民勤绿洲天然植被生长与地下水埋深变化关系

曹 乐，聂振龙，刘 敏，卢辉雄，汪丽芳

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学(北京)中国地质科学院，北京 100083；3.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄 050061；4.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002)

我国西北干旱区生态环境脆弱，地表植被覆盖率低，地下水对维持地表植被生长极为重要。因此，研究地下水特别是地下水埋深与地表生态植被的关系，对生态环境保护、政策制定具有重要意义。我国西北部分干旱区开展了相关研究工作[1-8]，金晓媚等[1-6]利用遥感数据分析了柴达木盆地乌图美仁地区、海流兔河流域、黑河下游绿洲、银川盆地植被覆盖率变化及其与地下水的关系，得到植被适宜的最佳水位埋深在2～5 m，不同地区略有差异。

石羊河流域是西北典型的生态环境脆弱区，特别是下游民勤盆地，降雨量少，人类活动剧烈，生态环境明显恶化。众多学者对民勤盆地地下水位变化开展了相关研究[9-12]，也有学者关注民勤地表荒漠植被的生长变化[13-14]。杨自辉[15]研究了民勤绿洲边缘地下水位变化对植物种群生态位的影响。区域水位下降时，植物种群退化，而白刺种群会在水位7.45～11.65 m范围内发生扩展。刘虎俊[16]研究了石羊河中下游河岸带植被对地下水位变化的响应，得到地下水位小于等于2 m时，沼泽草甸发育；地下水位3～6 m时，盐化草甸发育；地下水位小于等于14 m时，柽柳灌丛繁茂。前人的研究关注了地下水位与植被覆盖度的多年变化特征，分析了局部地区植被与地下水的关系，但对民勤地区天然生态植被与地下水位埋深关系的综合研究较少，特别是针对全区域、长序列的相关分析，而且研究精度也有待提高。

本文以民勤灌区天然植被为重点，以高精度Landsat遥感影像与实测埋深数据为基础，采用空间分析等方法，探讨了近20年来地下水位埋深与植被生长的时空分布与变化特征，综合研究了民勤灌区不同地下水位埋深与植被生长的相互关系，为地下水资源的开发利用、生态保护有效靶区的选择提供合理依据。

1 研究区概况

图1 研究区位置图

石羊河流域位于甘肃省东部，是河西走廊三大内陆河流域之一，总面积约4.16×104km2。民勤盆地位于石羊河流域下游，面积约1.58×104km2，西北部为巴丹吉林沙漠，东南部为腾格里沙漠(图1)，盆地中部为民勤绿洲，绿洲与荒漠过渡区存在严重的生态问题。研究区位于民勤绿洲区，是典型的干旱荒漠化气候，年均气温7.8 ℃，年均降水量116.5 mm，年均蒸发量达2 308 mm[17]。主要天然植被为灌木，主要有白刺(Nitrariaspp.)、柽柳(Tamarixspp.)、梭梭(Haloxylonammodendron)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、红砂(Reaumuriasoongorica)、沙蒿(Artemisiaarenaria)等；乔木有胡杨(Populuseuphratica)、二白杨(Populusgansuensis)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、旱柳(Salixmatsudana)等；草本主要是芦苇(Phragmitesaustralis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL)、雾冰藜(Bassiadasyphylla)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等[16, 18]。

2 研究方法及数据

归一化差值植被指数(normalizeddifference vegetation index，NDVI)是目前常用的评价植被发育指标，NDVI值介于-1～1，该值高说明植被发育良好，该值低说明植被生长状况较差[19]。Landsat NDVI数据已被广泛应用于区域生态环境的变化研究[3, 13-14, 20]。本次研究采用2000—2017年Landsat卫星数据，其时间分辨率为16 d，空间分辨率是30 m。首先对影像进行大气校正、几何校正，然后进行图像拼接、裁剪、波段运算，最后进行年均值、多年变化率的计算与出图。

地下水位埋深数据是2000—2017年每月1日、15日的人工实测数据，共计85个地下水位观测孔。通过反距离差分法差值得到埋深空间分布图，差值分辨率与植被遥感影像空间分辨率一致，形成30 m×30 m的网格数据，然后提取同一像元上的埋深与NDVI值。重点研究地下水埋深对天然生态植被生长的影响，因此需要将人类活动干预强烈的区域予以排除。根据遥感影像获得研究区土地利用类型图(图2a)，将耕地(水浇地)、城镇用地、工矿用地、农村居民用地、湖泊、沼泽、水库、坑塘外区域进行掩膜提取，作为研究民勤荒漠天然生态植被生长变化的范围(图2b)，最终获得240万对数据。再将水位埋深数据以0.1 m为间距，计算不同埋深处的NDVI均值，得到水位埋深与NDVI均值的关系曲线，进而分析两者间的定量关系。由于地下水位下降对植被的影响存在滞后现象，若使用植被生长季或年内NDVI最大值(研究区抽水期)，会导致大埋深、高NDVI值的情况，因此本文选择NDVI与埋深的年均值进行研究，虽然NDVI年均值小于年最大值，但对于天然植被两者的差值小于0.1，而且这并不影响空间内对NDVI与埋深相互关系的研究；通过2000—2017年的多年统计分析，能排除其它短期因素的干扰，保证规律的可靠性。

图2 民勤盆地土地利用类型图(a)及生态植被分布区(b)

3 结果与讨论

3.1 植被NDVI值变化

由2000—2017年植被NDVI空间分布图(图3a～c)，可以看出，民勤荒漠区植被发育情况较差，18年总体平均值为0.106。2000—2011年NDVI平均值为0.07～0.10(图4)，说明大面积荒漠化、沙化地区几乎无植被生长。2012—2017年植被NDVI平均值略有增高0.09～0.21，反映了植被生长状况的改善，由于2012年以来，民勤工程压砂、人工造林规模大幅增加[13]。2000—2017年NDVI年变化率的空间分布见图3(d)，区内大部分区域NDVI值呈增大趋势，增长率为0～0.1/10a，反映植被条件整体变好；绿洲区周边存在斑点状分布的退耕农田，这部分地区因农作物的减少，生态植被相对稀少，其NDVI值明显减小(-0.015～-0.005 /a)。NDVI明显增大的区域包括4个：夹河乡东南区域、老虎口—连古城保护区、收成乡东南区域和青土湖地区(图3d)。这些地区NDVI值平均变化率达0.1～0.3/10a，也是研究区植被覆盖率增大、植被恢复改善的区域。

图3 研究区NDVI分布图(a, b, c)及2000～2017年年均变化率分布图(d)

图4 研究区2000—2017年NDVI值统计图

3.2 地下水埋深分布

2007年石羊河流域出台综合治理政策，因此2000—2017年地下水埋深变化也受此影响分为两个阶段：2000—2008年地下水埋深持续增加；2008—2017年地下水增幅放缓且局部回升。Hao、杨怀德等[9-10]将埋深变化分为3个阶段。由于压采强度的空间差异，导致2008年后期埋深空间变化规律并不一致。2000年，研究区西部埋深在15～25 m，东部2.3～15 m，在薛百乡存在降落漏斗(图5a)。2000—2008年，研究区内地下水埋深值均增大，灌区尤为明显，并出现南北两个降落漏斗(图5b)。2008年，研究区西部埋深20～35 m，东部埋深2.5～20 m。2008年后，受青土湖输水影响，下游青土湖区埋深明显减小，研究区其它地区仍表现为埋深增大(图5c)。2017年，区内西部埋深普遍大于15 m，薛百乡、泉山镇、收成乡存在明显降落漏斗，收成乡南侧荒漠区、北侧至青土湖地区埋深小于15 m，埋深小于5 m的地区主要分布在青土湖附近，但面积有限(图5c)。

从图6看出，2000—2007年研究区地下水埋深以0～1 m/a的幅度增大(图6a)，该阶段呈平缓线性增长，杨怀德等[10]得出平均增幅为0.637 m。2007—2010年，分水、压采方案落实，但全区施行尚不一致，埋深变幅存在差异，南部地区以0～2.5 m/a的幅度增大(图6b)，北部青土湖埋深开始回升。2010—2017年，大部分地区埋深增幅减小至0.5 m/a以内；水位回升的面积也在增大，回升幅度0～0.5 m/a(图6c)。2000—2017年总体来看，研究区民勤县附近埋深以1 m/a以上的变化率增加；北部灌区埋深增长率0.2～0.6 m/a；青土湖区及夹河乡、东坝镇东侧埋深表现为水位回升，埋深减小，反映出生态输水与关井压采措施的作用明显。

图5 研究区地下水埋深空间分布图

图6 研究区2000—2017年地下水位埋深年均变化分布图

3.3 埋深与NDVI关系

按埋深10 cm间距分段，逐年计算不同埋深段的NDVI平均值，并绘制曲线图(图7)。结果显示，埋深小于5 m时，NDVI变化明显；大于5 m时，随埋深增大，NDVI几乎无明显变化；且NVDI值多小于0.1，2012年后大于0.1。由于西北荒漠地区植被稀疏，植被NDVI值大于一定值时才被认为有植被发育，如额济纳旗绿洲以0.08为界[3]，研究区可参照该值。研究区地下水位埋深大于5 m处，多为荒漠，植被稀少，埋深与NDVI无明显关系。埋深5～15 m时(图7)，NDVI维持在低值，偶有波动，但变化范围有限(±0.02)，反映了较大的埋深限定了植被发育的NDVI极大值。由表1可以看出，水位埋深大于5 m时，已超过西北干旱区多数常见天然植被的最佳生长水位，多数草本、灌木植被甚至凋萎死亡，不同埋深下植被的优势种群会发生变化[16]，群落结构、植被密度等也会发生改变。因此，埋深大于5 m时，植被零星分布，生长状态受到抑制，埋深通过控制种群类型、物种丰富度等因素将NDVI值限定在约0.10；同时受降水、地温、土壤土质、人类活动等其它因素影响[21]，NDVI会在小范围内波动(±0.02)。

图7 研究区植被NDVI与地下水埋深关系

图8 研究区2000—2017年NDVI与埋深相关性空间分布

根据2000—2017年荒漠区埋深与NDVI数据，逐像元计算埋深与NDVI相关系数R，得到两者相关性的空间分布图(图8)。相关性较强(R<-0.5)的地区主要包括青土湖区(图8中A区)、收成乡东南(图8中B区)、夹河乡东(图8中C区)，这些地区正是埋深相对较小的区域，也是NDVI变化率较高的地区。如夹河地区关井压田，地下水位上升，是生态环境好转较典型的区域。此外，一些退耕区也表现出了较高的相关性，如图8中D、E两区。除了这些地区，研究区内大部分荒漠区表现为两者正相关(0.3地温>气温>降水>蒸发>日照。这些因子相关系数均小于埋深。因此，可以认为民勤大面积荒漠区植被生长受地下水埋深的控制。在降水量、相对湿度、人为生态治理活动等因素的共同影响下，NDVI在某一低值附近以有限的范围变化。正是基于埋深与植被生长的关系，在民勤绿洲上游来水逐年增加，地下水开采量减少的政策下，地下水位回升，相应的生态用水不断增加，民勤地区植被NDVI在2012年后增高、植被逐渐得以恢复。图8中两者相关系数R较高的地区，即是可以考虑通过调控地下水位进行生态恢复、改善的重点区或试验区。

图9 研究区植被NDVI与地下水埋深(<5 m)关系

3.4 浅埋区生态水位

浅埋区(<5 m)地下水埋深值与地表植被NDVI关系密切，特别是埋深小于4 m时，两者线性关系显著(图9)。经计算，2000—2017年两者相关系数|R|多大于0.8(图10)，两者表现出高度负相关，即埋深越小，植被生长条件越好。埋深小于2.5 m的地区主要分布在青土湖周边，该水位埋深区主要生长湿生芦苇(表1)。在埋深2.5～3.9 m范围内，NDVI保持较高的值，说明该地下水位埋深范围适宜区内植被生长。2000—2017年NDVI峰值对应地下水埋深多在2.24～3.65 m范围内，多年平均值为2.96 m(图11)，这一埋深区地表植被以灌木、草本为主，对应西北干旱区多数草甸、灌木植被的最佳生长状态埋深值(表1)，如甘草1～3 m、白刺2～3.5 m、红砂2～3.5 m、麻黄2～3 m、胡杨1～4 m。说明研究区内最适宜植被生长的地下水水位约为3 m。2010—2017年，受地下水开采的影响，埋深小于3 m的范围几乎不存在，而相应的最大NDVI值也明显减小(图11)，2000—2009年埋深均值为2.66 m，进一步说明埋深在2.24～3 m为该地区适宜植被生长的生态水位。

表1 干旱区天然植被不同生长状态下的地下水埋深

图10 2000—2017年埋深(<4 m)与NDVI相关系数R统计

4 结论

(1)近20年来，民勤盆地生态植被NDVI指数偏低，近5年来，略有好转，局部地区生态改善明显(如老虎口)；地下水埋深在2000—2007年持续增加；2008—2017年增幅放缓且局部回升，回升范围有限。

(2)埋深小于4 m时，生态植被生长与埋深高度反相关，总趋势为埋深越小，植被发育越好；区内适宜植被生长的埋深范围为2.5～3.9 m；在3 m左右植被长势最好。埋深大于4 m时，埋深与降水、湿度、地温等因素共同作用，通过影响植被种类、群落结构与密度等条件来改变NDVI值，但较大的埋深决定了NDVI所能达到的最大值。

(3)通过调控埋深(压采)有效改善地表植被生态的地区主要分布于民勤盆地的东部(夹河乡东侧、收成乡南侧)、青土湖浅埋区及部分退耕区。