黄土高原延河流域土壤水分对退耕还林响应的遥感反演研究

Clarifying the spatial and temporal change characteristic of the Loess Plateau soil moisture and its response to ecological restoration program is important for future planning of ecological restoration programs and the sustainable development of local environment. Traditional soil moisture study is limited in terms of space span, which makes remote sensing inversion a hotspot in research field as it proves to be an effective method to study regional-scale moisture changes. However, because of the low time-space resolution and flawed inversion method, researches on the Loess Plateau soil moisture could be further improved. This study, focusing on remote sensing inversion of surface soil moisture (0-20cm) in the Loess Plateau and its response to the Green for Grain Program, hopes to realize the following two purposes: (1) To build a soil moisture inversion method, which is of high time-space resolution, fit for the Loess Plateau region, and benefit the long span surface soil moisture monitoring and study so as to improve the accuracy of inversion regional soil moisture; (2) To analyze the time and space change trends of regional surface soil moisture since the implementation of Green for Grain program, and clarify its correlation and mechanism with ecological restoration, in order to provide scientific grounds for future ecological restoration planning and for policy-making in sustainable development of regional ecological environment.

从区域尺度明确黄土高原土壤水分时空变化特征及其对生态恢复工程的响应，对未来地区生态恢复的规划建设及区域生态环境的可持续发展具有重要价值。传统土壤水分研究空间跨度较为有限，遥感反演作为区域尺度土壤水分变化研究的有效手段，成为近年来的热点研究内容。然而目前有关黄土高原地区土壤水分遥感反演的研究，仍存研究结果时空分辨率低、反演方法有待优化等不足。本研究以黄土高原典型流域表层(0-20cm)土壤水分对退耕还林工程建设响应的遥感反演为核心研究内容，以期在两个方面有所突破：(1)构建一种适宜黄土高原地区流域尺度的具有中高时空分辨率，能够满足长时间跨度表层土壤水分监测研究的土壤水分遥感反演方法，提高表层土壤水分的反演精度；(2)分析退耕还林工程实施以来区域表层土壤水分的时空变化趋势及其与生态恢复之间的内在关系及影响机制，为未来该地区生态恢复建设规划提供科学依据，为区域生态环境可持续发展提供决策支持。

从区域尺度明确黄土高原土壤水分时空变化特征及其对生态恢复工程的响应，对未来地区生态恢复的规划建设及区域生态环境的可持续发展具有重要价值。为了提高地表温度-植被指数在地表土壤水分监测中的应用，本研究利用MODIS系列数据构建了一种修正的温度-植被干燥指数（MTVDI）。在Ts-fc特征空间的基础上，采用更加客观的干边估计方法，降低了对数据量的依赖，提高了表层土壤水分估算的准确性。研究结果表明：（1）通过遥感估算结果与实地测量数据的对比，验证了MTVDI理论干边和湿边均能形成清晰的梯形空间。与TVDI不同，MTVDI与土壤水分的决定系数（R²）明显提高（TVDI为0.45，MTVDI为0.69）。因此，可以认为MTVDI是实现大面积表层土壤水分连续监测的有效方法。（2）对研究区近16年来MTVDI空间变化趋势进行分析，结果表明，延河流域MTVDI整体呈现增加趋势，即研究区整体呈现土壤水分下降趋势，下降区域占总面积的72.61%。土壤水分南北分布不均，南部较低但部分区域有所回升，北部较高但逐年下降。针对土地利用类型的分析进一步表明，新增林、草地土壤水分下降趋势较原生林、草地更为明显，生态工程带来的额外植被导致生态系统水资源无法满足恢复林、草地需求。在未来的生态恢复建设过程中，应更多地关注当地气候因素，并选择合适的植物物种，力求平衡不同生态系统对水资源的需求。