格尔木河流域植被覆盖时空分布规律及影响因素

2017-03-22汪生斌祁泽学贺海松王万平

中国农村水利水电 2017年10期

汪生斌，祁泽学，贺海松，王万平，吴萍

(1.青海省环境地质重点实验室，西宁 810007； 2.青海省环境地质勘查局，西宁 810007)

格尔木河位于青藏高原东北部，柴达木盆地南缘，是盆地第二大河流。流域内坐落有青海省第二大城市格尔木市，下游的察尔汗盐湖为中国最大的钾盐生产基地。随着盆地社会经济的发展，格尔木市及盐湖基地面临不断发展的需求。由于地处干旱内陆，流域气候条件恶劣，生态环境脆弱[1]，生态环境是决定格尔木河流域社会经济可持续发展的重要因素。

植被作为生态系统的重要组成部分[2]，对于反映生态环境质量及其变化趋势具有重要意义[3]。归一化植被指数(NDVI)能够较好地反映植被的覆盖情况及生长状态，是区域植被变化的最佳度量工具[4,5]。植被覆盖度能够直观地反映植被的生长状况，可以清晰地反映植被覆盖的变化过程，是衡量自然生态环境的重要指标[6,7]。

目前针对格尔木流域的植被生态环境研究还十分有限，不足以为流域日益发展提供支撑。本文采用Landsat TM遥感数据，分析流域植被生态覆盖类型与覆盖度的时空变化规律，并对其影响因素进行探讨，以期为格尔木地区社会经济建设及规划提供参考。

1 格尔木河流域基本情况

格尔木河流域南部为基岩山区，北部为格尔木河山前冲积、洪积、湖积平原。地貌上依次可分为海拔2 800～3 065 m的中高山，海拔2 950～3 000 m丘陵，海拔2 800～2 900 m的戈壁平原，海拔2 770～2 800 m的细土平原，海拔2 770 m以下盐沼平原，具有清晰的层状和环带状结构，控制了地下水-地表水多次转化的水文地质规律进一步影响了植被的分布情况。

流域内主要河流为格尔木河以及北侧的泉集河。格尔木河全长468 km(干流长325 km)，汇流后的格尔木河由南向北流经山区、戈壁平原，在进入格尔木市区之后又分为东、西两河，并与诸多泉集河并行继续向北径流，最终注入达布逊湖等盐湖区；细土平原前缘分布数条泉集河，自东向西主要有：格尔木东河、格尔木西河、红旗河、金水河、巴水河、清水河。除格尔木西河接受来自上游的格尔木河地表水外，其余均为格尔木河水下渗之后又溢出而成，除清水河注入别勒湖外，金水河、巴水河、红旗河在下游汇入格尔木西河，与格尔木东河一起注入达布逊湖。

2 材料及方法

2.1 研究材料

本研究采用30 m分辨率的Landsat TM卫星遥感数据作为格尔木河流域生态植被分析的基础资料，分别选取1993年8月、2001年8月及2014年8月3个时像的流域影像数据，对流域内生态环境的敏感因素进行解译，同时结合野外调查对解译结果进行验证也补充。

2.2 研究方法

归一化植被指数(NDVI)是遥感领域表征植被覆盖及生长状况的重要参数，可通过对预处理后的TM影像进行计算得到，计算公式如下：

NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3)

(1)

式中：TM4和TM3分别近红外和红波段亮度值。

植被覆盖度(F)是反映地表植被分布状况的定量指标，通过根据NDVI计算获得，计算公式为：

(2)

式中；NDVI为TM影像某像元的NDVI实际值；NDVIsoil和NDVIveg分别为研究区全裸土壤覆盖像元和纯植被覆盖像元的NDVI值。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖类型时空分布特征

3.1.1 植被覆盖类型的空间分布特征

格尔木河流域为生态脆弱的高寒干旱生态地区，地表植被稀疏，且空间分布极不均匀[3]。根据TM影像解译结果，格尔木河流域的地表覆盖类型主要包括原生植被、建筑用地、耕地、湿地、湖泊、河流、裸地等(表1)。

表1 格尔木河流域地表覆盖类型Tab.1 The type of surface coverage in Golmud river basin

从1993、2001及2014年格尔木河流域地表覆盖类型面积统计结果(表1)来看，格尔木河流域最主要的地表覆盖类型为裸地，其次为湿地，再次为原生植被，三者分布面积占流域面积的92%～94%。裸地主要分布在冲洪积扇山前戈壁带，湿地分布于溢出带以下至盆地中心的广大地区，原生植被主要分布在冲洪积扇前缘至冲洪积平原后缘及冲洪积平原部分河道分布区，耕地主要分布于冲洪积扇前缘(图1)。

图1 1993、2001及2014年格尔木河流域遥感影像解译结果Fig.1 Interpretation of remote sensing images in Gulmu river basin(1993,2001,2014)

3.1.2 植被覆盖类型的演化特征

格尔木河流域1993、2001及2014年的地表覆盖类型面积及变化见图2。1993-2014年间，格尔木河流域的湿地面积及原生植被面积均呈明显增加的趋势，增幅分别为26%和65%，而与此同时裸地面积则出现了明显的下降，降幅达22%，说明流域生态环境整体向好。流域内建筑用地面积也出现了大面积增加，这与22 a以来格尔木地区社会经济的快速发展有关。然而，流域内的湖泊及河流面积却出现了明显萎缩，萎缩比例分别达到了17%和69%，其中湖泊面积的萎缩是由于盐湖卤水开采造成的，而河流面积较少则是由于出山口乃吉里水库修建拦截了格尔木河河水。

图2 格尔木河流域地表覆盖类型及面积变化Fig.2 Surface cover type and area changes in Golmu river basin

3.2 植被覆盖度的时空分布特征

3.2.1 植被覆盖度的空间分布特征

根据NDVI(归一化植被指数)计算结果，格尔木河流域植被总体覆盖度较低，生态环境脆弱。NDVI<0.04的区域包括山区基岩裸露区、湖泊、河流及部分裸地。绝大多数区域NDVI值在0.04～0.15，其分布范围与裸地及湿地分布范围基本一致。NDVI>0.15的区域主要分布在冲洪积扇前缘以下，与地表覆盖类型中的原生植被分布区域基本一致，其中河道及泉水泄出带附近NDVI最大，植被长势最好，远离河道及泉水泄出带，NDVI值逐渐降低。

3.2.2 植被覆盖度的演化特征

根据覆盖度(F)计算结果，将地表覆盖类型中的原生植被按F<20%，20%≤F<50%，F≥50%分别划分为低覆盖度、中覆盖度及高覆盖度三种类型。由图3可见格尔木河流域1993、2001、2014年原生植被高、中、低不同覆盖度的面积变化。总体来看，1993-2014年流域内生态环境呈明显好转趋势，22 a间原生植被总覆盖面积增加了62 km2，增幅达65%。其中，高、中覆盖度植被分布面积较为稳定，面积变化较小，面积以低覆盖度植被增加为主，增幅为208%。

图3 格尔木河流域不同覆盖度植被分布及面积变化Fig.3 Different coverage of vegetation and area changes in Golmu river basin

4 流域植被覆盖

水是干旱和半干旱地区植被组成及分布的决定因素[8]。流域内水分的分布是植被个体生长及时空分布的直接影响因素，流域内的地形地貌、降水及地下水构成了植被生长发育的综合决定因素[3]，下面就其对植被分布的影响进行分析。

4.1 地形地貌对植被分布的影响

格尔木河流域植被分布类型与地形地貌具有密切的相关关系，植被随地形变化成具有明显的地带性变化规律[9](见图4)。

图4 格尔木流域植被类型与地形地貌关系图Fig.4 The map of vegetational types and landscape relation in Golmu river basin

山区由于基岩裸露，表层土壤不发育，植被分布极为稀疏，仅在高海拔地区及沟谷地区分布较密集，高海拔地区植被以高山耐寒垫状植物及低等的苔藓类为主，沟谷地区植被随海拔降低由骆驼草、马兰群丛逐渐过渡为怪柳、普氏麻黄群丛等。冲洪积扇山前地区地貌上通常为戈壁砾石带，土壤成壤作用极弱，基本没有腐殖质累计层，这一地区植被分布零星，覆盖率极低，植被类型以旱生、超旱生木本猪毛菜、优若藜、普氏麻黄、沙拐枣为主。冲洪积扇前缘地区，地形平坦，地层沉积颗粒较细，土壤以粉砂土和亚砂土为主，保水能力较强，植被生长茂盛，覆盖度较高，地貌上通常表现为绿洲带，植被类型耐旱的芦苇、罗布麻、怪柳、白刺组合群落主，此外该地带还是农业耕地和人工林的主要分布区域。往下游，随着地势的降低，地貌上转变为沼泽带，出现喜湿型植物类型，其余旱生植被交错共生，植被覆盖率更高。沼泽地往下至盐湖，地貌出现为大面积的盐滩，植被分布逐渐减少，植被类型以芦苇及怪柳为主。至盐湖周围地表基本没有植被发育。

4.2 降水对植被分布的影响

降水是干旱区植被生长发育的重要水分来源，是植被宏观分布格局的重要控制因素。流域内降水稀少，且空间分布极不均匀，绝大多数降水产生在山区，降水量自山区向盐湖中心逐渐减少。植被覆盖度与降水量分布整体上具有一致性，自山区向下游盐湖中心逐渐降水量逐渐减少，植被覆盖度也随之降低。山区由于降水量丰沛，凡土壤条件较好的地区大多有植被分布，特别是随着海拔的增加，降水量增大，植被覆盖度也呈明显增加的趋势。山前戈壁带由于地下水埋深较大，植被生长难以利用地下水，其生长几乎完全依靠降水，然而这一地带土壤条件较差，保水能力极差，降水产生很快渗入地下或从地表流走，不利于植被生长，故景观上通常表现为荒漠，仅偶尔可见零星植被分布。向下游至盐湖中心，随着地下水埋深的减小，植被生长利用地下水的难度逐渐减小，同时降水量的减小，使得降水对植被分布的影响越来越弱。

根据格尔木河流域降水量监测数据(图5)，流域内降水量自1993年以来具有增大的趋势(趋势线斜率为0.767 8)，其中1998年出现了极端峰值，年降水量达到137.2 mm。流域内植被覆盖面积增加，裸地面积减少，生态环境呈明显好转趋势，与降水量的增加具有一定较密切的联系。流域内裸地地区多分布耐旱、超耐旱的木本猪毛菜、优若藜、普氏麻黄、沙拐枣、白刺等植物，依靠降水即可成活，其对于降水的增多具有极为敏感的响应。

图5 格尔木流域降水量变化曲线Fig.5 The precipitation curve in Golmu river basin

4.3 地下水埋深对植被分布的影响

地下水是维持干旱地区植被生态发展的重要水资源。地下水埋深是决定干旱、半干旱地区植被分布的重要指标[10]。

山区由于降水极为丰沛，地下水埋深对植被的分布影响不大。山前戈壁带由于地下水埋深过大，大多在几十米甚至上百米，植被生长难以利用地下水，故这一地带植被分布极为稀少，零星分布的植被也为极为耐旱植物。随着地下水埋深的减小，地表逐渐出现植被分布，且覆盖度逐渐增加，植被类型也呈现出一定的过渡关系。野外调查发现，在地下水埋深为5 m的地段，地表植被类型大多为白刺、骆驼刺、怪柳、沙棘等灌木；地下水埋深在2 m以内的地段，植被类型过渡为芨芨草、苔草、芦苇等，同时伴生有白刺、怪柳等灌木，植被长势较好，覆盖度(F)最大可超过50%；至冲湖积平原，地下水埋深极浅且径流极慢，地下水在强烈蒸发条件下，地下水逐渐咸化，并出现盐分累积于土壤中的现象，部分地段甚至开始出现盐壳，植被类型转变为耐盐植物，如盐爪爪、罗布麻、矮红柳等，植被分布变稀疏，覆盖度(F)降低至20%以下。至下游盐湖，地下水及土壤含盐量已不适宜植被生长，地表通常表现为盐漠荒地。

4.4 人类活动对植被分布的影响

人类活动对植被分布的影响包括直接影响和间接影响。直接影响是指人类活动开垦耕地、种植人工林以及建筑物修建等，直接引起的地表生态植被分布的改变；间接影响是指人类通过修建水利设施等，人为改变水资源的空间分布，进而引起的植被分布变化。

从图2可以看出，1993-2014年的22 a间，格尔木河流域内耕地面积变化很小，农业开垦对流域内生态植被的分布极为有限。然而，建筑用地面积在22 a间呈现巨大增长，由1993年的48 km2增加至2014年的255 km2，增幅达431%，新增建筑用地主要位于盐湖附近的盐湖工业园区及格尔木市城区，盐湖工业园区新增建筑用地为盐湖附近的盐漠荒地，格尔木城区也主要向冲洪积扇上游扩展，对流域内原生植被分布影响较小。现场调查发现，伴随城区的延伸，冲洪积扇前缘种植了大量耐旱的人工绿化林，大大改善了地区生态景观，并对流域内的生态保护起到了积极作用。

20世纪70年代，流域冲洪积扇上游修建了乃吉里水库，并在格尔木河修建了水利枢纽，对区域地表水资源进行调配。从图2可知，1993年以来，流域内河流面积出现了明显减小，河流面积萎缩了54 km2，减小比例达69%，水利工程减少了地表水资源快速下泄过程中的浪费，通过合理的时空调配，提高了地表水资源的利用率，扩大了冲洪积扇前缘的绿洲范围。从溢出带附近“观40”观测孔地下水位长期动态观测(图6)可知，冲洪积扇前缘地下水水位在上游乃吉里水库及格尔木河水利枢纽后有资料的观测期内一直处以上升状态。地下水位的上升一方面由于降水增加，山区补给水增加，而另一方面则是因为水库及水利枢纽拦水情况下，地表水在冲洪积扇上部大量入渗补给进入潜水含水层，造成的潜水位升高。地下水位的上升使得部分裸地形成了适宜植被生长的地下水水位埋深，进而使得流域内植被覆盖面积及湿地面积增加。