基于NDVI科克苏湿地蒸散量时空变化特征分析

阿依努·吐逊，张青青*，徐海量，闫俊杰

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；3.伊犁师范大学，新疆 伊宁 835000)

【研究意义】蒸散量是生态系统水分平衡的重要指标，植物光合作用与生态系统生产力密切相关，在湿地生态系统中还可作为评价其功能的重要指标[1]。水分输入和输出的动态平衡在陆地和水生生态系统之间为湿地创造了调节功能，其中蒸散量作为湿地与大气之间水热交换的主要方式，对湿地水位和气象条件有较大影响。蒸散量是地表水分循环和热量循环的重要环节，是区域水热平衡的重要指标[2]，在植被生态系统耗水中占有重要比例，量化区域生态系统蒸发与植被变化及其相互关系，对开展湿地生态系统资源分配具有重要指导价值[3]。在科学技术不断进步的背景下，遥感技术应运而生，开始为蒸散量测定注入了新的活力，这一技术搭配涡度相关法，可以得出比较精确和有效的测定结果，研究湿地蒸散量变化规律，对于当地水资源合理分配、利用与管理具有重要的意义。【前人研究进展】目前，已有多个世界机构和科研团队公开发布了不同时间及空间尺度的蒸散发与植被遥感的成品数据；由于蒸散与植被生产力具有良好相关性，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)可以用于衡量植被的生长状况和植被覆盖度的最佳动态监测的有效指标[4-5]。而MODIS NDVI数据则是植被动态监测中被广泛采用的数据[6-7]。Srivastava等[8]以印度干旱区作为研究课题，对植被指数以及植物干物质产量之间存在的联系进行深入的分析，确定了累计NDVI与蒸散量之间存在的具体联系。Kerr等[9]利用积累NDVI估算了非洲的蒸散量。2006年，乔平林等[10]使用MODIS图像获得了一种利用遥感图像反演大面积地表蒸散的研究方法；杨秀芹等[11]基于遥感技术开展了淮河流域MOD16-ET数据的精度验证工作，并对2000-2014年淮河流域的蒸散发时空分布情况进行了深入分析。周妍妍等[12]利用MODIS数据和SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型反演了疏勒河流域蒸散量时空动态。冯飞等[13]在MOD16产品估算的基础上，对三江平原的蒸散量时空分布情况进行了深入分析。至今，还未出现能够准确及直接测量蒸散量的方法，大都是根据气象站的气象资料，采用理论公式或者经验公式来计算获得蒸散量，或通过蒸发皿法和蒸渗仪法获取蒸散量。只能代表较小区域或某一种植被类型的蒸发情况，对于大区域或流域蒸散量的获取要进一步研究。【本研究切入点】本文利用2018-2019年涡度相关观测系统测得的蒸散量数据和NDVI遥感数据结合建立模拟关系，通过回归分析法反演科克苏湿地蒸散量的空间变化格局与演变规律。【拟解决的关键问题】以科克苏湿生态系统为研究对象，用涡度相关法定量分析湿地蒸散量的时间变化规律，并利用MODIS MOD13Q1产品的NDVI数据和常规地面用涡度相关观测系统实测的ET数据相结合，估算并分析科克苏湿地植被覆盖度及蒸散量的空间变化特征，为区域湿地发展、退化湿地植被恢复与重建、水资源分配与合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域

科克苏湿地自然保护区位于新疆阿勒泰市西南部，47°28′31″～47°40′9″N，87°9′12″～87°34′59″E。该保护区有2条河流相汇，湿地在两者作用之下形成。科克苏湿地自然保护区存在多种湿地类型。湿地总面积964.82 km2，东西长20.8 km，南北宽20.2 km，海拔高度476～796 m；每年平均温度4.9 ℃，最高温可达39.5 ℃；最低温可达-46.7 ℃；大于5 ℃的年积温3087.4 ℃；大于10 ℃的年积2794.7 ℃；年累计日照时间2825～2960 h。平均年降水量和蒸发量分别为112.6、2000 mm[14]。本研究区包括平原河谷北屯区域，地区生态环境相对较好，科克苏湿地形成于额尔齐斯河与其支流克兰河交汇的三角地带，克兰河在此分叉散失，二者共同形成了科克苏湿地，包括河流、沼泽(森林沼泽和草本沼泽)、滩地(河滩和湖滩)、盐沼等多种湿地类型。微地形的变化和对地表水分的再分配，导致了研究区内土壤水分梯度的剧烈变化，形成了草原、草甸、沼泽、森林、河流、湖泊等多种景观类型，同时也孕育了复杂多样的植被类型[15-16]。科克苏湿地主要的优势种是巨序剪股颖小糠草(Agrostisgigantea)、芦苇(Phragmitesaustralis)、水烛(Typhaangustifolia)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

1.2 研究方法

本文采用美国LI-COR公司的LI-7500DS涡度相关开路通量系统对科克苏湿地进行仪器安装和监测。该系统主要由开路式三维超声风速仪(CSAT3，Campbell Scientific Inc.，USA)、CO2/H2O红外分析仪(LI-7500，Li-COR Inc.，USA)和数据采集器(CR5000，Campbell Scientific Inc.，USA)组成。通量观测系统架设在地势平坦开阔的典型天然草地上，符合通量观测对下垫面的要求，仪器高度距地面2.5 m，采样频率为10 Hz，分别用来测定CO2、水汽脉动，并通过数据采集器CR5000记录和存储10 Hz 的原始通量数据。数据记录时间间隔为30 min，每自动记录一次水汽和CO2通过观测面的通量，自动将水汽单位转换成mm。

MODIS 植被指数产品来自于美国地质勘探局(http://glovis.usgs.gov/)中的 MODIS NDVI数据(MOD13Q1)。其空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，选取2018和2019年每年4-10月的 MODIS NDVI数据，作为研究区植被生长状况和类型的反映。

1.3 数据分析

对于涡度相关观测系统得到的10Hz原始湍流数据运用Logger Net软件进行格式转换(TOB3-TOB1)，采用美国LI-COR公司研发的Eddy Pro软件进行系列校正计算，包括异常值及野值点剔除、坐标旋转修正、频率损失修正、超声虚温修正、空气密度效应修正(WPL修正)等基本处理，得到采样间隔为30 min的通量数据，然后经过大气平稳性检验、总体湍流特征检验等初步质量控制。

植被蒸发量指采用涡度通量仪器测算两种情况下的湍流脉动值，一方面是潜热，另一方面是显热。其计算公式为：

(1)

式中，E为瞬时蒸发量值，ρ为空气密度，w为垂直风速，q为湿度的瞬时脉动值。

采用ENVI+IDL软件对遥感数据进行处理，将HDF文件转换为Geo tiff格式，再进行投影转换。为了降低噪音信息，获得代表植被生长最好状况的年NDVI数据，将NDVI数据进行两方面的合成处理，一方面是最为核心的MVC，另一方面是容易忽略的Savitzky-Golay滤波。

通过NDVI与蒸散量建立关系，利用关系模型估算得到科克苏湿地蒸散量的空间变化和空间分布图。最后为保证蒸散量数据与NDVI数据的空间匹配。

2 结果与分析

2.1 蒸散量(ET)的时间变化特征

科克苏湿地植被生长季为4-10月，湿地蒸散量年内分布呈现先增大后减小的单峰型分布趋势。由图1可以看出，蒸散量从4月开始增加，7月达到最大，为313.31 mm。7月后，蒸散量开始下降。2019年，科克苏湿地月蒸散量在4-5月增加78.79 mm，比2018年同月增加35.02 mm；2018年，6-8月月蒸散量分别为140.86、243.73和313.31 mm，比2019年同月增加13.91、10.77和10.22 mm；2019年9-10月蒸散量分别为127.69和45.07 mm，略高于2018年9-10月。

2.2 蒸散量(ET)的空间变化特征

利用监测样点实测的月ET数据，并提取样点所对应的月NDVI数据，建立两者回归分析模型。由图2可知，研究区ET随NDVI的增加逐步增加，其线性回归方程为y=253.45x+0.6231，决定系数R2=0.8905，P<0.001(其中，x为NDVI，y为ET)，表明 NDVI和湿地ET的拟合效果良好，呈显著正相关关系。植被多的区域对应ET高值区域，说明ET空间分布是由地区的植被覆盖情况决定的。

通过NDVI与ET的回归关系，反演ET不同时间段的空间变化(图2)。湿地生长季平均蒸散量具有较强的空间异质性，科克苏湿地ET变化特征与植被覆盖的地带性变化大体一致。植被覆盖度高的地方，蒸散量较高。利用2018-2019年平均ET数据分析科克苏湿地蒸散量的空间特征。并按ET的大小划分(<50 mm)、(50～100 mm)、(100～150 mm)、(150～200 mm)、(>250 mm)5个等级。

由图3和表1可知，ET从东南到西北逐步增加，东南区降水稀少，植被稀疏，ET减小。2018和2019年，全区2.26 %和3.22 %的区域ET<50 mm，全区18.05 %和8.55 %的区域ET为50～100 mm，中部平原区水分充足，日照充足，植被ET位于150～200 mm的比例最大，为34.93 %和36.15 %，其次是ET>200 mm，比例为30.98 %和31.34 %；再次是ET位于100～150 mm，比例为23.78 %和20.74 %。

表1 研究区2018-2019年均植被ET等级比例 Table 1 Proportion of ET average vegetation percentage in study area from 2018 to 2019 (%)

(1)2018年不同月份ET的空间变化特征。由表2可知，4月全区植被ET以<100 mm和100～150 mm为主，两者占全区域的比例分别为69.14 %和16.65 %，平均ET为40.10 mm，植被ET主要分布在东南西北区和中部。5月ET逐步由<100 mm变为100～150 mm，达到34.36 %，ET位于150～200 mm的面积分布区也向周围蔓延，比例为20.75 %，平均ET值为87.30 mm；6-7月水分多，为植被生长旺季及植被ET最高期，2个月ET >250 mm的比例分别达到54.49 %和80.63 %，ET<100 mm和位于100～150 mm的比例则有不同程度减少，ET位于200～250 mm的比例分别为20.55 %和9.86 %。8月植被开始衰败，植被蒸散量下降，ET>250 mm的区域面积占51.27 %，ET位于150～200 mm和200～250 mm的比例增加，分别为20.88 %和20.40 %；9月，ET >250 mm的比例减少到了3.12 %，ET位于100～150 mm和150～200 mm的比例增加，分别为30.97 %和31.23 %；10月，ET <100 mm的面积最大，比例达到45.66 %，其次ET位于150～200 mm的比例增加，达到32.38 %。全区平均ET值为126.35，ET >250 mm的比例最大，为45.48 %。

表2 研究区2018年月平均ET及ET等级比例 Table 2 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2018 (%)

(2)2019年不同月份ET的空间变化特征。从表3可知，4月ET位于<100 mm、100～150 mm的比例分别为71.22 %、18.36 %，平均ET值为38.08 mm；5月，植被ET面积增加，ET逐步由<100 mm变为100～150 mm，主要向西北区域蔓延，比例为22.56 %和28.77 %，平均ET值为112.65 %；6-7月，植被ET分布格局几乎一致，以ET >250 mm为主，分别在西北、中部及东南的部分区域，两个月份的比例分别为59.23 %和77.84 %，ET为于200～250 mm的比例分别为19.72 %和12.10 %，ET位于150～200 mm的比例分别为12.34 %和6.07 %，平均ET值为203.20和225.82 mm；8-10月，科克苏湿地植被ET逐步下降，8月ET位于>20 mm的面积减少到30.67 %，ET位于150～200和200～250 mm的比例增加到29.11 %和23.97 %；9月， ET位于100～150和150～200mm的比例增加到了40.21 %和29.46 %，10月，ET位于<100 mm和100～150 mm的比例增加，分别为65.47 %和17.54 %，其他等级不断减少。全区平均ET值为126.86 mm，ET位于>250 mm的比例最大，为41.50 %。

表3 研究区2019年月平均ET及ET等级比例 Table 3 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2019 (%)

2.3 蒸散量(ET)年变化率的空间变化特征

由图4和表4可知，科克苏湿地植被ET的变化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例为27.90 %，主要位于中部和西北区；ET变化率< -36 mm·a-1的比例为20.91 %，主要位于西北区；ET变化率为0～23 mm·a-1的比例为24.04 %，空间上主要分布于东南和西北区；ET变化率为23～61 mm·a-1的比例为18.46 %，空间上主要位于东南和西北区；ET变化率> 61 mm·a-1的比例为8.69 %，空间上主要位于东南、中部及西北区域零星分布。

表4 蒸散量年变化率等级比例 Table 4 Grade ratio of annual change rate of evapotranspiration (%)

3 讨 论

蒸散量对湿地的生态平衡非常重要，是水文和生态之间的纽带。对于生态环境差的湿地，研究其蒸散量的发展变化趋势，对当地的农牧发展、生态环境的治理和重建意义重大[17]。科克苏湿地地区降水量较多，地下水位较高；又处于干旱区，蒸散量在空间上的分布主要取决于水分和热量状况，而且植被分布也与水文地质条件有密切关系。孙睿等[18]建立了年蒸散量与累积NDVI及相对湿润指数之间的关系，对黄河流域近20年地表蒸散的时空分布进行分析，得出年平均年蒸散量为389 mm。闫俊杰等[19]利用MODIS的蒸散量(ET)和NDVI数据对塔里木河干流植被覆盖和蒸散发蒸散量(ET)时空变化及其关系进行分析，发现，空间上全区48.8 %区域的NDVI发生降低，主要集中在中段，而ET比例达则高达70.5 %，广泛分布于中段及下段。袁国富等[20]研究塔里木河干流下游收集到的数据，发现植被覆盖和蒸散量成正比关系，与本结果相近。通过以上分析结果可见，本文采用MODIS NDVI估算科克苏湿地蒸散量，在不同等级的ET估算中可以发现，4月植被逐渐复苏，降水也较丰沛； 5月植被处于生长旺季，蒸散量不断增加；6-7月是植被生长旺盛时期，植被的蒸腾以及土壤的蒸发作用较强，使蒸散量迅速增加，因此这2个月的蒸散量较大；9-10月天气变冷，植物生长缓慢，并开始凋落，蒸散量开始降低。地表入射量、区域气候情况、地表下垫面条件与地表蒸散量息息相关[21]，同时，土壤缺水，其他条件不变的情况下，水源的多少决定了地表蒸散量的大小[22]。由于时间尺度较短，还需进一步研究在较大程度上改变ET与植被及气象等因素的时空匹配特征，以便为科克苏湿地加强区域蒸散量监测，能够帮助分析区域湿地需水量，为水资源的有效利用和管控提供帮助。

4 结 论

(1)2018-2019年，科克苏湿地蒸散量年内分布呈现先增大后减小的单峰型分布趋势，从4月开始，蒸散量逐渐增加，蒸散量波动范围分别为42.99～313.32 mm和45.38～302.53 mm。两年峰值出现在7月12日，ET日变化值分别为11.42和10.87 mm。

(2)湿地蒸散量实测值与 MOD13Q NDVI 产品之间的相关系数较高，y=253.45x+0.6231(R2=0.89)，得出的结果能研究该地区的蒸散量提供帮助。

(3)2018和2019年ET空间分布看，湿地平均蒸散量具有较强的空间异性规律，呈出现东南低西北高的变化趋势，该特征与植被覆盖的地带性变化大体一致，2018-2019年4-10月蒸散量平均值分别为126.35和126.86 mm；从ET的变化率来，2018-2019年湿地植被ET的年变化率多位于-36～0 mm·a-1，其比例为27.90 %，空间上主要位于中部和西北区。