塔里木河下游河岸林需水量的时空动态变化

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塔里木河位于亚欧大陆腹地,年降雨量稀少蒸发量大,是维持河岸植物生长和居民生活的唯一水分来源,被誉为南疆各族人民的“母亲河”,并以其鲜明的地域特色和突出的水资源和生态问题闻名于世。近几十年来,以人类为核心的用水策略导致生态环境的退化和破坏,以天然植被为主体的生态系统和生态过程因人为对自然水资源时空格局的改变而受到严重影响。下游320公里河道长期断流,尾闾湖台特玛湖干涸,地下水位下降,以柽柳和胡杨为主体的河岸植被全面衰败,荒漠化加剧,“绿色走廊”濒临消失。  塔里木河下游的柽柳林和胡杨林样地植被长势良好,本研究主要依据对架设在其中的两台涡度相关仪器获取的通量数据的处理和分析,结合对研究区的其他认识,检验一个估算河岸林需水量的简单模型。利用通量数据和气象数据对模型进行参数化,实现单点上的验证,并通过实测叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)值结合遥感影像提取的植被指数(VegetationIndexes,VI)建立LAI-VIs反演模型,反演出研究区LAI的值,基于LAI在空间上的分布和在季节上的变化模式,结合气象数据,估算出研究区河岸林需水量的时空动态变化。本研究选择塔里木河下游河岸林作为研究对象,对塔里木河下游河岸植被需水量进行估算,目的是为面向生态的水资源优化配置提供科学依据,可以用于我国西北干旱区内陆河流域水资源管理的需要。主要内容和结论如下:  (1)未受水分胁迫的柽柳和胡杨林生长季尤其是生长盛期实际蒸散发(ActualEvapotranspiration,ET)与潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,ET0)呈现明显的相关性;将叶面积指数时间动态按照通用的近似方法设定为在展叶期线性增加,在叶黄与落叶期线性下降,发现叶面积指数与ET/ET0的线性关系显著。柽柳和胡杨林蒸散过程的特征表明可以通过考虑植被叶面积指数和ET0建立一个估算干旱区河岸林植被需水量的简单模型。  (2)利用柽柳林地涡度相关仪器2012年的通量数据对需水量模型进行参数化,并利用2011年的部分数据和2013年生长季的数据进行单点上的验证。结果表明:2013年模型模拟的总需水量为427.9 mm,比实测值大23.2 mm,2011和2013年生长季各个时期模型估算值与实测值均相差较小。Nash-Sutcliffe模型效率系数(Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient,NSE)为0.797,均方根差(Root Mean Square Deviation,RMSD)为0.554,模型精度较高,能够基本满足对需水量进行估算的需要。  (3)利用监督分类方法对研究区遥感影像进行植被分类,划分了六种地物类型,主要对柽柳林地、胡杨林地和草地进行区分,并利用简单随机采样法和混淆矩阵法对分类结果进行评价。结果显示:利用混淆矩阵计算的六种类别的总体精度为89%,计算得到Kappa系数为86%,利用简单随机采样法,得到柽柳和胡杨的分类精度为73.6%。同时得到研究区柽柳林的总面积为3.364×104 hm2,胡杨林总面积为4.053×104 hm2。  (4)通过实测LAI数据与遥感影像中对应点的VIs数据回归分析,得到柽柳和胡杨的最优LAI-VIs模型。利用最优LAI-VIs模型,反演出LAI的值,分析其空间分布特征。结果表明:柽柳最优模型为LAI-归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)模型,y=-0.216x2+5.744x-0.356,R2=0.68948;胡杨最优模型为LAI-大气阻抗植被指数(Atmospherically resistant vegetation index, ARVI),y=8.119x2+2.036x+0.095, R2=0.81614。研究区总体的LAI的值分布在0~3之间,大西海子水库周围、下游中部河段和尾闾湖台特玛湖附近是三处高值区,LAI在1.5~3之间,其他河岸林的LAI值绝大部分在0~1.5之间。研究区植被LAI平均值为0.361,出现概率最高的LAI值为0.151。  (5)根据提出的需水量模型,结合不同生长季的参数化结果、气象数据计算的ET0、LAI的空间分布和LAI的时间动态变化,利用遥感图像处理软件ENVI4.6进行数据处理,得到河岸林需水量的季节变化和空间变化。结果表明:2013年生长季柽柳和胡杨总需水量为9.673×107 m3,其中柽柳需水3.869×107 m3,胡杨需水5.804×107 m3。整个河岸林在展叶期需水1.163×107 m3,生长盛期需水7.616×107 m3,落叶期需水0.894×107 m3。空间分布上,以河流汇合点为界,前半部分需水较多,后半部分需水较少。生长盛期需水量在空间上存在着与LAI的空间分布相一致的高值区,而在展叶期和叶黄与落叶期,这种现象并不特别明显。总体上,越往下游植被越少,需水量越少。
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