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标题 马海绿洲区植被与地下水位埋深的定量关系
范文 刘圣 娄华君 贾绍凤 闫国振 项洋旭



摘要：干旱区生态环境脆弱，降水稀少，绿洲植被的生长与地下水关系密切。运用2011年8月Landsat ETM+遥感数据计算提取归一化植被指数（NDVI），结合地下水位埋深观测数据，从大尺度上定量研究鱼卡河流域下游马海绿洲区地下水水位埋深与植被的生长关系。研究表明：马海绿洲适宜植被生长的地下水水位埋深范围为3～4.5 m；地下水位埋深为3.2 m的区域，植被的生长发育最好；影响植被生长的临界地下水位为4.5 m。通过比较马海绿洲、额济纳绿洲和银川平原植被区等三个中国典型内陆干旱区的研究结果发现，植被与地下水位埋深的相关性有显著的差异。
关键词：地下水位埋深；遥感归一化；植被指数；鱼卡河；马海绿洲
中图分类号：P641；Q948 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0001-05
绿洲是维系干旱地区人类生存和社会经济发展的重要依托，也是干旱荒漠地带中的一种独具特色的生态景观[1-2]。植被是荒漠绿洲生态系统中重要的组成部分，同时也是区域水循环系统中重要的因素之一[3]。Eamus等[4]研究发现，当干旱区的地下水位处在植物的根系层范围内时，植物的生长必然依靠地下水来维系。在我国西北内陆盆地，由于气候干旱，降水稀少，地表蒸发量极大，植被生长主要依靠根系吸收地下毛细水，当地下水埋深较浅时，毛细水带供给植被根系水分较为充足；当地下水埋深较深时，毛细水带供给植被根[HJ1.8mm]系水分较少。当地下水埋深超出植被生长的生态水位范围时，植被生长会受到抑制甚至枯萎死亡，干旱区绿洲会发生退化[5]。因此，研究绿洲区植被生长状况和地下水的相互关系，对保护西北内陆盆地生态环境、合理配置水资源具有深远的意义。
近年来，地下水与地表植被关系的研究日益受到国内外众多学者的重视。在国外，Gong等[7]利用ETM数据研究了美国加利福尼亚某高山草甸，发现该地区的NDVI值与地下水埋深呈正相关关系；Cooper等[8]对美国科罗拉多圣路易斯河谷区地下水相同埋深区间的植被群落进行监测，发现地下水位的下降会导致湿地植被衰减并逐步被灌木植被取代；Gries等[9]基于大量的野外观测数据，较为系统地研究了植物个体形态和生物量与地下水位的关系；Dawson等[10]研究了美国犹它州的槭树林与地下水的关系，发现其蒸腾的水分主要来自地下水，与降水和地表水相关性很低；Miller 等[11]定量研究了美国加利福尼亚半干旱的奥克兰稀树草原植被的需水量，结果表明干旱季节植被对地下水的月吸收量为4～25 mm，约占植被生长季节蒸散量的89%；Naumburg等[12]通过对干旱区植被种群覆盖度与地下水水位关系的研究，提出了“xeric phreatophytes”的概念，探讨了部分植被物种与地下水的依存关系。在国内，金晓媚等[13]探讨了银川平原植被覆盖率与地下水埋深的关系，提出最适宜植被生长的地下水位；薛忠歧等[14]以NDVI为参考指标，结合额济纳绿洲地下水埋深以及植被地面景观调查，采用对比分析法得出最适宜植被生长的生态水位；陈亚宁等[15]对塔里木河下游断流河道植被与地下水监测资料分析，探讨了当地地下水位对植被的组成、分布及生长状况有直接关系；王根绪等[16]采用绿洲生态斑块动态模拟、植被与水盐状态相关分析、生态需水量估算等方法，研究额济纳旗地区上游水资源不同供给情况下，下游绿洲生态演变趋势和可能的保存规模；任建民等[17]在塔里木河和黑河流域对典型植物进行随机抽样调查，建立了干旱区非地带性植被生长与地下水位关系的对数正态分布模型，并计算得出了干旱区不同典型植被生长于地下水位埋深的关系。
以上研究主要是基于实地野外调查资料、数学分析方法、经验公式以及中低分辨率遥感图像来探讨干旱区绿洲和地下水的关系。本文以柴达木盆地北缘鱼卡河下游极端干旱的马海盆地绿洲区为研究对象，通过Landsat ETM+遥感数据计算绿洲区NDVI值并结合实地观测得到的地下水埋深数据，定量研究马海绿洲植被与地下水埋深的关系，为实现当地工农业生产和生态文明建设和谐发展提供理论依据。
1 研究区概况
1.1 自然地理概况
马海盆地位于青海省海西州，柴达木盆地北缘，东经93°30′-96°00′，北纬37°56′-38°20′，包括马海盆地及其周围土尔根大坂山、达肯大坂山和赛什腾山区，总面积约9 767 km2。马海盆地是一个小型封闭的内陆干旱盆地，根据1968年-2010年气象统计资料，马海盆地多年年均降水量为29.6 mm，多年年均蒸发量为3 040 mm，气温年平均1 ℃～3 ℃，多年平均2.1 ℃，属于典型的高原大陆性荒漠气候，具有高寒缺氧、干旱少雨、蒸发强烈、风多沙大等特点[18]。
鱼卡河是马海盆地内唯一常年性内陆河流，属于柴达木内陆水系，发源于达肯大坂北坡和土尔根达坂山南坡，全长169 km，流域面积2 352 km2。河流流量旱季、雨季相差悬殊，流量极不稳定。流域上游有大面积冰川分布，径流以冰雪融水补给为主，鱼卡河下游进入马海盆地戈壁平原后，沿途大量渗漏，成为平原区第四系孔隙水的主要补给来源。嗷唠河是源于东部山间平原下游的泉集河，属于季节性河流，年内最大流量 [18]。马海绿洲区位于鱼卡河下游嗷唠河支流三角洲地带，面积约为475 km2（图1）。近年来，由于鱼卡河中上游工业化进程的加快，工业用水量逐年剧增，导致鱼卡河下游的水量呈逐年下降的趋势，同时区域水文条件和土壤环境也发生明显变化，严重影响了马海绿洲植被的生长。
1.2 水文地质条件
马海盆地绿洲区地下水含水系统属于平原区第四系松散岩类孔隙含水层系统，其中马海盆地内山前戈壁带及细土平原上部主要为潜水，赋存于冰水堆积及冲洪积的砂卵砾石层、砂砾石层（含泥砂砾石层）和砂层（Q3-4）中；细土带主要为承压-自流水，赋存于不同深度的冰水湖积砂砾石层、含砾中粗砂层（Q3）中；盐沼带主要为自流水，赋存于湖积粉细砂层（Q3）中。
马海盆地绿洲区气候干旱，多年平均蒸发量是多年平均降水量的10倍，降水对地下水的补给几乎毫无意义。区内地下水主要来自山区冰雪融水和降水汇集的河流补给。地下水径流条件受地形及岩性构造的影响，山前戈壁平原区的地形坡降大，岩性松散，地下水径流畅通，水位埋藏较深；细土平原区的地形坡降变缓，岩性颗粒变细，地下水径流条件变差，水位埋藏变浅；在湖沼平原区的地形平坦，岩性颗粒变得更细，地下水水平运动滞缓，浅部水出露地表，形成泉集河。地下水排泄主要发生在细土带前缘及湖沼地带，地下水溢出地表形成沼泽及泉群，最终消耗于蒸发。另外，在细土平原及湖沼平原区，生长着茂盛的牧草、芦苇和灌木丛，大量的叶面蒸腾作用，也是该区地下水排泄的主要途径。
2 研究资料与方法
2.1 数据来源
本次研究采用2011年8月Landsat ETM+数据，空间分辨率为30 m，来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//www.gscloud.cn）。通过 ENVI遥感图像处理软件，对数据进行辐射定标、大气校正等预处理后，选择红光和近红外波段（即ETM+数据的第3、4波段）计算NDVI值。
地下水水位埋深数据来源于2011年8月马海绿洲区实地地下水水位埋深统测，见表1。[FL）]
NDVI经过比值处理后，可以部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形和大气条件相关的辐照度条件变化的影响，易于区分主要的陆地覆盖类型。NDVI值在[-1，1]范围内，负值或接近于0，代表无植被的水体和裸地；正值代表有植被覆盖。本研究利用2011年8月Landsat ETM+数据，计算得到马海绿洲NDVI指数栅格图像，其空间分辨率为30 m×30 m。
在马海绿洲区，共分布15个地下水水位观测孔（图 2）。在ArcGis中利用Spatial Analyst空间分析模块对2011年8月实测水位埋深进行Kriging空间插值（30 m×30 m），得到与NDVI分辨率一致的地下水位埋深栅格数据。基于地下水位埋深和NDVI两幅栅格图像，在马海绿洲区同一个位置上能各得到地下水位埋深和NDVI两个数值，整个研究区能得到50多万个这样的数据对。本文取地下水位埋深相同的数据点对应的NDVI的平均值，代表该埋深条件下的植被生长状况，绘制NDVI均值与地下水位埋深关系图，定量分析研究区地下水位埋深与植被长势的关系。
3 结果分析
3.1 植被与地下水位埋深的关系
根据实地勘察及钻孔资料，马海盆地属于典型的闭流盆地，盆地四周没有浅层地下水的排泄边界。现阶段盆地内地下水开采量十分有限，对区域地下水循环没有明显的影响。由马海绿洲区地下水位埋深等值线可见（图3），研究区大部分地区地下水位埋深变化较小，区域地下水主要流向德宗马海湖。
根据马海绿洲区2011年8月的Landsat ETM+数据计算结果绘制NDVI空间分布图（图3），可以发现，马海绿洲区85%的面积中NDVI值小于0.02，即大部分地区为戈壁和沙地裸土；剩余15%的面积中NDVI值大于0.02，表明该地段有植被发育。由于马海绿洲区有内陆河流发育，在鱼卡河、嗷唠河、鲁西河及南八仙河河道附近的植被，NDVI值基本在0.1～0.5之间，这是由于河水对地下水的补给量大，使得地下水位埋深相对较浅，有利于植被的生长。而在南北河道间的戈壁区及距离河道较远的区域，河水对地下水的补给微弱，植被NDVI值在0.02～0.1之间，植被覆盖稀疏，与实际调查结果相符。
按照马海绿洲区2011年8月的ETM NDVI数据的分辨率（图3），对同期实测的地下水位埋深数据进行差值获得相同分辨率的栅格数据。由地下水位埋深等值线（图3）可知，研究区的地下水位埋深在2.8～6 m之间。以0.1 m为间距统计地下水位埋深所对应的NDVI像素点个数，并绘制直方图（图4），由直方图可知，地下水位埋深在3～4.5 m之间时NDVI像素点个数较多，尤其是在3.4～4.2 m之间像素点个数最为密集；水位埋深4.5 m以下像素点个数开始减少；水位在5.5 m以下时像素点个数变得非常少。
为了研究马海绿洲区地下水位埋深与植被长势的关系，以0.1 m为间距绘制地下水位埋深与相应的植被指数平均值的关系曲线（图5），该曲线显示马海绿洲区植被的生长发育明显受到地下水位埋深的控制，当地下水位埋深在3～4.5 m之间时，NDVI均值大于0.06，标志植被长势较好；水位埋深超过4.5 m时，NDVI均值减小，在0.06左右波动，表明植被生长状况开始变差。由此可见，当地下水位埋深大于4.5 m时，超过了毛细上升高度以及植被根系的深度，地下水位埋深与植被联系微弱。从图5还可以现，马海绿洲区NDVI均值的最大值为0.098，与之对应的地下水位埋深为3.2 m。因此，3.2 m是马海绿洲区植被生长发育的最佳地下水水位埋深，而适宜植被生长的地下水位埋深范围是3～4.5 m。
3.2 不同区域植被发育与地下水位相关性比照分析
将本文研究结果与银川平原植被区[13]、额济纳绿洲区[21]的研究成果进行对比，发现同样是地处中国内陆干旱区，植被与地下水水位埋深相关性却存在差异（图6）。
（1）马海绿洲区与额济纳绿洲区在地势上都较为平坦，气象、土壤、岩性特征（表2）以及潜水埋深等方面都比较相似，其地下水的补给源都来自上游河流的渗漏补给，排泄方式主要是依靠蒸发。因此，两个绿洲区适宜植被生长的最佳地下水埋深区间基本相同。不同的是马海绿洲区邻近盐湖区，土壤的盐碱化极为严重，导致植被发育不连续，呈斑块状分布，且主要为耐盐碱、耐旱植被，植被覆盖度比额济纳绿洲区小很多。
（2）马海绿洲区与银川平原的差异很大。银川平原植被生长状况优于马海绿洲，不同埋深区间的NDVI均值均高于马海绿洲，最适宜植被生长的地下水埋深为1～6 m，其中NDVI峰值出现在3.5 m处（图6）。分析两者差异的主要原因是：与马海盆地相比，银川平原年均降水量较大，年均蒸发量较小（表2），相对充沛的降水量保证了植被根系土壤的湿度，因此银川平原广泛分布钱根系灌木丛，植被覆盖度较高；另一方面，银川平原主要是以农业活动为主，农业用水对绿洲区水分胁迫影响不大，而马海绿洲区位于盐湖区，钾盐溶采工业用水量大，对绿洲区地下水位变化影响大，对绿洲区植被生长不利。
4 结论
（1）影响研究区植被生长的地下水水位埋深临界值为4.5 m，当地下水位埋深小于4.5 m时，地下水对植被生长发育有明显的控制作用；而当地下水水位埋深大于4.5 m时，地下水与植被的生长关系不大。马海绿洲区，有利于植被生长的最佳地下水位埋深范围是3～4.5 m，地下水位埋深为3.2 m的区域，植被的生长发育最佳。
（2）不同干旱区，植被与地下水的关系存在差异：在降水无法支撑植被生长的地区，植被生长的最优地下水位埋深区间较小，植被生存的临界地下水埋深较浅；而在植被的生长依赖降水和地下水的地区，植被生长的最优地下水位埋深区间较大，植被生存的临界地下水埋深较深。
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