基于遥感的塔里木河下游地下水埋深对植被覆盖的影响

希尔艾力·艾尔肯，孙与襄,2，刘强，麦麦提吐逊·麦麦提，马合木江·艾合买提,*，依尔帕尼江·阿布力米提

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆新华水电投资股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830052；3.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000；4.新疆喀什市水利局，新疆 喀什 844000）

植被作为生态环境中最直观的表征特征，不仅在衡量生态环境变化中起着“指示器”作用，更能对区域的生态安全和绿色发展产生重要影响，对评价植被生长状态具有重要的现实意义。植被覆盖度作为量化植被状态的基本特征量，成为国内的研究热点[1-3]。新疆属于内陆干旱地区，降水稀少、蒸发量大，地下水对植被生长和区域生态环境具有至关重要的作用。自2000年开始，通过对塔里木河下游进行生态输水，抬升流域内地下水位，修复其脆弱的生态环境。邓铭江[4]等提出当地下水埋深约为4 m时，适宜胡杨等根系植物的生长，当地下水埋深超过8.5 m时，不适宜植被生存。杨鹏年[5]等提出年输水量维持在2.7×108m3以上，地下水埋深才能适宜流域内植被生长。如何改善流域内植被状况和生态系统，动态分析地下水变化，探究地下水和植被覆盖度的关系，确定最佳的地下水埋深和生态输水方式，成为重要的科学和现实问题[6-8]。遥感作为重要的对地观测技术，相较于传统植被监测方法，具有覆盖范围广、时间序列性强、成本低等优势，在研究大区域植被覆盖度动态监测方面具有突出优势[9]。

本文以塔里木河下游绿洲（以下简称塔河绿洲）为研究对象，基于英苏里、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻、库尔干5个断面8 a的年均地下水位埋深实测数据，结合2001年和2017年7—10月的Landsat TM数据处理结果，定量分析了塔河绿洲地下水埋深对植被覆盖度的影响。

1 研究区概况

研究区位于新疆塔河绿洲西海子水库到台特玛湖之间（87°30'～88°20'E、39°20'～40°40'N），全长约428 km，东侧为库鲁克沙漠，西侧为塔克拉玛干沙漠，形成隔断两大沙漠的重要绿色走廊，对区域生态文明建设、绿色发展至关重要（图1）。塔里木河下游具有典型的极端干旱温带大陆性气候特征，气候干燥（年均降水量为17.4～42.0 mm、蒸发量为2 500～3 000 mm），冬寒夏热（年均气温为10.7～11.5℃），日照时间充足（年均日照时间为2 780～2 980 h），多为大风天气（年平均风速为17～35 m/s）。由于远离海洋并被高山环绕，整个研究区降水稀少，自然降水不能有效补给地下水，生态环境非常脆弱，属于典型的干旱少水地区。塔里木河下游区域海拔变化不大，主要在800～850 m之间，自西北向东南方向有下降趋势，河道两侧形成了以胡杨等乔木，柽柳、铃铛刺、白刺等灌木以及芦苇、罗布麻、骆驼刺等草本植物为主的天然绿色屏障。

图1 研究区位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

1）数据来源。本文采用的地下水监测资料为2001年和2017年英苏里、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻、库尔干5个河道水文断面43眼监测井地下水位埋深实测数据；采用的遥感数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）的Landsat系列影像，为实现可比性，选取2001年和2017年7—10月的Landsat TM数据，均为塔里木河丰水期，植被覆盖度高，云覆盖率＜5%，图像分辨率为30 m，每景覆盖范围为185 km×185 km，条带号/行编号分别为141/032、141/033和142/032。

2）遥感影像预处理。首先利用ENVI 5.5软件对研究区遥感影像进行辐射定标和FLAASH大气校正，以消除大气和光照等因素对地物反射的影响；然后对3景影像进行影像镶嵌和研究区裁剪等处理，获取研究区完整的遥感影像；再利用ENVI 5.5软件的波段计算器工具，通过近红外波段（NIR，0.76～0.96 μm）和可见光红波段（RED，0.62～0.69 μm）计算得到研究区各像元的归一化植被指数（NDVI），NDVI=(BNIR-BRED)/(BNIR+BRED)；最后通过异常值计算公式，将大于1的NDVI值归为1，小于-1的NDVI值归为-1，得到去除异常值的NDVI遥感影像。

2.2 基于NDVI的植被覆盖度计算方法

植被覆盖度变化和NDVI变化具有很强的线性相关性，通常可通过NDVI值直接提取植被覆盖度。本文采用基于NDVI的像元二分模型估算植被覆盖度，计算公式为：

在实际应用中，将NDVI值小于NDVImin区域的FVC取值为0；NDVI值大于NDVImax区域的FVC取值为1；介于二者之间的像元分别利用NDVImin和NDVImax代替NDVIsoil和NDVIveg，再利用式（1）进行计算。NDVImin和NDVImax的取值是利用像元二分模型计算植被覆盖度的关键[10]，本文以5%和95%作为NDVImin和NDVImax。

2.3 影像差值法

为反映研究区植被覆盖度和地下水埋深的动态变化，本文对不同时期的影像数据进行差值计算，获取植被覆盖度变化ΔF和地下水埋深变化ΔW。其计算公式为：

式中，F2017、F2001分别为2017年和2001年的植被覆盖度；W2017、W2001分别为2017年和2001年的地下水埋深。

本文将ΔF分为严重退化（-1～-0.4）、一般退化（-0.4～-0.15）、基本稳定（-0.15～0.15）、一般改善（0.15～0.4）、明显改善（0.4～1）5个等级；将ΔW分为下降（＜-0.5）、基本不变（-0.5～0.5）、轻微上升（0.5～2）、明显上升（＞2）4个等级。

2.4 地下水埋深与植被覆盖度的相关性计算

通过相关性分析可研究两个特定变量之间的相互关系[11-12]，为了研究地下水埋深对植被覆盖度的影响，本文以像元为计算单元，利用ArcGIS 10.5的栅格计算器计算得到2001—2017年植被覆盖度变化和地下水埋深变化的相关系数，计算公式为：

式中，xi为2001年和2017年的植被覆盖度；yi为2001年和2017年的地下水埋深；xˉ为这两年植被覆盖度的平均值；yˉ为这两年地下水埋深的平均值。

3 研究结果与分析

3.1 植被覆盖度空间分布特征与变化趋势

基于NDVI像元二分模型和Landsat TM/OLI遥感影像数据，本文利用ENVI 5.3计算得到塔河绿洲两个时期的植被覆盖度，并通过传统分割法将植被覆盖度结果分为5个等级：裸地（0～0.2）、低植被覆盖（0.2～0.3）、中低植被覆盖（0.3～0.45）、中植被覆盖（0.45～0.6）和高植被覆盖（0.6～1）。2001年和2017年的植被覆盖度空间分布如图2所示，可以看出，塔河绿洲植被覆盖总体以塔里木河下游段为轴线，从高植被覆盖到低植被覆盖向外分布；高植被覆盖主要集中于34团与35团部、大西海子水库与台特玛湖周围，呈大面积片状分布，其余植被覆盖等级集中在高植被覆盖外围以及河流两岸。

图2 塔河绿洲不同时期植被覆盖度分级对比图

本文利用塔河绿洲矢量边界掩模统计得到塔河绿洲不同等级植被覆盖面积和NDVI均值的变化。结果表明，塔河绿洲植被覆盖总面积和NDVI均值均呈增加趋势，植被覆盖总面积由2001年的779.9 km2增至2017年的884.0 km2，增幅为13.3%。从不同覆盖等级来看，高植被覆盖面积由147.1 km2增至267.9 km2，增幅为82.2%；中、中低植被覆盖面积均呈增加趋势，分别增加了61.6 km2和130.8 km2，增幅分别为128.3%和131.5%；低植被覆盖和裸地面积均呈减少趋势，分别减少了209.2 km2和104.1 km2，降幅分别为43.1%和5.7%。通过对比可知，在不同植被覆盖变化中，中低植被覆盖面积增加最显著，低植被覆盖面积在绿洲总植被覆盖面积中的比重最大，高、中、中低和低植被覆盖面积在两个时期占总植被覆盖面积的比重分别为18.9%、30.3%，6.2%、12.4%，12.8%、26.0%，62.2%、31.2%，说明高、中、中低植被覆盖区域占比显著上升，低植被覆盖区域占比显著下降。

3.2 植被覆盖空间变化特征

为揭示塔河绿洲植被覆盖动态变化，本文采用影像差值法计算了2001—2017年绿洲植被覆盖的绝对变化，差值为正表示植被覆盖面积增加，差值为负表示植被覆盖面积减少。2001—2017年植被覆盖绝对变化空间分布如图3所示，可以看出，塔河绿洲34团与35团部、大西海子水库与台特玛湖周围变化较明显；2001—2017年严重退化、一般退化、基本稳定、一般改善、明显改善的区域面积分别为14.93 km2、137.40 km2、2 121.91 km2、199.08 km2和133.25 km2，分别占总面积的0.57%、5.27%、81.41%、7.64%和5.11%。

图3 2001—2017年植被覆盖绝对变化空间分布

3.3 地下水埋深变化对植被覆盖度变化的影响

为了与塔河绿洲植被覆盖度资料相对应，本文选取2001年和2017年英苏里、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻、库尔干5个河道水温断面43眼监测井地下水位埋深实测数据，利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5软件对地下水埋深数据进行插值，并使地下水埋深分布图与植被覆盖度分布图的像元大小一致，分别得到2001年和2017年地下水埋深空间分布图（图4），可以看出，2001年英苏、老英苏、博孜库勒、台特马湖、库尔干等区域的地下水埋深较浅，到2017年该区域周围地下水位开始上升，并向周围扩大。2001年和2017年地下水埋深从低到高（h＜2 m、2 m＜h＜3 m、3 m＜h＜4 m、4 m＜h＜5 m、5 m＜h＜6 m、6 m＜h）区域对应的面积分别为97.44 km2、398.11 km2、356.29 km2、492.01 km2、407.80 km2、852.22 km2和278.95 km2、286.44 km2、392.52 km2、479.02 km2、432.27 km2、734.66 km2。地下水埋深从低到高级别面积变化量分别为181.52 km2、-111.67 km2、36.23 km2、-12.99 km2、24.47 km2和-117.55 km2，变幅分别为186.29%、28.05%、10.17%、-2.64%、6.00%和-13.79%。

图4 2001年与2017年地下水埋深对比图

为了揭示塔河绿洲地下水埋深的动态变化情况，本文采用影像差值法计算两个时期地下水埋深的绝对变化情况，得到2001—2017年塔河绿洲地下水埋深变化的空间分布图（图5），按差值大小分为下降、基本不变、轻微上升、明显上升4个等级。由图5可知，英苏、老英苏、喀尔达依、博孜库勒区域地下水位明显上升，轻微上升面积较大，老英苏南部小面积地下水位下降；下降、基本不变、轻微上升、明显上升区域对应的 面 积 分 别 为4.28 km2、960.05 km2、1 379.26 km2、263.19 km2，占比分别为0.16%、36.83%、52.91%、10.10%。

图5 2001—2017年地下水埋深变化图

为研究地下水埋深变化对植被覆盖度变化的影响，本文计算了研究区内每个像元地下水埋深变化与植被覆盖度变化之间的相关系数，得到相关系数分布图（图6），可以看出，植被覆盖度变化与地下水埋深变化呈正相关的区域面积占比为34.3%，呈负相关的区域面积占比为65.6%。由图3、4、6可知，大西海子水库至阿拉干断面之间河道两侧900 m、阿拉干断面至台特马湖之间河道两侧500 m范围内地下水埋深变化与植被覆盖度变化呈强烈正相关，相关系数在0.7～1之间，当地下水埋深上升至4 m以上时，地下水埋深变化对植被覆盖度具有明显的改善作用；远离河道的区域呈强烈负相关，相关系数在-1～-0.5之间，当地下水埋深大于6 m时，地下水埋深变化对植被覆盖度变化没有明显影响。

图6 地下水埋深变化与植被覆盖度变化的相关系数分布

4 结语

本文利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5软件的空间解译技术，分析了塔河绿洲的地下水埋深和植被覆盖度的空间分布特征，并拟合得到地下水埋深变化对植被覆盖度变化的影响及其相关关系。

1）近17年来塔河绿洲植被覆盖面积明显增加的同时，植被覆盖度也明显升高。2017年的植被覆盖总面积比2001年增加了884.0 km2，增幅为13.3%。从不同覆盖等级来看，高、中、中低植被覆盖面积呈增加趋势，其中中低植被覆盖面积增加明显；低植被覆盖和裸地面积呈减少趋势。

2）塔河绿洲植被覆盖空间变化存在区域性差异。塔河绿洲34团与35团部、大西海子水库与台特玛湖周围变化较明显，明显改善区域面积为严重退化区域的10倍，以高植被覆盖为主。

3）2001—2017年塔里木河下游地下水位的上升，主要以轻微上升为主。区内适宜植被生长的最佳地下水埋深为2～4 m。当地下水埋深为4～6 m时，对植被覆盖度具有改善作用；当地下水埋深大于6 m时，对植被覆盖度变化影响不大。