董國濤，廉耀康，范正軍，暢祥生，谷佳賀

（1.黃河水利科學研究院水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南鄭州450003；2.黑河水資源與生態(tài)保護研究中心，甘肅蘭州730030）

綠洲是干旱區(qū)群眾生存和生產(chǎn)的核心場所，綠洲的穩(wěn)定與否直接關(guān)系區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［1］。黑河是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河，流域下游區(qū)域干旱少雨，生態(tài)極為脆弱。自20世紀60年代以來，流域人口數(shù)量持續(xù)增長，中游水土資源開發(fā)突出，社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境改善與水資源供需矛盾日益加劇，致使黑河下游額濟納綠洲生態(tài)環(huán)境不斷惡化，尾閭湖泊干涸。面對日益惡化的下游生態(tài)問題，2000年開始實施黑河干流水資源統(tǒng)一調(diào)度，向下游輸送生態(tài)用水［2］。黑河流域?qū)嵤┥鷳B(tài)調(diào)水以來，下游額濟納綠洲生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。喬西現(xiàn)等［3］研究表明，生態(tài)輸水使得東、西居延海生態(tài)環(huán)境正向良好的方向轉(zhuǎn)變；郭鈮等［4］利用調(diào)水初期的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析表明，河道周圍的額濟納綠洲植被得到較明顯恢復；張一馳等［5］對2000—2009年額濟納地區(qū)植被指數(shù)的分析表明，生態(tài)輸水后額濟納地區(qū)植被呈恢復趨勢，下游生態(tài)恢復尤其明顯；牛最榮等［6-7］研究表明，2000年生態(tài)調(diào)水以來下游區(qū)域地下水位逐年回升，整個額濟納綠洲地下水位回升了0.56 m；廖杰等［8］分析黑河調(diào)水以來額濟納盆地湖泊面積變化表明，2002—2015年湖泊由干涸狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樾钏疇顟B(tài)。

黑河生態(tài)調(diào)水已近20 a，進入下游地區(qū)的水資源量持續(xù)增加，下游綠洲生態(tài)環(huán)境發(fā)生顯著變化。為準確評估近20 a生態(tài)調(diào)水對下游植被的影響，基于遙感手段獲取下游綠洲土地利用和植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，對比分析黑河生態(tài)調(diào)水前后下游綠洲植被變化特征，以期為下游生態(tài)治理保護和水資源優(yōu)化配置提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于青藏高原東北側(cè)的祁連山區(qū)，流經(jīng)河西走廊中部，最終注入內(nèi)蒙古額濟納旗的居延海。流域面積14.30萬km2，干流全長928 km，橫跨3種不同的自然環(huán)境單元（見圖1）。額濟納綠洲位于黑河流域下游，隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟。地形呈扇狀，地勢西南高，北邊低，中間呈低平狀，海拔1 200～1 400 m。額濟納綠洲氣候極端干旱，年均氣溫9.1℃，年均降水量34.5 mm，蒸發(fā)強烈，黑河中游來水是該地區(qū)的主要水源。綠洲植被以胡楊、沙棗、檉柳為主，林下草本和灌木、半灌木以苦豆子和芨芨草為主。額濟納綠洲是我國第二大胡楊林生長地，是維護阿拉善和河西走廊，以及整個中國北方地區(qū)生態(tài)安全的重要屏障。額濟納綠洲的生態(tài)環(huán)境問題是跨地區(qū)的區(qū)域性環(huán)境問題，關(guān)系到額濟納及中國北方地區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 研究區(qū)位置示意

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

美國國家航天航空局全球監(jiān)測與模型組（GIMMS）歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)集（1981—2015年）空間分辨率為8 km×8 km，時間分辨率為15 d。該數(shù)據(jù)消除了火山爆發(fā)、太陽高度角等因素的影響，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應用。中分辨率成像光譜儀（MODIS）NDVI數(shù)據(jù)集（2000—2017年）來源于美國國家航空航天局的MOD13Q1數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m×250 m，時間分辨率為16 d。兩種數(shù)據(jù)集經(jīng)過拼接、投影轉(zhuǎn)換、裁剪等預處理，利用重疊期（2000—2015年）NDVI建立相關(guān)關(guān)系，將數(shù)據(jù)延長為1981—2017年的NDVI數(shù)據(jù)，分別計算1981—2017年NDVI最大合成值和生長季NDVI均值兩種系列數(shù)據(jù)。

Landsat數(shù)據(jù)由美國航天局（NASA）實施的陸地衛(wèi)星計劃推出，空間分辨率為30 m。本文主要以1987年、2000年、2011年、2017年 4個典型年的 Landsat TM、ETM 及OLI遙感影像（軌道號 133/31、134/31）為基本數(shù)據(jù)源，在進行輻射定標、幾何精糾正、大氣校正、無縫鑲嵌和研究區(qū)裁切等預處理的基礎(chǔ)上，參考土地利用現(xiàn)狀分類國家標準，通過人機交互式解譯方法［9］獲取研究區(qū)4個時期的土地利用類型數(shù)據(jù)。

研究區(qū)土地利用解譯結(jié)果通過不同的方法進行驗證，其中2011年和2017年解譯結(jié)果采用野外考察驗證，2000年解譯結(jié)果利用SPOT影像驗證，1987年解譯精度通過查閱歷史文檔和地圖資料，以及訪談當?shù)鼐用竦姆椒炞C，綜合檢驗土地利用解譯精度為87.5%，解譯結(jié)果滿足研究需求。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析

每個柵格的變化趨勢和單個像元的時間變化特征可以反映整個空間的變化規(guī)律，進而表征區(qū)域時空格局的演變。采用一元線性回歸方法在像元尺度對NDVI變化趨勢進行擬合，擬合方程的斜率表示變化強度，該方法消除了研究時段內(nèi)隨機性偶發(fā)因素的影響，更接近于植被真實的變化。計算公式為

式中：Slope為植被指數(shù)NDVI變化率；n為檢測樣本數(shù)；i為年序列號；NDVIi為第i年植被指數(shù)NDVI的最大合成值。

Slope大于0表示植被指數(shù)呈上升趨勢，植被狀況有所改善；Slope小于0表示植被指數(shù)呈下降趨勢，植被生長退化。

2.2.2 土地利用類型動態(tài)度

土地利用類型動態(tài)度指某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型數(shù)量變化情況。土地利用類型動態(tài)度可以真實反映土地利用類型變化的劇烈程度，計算公式為

式中：K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長，當T設(shè)定為年時，K值就是該研究區(qū)某土地利用類型年變化率。

2.2.3 轉(zhuǎn)移矩陣法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化方面的應用，不僅可以定量表明不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，而且可以揭示不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)移速率。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述，包括研究區(qū)所有土地利用類型數(shù)據(jù)、土地利用變化特征及其不同土地利用類型年際變化特點。

式中：Sij為i地類轉(zhuǎn)換成j地類的面積；i、j為轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型；n為土地利用類型數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 綠洲土地利用變化時空特征

研究區(qū)1987年、2000年、2011年、2017年土地利用類型（一級分類標準）面積及其占比見表1。1987—2017年，研究區(qū)土地利用類型中面積占比最大的是未利用地，其次是林草地。1987—2000年，研究區(qū)耕地和低覆被草地面積增加顯著，分別增加302.6%和143.0%；林地和高、中覆被草地面積大幅減少，高覆被草地面積減少76.8%，林地面積減少55.7%，其中灌木林地減少最為明顯。這一時期研究區(qū)林草植被和水域面積均呈減少趨勢，最突出的是1992年東居延海干涸。2000—2011年，耕地、水域和城鎮(zhèn)用地面積顯著增加，增幅均超過80%；疏林地、中低覆被草地面積減少，有林地、灌木林地和高覆被草地面積增加；未利用地減少了148.03 km2。2011—2017年，林地和高、中覆被草地面積均呈明顯增加趨勢，其中有林地、灌木林地和高覆被草地面積增幅超過80%；耕地面積減少22.3%；低覆被草地面積大幅度減少，減幅為47.8%。

總體來說，林草地面積變化過程呈V形，2000年生態(tài)調(diào)水以來，額濟納綠洲林草地面積顯著增加，有林地面積基本恢復到1987年水平，水域面積持續(xù)擴大，已超過20世紀80年代中后期水平。

4個時期額濟納綠洲各類土地空間分布見圖2。由圖2可知，20世紀80年代中后期額濟納綠洲林草地分布廣泛，主要位于東河上游和下游、西河全流域，其中東河下游地區(qū)林草地集中連片分布，東居延海水域面積較大，耕地有零星分布；1987—2000年林草地面積快速萎縮，其中東河下游林地面積減少顯著，西河下游林草地面積減少幅度最大，東居延海水域干涸，東、西河上游地區(qū)存在大面積擴耕現(xiàn)象；2000—2011年東、西河下游林草地面積緩慢增長，耕地和城鎮(zhèn)用地面積持續(xù)增加，東、西河中間地帶草地存在退化，東居延海面積恢復到20世紀80年代水平；2011—2017年東河下游林地面積顯著增加，西河中下游林草地面積持續(xù)增加，耕地面積受當?shù)卣{(diào)控有所下降，東居延海面積繼續(xù)擴大。

3.2 土地利用類型轉(zhuǎn)換分析

以2000—2011年為例呈現(xiàn)不同時期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（見表2）。根據(jù)3個時期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，1987—2000年，耕地和低覆被草地面積增加較為明顯，耕地面積的增加主要來源于中、高覆被草地，低覆被草地面積的增加主要來源于中覆被草地；林地、中高覆被草地的面積均有不同程度減少，其主要去向為低覆被草地和未利用地。水域面積減少了將近40%，主要轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠢玫?。說明這一時期受中游來水影響，下游生態(tài)環(huán)境向惡化的趨勢發(fā)展。2000—2011年，耕地、林地和水域面積增加較快，其中耕地和水域面積的增加主要來自未利用地，林地面積的增加主要來源于低覆被草地；面積減少最明顯的是未利用地，減少的未利用地主要去向是草地。2011—2017年，面積增加最明顯的是林地和水域，其中林地面積的增加主要來源于低覆被草地和中覆被草地，水域面積的增加主要來源于未利用地；面積減少最明顯的是未利用地，其主要去向是低覆被草地和林地。整體來看，1987—2017年，土地利用類型轉(zhuǎn)換主要經(jīng)歷了由林地和中、高覆被草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透脖徊莸睾臀蠢玫?，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾椭懈吒脖徊莸氐倪^程。明顯增加，其中高覆被草地和林地面積增長速率較快，分別為24.71%、10.77%。這說明黑河生態(tài)調(diào)水對下游植被恢復起到關(guān)鍵作用，尤其是2011年以后，隨著生態(tài)調(diào)水年份的增加，林草地向高覆被轉(zhuǎn)變趨勢明顯。

表1 1987—2017年研究區(qū)土地利用類型分布

圖2 不同時期額濟納綠洲各類土地空間分布

表2 2000—2011年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 1987—2017年土地利用年變化率 %

3.3 綠洲植被變化速度分析

黑河額濟納綠洲土地利用年變化率見表3，由表3可知，1987—2000年，林地、中覆被草地、高覆被草地、水域面積均有不同程度減少，其中：面積減少率較大的土地類型有高覆被草地和林地，年變化率分別為-5.49%、-3.98%；面積增加率較大的土地類型有耕地和低覆被草地，年變化率分別為21.62%、10.22%。2000—2011年，除未利用地、中覆被草地、低覆被草地面積有所減少外，其他土地類型面積均增加，其中水域和耕地面積增加較快，年變化率分別為 7.67%、7.18%。2011—2017年，土地利用類型中面積減少的有耕地、低覆被草地、未利用地，林地、水域等面積均有

3.4 綠洲植被蓋度動態(tài)分析

研究區(qū)1982—2017年植被NDVI年最大合成值和生長季NDVI均值變化見圖3。研究區(qū)NDVI年最大合成值最高值和生長季NDVI均值最高值均出現(xiàn)在2017年，分別為 0.123、0.107。 1982—1995年綠洲植被NDVI波動變化，1995—2000年呈現(xiàn)明顯下降趨勢，2000年開始實施生態(tài)調(diào)水后，自2003年起植被NDVI呈現(xiàn)快速增長趨勢，年均增加0.002，NDVI生長季均值與年最大合成值變化趨勢一致。

研究區(qū)2000—2017年NDVI變化趨勢（見圖4）表明：Slope大于 0的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的92.35%。整體來看，研究區(qū)內(nèi)NDVI整體呈上升趨勢，植被覆蓋情況明顯好轉(zhuǎn)，同時存在顯著改善區(qū)和顯著退化區(qū)，黑河下游地區(qū)植被覆蓋變化具有明顯的區(qū)域差異。其中：植被恢復較好的區(qū)域主要分布在西河上中游區(qū)域、東河上游和下游區(qū)，尤其是額濟納綠洲核心區(qū)較為顯著，這與黑河生態(tài)調(diào)水息息相關(guān)；植被覆蓋顯著下降的區(qū)域所占面積較小，零散分布在額濟納三道河和四道河干渠之間及狼心山水文站周邊地區(qū)。

圖3 1982—2017年植被NDVI變化情況

圖4 2000—2017年NDVI變化趨勢

研究區(qū)植被NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計見表4，由表4可知，2000—2017年植被NDVI退化區(qū)域甚微，退化區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的比例不到2%，其中：輕微退化面積占比為1.57%；研究區(qū)植被NDVI基本保持不變的區(qū)域占比為67.58%，主要是研究區(qū)的未利用地；輕度改善和中度改善的面積占總面積的25.94%；明顯改善區(qū)域面積超過300 km2，主要分布在東河上游和下游、西河上中游及東居延海周邊地區(qū)。

表4 2000—2017年研究區(qū)年均NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計

4 結(jié) 論

基于遙感衛(wèi)星影像解譯獲取的4期土地利用變化數(shù)據(jù)及1981—2015年GIMMS NDVI和2000—2017年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，研究了黑河生態(tài)調(diào)水后下游綠洲植被變化特征。額濟納綠洲林草地變化過程呈現(xiàn)V形，2000年開始生態(tài)調(diào)水以來，下游林草地面積顯著增加，有林地面積基本恢復到1987年水平，水域面積持續(xù)擴大。1987—2017年，土地利用類型轉(zhuǎn)換主要經(jīng)歷了由林地和中、高覆被草地轉(zhuǎn)變?yōu)榈透脖徊莸睾臀蠢玫兀笥洲D(zhuǎn)變?yōu)榱值睾椭?、高覆被草地的過程。黑河生態(tài)調(diào)水對下游植被恢復起關(guān)鍵作用，隨著生態(tài)調(diào)水年份的增加，林草地向高覆被轉(zhuǎn)變趨勢明顯。研究區(qū)植被覆被度明顯上升，植被覆被改善區(qū)域占總面積的比例近30%，退化區(qū)域面積占比不到2%，表明生態(tài)調(diào)水后下游植被明顯改善。