荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與分析
——以塔里木河下游為例

曹美芹，陳蕓芝，汪小欽，丁金晨

(1.福州大學(xué) 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108；2.衛(wèi)星空間信息技術(shù)綜合應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，福州 350108)

0 引言

荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)作為維持綠洲可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障，具有調(diào)節(jié)氣候、防風(fēng)固沙、穩(wěn)定河道以及維持荒漠區(qū)生態(tài)平衡的重要功能[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康研究起步較晚且沒有普遍認(rèn)可的定義，國(guó)外現(xiàn)有研究成果大都針對(duì)特定區(qū)域，難以直接應(yīng)用于我國(guó)不同類型和區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[2]。雖然，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同的研究對(duì)象及目的提出不同的評(píng)價(jià)方法，但普適性、可移植性和可比性較差。同時(shí)，基于傳統(tǒng)實(shí)地樣方調(diào)查的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)不適合在區(qū)域或全球范圍內(nèi)直接應(yīng)用，且生態(tài)指標(biāo)可操作性較差，難以快速、定量、客觀地對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康做出評(píng)價(jià)。而隨著遙感技術(shù)的推進(jìn)，森林生態(tài)系統(tǒng)健康理論與遙感技術(shù)的結(jié)合將大大提高復(fù)雜時(shí)空尺度上荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)能力。

塔里木河下游地處世界典型的極端干旱區(qū)，由于人類對(duì)水資源的不合理利用，造成河畔“綠色走廊”瀕臨消失，是我國(guó)荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康問題比較突出的區(qū)域[3]。2000年，國(guó)家緊急向塔里木河下游實(shí)施了生態(tài)輸水，直至2018年共計(jì)實(shí)施19次輸水，累積輸水量共計(jì)85×108m3。由于氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。近年來，文獻(xiàn)[5-7]揭示了塔里木河流域荒漠生態(tài)系統(tǒng)退化過程與機(jī)理，確定了流域生態(tài)保護(hù)紅線和生態(tài)需水量，為塔里木河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科技支撐。文獻(xiàn)[8-12]從定性或定量、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)角度分析了塔里木河流域的生態(tài)環(huán)境變化。但現(xiàn)有研究中，缺少以精細(xì)化柵格單元進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列、大規(guī)模連續(xù)的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，且較少從定量、發(fā)展的角度分析其時(shí)空變化特征。因此，結(jié)合遙感技術(shù)及時(shí)合理地分析生態(tài)輸水前后荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康時(shí)空變化特征與趨勢(shì)迫在眉睫。

塔里木河下游健康的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)是指能夠維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和生物多樣性，從而具有較好的自我調(diào)節(jié)能力，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益最大化[13]。故本文的研究目標(biāo)是針對(duì)傳統(tǒng)森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)過多且無法快速評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)周期較長(zhǎng)和空間信息不夠精確等問題，協(xié)同多源遙感數(shù)據(jù)及地理空間信息技術(shù)手段，構(gòu)建基于“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)-影響”(driving-pressure-state-impact-response，DPSIR)的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，通過分析其時(shí)空變化特征及變化趨勢(shì)，為荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康問題精準(zhǔn)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河下游地處世界典型的極端干旱區(qū)，位于新疆東南部的塔克拉瑪干沙漠和庫魯格沙漠之間，常年降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，是我國(guó)最干旱的一隅(圖1)。塔里木河下游作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的核心區(qū)，具有自然資源相對(duì)豐富和生態(tài)環(huán)境極端脆弱的雙重性特點(diǎn)。研究區(qū)地勢(shì)西北高東南低，呈南北向狹長(zhǎng)帶狀分布。兩大沙漠之間為沖積平原，生長(zhǎng)著喬木、灌木、草本等天然植被，胡楊與檉柳是該植被群落的優(yōu)勢(shì)物種，因其與周圍環(huán)境形成強(qiáng)烈反差，這一廊道特性被稱之為“綠色走廊”[14]。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

為開展塔里木河下游長(zhǎng)時(shí)間序列的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，獲取了遙感影像和其他輔助數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http：//glovis.usgs.gov/)，挑選了1989—2018年7期，8—9月分辨率為30 m 含云量少的Landsat影像，由軌道號(hào)為141/32、142/32和142/33的影像組成。遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、影像拼接與裁剪、投影轉(zhuǎn)換、異常值去除與補(bǔ)償?shù)裙ぷ?。并且，根?jù)波譜特征計(jì)算植被指數(shù)、光利用率指數(shù)、土壤質(zhì)量指數(shù)、燃燒指數(shù)等指標(biāo)。

其他輔助數(shù)據(jù)包括：①氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)，利用專業(yè)氣象插值軟件Anusplin，對(duì)周邊12個(gè)氣象站點(diǎn)插值獲得空間分布數(shù)據(jù)集，獲取溫度、水汽壓等指標(biāo);②土壤地質(zhì)、土地利用類型及社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料等數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//www.resdc.cn)，并采用軟件Fragstats獲得景觀格局空間分布數(shù)據(jù)集;③數(shù)字高程模型來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(https：//www.usgs.gov/)，借助ArcGIS軟件計(jì)算坡度、坡向和海拔等指標(biāo)。

在林業(yè)專業(yè)術(shù)語中，喬木、灌木及其他生物和其生態(tài)環(huán)境共同構(gòu)成森林生態(tài)系統(tǒng)。為此，本文將遙感影像進(jìn)行土地利用分類，根據(jù)紋理特征去除耕地，保留農(nóng)田防護(hù)林、荒漠河岸林，疊加所有年份提取結(jié)果作為荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)掩模范圍。需要說明的是，輔助數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間與遙感影像時(shí)間范圍基本保持一致，為了保證不同指標(biāo)之間的高度空間準(zhǔn)確性，將所有指標(biāo)都采用相同的投影系統(tǒng)并重采樣為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 健康評(píng)價(jià)模型

1)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)選取。森林是一個(gè)多層次、開放且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，選擇合適指標(biāo)是構(gòu)建科學(xué)合理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的前提和關(guān)鍵。20世紀(jì)末，歐洲環(huán)境局基于PSR模型和DSR模型提出了DPSIR模型，該模型描述了人類與環(huán)境之間相互影響的因果關(guān)系，通過增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力、降低壓力、優(yōu)化狀態(tài)、平衡影響、完善響應(yīng)，能夠?yàn)榛哪稚鷳B(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)提供一個(gè)較好的基本框架[15]。本文在充分考慮研究區(qū)實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)的可獲取性后，從“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”角度選取了23個(gè)指標(biāo)，其主要指標(biāo)都可基于多源遙感數(shù)據(jù)或基礎(chǔ)地理空間信息技術(shù)手段獲取，具體包括以下5個(gè)指標(biāo)。

①驅(qū)動(dòng)力是荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康變化的潛在間接因素，選取海拔(height，H)、坡度(slope，S)、坡向(aspect，A)、氣溫(temperature，T)、降水(precipitation，P)、濕度(relative humidity，RH)、生產(chǎn)總值(gross domestic product，GDP)、人口密度(population density，PD)指標(biāo)。其中，降水量指標(biāo)因部分年份數(shù)據(jù)缺失，采用水汽壓(water pressure，WP)指標(biāo)替代，它與降水量存在良好的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

②壓力是對(duì)其健康造成直接影響的因素，選取土壤濕度指數(shù)(soil moisture，SM)、歸一化水指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)、燃燒歸一化指數(shù)(normalized burn ratio，NBR)、風(fēng)沙侵害(wind and sand violation，WSV)、氧化鐵比率(iron oxide ratio，IO)、土壤侵蝕指數(shù)(soil erosion index，SE)指標(biāo)。

③驅(qū)動(dòng)力和壓力共同作用的結(jié)果為生態(tài)系統(tǒng)所處的狀態(tài)，選取歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、紅綠比指數(shù)(red green ratio index，RGRI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(shannon diversity index，SHDI)、斑塊個(gè)數(shù)(number of plaques，NP)、散布與并列指數(shù)(interspersion juxtaposition index，IJI)指標(biāo)。

④影響是驅(qū)動(dòng)力、壓力及狀態(tài)共同作用的必然結(jié)果，選取防風(fēng)固沙(windbreak and sand fixation，WSF)、抗旱能力(drought resistance，DR)指標(biāo)。

⑤響應(yīng)是通過采取相應(yīng)措施減少或解決不良影響所產(chǎn)生的后果，選取保護(hù)措施(safeguard，SF)、生物豐度指數(shù)(biological richness index，BI)指標(biāo)。

2)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。由于森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的性質(zhì)和數(shù)據(jù)來源不同，為了將各指標(biāo)輸入到同一個(gè)健康評(píng)價(jià)模型中，本文參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，對(duì)正負(fù)向型指標(biāo)采用最大最小值標(biāo)準(zhǔn)化(式(1))，而區(qū)間型指標(biāo)采用分段上下限標(biāo)準(zhǔn)化[16]，從而把評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為無量綱、無數(shù)量級(jí)差別、取值范圍為0～1的標(biāo)準(zhǔn)值。

(1)

式中：X、Y+和Y-是原始值、正和負(fù)向標(biāo)準(zhǔn)化值；Xmax和Xmin分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)置信區(qū)間為95%和5%的最大、最小值，或者為區(qū)間型指標(biāo)的上限和下限，置信區(qū)間范圍外為0或1。

區(qū)間型指標(biāo)是以對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)健康影響的上限和下限為基準(zhǔn)，量化其指標(biāo)強(qiáng)度。如鄧正波等[17]發(fā)現(xiàn)塔里木河下游平均海拔為825 m，780～980 m上下限的海拔決定植被類型分布，故海拔H指標(biāo)分段上下限標(biāo)準(zhǔn)化(式(2))H∈(780 m，825 m)和(825 m，980 m)，閾值范圍分別為0.4～0.8和0～0.4。其他指標(biāo)具體閾值范圍確定方法如表1所示[18-24]。

(2)

式中：x、y為海拔H指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化前后值。

表1 DPSIR模型的健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定。主成分分析法(principal component analysis，PCA)通過構(gòu)建荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)向量，可以確定各指標(biāo)權(quán)重。為了保證不同年份之間具有可比性，采用各指標(biāo)不同年份的平均值，并再分配至權(quán)重和為1，作為各指標(biāo)最終權(quán)重。從表1可以看出，多樣性指數(shù)SHDI、聚散指數(shù)IJI等指標(biāo)權(quán)重在0.06以上，這可能是因?yàn)榫坝^格局指數(shù)可以較好地表示干旱區(qū)中植被與水資源的鄰近關(guān)系，即水資源越豐富荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)而言越健康。

4)綜合健康評(píng)價(jià)模型。綜合森林健康指數(shù)模型(forest health index，F(xiàn)HI)[25]對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)平均，F(xiàn)HI值越大，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)越健康。

(3)

式中：Vd、Vp、Vs、Vi、Vr分別表示驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)；Wd、Wp、Ws、Wi、Wr表示每個(gè)指標(biāo)所占權(quán)重，且權(quán)重和為1。

2.2 變化特征分析

為了能更加準(zhǔn)確、直觀、具體地分析研究區(qū)荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果，本文借助ArcGIS軟件，通過熱點(diǎn)分析(hot spot analysis)和平均中心分析(mean center analysis)，對(duì)其變化特征及趨勢(shì)進(jìn)行分析。其中，熱點(diǎn)分析通過G*群(getis-ord)識(shí)別空間聚集性顯著程度、類型及區(qū)域位置。通常，高值聚集稱為熱點(diǎn)，低值聚集稱為冷點(diǎn)，該方法能較好地避免健康評(píng)價(jià)結(jié)果的隨機(jī)誤差[26](式(4)、式(5))。平均中心分析可以用于確定中心的空間位置移動(dòng)方向及速度(式(6))，即通過移動(dòng)軌跡確定研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施程度。

(4)

(5)

式中：Gi(d)是柵格i的值，與距離為d范圍內(nèi)的柵格值的相關(guān)程度；wij(d)為在距離為d的空間相鄰權(quán)重矩陣；Z為空間單元的標(biāo)準(zhǔn)化。

(6)

式中：xi和yi是要素i的坐標(biāo)；n等于柵格總數(shù)；wi為柵格i的權(quán)重。

3 結(jié)果與討論

3.1 健康等級(jí)劃分

荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分是生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前健康等級(jí)劃分處于探索階段，且本身沒有較好的健康度量標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，將荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康FHI劃分為健康Ⅰ、較健康Ⅱ、一般健康Ⅲ、亞健康Ⅳ、不健康Ⅴ 5個(gè)等級(jí)。根據(jù)2018年7月研究區(qū)野外考察結(jié)果(表2)可以看出，不同區(qū)域之間的森林生態(tài)系統(tǒng)健康差異與相應(yīng)的健康程度等級(jí)劃分結(jié)果一致，即隨著健康等級(jí)的升高，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)從單一草本→草本灌木→喬灌草組合群落轉(zhuǎn)變，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠?、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)。

表2 健康等級(jí)與野外考察點(diǎn)照片

3.2 時(shí)空變化特征

從圖2可以看出，1989—2018年健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例分別為19.61%、14.37%、0.29%、15.46%、13.65%、6.26%、40.96%，整體呈遞減后波動(dòng)性遞增趨勢(shì)。在實(shí)施生態(tài)輸水前，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境嚴(yán)重退化，2000年健康等級(jí)Ⅳ和Ⅴ比例超過80%。歷經(jīng)19次生態(tài)輸水后，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的拯救和恢復(fù)取得了顯著性成效，2018年健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例超過40%。

圖2 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空分布格局

從圖3可以看出，由于研究年份較少，健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例與生態(tài)輸水量之前無明顯關(guān)系，但可以發(fā)現(xiàn)，2000年和2015年是“Ⅴ”型逆轉(zhuǎn)最低點(diǎn)，表明了間歇性生態(tài)輸水仍將導(dǎo)致已恢復(fù)區(qū)域逆轉(zhuǎn)至一般健康或以下水平，也就是說，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)與受損呈復(fù)雜多元性和時(shí)空差異性。本文研究成果同Mamat等[27]研究成果變化趨勢(shì)一致，雖然評(píng)價(jià)指標(biāo)、健康等級(jí)劃分和評(píng)價(jià)年份與本研究有所不同，但在一定程度上說明了該健康評(píng)價(jià)結(jié)果客觀合理，可為塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)和區(qū)域生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖3 1989—2018年荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例與生態(tài)輸水量的關(guān)系

3.3 時(shí)空聚集特征

為了進(jìn)一步探索塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)空間分異格局變化特征，將局部空間統(tǒng)計(jì)量從高到低劃分為冷熱點(diǎn)，從圖4可以看出：①荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康呈現(xiàn)出較顯著的空間分異格局，高值聚集熱點(diǎn)個(gè)數(shù)呈現(xiàn)先減少后波動(dòng)性增加的趨勢(shì)。其中，2000年熱點(diǎn)呈組團(tuán)式分布在塔里木河下游上段，而2018年熱點(diǎn)已擴(kuò)散分布至中下段，沿著塔里木河在空間上呈條帶擴(kuò)散趨勢(shì)。②塔里木河和車爾臣河共同匯入的尾閭臺(tái)特瑪湖，在靠塔里木河側(cè)，由于持續(xù)性輸水，歷經(jīng)冷點(diǎn)→次冷點(diǎn)→次熱點(diǎn)→熱點(diǎn)的空間轉(zhuǎn)變，即該區(qū)域健康好轉(zhuǎn)；而靠車爾臣河側(cè)，由于河水改道，歷經(jīng)次熱點(diǎn)→次冷點(diǎn)→冷點(diǎn)的空間轉(zhuǎn)變，即該區(qū)域健康退化。以上分析說明，近30年來，塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康時(shí)空格局由強(qiáng)聚集組團(tuán)式向弱聚集條帶式轉(zhuǎn)變，生態(tài)輸水工程可以有效緩解灌溉用水和生態(tài)用水的矛盾，且使得荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康得到明顯的改善。

圖4 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空聚集性

3.4 時(shí)空變化趨勢(shì)

塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化和聚集特征不能有效度量恢復(fù)和受損程度，通過不同年份的平均中心坐標(biāo)位置分析移動(dòng)的方向和速度，可以更好地了解生態(tài)輸水對(duì)其健康變化趨勢(shì)的影響程度。從圖5(a)可知：①1989—2000年，由于耕地?cái)U(kuò)張，河水被截留用于農(nóng)田灌溉，平均中心往西北兵團(tuán)農(nóng)墾區(qū)移動(dòng)；2000—2005年，由于31兵團(tuán)東北側(cè)建立了抵擋沙漠的生態(tài)防護(hù)林，平均中心往東北庫塔格沙漠移動(dòng)；2005—2018年，由于生態(tài)輸水成為塔里木河下游中下段的“專職”通道，平均中心往東南生態(tài)保護(hù)區(qū)移動(dòng)。②生態(tài)輸水前后平均移動(dòng)速度分別為173.32 m/年、312.39 m/年，則說明近30年，研究區(qū)荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)速度明顯高于受損速度。③在2010—2015年和2016—2018年時(shí)間段中，總生態(tài)輸水量分別為28.39×108m3、34.40×108m3;年平均輸水量分別為5.68×108m3、11.47×108m3;年平均移動(dòng)速度分別為179.88 m/年、301.06 m/年;2個(gè)時(shí)段的年均生態(tài)輸水量與年平均中心移動(dòng)速度之比均在2倍左右。以上分析說明，生態(tài)輸水量在一定程度上決定了荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)速度，并且是荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)呈整體改善、局部退化、受損與恢復(fù)并存的核心影響因素，生態(tài)問題精準(zhǔn)治理需要科學(xué)合理的輸水資源優(yōu)化配置。

從圖5(b)可知，虛線代表健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例與生態(tài)輸水量的擬合關(guān)系，而實(shí)線則代表這一比例與2年累積生態(tài)輸水量的擬合關(guān)系。可以看到，當(dāng)年輸水量超過5×108m3時(shí)，2條曲線趨近于重合。也就是說,當(dāng)年輸水量超過5×108m3，即可保證25%左右的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)處于較健康水平，這可以有效降低間斷性輸水對(duì)荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的敏感性。該結(jié)論與文獻(xiàn)[28-29]提出將地下水抬升至合理埋深，需要當(dāng)年輸水量2～5×108m3的結(jié)果相似。因此，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的穩(wěn)定恢復(fù)不僅需要平衡灌溉用水與生態(tài)用水，還需要每年生態(tài)輸水量大于5×108m3的持續(xù)性輸水保障。

圖5 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空變化趨勢(shì)

4 結(jié)束語

本文基于DPSIR模型構(gòu)建了塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其主要指標(biāo)都可基于多源遙感或基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等空間信息技術(shù)手段獲取，可以快速實(shí)現(xiàn)大面積荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：1) 在生態(tài)輸水前，健康等級(jí)Ⅰ和Ⅱ比例小于20%，2000年迅速降低到0.29%；在生態(tài)輸水后，這一比例呈波動(dòng)遞增趨勢(shì)到40.96%，說明應(yīng)急生態(tài)輸水工程使得塔里木河下游的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境得到了明顯改善，但間歇性輸水使其生態(tài)脆弱性并沒有徹底扭轉(zhuǎn)。2) 近30年，荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康熱點(diǎn)由強(qiáng)聚集組團(tuán)式向弱聚集條帶式轉(zhuǎn)變，平均中心由上段兵團(tuán)農(nóng)墾區(qū)向下段生態(tài)保護(hù)區(qū)移動(dòng)，其健康恢復(fù)速度高于受損速度。3)當(dāng)年輸水量超過5×108m3時(shí)，可保證25%左右的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)處于較健康水平，這可有效降低其健康對(duì)間斷性輸水的敏感性。因此，塔里木河下游荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康呈整體改善、局部退化、恢復(fù)與受損并存的時(shí)空分布格局。未來生態(tài)保護(hù)應(yīng)側(cè)重平衡灌溉用水與生態(tài)用水，同時(shí)還需要年生態(tài)輸水量大于5×108m3的持續(xù)性輸水保障。

目前，由于尚無公認(rèn)的荒漠森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建一套適用性強(qiáng)、可廣泛應(yīng)用于大范圍的模型需要不斷進(jìn)行創(chuàng)新。在指標(biāo)體系的標(biāo)準(zhǔn)化過程中，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)值型指標(biāo)空間化及不同類型數(shù)據(jù)的高精度耦合，是后續(xù)研究需要解決的問題。由于地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等資料信息獲取壁壘的影響，不確定性貫穿于遙感健康評(píng)價(jià)的全過程。在后續(xù)研究中，應(yīng)采用長(zhǎng)時(shí)間序列的地面森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和其他真值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善指標(biāo)構(gòu)建和驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性。