塔里木河下游土地利用/覆被变化对生态输水的响应

王珊珊，王金林，周可法，汪 玮，万应彩

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆矿产资源与数字地质重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 3.中国科学院新疆矿产资源研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011； 4.中国科学院大学，北京 100049)

塔里木河是我国最长的内陆河，具有自然资源丰富和生态系统脆弱的双重性特点，是保障塔里木盆地绿洲经济、自然生态和新疆各族人民生活的生命线，同时在干旱区水资源研究方面具有代表性[1-4]。塔里木河流域属于极端干旱环境，流域内几乎所有的自然过程或人类活动都直接或间接受制于水资源的限制，因此对水资源进行全方位的观测非常必要和紧迫。目前，塔里木河下游已成为国内甚至国外研究和恢复保护的热点地区之一，引起了国内外各行各业的广泛关注[5-9]。

1972年，塔里木河道完全断流，从而导致下游地下水位显著下降，河道沿岸的天然植被大面积退化和严重的土地荒漠化[10-11]。2000年，为了下游河段沿岸的生态恢复，塔里木河实施了间歇性生态输水，使断流区域生态和环境发生了变化，土地利用/土地覆盖变化(land-use/land cover change, LUCC)也相应地产生了变化[12]。LUCC是衡量一个地区生态和环境是否可持续发展的重要指标之一，也是引起其他环境变化问题的主要原因之一，在区域环境变化和可持续发展研究中占有重要地位[13-15]。

针对不同卫星资料和辅助数据，众多学者开展了景观生态、植被监测、LUCC等研究。Kennedy等[16]应用Landsat TM/ETM+各个波段的反射率，通过回归分析方法模拟了第五波段变化，对1988—2007年乌克兰喀尔巴阡山的森林覆盖情况在人为影响的变化轨迹进行监测。Zhou等[17]结合Landsat TM、ETM+、SPOT和MSS等多时相、多源遥感数据，通过各时相LUCC变化轨迹研究基于人为因素下的LUCC的过程特征。朱长明等[18]基于2000—2017年MOD13Q1密集时序植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)数据，反演和监测塔里木河下游植被覆盖度(fractional vegetation cover, FVC)变化，探讨了塔里木河下游植被在生态输水条件下的生长和恢复情况。Liu等[19]结合Landsat TM/ETM和CBERS/CCD遥感图像，通过土壤调节植被指数(soil adjusted vegetation index, SAVI)法研究1999—2010年塔里木河下游植被恢复状况。各位学者通过稳定的、长时间序列和不同时间段的遥感影像数据，进行植被、土地利用和环境资源大范围、体系化的研究，对区域乃至全球的LUCC和生态恢复具有重要的理论和现实意义。

本文从塔里木河流域的生态输水情况出发，基于时间轨迹分析方法，以遥感影像资料和生态输水监测数据为基础信息源，采用ENVI和GIS为数据分析处理工具，分析塔里木河下游LUCC对生态输水的响应，以期为塔里木河流域水资源优化调度提供科学依据。

1 研究区概况

研究区为塔里木河下游断流地区，该区位于塔克拉玛干和库鲁克两大沙漠之间，海拔在801.50～846.25 m之间，特玛湖区为最低点(801.50 m)。塔里木河下游沿岸发育呈带状分布的干旱区荒漠河岸林，在荒漠之中形成一道著名的“绿色走廊”。本文研究区域地理位置为86°00′E～89°30′E和39°00′N～41°30′N(图1)。为了充分研究受生态输水不同影响程度的区域，本文以生态输水主河道为中心线，向两侧建立近30～50 km的缓冲带，以此作为本研究重点讨论的区域。

图1 研究区位置示意图

研究区属大陆性暖温带荒漠干旱气候，多年平均降水量仅17.4～42.0 mm，潜在年蒸发量(蒸发力)高达2 500～3 000 mm，为年降水量的79.6～166.8倍；年平均气温10.7～11.5 ℃，年较差达35.7～35.9 ℃；太阳总辐射5 692～6 360 MJ/m2，日照时数2 780～2 980 h，大于或等于10 ℃年积温为 4 100～4 300 ℃。降水量与潜在蒸发量有着强烈反差，导致该区域极度干燥，是中国最干旱地区之一。

2 研究方法

2.1 数据获取与预处理

本文获取的多景Landsat TM、ETM+和OLI遥感影像从美国地质调查局(USGS)官方网站(http://glovis.usgs.gov)免费下载。TM、ETM+和OLI遥感数据为30 m空间分辨率、包括可见光、近红外波段和短波红外波段的光谱分辨率。由于遥感影像存在仪器本身、拍摄天气和获取时间等一系列问题，根据获取的数据中的云覆盖情况、条纹噪音以及波段间的空间位置匹配情况对图像进行了筛选，并将成像日期限制在植被生长旺盛、物候特征稳定的时间阶段的影像。根据以上限制因素和对研究区的分析，分别获取于1990年和2015年夏季中旬，天气状况良好，图像轨道号分别为143/31、142/31、142/32、142/33、141/31、141/32、141/33、141/34、140/33的多景遥感影像数据。

采用图像到图像的配准方法，以2000年遥感影像图为基准，对2015年遥感影像进行几何纠正。地面控制点(GCP)主要选择道路、河流交叉口、建筑边界、远离公路的孤立植被点等；GCP每幅不少于30个，均匀分布，河道沿岸适当加密。采用二次多项式进行几何纠正，并保证了配准时的残差在一个像元以内，以达到制图精度的要求。为了便于出图，对几何纠正后的影像数据进行9幅图遥感图像的镶嵌。镶嵌时应当选择占研究区域最多面积且数据质量好的一景影像作为基准图像，其余几景影像颜色平衡到基准图像。同时，对两幅影像运用ENVI 5.3中的FLAASH模块进行了大气纠正，以消除大气对影像的影响。

2.2 LUCC信息提取

对遥感数据进行分类并提取LUCC信息时，建立一个符合研究区特点的分类体系是至关重要的。不同的分类标准和体系有可能导致LUCC分析的结果大相径庭。因此，根据研究区的地物和研究目的，选择合适的土地利用类型不仅可以有利于LUCC的监测，还可以减小分类中的误差。研究区域范围内主要有：自然植被(林地、草地和湿地)、人工用地、戈壁和沙漠等。参考中国土地资源分类系统一级分类标准[20]和依据塔里木河下游的土地利用和规划的特点，如植被高度、覆盖度、植被1 a中被水覆盖的时间和年积温等指标，将20个二级土地利用类型合并为林地、草地、耕地、湿地、人工表面及其他等6个一级土地利用单元(表1)。

表1 研究区域LUCC分类标准

通过表1分类标准，应用遥感图像处理软件ENVI 5.3对2000—2015年的研究区影像图进行监督分类，提取研究区的LUCC(图2)。其中，整体分类精确度分别为85.92%和87.21%，达到了精度要求，满足对LUCC等监测的需求。

3 结果与分析

3.1 塔里木河下游间歇性生态输水统计分析

自20世纪50年代以来，塔里木河下游受到了高强度人类活动的影响，导致植被处于衰败趋势，沙漠化越来越严重。2000年5月，新疆维吾尔自治区人民政府以拯救塔里木河下游“绿色走廊”为目的，而实施了“塔里木河下游应急生态输水工程”，并于2001年实施了“塔里木河流域近期综合治理工程”。2001年，国务院以国函【2001】74号文批准并执行共计107亿元的《塔里木河流域近期综合治理规划》项目投资，同时，世界银行针对塔里木河流域生态保护和生态恢复给予大量的贷款支持[12,21-22]。

(a) 2000年

由于遥感数据源的限制，仅采用了2000年和2015年的遥感数据进行塔里木河下游LUCC分析，考虑到选用遥感数据的时间和跨度及研究的LUCC与生态输水的关系，所以选用2000—2015年的16次输水数据进行分析研究。据塔里木河流域管理局监测数据，《塔里木河流域近期综合治理规划》项目实施以来，自2000年起实施至2015年年底已完成了16次共计21期的生态输水，输水总量已达到51.35亿m3，多次实现了双河道输水，水头多次到达台特马湖，并形成了大面积的水域(图3)。这样大规模的间歇性人工输水工程，在全国乃至全球范围内都实属罕见。

图3 塔里木河下游应急输水量年度变化

3.2 LUCC的数量特征与趋势分析

根据图2可以对16年间塔里木河下游地区的土地利用变化进行分析。表2直观展现了2000年与2015年之间的土地利用变化，可以看出林地和草地2015年比2000年分别增加了823个和1 347个像元；耕地、湿地和人工用地2015年比2000年分别减少了1 422个、736个和222个像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210个像元。

表2 2000年和2015年不同土地利用类型的变化

表3 2000—2015年LUCC转移矩阵

为了更清楚地了解和分析2000—2015年LUCC的变化，计算了2000—2015年间塔里木河下游地区LUCC的转移矩阵，结果见表3。从表3可以看出，2000—2015年塔里木河下游区域的LUCC变化不大，变化的面积为772.57 km2，总面积为16 761.03 km2，变化面积占总面积的4.61%。耕地、人工表面和湿地的面积均有不同程度的增加，分别增加了 215.71 km2(41.71%)、47.78 km2(137.63%)、122.80 km2(55.74%))；草地、林地和戈壁、裸土、沙漠等其他用地面积有所减少，分别减少了209.65 km2(31.33%)、7.87 km2(0.16%)与168.77 km2(1.63%)。

采矿场、建设用地、交通用地等人工表面迅速扩张(扩大了137.63%)，主要来源于其他用地(71.32%)、草地(17.16%)、林地(8.54%)、耕地(3.96%)以及湿地(0.58%)。湿地增加了122.80 km2(55.74%)，主要来源于林地(54.21%)、草地(33.71%)和其他用地(22.89%)。在减少的类型中，减少的草地主要用于增加耕地(56.30%)和湿地(19.75%)等土地类型。其中，人工表面所占面积并不大，由2000年34.72 km2的变为了2015年的82.49 km2，但增长速度极快。

LUCC的遥感变化检测，需要获取3方面的信息：变化的位置、变化的方向和变化的过程，其中变化位置对于生态系统的监测最为重要，有助于分析和解释变化的原因。在驱动因子明确的情况下，变化过程研究有利于揭示LUCC对生态、环境改变和人类干预的响应，有利于揭示LUCC变化趋势。

对2000年和2015年的土地利用分类图进行叠加分析，得到了2000—2015年塔里木河下游LUCC分布图，如图4所示。八十桥附近(86°17′48″E，41°12′9.69″N)有一块草地变为了林地。恰拉水库附近，河道沿岸区域2000年的LUCC为草地林地，2015年的土地类型变为了湿地和农田。2000年大西海子水库附近的草地，2015年大部分变为了湿地，小部分变为了林地。在琼达里亚什克附近(88°15′49″E，39°29′46″N)由2000年的戈壁、裸土、沙漠等其他用地，变为了2015年的林地和湿地。在研究区的最南边的若羌县(88°16′15″E，39°3′3.9″N)内有一块条带状的2000年的草地，2015年变为了耕地。

此外，LUCC主要发生在塔里木河下游区域的河道两旁，主要分布在河水漫溢、滞留区，说明河水漫溢可以促进局部植被的恢复。转变类型主要是草地类型变化为湿地和耕地类型，土地利用变化呈现出破碎化、不规则化和复杂化的趋势。

图4 2000—2015年塔里木河下游LUCC分布

3.3 植被面积变化与生态输水的响应

2000年5月至2015年11月共计16次、1 670 d的51.35亿m3间歇性生态输水，使植被面积总体上呈增加趋势，2015年较2000年植被面积增加382.85 km2；人工表面也呈现增加趋势，2015年较2000年增加面积为356.10 km2；戈壁、裸土、沙漠等其他用地面积有所下降，减少了738.95 km2。

研究表明，输水效益的呈现是一个长达数年的过程，正如输水前植被退化过程很迟缓一样，下游植被的生态响应和地下水的响应在一个大的空间、时间尺度上将是逐渐呈现出来的[18,23-24]。各年植被面积与其前一年的生态输水累积量呈正相关关系，植被面积随生态输水的增加而增加，但是植被面积的增加滞后1 a，也就是说植被面积对生态输水的响应有1 a的滞后期。2014年6月的输水仅9 d，输水量727万m3；2015年的输水主要在秋季进行，此时已经错过了植被的生长旺季。这将影响2015年的当年植被面积，然而秋季的生态输水将主要通过补给地下水，对2016年植被的生长产生影响。因此，植被面积的变化受多种因素影响，如当年的气候、输水量、输水天数、输水时间、输水的平均速度和人为因素等。研究还表明塔里木河下游地下水的主要补给来源为河道径流以垂向和侧向的方式补给，地下水波动幅度随距离的增加在纵横两个方向上均逐步减缓[1,6,25]。通过遥感解译和野外监测，可以看出生态输水使得塔里木河下游的浅层地下水位有所升高，地表植被的物种数目和丰富度逐渐增加，如猪毛菜、白刺、骆驼刺、芦苇、沙枣、甘草等植物区域性出现，一些耐旱的乔灌木也慢慢恢复，植被群落生物多样性得到逐渐恢复。同时，人工表面呈现增加趋势，戈壁、裸土、沙漠等其他用地的面积大幅度下降，也表明了2000年以来塔里木河下游区域受到人类活动的影响越来越多，人为因素的作用也越来越强。但从2000—2015年LUCC与生态输水的响应来看，植被的增加和恢复仍然主要集中在部分区域，还没有达到恢复和重建塔里木河下游生态和环境的总体目标。同时，遥感数据的时相要与LUCC的时间特征相协调，才能够有效检测变化的特征[26-27]。本研究由于遥感数据源的限制，仅用2000—2015年的2个时相数据来说明植被面积与生态输水量之间的相关性，可能不够充分，但仍具有启示意义。

要完成大规模塔里木河下游生态恢复，必须采取有针对性的输水方式，使输水效益和输水配置达到最大化和最优化[6,28]。根据2000—2015年的生态输水实践和积累的经验，知道必须结合水情来调节河水漫溢的次数、干扰的强度和输水时间。首先，采用相比于自然状态河水漫溢更为灵活的方式：枯水期时，以线状输水为主；丰水期时，增加汊河和面状输水，扩大地下水的补给范围，这将避免自然状态下河水集中耗散的问题。其次，利用水库调度功能合理调控输水时段，选择每年4—5月、8—10月为主要输水时间。草甸植被恢复采用间歇机动式水量调度，而林、灌、草植被生态系统的恢复以水量量级分配、断面流量和总量控制等方式进行水量调度。同时，要加强塔河流域的监测、监控和水资源统一调控设施、体制的完善。要促进塔河流域水资源和生态环境可持续发展，仍需要长期坚持不懈的努力。

4 结 论

从变化趋势看，研究区在2000—2015年间，林地和草地分别增加了823个和1 347个像元；耕地、湿地和人工用地分别减少了1 422个、736个和 222个像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210个像元，其中植被的转变占优势，并引起植被面积扩大。植被面积总体上呈增加趋势，2015年较2000年净增植被面积382.85 km2；人工表面也呈增加趋势，2015年较2000年净增356.10 km2；其他用地的面积共计减少了738.95 km2。输水过程中，植被面积总体上呈扩大趋势，但植被总面积的扩大对生态输水有1 a的滞后。LUCC主要发生在塔里木河下游区域的河水漫溢、滞留区，说明河水漫溢可以促进局部植被的恢复，主要为草地类型变化为湿地和耕地类型，变化趋势呈现出破碎化、不规则化和复杂化的趋势。塔里木河下游LUCC除影响该地区地下水、微气候、自然植被覆盖、野生动物分布等自然环境外，还将对该地区的人类生活方式和生活水平产生重大和深远的影响。