基于MODIS的土壤含水量時空變化及干旱化程度分析

郭 燾, 于紅博,2, 馬梓策, 曹聰明

(1.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010022;2.內蒙古師范大學 遙感與地理信息系統重點實驗室, 呼和浩特 010022)

干旱作為一種較為嚴重的自然災害，影響范圍廣、持續時間長，嚴重影響農業生產和人類生活，每年全球由于干旱造成的經濟損失高達60～80億美元，遠高于其他氣象災害[1-2]。此外，隨著溫室氣體的增加，氣溫升高，造成土壤中潛在水分損失，而土壤含水量是評價干旱化程度的一個重要指標[3]。因此，了解土壤含水量時空分布特征變化對農牧業生態系統具有重要意義。目前，常用的土壤含水量測量方法主要分為實地測量法、土壤水分模型法、遙感法3種；其中，傳統的實地測量法精度較高，但是獲取數據慢、花費大量人力物力財力，難以實現大范圍監測的需要[4]；土壤水分模型法是用來模擬林地土壤水分變化的專用模型，通過模擬土壤水分垂直方向的運動，能夠精確地預測不同森林類型根系區土壤水分日變化值[5]；遙感技術雖然存在一定的局限性，但遙感數據以高的時空分辨率和實時監測的優勢，為大范圍區域土壤含水量的監測開辟了新的途徑[6-7]。

錫林郭勒草原位于生態防護帶的中心位置，具有極其重要的生態服務功能[8]。氣候屬于中溫帶半干旱、干旱大陸性氣候，降水量稀少，氣溫普遍偏高，蒸發過程速度快，引起土壤含水量降低，植被生產力下降，了解土壤含水量時空分布特征對該區域生態系統可持續發展具有重要意義[9-10]。研究選用地表含水量指數(SWCI，surface water capacity index)模型，利用MODIS遙感數據，獲得錫林郭勒盟的SWCI，然后結合野外實測數據對其進行修正和精度驗證，得到2000—2017年每年7月研究區土壤含水量空間分布圖。按照反演結果選取了枯水年(2007年)、平水年(2015年)和豐水年(2012年)3種年份，結合氣象數據對研究區生長季4—9月土壤含水量的動態變化進行分析；通過土壤含水量對研究區干旱化程度進行劃分，獲得干旱化程度分布狀況圖，分析不同年份不同地區的干旱化程度。以此了解錫林郭勒盟土壤含水量的空間分布特點以及區域干旱化程度，為抗旱減災決策、水利建設規劃和水資源保護提供科學依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒盟位于內蒙古自治區中部，地處東經115°13′—117°06′，北緯43°02′—44°52′，占地面積達20.26萬km2，海拔在800～1 300 m，既是國家重要的畜產品基地，又是西部大開發的前沿。錫林郭勒盟屬于中溫帶半干旱、干旱大陸性氣候，年平均氣溫在0～4℃,降雨量大多集中在7—9月份，平均降水量為200～350 mm，由西北至東南呈現遞增態勢。研究區主要的地帶性植被為草原，依水平地帶性分異，由西至東分別分布有荒漠草原、典型草原、草甸草原3個亞型。錫林郭勒盟是西北干旱區向東部濕潤區過渡的地帶，也是響應全球變化的敏感區域之一[11]。地理位置以及實測樣地路線如圖1所示。

圖1 錫林郭勒盟地理位置

1.2 數據來源及處理

所用MODIS遙感數據為美國航空航天局(NASA)提供的2000—2016年的部分遙感影像數據，為8 d合成數據，空間分辨率為500 m。利用MRT軟件對選取的遙感數據進行投影變換和鑲嵌，篩選出研究所需要的波段(6，7波段)，運用ENVI 5.3進行波段整合、裁剪和運算，得到土壤含水量反演圖，采用Albers(雙標準緯線等積圓錐)投影。在ArcGIS 10.3軟件中制圖。

氣象數據(降水量、氣溫、氣壓、水汽壓、風速和相對濕度)均由國家氣象數據共享服務平臺提供，運用SPSS軟件，進行配對樣本T檢驗，得到各氣象要素與土壤含水量之間的相關性。

1.3 地表含水量指數(SWCI)

水分吸收高峰與植被土壤反射低谷波段相近，MODIS遙感數據中6，7波段分別對應水反射高峰和植被土壤反射低谷，對水分反射率變化較為敏感，且6，7波段有極為相同的大氣散射和輻射值，因此可以根據6，7波段計算得到地表含水量指數(surface water capacity index，SWCI)，計算公式如下[12]：

(1)

式中：b6，b7分別為第6、7波段反射值。

所得結果為日均值，將影像所占天數作為權值合成為月SWCI數據，為使反演結果更加精確，用野外實測的土壤體積含水量數據(2013年7—9月、2014年5—6月0—50 cm土層)與同期遙感反演對應點的數據建立了相關模型。選擇SWCI數據為自變量，0—50 cm土壤含水量實測數據為因變量，建立關系模型，用來修正遙感反演結果，5個月的關系模型分別如下：

(2)

(3)

Y7=0.0521e3.6254b7R=0.744

(4)

(5)

(6)

式中：Ya表示a月的土壤含水量；ba表示a月的SWCI值。

1.4 遙感反演結果驗證

采用2017年的土壤含水量實測數據對同期遙感反演結果進行點上的驗證。

1.5 干旱化等級劃分

基于土壤含水量的干旱化程度劃分，一般根據土壤相對濕度進行劃分，將土壤的相對濕度換算為土壤體積含水量，可得到由土壤體積含水量劃分的干旱化等級[2](表1)。

表1 土壤含水量的干旱等級

注:RMS為土壤相對濕度,SVM土壤體積含水量。

1.6 豐、平、枯水年計算標準

目前國內比較常用的分析豐水年、平水年、枯水年的標準如下：

2 結果與分析

2.1 土壤含水量空間變化特征

由此利用錫林郭勒盟2000—2017年每年7月，2007年(枯水年)，2012年(豐水年)，2015年(平水年)生長季4—9月的遙感影像和土壤體積含水量實測數據，反演得到土壤體積含水量空間分布圖(附圖1)。

由2000—2016年大量遙感反演結果可知，2000—2016年研究區土壤含水量空間分布自西南向東北均呈條帶狀逐漸增加趨勢。其中，研究區西南部的蘇尼特左旗、蘇尼特右旗和二連浩特市生長季土壤含水量均為3%～11%，主要是因為該區域草原類型為荒漠草原，土壤固水能力較差，土壤含水量最低；南部的太仆寺旗與多倫縣屬于農牧交錯區，通過農業灌溉用水補給，導致土壤含水量較多，且多倫縣擁有豐富的水資源與森林資源，因此，土壤含水量偏高；中部偏東的大部分地區土壤含水量基本在11%～15%，主要為典型草原；研究區的東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗東北部土壤含水量最高，均在15%以上，主要為草甸草原。

以平水年土壤含水量空間分布圖作參考，在2012年的豐水年時期，研究區土壤含水量豐沛；在2007年的枯水年時期，研究區土壤含水量低值區從西南向東部延伸，土壤干旱化嚴重。其中，東烏珠穆沁旗中西部、西烏珠穆沁旗西部、錫林浩特市、阿巴嘎旗北部和太仆寺旗在不同年份中的土壤含水量變化幅度明顯高于其他地區。

2.2 土壤含水量時間變化特征

2000—2017年7月份的土壤含水量和降水量變化趨勢如圖2所示。土壤含水量和降水量變化趨勢基本一致，2012年7月土壤含水量最大，2017年7月土壤含水量最小；在豐水年，7月份降水量充沛，地面有充足的水分補給，土壤含水量增大；在枯水年，降水量稀少，且由于植被處于生長旺季，植被蒸騰作用散失了大量水分，水分收支嚴重不平衡，支出遠遠高于補給，因此，枯水年土壤干旱化程度嚴重。

圖2 錫林郭勒盟2000-2017年7月土壤含水量和降水量變化趨勢

圖3為錫林郭勒盟生長季4—9月份土壤含水量變化曲線，曲線的位置隨枯水年、平水年和豐水年基本呈上升的趨勢。其中，研究區4—5月份為非雨季，降水量稀少，土壤含水量主要為冬季冰雪融水供給，因此4—5月份土壤含水量變化幅度較小，在11%上下波動；研究區6—7月份為雨季，土壤含水量隨著降水量的增減而增減，因此不同年份土壤含水量變化幅度具有明顯差異，在9%～11%波動；8月份，土壤含水量基本為生長季最低值，主要是由于此時降雨減少，氣溫仍較高，植被處于生長旺季，植被蒸騰土壤水分蒸發仍然較大，因此土壤失水較多；9月份土壤含水量有回升趨勢，雖然雨季已過，降水量減少，但是氣溫下降，植被大部分枯萎，植被蒸騰土壤水分蒸發減少，因此，土壤含水量有所回升。

2.3 土壤含水量與氣象要素的相關性分析

用SPSS軟件分析了2000—2017年錫林郭勒盟的土壤含水量與氣象因素之間的相關性，結果見表2。由此可知，研究區的土壤含水量與降水量、水汽壓和大氣相對濕度均呈正相關，且均通過顯著性檢驗(p<0.01)；土壤含水量與氣溫呈負相關，且通過顯著性檢驗(p<0.01)；土壤含水量與大氣壓、風速呈負相關，且沒有明顯的相關性(p>0.05)。錫林郭勒盟屬于中溫帶半干旱—干旱大陸性氣候，主要植被類型為草原，土壤水分供給大部分來源于自然降水，隨著降水的增減而增減；在生長期植物處于生長旺季，溫度偏高時，蒸騰和蒸發量增加，會大量消耗土壤中的水分，因此，土壤含水量降低。

圖3 錫林郭勒盟生長季4-9月份土壤含水量變化曲線

表2 錫林郭勒盟土壤含水量與氣象因素相關性

降水量偏多、氣溫偏低的年份土壤含水量普遍偏高，降水量偏少、氣溫偏高的年份土壤含水量相應降低。降水量和氣溫是土壤含水量大小的主要限制因子。

2.4 基于土壤含水量的干旱化分析

根據表1，對豐、平、枯年生長季4—9月份的土壤含水量進行月平均，得到3個年份的生長季月平均土壤含水量，按照干旱等級進行劃分，利用ArcGIS 10.3進行面積統計，分析錫林郭勒盟不同年份不同區域的干旱化程度(表3，附圖2)。

錫林郭勒盟的干旱化程度主要以中度干旱為主，均高達40%以上，重度干旱面積所占比例最小，約為1%～2%，無干旱和輕度干旱適中。在枯水年2007年，中度干旱面積明顯增加，達到79%，干旱化程度嚴重；在平水年2015年，中度干旱面積為52%，無干旱和輕度干旱面積占比較枯水年明顯增加；在豐水年2012年，無干旱面積明顯增加。

表3 錫林郭勒盟生長季干旱化等級面積及比例

由附圖2可知，2015年(平水年)，蘇尼特右旗、二連浩特、蘇尼特左旗、鑲黃旗、正鑲白旗、阿巴嘎旗、錫林浩特、東烏珠穆沁旗西部、西烏珠穆沁旗西北部的大部分區域表現為中旱；正藍旗、多倫縣、太仆寺的大部分區域表現為輕旱；東烏珠穆沁旗中部和東部、西烏珠穆沁旗東部的大部分區域無旱情。2012年(豐水年)，蘇尼特右旗、二連浩特、蘇尼特左旗阿巴嘎旗、錫林浩特北部、東烏珠穆沁旗西部的大部分區域屬于中度干旱；阿巴嘎旗北端、正藍旗部分區域表現為輕度干旱，東烏珠穆沁旗中部和東部、西烏珠穆沁旗、錫林浩特南部、正鑲白旗、正藍旗南部、多倫縣、太仆寺的大部分區域無干旱情況。2007年(枯水年)，除東烏珠穆沁旗東部、西烏珠穆沁旗東部、錫林浩特南部、多倫縣的少部分區域無旱情外，其余絕大部分區域均呈現中度干旱。

在分析的3個年份中，蘇尼特右旗、二連浩特、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、鑲黃旗長期處于中度干旱狀態；東烏珠穆沁旗東部、西烏珠穆沁旗東部、多倫縣大部分時間無旱情發生。枯水年干旱覆蓋范圍最廣，豐水年干旱覆蓋范圍最小，平水年適中。

3 結 論

(1) 2000—2017年研究區土壤含水量空間分布自西南向東北均呈條帶狀逐漸增加趨勢，荒漠草原<典型草原<草甸草原。豐水年，研究區土壤含水量豐沛；枯水年，土壤含水量低值區從西南向東部延伸，土壤干旱化嚴重；其中，不同年份的東烏珠穆沁旗中西部、西烏珠穆沁旗西部、錫林浩特市、阿巴嘎旗北部和太仆寺旗土壤含水量變化幅度明顯高于其他區域。

(2) 在研究區植被生長季，4—5月份的土壤含水量變化幅度不大；6—7月份的土壤含水量隨著降水的增減而增減；在8月份，土壤含水量基本達到生長季最低值；9月份土壤含水量有回升趨勢。

(3) 研究區土壤含水量與降水、水汽壓和相對濕度呈正相關關系(p<0.01)，與氣溫呈負相關關系(p<0.01)，與大氣壓、風速呈負相關，但沒有明顯的相關性(p>0.05)。

(4) 研究區土壤干旱化程度嚴重，主要以中度干旱為主，無干旱和輕度干旱適中，重度干旱面積最小。以錫林郭勒盟平水年的干旱化程度狀況圖為標準，在豐水年，中度干旱面積明顯減少，轉化為無干旱和輕度干旱區；在枯水年，中度干旱面積明顯增加，無干旱和輕度干旱地區明顯縮減。所分析的豐、平、枯3個年份，蘇尼特右旗、二連浩特、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗、鑲黃旗長期處于中度干旱狀態；東烏珠穆沁旗東部、西烏珠穆沁旗東部、多倫縣大部分時間無旱情發生。