新疆绿洲浅层地下水盐变化与地表植被生态效应遥感研究

At the present during the research of water-salt change in arid zone based on remote sensing, the coupling relationship between the changes of the shallow underground environmental key factors (underground water and salt mainly) which influence directly on the vegetation roots and the plant ecological effect on the surface is not be studied further yet. Meanwhile, being a key scientific issue of ecological hydrology in arid zone, due to the limited research scale and shortages of the observation data, the generality and the quantitative degree are far from being satisfaction. This project will do some corresponding improvement to the above limitations, and select the typical delta oasis of weigan and kuche river where long period of research has been done as the study area. Using the quantitative remote sensing, proximal sensing(electromagnetic induction technology), field sampling data collection and land surface experiment, this project developed an algorithm which is working for arid zone environmental condition and which can indicate the shallow underground water , electrical conductivity of the slope and the land surface based typical desert vegetation coverage. Meanwhile, the monitoring model between the oasis shallow underground water, salt content change and the land surface vegetation cover evolution is established. Based on the systematic analysis of the shallow underground water, salt dynamic change and its mechanic effect on the surface vegetation ecology, under the proper water and salt coercion, the early warning mechanism of the surface vegetation ecological risk is established and the result is verified..This study provides a scientific basis and a case demonstration for protecting the arid zone underground water, maintaining the oasis good soil environment and normal growth of the vegetation, and proper water distribution, ecosystem management and conservation at the minority nationality regions.

当前干旱区水盐变化遥感研究对于直接作用于植被根系的浅层地下环境要素（地下水、盐）变化与植被生态效应的耦合关系研究相对空白，同时作为干旱区生态水文关键科学问题，限于传统研究手段及观测尺度资料欠缺，有关成果通用性及定量化并不令人满意。本项目对此进行了相应改进，选择具有长期研究基础的渭干河-库车河流域典型绿洲，通过定量遥感、近感（电磁感应）技术、野外样方调查及地面实验，开发适宜于干旱区环境条件下的浅层地下水、剖面电导率及地表典型荒漠植被覆盖反演算法，联合构建绿洲区域浅层地下水、盐变化与地表植被覆盖演化之间耦合关系模型，在系统分析浅层地下水、盐动态变化及其地表植被生态效应作用机制基础上，构建合理的水盐胁迫下地表植被生态风险预警机制并对结果进行验证。该研究对于合理开发利用和保护干旱区地下水，保持绿洲良好的土壤环境和植被正常生长，为少数民族地区合理生态配水及生态系统保育管理提供基础科学支撑与案例示范。

干旱区绿洲外围大尺度地表天然植被覆盖主要受地下水盐胁迫，其耦合作用机制一直是干旱区生态水文关键科学问题，传统生态水文观测及研究手段限于尺度及普适性难以应对。基于此，本项目选择具有长期研究基础的渭干河-库车河流域典型绿洲，通过遥感协同近感（电磁感应）技术、野外样方调查及地面实验，开发适宜于干旱区环境条件下的浅层地下水、剖面电导率及地表典型荒漠植被覆盖反演算法，联合构建绿洲区域浅层地下水、盐变化与地表植被覆盖演化之间耦合关系模型，试图系统分析浅层地下水、盐动态变化及其地表植被生态效应作用机制。四年项目执行期间，在如下几个方面取得了较突出的进展，通过遥感与近感技术协同开展了研究区地表及剖面土壤电导率定量评估与尺度效应研究，基于3D层面的土壤盐分空间异质性及运移特征规律可视化表达研究成果在国际土壤科学研究领域处于前沿；首次提出基于代表性等级的采样设计方法，获取少量典型样点， 结合土壤—环境推理模型综合建模，推理区域尺度高精度土壤盐分含量信息。依据评判标准，预测结果与实际情况较为相符，与线性回归模型相比，具备处理土壤与环境变量之间非线性关系的SoLIM，推理精度更高；采用经典统计学与 GIS 相结合的方法，运 用 TS－VI 特征空间（TS－NDVI 与TS－MSAVI 特征空间）反演了土壤含水量，并以此反演出地下水埋深分布状况，并对 2 种方法的精度进行比较，寻求适用于下垫面缺数据情境下地下水反演实用算法；在植被覆盖度时空变化研究方面，通过斜率、 变异系数、 线性回归模型等方法来对植被覆盖度做了现状及未来趋势变化评估；将集合卡尔曼滤波同化方法应用于水文模型HYDRUS和遥感数据进行了表层土壤水分的模拟，通过集合卡尔曼滤波对模型变量与观测算子的更新，精度有了明显的提高，多源遥感数据对表层土壤水分的同化研究中具有较大的潜力；基于波谱分解技术基础，有效利用作为盐渍化土壤遥感监测中三个关键指标—土壤盐渍化光谱特征、植被覆盖特征和土壤水分含量特征，提出干旱区水盐变化三维特征空间监测建模算法；国内率先利用国产高分1号及2号遥感数据开展了干旱区绿洲水分及盐分面向对象分类算法研发，采用PLSR模型对土壤盐渍化进行模拟，对研究区盐渍化进行了危险度评估。以上研究研究对于合理开发利用和保护干旱区水土资源及生态系统保育管理提供基础科学支撑。