干旱是常见的自然灾害之一,具有发展缓慢、影响范围广、成灾复杂等特点[1],全球每年因干旱灾害造成的经济损失高达60亿～80亿美元[2]。随着气候变化,全球极端干旱面积扩大[3-4],干旱灾害发生的频数和强度可能会大幅升高[5]。在信息时代背景下,遥感技术实现了农业旱情的准确监测,成为抗旱减灾的重要技术手段。基于遥感技术的旱情监测始于20世纪70年代,与传统的实地测量和气象站点法相比,具有监测范围广、时效性强、人力物力投入小等优点。随着旱情监测方法和监测指标研究的不断深入[6],光学遥感(热惯量法、植被指数法、植被指数和温度法)和微波遥感成为干旱指标反演的主要技术方法[7-8]。由于具有更丰富的数据源和长时间序列数据,光学遥感在旱情监测中得到广泛应用。其中,由于温度植被干旱指数(TVDI)能准确获取旱情的时序变化及空间分布,基于MODIS的TVDI干旱监测被广泛应用[9-10]。在内蒙古草地[11]、荒漠草原[12]、农田[13]旱情监测中,TVDI取得了较好的监测效果; 但是,基于TVDI应用的干旱对不同生态系统的影响研究却罕见报道。

内蒙古自治区赤峰市是重要的商品粮生产基地,但受气候、地理环境等因素的影响,“十年九旱,年年春旱”严重制约着社会经济及生态环境的可持续发展。然而对于全市旱情的时空变化,尚缺少基于长时间序列数据的研究。本研究基于2000-2019年生长季(5-9月)MODIS数据构建TVDI,分析了赤峰市生长季旱情的时空变化,探讨了干旱对森林、灌丛、草地和农田生态系统的影响。研究可为减灾部门旱情风险评估提供科学依据,为防旱、治旱措施的制定提供参考,减轻干旱对农牧业生产和社会生活带来的不利影响。

1 材料与方法

1.1研究区概况

赤峰市处于内蒙古自治区东南部,下辖3个区(松山区、元宝山区和红山区)、2个县(宁城县、林西县)和7个旗(阿鲁科尔沁旗,巴林左旗,巴林右旗,克什克腾旗,翁牛特旗,喀喇沁旗和敖汉旗)(图1)。赤峰市地形地貌复杂,地势西高东低,丘陵沟壑交错。地处温带大陆性季风气候区,热量条件好,无霜期120～160 d,≥10 ℃年活动积温2 700～3 300 ℃。根据中国科学院土地利用土地覆被遥感监测数据集[14],将赤峰市生态系统分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇生态系统和裸地。本文研究了干旱对各生态系统(森林生态系统、灌丛生态系统、草地生态系统、农田生态系统面积占比分别为16.23%、2.75%、47.70%、25.63%,合计92.31%)的影响(图1)。

图1 赤峰土地利用类型空间分布Fig.1 Spatial distribution of land uses in Chifeng

1.2数据来源与处理

研究所用MODIS数据来自NASA(national aeronautics and space administration)和EOS(earth observe system),包括2000-2019年农作物生长季(5-9月)8 d合成地表温度Ts(MOD11A2)和16 d合成NDVI(MOD 13A2)数据,空间分辨率均为1 km。为使时间分辨率一致,采用最大值合成法生成时间分辨率为1个月的Ts和NDVI数据[15]; 研究所用土壤湿度数据源自中国气象科学数据共享服务网。另外,旱情的空间分析利用ArcGIS的空间统计模块进行; 利用SAS 10.4进行相关、回归等统计分析。

1.3研究方法

Sandholt等[16]在Goetz[17]、Moran[18]等提出的Ts-NDVI梯形特征空间的基础上,提出了TVDI概念,并进一步对其生态特征做出解释。Ts与NDVI负相关,任何一个NDVI值对应唯一一组Tsmin(湿边)和Tsmax(干边)[18],存在若干条近似线性的土壤湿度等值线,相交于干湿边[19],等值线的斜率反映土壤含水量状况。研究所建Ts-NDVI特征空间如图2所示,其中,TVDI的计算公式为

图2 Ts-NDVI特征空间Fig.2 Ts-NDVI feature space

Tmin=a1+b1×Indv,

Tmax=a2+b2×Indv,

(1)式中T表示任一像元的地表温度(K),Tmin和Tmax分别表示某一Indv值所对应的最低地表温度和最高地表温度; (2)式和(3)式分别为特征空间内干、湿边拟合公式,其中a1、b1为湿边拟合系数,a2、b2为干边拟合系数。Itvd的值域为(0,1),值越小,表示植被蒸发量越大,旱情越轻; 值越大,表示植被蒸发量越小,旱情越重。在计算Itvd时考虑了地表温度反演方法、地形因素与植被指数的影响。由于Itvd不能很好地表征植被覆盖度过低区土壤干湿状况,在构建温度与植被指数特征空间时,取Indv>0.2进行干、湿边拟合。同时,由于赤峰地区地形复杂,高程差值约为2 km,影响地表温度反演的准确性,基于DEM对地表温度数据进行修正:

表1TVDI等级划分Tab.1 Drought classification by TVDI干旱等级干旱类型TVDI1湿润0.0～0.22正～0.43轻旱0.4～0.64中旱0.6～0.85重旱0.8～1.0