汪生斌，祁澤學(xué)，賀海松，王萬平，吳 萍

(1.青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810007； 2.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，西寧 810007)

格爾木河位于青藏高原東北部，柴達(dá)木盆地南緣，是盆地第二大河流。流域內(nèi)坐落有青海省第二大城市格爾木市，下游的察爾汗鹽湖為中國(guó)最大的鉀鹽生產(chǎn)基地。隨著盆地社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，格爾木市及鹽湖基地面臨不斷發(fā)展的需求。由于地處干旱內(nèi)陸，流域氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱[1]，生態(tài)環(huán)境是決定格爾木河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]，對(duì)于反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢(shì)具有重要意義[3]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠較好地反映植被的覆蓋情況及生長(zhǎng)狀態(tài)，是區(qū)域植被變化的最佳度量工具[4,5]。植被覆蓋度能夠直觀地反映植被的生長(zhǎng)狀況，可以清晰地反映植被覆蓋的變化過程，是衡量自然生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[6,7]。

目前針對(duì)格爾木流域的植被生態(tài)環(huán)境研究還十分有限，不足以為流域日益發(fā)展提供支撐。本文采用Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，分析流域植被生態(tài)覆蓋類型與覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討，以期為格爾木地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及規(guī)劃提供參考。

1 格爾木河流域基本情況

格爾木河流域南部為基巖山區(qū)，北部為格爾木河山前沖積、洪積、湖積平原。地貌上依次可分為海拔2 800～3 065 m的中高山，海拔2 950～3 000 m丘陵 ，海拔2 800～2 900 m的戈壁平原，海拔2 770～2 800 m的細(xì)土平原，海拔2 770 m以下鹽沼平原，具有清晰的層狀和環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)，控制了地下水-地表水多次轉(zhuǎn)化的水文地質(zhì)規(guī)律進(jìn)一步影響了植被的分布情況。

流域內(nèi)主要河流為格爾木河以及北側(cè)的泉集河。格爾木河全長(zhǎng)468 km(干流長(zhǎng)325 km)，匯流后的格爾木河由南向北流經(jīng)山區(qū)、戈壁平原，在進(jìn)入格爾木市區(qū)之后又分為東、西兩河，并與諸多泉集河并行繼續(xù)向北徑流，最終注入達(dá)布遜湖等鹽湖區(qū)；細(xì)土平原前緣分布數(shù)條泉集河，自東向西主要有：格爾木東河、格爾木西河、紅旗河、金水河、巴水河、清水河。除格爾木西河接受來自上游的格爾木河地表水外，其余均為格爾木河水下滲之后又溢出而成，除清水河注入別勒湖外，金水河、巴水河、紅旗河在下游匯入格爾木西河，與格爾木東河一起注入達(dá)布遜湖。

2 材料及方法

2.1 研究材料

本研究采用30 m分辨率的Landsat TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為格爾木河流域生態(tài)植被分析的基礎(chǔ)資料，分別選取1993年8月、2001年8月及2014年8月3個(gè)時(shí)像的流域影像數(shù)據(jù)，對(duì)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的敏感因素進(jìn)行解譯，同時(shí)結(jié)合野外調(diào)查對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證也補(bǔ)充。

2.2 研究方法

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是遙感領(lǐng)域表征植被覆蓋及生長(zhǎng)狀況的重要參數(shù)，可通過對(duì)預(yù)處理后的TM影像進(jìn)行計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3)

(1)

式中：TM4和TM3分別近紅外和紅波段亮度值。

植被覆蓋度(F)是反映地表植被分布狀況的定量指標(biāo)，通過根據(jù)NDVI計(jì)算獲得，計(jì)算公式為：

(2)

式中；NDVI為TM影像某像元的NDVI實(shí)際值；NDVIsoil和NDVIveg分別為研究區(qū)全裸土壤覆蓋像元和純植被覆蓋像元的NDVI值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋類型時(shí)空分布特征

3.1.1 植被覆蓋類型的空間分布特征

格爾木河流域?yàn)樯鷳B(tài)脆弱的高寒干旱生態(tài)地區(qū)，地表植被稀疏，且空間分布極不均勻[3]。根據(jù)TM影像解譯結(jié)果，格爾木河流域的地表覆蓋類型主要包括原生植被、建筑用地、耕地、濕地、湖泊、河流、裸地等(表1)。

表1 格爾木河流域地表覆蓋類型Tab.1 The type of surface coverage in Golmud river basin

從1993、2001及2014年格爾木河流域地表覆蓋類型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)來看，格爾木河流域最主要的地表覆蓋類型為裸地，其次為濕地，再次為原生植被，三者分布面積占流域面積的92%～94%。裸地主要分布在沖洪積扇山前戈壁帶，濕地分布于溢出帶以下至盆地中心的廣大地區(qū)，原生植被主要分布在沖洪積扇前緣至沖洪積平原后緣及沖洪積平原部分河道分布區(qū)，耕地主要分布于沖洪積扇前緣(圖1)。

圖1 1993、2001及2014年格爾木河流域遙感影像解譯結(jié)果Fig.1 Interpretation of remote sensing images in Gulmu river basin(1993,2001,2014)

3.1.2 植被覆蓋類型的演化特征

格爾木河流域1993、2001及2014年的地表覆蓋類型面積及變化見圖2。1993-2014年間，格爾木河流域的濕地面積及原生植被面積均呈明顯增加的趨勢(shì)，增幅分別為26%和65%，而與此同時(shí)裸地面積則出現(xiàn)了明顯的下降，降幅達(dá)22%，說明流域生態(tài)環(huán)境整體向好。流域內(nèi)建筑用地面積也出現(xiàn)了大面積增加，這與22 a以來格爾木地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展有關(guān)。然而，流域內(nèi)的湖泊及河流面積卻出現(xiàn)了明顯萎縮，萎縮比例分別達(dá)到了17%和69%，其中湖泊面積的萎縮是由于鹽湖鹵水開采造成的，而河流面積較少則是由于出山口乃吉里水庫(kù)修建攔截了格爾木河河水。

圖2 格爾木河流域地表覆蓋類型及面積變化Fig.2 Surface cover type and area changes in Golmu river basin

3.2 植被覆蓋度的時(shí)空分布特征

3.2.1 植被覆蓋度的空間分布特征

根據(jù)NDVI(歸一化植被指數(shù))計(jì)算結(jié)果，格爾木河流域植被總體覆蓋度較低，生態(tài)環(huán)境脆弱。NDVI<0.04的區(qū)域包括山區(qū)基巖裸露區(qū)、湖泊、河流及部分裸地。絕大多數(shù)區(qū)域NDVI值在0.04～0.15，其分布范圍與裸地及濕地分布范圍基本一致。NDVI>0.15的區(qū)域主要分布在沖洪積扇前緣以下，與地表覆蓋類型中的原生植被分布區(qū)域基本一致，其中河道及泉水泄出帶附近NDVI最大，植被長(zhǎng)勢(shì)最好，遠(yuǎn)離河道及泉水泄出帶，NDVI值逐漸降低。

3.2.2 植被覆蓋度的演化特征

根據(jù)覆蓋度(F)計(jì)算結(jié)果，將地表覆蓋類型中的原生植被按F<20%，20%≤F<50%，F(xiàn)≥50%分別劃分為低覆蓋度、中覆蓋度及高覆蓋度三種類型。由圖3可見格爾木河流域1993、2001、2014年原生植被高、中、低不同覆蓋度的面積變化。總體來看，1993-2014年流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，22 a間原生植被總覆蓋面積增加了62 km2，增幅達(dá)65%。其中，高、中覆蓋度植被分布面積較為穩(wěn)定，面積變化較小，面積以低覆蓋度植被增加為主，增幅為208%。

圖3 格爾木河流域不同覆蓋度植被分布及面積變化Fig.3 Different coverage of vegetation and area changes in Golmu river basin

4 流域植被覆蓋

水是干旱和半干旱地區(qū)植被組成及分布的決定因素[8]。流域內(nèi)水分的分布是植被個(gè)體生長(zhǎng)及時(shí)空分布的直接影響因素，流域內(nèi)的地形地貌、降水及地下水構(gòu)成了植被生長(zhǎng)發(fā)育的綜合決定因素[3]，下面就其對(duì)植被分布的影響進(jìn)行分析。

4.1 地形地貌對(duì)植被分布的影響

格爾木河流域植被分布類型與地形地貌具有密切的相關(guān)關(guān)系，植被隨地形變化成具有明顯的地帶性變化規(guī)律[9](見圖4)。

圖4 格爾木流域植被類型與地形地貌關(guān)系圖Fig.4 The map of vegetational types and landscape relation in Golmu river basin

山區(qū)由于基巖裸露，表層土壤不發(fā)育，植被分布極為稀疏，僅在高海拔地區(qū)及溝谷地區(qū)分布較密集，高海拔地區(qū)植被以高山耐寒墊狀植物及低等的苔蘚類為主，溝谷地區(qū)植被隨海拔降低由駱駝草、馬蘭群叢逐漸過渡為怪柳、普氏麻黃群叢等。沖洪積扇山前地區(qū)地貌上通常為戈壁礫石帶，土壤成壤作用極弱，基本沒有腐殖質(zhì)累計(jì)層，這一地區(qū)植被分布零星，覆蓋率極低，植被類型以旱生、超旱生木本豬毛菜、優(yōu)若藜、普氏麻黃、沙拐棗為主。沖洪積扇前緣地區(qū)，地形平坦，地層沉積顆粒較細(xì)，土壤以粉砂土和亞砂土為主，保水能力較強(qiáng)，植被生長(zhǎng)茂盛，覆蓋度較高，地貌上通常表現(xiàn)為綠洲帶，植被類型耐旱的蘆葦、羅布麻、怪柳、白刺組合群落主，此外該地帶還是農(nóng)業(yè)耕地和人工林的主要分布區(qū)域。往下游，隨著地勢(shì)的降低，地貌上轉(zhuǎn)變?yōu)檎訚蓭?，出現(xiàn)喜濕型植物類型，其余旱生植被交錯(cuò)共生，植被覆蓋率更高。沼澤地往下至鹽湖，地貌出現(xiàn)為大面積的鹽灘，植被分布逐漸減少，植被類型以蘆葦及怪柳為主。至鹽湖周圍地表基本沒有植被發(fā)育。

4.2 降水對(duì)植被分布的影響

降水是干旱區(qū)植被生長(zhǎng)發(fā)育的重要水分來源，是植被宏觀分布格局的重要控制因素。流域內(nèi)降水稀少，且空間分布極不均勻，絕大多數(shù)降水產(chǎn)生在山區(qū)，降水量自山區(qū)向鹽湖中心逐漸減少。植被覆蓋度與降水量分布整體上具有一致性，自山區(qū)向下游鹽湖中心逐漸降水量逐漸減少，植被覆蓋度也隨之降低。山區(qū)由于降水量豐沛，凡土壤條件較好的地區(qū)大多有植被分布，特別是隨著海拔的增加，降水量增大，植被覆蓋度也呈明顯增加的趨勢(shì)。山前戈壁帶由于地下水埋深較大，植被生長(zhǎng)難以利用地下水，其生長(zhǎng)幾乎完全依靠降水，然而這一地帶土壤條件較差，保水能力極差，降水產(chǎn)生很快滲入地下或從地表流走，不利于植被生長(zhǎng)，故景觀上通常表現(xiàn)為荒漠，僅偶爾可見零星植被分布。向下游至鹽湖中心，隨著地下水埋深的減小，植被生長(zhǎng)利用地下水的難度逐漸減小，同時(shí)降水量的減小，使得降水對(duì)植被分布的影響越來越弱。

根據(jù)格爾木河流域降水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖5)，流域內(nèi)降水量自1993年以來具有增大的趨勢(shì)(趨勢(shì)線斜率為0.767 8)，其中1998年出現(xiàn)了極端峰值，年降水量達(dá)到137.2 mm。流域內(nèi)植被覆蓋面積增加，裸地面積減少，生態(tài)環(huán)境呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，與降水量的增加具有一定較密切的聯(lián)系。流域內(nèi)裸地地區(qū)多分布耐旱、超耐旱的木本豬毛菜、優(yōu)若藜、普氏麻黃、沙拐棗、白刺等植物，依靠降水即可成活，其對(duì)于降水的增多具有極為敏感的響應(yīng)。

圖5 格爾木流域降水量變化曲線Fig.5 The precipitation curve in Golmu river basin

4.3 地下水埋深對(duì)植被分布的影響

地下水是維持干旱地區(qū)植被生態(tài)發(fā)展的重要水資源。地下水埋深是決定干旱、半干旱地區(qū)植被分布的重要指標(biāo)[10]。

山區(qū)由于降水極為豐沛，地下水埋深對(duì)植被的分布影響不大。山前戈壁帶由于地下水埋深過大，大多在幾十米甚至上百米，植被生長(zhǎng)難以利用地下水，故這一地帶植被分布極為稀少，零星分布的植被也為極為耐旱植物。隨著地下水埋深的減小，地表逐漸出現(xiàn)植被分布，且覆蓋度逐漸增加，植被類型也呈現(xiàn)出一定的過渡關(guān)系。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在地下水埋深為5 m的地段，地表植被類型大多為白刺、駱駝刺、怪柳、沙棘等灌木；地下水埋深在2 m以內(nèi)的地段，植被類型過渡為芨芨草、苔草、蘆葦?shù)?，同時(shí)伴生有白刺、怪柳等灌木，植被長(zhǎng)勢(shì)較好，覆蓋度(F)最大可超過50%；至沖湖積平原，地下水埋深極淺且徑流極慢，地下水在強(qiáng)烈蒸發(fā)條件下，地下水逐漸咸化，并出現(xiàn)鹽分累積于土壤中的現(xiàn)象，部分地段甚至開始出現(xiàn)鹽殼，植被類型轉(zhuǎn)變?yōu)槟望}植物，如鹽爪爪、羅布麻、矮紅柳等，植被分布變稀疏，覆蓋度(F)降低至20%以下。至下游鹽湖，地下水及土壤含鹽量已不適宜植被生長(zhǎng)，地表通常表現(xiàn)為鹽漠荒地。

4.4 人類活動(dòng)對(duì)植被分布的影響

人類活動(dòng)對(duì)植被分布的影響包括直接影響和間接影響。直接影響是指人類活動(dòng)開墾耕地、種植人工林以及建筑物修建等，直接引起的地表生態(tài)植被分布的改變；間接影響是指人類通過修建水利設(shè)施等，人為改變水資源的空間分布，進(jìn)而引起的植被分布變化。

從圖2可以看出，1993-2014年的22 a間，格爾木河流域內(nèi)耕地面積變化很小，農(nóng)業(yè)開墾對(duì)流域內(nèi)生態(tài)植被的分布極為有限。然而，建筑用地面積在22 a間呈現(xiàn)巨大增長(zhǎng)，由1993年的48 km2增加至2014年的255 km2，增幅達(dá)431%，新增建筑用地主要位于鹽湖附近的鹽湖工業(yè)園區(qū)及格爾木市城區(qū)，鹽湖工業(yè)園區(qū)新增建筑用地為鹽湖附近的鹽漠荒地，格爾木城區(qū)也主要向沖洪積扇上游擴(kuò)展，對(duì)流域內(nèi)原生植被分布影響較小。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，伴隨城區(qū)的延伸，沖洪積扇前緣種植了大量耐旱的人工綠化林，大大改善了地區(qū)生態(tài)景觀，并對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)保護(hù)起到了積極作用。

20世紀(jì)70年代，流域沖洪積扇上游修建了乃吉里水庫(kù)，并在格爾木河修建了水利樞紐，對(duì)區(qū)域地表水資源進(jìn)行調(diào)配。從圖2可知，1993年以來，流域內(nèi)河流面積出現(xiàn)了明顯減小，河流面積萎縮了54 km2，減小比例達(dá)69%，水利工程減少了地表水資源快速下泄過程中的浪費(fèi)，通過合理的時(shí)空調(diào)配，提高了地表水資源的利用率，擴(kuò)大了沖洪積扇前緣的綠洲范圍。從溢出帶附近“觀40”觀測(cè)孔地下水位長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)(圖6)可知，沖洪積扇前緣地下水水位在上游乃吉里水庫(kù)及格爾木河水利樞紐后有資料的觀測(cè)期內(nèi)一直處以上升狀態(tài)。地下水位的上升一方面由于降水增加，山區(qū)補(bǔ)給水增加，而另一方面則是因?yàn)樗畮?kù)及水利樞紐攔水情況下，地表水在沖洪積扇上部大量入滲補(bǔ)給進(jìn)入潛水含水層，造成的潛水位升高。地下水位的上升使得部分裸地形成了適宜植被生長(zhǎng)的地下水水位埋深，進(jìn)而使得流域內(nèi)植被覆蓋面積及濕地面積增加。

圖6 沖洪積扇前緣典型觀測(cè)孔地下水位變化趨勢(shì)圖Fig.6 The trend graph of the groundwater table in the typical observation hole at alluvial and flood fan front

(1)格爾木河流域生態(tài)環(huán)境總體上較為脆弱，植被發(fā)育較差，裸地占流域面積的48%，濕地面積次之，原生植被面積再次，二者分別占26%和18%。植被發(fā)育較好的地區(qū)(NDVI>0.10)主要為昆侖山區(qū)高海拔地帶、溝谷地區(qū)以及流域下游沖洪積扇前緣至湖積平原地區(qū)。

(2)1993-2014年22 a間流域內(nèi)裸地面積持續(xù)較小，而濕地面積及原生植被覆蓋面積均呈明顯增大的趨勢(shì)，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境整體呈明顯好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

(3)降水和地下水位埋深是植被分布的重要控制因素，其中山區(qū)及山前戈壁帶植被分布主要受控于降水，而沖洪積扇前緣以下植被分布則主要受地下水位埋深影響。1993年以來降水量的增加及地下水埋深的減小是流域植被生態(tài)環(huán)境改善的重要原因。

(4)地形地貌也是植被分布的重要影響因素。不同的地形地貌單元具有不同的土壤、降水和地下水埋藏條件，植被分布也具有相應(yīng)的特點(diǎn)。海拔較高的山區(qū)主要發(fā)育耐寒植被，覆蓋度較高；山區(qū)戈壁帶至湖積平原植被類型由旱生植被過渡到喜水植被再到耐鹽植被，覆蓋度也由低升高再降低；鹽湖地區(qū)植被基本不發(fā)育。

(5)水利工程的修建對(duì)流域水資源的時(shí)空不均勻性起到了很好的調(diào)配作用，大大提高了水資源的利用率，對(duì)改善流域生態(tài)植被環(huán)境起到了積極作用。鹽湖工業(yè)園區(qū)的建設(shè)及格爾木市城區(qū)的擴(kuò)展并未對(duì)流域生態(tài)植被分布造成影響。

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