塔里木河流域NDVI 时空变化特征及其影响因素分析

马 森 , 张代青 , 张 惠 , 陈艺菁 , 付江凤

（昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500）

引言

全球气候变暖将改变生态系统，特别是陆地生态系统的结构和功能，人类活动加剧已致使生态系统尤其是流域生态系统健康日益恶化。为了应对这种负面影响，归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）已被广泛应用于分析生态系统中植被的时空变化特征及其受气象和人类活动的影响情况。赵健赟等[1]基于NDVI 分析了青藏高原的植被覆盖率与气象因素之间的响应关系，发现该地区植被覆盖率改善的主要原因是气温升高、风速变低和降雨增加。祁鹏卫等[2]通过构建地理探测器模型探讨重庆市植被覆盖率与气象因子、地形以及人类活动之间的关系，发现植被覆盖率与各因素之间存在交叉作用。张永恒等[3]对西南地区植被与实测站点气温和降水的关系进行分析，发现西南地区植被变化有着春冬季大部分地区增加、夏秋季全区减少的时空变化特征。多项研究[4-8]还通过分析不同时空尺度上的植被与气候因素间的相关性，揭示了植被生长状况与气候区类型、降水量、气温等之间的密切联系，发现植被对不同气象要素的响应有着不同的时滞效应，且有些地区人类活动相对于气候的影响正面大于负面。

塔里木河流域是世界上最大的内陆河流域。20世纪，河道改道、兴建水利工程、增加耕地用水等水资源盲目管理行为激化了塔里木河流域人与自然的争水矛盾，使得流域生态严重失衡。1999 年后，国务院和新疆维吾尔自治区政府对此高度关注，并先后近20 次从博斯腾湖向塔里木河下游输水，以改善塔里木河下游生态环境。但由于该流域生态灾难积重难返，即使经过了10 多年的艰苦努力，流域下游仍未能达到“碧波荡漾，枯木逢春”的预期效果。2016 年，新疆维吾尔自治区人民政府在塔里木河流域组织实施胡杨林保护区生态补水，以缓解流域生态严重退化的危机。但就全流域而言，目前的生态安全问题依旧突出，需要进一步实施更科学合理的治理方案才可能遏制住生态环境进一步退化。

基于以上研究背景，本文选用卫星遥感数据，分析近21 a 塔里木河流域植被变化趋势，并探讨人类活动强度（Human Activity Intensity，HAI）及不同气象因素对该流域植被的影响差异，旨在为科学治理与修复流域生态环境、合理开发利用流域水能资源提供科技支撑。

1 研究区自然概况

塔里木河流域位于73°46'～96°39'E、34°85'～43°41'N，是环塔里木河9 大水系144 条河流的总称，流域总面积102×104km2。流域地势西高东低，北临天山山脉，西倚帕米尔高原，南靠昆仑山脉、阿尔金山脉。流域气候类型为典型的温带干旱大陆性气候，干燥多风，降水稀少，蒸发十分强烈。气温年平均日较差14～16 ℃，年最大日较差在30 ℃以上，年平均气温为10.6～11.5 ℃，夏季7 月平均气温为20～30 ℃，冬季1 月平均气温为-10～0 ℃。干旱指数自北向南、自西向东增大，在17～50 之间；干流地区多风沙、浮尘天气，以下游地区最为严重，最大风速为40 m/s。

近几十年来，在气候和人类活动的影响下，塔里木河流域水文状态发生了巨大变化，与塔里木河干流有地表水力联系的河流仅剩和田河、叶尔羌河和阿克苏河。塔里木河流域地理概况及土地利用类型分布如图1。

图1 塔里木河流域概况及土地利用类型分布

2 数据与研究方法

2.1 数据来源及预处理

研究资料包括NDVI 数据集、气象数据集、塔里木河流域矢量数据、土地利用类型数据及人口数据共5 类，具体介绍如下：

（1）NDVI 数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），是采用最大值合成法生成的1998 年4 月—2020 年6 月逐月资料，空间分辨率为1 km×1 km。

（2）气象数据是由欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA5 再分析数据集，空间分辨率为0.25°×0.25°。

（3）塔里木河流域矢量数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http://www.ncdc.ac.cn）。

（4）土地利用数据集来源于武汉大学杨杰等[9]基于Landsat 制作的中国土地覆盖年度数据集（CLCD），空间分辨率为30 m×30 m。

（5）人口密度数据来源于佛罗里达大学地理系和新型病原研究所（https://www.worldpop.org/），经调整以匹配联合国官方人口估计数，空间分辨率为30 m×30 m。

需要特别指出的是，本文选用的NDVI 及气象数据是按行政区采集整理而成，因此渭干河及阿克苏河流域等小部分地区不划入研究范围，另外还剔除了塔克拉玛干沙漠及库木塔格沙漠地区等植被极稀少的沙漠及荒漠区。

2.2 研究方法

为了进一步完善对全流域的植被研究成果，本文在考虑人类活动影响的前提下，选用Sen 趋势法分析该流域NDVI 的趋势变化，选用标准化信息流法研究该流域气象要素的空间影响差异及其对NDVI 的影响程度。具体方法介绍如下：

（1）Sen 趋势分析法

Theil-Sen Median 方法基于中位数进行斜率估计，又称为Sen 斜率估计，是一种比较常用的非参数统计的趋势计算方法。该方法对于测量误差和离群数据不敏感，被广泛用于长时间序列的趋势分析中[10]。计算公式为：

式中：Xj和Xi为时间序列，median为中位数函数，n为序列长度；趋势度 β大于0 表示序列呈现上升趋势，β小于0 表示下降趋势， β值的大小表示趋势变化幅度大小。

（2）标准化信息流法

对于两个时间序列，相关分析和因果分析都是比较常见的应用，因为大多数据往往是以时间序列的形式出现。目前在众多学科，尤其是气象科学中，相关性分析常常被用来研究要素间的响应关系，特别是以时滞相关关系代替因果关系。可更多时候，相关分析只是追求简单高效方法的一种替代手段，缺乏动态事件之间所需的不对称性或方向性[9]。

鉴于此，Liang 等提出了一种能够衡量变量间因果关系强度的因果分析理论——Liang-Kleeman 信息流理论，并进行了严格的定义推导和论证[11-12]。

依据这一信息流理论，信息流是指信息从序列X1到另一序列X2的时间率，计算公式为：

信息流法得到的信息流值仅表示序列间的相互关系，故Bai 等[13]在Liang 的方法基础上提出一种更实用的标准化信息流方法，以便将变量间的因果关系强弱归一化到[0, 1]范围，即将T2→1标准化为 τ2→1，计算公式为：

式中： τ2→1为T2→1的标准化值，表征X2与X1之间的因果 关 系 强 弱；Hnoise为 从X2向X1传 输 的 随 机 噪 声；的估计方法见参考文献[13]。

（3）HAI 表征模型

本文注重人类活动状态和结果的动态描述，故以塔里木河流域土地利用类型数据为基本框架，辅以人口分布构建HAI 表征模型如下：

式（5）中：HAI为人类活动强度（0～1），HAI值越大说明人类活动强度越高；P、L分别表示归一化后的流域人口与土地利用数据，a、b分别为P和L的权重。式（6）中：L表示某流域x的综合土地利用，lxi表示该流域土地利用类型i的归一化数据，kxi表示该土地利用类型的权重。

3 NDVI 时空变化特征

3.1 时间变化特征

统计分析及趋势分析结果（表1、图2）显示，近21 a塔里木河流域及各子流域的植被变化整体上相对稳定，全流域NDVI 增长趋势为0.03%/a，其中北部、西部较为显著，而南部较弱。以2014 年为节点，塔里木河流域NDVI 变化可分为3 个阶段：1999—2013 年增长阶段，即第一次流域生态治理期间，塔里木河流域NDVI 年均增长0.14%，各地区植被增长速率排序为西部（0.16%/a）＞北部（0.15%/a）＞南部（0.10%/a），植被整体增长较明显；2014—2015 年下降阶段，主要受严重干旱影响，2014 年新疆总体降水量减少近一成，南疆年平均气温偏高0.1 ℃，塔里木河全流域NDVI急剧下降了15.4%～34.8%，各流域NDVI 均降至最低值；2016—2019 年增长阶段，即第二次流域生态维护治理期间，流域西部、北部地区植被基本恢复至平均水平甚至继续转好，但南部克里亚河诸小河、和田河及车尔臣河诸小河地区植被状况仍较第一阶段恶劣，甚至在2017 年后有恶化趋势。

表1 塔里木河流域NDVI 趋势度及区间分布差异

图2 1999—2019 年塔里木河各子流域NDVI 年际变化

3.2 空间分布特征

从各流域NDVI 多年平均情况（图3）看，塔里木河流域NDVI 由北向南、由西向东呈增大趋势，总体差异较显著，其中南北相差26.6%。根据NDVI 值大小可将其大致划分为以下2 种空间分布类型：

图3 塔里木河各子流域NDVI 多年平均值

类型1：年平均NDVI 值大于0.09，植被生长状况相对较好，包括阿克苏河、渭干河、开孔河、喀什噶尔河、塔里木河干流及叶尔羌河流域。该分布类型位于北部天山山脉及西部帕米尔高原，所在流域耕地、草地面积较大，人类活动较频繁且水资源条件相对较好，同时也是流域重点治理区域。由图3 可知，该分布类型的各子流域多年平均NDVI 值均在0.10 以上，植被生长状况排序为阿克苏河（0.122）＞渭干河（0.116）＞开孔河（0.115）＞喀什噶尔河（0.105）＞塔里木河干流（0.104）＞叶尔羌河（0.101）。

类型2：年平均NDVI 值大致在0.04～0.08 之间，植被生长状况相对较差，分布于地形起伏较大、人口分布密度较小、河流水系发育较差且相对干旱的流域南部和田河、克里亚河诸小河及车尔臣河诸小河流域，对应的NDVI 多年平均值仅为0.068、0.069 和0.054，植被环境极为脆弱。与流域北部相比，该类型分布地区植被增长速度慢将近一半，一旦植被遭受破坏，治理修复难度也会相应增大。

3.3 变化趋势分布

图4 给出了1999—2019 年塔里木河流域NDVI变化趋势的空间分布。如图所示，近21 a 内该流域内植被变化趋势范围介于-0.14%～0.12%。NDVI 呈增长趋势的地区主要包括各子流域的农耕区，西部和北部部分山地或平原的草地、林地，以及流域干流中上游的生态绿洲等，趋势度范围为0.02%～0.12%，区域内植被生长较好；南部局部地区耕地和草地NDVI 有着大致相同的增长趋势，但由于地形起伏且海拔较高，流域边缘冰雪覆盖区并不利于植被生长，大部分裸岩、石砾地区NDVI 呈弱的下降趋势。

文化补充法，简单来说就是对于在电影中被遗漏的一些文化现象做进一步的补充说明。特别是，当归化和异化都无法准确地表达影片里的一些文化现象时，此时就需要译者在适当的时间和位置是上，进行文化的补充，从而使观众可以更好地理解影片中的幽默点以及嘲讽点。

图4 1999—2019 年塔里木河流域NDVI 变化趋势分布

总的来看，1999—2013 年首次综合治理期间，全流域植被恢复趋势度为0.14%，环流域三大山脉的西部、南部及北部地区NDVI 年均增速大于0.10%；2014—2019 年生态维护和二次治理期间，全流域NDVI 增速为0.16%，西部和北部地区NDVI 增速大于0.14%，南部较低为0.05%。可见，当前塔里木河流部分流域植被恢复速度加快，但这种恢复主要分布于北部农耕区，而流域外围草地、林地等生态植被状况虽有好转，但范围较小，仍有较大的改善空间。

4 影响因素分析

为了探究塔里木河流域NDVI 呈现以上变化趋势的原因，本节从人类活动和气象条件两方面进行分析。

4.1 人类活动影响

人类活动强度（HAI）是反映人类活动对一定区域表层产生扰动作用程度的综合指标，能客观表征人类活动对陆地表层的利用、改造和开发程度，其定量表达是评价人类活动对生态环境影响的重要参数。

公式（5）中，a、b及各土地利用类型权重参考陈泓瑾等[14]采用专家评分法给出的结果，取a=0.42、b=0.58，ki的取值见表2。为了避免流域面积差异的影响，采用综合指标进行计算，即各土地利用类型面积采用对流域总面积的百分比，人口分布采用区域平均人口密度，结果见表3。

表2 土地利用类型权重

表3 人类活动强度及相关系数

塔里木河流域人类活动强度与耕地面积、草地面积及人口密度有较强的正相关，与未利用地面积有较强的负相关（表3），说明塔里木河流域地表过程主要受农业活动、土地开垦和人口分布影响。其中，农业主产区喀什噶尔河、阿克苏河、渭干河、塔里木河干流及叶尔羌河流域人类活动强度较高，土地开发利用程度较低或水资源相对缺乏的车尔臣河、克里亚河、和田河及生态治理区塔里木河干流中下游人类活动强度较低。统计发现，2000—2020 年塔里木河流域人口平均以1.2×104人/a 的速度增长，耕地面积、林地面积、建设用地面积分别以100 km2/a、2 km2/a、12 km2/a 的平均速度增长，而草地面积及未利用地面积分别以-10 km2/a、-110 km2/a 的速度减少，流域人类活动强度将来还可能逐渐增强。

对各子流域进行人类活动强度与NDVI 之间的因果关系（τ）进行分析，结果见表3。在喀什噶尔河、阿克苏河、渭干河等主要农产区及草地分布区，人类活动与NDVI 之间有着较强的因果关系，植被状况受到人类活动的作用较明显；而车尔臣河、克里亚河流域土地开发程度较低，人口密度较小，NDVI 受人类活动的影响极小。可见，NDVI 的时空演变特征与人类活动关系紧密，农业耕地、草地面积占比和人口分布是促进塔里木河流域NDVI 增长的主要推动力。

4.2 气象要素影响

除人类活动影响外，气象条件也是影响地表过程的重要因素。本节依据标准化信息流理论，在95%的显著性水平下量化该流域降水量（TP）、地表气温（SKT）、离地2 m 气温（T2M）、风速（SI10）及降雪量（SF）对NDVI 影响的空间差异（图5）。

图5 气象要素（a.TP，b.SKT，c.T2M，d.SI10，e.SF）影响NDVI 的空间差异及主要影响区域分布（f）

4.2.1 TP 影响差异分析

由图5a 可知，TP 对塔里木河流域NDVI 的影响具有较明显的特殊性，在林地及草地区域最为显著，其信息流强度（τ）达到0.90 左右；其他子流域中，草地区域τNTP基本达到0.602 及以上；塔里木河流域内各农耕区多修建灌渠或多采用人工喷灌，农业产区τNTP相对不高，约为0.602。

由于塔里木盆地地处内陆，仅有少量西风气流能越过相对开放的天山垭口后到达盆地，致使流域大气降水主要受西风气流控制[15]。根据ERA5 降水资料，分析塔里木河流域多年平均降水量可知：1960—2020 年该流域多年平均TP 为225.9 mm，其中北部地区为316.6 mm，西部为348.2 mm，南部为227.4 mm，东部为52.7 mm，中部沙漠地区仅51.8 mm。总体来看，近21 a 塔里木河流域TP 呈“北多南少、西多东少且持续增加”的特征，区域平均增速约为0.56 mm/a，与已有研究结论[16-18]基本一致。可见，塔里木河流域内植被生长，特别是草地生长对TP 有较强的依赖性。

4.2.2 SKT、T2M 影响差异分析

由图5b 和图5c 可知，SKT 和T2M 对塔里木河流域NDVI 影响的分布特征基本一致，大部分地区τNSKT、τNT2M均达到0.94 左右。相比之下，SKT、T2M 对NDVI的影响在开孔河、渭干河、阿克苏河、喀什葛尔河及叶尔羌河等大部分地区较TP 显著且均匀，不同土地利用类型植被对其均有较好的响应；和田河、克里亚河诸小河及车尔臣河诸小河流域内该影响有所降低，τNSKT及τNT2M均为0.40 左右。

采用Sen 趋势法研究流域内气温变化规律，发现除大部分沙漠地区及南部昆仑山脉的部分山地βSKT（-0.036%～0）、 βT2M（-0.142%～0）略小于0 外，流域其 余地 区 平均 气 温Sen 趋势 度 均大 于0（ βSKT介于0～0.593%，βT2M介于0～0.335%）。以T2M为例，采用有序聚类法[19]分析该流域1960—2020 年气温变化情况（图6）。总体来看，整个塔里木河流域平均气温变化大致以1996 年为突变点，可分为1960—1996 年气温下降和1997—2020 年气温上升共两个阶段，年均气温变率分别为-0.03 ℃/a 和0.01 ℃/a，这与已有研究结论[16-18]近乎一致。可见，气温上升对塔里木河流域地表植被变化的影响十分明显。

图6 T2M 突变点识别

4.2.3 SI10 影响差异分析

风速变化可影响植物种子萌发过程和植物生长高度[20-21]，主要反映在加快或减弱热量交换进而改变植物蒸腾作用和空气湿度等。如图5d 所示，SI10 对塔里木河流域NDVI 的影响不具有普遍性，仅耕地及西南部草地耕地对其比较敏感，τSI10最大为0.787。结合Sen 趋势度分析可知：塔里木河流域SI10 趋势变化不显著，外围山地地区略有上升， βSI10介于0～0.06%；自东部塔里木盆地入口库木塔格沙漠至塔克拉玛干沙漠腹地及各流域内小部分地区SI10 呈小幅度下降趋势，其中沙漠地区 βSI10降幅最大为-0.07%。

4.2.4 SF 影响差异分析

降雪量过大会造成植物受伤或死亡，而冰雪融化能给土壤带来水分，缓解地区干旱。如图5e 所示，SF对塔里木河流域NDVI 的影响相对不大，西部喀什噶尔河地区τNSF最大为0.612，而其他地区τNSF普遍介于0.204～0.408，仅对草地影响相对较大。实际上，除帕米尔高原地区SF 略有增加（ βSF介于0.02%～0.10%）外，流域平原地区SF 几乎没有变化（ βSF=0）。可见，SF 对塔里木河流域平原地区NDVI 增长造成的影响有限，并不是主要的影响因子。

最后，以标准化信息流值综合衡量以上气象要素对NDVI 的影响，绘制出各气象要素在塔里木河流域主要影响区域的空间分布（图5f）。如图所示，在各子流域的山地及平原地区，气温是影响NDVI 的主要因素；在西、北部流域草地及农产区中以SKT、T2M 影响为主，二者相差不大；TP 为较温度之后影响该地区NDVI的次要因素，主要影响草地NDVI 的增长；南部诸河地区受多种气象因素共同作用，但仍以气温和降水为主。

5 结论与讨论

本文以近21 a 塔里木河流域NDVI、人类活动强度及气象要素为量化指标，采用Sen 趋势度分析、标准化信息流、HAI 模型、有序聚类等多种统计方法，分析了该流域NDVI 的时空变化特征，研究了人类活动及气象要素对流域植被变化的影响，得到以下主要结论：

（1）近21 a 塔里木河流域植被变化趋势总体较稳定，全流域NDVI 增速为0.03%/a，可分为1999—2013 年植被状况恢复、2014—2015 年植被状况下降及2016—2019 年植被状况再恢复共3 个阶段。

（2）塔里木河流域NDVI 表现出由北向南、由西向东增大的空间分布特征，区域差异较显著。按NDVI值大小可将其空间特征大致划分为2 种空间分布类型：一是NDVI 大于0.09，位于流域北部及西部，在遭受破坏后恢复较快；二是NDVI 介于0.04～0.08，位于流域南部，在植被遭受破坏后难以恢复。塔里木河流域NDVI 增长趋势显著区域的土地类型主要是耕地和草地，增长趋势度介于0.02%～0.12%，其他地区NDVI几乎不变或略有下降。

（3）塔里木河流域内植被生长受人类活动及气象条件的双重影响。一方面，流域内NDVI 与人类活动强度因果关系较强，各子流域农业活动范围扩大及强度增加对NDVI 的总体增长有推动作用；另一方面，气象条件暖湿化也有利于流域内植被生长。首先，流域内整体气温缓慢上升，解除了植物的低温抑制，促进了流域草地及耕地地区植被生长；其次，流域正在逐渐变湿，降水增加为草地地区植被生长提供了必要条件。

总体而言，塔里木河流域的生态环境状况当前相对稳定，但实施针对全流域的生态、社会及水资源统一评价与管理仍然迫在眉睫。为了缓解塔里木河流域的生态危机，一方面，应从造成流域生态问题的原因出发，针对经济、社会发展问题可以在政策允许的范围内进行新型水资源开发，以减少人类活动带来的生态影响；另一方面，为应对不可控的气候变化，可以利用当前塔里木河流域逐渐湿润的趋势，合理调配水资源，在保障生态需水要求的同时加强流域植被多元化治理，以达到逐步改善生态环境，实现流域生态健康良性循环的目的。