和田河沙漠段生态输水植被恢复遥感评价和植被变化驱动因素分析

才仁加甫，曹 彪，白云岗，刘旭辉，2，余其鹰，刘敏杰

（1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049；2.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；3.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001）

0 引言

【研究意义】沙漠段绿色走廊是塔里木盆地中南北贯通塔克拉玛干沙漠的一条重要生态廊道[1]。两岸的荒漠河岸林草植被形成了一道天然屏障，阻挡风沙侵袭，对稳定河流走向、防止沙漠合拢、保障向塔里木河干流输水通道顺畅有重要作用[2-3]。和田河径流来自于上游高山区，出山后因降雨稀少，基本不产流[4-5]。塔里木河流域生态治理20年来，和田河既承担了向塔河干流的生态输水任务，同时自身进行了生态补水。结果和田河流域沙漠段生态输水及生态环境响应，研究和田河沙漠植被变化及其驱动因素，对保障和田河流域健康及可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】生态输水是目前干旱区特有的一种水资源调配和生态恢复手段[6]。分析塔里木河流域干流中、下游生态植被明显改善[7-11]，特别是塔里木河尾闾台特玛湖植被的生态效益逐渐显现，生物多样性明显增加[12-13]。【本研究切入点】目前，针对塔里木河流域生态输水和植被恢复研究采用的方法主要包括实地调查和卫星遥感监测两类[14]。现有研究主要集中于塔里木河流域干流中、下游，对流域上游干、支流研究较少。需研究和田河沙漠段生态输水以来植被变化及驱动因素，评价和田河沙漠段治理成效。【拟解决的关键问题】基于和田河沙漠段典型断面1996～2020年间8个年份遥感数据，采用遥感影像解译，结合样地调查的方法，分析和田河沙漠段植被变化特征及其驱动因素，为和田河沙漠段生态修复提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况

和田河沙漠段绿色走廊由三段组成，第一段分布于支流喀拉喀什河卡瓦克乡至两河汇合口阔什拉什，河长30 km，面积约270.48 km2，水源为喀拉喀什河河水；第二段分布于支流玉龙喀什河塔瓦库勒乡至阔什拉什，河长34 km，面积约127.21 km2，水源为玉龙喀什河河水；第三段分布于和田河干流河段，面积约517.61 km2，水源为玉龙喀什河和喀拉喀什河汇合后的合流。沙漠段绿色走廊基本位于塔克拉玛干沙漠腹地，河道河谷较宽，两岸为沙丘，汛期洪水是和田河下游两岸天然植被水分的直接补给源，多年平均径流量约43×108m3，其径流量主要集中在6～9月的汛期，径流补给量占总径流量80%以上，其余时间河道干枯。研究区气候干燥，降水稀少，多年平均潜在蒸发量为2 648.7 mm（20 cm口径蒸发皿），多年平均降水量仅为39.6 mm[15]。

1.1.2 遥感数据来源

选 择1996、2000、2006、2009、2013、2015、2018、2020年8个年份每年9～10月的Landsat-8 OLI 陆地成像仪的遥感影像3 期，共24 期影像。每期3景，共72景影像。空间分辨率30 m。

1.1.3 气象数据来源

气象数据来自中国气象科学数据共享网（ttp：//data.cma.cn），其中和田河上游采用和田站气象数据，地理坐标37°08′N，79°56′E；下游采用阿拉尔站气象数据，40°33′N，81°16′E。通过加权平均，确定区域气象数值。生态输水数据来源于塔里木河流域和田管理局。

1.2 方法

1.2.1 归一化植被指数

归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）能表征地表植被覆盖和植被生长状况[16-17]。基于Landsat 8 OLI 遥感影像的红光波段和近红外波段计算NDVI，并基于原始遥感影像确定划分阈值，进行和田河流域沙漠段植被的提取。

式中：PRED、PNIR分别对应Landsat 8 OLI遥感影像的第4、5波段。

1.2.2 植被覆盖度等级划分

在和田河沙漠段阔什拉什国家公益林区内进行野外调查，顺河流方向近似垂直河岸设置5组50 m×3 000 m 的样带，样带间隔3 km，每个样带内设15个样地，样地面积50 m×50 m，共计75个样地；对样地内植被进行类型和覆盖度调查，调查时段为2020年9～10月。样地的植被覆盖度通过实测与目估法来确定。利用计算的植被覆盖度划分沙漠段植被类型。同时利用GPS 定位样地坐标，在遥感图像上反查各调查点对应NDVI值，建立不同植被覆盖类型与相应NDVI值对应关系。

1.3 数据处理

在ArcGIS 中绘制和田河沙漠段研究区矢量数据边界，其次，利用ENVI 5.1 软件对遥感图像进行影像预处理，包括辐射定标（选择子集）和大气校正，并去除条带。将每一期的3 景影像进行拼接，根据绘制的和田河沙漠段研究区边界，对拼接影像进行裁剪。

根据选定的沙漠段植被遥感监测断面，垂直于河道选取0.5 km×3 km的范围作为研究断面植被样带，提取样带内离河区域内0～250 m、500～750 m、1 000～1 250 m、1 500～1 750 m、2 000～2 250 m、2 500～2 750 m的影像数据，通过波段运算计算研究区NDVI指数。获得各个监测断面不同离河距离的区样地NDVI值。表1

表1 遥感影像属性Table 1 Remote sensing image attributes

表2 和田河沙漠段植被遥感监测断面Table 2 Remote sensing monitoring section of vegetation in Hotan River desert

2 结果与分析

2.1 和田河沙漠段NDVI值变化

2.1.1 各断面不同离河距离NDVI值变化

研究表明，玉龙喀什河艾格利牙断面NDVI值相对较高，在垂直河岸方向，随着与河岸距离增大，NDVI值先缓慢降低，最后趋于稳定。距河岸大于2 km，NDVI值变化不大。自2005年以来，断面NDVI值逐年提高，距河岸0.25 km 内，NDVI值增幅达73.70%，增幅最大，断面平均NDVI值增幅达40.26%。距河岸1.5 km，NDVI值增长明显。距河岸大于2 km，NDVI值增幅相对较小。图1

图1 艾格利牙断面不同离岸距离NDVI值变化Fig.1 Variation of NDVI at different offshoredistances of Aigeliya section

在垂直河岸方向，随着与河岸距离增大，NDVI值先快速降低，最后趋于稳定。距河岸大于1.25 km，NDVI值变化不大。以1996年为基准年，截止2020年，吐直鲁克断面距河岸距离小于1 km，NDVI值增幅较大。其中距河岸0.25 km内，NDVI值增幅最大，达59.21%；在距河岸1～1.5 km，NDVI值变化出现拐点，大于1.5 km。植被对生态输水响应不明显，吐直鲁克断面平均NDVI值增幅达24.10%。图2

图2 吐直鲁克断面不同离岸距离NDVI值变化Fig.2 Variation of NDVI at different offshore distance of Tuziluke section

阔什拉什断面NDVI值相对较低，介于0.018 3 ～0.089 1。垂直河流断面NDVI值变化呈先急剧下降，后升高，再缓慢下降，直至趋于平稳。在距河岸1 km 处，断面NDVI值最低；在距河岸2.25 km 处，断面NDVI值最高，影响西岸植被。2006年断面NDVI值最大，1996年和2015年NDVI值最小。图3

图3 阔什拉什不同离岸距离NDVI值变化Fig.3 NDVI change of Kuoshilashi section

阔什拉什下游15 km 处断面NDVI值亦相对较低，介于0.017 3～0.112 7。垂直河流断面NDVI值变化呈先急剧下降，后趋于平稳的特点。在距河岸0.75 km 处，断面NDVI值变化拐点。断面NDVI值1996～2006年呈增大趋势，2006年断面NDVI值最大，2006年-2013年年降低趋势；2013年NDVI值最小，最后2013年-2020年呈缓慢增加趋势。图4

图4 阔什拉什+15km不同离岸距离NDVI值变化Fig.4 NDVI change of Kuoshilashi+15 km

阔什拉什下游65 km处断面NDVI值最低，介于0.013 7～0.089 1。垂直河流断面NDVI值变化呈先快速下降，后趋于平稳的特点。断面NDVI值变化拐点在距河岸0.75 km 处。断面NDVI值年际变化与阔什拉什下游15 km 处断面NDVI值年际变化相同。图5

图5 阔什拉什+65 km不同离岸距离NDVI值变化Fig.5 NDVI change of Kuoshilashi+65 km

阔什拉什+115 km断面NDVI值介于0.016 5～0.127 9。在垂直河岸方向，0.25 km范围内，NDVI值最大，随着距河岸距离增大，NDVI值缓慢降低，最后趋于稳定。与1996年比，距河岸0.25 km 范围内，2020年NDVI值提高1.2倍，增幅最大；距河岸2.5～2.75 km，2020年NDVI值仅提高0.2 倍，增幅最小。图6

图6 阔什拉什+115 km不同离岸距离NDVI值变化Fig.6 NDVI change of Kuoshilashi+115 km

阔什拉什+165 km断面NDVI值介于0.016 5～0.127 9。在垂直河岸方向，随着距河岸距离增大，NDVI值整体呈逐渐降低、直至稳定的趋势。在距河岸1.25 km 以内，NDVI值较大，NDVI值变幅亦较大；在距河岸1.75 km 以外，NDVI值较小，NDVI值变幅亦较小。图7

图7 阔什拉什+165 km断面NDVI变化Fig.7 NDVI change of Kuoshilashi+165 km

阔什拉什+220 km断面NDVI值介于0.015 3～0.101 5。在垂直河岸方向，随着距河岸距离增大，NDVI值先缓慢降低、直至稳定的趋势。在距河岸0.75 km范围内，NDVI值最大；当距河岸大于2.75 km时，NDVI值变化较小，断面植被受生态输水影响显著。图8

图8 阔什拉什+220 km断面NDVI变化Fig.8 NDVI change of Kuoshilashi+220 km

阔什拉什+260 km断面NDVI值介于0.024 0～0.195 6。在垂直河岸方向，随着距河岸距离增大，NDVI值先增大，后降低，最后趋于稳定。在距河岸0.75 km 处，NDVI值最大；当距河岸大于1.75 km时，NDVI值变化较小。图9

图9 阔什拉什+260km断面NDVI值变化Fig.9 NDVI change of Kuoshilashi+260 km

2.1.2 各监测断面NDVI均值年际变化

研究表明，和田河沙漠段1996～2005年，植被整体呈现缓慢增长趋势；2005～2015年，和田河沙漠段植被呈下降趋势；2015～2020年，植被呈增长趋势。

1996～2020年，和田河流域沙漠段NDVI值均较低，介于0.027 9～0.138 1，以1996年为基准年，截止2020年，各植被监测断面NDVI总体呈增大趋势。其中玉龙喀什河艾格利牙断面NDVI增长幅度44.78%，喀拉喀什河吐直鲁克断面NDVI增长幅度32.47%，阔什拉什断面NDVI增幅9.13%，阔什拉什+15 km 断面NDVI增幅13.12%，阔什拉什+65 km 断面NDVI增幅10.97%，阔什拉什+115 km 断面NDVI增幅69.23%，阔什拉什+165 km 断面NDVI增幅22.35%，阔什拉什+220 km断面NDVI增幅37.41%，阔什拉什+260 断面NDVI增幅45.27%。和田河流域沙漠段各监测断面NDVI平均增长幅度为31.63%。各植被监测断面NDVI增长说明和田河生态输水促进河道两岸生态植被的恢复。阔什拉什+115 km断面NDVI增幅最大，说明生态输水对该段影响最好。支流汇合处及以下65 km 增幅较低，其中阔什拉什断面增幅最低。上游支流段植被相对较好，NDVI值相对较高，玉龙喀什河NDVI最高。和田河生态输水段属于游荡性河流，植被分布随机性较大，生态输水对各个区段的影响不同步。图10

图10 不同监测断面NDVI值变化Fig.10 NDVI changes in different monitoring sections

和田河流域整个沙漠段，玉龙喀什河艾格利牙断面和喀拉喀什河吐直鲁克断面到两河汇合口下游4 km 植被覆盖最好，两河汇合口下游4～65 km，植被覆盖度最低，和田河沙漠段植被分布特点，上、下游植被较好，中间低的特点。2006年生态输水以来，和田河NDVI整体得到提升，植被变好趋势明显。

2.2 植被覆盖度与NDVI 关系以及和田河流域植被变化趋势分析

研究表明，和田河沙漠段植被划分为沙漠、低植被覆盖、中植被覆盖以及高植被覆盖4个类型。表3

表3 和田河沙漠段植被覆盖度等级划分Table 3 Classification of vegetation coverage in Hotan River desert section

1996～2020年际间，和田河沙漠段沙漠面积先降低后增大，1996年沙漠面积占比最高，达38%；2006年，沙漠面积占比最低，仅为25%；多年平均占比34%。低植被覆盖面积占比逐年减少，由1996年33%降低到2020年19%，降幅达14%，多年平均占比26%；中植被覆盖面积占比变化不大，多年平均占比24%，变幅在2%左右；高植被覆盖面积占比增大，1996年高植被覆盖面积仅占6%，2006年高植被覆盖面积占比最大，达25%，多年平均占比16%。与1996年相比，2020年沙漠面积占比降低3%，低植被覆盖面积占比降低14%，中植被覆盖面积占比增加2%，高植被覆盖面积增加15%，增幅最大。图11

图11 1996～2020年间和田河沙漠段植被类型变化Fig.11 Changes of vegetation types in Hotan River desert section between 1996～2020 years

2.3 和田河沙漠植被变化驱动因素

2.3.1 和田河沙漠段生态输水及河段水量消耗

研究表明，15年来，上游累积下泄水量274.17×108m3，年均下泄18.28×108m3，其中，2010年上游下泄水量最大，达30.6×108m3；2007年下泄水量最小，仅为8.8×108m3。沙漠段累积消耗水量88.94×108m3，年均消耗水量5.93×108m3，变差系数为0.412。从2010～2015年，沙漠段耗水量呈逐年下降趋势，2015～2020年，沙漠段耗水量趋于稳定，变差系数为0.149。图12

图12 和田河沙漠段下泄水量及河段消耗Fig.12 Discharge water and river section consumption of Hotan River desert section

2.3.2 植被变化驱动因数

研究表明，区域气温1996～2009年逐年升高，2013～2020年震荡变化的特点。和田河沙漠段NDVI值与气温呈正相关关系，相关系数达0.6464。和田河沙漠段NDVI值和河段耗水呈正相关关系，相关系数达0.452 5，温度和上、下游断面水流损耗是和田河沙漠段植被变化重要影响因素。温度升高和增加河段耗水量均能提高和田河沙漠段植被指数。图13

图13 和田河沙漠段NDVI值与气温（a）和河段耗水量（b）的相关性Fig.13 Correlation analysis between NDVI value and air temperature（a）and water consumption（b）in Hotan River desert section

3 讨论

和田河沙漠段在距河岸0.25～0.75 km，NDVI值最高，0.75～2 km，NDVI值相对较高，大于2～2.75 km，NDVI值最低。各时相的NDVI值变化，反映了植被长势的动态变化，一般植株越高、群体越大、叶面积系数越大的区域，其NDVI值较大，植被长势好的区域，其NDVI值也越大[7]。研究表明，和田河沙漠段生态输水以来，植被变好趋势明显。

植被对温度具有较强的敏感性和依赖性，同时温度的季节性变动对植被生长有重要的影响[18-19]。研究表明和田河沙漠段植被变化与温度呈线性正相关。植被NDVI与和降水具有较明显的空间响应[19-20]，研究表明，和田河沙漠段NDVI值与降水量不具有线性正相关性，主要是由于沙漠段年均降水量43.65 mm，而年均蒸发量则高达3 400 mm，蒸发量远大于降水量，降水量不足以影响极端水热条件下植被生长。和田河沙漠段NDVI值与上游断面来水量线性相关性较差，而NDVI值和河段耗水呈正相关，与余其鹰等[21]研究结论：该河段来水量与河道耗水量呈显著3 次函数关系相符。区段耗水与区域植被指数呈正相关关系，与上游断面来水量不具有线性相关性。

4 结论

4.1 2006年生态输水以来，和田河沙漠段NDVI整体得到提升，植被变好趋势明显，生态输水对河岸1～2.75 km 植被影响显著，其中，在距河岸

0.25～0.75 km，影响显著；0.75～2 km，影响较显著；大于2～2.75 km，影响最低。NDVI变幅与NDVI值高低具有一致性，NDVI值大的区域，NDVI变幅亦较大。

4.2 和田河沙漠段到两河汇合口和下游段植被较好，两河汇合口下游15～115 km 为植被脆弱区域，整个沙漠段植被呈上、下游较好，中游较差的特点。

4.3 和田河沙漠段1995～2005年植被呈缓慢增长趋势；2005～2015年植被呈下降趋势；2015～2020年植被呈增长趋势。以1996年为基准年，截止2020年各植被监测断面NDVI总体呈上升趋势。

4.4 1996～2020年际间，和田河沙漠段沙漠面积先降低后增大，低植被覆盖面积占比逐年减少，中植被覆盖面积占比变化不大，高植被覆盖面积占比增大。与1996年相比，2020年沙漠面积占比降低3%，低植被覆盖面积占比降低14%，中植被覆盖面积占比增加2%，高植被覆盖面积增加15%。

4.5 和田河沙漠段NDVI值与气温和河段耗水均呈正相关关系，区域温度和沙漠段水量损耗是影响和田河沙漠段植被变化的重要因素。

图15 和田河沙漠段NDVI值与区域降水（a）和河段耗水上游断面来水量（b）相关性Fig.15 Correlation analysis between NDVI value of Hotan River desert section and regional rainfall（a）and water inflow from upstream section of river section（b）