遙感監測蒸散發對黃土高原旱區城鎮化的響應

代 秦，崔晨風,2*，翟羽婷，童山琳，金 武

（1.西北農林科技大學,陜西 楊凌712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100）

在各項自然因素對旱區蒸散發（ET）的影響中,下墊面土地利用類型占主導地位[1-2]。城鎮化的快速發展,導致我國旱區黃土高原的下墊面土地利用與土地覆蓋（LUCC）發生了巨大的改變[3-5]。大面積的農業用地和森林草地被道路、工廠和住宅等建筑物代替,導致下墊面的滯水性、滲透性和熱力狀況均發生了明顯變化,使得市區及其近郊的水文要素和水文過程發生相應變化,進而導致實際ET量發生劇烈變化[3,5]。李宏宇[6]等研究了干旱區不同下墊面能量分配機理以及對微氣候的反饋,得出高覆蓋度下墊面的凈輻射、感熱和潛熱相對更高的結論；陶瑋[7]等研究了城市化過程中下墊面改變對大氣環境的影響；曹富強[8]等進行了我國農田下墊面變化對氣候影響的模擬研究,得到下墊面對農田蒸發具有一定影響的結論。目前的研究主要集中在理論研究和定性研究上,針對某一區域的定量研究很少。傳統的ET測量方法,局限在點尺度或小范圍土地的塊尺度上,測量周期長、成本高、效率低,難以滿足區域尺度上的大規模監測；且傳統測量所得預報系統不夠完善穩定,具有嚴重的滯后性。鑒于此,利用衛星遙感技術,將遙感數據與地面數據相結合,可以更加精確地監測ET對區域城鎮化的響應機制。

黃土高原作為我國進行干旱半干旱農業研究的典型地區之一,研究其ET量對農業經濟的發展具有非常重要的意義。為了在水分缺少的旱區發展農業,必須了解LUCC對ET的影響,以獲得對區域水文循環和能量平衡更深入的認識,大力發展旱區農業。基于此,本文選取了黃土高原地區4種土地利用類型,研究其城鎮化發展對ET量的影響,為旱區發展模式、農耕模式制定以及結構調整等問題提供重要依據,對于實現水資源-生態-經濟-社會復合系統良性循環、區域可持續發展以及提高土地經濟利用效率具有非常積極的意義。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

黃土高原的總面積約為64.2萬km2,占世界黃土分布的70%,地域遼闊、海拔差異較大,海拔高度在1 000～4 000 m之間,處于我國第二級階梯區域范圍內。黃土高原具有獨特的自然生態特征,蘊藏著豐富的煤炭、石油、鋁土礦等資源；黃土顆粒細、土質松軟,含有豐富的礦物養分,利于耕作；盆地和河谷地區農墾歷史悠久,是我國古代文化的重要發源地之一。

1.2 數據來源

本文采用的氣象數據來源于中國氣象數據網（http://data.cma.cn/）地面資料的中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）,包括以34°～40°N、103°～114°E為研究區界線分布在黃土高原及其周邊98個國家氣象站點所收集的數據,如圖1所示。研究時間設定為2010－2015年,氣象數據包括站點最高和最低氣溫、相對濕度、風速等。本文采用的遙感數據主要分為兩類:①由地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）提供的GDEMV2 30 m 分辨率數字高程數據,數據空間范圍為34°～40°N、103°～114°E；②由地理空間數據云提供的MODND1D 中國 500 M NDVI 每天數據集,數據空間范圍為34°～40°N、103°～114°E,研究時間為2010－2015年。黃土高原的地形圖等數據通過全國地形圖在ArcGIS下裁剪得到。

1.3 研究方法

根據最新研究[1],經濟快速發展和人類活動范圍擴大導致LUCC發生了巨大變化,使得土地對ET影響所占的比重也逐漸增大。由于降雨稀少,旱區ET對于土地利用類型的變化最為敏感[3]。

本文采用衛星遙感數據與地面數據相結合的方式,統計2010－2015年黃土高原旱區4種土地利用類型站點的數量變化。本文結合ET 與ET0之間的系數關系,利用ET0代替ET,采用FAO灌溉排水叢書第56分冊推薦的Penman-Monteith公式計算不同土地利用類型城鎮化發展后ET0的相應變化。

Penman-Monteith公式為:式中,ET0為參考作物蒸發蒸騰量（單位:mm/d）；Rn為植被表面凈輻射量（單位:MJ/m2d）；G為土壤熱通量（單位:MJ/m2d）；Δ為飽和水汽壓—溫度關系曲線的斜率（單位:kPa/℃）；γ為濕度計常數（單位:kPa/℃）；T為空氣平均溫度（單位:℃）；u2為在地面以上2 m處的風速（單位:m/s）；es為空氣飽和水汽壓（單位:kPa）；ea為空氣實際水汽壓（單位:kPa）。

將實驗數據分為4組,并設置對照實驗,定量分析4種土地利用類型城鎮化后ET的變化量；再結合2010－2015年日均ET計算結果進行Matlab擬合整理,分析旱區內不同土地利用類型城鎮化對于ET的影響。

2 研究結果與分析

2.1 研究站點土地利用類型數量變化

在研究區內的98個站點中,本文選取水田、旱地、低覆蓋度草地和農村居民點4種土地利用類型進行統計分析（表1、圖1）。結果表明,2010－2015年4種土地利用類型站點數量變化較小。由于西北內陸地區缺水,因此大部分農業種植區域均為旱地,達37個,水田較少,只有3個；城鎮用地由20個增加為22個,農村居民點對應地減少了2個,城鎮化效應導致對應點的區域ET值發生了顯著變化。

表1 研究站點土地利用類型統計表/個

圖1 黃土高原下墊面土地利用類型分類

2.2 不同土地利用類型城鎮化對各季度ET的影響

實驗將研究內容分成水田城鎮化（PF to UL）、旱地城鎮化（DL to UL）、農村居民點城鎮化（RS to UL）和低覆蓋度草地城鎮化（LCG to UL）4組,并設置一直為城鎮用地的站點為對照組（UL）。以季節為時間尺度進行統計分析,與對照組進行比較,2010－2015年4種土地利用類型城鎮化對于ET的實際影響如表2～5所示。

表2 4種土地利用類型城鎮化對春季ET的影響/（mm/d）

表3 4種土地利用類型城鎮化對夏季ET的影響/（mm/d）

表4 4種土地利用類型城鎮化對秋季ET的影響/（mm/d）

表5 4種土地利用類型城鎮化對冬季ET的影響/（mm/d）

2.3 區域覆蓋變化對ET影響的趨勢分析

利用Matlab軟件對計算所得的2010－2015年日均ET結果進行線性擬合。結果表明,由于旱地原有的植被稀少,ET值處于一個較低的水平,而城市綠化導致大量外來植株移入,從而使日均ET大幅增加[9],因此旱地城鎮化后,日均ET值呈上升趨勢,變化率為0.045 8 mm/d/a；其他3種土地利用類型城鎮化后ET值均呈下降趨勢,變化幅度最大的是RS to UL,其ET值以-0.032 1 mm/d/a的速度下降,其次為LCG to UL,其日均ET值的變化率為-0.024 7 mm/d/a,PF to UL的變化幅度最小,其日均ET值變化率為-0.008 7 mm/d/a。從年尺度上進行分析,結果如圖2所示。

圖2 不同土地利用類型變化對ET的影響

3 結 語

本文研究了黃土高原旱區土地城鎮化對區域ET的影響問題,通過2010－2015年日均ET值的計算以及線性擬合,得出以下結論:

1）農村居民點和低覆蓋度草地擁有較多的樹木和綠草,土地城鎮化使其被消除,導致日均ET值逐年下降。

2）水田城鎮化的ET變化幅度最小,主要是由于城市的熱島效應彌補了一部分水面變成土地的ET減少量,因此旱區的水田年均ET值最接近城鎮用地的年均ET值。

3）旱地ET值呈上升趨勢,主要是由于旱地原有植被稀少,ET值處于一個較低的水平,而城市綠化導致大量外來植株移入,從而使日均ET值大幅增加。