,， ，，

(1.河南省煤田地質(zhì)局 三隊(duì)，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；3.廣東省佛山地質(zhì)局，廣東 佛山 528000；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054)

植被的生長(zhǎng)狀況是陽光、空氣、水分、土壤等多重因素共同作用的結(jié)果，是生態(tài)環(huán)境的重要指示因子[1-4]。針對(duì)伊犁河流域，馮金杰等[5]、劉芳等[6]、王倩等[7]采用不同的方法研究了伊犁河流域植被時(shí)空變化及降雨、溫度等氣象因素對(duì)植被生長(zhǎng)狀況的影響；田中平等[8]在對(duì)伊犁河流域北坡進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和取樣的基礎(chǔ)上，分析了植被多樣性和土壤因子沿海拔的分布方式；海米提·依米提、麥麥提吐爾遜·艾則孜等[9-13]對(duì)地下水埋深、總?cè)芙夤腆w(Total Dissolved Solids, TDS)、土壤鹽分空間分布特征及相互關(guān)系進(jìn)行了深入研究。

上述學(xué)者針對(duì)伊犁河流域植被與氣象、土壤、地下水埋深、TDS、土壤鹽分空間分布特征進(jìn)行了深入研究，但對(duì)植被與地形地貌、地下水位埋深等的定量研究不足。為此，本文運(yùn)用RS和GIS技術(shù)，開展植被與地形地貌、地下水埋深、TDS之間的定量關(guān)系研究，以期為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源合理開發(fā)利用、水資源科學(xué)管理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆西北部伊犁河谷內(nèi)，地處亞歐大陸中心，是國(guó)家實(shí)施“一帶一路”戰(zhàn)略面向中亞、歐洲的橋頭堡。區(qū)內(nèi)地形地貌呈“三山二盆一谷地”的格局，整體呈喇叭狀，東、南、北三面環(huán)山，地勢(shì)東高西低，東窄西寬，可接受北冰洋和大西洋帶來的濕潤(rùn)水汽[14]，屬于溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降雨量265.8 mm，蒸發(fā)量1 595.7 mm，生態(tài)環(huán)境脆弱。伊犁河近東西向橫貫研究區(qū)，在我國(guó)境內(nèi)匯集了特克斯河、喀什河及眾多支流后進(jìn)入哈薩克斯坦境內(nèi),最終匯入巴爾喀什湖(圖1)[15-17]。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of study area and sampling point distribution

伊犁河谷為中生代的斷陷谷地，第四系地層發(fā)育，厚度由東向西逐漸增加，地層出現(xiàn)多次單一砂礫石層與細(xì)顆粒多層結(jié)構(gòu)的交替。北部及南部山區(qū)是地下水的主要補(bǔ)給區(qū)，山前沖洪積或冰水沉積傾斜平原是地下水主要徑流區(qū)，谷地中部平原區(qū)為地下水主要排泄區(qū)。地下水流除谷地兩側(cè)為南北向徑流外，整體流向?yàn)橛蓶|向西。

2 數(shù)據(jù)與方法

數(shù)據(jù)來源包括：數(shù)字高程模型DEM及遙感影像(與地下水位統(tǒng)測(cè)及水樣采集同期)、地下水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)、水化學(xué)數(shù)據(jù)等(表1)，其中DEM及遙感影像數(shù)據(jù)來源于國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云，水樣測(cè)試工作是由新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)完成，測(cè)試嚴(yán)格執(zhí)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750—2006)。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)是衡量植被發(fā)育好壞的常用指標(biāo)，其值越高說明植被生長(zhǎng)狀況越好，反之越差。采用RS和GIS技術(shù)，經(jīng)過遙感影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、波段運(yùn)算后得到流域NDVI分布圖(圖2(a))，利用水位統(tǒng)測(cè)和TDS數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值得到地下水埋深(圖2(b))及地下水TDS分區(qū)圖(圖2(c))，地貌圖則是在前人資料基礎(chǔ)上結(jié)合遙感影像解譯得到(圖2(d))?；谝晾绾恿饔蛱攸c(diǎn)，將上述圖件重采樣至250 m，采用ArcGIS的提取值至點(diǎn)功能將地形地貌、地下水埋深及TDS與植被NDVI建立相關(guān)關(guān)系。

表1 數(shù)據(jù)列表Table 1 Data list

圖2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.2 Data processing results

3 結(jié)果與分析

3.1 植被與地形地貌關(guān)系

3.1.1 植被(NDVI)與地貌關(guān)系

區(qū)內(nèi)南北兩側(cè)分別被科古琴山、婆羅科努山和阿吾拉勒山、阿拉喀爾他烏山夾持，地貌表現(xiàn)為山勢(shì)高峻，從兩側(cè)山脈的山脊線向盆地，呈現(xiàn)出由高到低逐級(jí)下降的階梯狀地貌，伊犁河為最低排泄基準(zhǔn)面；中山帶河網(wǎng)密布，多受斷層控制；山地丘陵面積大，坡度陡；低山丘陵及高階地區(qū)多被黃土覆蓋。

本文利用研究區(qū)地貌分區(qū)，提取植被NDVI值，建立地貌與NDVI值的相關(guān)關(guān)系(圖3)。結(jié)果表明：沼澤平原區(qū)因水分充足，喜水植物叢生，NDVI平均值為0.392；緩傾斜礫質(zhì)平原區(qū)、沖洪積細(xì)土平原區(qū)NDVI平均值分別為0.347和0.321，植被長(zhǎng)勢(shì)較好；山前黃土丘陵、風(fēng)積沙丘及強(qiáng)傾斜礫質(zhì)平原區(qū)NDVI值介于0.102～0.128之間，植被長(zhǎng)勢(shì)較差?？傮w上看，沼澤平原、沖洪積細(xì)土平原、緩傾斜含礫細(xì)土平原、黃土丘陵、風(fēng)積沙丘及強(qiáng)傾斜礫質(zhì)平原區(qū)植被生長(zhǎng)狀況依次變差。

圖3 NDVI與地貌關(guān)系Fig.3 Relationship between NDVI and topography

3.1.2 植被(NDVI)與地形關(guān)系

伊犁河谷東、南、北三面環(huán)山，中間為谷地。本文以50 m為間隔，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)高程區(qū)間內(nèi)的NDVI平均值，用以表示植被生長(zhǎng)狀況隨地形變化的規(guī)律(圖4)。

圖4 NDVI與海拔關(guān)系Fig.4 Relationship between NDVI and altitude

由圖4可看出：隨著高程的增加，NDVI值在750 m及2 800 m出現(xiàn)2處極大值后逐漸減小。研究區(qū)內(nèi)高程<600 m范圍內(nèi)為荒漠生態(tài)系統(tǒng)和水體濕地生態(tài)系統(tǒng);沙漠生態(tài)系統(tǒng)地下水以蒸發(fā)消耗為主，生長(zhǎng)有駱駝刺等耐旱植被，植被稀疏，長(zhǎng)勢(shì)較差，僅在霍城南部區(qū)域有分布;水體濕地生態(tài)系統(tǒng)為地下水排泄區(qū)，生長(zhǎng)有蘆葦、堿蓬、紅柳等，植被覆蓋度相對(duì)較高，生態(tài)環(huán)境脆弱。高程600～850 m為人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)，是地下水的徑流消耗區(qū)，為河流沖洪積扇平原區(qū)地貌，種植大片玉米、棉花等農(nóng)作物，NDVI平均值一般>0.28。高程>850 m后逐漸變?yōu)樯降厣鷳B(tài)系統(tǒng)，降雨量大，為徑流形成區(qū)，沖溝發(fā)育。高程1 000 m附近為低山丘陵區(qū)，因地形坡度大且有黃土覆蓋，植被覆蓋率低，NDVI平均值<0.16，且多為耐旱植被；中高山發(fā)育有落葉闊葉林、山地草原帶和針葉林帶，NDVI平均值介于0.20～0.25之間；植被長(zhǎng)勢(shì)較好，極高山區(qū)多有冰雪覆蓋，NDVI值一般<0。

3.2 植被與地下水關(guān)系

3.2.1 植被(NDVI)與TDS關(guān)系

研究區(qū)主要分布有HCO3,HCO3-SO4,SO4-Cl型水，TDS多為<1 000 mg/L的淡水，在霍城縣北部局部區(qū)域、伊犁河下游沖積細(xì)土平原區(qū)、伊寧縣城附近、鞏留縣北部平原區(qū)以及那拉提山前洪積平原區(qū)分布著微咸水，TDS為1 000～3 000 mg/L；在新源縣則克臺(tái)農(nóng)場(chǎng)附近、察縣西部小范圍區(qū)域分布著咸水，TDS為3 000～10 000 mg/L，其中，在則克臺(tái)鎮(zhèn)一大隊(duì)附近，TDS為6 163.4 mg/L，為全區(qū)域最高值。

由TDS與NDVI關(guān)系(圖5)可知：地下水礦化度在0～1 000 mg/L時(shí)，礦化度與植被生長(zhǎng)狀況無明顯相關(guān)關(guān)系；但在礦化度>1 000 mg/L后，隨著礦化度的升高，植被生長(zhǎng)狀況逐漸變差，兩者關(guān)系明顯,相關(guān)關(guān)系為y=-4×10-5x+0.332 1，擬合系數(shù)為0.733 5。

圖5 NDVI與TDS關(guān)系Fig.5 Relationship between NDVI and TDS

3.2.2 植被(NDVI)與地下水埋深關(guān)系

伊犁河谷區(qū)內(nèi)地下水埋深在山前沖洪積扇區(qū)較大，一般高程>100 m，而在河流沖洪積扇的河谷兩側(cè)，地下水埋深較淺，大多為0～15 m范圍。研究通過對(duì)伊犁河附近等人類活動(dòng)干擾較小的區(qū)域以地下水埋深0.2 m為間隔統(tǒng)計(jì)分析對(duì)應(yīng)深度下NDVI平均值(圖6)。結(jié)果表明:植被NDVI值隨著地下水埋深逐漸變大后又逐漸變小，相關(guān)關(guān)系為：y=-0.011x2+0.058x+0.29，擬合系數(shù)為0.764 8；當(dāng)?shù)叵滤裆?4.3 m后略有波動(dòng)，但整體趨于穩(wěn)定?？烧J(rèn)為新疆伊犁河谷區(qū)地下水埋深為0～1.2 m時(shí)，植物根系可直接吸收地下水，水分充足，植被生長(zhǎng)茂盛，但由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，可能會(huì)導(dǎo)致土壤鹽漬化，同時(shí)也會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，耐鹽喜水植被為該區(qū)域優(yōu)勢(shì)植被，如沙柳、堿蓬及蘆葦和雜合草，可認(rèn)為是鹽漬化水位埋深區(qū)；地下水埋深為1.2～4.3 m時(shí)，NDVI平均值整體較大，水分能完全滿足植被生長(zhǎng)的需求，亦不會(huì)產(chǎn)生土壤鹽漬化等問題，為植被的適生地下水埋深，而地下水埋深為2.8 m左右時(shí)對(duì)應(yīng)最大的NDVI平均值為植被生長(zhǎng)的最佳水位；4.3 m后地下水對(duì)植被的影響逐漸變小，氣候及人類活動(dòng)對(duì)植被影響逐漸增強(qiáng)。

圖6 NDVI與地下水埋深關(guān)系Fig.6 Relationship between NDVI and groundwater depth

4 結(jié) 論

本文以伊犁河流域植被為研究對(duì)象，在區(qū)域尺度上定量研究了地形地貌、地下水埋深、TDS等因素對(duì)植被的影響，得出以下結(jié)論。

(1)不同地貌間植被類型及生長(zhǎng)狀況差異明顯，總體上看，沼澤平原、沖洪積細(xì)土平原、緩傾斜含礫細(xì)土平原、黃土丘陵、風(fēng)積沙丘及強(qiáng)傾斜礫質(zhì)平原區(qū)植被生長(zhǎng)狀況依次變差。

(2)隨著高程的增加，NDVI值在750 m及2 800 m出現(xiàn)2處極大值，對(duì)應(yīng)人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)和中高山針葉、闊葉林帶及山地草原帶。

(3)地下水礦化度在0～1 000 mg/L時(shí)，礦化度與植被生長(zhǎng)狀況無明顯相關(guān)關(guān)系，但在礦化度>1 000 mg/L后，隨著礦化度的升高，植被生長(zhǎng)狀況逐漸變差。

(4)由地下水埋深與植被關(guān)系可知，0～1.2 m為鹽漬化水位埋深，1.2～4.3 m為植被適生地下水埋深，2.8 m為植被生長(zhǎng)最佳水位，4.3 m以后地下水對(duì)植被影響逐漸變?nèi)?，氣候及人類活?dòng)的影響逐漸增強(qiáng)。