(jiǎn)化的Ts-NDVI特征空間和土壤水分等值線

2.2.2 歸一化植被指數(shù)(NDVI)及地表比輻射率反演 采用Landsat-8 OLI的第4波段和第5波段計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)[20]：

(4)

式中：ρ5；ρ4——近紅外波段和紅光波段的反射率。

地表比輻射率的計(jì)算采用覃志豪等[28]在Sobrino[29]基礎(chǔ)上改進(jìn)的混合像元分解法，將地表分為水體、自然表面和城鎮(zhèn)。計(jì)算如下：

水體：εw=0.995

(5)

自然表面：εf=PvRvεv+(1-Pv)Rsεs+dε

(6)

城鎮(zhèn)：εb=PvRvεv+(1-Pv)Rmεm+dε

(7)

式中：Pv——植被覆蓋度；Rv，Rs——植被溫度比率和裸土溫度比率；εv——植被比輻射率；εs——裸土比輻射率；Rm——建筑表面溫度比率；εm——建筑表面比輻射率。dε——地表幾何分布及內(nèi)部散射效應(yīng)，平坦地表取值為0。根據(jù)覃志豪等[28]研究成果，公式簡(jiǎn)化為：

水體：εw=0.995

(8)

(9)

(10)

植被覆蓋度(Pv)指植被冠層垂直投影面積占土壤總面積比例。地表比輻射率的計(jì)算需計(jì)算植被覆蓋度，公式：

(11)

式中：NDVImax，NDVImin——?dú)w一化植被指數(shù)最大值、最小值。通常波段受噪音干擾，可能出現(xiàn)異常值。對(duì)此，覃志豪等[28]提出以近似值替代NDVImax，NDVImin，將NDVI的取值設(shè)置在一個(gè)置信區(qū)間(如累積頻率為2%～97%)。按數(shù)據(jù)情況設(shè)置置信區(qū)間的方法如下：

(12)

2.2.3 地表溫度(Ts)反演 采用大氣校正法(輻射傳輸方程法)反演地表溫度，根據(jù)輻射傳輸方程[30]，傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值的表達(dá)式為：

Lλ=〔εB(Ts)+(1-ε)L↓〕τ+L↑

(13)

式中：ε——地表比輻射率；Ts——地表真實(shí)溫度(K)；B(Ts)——黑體在Ts的熱輻射亮度；τ——大氣在熱紅外波段的透過(guò)率。L↑——大氣向上輻射亮度；L↓——大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的輻射亮度。由公式(13)可知，溫度為T的黑體在熱紅外的輻射亮度值B(Ts)的計(jì)算公式為：

(14)

式中：Lλ——大氣校正后的熱紅外波段輻射定標(biāo)值。L↑，L↓和τ等大氣剖面參數(shù)在NASA官網(wǎng)(http:∥atmcorr.gsfc.nasa.gov)查詢，輸入影像成像時(shí)間、影像中心經(jīng)緯度坐標(biāo)從下影像文件里的txt元數(shù)據(jù)獲取，氣壓、氣溫和大氣濕度來(lái)自自動(dòng)氣象站和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。

計(jì)算得黑體輻射亮度后，由普朗克函數(shù)[31]計(jì)算出地表溫度Ts：

(15)

式中：Ts單位為K；K1，K2——衛(wèi)星預(yù)設(shè)常量，Landsat-8的10波段設(shè)置K1=774.89 W/(m2·sr·μm)，K2=1 321.08 K[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 Ts-NDVI特征空間與干濕邊擬合

利用ENVI軟件TVDI擴(kuò)展模塊提取NDVI及其對(duì)應(yīng)的地表溫度Ts最大值和最小值，以NDVI作橫坐標(biāo)，Ts作縱坐標(biāo)，構(gòu)建2013—2015年3個(gè)時(shí)期旱季的Ts-NDVI特征空間(圖2)。由圖2可知，3個(gè)時(shí)期的特征空間大體相似，形狀類似于三角形。在NDVI與Ts關(guān)系上，隨著NDVI的增大，Ts最大值遞減，呈減小趨勢(shì)；Ts最小值遞增，呈增大趨勢(shì)?？傮w上，Ts最大值、最小值與NDVI存在線性關(guān)系，且趨近于相交于一點(diǎn)。

對(duì)NDVI及其相對(duì)的Ts最大值、最小值進(jìn)行擬合，得到3個(gè)時(shí)期的干邊、濕邊方程(圖2)。在干、濕邊方程擬合中，由于NDVI小于0的主要是水體等比較濕潤(rùn)的地表，認(rèn)為其含水量為100%，所以只考慮NDVI大于0的情況。從擬合結(jié)果可知，干邊方程的斜率小于0，濕邊方程斜率大于0，表明隨著植被覆蓋度的增加，相應(yīng)的Ts最大值逐漸減小，相應(yīng)的Ts最小值逐漸增大。此外，對(duì)比擬合方程的R2可知，3個(gè)時(shí)期的濕邊方程擬合效果都優(yōu)于干邊。

3.2 TVDI與土壤水分相關(guān)性

選用田漣祎等[24-25]2013—2015年各季度的22個(gè)樣點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)各樣點(diǎn)坐標(biāo)提取對(duì)應(yīng)TVDI值，采用最小二乘法與相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(表2)。可知反演3個(gè)時(shí)期的TVDI與對(duì)應(yīng)的表層0—10 cm土壤體積含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤體積含水量隨TVDI增大而減小，符合TVDI值越趨近于1地表越干燥的原理。3個(gè)時(shí)期的TVDI與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，表明溫度—植被干旱指數(shù)(TVDI)一定程度上能指示地表0—10 cm土壤水分狀況，作為研究區(qū)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)具有一定合理性。

圖2 Ts-NDVI特征空間

從擬合方程R2值(2013年為0.502 3，2014年為0.472 0，2015年為0.428 2)可知，數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)離散，擬合方程并非很理想，說(shuō)明以表層土壤體積含水量驗(yàn)證TVDI可能存在一定問(wèn)題，可能原因是：遙感方法獲取的地表旱情應(yīng)該包括整個(gè)植被根系層的土壤水分狀況；此外，從土壤物理學(xué)角度考慮，土壤含水量的絕對(duì)值大小并不能充分代表土壤的供水狀況，土壤持水特性還與土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)等土壤物理性質(zhì)相關(guān)[32]；再者，基于花江峽谷區(qū)面積約47.63 km2的研究空間尺度，樣點(diǎn)實(shí)測(cè)值與100 m空間分辨率像元值(Landsat-8熱紅外波段實(shí)際空間分辨率)的相關(guān)分析結(jié)果達(dá)到較高的相關(guān)水平很困難。

表2 TVDI與表層0-10 cm土壤體積含水量的關(guān)系

3.3 旱情總體特征

根據(jù)表2計(jì)算出花江峽谷區(qū)2013—2015年旱季3個(gè)時(shí)期的TVDI值。以TVDI作為旱情指標(biāo)，采用齊述華等[32]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：濕潤(rùn)(02015年>2013年的特點(diǎn)。

圖3 2013-2015年花江峽谷區(qū)旱季干旱等級(jí)分布

3.4 旱情的空間分布特征

3.4.1 地形分布特征 根據(jù)花江峽谷區(qū)高程在446～1 359 m的實(shí)際，將高程分為<500 m，500～700 m，700～900 m，900～1 100 m，1 100～1 300 m這5個(gè)等級(jí)。坡度根據(jù)李丹等[33]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為平地(0°～6°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(15°～25°)、緩陡坡(25°～35°)和陡坡(35°～90°)5級(jí)。坡向以正北方起始，順時(shí)針?lè)较蛴?jì)算，將0°劃分為平緩地、135°～255°為陽(yáng)坡、45°～135°和225°～315°為半陽(yáng)坡、0°～45°和315°～360°為陰坡[34]。

(1) 高程分布特征。據(jù)表3可知2013年、2014年和2015年各干旱等級(jí)在不同高程分布面積占全區(qū)面積比例。濕潤(rùn)和正常地區(qū)在900～1 100 m占全區(qū)面積比重最大，其中，濕潤(rùn)地區(qū)在2013年、2014年和2015年分別為3.83%，1.73%和1.91%，正常地區(qū)為17.62%，16.28%和14.11%；輕旱地區(qū)在500～1 100 m占全區(qū)的面積累計(jì)比例最大，在2013年、2014年和2015年分別為29.99%，35.02%和27.76%，干旱地區(qū)分別為24.43%，30.50%和26.36%；重旱地區(qū)在500～900 m占全區(qū)的面積累計(jì)比重最大，在2013年、2014年和2015年分別為8.19%，8.88%和11.23%。

表3 干旱等級(jí)在不同地形的分布面積占全區(qū)面積比例 %

3個(gè)時(shí)期的濕潤(rùn)和正常等級(jí)主要分布在900～1 100 m，輕旱和干旱主要分布500～1 100 m；重旱主要分布在500～900 m。表明500～900 m的旱情比較嚴(yán)重。

(2) 坡度分布特征。據(jù)表3可知2013年、2014年和2015年各干旱等級(jí)在不同坡度分布面積占全區(qū)面積比重。濕潤(rùn)在斜坡和緩陡坡占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，在2013年、2014年和2015年分別為2.71%，1.11%和1.54%；正常在斜坡、緩坡和緩陡坡占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，在2013年、2014年和2015年分別為23.97%，15.63%和17.41%；輕旱和干旱在緩坡和斜坡占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，輕旱在2013年、2014年和2015年分別為22.29%，24.56%和21.02%，干旱分別為17.39%，21.07%和19.70%；重旱在緩坡、斜坡和陡坡均有分布，2013年在陡坡占全區(qū)面積比重最大(3.87%)，2014年和2015年在緩坡最大，分別占全區(qū)面積4.18%和6.53%。

3個(gè)時(shí)期的濕潤(rùn)等級(jí)主要分布在斜坡和緩陡坡；正常主要分布在斜坡、緩坡和緩陡坡；輕旱和干旱主要分布緩坡和斜坡；重旱2013年主要分布在陡坡，2014年和2015年在緩坡。表明緩坡和斜坡旱情比較嚴(yán)重。

(3) 坡向分布特征。據(jù)表3可知2013年、2014年和2015年各干旱等級(jí)在不同坡向分布面積占全區(qū)面積比重。濕潤(rùn)、正常和輕旱在半陽(yáng)坡和陰坡占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，其中，濕潤(rùn)在2013年、2014年和2015年分別為3.85%，1.65%和2.46%，正常分別為25.05%，16.54%和19.17%，輕旱分別為26.90%，30.76%和25.24%；干旱在陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，2013年、2014年和2015年分別為26.28%，27.67%和23.73%；重旱在陽(yáng)坡占全區(qū)面積比重最大，2013年、2014年和2015年分別為9.46%，8.71%和10.81%。

可知，3個(gè)時(shí)期的濕潤(rùn)、正常和輕旱等級(jí)主要分布在半陽(yáng)坡和陰坡；干旱分布于陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡；重旱主要分布在陽(yáng)坡。表明陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡旱情比較嚴(yán)重。

3.4.2 旱情的石漠化等級(jí)分布特征 根據(jù)熊康寧等[35]的石漠化等級(jí)劃分，將研究區(qū)分為喀斯特區(qū)和非喀斯特區(qū)，其中的喀斯特區(qū)再分為無(wú)石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強(qiáng)度石漠化。

據(jù)表4可知2013年、2014年和2015年各干旱等級(jí)在不同石漠化等級(jí)分布面積占全區(qū)面積比重。濕潤(rùn)和正常等級(jí)在無(wú)石漠化區(qū)、輕度石漠化區(qū)和潛在石漠化區(qū)占全區(qū)面積累計(jì)比重最大，其中，濕潤(rùn)在2013年、2014年和2015年分別為2.92%，1.31%和1.93%，正常分別為19.71%，13.93%和16.82%；輕旱和干旱在各石漠化等級(jí)中廣泛分布，輕旱在輕度石漠化區(qū)占全區(qū)面積比重最大(2013年、2014年和2015年分別為11.39%，12.42%和11.30%)，干旱在輕度石漠化區(qū)和非喀斯特區(qū)占全區(qū)面積累計(jì)比重最大(2013年、2014年和2015年分別為14.65%，16.76%和14.7%)；重旱在非喀斯特區(qū)占全區(qū)面積比重最大(2013年、2014年和2015年分別為3.50%，5.06%和7.29%)。

由此可知，3個(gè)時(shí)期的濕潤(rùn)和正常等級(jí)分布在無(wú)石漠化區(qū)、輕度石漠化區(qū)和潛在石漠化區(qū)；輕旱在輕度石漠化區(qū)、潛在石漠化區(qū)、無(wú)石漠化區(qū)、中度石漠化區(qū)和強(qiáng)度石漠化區(qū)都有分布，其中在輕度石漠化區(qū)的分布面積比重最大；干旱主要分布在輕度石漠化區(qū)和非喀斯特區(qū)；重旱主要分布在非喀斯特區(qū)。

3.4.3 旱情的土地利用類型分布特征 根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2017)[36]和盈斌[37]的研究結(jié)果對(duì)本研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行劃分，將研究區(qū)土地利用分為水田、旱地、園地、有林地、灌木林地、其他林地、天然草地、農(nóng)村居民點(diǎn)、工礦用地、公路、其他草地、裸巖石礫地和河流13類。

據(jù)表4可知2013年、2014年和2015年各干旱等級(jí)在不同土地利用類型中的面積占全區(qū)面積比例。濕潤(rùn)和正常等級(jí)在有林地、旱地、灌木林地和其他林地占全區(qū)面積累計(jì)比例最大，其中，濕潤(rùn)在2013年、2014年和2015年分別為3.30%，1.43%和1.97%，正常分別為19.06%，15.05%和16.78%；輕旱在園地、其他林地、旱地和其他草地占全區(qū)面積累計(jì)比例最大(2013年、2014年和2015年分別為21.82%，23.26%和20.80%)；干旱在旱地、其他林地和園地占全區(qū)面積累計(jì)比例最大(2013年、2014年和2015年分別為13.89%，18.08%和17.55%)；重旱在旱地和園地占全區(qū)面積累計(jì)比例最大(2013年、2014年和2015年分別為3.43%，5.65%和7.77%)。

由此可知，3個(gè)時(shí)期的濕潤(rùn)和正常等級(jí)主要分布在有林地、旱地、灌木林地和其他林地；輕旱分布在園地、其他林地、旱地和其他草地；干旱主要分布在旱地、其他林地和園地；重旱主要分布在旱地和園地。表明園地、旱地和其他林地的旱情較嚴(yán)重。

表4 干旱等級(jí)在不同石漠化等級(jí)和土地利用類型的分布面積占全區(qū)面積比例 %

4 結(jié)論與討論

采用Landsat-8數(shù)據(jù)，運(yùn)用大氣校正法反演NDVI和Ts，構(gòu)建了Ts-NDVI特征空間，得到TVDI。并結(jié)合研究區(qū)已有研究成果的同時(shí)期實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)TVDI作為旱情指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，再對(duì)2013—2015年旱季旱情進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1) 反演的TVDI與同時(shí)期實(shí)測(cè)地表0—10 cm土壤體積含水量數(shù)據(jù)的線性回歸擬合結(jié)果通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明TVDI可作為研究區(qū)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，TVDI和Landsat-8數(shù)據(jù)在喀斯特峽谷區(qū)具一定適用性。

(2) 2013年、2014年和2015年旱季的旱情以輕旱為主，該等級(jí)發(fā)生的面積最大(2013年占全區(qū)31.60%，2014年占37.13%，2015年占32.62%)；輕旱、干旱和重旱的累計(jì)面積占全區(qū)比重大(2013年占69.34%，2014年為80.04%，2015年為75.94%)。表明2014年旱季旱情重于2015年和2013年旱季。

(3) 3個(gè)時(shí)期的旱情在空間分布上，濕潤(rùn)和正常等級(jí)在地形上主要分布在900～1 100 m，15°～35°的斜坡和緩陡坡、陰坡和半陽(yáng)坡；在石漠化等級(jí)上，主要分布在無(wú)石漠化區(qū)、輕度石漠化區(qū)和潛在石漠化區(qū)；在土地利用類型上，主要分布在有林地、旱地、灌木林地和其他林地。輕旱、干旱和重旱在地形上主要分布在500～900 m，6°～25°的緩坡和斜坡、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡；在石漠化等級(jí)上，輕旱和干旱主要分布在輕度石漠化區(qū)、潛在石漠化區(qū)、中度石漠化區(qū)和強(qiáng)度石漠化區(qū)，重旱主要分布在非喀斯特區(qū)；在土地利用類型上，輕旱、干旱和重旱主要分布在旱地、園地和其他林地。

對(duì)2013—2015年旱季的旱情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所采用數(shù)據(jù)和方法在喀斯特峽谷區(qū)具有一定適用性，該技術(shù)方法可為石漠化治理中的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及抗旱減災(zāi)工作提供參考。選用Landsat-8數(shù)據(jù)，空間分辨率相對(duì)于常用的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品有了提高，但對(duì)于空間尺度小，植被覆蓋度低、裸巖率高、地形起伏大的強(qiáng)異質(zhì)性地表，使用TVDI模型需要進(jìn)一步校正，以提高模型在喀斯特地區(qū)的適用性。其次，由于峽谷區(qū)雨季長(zhǎng)，陰雨天氣居多，可用衛(wèi)星遙感影像集中于12月至次年3月的旱季，因而無(wú)法進(jìn)行年際長(zhǎng)時(shí)間序列的多時(shí)相監(jiān)測(cè)，也不能滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)季的監(jiān)測(cè)需要，此外，農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生受降雨時(shí)空分配、土壤持水性、灌溉模式和作物生理結(jié)構(gòu)等影響。因此，喀斯特地區(qū)干旱發(fā)生的時(shí)空特征及其影響因素和作用機(jī)制仍需進(jìn)一步深入探討。