阿克蘇河流域自然植被時空變化及對生態(tài)輸水的響應(yīng)

聶 艷，何新瑩，譚 盈,2，蔣軍新，劉新華

(1.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079； 2.中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院深圳分院，廣東 深圳 518000； 3.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 841000)

1 研究背景

自然植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而水則是干旱半干旱地區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)健康的重要基礎(chǔ)，直接決定其生態(tài)環(huán)境演化過程[1-3]。隨著全球氣候變化的加劇，自然植被生態(tài)退化、生態(tài)輸水及恢復(fù)響應(yīng)逐步引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，合理估算自然植被的生態(tài)需水量并通過生態(tài)輸水工程維持一定的供水，對維持自然植被演替及生態(tài)修復(fù)、改善干旱半干旱地區(qū)陸地生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實意義[4-7]。20世紀(jì)70年代，塔里木河道完全斷流，下游地下水位顯著下降，河道兩岸的自然植被大面積退化并伴隨較嚴(yán)重的土地荒漠化[8-10]。2000年開始塔里木河下游實施生態(tài)輸水工程，經(jīng)過近20次的連續(xù)生態(tài)輸水，塔河下游胡楊、湖泊等天然生態(tài)逐步恢復(fù)；不少學(xué)者也借助遙感和定位監(jiān)測數(shù)據(jù)從生物多樣性、植被恢復(fù)、地下水埋深等方面定量研究了塔河下游天然生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況，也有學(xué)者從植被結(jié)構(gòu)、生態(tài)價值、生態(tài)用水保障等方面評估了生態(tài)輸水工程的效益[11-15]。阿克蘇河作為塔里木河最大的來水源河，其綠洲生態(tài)系統(tǒng)演替是保障塔里木河生態(tài)系統(tǒng)健康運行的重要支撐，然而受自然和人為干擾，近年來阿克蘇河流域內(nèi)河道斷流現(xiàn)象頻發(fā)，湖泊和自然植被出現(xiàn)不同程度的萎縮， 地下水位下降，極大弱化了流域生態(tài)功能。從2017年起，阿克蘇河流域開始實施生態(tài)輸水工程，經(jīng)過4次生態(tài)補水，流域生態(tài)環(huán)境有了一定的改善。但針對阿克蘇河流域自然植被分布格局、輸水響應(yīng)過程的研究較少，掌握流域自然植被的時空格局變化過程、評估生態(tài)環(huán)境改善狀況等，對科學(xué)指導(dǎo)阿克蘇流域生態(tài)輸水調(diào)度、引導(dǎo)恢復(fù)流域天然生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用[16-18]。本文以阿克蘇河流域自然植被為研究對象，結(jié)合2015—2020年高分1號、2號遙感數(shù)據(jù)和和地下水位觀測數(shù)據(jù)，分析近年來阿克蘇河流域自然植被的時空演變特征及生態(tài)響應(yīng)規(guī)律，以期為阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化、生態(tài)輸水響應(yīng)和大型生態(tài)輸水工程效益評估等提供參考借鑒。

2 研究區(qū)概況

阿克蘇河流域介于40°8′N—41°35′N，78°47′E—82°43′E之間，地處中國西北干旱區(qū)，具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候，干燥少雨，多年平均降水量約45 mm，20 m2水面蒸發(fā)量1 500 mm，水資源相對匱乏。阿克蘇河流域是新疆主要的灌溉綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，近年來受經(jīng)濟利益驅(qū)動，部分林草地被開墾為耕地，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水增加，生態(tài)用水被擠占，重要天然生態(tài)系統(tǒng)逐步退化[17-18]。新疆維吾爾族自治區(qū)于2017年首次把阿克蘇河納入塔里木河流域胡楊林重點保護區(qū)生態(tài)補水區(qū)，至2020年4年累計輸水3.501 8億m3。2017年7月18日—8月17日、2018年8月10日—9月17日、2019年8月15日—9月9日、2020年6月5—15日、2020年8月8—25日分別向艾西曼湖輸水4 160.16萬、5 289.77萬、5 822.76萬、1 638.58萬、5 373.03萬m3，2019年8月21日—9月15日、2020年6月5—13日、2020年8月8—26日分別向第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林輸水6 553.33萬、1 184.31萬、4 996.15萬m3；整體來看，8月份是阿克蘇河流域生態(tài)輸水的主要時間段，生態(tài)輸水總量也逐漸增加，也是自然植被生長對水資源需求較大的時間，有利于提高水資源的利用效率。由于生態(tài)輸水時間較短，流域內(nèi)天然湖泊、自然植被仍處于萎縮退化狀態(tài)。因此開展流域自然植被時空變化過程及生態(tài)輸水響應(yīng)研究，對有效開展阿克蘇河流域的生態(tài)補水、維持生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要現(xiàn)實意義。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

選取2015—2020年覆蓋研究區(qū)的植被生長期內(nèi)少云、可見度高、覆蓋全流域的高分1號影像數(shù)據(jù)，以及部分覆蓋了胡楊林集中分布的高分2號影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http:∥www.cresda.com/CN/)。應(yīng)用ENVI 5.3軟件對原始遙感影像進行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪、圖像融合等預(yù)處理，經(jīng)解譯獲得研究區(qū)2015—2020年自然植被類型面積及空間分布。

3.2 研究方法

3.2.1 自然植被時序信息提取

本文采用CART(Classification And Regression Tree)決策樹監(jiān)督分類來提取自然植被信息。CART是典型的二分遞歸分類技術(shù)，使用Gini指標(biāo)度量數(shù)據(jù)劃分的不純度，對所有屬性歷遍可能的分類方法，若某分類方法使節(jié)點處的Gini指標(biāo)最小，則在此節(jié)點選擇該分類標(biāo)準(zhǔn)?？紤]每個屬性上的二元劃分，最后生成二叉樹，因此通過樣本訓(xùn)練CART決策樹對數(shù)據(jù)集進行監(jiān)督分類具有較好的效果。

基于預(yù)處理后的高分1號影像數(shù)據(jù)構(gòu)建由ISODATA(Iterative self-organizing data analysis technique)非監(jiān)督分類結(jié)果，藍、綠、紅、近紅外4個波段以及植被生長期內(nèi)(6—10月)任選3個月覆蓋全流域的NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)數(shù)據(jù)集組成。使用ENVI 5.3內(nèi)置的CART模型獲取決策樹規(guī)則并執(zhí)行分類。對應(yīng)用決策樹規(guī)則后得到的結(jié)果進行平滑處理和聚類分析，對照影像進行局部人工修改后，利用高分2號影像選擇驗證樣本區(qū)進行精度評價，2015—2020年地表覆被分類結(jié)果的精度較高，Kappa系數(shù)均在0.83以上，然后識別流域自然植被信息。

3.2.2 自然植被圖譜分析

地學(xué)信息圖譜是一種地理時空分析方法論，自然植被圖譜就是各時間段內(nèi)自然植被變化的空間、屬性、過程一體化數(shù)據(jù)集。本文為方便進行自然植被空間數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)運算，將各種自然植被類型賦予編碼，生成自然植被圖譜基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合圖譜單元、圖譜排序表、轉(zhuǎn)移矩陣表分析阿克蘇河流域自然植被時空變化特征。

4 結(jié)果分析

4.1 2015—2020年自然植被變化圖譜分析

借助CART建立阿克蘇河流域2015—2020年地表覆被分類數(shù)據(jù)集，經(jīng)編碼轉(zhuǎn)換生成地表覆被類型圖譜數(shù)據(jù)。從2015—2020年的圖譜轉(zhuǎn)移來看，流域胡楊林面積和灌木面積的年際變化特征明顯，流域內(nèi)自然植被在2017年明顯增加，胡楊林面積達到最大值，2017年之后自然植被變化相對穩(wěn)定。6 a間流域自然植被面積處于增加狀態(tài)，其中胡楊林面積增加了237.65 km2，灌木面積增加了784.36 km2。

2015—2020年穩(wěn)定為灌木的面積有1 098.67 km2，占2020年灌木總面積的34.81%。由其他地表覆被類型轉(zhuǎn)入灌木的面積共計2 057.90 km2，其中由荒漠轉(zhuǎn)入灌木的面積最多，占灌木總轉(zhuǎn)入面積的76.79%；其次是由胡楊林轉(zhuǎn)入灌木的面積，占灌木總轉(zhuǎn)入面積的10.83%。由灌木轉(zhuǎn)出到其他地表覆被類型的面積共計1 273.55 km2，其中轉(zhuǎn)出到胡楊林的面積最多，有483.66 km2，占灌木總轉(zhuǎn)出面積的37.98%；由灌木轉(zhuǎn)出到農(nóng)田和荒漠的面積分別占灌木總轉(zhuǎn)出面積的27.10%和26.61%。

2015—2020年，穩(wěn)定為胡楊林的面積有528.20 km2，占2020年胡楊林總面積的33.23%；由其他地表覆被類型轉(zhuǎn)入胡楊林的面積共計1 061.19 km2，其中由灌木轉(zhuǎn)入胡楊林的面積最大，占胡楊林總轉(zhuǎn)入面積的45.58%。由胡楊林轉(zhuǎn)出到其他地表覆被類型的共823.54 km2，其中由胡楊林轉(zhuǎn)出到農(nóng)田的面積最大，有483.31 km2，占胡楊林總轉(zhuǎn)出面積的58.69%；其次是由胡楊林轉(zhuǎn)出到灌木，占胡楊林總轉(zhuǎn)出面積的27.07%。

為進一步分析流域內(nèi)自然植被空間演變特征，利用2015—2020年流域地表覆被分類結(jié)果逐像元計算、統(tǒng)計自然植被的時空轉(zhuǎn)移分布特征。從結(jié)果來看，穩(wěn)定胡楊林和穩(wěn)定灌木主要分布在艾西曼湖周邊的豐收三場、第一師邊緣、五團邊緣以及流域下游區(qū)域，由其他覆被類型轉(zhuǎn)入胡楊林和灌木的情況主要圍繞著穩(wěn)定胡楊林和穩(wěn)定灌木區(qū)域向外擴張。流域南側(cè)和東南側(cè)，與南部的塔克拉瑪干沙漠相鄰，主要是灌木轉(zhuǎn)出為荒漠；由胡楊林轉(zhuǎn)出到其他地表覆被類型的情況則主要分布在綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)，以及豐收三場和流域下游的北部，在綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)胡楊林分布零散，主要是由胡楊林轉(zhuǎn)出為農(nóng)田的情況，受人為因素影響較大；在五團邊緣胡楊林區(qū)內(nèi)和流域下游主要是由胡楊林退化為灌木的情況。灌木轉(zhuǎn)出和胡楊林轉(zhuǎn)出的情況主要分布在葉爾羌河南側(cè)沿岸，而和田河沿岸分布著穩(wěn)定胡楊林和胡楊林轉(zhuǎn)入的情況，在第一師邊緣東側(cè)明顯表現(xiàn)為靠近綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)為穩(wěn)定灌木和灌木轉(zhuǎn)入，越靠近南部沙漠越表現(xiàn)為灌木轉(zhuǎn)出。特別是2017年以后，穩(wěn)定的灌木和胡楊林分布范圍明顯擴大，五團邊緣胡楊林區(qū)存在大片穩(wěn)定胡楊林，艾西曼湖濕地和第一師邊緣胡楊林區(qū)都有成片的穩(wěn)定灌木，并且在第一師邊緣葉爾羌河南側(cè)存在明顯的胡楊林轉(zhuǎn)入的情況分布，即分布著天然胡楊林幼齡林；而和田河兩側(cè)主要分布著穩(wěn)定胡楊林。艾西曼湖濕地北側(cè)以及第一師邊緣出現(xiàn)灌木、胡楊林生態(tài)逐步修復(fù)的趨勢，明顯與近年來阿克蘇河流域間斷性生態(tài)輸水工程在艾西曼湖濕地、第一師塔里木灌區(qū)的實施有一定的相關(guān)關(guān)系，下一步可以深入研究輸水區(qū)域內(nèi)的生態(tài)響應(yīng)過程。

4.2 自然植被重點區(qū)域的植被指數(shù)年際變化

利用2015—2020年流域地表覆被分類結(jié)果逐像元計算得到胡楊林的分布頻次圖(圖1)。由圖1可知，流域內(nèi)胡楊林集中分布的區(qū)域主要有4塊:流域東北方向的五團邊緣胡楊林、流域南側(cè)的艾希曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林、流域東部的下游胡楊林區(qū)。在這4個胡楊林集中分布區(qū)內(nèi)，胡楊林的分布頻次由中間向四周遞減，中心區(qū)域的胡楊林分布頻次可達到4～6次，胡楊林生長相對穩(wěn)定；邊緣胡楊林的分布頻次低至1～2次，胡楊林生長極易遭到破壞。另外，艾西曼湖濕地也是流域內(nèi)重要的自然植被分布區(qū)域，自然植被以蘆葦、紅柳、駱駝刺、梭梭、羅布麻等灌木為主，南側(cè)集中分布著胡楊林。阿克蘇河沿線兩側(cè)也廣泛分布著胡楊林，且分布頻次較高，有些地方達5～6次，胡楊林生長穩(wěn)定。

圖1 阿克蘇河流域胡楊林頻次分布

提取自然植被重點區(qū)域內(nèi)2015—2020年自然植被主要生長期里(6—9月份)胡楊林和灌木的歸一化植被指數(shù)NDVI平均值(表1)。表1各年份的數(shù)據(jù)顯示4個自然植被重點區(qū)域的NDVI值較低，4個區(qū)域的自然植被指數(shù)的差異較小，胡楊林的NDVI在0.161～0.355的水平，灌木的NDVI值更低，其中胡楊林多年平均植被指數(shù)值最高的區(qū)域是艾希曼湖濕地，其胡楊林多年平均植被指數(shù)值為0.260，最低的區(qū)域是五團邊緣胡楊林區(qū)，其胡楊林的多年平均植被指數(shù)值為0.239；灌木多年植被指數(shù)值最高的區(qū)域是流域下游胡楊林區(qū)，其灌木的多年平均植被指數(shù)值為0.176，最低的區(qū)域是五團邊緣胡楊林區(qū)，其灌木的多年平均植被指數(shù)值為0.171。通過線性回歸趨勢擬合，4個區(qū)域植被指數(shù)的年際變化都呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，除了流域下游胡楊林區(qū)的擬合優(yōu)度較差，其他3個自然植被重點區(qū)域的回歸擬合趨勢的R2都在0.8以上。艾希曼湖濕地的植被指數(shù)的增加趨勢最明顯，且回歸擬合趨勢的R2在0.9以上；第一師邊緣胡楊林區(qū)的增加趨勢也較為明顯。流域下游胡楊林區(qū)的植被指數(shù)年際波動明顯，該區(qū)的胡楊林和灌木的植被指數(shù)在2019年都出現(xiàn)明顯的下降，流域下游胡楊林區(qū)尚未實施生態(tài)輸水工作，塔里木河自上游阿克蘇河經(jīng)三河源后流經(jīng)該區(qū)域，河流對該區(qū)域水資源補給影響較大，根據(jù)阿克蘇河流域來水、用水報告，阿克蘇河每年向塔里木河下瀉35億m3左右，2019年阿克蘇河下泄流量為29億m3，比多年平均下泄量少17.1%左右，河流徑流量的減少對流域下游胡楊林區(qū)自然植被的生長產(chǎn)生明顯影響。

表1 2015—2020年自然植被重點區(qū)域的NDVI

4.3 自然植被重點區(qū)域的自然植被面積變化

統(tǒng)計4個自然植被重點區(qū)內(nèi)的胡楊和灌木面積(表2)，發(fā)現(xiàn)2015—2020年期間，艾希曼湖濕地的胡楊林最少，面積在2017年明顯增加后保持在60 km2左右，灌木面積變化特征相似，2017年明顯增加并保持在200 km2左右。第一師邊緣胡楊林區(qū)和流域下游胡楊林區(qū)分布的自然植被面積最大，第一師邊緣胡楊林區(qū)內(nèi)胡楊林面積在2015—2020年波動增加，2019年之后第一師邊緣胡楊林區(qū)的胡楊林面積明顯增加，灌木面積的年際變化則相對穩(wěn)定，2020年達到區(qū)域灌木面積的最大值。

表2 2015—2020年自然植被重點區(qū)域的自然植被面積統(tǒng)計

4.4 自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)關(guān)系

結(jié)合前述分析和當(dāng)前阿克蘇實施的生態(tài)輸水工程，本文選擇艾西曼湖濕地和第一師邊緣胡楊林區(qū)，分析自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)關(guān)系。

4.4.1 艾西曼湖濕地自然植被與輸水的響應(yīng)關(guān)系

提取2015—2020年艾西曼湖濕地內(nèi)胡楊林、灌木月度的NDVI值，結(jié)合艾西曼湖濕地的生態(tài)輸水量進行分析。結(jié)果顯示:2015—2017年胡楊林和灌木的面積明顯增加，并在2017年二者的面積達到最大值;2017年之后，胡楊林和灌木的面積出現(xiàn)小幅度的減少并趨于穩(wěn)定。2017年為艾希曼湖濕地實施生態(tài)輸水的第一年，自然植被的面積在2017年出現(xiàn)明顯上升，主要是受到生態(tài)輸水的影響，增加的胡楊林和灌木主要分布在生態(tài)輸水實施的主要區(qū)域，即艾希曼湖濕地的北部。在2017年之后，自然植被的面積出現(xiàn)小幅度減少后在年際變化上趨向穩(wěn)定，表明自然植被在生態(tài)輸水工作實施的第二年，其范圍恢復(fù)到了連年輸水下的穩(wěn)定水平，輸水效果明顯。

對比不同年份之間自然植被NDVI年均值、年最小值、年最大值的變化，艾希曼湖濕地自然植被NDVI值在2017年和2019年都出現(xiàn)明顯上升，2019年NDVI上升幅度更大，通過胡楊林NDVI最大值的變化能夠更明顯地觀察到這一差異，胡楊林NDVI值波動相比灌木更加明顯。2017年自然植被面積明顯增加但是植被指數(shù)增加不明顯，主要是2017年通過生態(tài)輸水恢復(fù)的自然植被屬于幼齡林或新生灌木，幼齡林的NDVI值較低，而且隨著第二年新生自然植被繼續(xù)生長，對水資源的需求大幅度增加，在輸水補充得不到充分滿足的情況下，2018年自然植被NDVI值出現(xiàn)小幅度下降，直至自然植被適應(yīng)生態(tài)輸水并調(diào)整至合適的生長范圍，艾希曼湖濕地的自然植被在2019年的生長狀況最好。

為了進一步探究自然植被對生態(tài)輸水響應(yīng)的時間變化規(guī)律，分別對2017年和2020年輸水前后的自然植被NDVI進行分析。艾西曼湖濕地內(nèi)的胡楊林NDVI最大值在距離輸水口500 m范圍內(nèi)存在較明顯的空間分布差異，因此取距離輸水口500 m范圍內(nèi)的自然植被NDVI值進行分析。圖2顯示，阿克蘇地區(qū)在2017年7—8月份對艾西曼湖濕地進行生態(tài)輸水，7—8月份NDVI值沒有明顯波動，灌木的NDVI值在8月份出現(xiàn)小幅度的增加但又很快下降；直至2017年10月份，胡楊林和灌木NDVI值開始明顯增加并且持續(xù)至11月份，在11月份達到2017年NDVI的最大值；2020年阿克蘇地區(qū)分別在6月份和8月份對艾西曼湖進行生態(tài)輸水，6月份的生態(tài)輸水量少于2 000萬m3，NDVI值在2020年6月份僅出現(xiàn)了小幅度的波動，6—8月份NDVI值逐步上升，8月份再次進行輸水，輸水量達到5 373.03萬m3，自然植被NDVI值在9月份大幅度增加。

圖2 2017年和2020年輸水前后艾西曼湖濕地NDVI的變化

2017年和2020年的輸水模式存在差異，2017年輸水總量較少，但從7月中旬至8月中旬，歷時31 d在不間斷地向艾西曼湖濕地輸水，其輸水效應(yīng)的持續(xù)時間也相對較長。2020年輸水總量比2017年增加了2 851.45萬m3，其中6月份的輸水量較小，輸水僅持續(xù)了11 d；8月份的輸水量較大，歷時18 d，NDVI在次月就對輸水產(chǎn)生明顯的響應(yīng)但持續(xù)時間較短。結(jié)合生態(tài)輸水量和NDVI最大值擬合分析的結(jié)果，生態(tài)輸水量、輸水時長對自然植被與生態(tài)輸水之間的響應(yīng)都有影響，輸水量與輸水后NDVI最大值有著顯著相關(guān)性，且輸水量越大，自然植被響應(yīng)的滯后時間越短；輸水時長影響自然植被生長狀況的穩(wěn)定性，連續(xù)輸水的時間越長，輸水后自然植被恢復(fù)的時間也越長。

4.4.2 第一師邊緣胡楊林區(qū)自然植被與輸水的響應(yīng)關(guān)系

相對艾希曼湖濕地，第一師邊緣胡楊林區(qū)內(nèi)胡楊林分布范圍較廣，2018年胡楊林面積為332.36 km2，2020年增加至361.37 km2；灌木面積也有所增加，2018—2020年由476.90 km2增加至488.13 km2。植被長勢也有明顯的恢復(fù)特征，第一師邊緣胡楊林區(qū)NDVI年均值在2015—2017年逐漸增加，2018年降低，在2019年之后又明顯增加，對比艾希曼湖濕地NDVI的年際變化，2020年艾希曼湖濕地的NDVI值出現(xiàn)小幅度下降，第一師邊緣胡楊林區(qū)的NDVI值則是持續(xù)上升。

第一師邊緣胡楊林區(qū)自2019年開始實施生態(tài)輸水，因此僅討論2019年與2020年區(qū)內(nèi)自然植被與生態(tài)輸水的響應(yīng)關(guān)系。由圖3可見，2019年8—9月份實施生態(tài)輸水，胡楊林和灌木的NDVI值在8月份出現(xiàn)明顯上升，但GF-1 WFV提取的2019年8月份的影像成像于2019年8月29日，對第一師邊緣胡楊林區(qū)進行生態(tài)輸水工作則是2019年8月21日才開始，因此8月份NDVI的上升應(yīng)該不是自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)；9月份和11月份的NDVI值都較高，但10月份出現(xiàn)NDVI值下降，整體上2019年生態(tài)輸水與第一師邊緣胡楊林自然植被長勢的季節(jié)變化的關(guān)系并不明顯；2020年該區(qū)域的生態(tài)輸水工作分成了兩個時間段，6月份對第一師邊緣胡楊林輸水1 184.31萬m3，輸水持續(xù)9 d，但相比2019年同時段，2020年6—7月份的植被NDVI均值保持在較高水平；8月份中下旬再次實施了4 996.15萬m3的輸水工作，2020年8月份NDVI值明顯上升，之后逐漸下降，一方面是由于2020年第二次輸水量較大，NDVI值出現(xiàn)明顯上升；另一方面則是輸水天數(shù)較長，持續(xù)了19 d的輸水工作，輸水效果持續(xù)性明顯優(yōu)于第一次。在年際變化和季節(jié)變化上，第一師邊緣胡楊林區(qū)的自然植被對輸水的反應(yīng)時間比艾希曼湖濕地的短，一方面是由于第一師邊緣胡楊林區(qū)兩次的輸水量比艾希曼湖濕地前兩次的多，另一方面則是第一師邊緣胡楊林區(qū)內(nèi)胡楊的分布范圍比艾希曼湖濕地的廣泛，胡楊根部高效的用水策略促使胡楊對水分的補充反應(yīng)迅速。

圖3 2019年和2020年輸水前后第一師邊緣胡楊林區(qū)NDVI的變化

5 討 論

根據(jù)以上對艾西曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林區(qū)自然植被與歷年生態(tài)輸水量和輸水時間的對比分析，發(fā)現(xiàn)相對NDVI的年際變化，自然植被的分布面積對生態(tài)輸水有較明顯的響應(yīng)，自然植被的分布面積在實施生態(tài)輸水的第一年出現(xiàn)明顯擴大，在輸水的次年則回落到適宜的范圍并趨于穩(wěn)定，植被面積變化與生態(tài)輸水存在1 a的滯后時間，這與前人研究結(jié)果基本一致，是自然植被對生態(tài)輸水的適應(yīng)過程；2015—2020年胡楊林和灌木的NDVI年最小值波動上升，胡楊林的NDVI最大值在輸水后波動明顯，但NDVI的年均值在年際變化上波動極小，表明區(qū)域內(nèi)長勢較差的自然植被在逐漸恢復(fù)，胡楊成熟林也明顯恢復(fù)，但可能目前生態(tài)輸水范圍相對于整個區(qū)域天然生態(tài)系統(tǒng)來說，對自然植被恢復(fù)的作用還較?。煌瑫r由于干旱地區(qū)降水量稀少，蒸發(fā)量大，植被生長對水分變化極為敏感，區(qū)域內(nèi)的降水量變化及土壤濕度等水分因子對NDVI值變化的影響不容忽視，后續(xù)研究中應(yīng)將區(qū)域降水量的年際、季節(jié)變化納入生態(tài)輸水響應(yīng)分析中，以提高結(jié)果的精確度。進一步分析不同距離輸水口條件下，生態(tài)輸水量與自然植被輸水后NDVI最大值之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示NDVI值與輸水量之間顯著正相關(guān)，其中胡楊林與灌木NDVI值對輸水口距離、輸水量的響應(yīng)存在差異，胡楊林在距離輸水口100～500 m范圍內(nèi)的NDVI值最高，灌木的NDVI值則隨著與輸水口的距離增加而降低，同時，胡楊林NDVI值與輸水量之間的擬合關(guān)系優(yōu)于灌木的，可能是由于胡楊和灌木不同的根系用水策略和適宜地下水位的差異導(dǎo)致。在NDVI的季度變化上，自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)受到單次輸水量和輸水天數(shù)的影響，單次輸水量越大、輸水天數(shù)越長，自然植被的響應(yīng)越明顯、響應(yīng)的滯后時間越短。通過艾西曼湖濕地、第一師邊緣胡楊林區(qū)自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)對比，NDVI的季節(jié)變化在區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)輸水的第一年與輸水的響應(yīng)關(guān)系并不明顯，一方面是由于自然植被在輸水第一年需要適應(yīng)過程，另一方面則是第一年的輸水量相對較少；2018年以后，除了第一師邊緣胡楊林區(qū)在2020年6月份實施的小流量、短時間的輸水工作后無明顯變化以外，其他區(qū)域和時間實施的輸水工作在實施生態(tài)輸水當(dāng)月，NDVI就呈現(xiàn)明顯上升；按照輸水開始時間計算，自然植被恢復(fù)的滯后時間應(yīng)該在1個月之內(nèi)，而單次輸水量少于2 000萬m3的輸水效果或者輸水天數(shù)少于10 d的輸水效果并不明顯。

6 結(jié) 論

(1)2015—2020年流域內(nèi)自然植被逐步增加，胡楊林和灌木的面積分別增加237.65 km2和784.36 km2，逐年轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果顯示穩(wěn)定胡楊林和灌木面積也逐步增加，覆被類型轉(zhuǎn)移方向上主要表現(xiàn)為荒漠恢復(fù)為灌木、灌木恢復(fù)為胡楊林。2015—2020年4個自然植被重點區(qū)域的年NDVI值為上升趨勢，其中艾希曼湖濕地和第一師邊緣胡楊林的年NDVI值上升趨勢最明顯，生態(tài)輸水效果初步顯現(xiàn)。

(2)自然植被重點區(qū)生態(tài)輸水與NDVI值的季節(jié)變化分析顯示，生態(tài)輸水對自然植被的影響受到單次輸水量和輸水天數(shù)的影響，單次輸水量越大，自然植被的響應(yīng)越明顯；輸水天數(shù)越長，自然植被的響應(yīng)持續(xù)時間也越長。

(3)不同的自然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)特征在年際、季節(jié)以及空間上存在差異，胡楊林對生態(tài)輸水的響應(yīng)更加明顯，響應(yīng)的滯后時間更短。