和田河沙漠段生態(tài)輸水植被恢復(fù)遙感評(píng)價(jià)和植被變化驅(qū)動(dòng)因素分析

才仁加甫，曹 彪，白云崗，劉旭輝，2，余其鷹，劉敏杰

（1.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830052；3.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

【研究意義】沙漠段綠色走廊是塔里木盆地中南北貫通塔克拉瑪干沙漠的一條重要生態(tài)廊道[1]。兩岸的荒漠河岸林草植被形成了一道天然屏障，阻擋風(fēng)沙侵襲，對(duì)穩(wěn)定河流走向、防止沙漠合攏、保障向塔里木河干流輸水通道順暢有重要作用[2-3]。和田河徑流來(lái)自于上游高山區(qū)，出山后因降雨稀少，基本不產(chǎn)流[4-5]。塔里木河流域生態(tài)治理20年來(lái)，和田河既承擔(dān)了向塔河干流的生態(tài)輸水任務(wù)，同時(shí)自身進(jìn)行了生態(tài)補(bǔ)水。結(jié)果和田河流域沙漠段生態(tài)輸水及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)，研究和田河沙漠植被變化及其驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)保障和田河流域健康及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生態(tài)輸水是目前干旱區(qū)特有的一種水資源調(diào)配和生態(tài)恢復(fù)手段[6]。分析塔里木河流域干流中、下游生態(tài)植被明顯改善[7-11]，特別是塔里木河尾閭臺(tái)特瑪湖植被的生態(tài)效益逐漸顯現(xiàn)，生物多樣性明顯增加[12-13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，針對(duì)塔里木河流域生態(tài)輸水和植被恢復(fù)研究采用的方法主要包括實(shí)地調(diào)查和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)兩類(lèi)[14]?，F(xiàn)有研究主要集中于塔里木河流域干流中、下游，對(duì)流域上游干、支流研究較少。需研究和田河沙漠段生態(tài)輸水以來(lái)植被變化及驅(qū)動(dòng)因素，評(píng)價(jià)和田河沙漠段治理成效?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于和田河沙漠段典型斷面1996～2020年間8個(gè)年份遙感數(shù)據(jù)，采用遙感影像解譯，結(jié)合樣地調(diào)查的方法，分析和田河沙漠段植被變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素，為和田河沙漠段生態(tài)修復(fù)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況

和田河沙漠段綠色走廊由三段組成，第一段分布于支流喀拉喀什河卡瓦克鄉(xiāng)至兩河匯合口闊什拉什，河長(zhǎng)30 km，面積約270.48 km2，水源為喀拉喀什河河水；第二段分布于支流玉龍喀什河塔瓦庫(kù)勒鄉(xiāng)至闊什拉什，河長(zhǎng)34 km，面積約127.21 km2，水源為玉龍喀什河河水；第三段分布于和田河干流河段，面積約517.61 km2，水源為玉龍喀什河和喀拉喀什河匯合后的合流。沙漠段綠色走廊基本位于塔克拉瑪干沙漠腹地，河道河谷較寬，兩岸為沙丘，汛期洪水是和田河下游兩岸天然植被水分的直接補(bǔ)給源，多年平均徑流量約43×108m3，其徑流量主要集中在6～9月的汛期，徑流補(bǔ)給量占總徑流量80%以上，其余時(shí)間河道干枯。研究區(qū)氣候干燥，降水稀少，多年平均潛在蒸發(fā)量為2 648.7 mm（20 cm口徑蒸發(fā)皿），多年平均降水量?jī)H為39.6 mm[15]。

1.1.2 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

選 擇1996、2000、2006、2009、2013、2015、2018、2020年8個(gè)年份每年9～10月的Landsat-8 OLI 陸地成像儀的遙感影像3 期，共24 期影像。每期3景，共72景影像?？臻g分辨率30 m。

1.1.3 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（ttp：//data.cma.cn），其中和田河上游采用和田站氣象數(shù)據(jù)，地理坐標(biāo)37°08′N(xiāo)，79°56′E；下游采用阿拉爾站氣象數(shù)據(jù)，40°33′N(xiāo)，81°16′E。通過(guò)加權(quán)平均，確定區(qū)域氣象數(shù)值。生態(tài)輸水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于塔里木河流域和田管理局。

1.2 方法

1.2.1 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）能表征地表植被覆蓋和植被生長(zhǎng)狀況[16-17]?；贚andsat 8 OLI 遙感影像的紅光波段和近紅外波段計(jì)算NDVI，并基于原始遙感影像確定劃分閾值，進(jìn)行和田河流域沙漠段植被的提取。

式中：PRED、PNIR分別對(duì)應(yīng)Landsat 8 OLI遙感影像的第4、5波段。

1.2.2 植被覆蓋度等級(jí)劃分

在和田河沙漠段闊什拉什國(guó)家公益林區(qū)內(nèi)進(jìn)行野外調(diào)查，順河流方向近似垂直河岸設(shè)置5組50 m×3 000 m 的樣帶，樣帶間隔3 km，每個(gè)樣帶內(nèi)設(shè)15個(gè)樣地，樣地面積50 m×50 m，共計(jì)75個(gè)樣地；對(duì)樣地內(nèi)植被進(jìn)行類(lèi)型和覆蓋度調(diào)查，調(diào)查時(shí)段為2020年9～10月。樣地的植被覆蓋度通過(guò)實(shí)測(cè)與目估法來(lái)確定。利用計(jì)算的植被覆蓋度劃分沙漠段植被類(lèi)型。同時(shí)利用GPS 定位樣地坐標(biāo)，在遙感圖像上反查各調(diào)查點(diǎn)對(duì)應(yīng)NDVI值，建立不同植被覆蓋類(lèi)型與相應(yīng)NDVI值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在ArcGIS 中繪制和田河沙漠段研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)邊界，其次，利用ENVI 5.1 軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行影像預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)（選擇子集）和大氣校正，并去除條帶。將每一期的3 景影像進(jìn)行拼接，根據(jù)繪制的和田河沙漠段研究區(qū)邊界，對(duì)拼接影像進(jìn)行裁剪。

根據(jù)選定的沙漠段植被遙感監(jiān)測(cè)斷面，垂直于河道選取0.5 km×3 km的范圍作為研究斷面植被樣帶，提取樣帶內(nèi)離河區(qū)域內(nèi)0～250 m、500～750 m、1 000～1 250 m、1 500～1 750 m、2 000～2 250 m、2 500～2 750 m的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)波段運(yùn)算計(jì)算研究區(qū)NDVI指數(shù)。獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同離河距離的區(qū)樣地NDVI值。表1

表1 遙感影像屬性Table 1 Remote sensing image attributes

表2 和田河沙漠段植被遙感監(jiān)測(cè)斷面Table 2 Remote sensing monitoring section of vegetation in Hotan River desert

2 結(jié)果與分析

2.1 和田河沙漠段NDVI值變化

2.1.1 各斷面不同離河距離NDVI值變化

研究表明，玉龍喀什河艾格利牙斷面NDVI值相對(duì)較高，在垂直河岸方向，隨著與河岸距離增大，NDVI值先緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。距河岸大于2 km，NDVI值變化不大。自2005年以來(lái)，斷面NDVI值逐年提高，距河岸0.25 km 內(nèi)，NDVI值增幅達(dá)73.70%，增幅最大，斷面平均NDVI值增幅達(dá)40.26%。距河岸1.5 km，NDVI值增長(zhǎng)明顯。距河岸大于2 km，NDVI值增幅相對(duì)較小。圖1

圖1 艾格利牙斷面不同離岸距離NDVI值變化Fig.1 Variation of NDVI at different offshoredistances of Aigeliya section

在垂直河岸方向，隨著與河岸距離增大，NDVI值先快速降低，最后趨于穩(wěn)定。距河岸大于1.25 km，NDVI值變化不大。以1996年為基準(zhǔn)年，截止2020年，吐直魯克斷面距河岸距離小于1 km，NDVI值增幅較大。其中距河岸0.25 km內(nèi)，NDVI值增幅最大，達(dá)59.21%；在距河岸1～1.5 km，NDVI值變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，大于1.5 km。植被對(duì)生態(tài)輸水響應(yīng)不明顯，吐直魯克斷面平均NDVI值增幅達(dá)24.10%。圖2

圖2 吐直魯克斷面不同離岸距離NDVI值變化Fig.2 Variation of NDVI at different offshore distance of Tuziluke section

闊什拉什斷面NDVI值相對(duì)較低，介于0.018 3 ～0.089 1。垂直河流斷面NDVI值變化呈先急劇下降，后升高，再緩慢下降，直至趨于平穩(wěn)。在距河岸1 km 處，斷面NDVI值最低；在距河岸2.25 km 處，斷面NDVI值最高，影響西岸植被。2006年斷面NDVI值最大，1996年和2015年NDVI值最小。圖3

圖3 闊什拉什不同離岸距離NDVI值變化Fig.3 NDVI change of Kuoshilashi section

闊什拉什下游15 km 處斷面NDVI值亦相對(duì)較低，介于0.017 3～0.112 7。垂直河流斷面NDVI值變化呈先急劇下降，后趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)。在距河岸0.75 km 處，斷面NDVI值變化拐點(diǎn)。斷面NDVI值1996～2006年呈增大趨勢(shì)，2006年斷面NDVI值最大，2006年-2013年年降低趨勢(shì)；2013年NDVI值最小，最后2013年-2020年呈緩慢增加趨勢(shì)。圖4

圖4 闊什拉什+15km不同離岸距離NDVI值變化Fig.4 NDVI change of Kuoshilashi+15 km

闊什拉什下游65 km處斷面NDVI值最低，介于0.013 7～0.089 1。垂直河流斷面NDVI值變化呈先快速下降，后趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)。斷面NDVI值變化拐點(diǎn)在距河岸0.75 km 處。斷面NDVI值年際變化與闊什拉什下游15 km 處斷面NDVI值年際變化相同。圖5

圖5 闊什拉什+65 km不同離岸距離NDVI值變化Fig.5 NDVI change of Kuoshilashi+65 km

闊什拉什+115 km斷面NDVI值介于0.016 5～0.127 9。在垂直河岸方向，0.25 km范圍內(nèi)，NDVI值最大，隨著距河岸距離增大，NDVI值緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。與1996年比，距河岸0.25 km 范圍內(nèi)，2020年NDVI值提高1.2倍，增幅最大；距河岸2.5～2.75 km，2020年NDVI值僅提高0.2 倍，增幅最小。圖6

圖6 闊什拉什+115 km不同離岸距離NDVI值變化Fig.6 NDVI change of Kuoshilashi+115 km

闊什拉什+165 km斷面NDVI值介于0.016 5～0.127 9。在垂直河岸方向，隨著距河岸距離增大，NDVI值整體呈逐漸降低、直至穩(wěn)定的趨勢(shì)。在距河岸1.25 km 以內(nèi)，NDVI值較大，NDVI值變幅亦較大；在距河岸1.75 km 以外，NDVI值較小，NDVI值變幅亦較小。圖7

圖7 闊什拉什+165 km斷面NDVI變化Fig.7 NDVI change of Kuoshilashi+165 km

闊什拉什+220 km斷面NDVI值介于0.015 3～0.101 5。在垂直河岸方向，隨著距河岸距離增大，NDVI值先緩慢降低、直至穩(wěn)定的趨勢(shì)。在距河岸0.75 km范圍內(nèi)，NDVI值最大；當(dāng)距河岸大于2.75 km時(shí)，NDVI值變化較小，斷面植被受生態(tài)輸水影響顯著。圖8

圖8 闊什拉什+220 km斷面NDVI變化Fig.8 NDVI change of Kuoshilashi+220 km

闊什拉什+260 km斷面NDVI值介于0.024 0～0.195 6。在垂直河岸方向，隨著距河岸距離增大，NDVI值先增大，后降低，最后趨于穩(wěn)定。在距河岸0.75 km 處，NDVI值最大；當(dāng)距河岸大于1.75 km時(shí)，NDVI值變化較小。圖9

圖9 闊什拉什+260km斷面NDVI值變化Fig.9 NDVI change of Kuoshilashi+260 km

2.1.2 各監(jiān)測(cè)斷面NDVI均值年際變化

研究表明，和田河沙漠段1996～2005年，植被整體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；2005～2015年，和田河沙漠段植被呈下降趨勢(shì)；2015～2020年，植被呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

1996～2020年，和田河流域沙漠段NDVI值均較低，介于0.027 9～0.138 1，以1996年為基準(zhǔn)年，截止2020年，各植被監(jiān)測(cè)斷面NDVI總體呈增大趨勢(shì)。其中玉龍喀什河艾格利牙斷面NDVI增長(zhǎng)幅度44.78%，喀拉喀什河吐直魯克斷面NDVI增長(zhǎng)幅度32.47%，闊什拉什斷面NDVI增幅9.13%，闊什拉什+15 km 斷面NDVI增幅13.12%，闊什拉什+65 km 斷面NDVI增幅10.97%，闊什拉什+115 km 斷面NDVI增幅69.23%，闊什拉什+165 km 斷面NDVI增幅22.35%，闊什拉什+220 km斷面NDVI增幅37.41%，闊什拉什+260 斷面NDVI增幅45.27%。和田河流域沙漠段各監(jiān)測(cè)斷面NDVI平均增長(zhǎng)幅度為31.63%。各植被監(jiān)測(cè)斷面NDVI增長(zhǎng)說(shuō)明和田河生態(tài)輸水促進(jìn)河道兩岸生態(tài)植被的恢復(fù)。闊什拉什+115 km斷面NDVI增幅最大，說(shuō)明生態(tài)輸水對(duì)該段影響最好。支流匯合處及以下65 km 增幅較低，其中闊什拉什斷面增幅最低。上游支流段植被相對(duì)較好，NDVI值相對(duì)較高，玉龍喀什河NDVI最高。和田河生態(tài)輸水段屬于游蕩性河流，植被分布隨機(jī)性較大，生態(tài)輸水對(duì)各個(gè)區(qū)段的影響不同步。圖10

圖10 不同監(jiān)測(cè)斷面NDVI值變化Fig.10 NDVI changes in different monitoring sections

和田河流域整個(gè)沙漠段，玉龍喀什河艾格利牙斷面和喀拉喀什河吐直魯克斷面到兩河匯合口下游4 km 植被覆蓋最好，兩河匯合口下游4～65 km，植被覆蓋度最低，和田河沙漠段植被分布特點(diǎn)，上、下游植被較好，中間低的特點(diǎn)。2006年生態(tài)輸水以來(lái)，和田河NDVI整體得到提升，植被變好趨勢(shì)明顯。

2.2 植被覆蓋度與NDVI 關(guān)系以及和田河流域植被變化趨勢(shì)分析

研究表明，和田河沙漠段植被劃分為沙漠、低植被覆蓋、中植被覆蓋以及高植被覆蓋4個(gè)類(lèi)型。表3

表3 和田河沙漠段植被覆蓋度等級(jí)劃分Table 3 Classification of vegetation coverage in Hotan River desert section

1996～2020年際間，和田河沙漠段沙漠面積先降低后增大，1996年沙漠面積占比最高，達(dá)38%；2006年，沙漠面積占比最低，僅為25%；多年平均占比34%。低植被覆蓋面積占比逐年減少，由1996年33%降低到2020年19%，降幅達(dá)14%，多年平均占比26%；中植被覆蓋面積占比變化不大，多年平均占比24%，變幅在2%左右；高植被覆蓋面積占比增大，1996年高植被覆蓋面積僅占6%，2006年高植被覆蓋面積占比最大，達(dá)25%，多年平均占比16%。與1996年相比，2020年沙漠面積占比降低3%，低植被覆蓋面積占比降低14%，中植被覆蓋面積占比增加2%，高植被覆蓋面積增加15%，增幅最大。圖11

圖11 1996～2020年間和田河沙漠段植被類(lèi)型變化Fig.11 Changes of vegetation types in Hotan River desert section between 1996～2020 years

2.3 和田河沙漠植被變化驅(qū)動(dòng)因素

2.3.1 和田河沙漠段生態(tài)輸水及河段水量消耗

研究表明，15年來(lái)，上游累積下泄水量274.17×108m3，年均下泄18.28×108m3，其中，2010年上游下泄水量最大，達(dá)30.6×108m3；2007年下泄水量最小，僅為8.8×108m3。沙漠段累積消耗水量88.94×108m3，年均消耗水量5.93×108m3，變差系數(shù)為0.412。從2010～2015年，沙漠段耗水量呈逐年下降趨勢(shì)，2015～2020年，沙漠段耗水量趨于穩(wěn)定，變差系數(shù)為0.149。圖12

圖12 和田河沙漠段下泄水量及河段消耗Fig.12 Discharge water and river section consumption of Hotan River desert section

2.3.2 植被變化驅(qū)動(dòng)因數(shù)

研究表明，區(qū)域氣溫1996～2009年逐年升高，2013～2020年震蕩變化的特點(diǎn)。和田河沙漠段NDVI值與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6464。和田河沙漠段NDVI值和河段耗水呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.452 5，溫度和上、下游斷面水流損耗是和田河沙漠段植被變化重要影響因素。溫度升高和增加河段耗水量均能提高和田河沙漠段植被指數(shù)。圖13

圖13 和田河沙漠段NDVI值與氣溫（a）和河段耗水量（b）的相關(guān)性Fig.13 Correlation analysis between NDVI value and air temperature（a）and water consumption（b）in Hotan River desert section

3 討論

和田河沙漠段在距河岸0.25～0.75 km，NDVI值最高，0.75～2 km，NDVI值相對(duì)較高，大于2～2.75 km，NDVI值最低。各時(shí)相的NDVI值變化，反映了植被長(zhǎng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化，一般植株越高、群體越大、葉面積系數(shù)越大的區(qū)域，其N(xiāo)DVI值較大，植被長(zhǎng)勢(shì)好的區(qū)域，其N(xiāo)DVI值也越大[7]。研究表明，和田河沙漠段生態(tài)輸水以來(lái)，植被變好趨勢(shì)明顯。

植被對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性和依賴(lài)性，同時(shí)溫度的季節(jié)性變動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)有重要的影響[18-19]。研究表明和田河沙漠段植被變化與溫度呈線性正相關(guān)。植被NDVI與和降水具有較明顯的空間響應(yīng)[19-20]，研究表明，和田河沙漠段NDVI值與降水量不具有線性正相關(guān)性，主要是由于沙漠段年均降水量43.65 mm，而年均蒸發(fā)量則高達(dá)3 400 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，降水量不足以影響極端水熱條件下植被生長(zhǎng)。和田河沙漠段NDVI值與上游斷面來(lái)水量線性相關(guān)性較差，而NDVI值和河段耗水呈正相關(guān)，與余其鷹等[21]研究結(jié)論：該河段來(lái)水量與河道耗水量呈顯著3 次函數(shù)關(guān)系相符。區(qū)段耗水與區(qū)域植被指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與上游斷面來(lái)水量不具有線性相關(guān)性。

4 結(jié)論

4.1 2006年生態(tài)輸水以來(lái)，和田河沙漠段NDVI整體得到提升，植被變好趨勢(shì)明顯，生態(tài)輸水對(duì)河岸1～2.75 km 植被影響顯著，其中，在距河岸

0.25～0.75 km，影響顯著；0.75～2 km，影響較顯著；大于2～2.75 km，影響最低。NDVI變幅與NDVI值高低具有一致性，NDVI值大的區(qū)域，NDVI變幅亦較大。

4.2 和田河沙漠段到兩河匯合口和下游段植被較好，兩河匯合口下游15～115 km 為植被脆弱區(qū)域，整個(gè)沙漠段植被呈上、下游較好，中游較差的特點(diǎn)。

4.3 和田河沙漠段1995～2005年植被呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；2005～2015年植被呈下降趨勢(shì)；2015～2020年植被呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。以1996年為基準(zhǔn)年，截止2020年各植被監(jiān)測(cè)斷面NDVI總體呈上升趨勢(shì)。

4.4 1996～2020年際間，和田河沙漠段沙漠面積先降低后增大，低植被覆蓋面積占比逐年減少，中植被覆蓋面積占比變化不大，高植被覆蓋面積占比增大。與1996年相比，2020年沙漠面積占比降低3%，低植被覆蓋面積占比降低14%，中植被覆蓋面積占比增加2%，高植被覆蓋面積增加15%。

4.5 和田河沙漠段NDVI值與氣溫和河段耗水均呈正相關(guān)關(guān)系，區(qū)域溫度和沙漠段水量損耗是影響和田河沙漠段植被變化的重要因素。

圖15 和田河沙漠段NDVI值與區(qū)域降水（a）和河段耗水上游斷面來(lái)水量（b）相關(guān)性Fig.15 Correlation analysis between NDVI value of Hotan River desert section and regional rainfall（a）and water inflow from upstream section of river section（b）