輸水漫溢對塔里木河中游胡楊林恢復(fù)的影響

王 振， 李均力， 張久丹， 吳浩儒， 郭雪飛

（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.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新疆遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；4.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

胡楊是唯一能在極端干旱沙漠環(huán)境中生存的稀有闊葉落葉喬木樹種，在防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面具有重要作用［1-2］。廣泛分布于塔里木河干流中下游的胡楊林總面積逾100×104hm2，特別是以塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)為主的原始胡楊林是塔里木河防風(fēng)固沙林的重要組成部分，成為綠洲重要的生態(tài)屏障［3-4］。2001年起，為拯救塔里木河下游胡楊林生態(tài)系統(tǒng)，在塔里木河上游和中游進(jìn)行了輸水堤防、生態(tài)閘等水利設(shè)施的建設(shè)，輸水堤防束縛了汛期洪水漫溢，保證河道的輸水能力，提高了向下游輸水效率，為下游生態(tài)修復(fù)起到了積極作用［5-7］。然而，堤防的建設(shè)也阻斷了中游洪水的自由漫溢，目前恢復(fù)良好的胡楊林主要分布在河道兩岸的狹長區(qū)域里，而遠(yuǎn)離河道未受生態(tài)輸水的林區(qū)生態(tài)退化明顯［8-9］。2016年以來，自治區(qū)政府啟動塔里木河流域胡楊林生態(tài)保護(hù)專項行動，塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)是生態(tài)輸水的重點區(qū)域［9］。開展保護(hù)區(qū)生態(tài)輸水漫溢的動態(tài)監(jiān)測和胡楊林恢復(fù)的定量評估，對評價胡楊林保護(hù)專項行動成效，制定更合理的輸水策略有重要意義。

目前，生態(tài)輸水漫溢干擾對植被群落的恢復(fù)研究是胡楊林生態(tài)恢復(fù)評估的熱點之一［10-12］。相關(guān)研究表明，漫溢后植被的物種多樣性和豐富度相比于比非漫溢區(qū)明顯增加［13］，群落構(gòu)成由喬（灌）木占優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄昊蛞荒晟荼菊純?yōu)勢［14］。在漫溢頻次上，過高或者過低都不利于植被物種多樣性的恢復(fù)，而中等頻次的漫溢能夠維持較高的物種多樣性［15］。在胡楊生理指標(biāo)方面，生態(tài)輸水漫溢后胡楊的郁閉度、蓋度、冠幅等生態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)增長的趨勢［16］，胡楊葉片的相對含水量［17］和年輪寬指數(shù)［18］也均呈現(xiàn)增加的趨勢［17-18］。在荒漠生態(tài)系統(tǒng)尺度上的遙感監(jiān)測結(jié)果表明，生態(tài)輸水實施以后塔里木河下游植被長勢明顯好轉(zhuǎn)［19］，植被面積持續(xù)增加，凈初級生產(chǎn)力上升趨勢明顯［20］。2016 年胡楊林保護(hù)專項行動以來，塔里木河中游胡楊林重點保護(hù)區(qū)的荒漠林樣方監(jiān)測結(jié)果表明，距離閘口100～300 m 內(nèi)胡楊幼苗增幅達(dá)到90%，長勢優(yōu)良的胡楊出現(xiàn)頻率隨著被漫溢年限的增加呈現(xiàn)遞增趨勢［21］。淹灌2 a 后胡楊林物種多樣性增加，長勢結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化，而距離淹灌較遠(yuǎn)區(qū)域的胡楊林基本沒有得到改善［22］。上述研究主要采用樣方調(diào)查方法評估生態(tài)輸水漫溢效益，而遙感技術(shù)是大范圍、全域監(jiān)測的主要手段［23-24］。

因此，本文以塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，采用多源遙感數(shù)據(jù)提取生態(tài)輸水漫溢水面和胡楊林植被覆蓋度指標(biāo)，研究2016年胡楊林保護(hù)行動實施以來生態(tài)輸水漫溢面積和漫溢頻次對胡楊林植被覆蓋度的影響，定量評估生態(tài)輸水成效，以促使輸水工作更好地服務(wù)于胡楊林生態(tài)保護(hù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)位于塔里木河干流中游英巴扎—喀爾曲尕段，輪臺縣、尉犁縣和庫爾勒市境內(nèi)。塔里木河自西向東橫貫保護(hù)區(qū)全境，在保護(hù)區(qū)內(nèi)長度為162.2 km（圖1）。塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)東西長109.7 km，南北寬約47.1 km，總面積3954 km2，氣候類型為溫帶大陸性荒漠氣候，平均氣溫9.7～10.8 ℃，平均降水量45.2 mm，潛在蒸發(fā)量高達(dá)1887～2910 mm，海拔高度為800～940 m［25］。植物主要以喬木胡楊群落和灌木檉柳群落為主，除此之外還有草甸植被、沼澤植被、水生植被。為了科學(xué)管理、有效保護(hù)、合理開發(fā)利用，生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展的目的，將保護(hù)區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，其中核心區(qū)面積1804 km2，占總面積的45.62%；實驗區(qū)面積330 km2，占總面積的8.35%；緩沖區(qū)面積1820 km2，占總面積的46.03%。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文使用的遙感數(shù)據(jù)主要包括2016—2021 年Sentinel-2A/B、Landsat-8、HJ-1A/B，共 計113 景。其中，Sentinel-2A/B、Landsat-8 來源于USGS（https://earthexplorer.usgs.gov/），HJ-1A/B來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（http://www.cresda.com/CN/）。由于HJ-1A/B 沒有經(jīng)過幾何精校正，與Landsat-8 影像比對發(fā)現(xiàn)，圖像上地物的位置與其對應(yīng)的地面地物的位置差異較大，因此需要進(jìn)行幾何位置配準(zhǔn)校正，最后將3種數(shù)據(jù)處理為地表反射率產(chǎn)品。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)輸水漫溢水面監(jiān)測塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)地處荒漠地帶，沒有建筑物、山體陰影等雜質(zhì)影響，且使用Sentinel-2A/B 計算歸一化水體指數(shù)（NDWI）［26］所用波段均為10 m。因此，本文采用一種半自動化的NDWI閾值分割方法提取漫溢水面。首先使用ENVI+IDL 平臺構(gòu)建NDWI，結(jié)合實地調(diào)查和高分影像確定分割閾值，將分割后漫溢面積柵格文件轉(zhuǎn)為shapefile 格式矢量文件，經(jīng)過批量自動化處理后，導(dǎo)入ArcGIS 軟件對錯分、漏分的區(qū)域進(jìn)行人工編輯修正，并剔除河流、水庫和農(nóng)田區(qū)域的水體，得到胡楊林區(qū)漫溢水面面積，確保每期漫溢水面提取精度滿足分析要求。

2.2.2 胡楊林植被覆蓋度提取通過對幾種荒漠稀疏植被覆蓋度的遙感提取方法進(jìn)行對比［27］，采用對荒漠區(qū)植被覆蓋度提取較為適宜的修正三波段最大梯度差法［28］進(jìn)行胡楊林植被覆蓋度提取。該模型是對唐世浩等［29］基于地物物理光譜特征，采用近紅外、紅、綠3個波段梯度差與全覆蓋植被的梯度差之比的三波段最大梯度差法模型的改進(jìn)，改進(jìn)后的模型公式如下：

式中：A為植被覆蓋度（%）；d為像元梯度差；dmax為像元最大梯度差；Rswir、Rnir、Rr分別為短波紅外、近紅、紅波段反射率；λswir、λnir、λr分別為短波紅外、近紅、紅波段波長（nm）。為了確定dmax，在計算的d頻率累積表中，將累積頻率99.5%的數(shù)值作為dmax值

2.2.3 植被覆蓋度的變化及對漫溢的響應(yīng)評估方法一元線性回歸是分析變化趨勢常用有效的統(tǒng)計分析方法，在每個像元的基礎(chǔ)之上，計算2016—2021 年胡楊林植被覆蓋度的變化趨勢。斜率（slope）代表研究區(qū)域每個柵格點植被覆蓋度在監(jiān)測時段的變化趨勢。slope＞0，代表該柵格內(nèi)植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢，胡楊狀況有所改善，且數(shù)值越大表示柵格內(nèi)胡楊改善效果越明顯；反之，則表示該柵格內(nèi)胡楊狀況變差。該方法能反映研究時段植被覆蓋度變化的空間分布特征，計算公式如下：

式中：slope為每個像元變化趨勢的斜率；n為研究時序的長度，本文為6（2016—2021 年共6 a）；FVCi為第i年植被覆蓋度值。

分別統(tǒng)計不同生態(tài)輸水漫溢頻次下的胡楊林植被覆蓋度變化趨勢，采用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析，檢驗不同生態(tài)輸水漫溢頻次區(qū)域的胡楊林恢復(fù)程度是否有顯著差異，以確定生態(tài)輸水對胡楊林植被覆蓋度恢復(fù)是否有重要影響。

2.2.4 GIS 緩沖區(qū)分析方法為了研究生態(tài)輸水漫溢后垂直河道方向上植被覆蓋度的梯度變化，這里采用ArcGIS 軟件中ArcToolbox 的緩沖區(qū)分析（Buffer analysis）工具，沿著垂直河岸的方向，設(shè)置每2000 m 間隔的多環(huán)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)數(shù)量為以完全覆蓋研究區(qū)為止。利用生成的多環(huán)等距緩沖區(qū)，分區(qū)統(tǒng)計不同間隔緩沖區(qū)內(nèi)胡楊植被覆蓋度的均值，比較和分析不同緩沖區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的梯度變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)輸水漫溢面積時空分析

從2016—2021 年漫溢水面的年內(nèi)變化、年際變化來描述塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)生態(tài)輸水漫溢面的時序變化過程（圖2）。從圖2a 中可以看出，漫溢水面的面積上漲時間主要在7 月底至8 月初，在9月達(dá)到漫溢面的最大面積，隨后漫溢水面以0.6～2.2 km2·d-1的速率快速下降，說明每年主要在8—9 月進(jìn)行生態(tài)輸水。2016 年與2017 年的漫溢面積變化曲線相似，形成的漫溢水面峰值較大，分別為114.1 km2、147.4 km2，2018—2021 年漫溢水面峰值相比較小，平均為43.5 km2。2016—2021 年生態(tài)輸水漫溢水面年最大合成面積變化如圖2b 所示。從圖中可以看出，2017 年生態(tài)輸水漫溢面積最大，達(dá)到了246.7 km2，2020 年生態(tài)輸水漫溢面積最小，為70.5 km2，近4 a來漫溢水面相比于2016—2017年平均下降145.2 km2。

圖2 生態(tài)輸水漫溢面積時序變化Fig.2 Temporal variation of overflow area of ecological water conveyance

2016—2021 年合成最大生態(tài)輸水漫溢水面空間疊加后的漫溢頻次如圖3所示。漫溢水面在空間上呈聚集性分布，其中在保護(hù)區(qū)的西部，漫溢水面共計137.2 km2，主要集中在塔里木河南岸10 km 內(nèi)的范圍，僅有1.2%的水面分布在南岸10 km 以外的區(qū)域；而在保護(hù)區(qū)的東部，塔里木河北岸30 km 范圍內(nèi)形成了245.8 km2的漫溢水面，是研究區(qū)漫溢水面最密集、分布最廣泛的區(qū)域。對比塔里木河南北兩岸的輸水效果，北岸的輸水漫溢面積占總漫溢水面的65%，明顯大于南岸的35%；而北岸的平均漫溢頻次為2.08，也大于南岸的1.72。因此，在塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，塔里木河北岸的輸水漫溢效果明顯好于南岸。

圖3 2016—2021年最大漫溢水面覆蓋頻次分布Fig.3 Frequency distribution of maximum overflow surface during 2016—2021

3.2 胡楊林植被覆蓋度時空變化

為了評估輸水漫溢后保護(hù)區(qū)內(nèi)胡楊林植被覆蓋度的變化，這里采用一元線性回歸分析逐像元計算2016—2021年研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢，并按照5 個等級進(jìn)行顯著性檢驗，分別為顯著增加（Slope＞0，P＜0.05）、輕 微 增 加（Slope＞0，0.05＜P＜0.1）、基本不變（P＞0.1）、輕微退化（Slope＜0，0.05＜P＜0.1）、顯著退化（Slope＜0，P＜0.05）。塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋度變化如圖4 所示，胡楊林植被覆蓋度增加的區(qū)域主要分布在塔里木河北岸，東部增加最為明顯，增加區(qū)域占北岸總面積的45.2%，而南岸的植被覆蓋度以無顯著變化或退化趨勢為主。結(jié)合輸水漫溢結(jié)果可知，輸水漫溢面積的65%分布于塔里木河北岸，而南岸僅占35%；從空間上來看，輸水漫溢區(qū)域的胡楊林植被覆蓋度顯著增加，而輸水較少的區(qū)域處于退化或無顯著變化狀態(tài)。因此，生態(tài)輸水對胡楊林恢復(fù)產(chǎn)生了積極影響。

圖4 2016—2021年胡楊林植被覆蓋度變化趨勢Fig.4 Change trend of vegetation coverage of Populus euphratica forest during 2016—2021

對2016—2021 年塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)胡楊林植被覆蓋度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，結(jié)果如圖5a所示。2016—2021 年保護(hù)區(qū)內(nèi)胡楊林平均植被覆蓋度由18.88%增加至19.61%，其中塔里木河北岸的胡楊林覆蓋度從18.06%增加至19.86%，其變化趨勢與整體趨勢一致；而塔里木河南岸的胡楊林覆蓋度從20.84%降至19.34%，與總體趨勢變化相反。

圖5 不同區(qū)域胡楊林植被覆蓋度變化趨勢Fig.5 Change trend of vegetation coverage of Populus euphratica forest in different regions

分析垂直河道方向不同緩沖區(qū)范圍內(nèi)胡楊林植被覆蓋度變化（圖5b）可知，2016 年以來，塔里木河北岸不同緩沖區(qū)胡楊林植被覆蓋度均值均處于增加趨勢，其中0～10 km內(nèi)植被覆蓋度增加0.37%·a-1，10～24 km內(nèi)植被覆蓋度增加1.19%·a-1，而大于24 km植被覆蓋度的增加趨勢迅速下降，至32 km 處植被覆蓋度增長率僅為0.01%·a-1。南岸胡楊林植被覆蓋度僅在距離河岸4～14 km 的緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈現(xiàn)增加趨勢，而在0～4 km 和大于14 km 的區(qū)域內(nèi)均呈減小趨勢。結(jié)合圖3 可知，胡楊林植被覆蓋度增加的區(qū)域與輸水漫溢區(qū)的空間關(guān)聯(lián)度高，塔里木河北岸30 km 范圍內(nèi)都有輸水漫溢水面，而塔里木河南岸僅在10 km 的范圍內(nèi)產(chǎn)生漫溢水面，緩沖區(qū)的分析結(jié)果（圖5b）也表明，胡楊林植被覆蓋度增加的區(qū)域也在南岸10 km范圍內(nèi)。

3.3 胡楊林植被覆蓋度變化對漫溢頻次的響應(yīng)

統(tǒng)計不同輸水漫溢頻次下胡楊植被覆蓋度的變化（圖6）可知，在沒有輸水漫溢過的區(qū)域，植被覆蓋度增加率平均為0.23%·a-1，而超過1 次輸水漫溢的區(qū)域，植被覆蓋度增加顯著；輸水漫溢頻次在3次以上的植被覆蓋度增加率維持在0.93%·a-1～1.11%·a-1。由此可見，輸水漫溢對胡楊林植被覆蓋度恢復(fù)起到了較為明顯的促進(jìn)作用，平均3 次輸水漫溢就能達(dá)到植被顯著恢復(fù)的效果。

圖6 不同輸水漫溢頻次下胡楊林植被覆蓋度變化趨勢Fig.6 Change trend of vegetation coverage of Populus euphratica forest under different water conveyance overflow frequency

為了分析不同輸水漫溢頻次對胡楊林恢復(fù)的效果，利用ArcGIS 軟件，在不同漫溢頻次下各隨機(jī)選擇100 個胡楊林樣本點，統(tǒng)計各樣點植被覆蓋度的變化率，并采用SPSS 軟件進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果表明，當(dāng)輸水漫溢頻次小于等于3次時，輸水頻次與胡楊林植被覆蓋度增加顯著正相關(guān)，而當(dāng)輸水頻次大于3 次時，輸水頻次的增加與植被覆蓋度增加相關(guān)不顯著。這也表明，2016—2021 年，輸水頻次超過3次的林區(qū)，其恢復(fù)效果與每2 a一次輸水漫溢區(qū)的植被恢復(fù)效果相近。

4 討論

2016 年開展的塔里木河胡楊林拯救行動和胡楊林灌溉工程［30］是為了恢復(fù)全流域衰敗中的胡楊林。塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)是原始胡楊林分布最為集中、保存最完整的區(qū)域［25］，也是輸水漫溢的重點區(qū)域。從漫溢水面遙感動態(tài)監(jiān)測、漫溢區(qū)胡楊林植被覆蓋度恢復(fù)效果來看，2016—2021 年輸水工程的成效明顯，胡楊林漫溢區(qū)的植被覆蓋度增長率比未漫溢區(qū)顯著提高。這與相關(guān)文獻(xiàn)實地調(diào)查胡楊生理生態(tài)指標(biāo)的研究結(jié)果一致，輸水后胡楊的生長環(huán)境得以好轉(zhuǎn)，輸水漫溢區(qū)內(nèi)的胡楊胸徑、株高、密度增加［31-32］。持續(xù)的胡楊林生態(tài)輸水行動對胡楊林植被恢復(fù)持續(xù)好轉(zhuǎn)起到了關(guān)鍵作用［33］。

通過分析不同漫溢頻次對胡楊林植被覆蓋度的影響表明，輸水漫溢區(qū)的胡楊植被覆蓋度增加速率是未輸水區(qū)的4～5 倍，但漫溢頻次也不是越多越好。2016—2021年，生態(tài)輸水漫溢頻次在1～3時，植被覆蓋度增長速率隨著漫溢頻次的增加顯著提高，而大于3 次時植被覆蓋度增加速率在0.93%·a-1～1.11%·a-1上下浮動，甚至還會出現(xiàn)增加速率下降的現(xiàn)象。相關(guān)研究［34］表明，塔里木河兩岸土壤含鹽量較高，輸水漫溢次數(shù)過多會加速土壤中鈉離子和氯離子在植物根部的積累，造成胡楊根系功能受損，阻礙其生長。而塔里木河多年來水量豐枯呈現(xiàn)交替變化，間歇性的水量豐枯對于胡楊林群落恢復(fù)更為有利［35］。張沛等［15］在研究不同漫溢頻次對塔里木河下游植被物種多樣性影響時也發(fā)現(xiàn)，漫溢頻次與物種多樣性存在著拋物線形關(guān)系，即中等頻次的漫溢條件下植物群落的物種多樣性與豐富度最高。

在胡楊林保護(hù)行動開展以來，目前為止塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)已經(jīng)開展了6 a 的胡楊林生態(tài)補水保護(hù)行動，通過胡楊林受淹灌情況來看，被生態(tài)水漫溢1～6 次的胡楊林面積分別為70.94 km2、27.07 km2、11.64 km2、6.4 km2、3.81 km2、3.69 km2，分別占胡楊林總面積的11.92%、4.56%、1.96%、1.08%、0.64%、0.62%。從漫溢輸水的范圍來看，目前胡楊林生態(tài)輸水的覆蓋面還不夠廣，特別是塔里木河南岸的大部分胡楊林還有退化的趨勢，未來向胡楊林生態(tài)輸水，可以考慮以下改進(jìn)措施：

（1）增加塔里木河南岸10 km 外胡楊林的生態(tài)輸水量，改善保護(hù)區(qū)內(nèi)部分尚處于生態(tài)退化的胡楊林。塔里木河北岸的胡楊林水分條件好，輸水漫溢覆蓋廣，胡楊林長勢良好，而南岸輸水漫溢面積僅占輸水漫溢總面積的35%，胡楊林恢復(fù)與北岸相比差異較大，特別遠(yuǎn)離河道的胡楊林退化區(qū)是急需擴(kuò)大輸水漫溢的范圍。

（2）交替向不同區(qū)域胡楊林輸水，提高生態(tài)輸水效益。在每年生態(tài)水量不變的情況下，輸水漫溢頻次在0.5·a-1時既能保證胡楊林恢復(fù)，又能擴(kuò)大輸水漫溢的范圍，可以減少向同一個區(qū)域頻繁輸水。

5 結(jié)論

本文通過監(jiān)測塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)輸水漫溢面積的變化，分析生態(tài)輸水后胡楊林植被覆蓋度的變化以及對漫溢頻次的響應(yīng)，得出以下主要結(jié)論：

（1）輸水漫溢面積上漲時間主要在7 月底至8月初，至9 月達(dá)到最大漫溢面積。2017 年生態(tài)輸水漫溢面積最大，達(dá)到了246.7 km2，2018—2021 年生態(tài)輸水力度相比于前2 a 有所下降，其中2020 年輸水漫溢面積最小，僅為70.5 km2。在空間分布上，漫溢水面呈現(xiàn)北多南少、下游大于上游的格局。

（2）2016—2021年塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)胡楊林植被覆蓋度從18.88%增加至19.61%。其中，塔里木河北岸胡楊林輸水漫溢面積占總漫溢面積65%，植被覆蓋度呈增加趨勢，而占總漫溢面積35%的南岸胡楊林大部分尚處于退化的趨勢。

（3）胡楊林植被覆蓋度恢復(fù)程度隨著生態(tài)輸水漫溢頻次的增加顯著提高，生態(tài)輸水漫溢頻次超過3 次時，胡楊林植被覆蓋度平均增長速率為0.93%·a-1～1.11%·a-1，是未經(jīng)輸水胡楊林區(qū)的4～5倍。