曹 樂，聶振龍，劉 敏，盧輝雄，汪麗芳

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100083；3.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050061；4.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002)

我國西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，地表植被覆蓋率低，地下水對維持地表植被生長極為重要。因此，研究地下水特別是地下水埋深與地表生態(tài)植被的關(guān)系，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)、政策制定具有重要意義。我國西北部分干旱區(qū)開展了相關(guān)研究工作[1-8]，金曉媚等[1-6]利用遙感數(shù)據(jù)分析了柴達(dá)木盆地烏圖美仁地區(qū)、海流兔河流域、黑河下游綠洲、銀川盆地植被覆蓋率變化及其與地下水的關(guān)系，得到植被適宜的最佳水位埋深在2～5 m，不同地區(qū)略有差異。

石羊河流域是西北典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，特別是下游民勤盆地，降雨量少，人類活動劇烈，生態(tài)環(huán)境明顯惡化。眾多學(xué)者對民勤盆地地下水位變化開展了相關(guān)研究[9-12]，也有學(xué)者關(guān)注民勤地表荒漠植被的生長變化[13-14]。楊自輝[15]研究了民勤綠洲邊緣地下水位變化對植物種群生態(tài)位的影響。區(qū)域水位下降時(shí)，植物種群退化，而白刺種群會在水位7.45～11.65 m范圍內(nèi)發(fā)生擴(kuò)展。劉虎俊[16]研究了石羊河中下游河岸帶植被對地下水位變化的響應(yīng)，得到地下水位小于等于2 m時(shí)，沼澤草甸發(fā)育；地下水位3～6 m時(shí)，鹽化草甸發(fā)育；地下水位小于等于14 m時(shí)，檉柳灌叢繁茂。前人的研究關(guān)注了地下水位與植被覆蓋度的多年變化特征，分析了局部地區(qū)植被與地下水的關(guān)系，但對民勤地區(qū)天然生態(tài)植被與地下水位埋深關(guān)系的綜合研究較少，特別是針對全區(qū)域、長序列的相關(guān)分析，而且研究精度也有待提高。

本文以民勤灌區(qū)天然植被為重點(diǎn)，以高精度Landsat遙感影像與實(shí)測埋深數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用空間分析等方法，探討了近20年來地下水位埋深與植被生長的時(shí)空分布與變化特征，綜合研究了民勤灌區(qū)不同地下水位埋深與植被生長的相互關(guān)系，為地下水資源的開發(fā)利用、生態(tài)保護(hù)有效靶區(qū)的選擇提供合理依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置圖

石羊河流域位于甘肅省東部，是河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一，總面積約4.16×104km2。民勤盆地位于石羊河流域下游，面積約1.58×104km2，西北部為巴丹吉林沙漠，東南部為騰格里沙漠(圖1)，盆地中部為民勤綠洲，綠洲與荒漠過渡區(qū)存在嚴(yán)重的生態(tài)問題。研究區(qū)位于民勤綠洲區(qū)，是典型的干旱荒漠化氣候，年均氣溫7.8 ℃，年均降水量116.5 mm，年均蒸發(fā)量達(dá)2 308 mm[17]。主要天然植被為灌木，主要有白刺(Nitrariaspp.)、檉柳(Tamarixspp.)、梭梭(Haloxylonammodendron)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、紅砂(Reaumuriasoongorica)、沙蒿(Artemisiaarenaria)等；喬木有胡楊(Populuseuphratica)、二白楊(Populusgansuensis)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、旱柳(Salixmatsudana)等；草本主要是蘆葦(Phragmitesaustralis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等[16, 18]。

2 研究方法及數(shù)據(jù)

歸一化差值植被指數(shù)(normalizeddifference vegetation index，NDVI)是目前常用的評價(jià)植被發(fā)育指標(biāo)，NDVI值介于-1～1，該值高說明植被發(fā)育良好，該值低說明植被生長狀況較差[19]。Landsat NDVI數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化研究[3, 13-14, 20]。本次研究采用2000—2017年Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率是30 m。首先對影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正，然后進(jìn)行圖像拼接、裁剪、波段運(yùn)算，最后進(jìn)行年均值、多年變化率的計(jì)算與出圖。

地下水位埋深數(shù)據(jù)是2000—2017年每月1日、15日的人工實(shí)測數(shù)據(jù)，共計(jì)85個(gè)地下水位觀測孔。通過反距離差分法差值得到埋深空間分布圖，差值分辨率與植被遙感影像空間分辨率一致，形成30 m×30 m的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后提取同一像元上的埋深與NDVI值。重點(diǎn)研究地下水埋深對天然生態(tài)植被生長的影響，因此需要將人類活動干預(yù)強(qiáng)烈的區(qū)域予以排除。根據(jù)遙感影像獲得研究區(qū)土地利用類型圖(圖2a)，將耕地(水澆地)、城鎮(zhèn)用地、工礦用地、農(nóng)村居民用地、湖泊、沼澤、水庫、坑塘外區(qū)域進(jìn)行掩膜提取，作為研究民勤荒漠天然生態(tài)植被生長變化的范圍(圖2b)，最終獲得240萬對數(shù)據(jù)。再將水位埋深數(shù)據(jù)以0.1 m為間距，計(jì)算不同埋深處的NDVI均值，得到水位埋深與NDVI均值的關(guān)系曲線，進(jìn)而分析兩者間的定量關(guān)系。由于地下水位下降對植被的影響存在滯后現(xiàn)象，若使用植被生長季或年內(nèi)NDVI最大值(研究區(qū)抽水期)，會導(dǎo)致大埋深、高NDVI值的情況，因此本文選擇NDVI與埋深的年均值進(jìn)行研究，雖然NDVI年均值小于年最大值，但對于天然植被兩者的差值小于0.1，而且這并不影響空間內(nèi)對NDVI與埋深相互關(guān)系的研究；通過2000—2017年的多年統(tǒng)計(jì)分析，能排除其它短期因素的干擾，保證規(guī)律的可靠性。

圖2 民勤盆地土地利用類型圖(a)及生態(tài)植被分布區(qū)(b)

3 結(jié)果與討論

3.1 植被NDVI值變化

由2000—2017年植被NDVI空間分布圖(圖3a～c)，可以看出，民勤荒漠區(qū)植被發(fā)育情況較差，18年總體平均值為0.106。2000—2011年NDVI平均值為0.07～0.10(圖4)，說明大面積荒漠化、沙化地區(qū)幾乎無植被生長。2012—2017年植被NDVI平均值略有增高0.09～0.21，反映了植被生長狀況的改善，由于2012年以來，民勤工程壓砂、人工造林規(guī)模大幅增加[13]。2000—2017年NDVI年變化率的空間分布見圖3(d)，區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域NDVI值呈增大趨勢，增長率為0～0.1/10a，反映植被條件整體變好；綠洲區(qū)周邊存在斑點(diǎn)狀分布的退耕農(nóng)田，這部分地區(qū)因農(nóng)作物的減少，生態(tài)植被相對稀少，其NDVI值明顯減小(-0.015～-0.005 /a)。NDVI明顯增大的區(qū)域包括4個(gè)：夾河鄉(xiāng)東南區(qū)域、老虎口—連古城保護(hù)區(qū)、收成鄉(xiāng)東南區(qū)域和青土湖地區(qū)(圖3d)。這些地區(qū)NDVI值平均變化率達(dá)0.1～0.3/10a，也是研究區(qū)植被覆蓋率增大、植被恢復(fù)改善的區(qū)域。

圖3 研究區(qū)NDVI分布圖(a, b, c)及2000～2017年年均變化率分布圖(d)

圖4 研究區(qū)2000—2017年NDVI值統(tǒng)計(jì)圖

3.2 地下水埋深分布

2007年石羊河流域出臺綜合治理政策，因此2000—2017年地下水埋深變化也受此影響分為兩個(gè)階段：2000—2008年地下水埋深持續(xù)增加；2008—2017年地下水增幅放緩且局部回升。Hao、楊懷德等[9-10]將埋深變化分為3個(gè)階段。由于壓采強(qiáng)度的空間差異，導(dǎo)致2008年后期埋深空間變化規(guī)律并不一致。2000年，研究區(qū)西部埋深在15～25 m，東部2.3～15 m，在薛百鄉(xiāng)存在降落漏斗(圖5a)。2000—2008年，研究區(qū)內(nèi)地下水埋深值均增大，灌區(qū)尤為明顯，并出現(xiàn)南北兩個(gè)降落漏斗(圖5b)。2008年，研究區(qū)西部埋深20～35 m，東部埋深2.5～20 m。2008年后，受青土湖輸水影響，下游青土湖區(qū)埋深明顯減小，研究區(qū)其它地區(qū)仍表現(xiàn)為埋深增大(圖5c)。2017年，區(qū)內(nèi)西部埋深普遍大于15 m，薛百鄉(xiāng)、泉山鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)存在明顯降落漏斗，收成鄉(xiāng)南側(cè)荒漠區(qū)、北側(cè)至青土湖地區(qū)埋深小于15 m，埋深小于5 m的地區(qū)主要分布在青土湖附近，但面積有限(圖5c)。

從圖6看出，2000—2007年研究區(qū)地下水埋深以0～1 m/a的幅度增大(圖6a)，該階段呈平緩線性增長，楊懷德等[10]得出平均增幅為0.637 m。2007—2010年，分水、壓采方案落實(shí)，但全區(qū)施行尚不一致，埋深變幅存在差異，南部地區(qū)以0～2.5 m/a的幅度增大(圖6b)，北部青土湖埋深開始回升。2010—2017年，大部分地區(qū)埋深增幅減小至0.5 m/a以內(nèi)；水位回升的面積也在增大，回升幅度0～0.5 m/a(圖6c)。2000—2017年總體來看，研究區(qū)民勤縣附近埋深以1 m/a以上的變化率增加；北部灌區(qū)埋深增長率0.2～0.6 m/a；青土湖區(qū)及夾河鄉(xiāng)、東壩鎮(zhèn)東側(cè)埋深表現(xiàn)為水位回升，埋深減小，反映出生態(tài)輸水與關(guān)井壓采措施的作用明顯。

圖5 研究區(qū)地下水埋深空間分布圖

圖6 研究區(qū)2000—2017年地下水位埋深年均變化分布圖

3.3 埋深與NDVI關(guān)系

按埋深10 cm間距分段，逐年計(jì)算不同埋深段的NDVI平均值，并繪制曲線圖(圖7)。結(jié)果顯示，埋深小于5 m時(shí)，NDVI變化明顯；大于5 m時(shí)，隨埋深增大，NDVI幾乎無明顯變化；且NVDI值多小于0.1，2012年后大于0.1。由于西北荒漠地區(qū)植被稀疏，植被NDVI值大于一定值時(shí)才被認(rèn)為有植被發(fā)育，如額濟(jì)納旗綠洲以0.08為界[3]，研究區(qū)可參照該值。研究區(qū)地下水位埋深大于5 m處，多為荒漠，植被稀少，埋深與NDVI無明顯關(guān)系。埋深5～15 m時(shí)(圖7)，NDVI維持在低值，偶有波動，但變化范圍有限(±0.02)，反映了較大的埋深限定了植被發(fā)育的NDVI極大值。由表1可以看出，水位埋深大于5 m時(shí)，已超過西北干旱區(qū)多數(shù)常見天然植被的最佳生長水位，多數(shù)草本、灌木植被甚至凋萎死亡，不同埋深下植被的優(yōu)勢種群會發(fā)生變化[16]，群落結(jié)構(gòu)、植被密度等也會發(fā)生改變。因此，埋深大于5 m時(shí)，植被零星分布，生長狀態(tài)受到抑制，埋深通過控制種群類型、物種豐富度等因素將NDVI值限定在約0.10；同時(shí)受降水、地溫、土壤土質(zhì)、人類活動等其它因素影響[21]，NDVI會在小范圍內(nèi)波動(±0.02)。

圖7 研究區(qū)植被NDVI與地下水埋深關(guān)系

圖8 研究區(qū)2000—2017年NDVI與埋深相關(guān)性空間分布

根據(jù)2000—2017年荒漠區(qū)埋深與NDVI數(shù)據(jù)，逐像元計(jì)算埋深與NDVI相關(guān)系數(shù)R，得到兩者相關(guān)性的空間分布圖(圖8)。相關(guān)性較強(qiáng)(R<-0.5)的地區(qū)主要包括青土湖區(qū)(圖8中A區(qū))、收成鄉(xiāng)東南(圖8中B區(qū))、夾河鄉(xiāng)東(圖8中C區(qū))，這些地區(qū)正是埋深相對較小的區(qū)域，也是NDVI變化率較高的地區(qū)。如夾河地區(qū)關(guān)井壓田，地下水位上升，是生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)較典型的區(qū)域。此外，一些退耕區(qū)也表現(xiàn)出了較高的相關(guān)性，如圖8中D、E兩區(qū)。除了這些地區(qū)，研究區(qū)內(nèi)大部分荒漠區(qū)表現(xiàn)為兩者正相關(guān)(0.3地溫>氣溫>降水>蒸發(fā)>日照。這些因子相關(guān)系數(shù)均小于埋深。因此，可以認(rèn)為民勤大面積荒漠區(qū)植被生長受地下水埋深的控制。在降水量、相對濕度、人為生態(tài)治理活動等因素的共同影響下，NDVI在某一低值附近以有限的范圍變化。正是基于埋深與植被生長的關(guān)系，在民勤綠洲上游來水逐年增加，地下水開采量減少的政策下，地下水位回升，相應(yīng)的生態(tài)用水不斷增加，民勤地區(qū)植被NDVI在2012年后增高、植被逐漸得以恢復(fù)。圖8中兩者相關(guān)系數(shù)R較高的地區(qū)，即是可以考慮通過調(diào)控地下水位進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)、改善的重點(diǎn)區(qū)或試驗(yàn)區(qū)。

圖9 研究區(qū)植被NDVI與地下水埋深(<5 m)關(guān)系

3.4 淺埋區(qū)生態(tài)水位

淺埋區(qū)(<5 m)地下水埋深值與地表植被NDVI關(guān)系密切，特別是埋深小于4 m時(shí)，兩者線性關(guān)系顯著(圖9)。經(jīng)計(jì)算，2000—2017年兩者相關(guān)系數(shù)|R|多大于0.8(圖10)，兩者表現(xiàn)出高度負(fù)相關(guān)，即埋深越小，植被生長條件越好。埋深小于2.5 m的地區(qū)主要分布在青土湖周邊，該水位埋深區(qū)主要生長濕生蘆葦(表1)。在埋深2.5～3.9 m范圍內(nèi)，NDVI保持較高的值，說明該地下水位埋深范圍適宜區(qū)內(nèi)植被生長。2000—2017年NDVI峰值對應(yīng)地下水埋深多在2.24～3.65 m范圍內(nèi)，多年平均值為2.96 m(圖11)，這一埋深區(qū)地表植被以灌木、草本為主，對應(yīng)西北干旱區(qū)多數(shù)草甸、灌木植被的最佳生長狀態(tài)埋深值(表1)，如甘草1～3 m、白刺2～3.5 m、紅砂2～3.5 m、麻黃2～3 m、胡楊1～4 m。說明研究區(qū)內(nèi)最適宜植被生長的地下水水位約為3 m。2010—2017年，受地下水開采的影響，埋深小于3 m的范圍幾乎不存在，而相應(yīng)的最大NDVI值也明顯減小(圖11)，2000—2009年埋深均值為2.66 m，進(jìn)一步說明埋深在2.24～3 m為該地區(qū)適宜植被生長的生態(tài)水位。

表1 干旱區(qū)天然植被不同生長狀態(tài)下的地下水埋深

圖10 2000—2017年埋深(<4 m)與NDVI相關(guān)系數(shù)R統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)近20年來，民勤盆地生態(tài)植被NDVI指數(shù)偏低，近5年來，略有好轉(zhuǎn)，局部地區(qū)生態(tài)改善明顯(如老虎口)；地下水埋深在2000—2007年持續(xù)增加；2008—2017年增幅放緩且局部回升，回升范圍有限。

(2)埋深小于4 m時(shí)，生態(tài)植被生長與埋深高度反相關(guān)，總趨勢為埋深越小，植被發(fā)育越好；區(qū)內(nèi)適宜植被生長的埋深范圍為2.5～3.9 m；在3 m左右植被長勢最好。埋深大于4 m時(shí)，埋深與降水、濕度、地溫等因素共同作用，通過影響植被種類、群落結(jié)構(gòu)與密度等條件來改變NDVI值，但較大的埋深決定了NDVI所能達(dá)到的最大值。

(3)通過調(diào)控埋深(壓采)有效改善地表植被生態(tài)的地區(qū)主要分布于民勤盆地的東部(夾河鄉(xiāng)東側(cè)、收成鄉(xiāng)南側(cè))、青土湖淺埋區(qū)及部分退耕區(qū)。