王珊珊，王金林，周可法，汪 瑋，萬應(yīng)彩

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆礦產(chǎn)資源與數(shù)字地質(zhì)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 3.中國科學(xué)院新疆礦產(chǎn)資源研究中心，新疆 烏魯木齊 830011； 4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

塔里木河是我國最長的內(nèi)陸河，具有自然資源豐富和生態(tài)系統(tǒng)脆弱的雙重性特點，是保障塔里木盆地綠洲經(jīng)濟(jì)、自然生態(tài)和新疆各族人民生活的生命線，同時在干旱區(qū)水資源研究方面具有代表性[1-4]。塔里木河流域?qū)儆跇O端干旱環(huán)境，流域內(nèi)幾乎所有的自然過程或人類活動都直接或間接受制于水資源的限制，因此對水資源進(jìn)行全方位的觀測非常必要和緊迫。目前，塔里木河下游已成為國內(nèi)甚至國外研究和恢復(fù)保護(hù)的熱點地區(qū)之一，引起了國內(nèi)外各行各業(yè)的廣泛關(guān)注[5-9]。

1972年，塔里木河道完全斷流，從而導(dǎo)致下游地下水位顯著下降，河道沿岸的天然植被大面積退化和嚴(yán)重的土地荒漠化[10-11]。2000年，為了下游河段沿岸的生態(tài)恢復(fù)，塔里木河實施了間歇性生態(tài)輸水，使斷流區(qū)域生態(tài)和環(huán)境發(fā)生了變化，土地利用/土地覆蓋變化(land-use/land cover change, LUCC)也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化[12]。LUCC是衡量一個地區(qū)生態(tài)和環(huán)境是否可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)之一，也是引起其他環(huán)境變化問題的主要原因之一，在區(qū)域環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展研究中占有重要地位[13-15]。

針對不同衛(wèi)星資料和輔助數(shù)據(jù)，眾多學(xué)者開展了景觀生態(tài)、植被監(jiān)測、LUCC等研究。Kennedy等[16]應(yīng)用Landsat TM/ETM+各個波段的反射率，通過回歸分析方法模擬了第五波段變化，對1988—2007年烏克蘭喀爾巴阡山的森林覆蓋情況在人為影響的變化軌跡進(jìn)行監(jiān)測。Zhou等[17]結(jié)合Landsat TM、ETM+、SPOT和MSS等多時相、多源遙感數(shù)據(jù)，通過各時相LUCC變化軌跡研究基于人為因素下的LUCC的過程特征。朱長明等[18]基于2000—2017年MOD13Q1密集時序植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)，反演和監(jiān)測塔里木河下游植被覆蓋度(fractional vegetation cover, FVC)變化，探討了塔里木河下游植被在生態(tài)輸水條件下的生長和恢復(fù)情況。Liu等[19]結(jié)合Landsat TM/ETM和CBERS/CCD遙感圖像，通過土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(soil adjusted vegetation index, SAVI)法研究1999—2010年塔里木河下游植被恢復(fù)狀況。各位學(xué)者通過穩(wěn)定的、長時間序列和不同時間段的遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行植被、土地利用和環(huán)境資源大范圍、體系化的研究，對區(qū)域乃至全球的LUCC和生態(tài)恢復(fù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

本文從塔里木河流域的生態(tài)輸水情況出發(fā)，基于時間軌跡分析方法，以遙感影像資料和生態(tài)輸水監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，采用ENVI和GIS為數(shù)據(jù)分析處理工具，分析塔里木河下游LUCC對生態(tài)輸水的響應(yīng)，以期為塔里木河流域水資源優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為塔里木河下游斷流地區(qū)，該區(qū)位于塔克拉瑪干和庫魯克兩大沙漠之間，海拔在801.50～846.25 m之間，特瑪湖區(qū)為最低點(801.50 m)。塔里木河下游沿岸發(fā)育呈帶狀分布的干旱區(qū)荒漠河岸林，在荒漠之中形成一道著名的“綠色走廊”。本文研究區(qū)域地理位置為86°00′E～89°30′E和39°00′N～41°30′N(圖1)。為了充分研究受生態(tài)輸水不同影響程度的區(qū)域，本文以生態(tài)輸水主河道為中心線，向兩側(cè)建立近30～50 km的緩沖帶，以此作為本研究重點討論的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

研究區(qū)屬大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候，多年平均降水量僅17.4～42.0 mm，潛在年蒸發(fā)量(蒸發(fā)力)高達(dá)2 500～3 000 mm，為年降水量的79.6～166.8倍；年平均氣溫10.7～11.5 ℃，年較差達(dá)35.7～35.9 ℃；太陽總輻射5 692～6 360 MJ/m2，日照時數(shù)2 780～2 980 h，大于或等于10 ℃年積溫為 4 100～4 300 ℃。降水量與潛在蒸發(fā)量有著強(qiáng)烈反差，導(dǎo)致該區(qū)域極度干燥，是中國最干旱地區(qū)之一。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本文獲取的多景Landsat TM、ETM+和OLI遙感影像從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官方網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov)免費下載。TM、ETM+和OLI遙感數(shù)據(jù)為30 m空間分辨率、包括可見光、近紅外波段和短波紅外波段的光譜分辨率。由于遙感影像存在儀器本身、拍攝天氣和獲取時間等一系列問題，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)中的云覆蓋情況、條紋噪音以及波段間的空間位置匹配情況對圖像進(jìn)行了篩選，并將成像日期限制在植被生長旺盛、物候特征穩(wěn)定的時間階段的影像。根據(jù)以上限制因素和對研究區(qū)的分析，分別獲取于1990年和2015年夏季中旬，天氣狀況良好，圖像軌道號分別為143/31、142/31、142/32、142/33、141/31、141/32、141/33、141/34、140/33的多景遙感影像數(shù)據(jù)。

采用圖像到圖像的配準(zhǔn)方法，以2000年遙感影像圖為基準(zhǔn)，對2015年遙感影像進(jìn)行幾何糾正。地面控制點(GCP)主要選擇道路、河流交叉口、建筑邊界、遠(yuǎn)離公路的孤立植被點等；GCP每幅不少于30個，均勻分布，河道沿岸適當(dāng)加密。采用二次多項式進(jìn)行幾何糾正，并保證了配準(zhǔn)時的殘差在一個像元以內(nèi)，以達(dá)到制圖精度的要求。為了便于出圖，對幾何糾正后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行9幅圖遙感圖像的鑲嵌。鑲嵌時應(yīng)當(dāng)選擇占研究區(qū)域最多面積且數(shù)據(jù)質(zhì)量好的一景影像作為基準(zhǔn)圖像，其余幾景影像顏色平衡到基準(zhǔn)圖像。同時，對兩幅影像運用ENVI 5.3中的FLAASH模塊進(jìn)行了大氣糾正，以消除大氣對影像的影響。

2.2 LUCC信息提取

對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分類并提取LUCC信息時，建立一個符合研究區(qū)特點的分類體系是至關(guān)重要的。不同的分類標(biāo)準(zhǔn)和體系有可能導(dǎo)致LUCC分析的結(jié)果大相徑庭。因此，根據(jù)研究區(qū)的地物和研究目的，選擇合適的土地利用類型不僅可以有利于LUCC的監(jiān)測，還可以減小分類中的誤差。研究區(qū)域范圍內(nèi)主要有：自然植被(林地、草地和濕地)、人工用地、戈壁和沙漠等。參考中國土地資源分類系統(tǒng)一級分類標(biāo)準(zhǔn)[20]和依據(jù)塔里木河下游的土地利用和規(guī)劃的特點，如植被高度、覆蓋度、植被1 a中被水覆蓋的時間和年積溫等指標(biāo)，將20個二級土地利用類型合并為林地、草地、耕地、濕地、人工表面及其他等6個一級土地利用單元(表1)。

表1 研究區(qū)域LUCC分類標(biāo)準(zhǔn)

通過表1分類標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用遙感圖像處理軟件ENVI 5.3對2000—2015年的研究區(qū)影像圖進(jìn)行監(jiān)督分類，提取研究區(qū)的LUCC(圖2)。其中，整體分類精確度分別為85.92%和87.21%，達(dá)到了精度要求，滿足對LUCC等監(jiān)測的需求。

3 結(jié)果與分析

3.1 塔里木河下游間歇性生態(tài)輸水統(tǒng)計分析

自20世紀(jì)50年代以來，塔里木河下游受到了高強(qiáng)度人類活動的影響，導(dǎo)致植被處于衰敗趨勢，沙漠化越來越嚴(yán)重。2000年5月，新疆維吾爾自治區(qū)人民政府以拯救塔里木河下游“綠色走廊”為目的，而實施了“塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程”，并于2001年實施了“塔里木河流域近期綜合治理工程”。2001年，國務(wù)院以國函【2001】74號文批準(zhǔn)并執(zhí)行共計107億元的《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》項目投資，同時，世界銀行針對塔里木河流域生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)給予大量的貸款支持[12,21-22]。

(a) 2000年

由于遙感數(shù)據(jù)源的限制，僅采用了2000年和2015年的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行塔里木河下游LUCC分析，考慮到選用遙感數(shù)據(jù)的時間和跨度及研究的LUCC與生態(tài)輸水的關(guān)系，所以選用2000—2015年的16次輸水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。據(jù)塔里木河流域管理局監(jiān)測數(shù)據(jù)，《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》項目實施以來，自2000年起實施至2015年年底已完成了16次共計21期的生態(tài)輸水，輸水總量已達(dá)到51.35億m3，多次實現(xiàn)了雙河道輸水，水頭多次到達(dá)臺特馬湖，并形成了大面積的水域(圖3)。這樣大規(guī)模的間歇性人工輸水工程，在全國乃至全球范圍內(nèi)都實屬罕見。

圖3 塔里木河下游應(yīng)急輸水量年度變化

3.2 LUCC的數(shù)量特征與趨勢分析

根據(jù)圖2可以對16年間塔里木河下游地區(qū)的土地利用變化進(jìn)行分析。表2直觀展現(xiàn)了2000年與2015年之間的土地利用變化，可以看出林地和草地2015年比2000年分別增加了823個和1 347個像元；耕地、濕地和人工用地2015年比2000年分別減少了1 422個、736個和222個像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210個像元。

表2 2000年和2015年不同土地利用類型的變化

表3 2000—2015年LUCC轉(zhuǎn)移矩陣

為了更清楚地了解和分析2000—2015年LUCC的變化，計算了2000—2015年間塔里木河下游地區(qū)LUCC的轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見表3。從表3可以看出，2000—2015年塔里木河下游區(qū)域的LUCC變化不大，變化的面積為772.57 km2，總面積為16 761.03 km2，變化面積占總面積的4.61%。耕地、人工表面和濕地的面積均有不同程度的增加，分別增加了 215.71 km2(41.71%)、47.78 km2(137.63%)、122.80 km2(55.74%))；草地、林地和戈壁、裸土、沙漠等其他用地面積有所減少，分別減少了209.65 km2(31.33%)、7.87 km2(0.16%)與168.77 km2(1.63%)。

采礦場、建設(shè)用地、交通用地等人工表面迅速擴(kuò)張(擴(kuò)大了137.63%)，主要來源于其他用地(71.32%)、草地(17.16%)、林地(8.54%)、耕地(3.96%)以及濕地(0.58%)。濕地增加了122.80 km2(55.74%)，主要來源于林地(54.21%)、草地(33.71%)和其他用地(22.89%)。在減少的類型中，減少的草地主要用于增加耕地(56.30%)和濕地(19.75%)等土地類型。其中，人工表面所占面積并不大，由2000年34.72 km2的變?yōu)榱?015年的82.49 km2，但增長速度極快。

LUCC的遙感變化檢測，需要獲取3方面的信息：變化的位置、變化的方向和變化的過程，其中變化位置對于生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測最為重要，有助于分析和解釋變化的原因。在驅(qū)動因子明確的情況下，變化過程研究有利于揭示LUCC對生態(tài)、環(huán)境改變和人類干預(yù)的響應(yīng)，有利于揭示LUCC變化趨勢。

對2000年和2015年的土地利用分類圖進(jìn)行疊加分析，得到了2000—2015年塔里木河下游LUCC分布圖，如圖4所示。八十橋附近(86°17′48″E，41°12′9.69″N)有一塊草地變?yōu)榱肆值?。恰拉水庫附近，河道沿岸區(qū)域2000年的LUCC為草地林地，2015年的土地類型變?yōu)榱藵竦睾娃r(nóng)田。2000年大西海子水庫附近的草地，2015年大部分變?yōu)榱藵竦?，小部分變?yōu)榱肆值?。在瓊達(dá)里亞什克附近(88°15′49″E，39°29′46″N)由2000年的戈壁、裸土、沙漠等其他用地，變?yōu)榱?015年的林地和濕地。在研究區(qū)的最南邊的若羌縣(88°16′15″E，39°3′3.9″N)內(nèi)有一塊條帶狀的2000年的草地，2015年變?yōu)榱烁亍?/p>

此外，LUCC主要發(fā)生在塔里木河下游區(qū)域的河道兩旁，主要分布在河水漫溢、滯留區(qū)，說明河水漫溢可以促進(jìn)局部植被的恢復(fù)。轉(zhuǎn)變類型主要是草地類型變化為濕地和耕地類型，土地利用變化呈現(xiàn)出破碎化、不規(guī)則化和復(fù)雜化的趨勢。

圖4 2000—2015年塔里木河下游LUCC分布

3.3 植被面積變化與生態(tài)輸水的響應(yīng)

2000年5月至2015年11月共計16次、1 670 d的51.35億m3間歇性生態(tài)輸水，使植被面積總體上呈增加趨勢，2015年較2000年植被面積增加382.85 km2；人工表面也呈現(xiàn)增加趨勢，2015年較2000年增加面積為356.10 km2；戈壁、裸土、沙漠等其他用地面積有所下降，減少了738.95 km2。

研究表明，輸水效益的呈現(xiàn)是一個長達(dá)數(shù)年的過程，正如輸水前植被退化過程很遲緩一樣，下游植被的生態(tài)響應(yīng)和地下水的響應(yīng)在一個大的空間、時間尺度上將是逐漸呈現(xiàn)出來的[18,23-24]。各年植被面積與其前一年的生態(tài)輸水累積量呈正相關(guān)關(guān)系，植被面積隨生態(tài)輸水的增加而增加，但是植被面積的增加滯后1 a，也就是說植被面積對生態(tài)輸水的響應(yīng)有1 a的滯后期。2014年6月的輸水僅9 d，輸水量727萬m3；2015年的輸水主要在秋季進(jìn)行，此時已經(jīng)錯過了植被的生長旺季。這將影響2015年的當(dāng)年植被面積，然而秋季的生態(tài)輸水將主要通過補(bǔ)給地下水，對2016年植被的生長產(chǎn)生影響。因此，植被面積的變化受多種因素影響，如當(dāng)年的氣候、輸水量、輸水天數(shù)、輸水時間、輸水的平均速度和人為因素等。研究還表明塔里木河下游地下水的主要補(bǔ)給來源為河道徑流以垂向和側(cè)向的方式補(bǔ)給，地下水波動幅度隨距離的增加在縱橫兩個方向上均逐步減緩[1,6,25]。通過遙感解譯和野外監(jiān)測，可以看出生態(tài)輸水使得塔里木河下游的淺層地下水位有所升高，地表植被的物種數(shù)目和豐富度逐漸增加，如豬毛菜、白刺、駱駝刺、蘆葦、沙棗、甘草等植物區(qū)域性出現(xiàn)，一些耐旱的喬灌木也慢慢恢復(fù)，植被群落生物多樣性得到逐漸恢復(fù)。同時，人工表面呈現(xiàn)增加趨勢，戈壁、裸土、沙漠等其他用地的面積大幅度下降，也表明了2000年以來塔里木河下游區(qū)域受到人類活動的影響越來越多，人為因素的作用也越來越強(qiáng)。但從2000—2015年LUCC與生態(tài)輸水的響應(yīng)來看，植被的增加和恢復(fù)仍然主要集中在部分區(qū)域，還沒有達(dá)到恢復(fù)和重建塔里木河下游生態(tài)和環(huán)境的總體目標(biāo)。同時，遙感數(shù)據(jù)的時相要與LUCC的時間特征相協(xié)調(diào)，才能夠有效檢測變化的特征[26-27]。本研究由于遙感數(shù)據(jù)源的限制，僅用2000—2015年的2個時相數(shù)據(jù)來說明植被面積與生態(tài)輸水量之間的相關(guān)性，可能不夠充分，但仍具有啟示意義。

要完成大規(guī)模塔里木河下游生態(tài)恢復(fù)，必須采取有針對性的輸水方式，使輸水效益和輸水配置達(dá)到最大化和最優(yōu)化[6,28]。根據(jù)2000—2015年的生態(tài)輸水實踐和積累的經(jīng)驗，知道必須結(jié)合水情來調(diào)節(jié)河水漫溢的次數(shù)、干擾的強(qiáng)度和輸水時間。首先，采用相比于自然狀態(tài)河水漫溢更為靈活的方式：枯水期時，以線狀輸水為主；豐水期時，增加汊河和面狀輸水，擴(kuò)大地下水的補(bǔ)給范圍，這將避免自然狀態(tài)下河水集中耗散的問題。其次，利用水庫調(diào)度功能合理調(diào)控輸水時段，選擇每年4—5月、8—10月為主要輸水時間。草甸植被恢復(fù)采用間歇機(jī)動式水量調(diào)度，而林、灌、草植被生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)以水量量級分配、斷面流量和總量控制等方式進(jìn)行水量調(diào)度。同時，要加強(qiáng)塔河流域的監(jiān)測、監(jiān)控和水資源統(tǒng)一調(diào)控設(shè)施、體制的完善。要促進(jìn)塔河流域水資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，仍需要長期堅持不懈的努力。

4 結(jié) 論

從變化趨勢看，研究區(qū)在2000—2015年間，林地和草地分別增加了823個和1 347個像元；耕地、濕地和人工用地分別減少了1 422個、736個和 222個像元；戈壁、裸土、沙漠等其他用地2015年比2000年增加了210個像元，其中植被的轉(zhuǎn)變占優(yōu)勢，并引起植被面積擴(kuò)大。植被面積總體上呈增加趨勢，2015年較2000年凈增植被面積382.85 km2；人工表面也呈增加趨勢，2015年較2000年凈增356.10 km2；其他用地的面積共計減少了738.95 km2。輸水過程中，植被面積總體上呈擴(kuò)大趨勢，但植被總面積的擴(kuò)大對生態(tài)輸水有1 a的滯后。LUCC主要發(fā)生在塔里木河下游區(qū)域的河水漫溢、滯留區(qū)，說明河水漫溢可以促進(jìn)局部植被的恢復(fù)，主要為草地類型變化為濕地和耕地類型，變化趨勢呈現(xiàn)出破碎化、不規(guī)則化和復(fù)雜化的趨勢。塔里木河下游LUCC除影響該地區(qū)地下水、微氣候、自然植被覆蓋、野生動物分布等自然環(huán)境外，還將對該地區(qū)的人類生活方式和生活水平產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響。