2021年34卷3期Vol.34No.3
西希叙业学掖
Southwest China Journal of Agricultural Sciences647
文章编号：1001-4829(2021)3-0647-07DOI:10.ki.scjas.2021.3.027基于NDVI科克苏湿地蒸散量时空变化特征分析 阿依努•吐逊1，张青青"，徐海量S闫俊杰彳
(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830052；2，中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011； 3.伊犁师范大学，新疆伊宁835000)
t型槽螺母
摘要:【目的】分析科克苏湿地蒸散量时空变化特征。【方法】采用ArcGISlO.2和ENVI4.5/ID软件平台，利用涡度相关系统实测的ET时间序列数据和MODIS MOD13Q1产品的NDVI遥感数据集估算的ET空间数据，分析2018和2019年科克苏湿地蒸散量的时空变化特征。【结果】①科克苏湿地蒸散量年内时序呈单峰型分布，变化特征明显,2018和2019年7月蒸散量值最高分别为313.31和302.54mm，占全区蒸散量的27.72%和26.20%。②NDVI指数和蒸散量实测值之间呈现正相关关系。③湿地平均蒸散量空间变化呈出现东南低西北高的变化趋势,2018和2019年研究区月平均蒸散量分别为126.35和126.86mm；变化率多位于-36-0mm•a-1，其比例为27.90%。【结论】生长季科克苏湿地蒸散量时间尺度上7月最高，空间上分布受植被覆盖所控制，不同区域蒸散量的差异明显。 关键词：植被覆盖；蒸散量；时空变化；科克苏湿地
中图分类号:Q148文献标识码:A
Spatio-temporal Variation of Evapotranspiration
in Kekesu Wetland Based on NDVI
Ayinu*Tuxun1,ZHANG Qing-qing1*,XU Hai-liang2,YAN Jun-jie3
(1.College of Grass and Environmental Sciences,Xinjiang Agricultural University,Xinjiang Urumqi830052,China；2.Xinjiang Institute of
Ecology and Geography,Xinjiang Urumqi830011,China;3.Yili Normal University,Xinjiang Yining835000,China)
Abstract：[Objective]The present paper amied to analyze spatiotemporal changes of evapotranspiration in Kekesu wetland.[Method]Using ArcGIS10.2and ENVI4.5/ID software platforms,using the NDVI remote sensing data set of MODIS MOD13Q1products and the ET data measured by the vorticity related system,the spatio temporal changes of evapotranspiration in the Kekesu wetland in2018-2019were estimated and analyzed.[Result](i)The Kekesu wetland showed a unimodal distribution during the year,with obvious changes.The maximum evapotranspiration values in July2018and2019were313.31and302.54mm,respectively,accounting for27.72%and26.20%of the whole region evapotranspiration.(ii)There was a positive correlation between NDVI index and the measured value of evapotranspiration.The fitting curve was y=253.45%+0.6231(T?2=0.89)(where x was NDVI and y was ET).(iii)The spatial variation of mean evapotranspiration of wetland showed a variation trend of low in southeast and high in northwest.In2018and2019,the mean evapotranspiration of wetland was126.35and126.86mm,respectively.The change rate mostly lies in-36-0mm•a-1,and the proportion was27.90%.[Conclusion] In the growing season,the Kekesu wetland evapotranspiration was the highest in July on the time scale.The spatial distribution was controlled by vegetation coverage,and the evapotranspiration in different regions was significantly different.
Key words: Vegetation cover；Evapotranspiration；Spatio-temporal variation；Kekesu wetland
【研究意义】蒸散量是生态系统水分平衡的重
收稿日期=2020-05-28
基金项目：国家自然科学基金项目(41561103)；额河流域陆生生态监测评估和生态耗(用)水量机理研究；科技部国家科技基础性工作专项(2015FY110500-16)
作者简介：阿依努・吐逊(1993-)，女，维吾尔族，新疆阿图什人，硕士研究生，研究方向为生态科学E-mail：1824019549@qq. com；*为通讯作者：张青青(1983-)，女，新疆和静人，副教授，硕士生导师，研究方向为草地生态学相关研究,E-mail: o 要指标，植物光合作用与生态系统生产力密切相关，在湿地生态系统中还可作为评价其功能的重要指标⑷。水分输入和输出的动态平衡在陆地和水生生态系统之间为湿地创造了调节功能，其中蒸散量作为湿地与大气之间水热交换的主要方式，对湿地水位和气象条件有较大影响。蒸散量是地表水分循环和热量循环的重要环节，是区域水热平衡的重要指标⑵，在植被生态系统耗水中占有重要比例，量
648蜀鬲农北爭叔.34卷
化区域生态系统蒸发与植被变化及其相互关系，对开展湿地生态系统资源分配具有重要指导价值⑶O 在科学技术不断进步的背景下，遥感技术应运而生，开始为蒸散量测定注入了新的活力，这一技术搭
配涡度相关法，可以得出比较精确和有效的测定结果，研究湿地蒸散量变化规律，对于当地水资源合理分配、利用与管理具有重要的意义。【前人研究进展】目前，已有多个世界机构和科研团队公开发布了不同时间及空间尺度的蒸散发与植被遥感的成品数据；由于蒸散与植被生产力具有良好相关性，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)可以用于衡量植被的生长状况和植被覆盖度的最佳动态监测的有效指标"T O而MODIS NDVI 数据则是植被动态监测中被广泛采用的数据®"o Srivastava等⑷以印度干旱区作为研究课题，对植被指数以及植物干物质产量之间存在的联系进行深入的分析，确定了累计NDVI与蒸散量之间存在的具体联系。Kerr等⑼利用积累NDVI估算了非洲的蒸散量。2006年，乔平林等a使用MODIS图像获得了一种利用遥感图像反演大面积地表蒸散的研究方法；杨秀芹等M基于遥感技术开展了淮河流域MOD16-ET数据的精度验证工作，并对2000-2014年淮河流域的蒸散发时空分布情况进行了深入分析。周妍妍等血利用MODIS数据和SEBAL(Sur-face Energy Balance Algorithm for Land)模型反演了疏勒河流域蒸散量时空动态。冯飞等问在MOD16产品估算的基础上，对三江平原的蒸散量时空分布情况进行了深入分析。至今，还未出现能够准确及直接测量蒸散量的方法，大都是根据气象站的气象资料，采用理论公式或者经验公式来计算获得蒸散量，或通过蒸发皿法和蒸渗仪法获取蒸散量。只能代表较小区域或某一种植被类型的蒸发情况，对于大区域或流域蒸散量的获取要进一步研究。【本研究切入点】本文利用2018-2019年涡度相关观测系统测得的蒸散量数据和NDVI遥感数据结合建立模拟关系，通过回归分析法反演科克苏湿地蒸散量的空间变化格局与演变规律。【拟解决的关键问题】以科克苏湿生态系统为研究对象，用涡度相关法定量分析
湿地蒸散量的时间变化规律，并利用MODIS MOD13Q1产品的NDVI数据和常规地面用涡度相关观测系统实测的ET数据相结合，估算并分析科克苏湿地植被覆盖度及蒸散量的空间变化特征，为区域湿地发展、退化湿地植被恢复与重建、水资源分配与合理利用提供理论依据。1材料与方法
11试验区域
科克苏湿地自然保护区位于新疆阿勒泰市西南部,47°28'31"~47°40'9"N,87°9'12"~87°34'59"E。该保护区有2条河流相汇，湿地在两者作用之下形成。科克苏湿地自然保护区存在多种湿地类型。湿地总面积964.82km2，东西长20.8km，南北宽20.2 km，海拔高度476-796m；每年平均温度4.9七，最高温可达39.5七；最低温可达-46.7七；大于5°C 的年积温3087.4°C；大于10°C的年积2794.7°C；年累计日照时间2825-2960h o平均年降水量和蒸发量分别为112.6,2000mm[14]o本研究区包括平原河谷北屯区域，地区生态环境相对较好，科克苏湿地形成于额尔齐斯河与其支流克兰河交汇的三角地带，克兰河在此分叉散失，二者共同形成了科克苏湿地，包括河流、沼泽(森林沼泽和草本沼泽)、滩地(河滩和湖滩)、盐沼等多种湿地类型。微地形的变化和对地表水分的再分配，导致了研究区内土壤水分梯度的剧烈变化，形成了草原、草甸、沼泽、森林、河流、湖泊等多种景观类型，同时也孕育了复杂多样的植被类型[15'16]o科克苏湿地主要的优势种是巨序剪股颖小糠草(Agrostis gigantea)、芦苇(Phragmites australis)、水烛(Typha angustifolia)、芨芨草(Achnatherum.splendens)等。
1.2研究方法
本文采用美国U-C0R公司的LI-7500DS涡度相关开路通量系统对科克苏湿地进行仪器安装和监测。该系统主要由开路式三维超声风速仪(CSAT3, Campbell Scientific Inc.,USA)CO2/H20红外分析仪(U-7500,Li-COR Inc.,USA)和数据采集器(CR5000,Campbell Scientific Inc.,USA)组成。通量观测系统架设在地势平坦开阔的典型天然草地上，符合通量观测对下垫面的要求，仪器高度距地面2.5m，采样频率为10Hz，分别用来测定CO?、水汽脉动，并通过数据采集器CR5000记录和存储10Hz 的原始通量数据。数据记录时间间隔为30min，每自动记录一次水汽和C02通过观测面的通量，自动将水汽单位转换成mm。
MODIS植被指数产品来自于美国地质勘探局(v/)中的MODIS NDVI数据(MOD13Q1)。其空间分辨率为250m，时间分辨率为16d，选取2018和2019年每年4-10月的M0-DIS NDVI数据，作为研究区植被生长状况和类型的反映。
13数据分析
对于涡度相关观测系统得到的10Hz原始湍流
3期阿依努•吐逊等：基于NDVI科克苏湿地蒸散量时空变化特征分析649
数据运用Logger Net软件进行格式转换(T0B3-T0B1)，采用美国LI-COR公司研发的Eddy Pro软件进行
系列校正计算，包括异常值及野值点剔除、坐标旋转修正、频率损失修正、超声虚温修正、空气密度效应修正(WPL修正)等基本处理，得到采样间隔为30min的通量数据，然后经过大气平稳性检验、总体湍流特征检验等初步质量控制O
植被蒸发量指采用涡度通量仪器测算两种情况下的湍流脉动值，一方面是潜热，另一方面是显热。其计算公式垒
E-—pu)q(1)式中,E为瞬时蒸发量值,p为空气密度严为垂直风速,g为湿度的瞬时脉动值。
采用ENVI+IDL软件对遥感数据进行处理，将HDF文件转换为Geo tiff格式，再进行投影转换。为了降低噪音信息，获得代表植被生长最好状况的年NDVI数据，将NDVI数据进行两方面的合成处理，一方面是最为核心的MVC，另一方面是容易忽略的Savitzky-Golay滤波。
通过NDVI与蒸散量建立关系，利用关系模型估算得到科克苏湿地蒸散量的空间变化和空间分布图。最后为保证蒸散量数据与NDVI数据的空间匹配。
2结果与分析
2.1蒸散量(ET)的时间变化特征
科克苏湿地植被生长季为4-10月，湿地蒸散量年内分布呈现先增大后减小的单峰型分布趋势。由图1可以看出，蒸散量从4月开始增加,7月达到最大，为313.31mm o7月后，蒸散量开始下降。2019年，科克苏湿地月蒸散量在4-5月增加78.79 mm，比2018年同月增加35.02mm；2018年,6-8
图12018-2019年湿地ET月总变化Fig.1Total monthly change of ET in wetland from2018to2019比2019年同月增加13.91、10.77和10.22mm；2019年9-10月蒸散量分别为127.69和45.07 mm，略高于2018年9-10月。
2-2蒸散量(ET)的空间变化特征
利用监测样点实测的月ET数据，并提取样点所对应的月NDVI数据，建立两者回归分析模型。由图2可知，研究区ET随NDVI的增加逐步增加，其线性回归方程为y=253.45%+0.6231，决定系数R2=0.8905,P<0.001(其中严为NDVI』为ET)，表明NDVI和湿地ET的拟合效果良好，呈显著正相关关系。植被多的区域对应ET高值区域，说明ET 空间分布是由地区的植被覆盖情况决定的。
通过NDVI与ET的回归关系，反演ET不同时间段的空间变化(图2)。湿地生长季平均蒸散量具有较强的空间异质性，科克苏湿地ET变化特征与植被覆盖的地带性变化大体一致。植被覆盖度高的地方，蒸散量较高。利用2018-2019年平均ET数据分析科克苏湿地蒸散量的空间特征。并按ET的大小划分(<50mm)、(50~100mm)、(100~150 mm)、(150~200mm)、(>250mm)5个等级。
由图3和表1可知，ET从东南到西北逐步增加，东南区降水稀少，植被稀疏,ET减小。2018和2019年，全区2.26%和3.22%的区域ET<50 mm，全区18.05%和&55%的区域ET为50~100 mm，中部平原区水分充足，日照充足，植被ET位于150-200mm的比例最大，为34.93%和36.15%，其次是ET>200mm，比例为30.98%和31.34%；再次是ET位于100~150mm，比例为23.78%和20.74%。
(1)2018年不同月份ET的空间变化特征。由表2可知,4月全区植被ET以<100mm和100~ 150mm为主，两者占全区域的比例分别为69.14%
NDVI
图2NDVI与ET的回归关系
Fig.2Regression between NDVI and
ET
65034卷
Fig. 3
图3 2018和2019年植被ET 平均空间分布
Mean spatial distribution of vegetation ET in 2018 and 2019
布在东南西北区和中部。5月ET 逐步由<100 mm
变为 100 ~ 150 mm，达到 34. 36 % ,ET 位于 150 ~
200 mm 的面积分布区也向周围蔓延，比例为20. 75 %，平均ET 值为87.30 mm ；6-7月水分多，为植被
生长旺季及植被ET 最高期,2个月ET >250 mm 的 比例分别达到54.49 %和80.63 % ,ET< 100 mm 和
位于100 - 150 mm 的比例则有不同程度减少,ET
位于200 ~ 250 mm 的比例分别为20. 55 %和9. 86 %o 8月植被开始衰败，植被蒸散量下降,ET>250
表1
45.48 %o
研究区2018 - 2019年均植被ET 等级比例
mm 的区域面积占51.27 % ,ET 位于150 -200 mm
和200 ~ 250 mm 的比例增加，分别为20. 88 %和
20.40 % ；9 月,ET >250 mm 的比例减少到了 3. 12
% ,ET 位于 100 ~ 150 mm 和 150 ~ 200 mm 的比例
增加，分别为 30.97 %和 31.23 %；10 月，ET <100
i52mm 的面积最大，比例达到45.66 %，其次ET 位于
新菠萝灰粉蚧
150 ~ 200 mm 的比例增加，达到32. 38 %。全区平
均ET 值为126. 35, ET > 250 mm 的比例最大，为
(%)
ET 等级(mm)
Table 1 Proportion of ET average vegetation percentage in study area from 2018 to 2019
牛
<5050 ~ 100100 ~150150 ~200>200
2018 2.268.0523.7834.93
30.98
2019 3.22
8.55
20.74
36.1531.34
表2研究区2018年月平均ET 及ET 等级比例
Table 2 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2018
(%)
月份
Month
平均蒸散量(mm)
Average ET
蒸散量等级(mm)
ET level
<100
100-150
150 -200200 〜250>2504月40.1069.1416.65
7.79
4.32
2.105月
87.3030.5134.3620.7510.06
4.32
6月195.13
3.32
7.4014.2420.5554.497月
228.29 2.28 2.39
4.84
9.86
80.63
日志存储
8月203.82 2.26
5.1920.8820.4051.279月
105.29
23.1630.9731.23
11.52
3.12
10月
24.4945.669.67
32.3810.21 2.08
全区126.35
14.09
12.6013.24
14.60
45.48
3期阿依努•吐逊等：基于NDVI 科克苏湿地蒸散量时空变化特征分析651
(2)2019年不同月份ET 的空间变化特征。从 表3可知,4月ET 位于＜100 mmJOO -150 mm 的
比例分别为71.22 % J 8.36 %，平均ET 值为3&08
mm ；5月，植被ET 面积增加，ET 逐步由＜ 100 mm 变为100 - 150 mm，主要向西北区域蔓延，比例为 22.56 % 和 28.77 %，平均 ET 值为 112.65 % ；6-7
月，植被ET 分布格局几乎一致，以ET ＞ 250 mm 为
主，分别在西北、中部及东南的部分区域，两个月份 的比例分别为59.23 %和77. 84 % ,ET 为于200 ~
250 mm 的比例分别为19. 72 %和12. 10 % ,ET 位 于150 ~ 200 mm 的比例分别为12.34 %和6.07 % ,
平均ET 值为203.20和225. 82 mm ；8 -10月，科克
苏湿地植被ET 逐步下降,8月ET 位于＞20 mm 的 面积减少到30. 67 % ,ET 位于150 ~ 200和200 ~
250 mm 的比例增加到29. 11 %和23. 97 % ；9月，
表3
ET 位于100 ~ 150和150 ~ 200mm 的比例增加到了 40.21 % 和 29. 46 % , 10 月，ET 位于 ＜ 100 mm 和 100 ~ 150 mm 的比例增力口，分别为65.47 %和17. 54
%，其他等级不断减少。全区平均ET 值为126. 86
mm,ET 位于＞250 mm 的比例最大，为41.50 % o 2.3蒸散量(ET)年变化率的空间变化特征
由图4和表4可知，科克苏湿地植被ET 的变化
率多位于-36-0 mm • a"，其比例为27.90 %，主
ei矽钢片要位于中部和西北区;ET 变化率＜ -36 mm • a"
的比例为20.91 %，主要位于西北区;ET 变化率为 0~23 mm • a"的比例为24. 04 %，空间上主要分
布于东南和西北区;ET 变化率为23 ~61 mm • a" 的比例为18.46%，空间上主要位于东南和西北区；
ET 变化率〉61 mm • a"的比例为&69 %，空间上
主要位于东南、中部及西北区域零星分布。
Table 3 Monthly average ET and ET grade ratio in study area in 2019
(%)
研究区2019年月平均ET 及ET 等级比例
月份
Month
平均蒸散量(mm)
Average ET
蒸散量等级3m)Evapotranspiration level
<100
100 ~150150 ~200200 - 250>2504月34.0871.2218.36 5.17
3.14
2.115月112.65
哈芬槽道22.5628.7723.1016.758.82
6月203.20 2.79
5.9212.3419.7259.23
7月225.82 1.29 2.70
6.07
12.1077.848月
180.14
3.22
13.0329.11
23.9730.679月115.7018.4940.2129.469.57 2.2710月16.4365.4717.547.58
8.29
1.12
全区126.86
11.70
13.70
17.2215.8841.50
图4 2018 -2019年蒸散量年变化率
Fig. 4 Annual change rate of evapotranspiration in 2018
-2019
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