宮兆寧,陸 麗,金點(diǎn)點(diǎn),2,*,邱華昌,張 強(qiáng) ,關(guān) 暉

1 首都師范大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100048 2 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心, 北京 100094 3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100086

濕地是指那些常年積水和過(guò)濕的下墊面,具有較高的生產(chǎn)力,被譽(yù)為“地球之腎”,是全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一[1],在調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防旱、涵養(yǎng)水源和降解環(huán)境污染等方面發(fā)揮著極其重要的作用,具有巨大的環(huán)境功能和環(huán)境效益[2]。近年來(lái),隨著人口劇增和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,人類對(duì)水資源無(wú)節(jié)制的開(kāi)發(fā)利用,導(dǎo)致了很多濕地瀕臨干涸,水資源短缺和水環(huán)境惡化等問(wèn)題越來(lái)越突出[3]。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,合理確定濕地的生態(tài)環(huán)境需水,已成為水資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境保護(hù)中亟待解決的重點(diǎn)問(wèn)題[4]。因此,準(zhǔn)確高效的估算濕地的蒸散發(fā)情況及生態(tài)需水量,為濕地生物多樣性的保護(hù),以及區(qū)域水資源有效管理和合理利用,提供重要的科學(xué)依據(jù)。

國(guó)外學(xué)者關(guān)于濕地生態(tài)需水的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。Eamus等研究并提出了植被及土壤需水量的計(jì)算方法[5]。Wilcox等利用GIS模型模擬了濕地中植被需水的與濕地水環(huán)境之間的響應(yīng)關(guān)系[6]。Powell等通過(guò)建立半分布式水平衡模型估算了洪泛區(qū)濕地生態(tài)需水的研究[7]。Vymazal等從植被及土壤需水的角度,分析了濕地健康修復(fù)的方法和途徑[8]。Xu等提出了LBNSCCP模型,不僅滿足了濕地最小化總供水成本,也能滿足濕地蘆葦生長(zhǎng)和其他用水戶的用水需求,用來(lái)支持小清河流域的供水和濕地恢復(fù)計(jì)劃[9]。國(guó)外對(duì)于濕地生態(tài)需水的研究總體上較為全面,不僅詳細(xì)計(jì)算了各種類型的濕地生態(tài)需水量,而且注重研究水資源與生態(tài)系統(tǒng)中各因素之間的相關(guān)關(guān)系。國(guó)內(nèi)對(duì)于濕地生態(tài)需水的研究起步雖晚,但進(jìn)展較快。廣義的濕地生態(tài)需水量是指濕地為維持自身發(fā)展過(guò)程和保護(hù)生物多樣性所需要的水量,狹義的濕地生態(tài)需水量是指濕地每年用于生態(tài)消耗而需要補(bǔ)充的水量,主要是補(bǔ)充濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸散需要的水量[10]。一些學(xué)者從各自的研究角度出發(fā),并提出了不同的濕地生態(tài)需水量的計(jì)算方法[11- 14]。

位于黑龍江省齊齊哈爾市東南處的扎龍濕地,是我國(guó)最大的以鶴類為主的珍禽鳥(niǎo)類的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),擁有較為原始的濕地生態(tài)系統(tǒng),1992年被列入“世界重要濕地名錄”。隨著人類對(duì)濕地的不斷破壞和對(duì)濕地水資源的不合理利用,導(dǎo)致扎龍濕地近年連續(xù)干旱,濕地面積和鶴類的數(shù)量明顯減少,扎龍濕地面臨萎縮甚至消亡的威脅,扎龍濕地的生態(tài)環(huán)境用水成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[15- 17]。蒸散發(fā)包括土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰,是影響濕地水熱平衡的主要因素和水分損失的主要途徑,是計(jì)算濕地生態(tài)需水量的重要參量。之前學(xué)者的研究大多采用站點(diǎn)觀測(cè)的蒸散發(fā)量[18-19],主要依靠氣象和水文數(shù)據(jù)得到,但存在插值外延精度低、觀測(cè)成本大、時(shí)效性差等缺陷[20]。而遙感技術(shù)基于少量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合遙感數(shù)據(jù)反演得到區(qū)域的蒸散發(fā)量,為快速、大面積估算濕地地表蒸散量提供了較有效的方法。

由于全球氣候變化的影響,以及人類活動(dòng)影響的加劇,扎龍濕地的水資源面臨逐漸匱乏的趨勢(shì),導(dǎo)致自然保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生過(guò)數(shù)次大火,其中2001年的大火持續(xù)10d,使得濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重的破壞。因此,為了有效保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng),2001年開(kāi)始,水利部等部門(mén)建立了扎龍濕地應(yīng)急補(bǔ)水工程?？紤]到扎龍濕地關(guān)鍵補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)及長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat遙感數(shù)據(jù)的可獲取性,研究基于2002、2010、2016年3個(gè)時(shí)期逐月的Landsat遙感數(shù)據(jù),采用應(yīng)用較廣泛的SEBAL模型估算3個(gè)時(shí)期日、月、年尺度的扎龍濕地蒸散發(fā)量,同時(shí)結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)期研究區(qū)的土地覆被類型數(shù)據(jù),從濕地湖泡需水量、濕地植物需水量和濕地生物棲息地需水量3個(gè)方面,定量估算不同年份扎龍濕地生態(tài)需水量,以期為未來(lái)扎龍濕地水資源合理配置和濕地保護(hù)等提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

扎龍濕地是中國(guó)著名的以鶴類等水禽為主體的珍稀鳥(niǎo)類和濕地類型國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),位于松嫩平原的烏裕爾河和雙陽(yáng)河下游湖沼、葦草地帶,地理位置為123°51.5′—124°37.5′E, 46°48′—47°31.5′N(xiāo)(見(jiàn)圖1)。扎龍濕地地勢(shì)低洼平坦,平均海拔約143m,年平均氣溫3.5℃,1月平均氣溫-19.5℃,7月份平均氣溫23.0℃。扎龍濕地多年平均年降水量為419mm,蒸發(fā)強(qiáng)烈。扎龍濕地內(nèi)分布著眾多泡沼,由于地下水位高,排水不暢,土壤鹽漬化比較普遍。根據(jù)黑龍江省政府關(guān)于扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃的批復(fù),將濕地劃分為3個(gè)區(qū)域:核心區(qū)為典型的濕地生境,主要分布為蘆葦沼澤,是珍稀水禽的棲息地和巢區(qū)；緩沖區(qū)也是鶴類等珍稀水禽的活動(dòng)區(qū)和鳥(niǎo)類棲息繁殖地,分布著成片或斷續(xù)的蘆葦沼澤、湖泡、村屯、鐵路、公路干線和大型水利工程。實(shí)驗(yàn)區(qū)的生境與緩沖區(qū)相同,主要供進(jìn)行鶴類試驗(yàn)研究,并有限的開(kāi)放生態(tài)旅游。

圖1 扎龍濕地保護(hù)區(qū)地理位置示意圖Fig.1 The location map of Zhalong wetland reserve

1.2 研究數(shù)據(jù)

Landsat影像具有數(shù)據(jù)獲取容易、光譜信息豐富及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)多等優(yōu)點(diǎn),及其熱紅外波段對(duì)地物熱信息比較敏感。研究采用的Landsat系列遙感影像來(lái)源于USGS官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov/),研究區(qū)域行列號(hào)為119/27或120/27?？紤]到扎龍濕地的補(bǔ)水時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat數(shù)據(jù)全年每月影像的可獲取性,下載了Landsat系列影像共34景,且下載的影像在研究區(qū)部分含云量較少,質(zhì)量較好,具體信息如表1所示。除Landsat數(shù)據(jù)外,同時(shí)下載了與Landsat數(shù)據(jù)過(guò)境時(shí)間相近的MOD02數(shù)據(jù)和MOD11_L2,用于估算研究區(qū)域的大氣水汽含量和地表溫度反演結(jié)果的驗(yàn)證。研究所需的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),考慮到扎龍濕地內(nèi)部的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)難獲取性,因此需要將附近5個(gè)氣象站點(diǎn)(富裕、齊齊哈爾、明水、泰來(lái)、安達(dá))的氣象要素采用克里金差值方法以得到研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)(平均氣溫、風(fēng)速、降水量等)。對(duì)獲取的遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正等預(yù)處理,并利用扎龍濕地邊界裁剪,得到校正后的研究地區(qū)影像。

表1 Landsat 系列數(shù)據(jù)信息

2 研究方法及參數(shù)估算

本文基于少量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合遙感數(shù)據(jù)反演,可以得到濕地歷史景觀格局、植被演替、蒸散狀況及生態(tài)需水的時(shí)空變化狀況,開(kāi)展扎龍濕地蒸散發(fā)量及生態(tài)需水量估算研究。首先利用ArcGIS 10.2和ENVI 5.4軟件遙感解譯出扎龍濕地不同年份的土地利用/覆被數(shù)據(jù),并分析其動(dòng)態(tài)變化特征。同時(shí)利用遙感影像得到SEBAL模型所需的各項(xiàng)地表參數(shù),如植被覆蓋度、地表反照率、地表比輻射率、地表溫度等。其中為更精確的估算地表溫度,針對(duì)Landsat系列數(shù)據(jù)采用三種地表溫度反演算法研究其適用性。最終計(jì)算得到扎龍濕地的各項(xiàng)地表通量和瞬時(shí)蒸散發(fā)量,通過(guò)時(shí)間擴(kuò)展得到日蒸散發(fā)量和月蒸散發(fā)量,并分析蒸散發(fā)量的時(shí)空變化規(guī)律和影響因素。結(jié)合蒸散發(fā)量反演結(jié)果、土地利用現(xiàn)狀和氣象水文數(shù)據(jù)計(jì)算得到各個(gè)年份扎龍濕地的生態(tài)需水量,為濕地生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)建議。技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2 研究技術(shù)流程圖Fig.2 Research technology flow chart

2.1 蒸散發(fā)量遙感估算方法

研究主要利用Landsat和MODIS遙感影像提取蒸散發(fā)量反演模型——SEBAL模型中需要的一系列地表參數(shù),包括地表反照率、比輻射率、植被覆蓋度、地表溫度等。本文通過(guò)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)收集了扎龍濕地附近5個(gè)氣象站點(diǎn)逐日和逐月的氣溫、降水和風(fēng)速等氣溫?cái)?shù)據(jù)。SEBAL模型遙感反演蒸散發(fā)量的理論基礎(chǔ)是地表能量平衡方程[21]。

Rn=G+H+λET

(1)

式中,λ為汽化潛熱,ET為蒸散發(fā)量,λET為潛熱通量(W/m2),Rn為凈輻射通量(W/m2),G為土壤熱通量(W/m2),H為感熱通量(W/m2)。

通過(guò)反演出方程中地表凈輻射量、土壤熱通量、顯熱通量,從而推算出潛熱通量,進(jìn)而得到蒸散發(fā)量ET。

2.1.1蒸散法模型所需地表參數(shù)反演

(1)地表反照率

地表反照率(Albedo)是對(duì)地表而言的總的反射輻射通量與入射輻射通量之比[22]。地表反照率是地表能量平衡研究中的一個(gè)重要參數(shù)的比值,對(duì)于Landsat衛(wèi)星來(lái)說(shuō),是指可見(jiàn)光與熱紅外波段的加權(quán)集合值。綜合多光譜的傳感器所獲得的有效的大氣信息和地表特征信息,利用Liang[23]建立的針對(duì) Landsat-TM/ETM 的適用廣、精度高的反演公式：

α=0.356α1+0.130α3+0.373α4+0.085α5+0.072α7-0.0018

(2)

式中,α為地表反照率,α1、α3、α4、α5、α7分別為1,3,4,5,7波段的地表反射率。

(2)地表比輻射率

地表比輻射率ε是指在同溫度和波長(zhǎng)下地表的輻射出射度與黑體的輻射出射度的比值,表征地表發(fā)射能力的大小,其取值范圍為0—1,可以采用經(jīng)驗(yàn)公式與NDVI相結(jié)合計(jì)算[24]:

ε=1.009+0.047lnNDVI

(3)

(3)植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被的葉、莖、枝在地面上的垂直投影面積與土地總面積的比值,是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)。研究證明,估算植被覆蓋度較常用的方法是像元二分模型,通過(guò)歸一化植被指數(shù)NDVI來(lái)獲得[25]:

(4)

(5)

式中,ρNIR和ρR分別為L(zhǎng)andsat數(shù)據(jù)近紅外與紅外波段反射值；NDVImax為完全植被覆蓋時(shí)的NDVI；NDVImin為裸土?xí)r的NDVI。

(4)地表溫度

地表溫度是地表蒸散發(fā)反演的重要參數(shù),可通過(guò)大氣校正法、單窗算法或單通道法反演得到[26]。但是針對(duì)Landsat系列影像,地表溫度反演算法的適用性研究相對(duì)較少。本文以扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū),采用單窗算法(Mono-window Algorithm,之后簡(jiǎn)稱MW算法)、單通道算法(Single-channel Algorithm,之后簡(jiǎn)稱SC算法)和輻射傳輸方程法(Radiative transfer equation Algorithm,之后簡(jiǎn)稱RTE算法),分別對(duì)Landsat 5/7/8系列熱紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演,并基于MODIS地表溫度產(chǎn)品對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析和精度驗(yàn)證,從而研究三種方法對(duì)于不同傳感器的Landsat數(shù)據(jù)的適用情況,以期為基于Landsat系列數(shù)據(jù)地表溫度反演算法的選擇提供一定的科學(xué)依據(jù),從而達(dá)到更精確的蒸散發(fā)量反演結(jié)果。具體的計(jì)算公式和參數(shù)估算可參閱文獻(xiàn)[23]。

2.1.2蒸散發(fā)量的時(shí)間擴(kuò)展

由于遙感數(shù)據(jù)是瞬時(shí)影像,因此反演所得的地表參數(shù)和能量平衡各分量均為瞬時(shí)值,最終估算得到瞬時(shí)潛熱通量,在實(shí)際應(yīng)用中,往往需要將瞬時(shí)潛熱通量在時(shí)間尺度上進(jìn)行擴(kuò)展,得到日、月或年的蒸散量[27]。SEBAL模型假設(shè)全天中蒸發(fā)比穩(wěn)定不變,采用蒸發(fā)比法可將瞬時(shí)的蒸散量擴(kuò)展為日蒸散量。蒸散發(fā)比Λ的計(jì)算式如下:

(6)

可以得到24小時(shí)的潛熱通量為:

λET24=Λ(Rn24-G24)

(7)

式中,Rn24和G24分別為日凈輻射通量(W/m2)和日土壤熱通量(W/m2),一般在計(jì)算每天的蒸散量時(shí)可以忽略土壤熱通量G[25]；λ是水的汽化潛熱(J/kg),計(jì)算公式為:

λ=(2.501-0.002361(TS-273.15))×106

(8)

在天氣晴朗的情況下,24 小時(shí)的凈輻射通量可以通過(guò)公式(9)計(jì)算得到:

Rn24=(1-α)Ra24-110τsw

(9)

(10)

ws=arccos(-tanφtanδ)

(11)

式中,τsw為大氣單向透射率,GSC是太陽(yáng)常數(shù)(取值為1367 W/m2),dr為日地相對(duì)距離,φ是像元的地理緯度(rad),δ是太陽(yáng)赤緯。

由此可得出日蒸散發(fā)量(mm/d),公式如下:

(12)

由于云覆蓋和水汽吸收的影響,在1個(gè)月中難以有連續(xù)的有效衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),來(lái)計(jì)算一個(gè)月的累計(jì)蒸散量。本研究通過(guò)氣象站實(shí)測(cè)的蒸發(fā)數(shù)據(jù),結(jié)合遙感反演的日蒸散量來(lái)推算扎龍濕地的月蒸散量[18]。轉(zhuǎn)化公式為:

(13)

式中,ETm為月蒸散量；i為1到30日的序號(hào)(隨每月天數(shù)而定)；ETSEBAL為模型反演的蒸散量值；ET氣象站為當(dāng)日氣象站實(shí)測(cè)值；ETi為第i日氣象站實(shí)測(cè)蒸散發(fā)量。

2.2 濕地生態(tài)需水量的估算方法

根據(jù)調(diào)研結(jié)果和扎龍濕地的實(shí)際情況,扎龍濕地生態(tài)需水量指濕地每年用于生態(tài)消耗而需要補(bǔ)充的水量,主要是補(bǔ)充濕地生態(tài)系統(tǒng)蒸散需要的水量，包括湖泡需水量、植物需水量及野生生物棲息地需水量等。

2.2.1濕地湖泡需水量

對(duì)于北方湖泊,蒸發(fā)大于降水,扎龍濕地湖泊水庫(kù)生態(tài)需水量是用以維持扎龍濕地湖泡水庫(kù)水量平衡而消耗的凈水量[16],計(jì)算公式為:

Wl=∑Ai(ETi-Pi)×10-3

(14)

式中,Wl為湖泡水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境需水量(m3)；Ai為湖泡水庫(kù)的水面面積(m2)；ETi為相應(yīng)水面的蒸發(fā)能力(mm)；Pi為湖泡水庫(kù)上的降水量(mm)。

2.2.2濕地植物需水量

濕地植物需水量是指植物正常生長(zhǎng)所需要的水分。其中蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)是最主要的耗水項(xiàng)目,占植物需水量的99%。因而把植物需水量近似理解為植物葉面蒸騰和棵間土壤蒸發(fā)的水量之和,稱為蒸散發(fā)量[28]。扎龍濕地植物的種類繁多,結(jié)合野外踏勘和遙感圖像反演,扎龍濕地的植被分布類型是以蘆葦為主[16],計(jì)算時(shí)主要考慮蘆葦?shù)纳鷳B(tài)需水量。其表達(dá)式為:

Wp=ETp(t)Ap×10-3

(15)

式中,Wp為濕地植被需水量(m3)；ETp(t)為蒸散發(fā)量(mm)；Ap為沼澤濕地植被面積(m2)。

2.2.3野生生物棲息地需水量

野生生物棲息地需水量是魚(yú)類、鳥(niǎo)類等濕地生物棲息、繁殖需要的基本水量。其計(jì)算公式為:

Wq=A(t)CH(t)×0.1

(16)

式中,Wq為濕地生物棲息需水量(m3)；A(t)為濕地面積(m2)；H(t)為濕地水深(m)；C為水面面積百分比。

以濕地的不同類型為基礎(chǔ),找出關(guān)鍵保護(hù)物種,如魚(yú)類或鳥(niǎo)類,根據(jù)正常年份鳥(niǎo)類或魚(yú)類在該區(qū)棲息、繁殖的范圍,核算其正常水量,為避免與濕地土壤需水量的重復(fù),這里只核算地表以上低洼地的蓄水量(滿足野生動(dòng)物棲息、繁殖的水量)。

3 蒸散發(fā)量及生態(tài)需水量的估算

3.1 基于時(shí)序NDVI數(shù)據(jù)的土地覆被分類

多時(shí)相遙感影像能反映同一植被在不同季節(jié)的光譜差異。 歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,其時(shí)序數(shù)據(jù)也已成為基于生物氣候特征開(kāi)展大區(qū)域植被和土地覆蓋分類的基本手段[29]。因此,本文利用多時(shí)相的遙感影像提取植被在時(shí)間上的物候特征規(guī)律,從而實(shí)現(xiàn)了扎龍濕地的土地利用/覆被類型的精確提取。

根據(jù)2008年國(guó)家林業(yè)局發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《自然保護(hù)區(qū)土地覆被類型劃分》(LY/T 1725—2008)和2017年國(guó)土資源部組織修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 2010—2017)對(duì)照表,結(jié)合扎龍濕地的植被、水和土地覆蓋等實(shí)地情況,將研究區(qū)土地覆被分為6類,分別為耕地、草地、建設(shè)用地、水體、蘆葦沼澤和鹽堿地。

主成分分析被用來(lái)描述地表覆被類型的季節(jié)變化。主成分分析的算法是:基于每月植被指數(shù)圖像的均值, 計(jì)算均方差矩陣, 并求特征值和特征向量, 接著計(jì)算主成分變換矩陣, 最后計(jì)算出12幅主分量圖像。以2016年為例,基于多時(shí)相的NDVI數(shù)據(jù)提取出的主成分信息(見(jiàn)圖3),可見(jiàn)第一主成分反映了全年植被茂盛、稀疏分布特征,依據(jù)其低值可分離出鹽堿地、水體和建筑用地。第二主成分低值區(qū)凸顯水體特征,可提取濕地中的水體信息。第三主成分在一定程度上反映季節(jié)變化差異較明顯的地物類型,高值區(qū)主要凸顯耕地、蘆葦沼澤特征,而低值區(qū)凸顯鹽堿地、草地和建筑用地信息。依據(jù)分類決策樹(shù)構(gòu)建的分類規(guī)則(見(jiàn)圖4),得到2016年扎龍濕地最終的分類結(jié)果(見(jiàn)圖5)。

圖3 主成分信息Fig.3 Principal component information

圖4 CART決策樹(shù)分類模型Fig.4 CART decision tree classification model

圖5 2016年扎龍濕地保護(hù)區(qū)土地覆被分類圖Fig.5 Land cover classification map of the zhalong wetland in 2016

選取一定數(shù)量的樣本,利用ENVI軟件建立混淆矩陣,計(jì)算結(jié)果如表2,2016年扎龍濕地保護(hù)區(qū)土地覆被分類總體精度為85.38%,Kappa系數(shù)為0.83,分類精度較高,表明該分類方法具有較高的可行性和準(zhǔn)確性,基于NDVI時(shí)序特征可有效實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的扎龍濕地土地覆被類型的提取?；?4景逐月的Landsat影像數(shù)據(jù),最終得到3個(gè)時(shí)期扎龍濕地高精度的土地覆被分類結(jié)果,見(jiàn)表3和圖6。

圖6 扎龍濕地土地利用/覆被類型時(shí)空分布圖Fig.6 Spatial distribution map of land use/cover types in Zhalong wetland

表2 地表覆被分類精度驗(yàn)證

表3 扎龍濕地土地利用/覆被分類

扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)土地利用面積約為2174.82 km2,以蘆葦沼澤、草地和耕地為主要的地物類型,扎龍濕地內(nèi)蘆葦沼澤分布占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),且大部分分布在濕地的核心區(qū)域。扎龍濕地緩沖區(qū)內(nèi)主要分布著蘆葦沼澤和草地,而實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)耕地占比較多,還分布著一些草地和鹽堿地。2002—2016年間濕地內(nèi)土地利用/覆被類型發(fā)生了明顯的變化:扎龍濕地的蘆葦沼澤是濕地內(nèi)最主要的土地利用/覆被類型,其面積14年間總共增加了205.82 km2；濕地草地面積由2002年551.73 km2減少至2010年497.13 km2,隨后慢慢減少至2016年432.39 km2；研究區(qū)內(nèi)耕地的面積總體上是減少的趨勢(shì),由2002年的393.66 km2減少至2010年359.19 km2,變化量為34.47 km2,隨后繼續(xù)減少；水體對(duì)維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)揮著重要作用,由表可知,研究區(qū)內(nèi)水體面積2002—2010年減少量為3.42 km2,隨后在2016年面積略微增加,增加至130.42 km2,整體來(lái)看水體的面積在這14年間基本穩(wěn)定不變；扎龍濕地內(nèi)2002年鹽堿地面積的76.88 km2,8年后增加到91.72 km2,而到2016年鹽堿地面積減少了10.77 km2,但整體上看面積增加了4.08 km2,面積變化相對(duì)較少；研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積最少,2002—2016年這14年間的建設(shè)用地呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì),2002—2010年增加了4.90 km2,面積占比由0.80%增加到1.03%,而2010—2016年建設(shè)用地面積增加相對(duì)較少,僅僅增加了0.92 km2。

3.2 扎龍濕地蒸散發(fā)量的時(shí)空特征分析

3.2.1蒸散發(fā)量精度驗(yàn)證

考慮到扎龍濕地內(nèi)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的難獲取性,本文利用扎龍濕地附近的富裕、齊齊哈爾、扎蘭屯、明水、泰來(lái)5個(gè)氣象站觀測(cè)的日蒸散量值與提取蒸散發(fā)量遙感反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[30- 32],得到以下相關(guān)關(guān)系圖,如圖7。根據(jù)統(tǒng)計(jì)比較,發(fā)現(xiàn)基于SEBAL模型反演得到的日蒸散量值與氣象觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)際觀測(cè)值相近,均方根誤差RMSE為0.714 mm。由圖可以看出,SEBAL模型蒸散發(fā)值與氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)值的相關(guān)關(guān)系較好,兩者之間的擬合優(yōu)度R2達(dá)到0.8087,此結(jié)果與蔡玉林[10]、杜嘉等[33]采用SEBAL模型反演日蒸散量的結(jié)論相近。綜上可以認(rèn)為基于SEBAL 模型反演得到的蒸散發(fā)量基本符合實(shí)際,可以作為扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)的蒸散發(fā)遙感估算模型。

圖7 ET估算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖 Fig.7 Comparison diagram of ET estimated value and measured value

3.2.2蒸散發(fā)量的時(shí)空特征分析

利用SEBAL模型估算了2002年、2010年和2016年扎龍濕地的月均蒸散發(fā)量。以2016年為例,分析扎龍濕地蒸散發(fā)量的年內(nèi)變化特征,圖8和圖9分別為扎龍濕地2016年逐月的蒸散量空間分布圖和變化折線圖。整體上看,扎龍濕地地表蒸散發(fā)量年內(nèi)大致呈現(xiàn)單峰型分布。受到太陽(yáng)輻射、地表溫度和風(fēng)速等的影響,扎龍濕地冬季(12—2月)的地表蒸散發(fā)量是一年中的最低值,此時(shí)氣溫較低,濕地內(nèi)多為裸土狀態(tài),蒸發(fā)能力較弱。結(jié)合土地覆被情況,發(fā)現(xiàn)僅在湖泊、水庫(kù)等水體及周?chē)鷧^(qū)域地表蒸散發(fā)量值相對(duì)高些,其他區(qū)域均較低。其中1月份為一年中蒸散發(fā)量最小的月份。

3月氣溫回暖,冰雪緩慢融化,地表蒸散發(fā)量逐漸增加,月均值為49.71mm。4、5月植被進(jìn)入生長(zhǎng)期,土壤水分多,從4月開(kāi)始,蒸散發(fā)量持續(xù)升高,月均值為72.50mm。與前幾個(gè)月相比,除水體區(qū)域蒸散量依然較高外,4月份耕地蒸散發(fā)量有一定的增加,蘆葦蒸散發(fā)量增加也較為明顯。5月份蒸散發(fā)量整體仍在增加,平均值約為95.31mm,其中蒸散值為40—145mm區(qū)域約占總面積的86.94%?？傮w來(lái)看,由于氣溫升高、植物生長(zhǎng)、地表溫度升高等原因,扎龍濕地春季的蒸散發(fā)量較冬季明顯增加。

6、7、8月份處于夏季,降水較多,供水充足,氣溫較高,日照強(qiáng)烈,提供了地表水分蒸散發(fā)的有利條件,因此蒸散發(fā)量較高。6月份月均蒸散發(fā)量為103.07mm,高值區(qū)主要分布著湖泡水庫(kù)等水體和蘆葦沼澤。同時(shí)耕地區(qū)域的蒸散量也隨著農(nóng)作物的生長(zhǎng)有所增加。7月月蒸散發(fā)量達(dá)到年內(nèi)最大值。與6月份相比,7月份濕地整體蒸散發(fā)量有一定的增加,尤其是蘆葦沼澤和耕地區(qū)域增加較明顯,且耕地的蒸散量達(dá)到12個(gè)月中的最高值,這可能是因?yàn)榇盒←満痛蠖沟纳L(zhǎng)期在4—7月,此時(shí)農(nóng)作物在處于成熟期所致。由于受到氣溫、植被覆蓋度和風(fēng)速等要素的影響,8月份的蒸散發(fā)值較7月份有所下降,月均蒸散發(fā)量為104.05mm。8月份的遙感影像部分區(qū)域受到云的影響,蒸散發(fā)量較高。而其他蒸散發(fā)量高值區(qū)主要分布于水體以及蘆葦區(qū)。受到農(nóng)作物收割影響,耕地蒸散發(fā)量較7月份有所減少?？傮w上夏季是扎龍濕地全年蒸散發(fā)量最高的季節(jié),全區(qū)蒸散發(fā)量都相對(duì)較高。

9月份后,氣溫緩慢下降,隨著植被枯萎凋落等原因,濕地蒸散量逐步下降。濕地9月的平均蒸散發(fā)量為41.74mm,高值區(qū)主要位于湖泡水庫(kù)等水體和中間區(qū)蘆葦區(qū)域。濕地10月的蒸散發(fā)量持續(xù)下降,月均值為32.91mm,其中蒸散值為20—45mm的區(qū)域占濕地總面積的90.35%。高值區(qū)主要位于水體、中部蘆葦區(qū)以及東北部部分區(qū)域。11月份蒸散發(fā)量進(jìn)一步降低,月均值為11.95mm。整體來(lái)看,扎龍濕地2016年秋季地表蒸散發(fā)量相對(duì)較小,低于春季的蒸散發(fā)量。

總體可見(jiàn),2016年扎龍濕地蒸散量年內(nèi)變化規(guī)律為:夏季>春季>秋季>冬季。夏季蒸散量最大,總蒸散量達(dá)到312.58mm；其次為春季和秋季,各季度蒸散量分別為217.52mm和86.59mm；蒸散量最小值出現(xiàn)在冬季。遙感估算的結(jié)果反映了扎龍濕地的自然氣候特征和地表蒸散的變化規(guī)律。

根據(jù)反演的3個(gè)時(shí)期扎龍濕地逐月的蒸散發(fā)量,得到不同年份的月均蒸散發(fā)量曲線圖(圖9)。由圖9可見(jiàn),3個(gè)年份的月蒸散發(fā)量曲線均屬于單峰型,其蒸散發(fā)量年內(nèi)規(guī)律均是夏季最大,春季和秋季次之,冬季最小。在不同的年份,扎龍濕地相同季節(jié)的蒸散發(fā)量有一些變化,但變化不大。2002年、2010年和2016年6—8月的蒸散發(fā)量較大,其中2002年和2016年均是7月地表蒸散發(fā)量最大,分別為119.03mm和105.46mm；2010年6月地表蒸散發(fā)量最大,為104.45mm。2002年、2010年和2016年的年蒸散發(fā)量分別為518.87mm、553.19mm和625.98mm,可以看出扎龍濕地的年蒸散發(fā)量有所增加。隨著全球氣候變暖,區(qū)域內(nèi)作物的需水量也在增加,進(jìn)而影響了區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)平衡。

3.3 濕地生態(tài)需水量的核算

降水量和蒸散發(fā)量是生態(tài)需水量估算的重要參數(shù),本研究通過(guò)克里金插值法將扎龍濕地附近5個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,得到扎龍濕地降水量情況。同時(shí)結(jié)合土地覆被動(dòng)態(tài)信息和蒸散發(fā)量反演結(jié)果,分別估算出水域和蘆葦沼澤的月尺度蒸散發(fā)量,由于蘆葦?shù)纳L(zhǎng)期為4—9月,因此只統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)期的蘆葦蒸散發(fā)量。以2002年為例,扎龍濕地2002年月均降水量、水面蒸發(fā)量和蘆葦蒸散發(fā)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 扎龍濕地平均降水量和蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)表

濕地內(nèi)分布著湖泊泡沼約208個(gè),其中較大的有克欽湖、仙鶴湖、東升水庫(kù)等[34]。根據(jù)湖泡水庫(kù)生態(tài)需水量計(jì)算方法,代入表4中的月均降水量和蒸散發(fā)量的值,得到扎龍濕地湖泡水庫(kù)的生態(tài)需水量結(jié)果如表5。

表5 扎龍濕地湖泡需水量

根據(jù)實(shí)地踏勘、歷史資料以及遙感圖像解譯結(jié)果,扎龍濕地內(nèi)主要的濕地植被為蘆葦群落。因此在計(jì)算濕地植被需水量中,選擇以蘆葦為主要植被計(jì)算扎龍濕地的植被生態(tài)需水量,得到結(jié)果如表6所示。

表6 扎龍濕地植物需水量

由于野生生物棲息地需水量是野生生物棲息、繁殖等活動(dòng)需要的基礎(chǔ)水量。扎龍濕地主要的保護(hù)物種為丹頂鶴,根據(jù)李興春[16]等學(xué)者的研究結(jié)果,扎龍濕地丹頂鶴需要的領(lǐng)地為350km2,遠(yuǎn)小于核心區(qū)的面積,此部分計(jì)算的水量屬于重復(fù)計(jì)算。因此,扎龍濕地需水量由湖泡、濕地植物兩部分組成,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 扎龍濕地生態(tài)需水量

根據(jù)以上的計(jì)算過(guò)程,計(jì)算湖泡水庫(kù)和濕地植被等需水時(shí)扣除了雨水的補(bǔ)充,蘆葦蒸騰僅扣除了生長(zhǎng)期(4—9月)的降雨,因此需要扣除其他月份的降雨。根據(jù)相應(yīng)的降雨量數(shù)據(jù),計(jì)算可得扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)和核心區(qū)對(duì)應(yīng)的蘆葦應(yīng)扣除的水量分別為34.48×106m3和17.57×106m3。最終扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)2002年的生態(tài)需水總量為5.40億m3,核心區(qū)為2.71億m3。

綜上所述,扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)2002年滿足5.40億m3適宜生態(tài)需水量時(shí),可以維持濕地湖泊、植被的現(xiàn)況,從而維系健康的濕地動(dòng)植物棲息地,其中蘆葦?shù)葷竦刂脖滑F(xiàn)狀的所需的生態(tài)需水量最大,約占濕地生態(tài)需水總量的93.3%。同時(shí),扎龍濕地保護(hù)區(qū)的最小生態(tài)需水量是維持濕地核心區(qū)生態(tài)健康所需的生態(tài)需水量,即濕地2002年最小生態(tài)需水量為2.71億m3。

李興春[15]和王建群等[16]計(jì)算扎龍濕地2002年的生態(tài)需水量時(shí),均以濕地1956—2000年多年平均的蒸散發(fā)氣象站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值作為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,未能考慮濕地復(fù)雜下墊面情況下現(xiàn)實(shí)的蒸散情況,其計(jì)算的扎龍濕地適宜生態(tài)需水量分別為5.09億m3和5.55億m3。而本研究利用實(shí)時(shí)的遙感數(shù)據(jù)反演得到的蒸散發(fā)量計(jì)算濕地的生態(tài)需水量,雖仍有一定偏差,但更加符合實(shí)際的現(xiàn)狀需水量的情況,為濕地水資源的平衡和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

根據(jù)遙感反演,同樣得到2010年和2016年的扎龍濕地的每月的降水量和蒸散發(fā)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)表8),通過(guò)上述計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)得到3個(gè)年份扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)和核心區(qū)對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水量(見(jiàn)圖10)。

表8 扎龍濕地平均降水量和蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)表/mm

圖10 2002—2016年扎龍濕地的生態(tài)需水量 Fig.10 Zhalong wetland corresponds to ecological water demand

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出,2002—2016年扎龍濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量的變動(dòng)范圍為5.40億m3—7.08億m3,濕地生態(tài)需水量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì),這與近年來(lái)扎龍濕地的恢復(fù)態(tài)勢(shì),濕地植被如蘆葦沼澤分布面積增加有關(guān)。根據(jù)遙感提取的下墊面土地覆被類型的變化,隨著人們對(duì)于濕地管理和保護(hù)意識(shí)的提升,2002—2016年扎龍濕地內(nèi)的耕地面積大約減少了95.96km2,水體面積雖無(wú)太大變化,但蘆葦沼澤的面積大量增加,濕地植被生長(zhǎng)旺盛造成蒸散發(fā)量也相應(yīng)升高。同時(shí),2002年、2010年和2016年扎龍濕地的年蒸散發(fā)量分別為518.87mm、553.19mm和625.98mm,扎龍濕地內(nèi)的蒸散發(fā)量在整體上是逐年升高的,增加了20.64%。因此基于需水量計(jì)算公式,扎龍濕地生態(tài)需水量必定是增加的。而核心區(qū)生態(tài)需水量的變化范圍為2.71億—3.32億m3,核心區(qū)的生態(tài)需水量也是逐年升高,但變化范圍沒(méi)有全區(qū)的變化大,主要是因?yàn)闈竦氐暮诵膮^(qū)是典型的濕地生境,分布著大量的蘆葦沼澤,15年間核心區(qū)土地利用/覆被變化不大,蒸散發(fā)一直較為強(qiáng)烈。

4 結(jié)論與討論

扎龍濕地結(jié)構(gòu)完整、功能齊全,是具有代表性的典型濕地生境,具有較高的科研價(jià)值。本研究根據(jù)所確定的生態(tài)需水量的計(jì)算方法,在運(yùn)用Landsat 系列數(shù)據(jù)使用SEBAL模型計(jì)算扎龍濕地蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)上,得到了扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)不同年份對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水量。扎龍濕地需水量由湖泡、濕地植物和濕地土壤需水量三部分組成,2002—2016年扎龍濕地保護(hù)區(qū)生態(tài)需水量的變動(dòng)范圍為5.40億—7.08億m3,核心區(qū)即濕地最小生態(tài)需水量變化范圍為2.71億—3.32億m3,需水量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì)。

由于人類活動(dòng)的影響,扎龍濕地的水資源逐漸減少,自然保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生過(guò)數(shù)次大火,其中2001年的大火持續(xù)10d,使得濕地內(nèi)損失慘重。因此,為了保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng),2001年開(kāi)始,水利部等部門(mén)建立了扎龍濕地應(yīng)急補(bǔ)水工程,連續(xù)幾年對(duì)濕地進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水,從本文的結(jié)果中可以看出此工程取得了較好的效果,扎龍濕地的濕地植被面積逐漸增加,植被旺盛的生長(zhǎng)導(dǎo)致蒸散發(fā)量的升高。為了滿足濕地內(nèi)的蒸散所需要的水量,2002—2016年濕地的生態(tài)需水量也相應(yīng)的增加, 濕地生態(tài)需水量的增加繼續(xù)促進(jìn)扎龍濕地生態(tài)補(bǔ)水、生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施,這也是維持濕地生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定的前提條件,最終實(shí)現(xiàn)扎龍濕地內(nèi)資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

濕地環(huán)境往往較為復(fù)雜,很多區(qū)域人為難以進(jìn)入。本文也缺少實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證中間參數(shù)及最終結(jié)果,另外遙感數(shù)據(jù)源的缺失也對(duì)最終生態(tài)需水量的估算造成影響。但隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步,遙感影像的時(shí)間和空間分辨率更高,這將會(huì)為遙感監(jiān)測(cè)濕地的地表溫度、蒸散發(fā)量等各種環(huán)境變量提供更為精確便利的數(shù)據(jù)源。同時(shí)隨著遙感反演模型的不斷改進(jìn),基于蒸散發(fā)量反演的濕地生態(tài)需水量估算將更加實(shí)用,為濕地保護(hù)區(qū)管理人員制定科學(xué)合理的補(bǔ)水方案提供科學(xué)建議。