塔里木河下游土地利用/覆被變化對生態(tài)輸水的響應(yīng)

王珊珊，王金林，周可法，汪 瑋，萬應(yīng)彩

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆礦產(chǎn)資源與數(shù)字地質(zhì)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 3.中國科學(xué)院新疆礦產(chǎn)資源研究中心，新疆 烏魯木齊 830011； 4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河，具有自然資源豐富和生態(tài)系統(tǒng)脆弱的雙重性特點，是保障塔里木盆地綠洲經(jīng)濟、自然生態(tài)和新疆各族人民生活的生命線，同時在干旱區(qū)水資源研究方面具有代表性[1-4]。塔里木河流域?qū)儆跇O端干旱環(huán)境，流域內(nèi)幾乎所有的自然過程或人類活動都直接或間接受制于水資源的限制，因此對水資源進行全方位的觀測非常必要和緊迫。目前，塔里木河下游已成為國內(nèi)甚至國外研究和恢復(fù)保護的熱點地區(qū)之一，引起了國內(nèi)外各行各業(yè)的廣泛關(guān)注[5-9]。

1972年，塔里木河道完全斷流，從而導(dǎo)致下游地下水位顯著下降，河道沿岸的天然植被大面積退化和嚴重的土地荒漠化[10-11]。2000年，為了下游河段沿岸的生態(tài)恢復(fù)，塔里木河實施了間歇性生態(tài)輸水，使斷流區(qū)域生態(tài)和環(huán)境發(fā)生了變化，土地利用/土地覆蓋變化(land-use/land cover change, LUCC)也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化[12]。LUCC是衡量一個地區(qū)生態(tài)和環(huán)境是否可持續(xù)發(fā)展的重要指標之一，也是引起其他環(huán)境變化問題的主要原因之一，在區(qū)域環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究中占有重要地位[13-15]。

針對不同衛(wèi)星資料和輔助數(shù)據(jù)，眾多學(xué)者開展了景觀生態(tài)、植被監(jiān)測、LUCC等研究。Kennedy等[16]應(yīng)用Landsat TM/ETM+各個波段的反射率，通過回歸分析方法模擬了第五波段變化，對1988—2007年烏克蘭喀爾巴阡山的森林覆蓋情況在人為影響的變化軌跡進行監(jiān)測。Zhou等[17]結(jié)合Landsat TM、ETM+、SPOT和MSS等多時相、多源遙感數(shù)據(jù)，通過各時相LUCC變化軌跡研究基于人為因素下的LUCC的過程特征。朱長明等[18]基于2000—2017年MOD13Q1密集時序植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)，反演和監(jiān)測塔里木河下游植被覆蓋度(fractional vegetation cover, FVC)變化，探討了塔里木河下游植被在生態(tài)輸水條件下的生長和恢復(fù)情況。Liu等[19]結(jié)合Landsat TM/ETM和CBERS/CCD遙感圖像，通過土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(soil adjusted vegetation index, SAVI)法研究1999—2010年塔里木河下游植被恢復(fù)狀況。各位學(xué)者通過穩(wěn)定的、長時間序列和不同時間段的遙感影像數(shù)據(jù)，進行植被、土地利用和環(huán)境資源大范圍、體系化的研究，對區(qū)域乃至全球的LUCC和生態(tài)恢復(fù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

本文從塔里木河流域的生態(tài)輸水情況出發(fā)，基于時間軌跡分析方法，以遙感影像資料和生態(tài)輸水監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，采用ENVI和GIS為數(shù)據(jù)分析處理工具，分析塔里木河下游LUCC對生態(tài)輸水的響應(yīng)，以期為塔里木河流域水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為塔里木河下游斷流地區(qū)，該區(qū)位于塔克拉瑪干和庫魯克兩大沙漠之間，海拔在801.50～846.25 m之間，特瑪湖區(qū)為最低點(801.50 m)。塔里木河下游沿岸發(fā)育呈帶狀分布的干旱區(qū)荒漠河岸林，在荒漠之中形成一道著名的“綠色走廊”。本文研究區(qū)域地理位置為86°00′E～89°30′E和39°00′N～41°30′N(圖1)。為了充分研究受生態(tài)輸水不同影響程度的區(qū)域，本文以生態(tài)輸水主河道為中心線，向兩側(cè)建立近30～50 km的緩沖帶，以此作為本研究重點討論的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

研究區(qū)屬大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候，多年平均降水量僅17.4～42.0 mm，潛在年蒸發(fā)量(蒸發(fā)力)高達2 500～3 000 mm，為年降水量的79.6～166.8倍；年平均氣溫10.7～11.5 ℃，年較差達35.7～35.9 ℃；太陽總輻射5 692～6 360 MJ/m2，日照時數(shù)2 780～2 980 h，大于或等于10 ℃年積溫為 4 100～4 300 ℃。降水量與潛在蒸發(fā)量有著強烈反差，導(dǎo)致該區(qū)域極度干燥，是中國最干旱地區(qū)之一。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本文獲取的多景Landsat TM、ETM+和OLI遙感影像從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官方網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov)免費下載。TM、ETM+和OLI遙感數(shù)據(jù)為30 m空間分辨率、包括可見光、近紅外波段和短波紅外波段的光譜分辨率。由于遙感影像存在儀器本身、拍攝天氣和獲取時間等一系列問題，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)中的云覆蓋情況、條紋噪音以及波段間的空間位置匹配情況對圖像進行了篩選，并將成像日期限制在植被生長旺盛、物候特征穩(wěn)定的時間階段的影像。根據(jù)以上限制因素和對研究區(qū)的分析，分別獲取于1990年和2015年夏季中旬，天氣狀況良好，圖像軌道號分別為143/31、142/31、142/32、142/33、141/31、141/32、141/33、141/34、140/33的多景遙感影像數(shù)據(jù)。

采用圖像到圖像的配準方法，以2000年遙感影像圖為基準，對2015年遙感影像進行幾何糾正。地面控制點(GCP)主要選擇道路、河流交叉口、建筑邊界、遠離公路的孤立植被點等；GCP每幅不少于30個，均勻分布，河道沿岸適當(dāng)加密。采用二次多項式進行幾何糾正，并保證了配準時的殘差在一個像元以內(nèi)，以達到制圖精度的要求。為了便于出圖，對幾何糾正后的影像數(shù)據(jù)進行9幅圖遙感圖像的鑲嵌。鑲嵌時應(yīng)當(dāng)選擇占研究區(qū)域最多面積且數(shù)據(jù)質(zhì)量好的一景影像作為基準圖像，其余幾景影像顏色平衡到基準圖像。同時，對兩幅影像運用ENVI 5.3中的FLAASH模塊進行了大氣糾正，以消除大氣對影像的影響。

2.2 LUCC信息提取

對遙感數(shù)據(jù)進行分類并提取LUCC信息時，建立一個符合研究區(qū)特點的分類體系是至關(guān)重要的。不同的分類標準和體系有可能導(dǎo)致LUCC分析的結(jié)果大相徑庭。因此，根據(jù)研究區(qū)的地物和研究目的，選擇合適的土地利用類型不僅可以有利于LUCC的監(jiān)測，還可以減小分類中的誤差。研究區(qū)域范圍內(nèi)主要有：自然植被(林地、草地和濕地)、人工用地、戈壁和沙漠等。參考中國土地資源分類系統(tǒng)一級分類標準[20]和依據(jù)塔里木河下游的土地利用和規(guī)劃的特點，如植被高度、覆蓋度、植被1 a中被水覆蓋的時間和年積溫等指標，將20個二級土地利用類型合并為林地、草地、耕地、濕地、人工表面及其他等6個一級土地利用單元(表1)。

表1 研究區(qū)域LUCC分類標準

通過表1分類標準，應(yīng)用遙感圖像處理軟件ENVI 5.3對2000—2015年的研究區(qū)影像圖進行監(jiān)督分類，提取研究區(qū)的LUCC(圖2)。其中，整體分類精確度分別為85.92%和87.21%，達到了精度要求，滿足對LUCC等監(jiān)測的需求。

3 結(jié)果與分析

3.1 塔里木河下游間歇性生態(tài)輸水統(tǒng)計分析

自20世紀50年代以來，塔里木河下游受到了高強度人類活動的影響，導(dǎo)致植被處于衰敗趨勢，沙漠化越來越嚴重。2000年5月，新疆維吾爾自治區(qū)人民政府以拯救塔里木河下游“綠色走廊”為目的，而實施了“塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程”，并于2001年實施了“塔里木河流域近期綜合治理工程”。2001年，國務(wù)院以國函【2001】74號文批準并執(zhí)行共計107億元的《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》項目投資，同時，世界銀行針對塔里木河流域生態(tài)保護和生態(tài)恢復(fù)給予大量的貸款支持[12,21-22]。

(a) 2000年

由于遙感數(shù)據(jù)源的限制，僅采用了2000年和2015年的遙感數(shù)據(jù)進行塔里木河下游LUCC分析，考慮到選用遙感數(shù)據(jù)的時間和跨度及研究的LUCC與生態(tài)輸水的關(guān)系，所以選用2000—2015年的16次輸水?dāng)?shù)據(jù)進行分析研究。據(jù)塔里木河流域管理局監(jiān)測數(shù)據(jù)，《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》項目實施以來，自2000年起實施至2015年年底已完成了16次共計21期的生態(tài)輸水，輸水總量已達到51.35億m3，多次實現(xiàn)了雙河道輸水，水頭多次到達臺特馬湖，并形成了大面積的水域(圖3)。這樣大規(guī)模的間歇性人工輸水工程，在全國乃至全球范圍內(nèi)都實屬罕見。

圖3 塔里木河下游應(yīng)急輸水量年度變化

3.2 LUCC的數(shù)量特征與趨勢分析

根據(jù)圖2可以對16年間塔里木河下游地區(qū)的土地利用變化進行分析。表2直觀展現(xiàn)了2000年與2015年之間的土地利用變化，可以看出林地和草地2015年比2000年分別增加了823個和1 347個像元；耕地、濕地和人工用地2015年比2000年分別減少了1 422個、736個和222個像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210個像元。

表2 2000年和2015年不同土地利用類型的變化

表3 2000—2015年LUCC轉(zhuǎn)移矩陣

為了更清楚地了解和分析2000—2015年LUCC的變化，計算了2000—2015年間塔里木河下游地區(qū)LUCC的轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表3。從表3可以看出，2000—2015年塔里木河下游區(qū)域的LUCC變化不大，變化的面積為772.57 km2，總面積為16 761.03 km2，變化面積占總面積的4.61%。耕地、人工表面和濕地的面積均有不同程度的增加，分別增加了 215.71 km2(41.71%)、47.78 km2(137.63%)、122.80 km2(55.74%))；草地、林地和戈壁、裸土、沙漠等其他用地面積有所減少，分別減少了209.65 km2(31.33%)、7.87 km2(0.16%)與168.77 km2(1.63%)。

采礦場、建設(shè)用地、交通用地等人工表面迅速擴張(擴大了137.63%)，主要來源于其他用地(71.32%)、草地(17.16%)、林地(8.54%)、耕地(3.96%)以及濕地(0.58%)。濕地增加了122.80 km2(55.74%)，主要來源于林地(54.21%)、草地(33.71%)和其他用地(22.89%)。在減少的類型中，減少的草地主要用于增加耕地(56.30%)和濕地(19.75%)等土地類型。其中，人工表面所占面積并不大，由2000年34.72 km2的變?yōu)榱?015年的82.49 km2，但增長速度極快。

LUCC的遙感變化檢測，需要獲取3方面的信息：變化的位置、變化的方向和變化的過程，其中變化位置對于生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測最為重要，有助于分析和解釋變化的原因。在驅(qū)動因子明確的情況下，變化過程研究有利于揭示LUCC對生態(tài)、環(huán)境改變和人類干預(yù)的響應(yīng)，有利于揭示LUCC變化趨勢。

對2000年和2015年的土地利用分類圖進行疊加分析，得到了2000—2015年塔里木河下游LUCC分布圖，如圖4所示。八十橋附近(86°17′48″E，41°12′9.69″N)有一塊草地變?yōu)榱肆值?。恰拉水庫附近，河道沿岸區(qū)域2000年的LUCC為草地林地，2015年的土地類型變?yōu)榱藵竦睾娃r(nóng)田。2000年大西海子水庫附近的草地，2015年大部分變?yōu)榱藵竦?，小部分變?yōu)榱肆值亍Ｔ诃傔_里亞什克附近(88°15′49″E，39°29′46″N)由2000年的戈壁、裸土、沙漠等其他用地，變?yōu)榱?015年的林地和濕地。在研究區(qū)的最南邊的若羌縣(88°16′15″E，39°3′3.9″N)內(nèi)有一塊條帶狀的2000年的草地，2015年變?yōu)榱烁亍?/p>

此外，LUCC主要發(fā)生在塔里木河下游區(qū)域的河道兩旁，主要分布在河水漫溢、滯留區(qū)，說明河水漫溢可以促進局部植被的恢復(fù)。轉(zhuǎn)變類型主要是草地類型變化為濕地和耕地類型，土地利用變化呈現(xiàn)出破碎化、不規(guī)則化和復(fù)雜化的趨勢。

圖4 2000—2015年塔里木河下游LUCC分布

3.3 植被面積變化與生態(tài)輸水的響應(yīng)

2000年5月至2015年11月共計16次、1 670 d的51.35億m3間歇性生態(tài)輸水，使植被面積總體上呈增加趨勢，2015年較2000年植被面積增加382.85 km2；人工表面也呈現(xiàn)增加趨勢，2015年較2000年增加面積為356.10 km2；戈壁、裸土、沙漠等其他用地面積有所下降，減少了738.95 km2。

研究表明，輸水效益的呈現(xiàn)是一個長達數(shù)年的過程，正如輸水前植被退化過程很遲緩一樣，下游植被的生態(tài)響應(yīng)和地下水的響應(yīng)在一個大的空間、時間尺度上將是逐漸呈現(xiàn)出來的[18,23-24]。各年植被面積與其前一年的生態(tài)輸水累積量呈正相關(guān)關(guān)系，植被面積隨生態(tài)輸水的增加而增加，但是植被面積的增加滯后1 a，也就是說植被面積對生態(tài)輸水的響應(yīng)有1 a的滯后期。2014年6月的輸水僅9 d，輸水量727萬m3；2015年的輸水主要在秋季進行，此時已經(jīng)錯過了植被的生長旺季。這將影響2015年的當(dāng)年植被面積，然而秋季的生態(tài)輸水將主要通過補給地下水，對2016年植被的生長產(chǎn)生影響。因此，植被面積的變化受多種因素影響，如當(dāng)年的氣候、輸水量、輸水天數(shù)、輸水時間、輸水的平均速度和人為因素等。研究還表明塔里木河下游地下水的主要補給來源為河道徑流以垂向和側(cè)向的方式補給，地下水波動幅度隨距離的增加在縱橫兩個方向上均逐步減緩[1,6,25]。通過遙感解譯和野外監(jiān)測，可以看出生態(tài)輸水使得塔里木河下游的淺層地下水位有所升高，地表植被的物種數(shù)目和豐富度逐漸增加，如豬毛菜、白刺、駱駝刺、蘆葦、沙棗、甘草等植物區(qū)域性出現(xiàn)，一些耐旱的喬灌木也慢慢恢復(fù)，植被群落生物多樣性得到逐漸恢復(fù)。同時，人工表面呈現(xiàn)增加趨勢，戈壁、裸土、沙漠等其他用地的面積大幅度下降，也表明了2000年以來塔里木河下游區(qū)域受到人類活動的影響越來越多，人為因素的作用也越來越強。但從2000—2015年LUCC與生態(tài)輸水的響應(yīng)來看，植被的增加和恢復(fù)仍然主要集中在部分區(qū)域，還沒有達到恢復(fù)和重建塔里木河下游生態(tài)和環(huán)境的總體目標。同時，遙感數(shù)據(jù)的時相要與LUCC的時間特征相協(xié)調(diào)，才能夠有效檢測變化的特征[26-27]。本研究由于遙感數(shù)據(jù)源的限制，僅用2000—2015年的2個時相數(shù)據(jù)來說明植被面積與生態(tài)輸水量之間的相關(guān)性，可能不夠充分，但仍具有啟示意義。

要完成大規(guī)模塔里木河下游生態(tài)恢復(fù)，必須采取有針對性的輸水方式，使輸水效益和輸水配置達到最大化和最優(yōu)化[6,28]。根據(jù)2000—2015年的生態(tài)輸水實踐和積累的經(jīng)驗，知道必須結(jié)合水情來調(diào)節(jié)河水漫溢的次數(shù)、干擾的強度和輸水時間。首先，采用相比于自然狀態(tài)河水漫溢更為靈活的方式：枯水期時，以線狀輸水為主；豐水期時，增加汊河和面狀輸水，擴大地下水的補給范圍，這將避免自然狀態(tài)下河水集中耗散的問題。其次，利用水庫調(diào)度功能合理調(diào)控輸水時段，選擇每年4—5月、8—10月為主要輸水時間。草甸植被恢復(fù)采用間歇機動式水量調(diào)度，而林、灌、草植被生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)以水量量級分配、斷面流量和總量控制等方式進行水量調(diào)度。同時，要加強塔河流域的監(jiān)測、監(jiān)控和水資源統(tǒng)一調(diào)控設(shè)施、體制的完善。要促進塔河流域水資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，仍需要長期堅持不懈的努力。

4 結(jié) 論

從變化趨勢看，研究區(qū)在2000—2015年間，林地和草地分別增加了823個和1 347個像元；耕地、濕地和人工用地分別減少了1 422個、736個和 222個像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210個像元，其中植被的轉(zhuǎn)變占優(yōu)勢，并引起植被面積擴大。植被面積總體上呈增加趨勢，2015年較2000年凈增植被面積382.85 km2；人工表面也呈增加趨勢，2015年較2000年凈增356.10 km2；其他用地的面積共計減少了738.95 km2。輸水過程中，植被面積總體上呈擴大趨勢，但植被總面積的擴大對生態(tài)輸水有1 a的滯后。LUCC主要發(fā)生在塔里木河下游區(qū)域的河水漫溢、滯留區(qū)，說明河水漫溢可以促進局部植被的恢復(fù)，主要為草地類型變化為濕地和耕地類型，變化趨勢呈現(xiàn)出破碎化、不規(guī)則化和復(fù)雜化的趨勢。塔里木河下游LUCC除影響該地區(qū)地下水、微氣候、自然植被覆蓋、野生動物分布等自然環(huán)境外，還將對該地區(qū)的人類生活方式和生活水平產(chǎn)生重大和深遠的影響。