1977—2020 年额济纳胡杨林植被变化特征及其影响因子分析

汤永康，郭春燕，孙小龙，王 佳，韩旭日，刘 洋

（1.内蒙古气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；2.阿拉善盟气象局，内蒙古 阿拉善 750300；3.内蒙古气象服务中心，内蒙古 呼和浩特 010051；4.内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051；5.内蒙古气象干部培训学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

胡杨（Populus euphratica）属杨柳科杨属植物，是第三纪以来形成的古地中海成分植物种，中亚荒漠区分布最广的乔木树种之一，是我国首批确定的388 种珍稀濒危植物中的渐危种之一[1]。因胡杨特殊的生理特性，使其对干旱、盐碱、高温等具有很强的适应能力，是能在干旱荒漠区形成大面积森林的主要乔木树种[2-4]。根据记载，1996 年全球胡杨林总面积约64.8 万hm2，其中2/3 分布在中国[5-6]。额济纳旗分布的胡杨林为世界三大原始胡杨林之一，也是中国第二大荒漠地区胡杨林分布区。作为阿拉善荒漠河岸森林群系的优势种，胡杨林对于本地区生物多样性维持、水源涵养、水土保持、防风固沙、气候调节等生态功能具有重要意义[7-8]。

由于黑河流域人口压力不断增加，过度放牧和滥砍滥伐现象频繁，以及黑河上游兴修水利工程、拦坝截留，使得下泄水量锐减。21 世纪前，东居延海时干时续，自1961 年来出现干涸9 次（1961、1962、1963、1973、1980、1986、1990、1991、1992 年），成为间歇性湖泊，形成下游额济纳绿洲面积急剧萎缩的负面生态效应。据记载，20 世纪50 年代额济纳旗东、西居延海存有胡杨林5.0 万hm2，至1990 年仅残存一半，而病腐木面积占据胡杨林总面积的60%，绿洲面积从69.4 万hm2锐减至33.3 万hm2，草本植物减少了100 余种[9]。额济纳荒漠绿洲防风固沙功能衰退，致使额济纳地区成为主要的沙尘源，最终在1993—1995 年接连发生三次特大沙尘暴，给沿途的阿拉善、河套平原等地造成巨大的损失[7-8]。

2001 年以后，国务院对黑河水源统一调度，内蒙古自治区也出台了额济纳胡杨林相关保护条例[10]。至2020 年，东居延海已连续16 a 不干涸，较2010 年，黑河沿岸绿洲面积增加2.0 万hm2[9]以上。

胡杨作为额济纳绿洲的优势植物，在平衡绿洲生态健康中，发挥着重要作用[11]。王心源等[12]利用Landsat TM 遥感图像和GIS 技术监测了额济纳绿洲1986、1992、2000 年生态环境变化，发现15 a 来，绿洲面积减少了61.5%。张武文等[13]分析认为减少黑河给水会引发额济纳平原主要浅层地下水及地表生态效应的恶性循环。高润宏等[14]通过对额济纳旗胡杨林和生物多样性调查，得出胡杨林发育过程中表现出种间自疏和异种排斥的结论。李军等[15]发现胡杨种群中，大树、成年树占绝对优势，不利于种群的延续。

诸多学者对额济纳绿洲以及胡杨群落的更新等方面做了大量研究，但是聚焦生态供水、使用遥感技术监测黑河水源调配前后绿洲面积、植被以及胡杨林种群时空变化却鲜有报道。因此，基于额济纳绿洲长时间序列动态变化，分析气候变化和人为生态调水对绿洲的影响反馈，对于进一步明确制约绿洲生态系统健康发展的关键因素，加强绿洲保护具有重要的科学意义。

1 材料与方法

研究区位于内蒙古自治区西部荒漠（100°55′～101°19′E，41°47′～42°20′N），黑河流域下游，属温带大陆性气候（图1）。平均海拔在900 m 左右，地势平坦，高差较小。绿洲北部为阿尔泰山脉，东南部紧邻巴丹吉林沙漠。额济纳地区极度干旱，年均降雨量36.0 mm（1977—2020 年），蒸发量为3 248.7 mm，年均气温为9.5 ℃，最高气温为42.2 ℃，最低气温为-36.4 ℃，年均风速为4.2 m/s。土壤类型主要有沿河阶地和封闭洼地的林灌草甸土、潮土，以及戈壁和居延海湖盆中的灰棕漠土、盐碱土。额济纳绿洲景观树种以胡杨（Populus euphratica）和沙枣（Elaeagnus angustifolia）疏林为主。胡杨林主要分布在东河达来呼布镇和苏泊淖尔苏木，其林下有红柳（Tamarix ramosissima）、盐穗木（Halostachys caspica）、白刺（Nitraria tangutorum）等灌丛，以及苦豆子（Sophora alopecuroides）、芨芨草（Achnatherum splendens）、碱蓬（Suaeda glauca）、赖草（Leymus secalinus）等草本植物，镶嵌构成了额济纳绿洲景观[2]。

图1 研究区范围

2 数据与方法

2.1 数据

通过地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn）以及美国国家航空航天数据中心（https：//earthexplorer.usgs.gov）收集研究区1977、1986、1990、1991—2010、2015、2020 年5—10 月的Landsat 系列遥感数据集，去掉研究区云层覆盖的遥感影像，保留晴空的Landsat 卫星MSS、TM、OLI 数据。气象数据采用额济纳国家基准气候站（1959 年建站）同期的平均气温、降水量、日照时数的月值数据。水文资料采用1990—2010 年黑河生态调水前后正义峡的年径流量和额济纳绿洲地下水深度资料，综合研究气温、降水、日照、生态调水4 个环境因素对额济纳绿洲的影响。

2.2 研究方法

2.2.1 胡杨林面积提取与精度验证

Landsat 是多光谱陆地卫星，不同波段组合反应的地物信息不同。为使波段组合反应的目标信息量最多，采用最佳指数因子（OIF）分析法来实现目视解译胡杨林的波段组合进行最优评价[16]。该方法通过计算影像各波段的标准差和相关系数确定组合。相关系数越小，方差越大，说明波段组合后反映的信息越多。

式中：n 为波段数，Si为波段i 的标准差，Rij为i 波段和j 波段之间的相关系数。

由表1～3 可知，绿色波段、红波段与近红外波段组合OIF 值最高，达696.45，说明该波段组合包含信息量最大，因此采用该波段组合方式显示图像。

表1 TM 影像各波段标准差

表2 TM 影像各波段相关系数

表3 TM 影像各波段组合OIF 值

为提高额济纳绿洲胡杨林遥感图像提取的精度，对图像中地物的分类方法采用监督分类、野外调查和文献资料查阅三者结合。首先，挑选8 月下旬—9 月下旬胡杨林生长最旺盛时期且无云雾遮挡的图像，按照农田、胡杨林、城市、水体、未利用土地（沙漠、戈壁）5 种类型，从相应地物类型的纯像元中分别绘制20～45 个训练区，使用支持向量机算法进行监督分类运算（图2）。根据2020 年实地调查建立的农田、胡杨林、水体等解译标志及图像特征，把现场调查的对象作为真实信息，通过混淆矩阵检验监督分类结果准确性，得到的Kappa 系数为0.845，解译精度满足本文需求。根据前人调查结果和资料记载，对1977、1986、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年图像中提取的胡杨林面积进行复核（表4）。

表4 胡杨林面积遥感提取与文献记载对比

图2 解译标志（a 为农田，边界清晰，图像灰度值均匀；b 为胡杨，分布成片，图像灰度值不均，忽亮忽暗；c 为城镇，聚集，边界清晰，城镇道路规则；d 为水体，纹理呈网状，色调蓝黑，光谱特征明显；e 为未利用土地，植被稀疏，纹理不规则）

2.2.2 植被指数

采用归一化植被指数（NDVI）进行额济纳绿洲植被变化特征分析[21-22]。计算公式为：

式中：RNIR为近红外波段，RRed为红光波段。

分 别 计 算 研 究 区1977、1986、1990、1991—2010、2015、2020 年5—10 月各月和各年NDVI 值。Landsat 时间分辨率为16 d，将月内收集的2 期影像的 NDVI 通过最大值合成（Maximum value Composites）形成逐月NDVI 值，来消除月内云覆盖对研究区噪声的影响。如月内仅有1 期影像可用，可将此影像的NDVI 值作为该月NDVI 值处理。若月内影像计算出的NDVI 值，因云、雾、沙尘暴等干扰而异常时，则将该月NDVI 值作为空值对待。年NDVI 值由月NDVI 值通过算数平均法求得。由于额济纳绿洲周边植被稀疏，本文将NDVI≥0.1 的像元作为植被区，而将NDVI<0.1 的区域视为裸地[23-24]。

结合儒略日（DOY）计算年内NDVI 最大值出现的时间。根据植被生长规律，通过拟合儒略日NDVI的曲线特征求其一阶导数，并令其一阶导数等于零（y′=0），可求得NDVI 在1 年中达到最大值的儒略日。

2.2.3 1977—2020 年生长季气候变化及其与NDVI相关性检验

1977—2020年研究区月气温和月降水变化基本一致，高值主要集中于7—9 月。近44 年5—10 月各月气温均不同程度升高。增幅最高的是7 月，其次是5 月。5—8 月的月降水量均不同程度减少，9—10 月的降水量略有增加。5、7、9 月日照时数也不同程度减少，6、10 月的日照时数有所增加。整体上，1977—2020 年生长季的降水量和日照时数呈减小趋势（表5）。

表5 1977—2020 年5—10 月气温和降水变化趋势及分布概率

将1977—2020 年5—10 月的NDVI 值与月降水量、月平均气温、月日照时数进行一阶偏相关分析，分别检验NDVI 值与气象要素的相关性。因数据连续性要求，使用相同的方法检验1990—2010 年NDVI 值与生长季降水量、平均气温、日照时数，以及年降水量、年平均气温、年日照时数、正义峡径流量的相关性。

3 结果分析

3.1 1977—2020 年额济纳绿洲胡杨林时空变化

44 年来，额济纳绿洲胡杨林面积大致经历了降低（1977—1990 年）—升高（1990—2020 年）的变化。总体上胡杨林景观得到了有效的恢复，面积由1977年的1.14 万hm2恢复至2020 年的2.99 万hm2（表4）。1990 年胡杨林面积为1.03 万hm2，为监测时段的最低值，而2010 年胡杨林面积为3.41 万hm2，达到监测时段峰值。

空间上，达来呼布镇胡杨林集中分布在东西河三角洲及东河东岸；苏泊淖尔苏木胡杨林面积小于达来呼布镇，也主要分布于此。黑河多次断流造成西居延海几近干涸，东居延海面积锐减，干涸的裸露地表变成了盐碱滩，不适宜胡杨生长。生态调水后，三角洲胡杨林有所恢复，但河东岸恢复不明显，多呈零星分布，成片区域较少（图3）。

图3 1977—2020 年额济纳胡杨林面积（a、b、c、d 分别为1977、1995、2005、2015 年，单位：hm2）

3.2 绿洲NDVI 年际动态特征

1977—2020年额济纳绿洲NDVI 值呈现显著增加的趋势（图4），从最低值0.129 7（1993 年）逐步增长至0.192 7（2020 年），NDVI 值平均增速为0.012/10 a（R2=0.408 4，P<0.01）。在实施生态调水前（2001 年前），胡杨林NDVI 值波动中缓慢增长，增速为0.000 6/10 a（R2=0.000 9，P=0.766）。 2001 年后实施生态调水，绿洲植被恢复明显；NDVI 值增速达0.027/10 a（R2=0.749 3，P<0.01），是近44 年平均增速的2 倍、生态调水前增速的45 倍。

图4 1977—2020 年研究区NDVI 值变化

3.3 绿洲NDVI 值年内变化特征

将1977—2020 年各儒略日（DOY）NDVI 值做散点图并进行曲线拟合（图5），显示研究区NDVI值存在极显著的单峰型季节变化特征（P<0.01），R2为0.342，在DOY 为209 d（7 月28 日前后）时达到最大。

图5 额济纳绿洲平均NDVI 值季节变化特征

3.4 额济纳绿洲NDVI 动态特征及其影响因子分析

3.4.1 气候因子对额济纳绿洲NDVI 的影响

额济纳胡杨林植被和NDVI 的季节变化特征主要受当地环境因子的影响。116 个有效值中（图6），有16 个分布在月平均气温0～15 ℃，占总数的13.8%；15～25 ℃的占50.9%，＞25 ℃的不足35.3%。虽然NDVI 值与月平均气温极显著正相关，一阶偏相关系数为0.463（P<0.001），但由于在生长季初期即达到较高的温度（5 月平均气温为19.6 ℃，不能说明气温是影响额济纳绿洲植被变化的决定性因素。有88 个NDVI 观测值分布在0～10 mm 月降水量范围，占遥感图像总数的75.9%。看似研究区植被适应了干旱少雨的生存环境，但月降水量与月NDVI 值的一阶偏相关系数仅为0.064，未通过显著性检验（P=0.498）。月NDVI 与月日照时数呈随机分布，且相关系数为-0.192（P=0.061）。说明降水量和日照时数均不是制约额济纳绿洲发展的因素。

图6 1977—2020 年月NDVI和月均温（a）、月降水量（b）、月日照时数（c）散点

3.4.2 生态调水对额济纳绿洲生态功能的影响

对比1990—2010 年黑河生态调水前后额济纳绿洲裸地面积、植被覆盖度、地下水深度变化，结果显示：2001 年以前未统一实施生态调水，正义峡年径流量年际波动较大。受绿洲人为扰动（放牧、灌溉农田）影响，其地下水水位明显下降、NDVI 值减小，裸地面积增加。1990—2000 年正义峡年均径流量为7.37 亿m3，研究区地下水深度平均在2.69 m，NDVI平均值为0.146，平均裸地面积为12.63 万hm2。在2001 年实施生态调水后，正义峡年径流量增加，年均径流量为10.41 亿m3。绿洲地下水水位抬升至2.31 m，NDVI 值增加至0.157，裸地面积减小至12.46 万hm2[25-26]。偏相关检验结果显示，年NDVI 值与正义峡径流量相关系数为0.437（P=0.040），呈显著正相关；而年NDVI 值与生长季降水量、平均气温、日照时数、年降水量、年平均气温、年日照时数的相关性均不显著（偏相关系数分别为0.334，-0.043，0.275，-0.342，0.123，0.134；显著性检验系数P＞0.05）。

4 讨论

4.1 影响胡杨林植被变化的因素

额济纳胡杨林月NDVI 值与月平均气温呈显著正相关，与降水相关性不显著。这与Liang 等[27]和何金苹等[28]的研究结果相一致：认为在气候干旱的河流流域一带，充沛的河流水域补给使NDVI 对温度的响应较为敏感。但是与王玮等[29]研究结果显示阿拉善北部植被稀疏，NDVI 与气温呈负相关结论不一致。这主要是因为研究区处较高寒地区，实际气温与最适温度相近，气温对胡杨林植被生长的限制作用十分微弱[30]。同时，西北干旱地区气候趋于暖湿化，可能触发了气候与生态系统之间的耦合机制，造成气温与NDVI 之间产生了伪关系。在干旱地区，植被从土壤中吸收的水分主要源于降水，而植被对降水的响应具有滞后性。额济纳旗年平均降水量仅为36 mm，不足地下水补给的1/6[31]。可是年蒸发量却超过3 000 mm，绿洲植被对降水的依赖性十分有限。此外，额济纳绿洲由于黑河水源补给，解除了植被生长中水分的限制。本文中，绿洲年NDVI 值与正义峡年径流量显著正相关，与其他气候因子相关性不显著，与纪树志[32]得出极旱荒漠区湿地植被主要依赖于上游河流补给的结论相同。因此，气候因素不是胡杨林植被生长的主要限制性因子，生态调水却使额济纳胡杨林植被生长得到显著改善。

本文分析了2001 年实施黑河生态调水工程前、后2 个时段NDVI 的变化趋势，研究区裸地面积、地下水深度、上游来水量情况，以及NDVI 与几个环境因素的相关性。结果表明：2001 年以前，为大力发展种植业，上中游河段采取新建蓄水设施及人工开采抽取地下水的方式灌溉农田，导致黑河下游水泄量减少和地下水系统储量减少、地下水下沉，致使额济纳绿洲生态系统衰退。2001 年后，黑河水源被统一调配，保障下游水源供给，额济纳绿洲植被得以恢复。研究区NDVI 不断升高，裸地面积不断减少。在这20 年，NDVI 值与正义峡径流量显著正相关，而与其他气候因素相关性不显著，证明黑河生态调水是研究区植被繁茂的主要因素，这与白福等的研究结论[31，33-35]一致。此外，胡杨是沙漠河岸防护林，也是沙漠绿洲的优势树种，胡杨具有傍水而生的特性，因此形成了增加的胡杨主要分布在靠近黑河河道和原胡杨林片区边缘的时空变化格局[12，27，36]。

有一些研究发现，额济纳绿洲植被并没有出现随着水资源补给而自然恢复好转的趋势[37]。水虽然是额济纳绿洲植被存活的关键因素之一，但恢复胡杨林生态还要充分考虑其生态演替以及恢复过程中的繁殖特性[38]。

4.2 胡杨林植被信息提取的不足及改进方法

使用监督分类法对研究区进行分类，进而提取胡杨林面积，并通过现场调查和查阅资料对提取结果精度进行验证。Kappa 系数以及表4 中1986、1990、2020 年提取面积与文献记载较小的出入，证明了结果的可信度，但也存在将成片灌丛误判成胡杨林训练样本并进行计算的可能。干旱区植被进化形成了与环境相适应的生存策略，如叶片角质层泛白、被毛等减少强光照射。遥感影像上的荒漠植被波谱往往不具备湿润区健康绿色植被明显的吸收波谷和反射峰的数据，使得图像信息提取的精度受到影响。此外，2000、2010 年提取结果与真实结果存在较大的差异，是由于资料文献中将额济纳旗黑河下游三角洲中心的东、西两河流域及其19 条干支流的河漫滩的胡杨林面积全部纳入统计。所以描述的研究范围不同，势必造成结果上较大的差异[19-20]。

今后在开展类似工作时，可以通过地面调查、高分辨率影像和优化分类算法相结合的方式，提高分类的准确性。

5 结论

（1）到2020 年，额济纳旗居延海胡杨林面积为2.99 万hm2，主要分布于东西河三角洲和东河东岸上。1977—2020 年胡杨林面积和NDVI 值均有升高趋势，其中胡杨林面积呈先降低后升高的变化趋势（拐点为1990 年），NDVI 呈现显著增加的趋势（0.012/10 a，R2=0.408 4，P<0.01）。尤其是2001 年实施生态调水后，正义峡年均径流量由补水前（1990—2000 年）的7.37 亿m3增加至补水后（2001—2010年）的10.41 亿m3，地下水深度由2.69 m 升至2.31 m，胡杨林景观总体上得到了有效的恢复，NDVI 均值由1990—2000 年的0.146 增加至2001—2010 年的0.157，裸地平均面积由12.63 万hm2减少至12.46万hm2。因此，在后续对胡杨林保护的过程中，需重点关注水源补给。

（2）额济纳居延海胡杨林植被生长主要依赖的是黑河给水。实施黑河生态调水与胡杨林景观生态功能得到改善的时间点同步，并且绿洲NDVI 与正义峡径流量显著正相关，相关系数为0.437（P=0.040）。此外，虽然月平均气温与月NDVI 显著相关（偏相关系数为0.463，P<0.01），降水、日照时数与NDVI 相关性不强（偏相关系数为0.146，P＞0.05），但年NDVI 与生长季和年际平均气温、降水、日照时数均无显著相关性，也说明额济纳旗生长季高温、少雨，少降水和强蒸发造成了植被水分吸收和流失的极端不平衡性。此外，本文未开展物候实验，尚缺乏足够证据，证明究竟是NDVI 对气温存在正反馈效应，亦或是植被生长的实际温度和适宜温度接近，引发它们之间出现了假相关。