阿克苏河流域自然植被时空变化及对生态输水的响应

聂 艳，何新莹，谭 盈,2，蒋军新，刘新华

(1.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉 430079； 2.中国城市规划设计研究院深圳分院，广东 深圳 518000； 3.新疆维吾尔自治区塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 841000)

1 研究背景

自然植被是陆地生态系统的重要组成部分，而水则是干旱半干旱地区绿洲生态系统健康的重要基础，直接决定其生态环境演化过程[1-3]。随着全球气候变化的加剧，自然植被生态退化、生态输水及恢复响应逐步引起了国内外学者的广泛关注，合理估算自然植被的生态需水量并通过生态输水工程维持一定的供水，对维持自然植被演替及生态修复、改善干旱半干旱地区陆地生态环境具有重要的现实意义[4-7]。20世纪70年代，塔里木河道完全断流，下游地下水位显著下降，河道两岸的自然植被大面积退化并伴随较严重的土地荒漠化[8-10]。2000年开始塔里木河下游实施生态输水工程，经过近20次的连续生态输水，塔河下游胡杨、湖泊等天然生态逐步恢复；不少学者也借助遥感和定位监测数据从生物多样性、植被恢复、地下水埋深等方面定量研究了塔河下游天然生态系统恢复状况，也有学者从植被结构、生态价值、生态用水保障等方面评估了生态输水工程的效益[11-15]。阿克苏河作为塔里木河最大的来水源河，其绿洲生态系统演替是保障塔里木河生态系统健康运行的重要支撑，然而受自然和人为干扰，近年来阿克苏河流域内河道断流现象频发，湖泊和自然植被出现不同程度的萎缩， 地下水位下降，极大弱化了流域生态功能。从2017年起，阿克苏河流域开始实施生态输水工程，经过4次生态补水，流域生态环境有了一定的改善。但针对阿克苏河流域自然植被分布格局、输水响应过程的研究较少，掌握流域自然植被的时空格局变化过程、评估生态环境改善状况等，对科学指导阿克苏流域生态输水调度、引导恢复流域天然生态系统健康具有重要作用[16-18]。本文以阿克苏河流域自然植被为研究对象，结合2015—2020年高分1号、2号遥感数据和和地下水位观测数据，分析近年来阿克苏河流域自然植被的时空演变特征及生态响应规律，以期为阿克苏河流域生态输水调度优化、生态输水响应和大型生态输水工程效益评估等提供参考借鉴。

2 研究区概况

阿克苏河流域介于40°8′N—41°35′N，78°47′E—82°43′E之间，地处中国西北干旱区，具有明显的大陆性季风气候，干燥少雨，多年平均降水量约45 mm，20 m2水面蒸发量1 500 mm，水资源相对匮乏。阿克苏河流域是新疆主要的灌溉绿洲农业区，近年来受经济利益驱动，部分林草地被开垦为耕地，区内农业灌溉用水增加，生态用水被挤占，重要天然生态系统逐步退化[17-18]。新疆维吾尔族自治区于2017年首次把阿克苏河纳入塔里木河流域胡杨林重点保护区生态补水区，至2020年4年累计输水3.501 8亿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日分别向艾西曼湖输水4 160.16万、5 289.77万、5 822.76万、1 638.58万、5 373.03万m3，2019年8月21日—9月15日、2020年6月5—13日、2020年8月8—26日分别向第一师塔里木灌区边缘胡杨林输水6 553.33万、1 184.31万、4 996.15万m3；整体来看，8月份是阿克苏河流域生态输水的主要时间段，生态输水总量也逐渐增加，也是自然植被生长对水资源需求较大的时间，有利于提高水资源的利用效率。由于生态输水时间较短，流域内天然湖泊、自然植被仍处于萎缩退化状态。因此开展流域自然植被时空变化过程及生态输水响应研究，对有效开展阿克苏河流域的生态补水、维持生态系统健康具有重要现实意义。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

选取2015—2020年覆盖研究区的植被生长期内少云、可见度高、覆盖全流域的高分1号影像数据，以及部分覆盖了胡杨林集中分布的高分2号影像数据，数据来源于中国资源卫星应用中心(http:∥www.cresda.com/CN/)。应用ENVI 5.3软件对原始遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌和裁剪、图像融合等预处理，经解译获得研究区2015—2020年自然植被类型面积及空间分布。

3.2 研究方法

3.2.1 自然植被时序信息提取

本文采用CART(Classification And Regression Tree)决策树监督分类来提取自然植被信息。CART是典型的二分递归分类技术，使用Gini指标度量数据划分的不纯度，对所有属性历遍可能的分类方法，若某分类方法使节点处的Gini指标最小，则在此节点选择该分类标准。考虑每个属性上的二元划分，最后生成二叉树，因此通过样本训练CART决策树对数据集进行监督分类具有较好的效果。

基于预处理后的高分1号影像数据构建由ISODATA(Iterative self-organizing data analysis technique)非监督分类结果，蓝、绿、红、近红外4个波段以及植被生长期内(6—10月)任选3个月覆盖全流域的NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)数据集组成。使用ENVI 5.3内置的CART模型获取决策树规则并执行分类。对应用决策树规则后得到的结果进行平滑处理和聚类分析，对照影像进行局部人工修改后，利用高分2号影像选择验证样本区进行精度评价，2015—2020年地表覆被分类结果的精度较高，Kappa系数均在0.83以上，然后识别流域自然植被信息。

3.2.2 自然植被图谱分析

地学信息图谱是一种地理时空分析方法论，自然植被图谱就是各时间段内自然植被变化的空间、属性、过程一体化数据集。本文为方便进行自然植被空间数据的地图代数运算，将各种自然植被类型赋予编码，生成自然植被图谱基础数据，结合图谱单元、图谱排序表、转移矩阵表分析阿克苏河流域自然植被时空变化特征。

4 结果分析

4.1 2015—2020年自然植被变化图谱分析

借助CART建立阿克苏河流域2015—2020年地表覆被分类数据集，经编码转换生成地表覆被类型图谱数据。从2015—2020年的图谱转移来看，流域胡杨林面积和灌木面积的年际变化特征明显，流域内自然植被在2017年明显增加，胡杨林面积达到最大值，2017年之后自然植被变化相对稳定。6 a间流域自然植被面积处于增加状态，其中胡杨林面积增加了237.65 km2，灌木面积增加了784.36 km2。

2015—2020年稳定为灌木的面积有1 098.67 km2，占2020年灌木总面积的34.81%。由其他地表覆被类型转入灌木的面积共计2 057.90 km2，其中由荒漠转入灌木的面积最多，占灌木总转入面积的76.79%；其次是由胡杨林转入灌木的面积，占灌木总转入面积的10.83%。由灌木转出到其他地表覆被类型的面积共计1 273.55 km2，其中转出到胡杨林的面积最多，有483.66 km2，占灌木总转出面积的37.98%；由灌木转出到农田和荒漠的面积分别占灌木总转出面积的27.10%和26.61%。

2015—2020年，稳定为胡杨林的面积有528.20 km2，占2020年胡杨林总面积的33.23%；由其他地表覆被类型转入胡杨林的面积共计1 061.19 km2，其中由灌木转入胡杨林的面积最大，占胡杨林总转入面积的45.58%。由胡杨林转出到其他地表覆被类型的共823.54 km2，其中由胡杨林转出到农田的面积最大，有483.31 km2，占胡杨林总转出面积的58.69%；其次是由胡杨林转出到灌木，占胡杨林总转出面积的27.07%。

为进一步分析流域内自然植被空间演变特征，利用2015—2020年流域地表覆被分类结果逐像元计算、统计自然植被的时空转移分布特征。从结果来看，稳定胡杨林和稳定灌木主要分布在艾西曼湖周边的丰收三场、第一师边缘、五团边缘以及流域下游区域，由其他覆被类型转入胡杨林和灌木的情况主要围绕着稳定胡杨林和稳定灌木区域向外扩张。流域南侧和东南侧，与南部的塔克拉玛干沙漠相邻，主要是灌木转出为荒漠；由胡杨林转出到其他地表覆被类型的情况则主要分布在绿洲农业区内，以及丰收三场和流域下游的北部，在绿洲农业区内胡杨林分布零散，主要是由胡杨林转出为农田的情况，受人为因素影响较大；在五团边缘胡杨林区内和流域下游主要是由胡杨林退化为灌木的情况。灌木转出和胡杨林转出的情况主要分布在叶尔羌河南侧沿岸，而和田河沿岸分布着稳定胡杨林和胡杨林转入的情况，在第一师边缘东侧明显表现为靠近绿洲农业区为稳定灌木和灌木转入，越靠近南部沙漠越表现为灌木转出。特别是2017年以后，稳定的灌木和胡杨林分布范围明显扩大，五团边缘胡杨林区存在大片稳定胡杨林，艾西曼湖湿地和第一师边缘胡杨林区都有成片的稳定灌木，并且在第一师边缘叶尔羌河南侧存在明显的胡杨林转入的情况分布，即分布着天然胡杨林幼龄林；而和田河两侧主要分布着稳定胡杨林。艾西曼湖湿地北侧以及第一师边缘出现灌木、胡杨林生态逐步修复的趋势，明显与近年来阿克苏河流域间断性生态输水工程在艾西曼湖湿地、第一师塔里木灌区的实施有一定的相关关系，下一步可以深入研究输水区域内的生态响应过程。

4.2 自然植被重点区域的植被指数年际变化

利用2015—2020年流域地表覆被分类结果逐像元计算得到胡杨林的分布频次图(图1)。由图1可知，流域内胡杨林集中分布的区域主要有4块:流域东北方向的五团边缘胡杨林、流域南侧的艾希曼湖湿地、第一师边缘胡杨林、流域东部的下游胡杨林区。在这4个胡杨林集中分布区内，胡杨林的分布频次由中间向四周递减，中心区域的胡杨林分布频次可达到4～6次，胡杨林生长相对稳定；边缘胡杨林的分布频次低至1～2次，胡杨林生长极易遭到破坏。另外，艾西曼湖湿地也是流域内重要的自然植被分布区域，自然植被以芦苇、红柳、骆驼刺、梭梭、罗布麻等灌木为主，南侧集中分布着胡杨林。阿克苏河沿线两侧也广泛分布着胡杨林，且分布频次较高，有些地方达5～6次，胡杨林生长稳定。

图1 阿克苏河流域胡杨林频次分布

提取自然植被重点区域内2015—2020年自然植被主要生长期里(6—9月份)胡杨林和灌木的归一化植被指数NDVI平均值(表1)。表1各年份的数据显示4个自然植被重点区域的NDVI值较低，4个区域的自然植被指数的差异较小，胡杨林的NDVI在0.161～0.355的水平，灌木的NDVI值更低，其中胡杨林多年平均植被指数值最高的区域是艾希曼湖湿地，其胡杨林多年平均植被指数值为0.260，最低的区域是五团边缘胡杨林区，其胡杨林的多年平均植被指数值为0.239；灌木多年植被指数值最高的区域是流域下游胡杨林区，其灌木的多年平均植被指数值为0.176，最低的区域是五团边缘胡杨林区，其灌木的多年平均植被指数值为0.171。通过线性回归趋势拟合，4个区域植被指数的年际变化都呈现显著增加的趋势，除了流域下游胡杨林区的拟合优度较差，其他3个自然植被重点区域的回归拟合趋势的R2都在0.8以上。艾希曼湖湿地的植被指数的增加趋势最明显，且回归拟合趋势的R2在0.9以上；第一师边缘胡杨林区的增加趋势也较为明显。流域下游胡杨林区的植被指数年际波动明显，该区的胡杨林和灌木的植被指数在2019年都出现明显的下降，流域下游胡杨林区尚未实施生态输水工作，塔里木河自上游阿克苏河经三河源后流经该区域，河流对该区域水资源补给影响较大，根据阿克苏河流域来水、用水报告，阿克苏河每年向塔里木河下泻35亿m3左右，2019年阿克苏河下泄流量为29亿m3，比多年平均下泄量少17.1%左右，河流径流量的减少对流域下游胡杨林区自然植被的生长产生明显影响。

表1 2015—2020年自然植被重点区域的NDVI

4.3 自然植被重点区域的自然植被面积变化

统计4个自然植被重点区内的胡杨和灌木面积(表2)，发现2015—2020年期间，艾希曼湖湿地的胡杨林最少，面积在2017年明显增加后保持在60 km2左右，灌木面积变化特征相似，2017年明显增加并保持在200 km2左右。第一师边缘胡杨林区和流域下游胡杨林区分布的自然植被面积最大，第一师边缘胡杨林区内胡杨林面积在2015—2020年波动增加，2019年之后第一师边缘胡杨林区的胡杨林面积明显增加，灌木面积的年际变化则相对稳定，2020年达到区域灌木面积的最大值。

表2 2015—2020年自然植被重点区域的自然植被面积统计

4.4 自然植被对生态输水的响应关系

结合前述分析和当前阿克苏实施的生态输水工程，本文选择艾西曼湖湿地和第一师边缘胡杨林区，分析自然植被对生态输水的响应关系。

4.4.1 艾西曼湖湿地自然植被与输水的响应关系

提取2015—2020年艾西曼湖湿地内胡杨林、灌木月度的NDVI值，结合艾西曼湖湿地的生态输水量进行分析。结果显示:2015—2017年胡杨林和灌木的面积明显增加，并在2017年二者的面积达到最大值;2017年之后，胡杨林和灌木的面积出现小幅度的减少并趋于稳定。2017年为艾希曼湖湿地实施生态输水的第一年，自然植被的面积在2017年出现明显上升，主要是受到生态输水的影响，增加的胡杨林和灌木主要分布在生态输水实施的主要区域，即艾希曼湖湿地的北部。在2017年之后，自然植被的面积出现小幅度减少后在年际变化上趋向稳定，表明自然植被在生态输水工作实施的第二年，其范围恢复到了连年输水下的稳定水平，输水效果明显。

对比不同年份之间自然植被NDVI年均值、年最小值、年最大值的变化，艾希曼湖湿地自然植被NDVI值在2017年和2019年都出现明显上升，2019年NDVI上升幅度更大，通过胡杨林NDVI最大值的变化能够更明显地观察到这一差异，胡杨林NDVI值波动相比灌木更加明显。2017年自然植被面积明显增加但是植被指数增加不明显，主要是2017年通过生态输水恢复的自然植被属于幼龄林或新生灌木，幼龄林的NDVI值较低，而且随着第二年新生自然植被继续生长，对水资源的需求大幅度增加，在输水补充得不到充分满足的情况下，2018年自然植被NDVI值出现小幅度下降，直至自然植被适应生态输水并调整至合适的生长范围，艾希曼湖湿地的自然植被在2019年的生长状况最好。

为了进一步探究自然植被对生态输水响应的时间变化规律，分别对2017年和2020年输水前后的自然植被NDVI进行分析。艾西曼湖湿地内的胡杨林NDVI最大值在距离输水口500 m范围内存在较明显的空间分布差异，因此取距离输水口500 m范围内的自然植被NDVI值进行分析。图2显示，阿克苏地区在2017年7—8月份对艾西曼湖湿地进行生态输水，7—8月份NDVI值没有明显波动，灌木的NDVI值在8月份出现小幅度的增加但又很快下降；直至2017年10月份，胡杨林和灌木NDVI值开始明显增加并且持续至11月份，在11月份达到2017年NDVI的最大值；2020年阿克苏地区分别在6月份和8月份对艾西曼湖进行生态输水，6月份的生态输水量少于2 000万m3，NDVI值在2020年6月份仅出现了小幅度的波动，6—8月份NDVI值逐步上升，8月份再次进行输水，输水量达到5 373.03万m3，自然植被NDVI值在9月份大幅度增加。

图2 2017年和2020年输水前后艾西曼湖湿地NDVI的变化

2017年和2020年的输水模式存在差异，2017年输水总量较少，但从7月中旬至8月中旬，历时31 d在不间断地向艾西曼湖湿地输水，其输水效应的持续时间也相对较长。2020年输水总量比2017年增加了2 851.45万m3，其中6月份的输水量较小，输水仅持续了11 d；8月份的输水量较大，历时18 d，NDVI在次月就对输水产生明显的响应但持续时间较短。结合生态输水量和NDVI最大值拟合分析的结果，生态输水量、输水时长对自然植被与生态输水之间的响应都有影响，输水量与输水后NDVI最大值有着显著相关性，且输水量越大，自然植被响应的滞后时间越短；输水时长影响自然植被生长状况的稳定性，连续输水的时间越长，输水后自然植被恢复的时间也越长。

4.4.2 第一师边缘胡杨林区自然植被与输水的响应关系

相对艾希曼湖湿地，第一师边缘胡杨林区内胡杨林分布范围较广，2018年胡杨林面积为332.36 km2，2020年增加至361.37 km2；灌木面积也有所增加，2018—2020年由476.90 km2增加至488.13 km2。植被长势也有明显的恢复特征，第一师边缘胡杨林区NDVI年均值在2015—2017年逐渐增加，2018年降低，在2019年之后又明显增加，对比艾希曼湖湿地NDVI的年际变化，2020年艾希曼湖湿地的NDVI值出现小幅度下降，第一师边缘胡杨林区的NDVI值则是持续上升。

第一师边缘胡杨林区自2019年开始实施生态输水，因此仅讨论2019年与2020年区内自然植被与生态输水的响应关系。由图3可见，2019年8—9月份实施生态输水，胡杨林和灌木的NDVI值在8月份出现明显上升，但GF-1 WFV提取的2019年8月份的影像成像于2019年8月29日，对第一师边缘胡杨林区进行生态输水工作则是2019年8月21日才开始，因此8月份NDVI的上升应该不是自然植被对生态输水的响应；9月份和11月份的NDVI值都较高，但10月份出现NDVI值下降，整体上2019年生态输水与第一师边缘胡杨林自然植被长势的季节变化的关系并不明显；2020年该区域的生态输水工作分成了两个时间段，6月份对第一师边缘胡杨林输水1 184.31万m3，输水持续9 d，但相比2019年同时段，2020年6—7月份的植被NDVI均值保持在较高水平；8月份中下旬再次实施了4 996.15万m3的输水工作，2020年8月份NDVI值明显上升，之后逐渐下降，一方面是由于2020年第二次输水量较大，NDVI值出现明显上升；另一方面则是输水天数较长，持续了19 d的输水工作，输水效果持续性明显优于第一次。在年际变化和季节变化上，第一师边缘胡杨林区的自然植被对输水的反应时间比艾希曼湖湿地的短，一方面是由于第一师边缘胡杨林区两次的输水量比艾希曼湖湿地前两次的多，另一方面则是第一师边缘胡杨林区内胡杨的分布范围比艾希曼湖湿地的广泛，胡杨根部高效的用水策略促使胡杨对水分的补充反应迅速。

图3 2019年和2020年输水前后第一师边缘胡杨林区NDVI的变化

5 讨 论

根据以上对艾西曼湖湿地、第一师边缘胡杨林区自然植被与历年生态输水量和输水时间的对比分析，发现相对NDVI的年际变化，自然植被的分布面积对生态输水有较明显的响应，自然植被的分布面积在实施生态输水的第一年出现明显扩大，在输水的次年则回落到适宜的范围并趋于稳定，植被面积变化与生态输水存在1 a的滞后时间，这与前人研究结果基本一致，是自然植被对生态输水的适应过程；2015—2020年胡杨林和灌木的NDVI年最小值波动上升，胡杨林的NDVI最大值在输水后波动明显，但NDVI的年均值在年际变化上波动极小，表明区域内长势较差的自然植被在逐渐恢复，胡杨成熟林也明显恢复，但可能目前生态输水范围相对于整个区域天然生态系统来说，对自然植被恢复的作用还较小；同时由于干旱地区降水量稀少，蒸发量大，植被生长对水分变化极为敏感，区域内的降水量变化及土壤湿度等水分因子对NDVI值变化的影响不容忽视，后续研究中应将区域降水量的年际、季节变化纳入生态输水响应分析中，以提高结果的精确度。进一步分析不同距离输水口条件下，生态输水量与自然植被输水后NDVI最大值之间的相关关系，结果显示NDVI值与输水量之间显著正相关，其中胡杨林与灌木NDVI值对输水口距离、输水量的响应存在差异，胡杨林在距离输水口100～500 m范围内的NDVI值最高，灌木的NDVI值则随着与输水口的距离增加而降低，同时，胡杨林NDVI值与输水量之间的拟合关系优于灌木的，可能是由于胡杨和灌木不同的根系用水策略和适宜地下水位的差异导致。在NDVI的季度变化上，自然植被对生态输水的响应受到单次输水量和输水天数的影响，单次输水量越大、输水天数越长，自然植被的响应越明显、响应的滞后时间越短。通过艾西曼湖湿地、第一师边缘胡杨林区自然植被对生态输水的响应对比，NDVI的季节变化在区域实施生态输水的第一年与输水的响应关系并不明显，一方面是由于自然植被在输水第一年需要适应过程，另一方面则是第一年的输水量相对较少；2018年以后，除了第一师边缘胡杨林区在2020年6月份实施的小流量、短时间的输水工作后无明显变化以外，其他区域和时间实施的输水工作在实施生态输水当月，NDVI就呈现明显上升；按照输水开始时间计算，自然植被恢复的滞后时间应该在1个月之内，而单次输水量少于2 000万m3的输水效果或者输水天数少于10 d的输水效果并不明显。

6 结 论

(1)2015—2020年流域内自然植被逐步增加，胡杨林和灌木的面积分别增加237.65 km2和784.36 km2，逐年转移矩阵结果显示稳定胡杨林和灌木面积也逐步增加，覆被类型转移方向上主要表现为荒漠恢复为灌木、灌木恢复为胡杨林。2015—2020年4个自然植被重点区域的年NDVI值为上升趋势，其中艾希曼湖湿地和第一师边缘胡杨林的年NDVI值上升趋势最明显，生态输水效果初步显现。

(2)自然植被重点区生态输水与NDVI值的季节变化分析显示，生态输水对自然植被的影响受到单次输水量和输水天数的影响，单次输水量越大，自然植被的响应越明显；输水天数越长，自然植被的响应持续时间也越长。

(3)不同的自然植被对生态输水的响应特征在年际、季节以及空间上存在差异，胡杨林对生态输水的响应更加明显，响应的滞后时间更短。