孫占海，李旭，張學(xué)東

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，針對(duì)大尺度覆蓋范圍、時(shí)間連續(xù)性等要求，在干旱地區(qū)對(duì)區(qū)域水文因子與植被的關(guān)系研究已經(jīng)獲得較多進(jìn)展，在利用遙感數(shù)據(jù)分析各類植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)（NDVI）應(yīng)用較為廣泛［1］，水文驅(qū)動(dòng)力對(duì)胡楊的生長(zhǎng)勢(shì)態(tài)存在重要影響［2］。塔里木河是我國(guó)最長(zhǎng)的內(nèi)陸河，地處天山南麓，塔克拉瑪干沙漠北緣，因葉爾羌河、阿克蘇河、和田河3條源流上游取水過度及因全球氣候變暖使冰川、積雪消融不穩(wěn)定等因素影響，導(dǎo)致塔里木河流域的生態(tài)水文過程有明顯的不穩(wěn)定性［3］。塔里木河流域兩岸生長(zhǎng)著我國(guó)最古老的天然胡楊林群落，胡楊林的生態(tài)特征和時(shí)空分布對(duì)水文變化過程有較敏感的響應(yīng)［4］。

目前對(duì)于塔里木河沿岸胡楊林生長(zhǎng)量的相關(guān)研究較多［5-8］，國(guó)內(nèi)學(xué)者在胡楊NDVI和水文因子的內(nèi)在聯(lián)系方面開展了很多研究。李本綱等［9］研究結(jié)果表明，在全國(guó)范圍內(nèi)植被NDVI與氣溫和降水等因素相關(guān)性顯著，在完全依賴灌溉農(nóng)業(yè)的西北干旱地區(qū)，NDVI與降水量相關(guān)性最低，植被指數(shù)與降水關(guān)系不大，與溫度相關(guān)性不顯著。高生峰等［10］通過研究塔里木河中上游地區(qū)輸水前后水文因子對(duì)胡楊長(zhǎng)勢(shì)的影響，研究結(jié)果表明生態(tài)補(bǔ)水在一定程度上緩解了胡楊水分脅迫，使得胡楊的生長(zhǎng)環(huán)境得以好轉(zhuǎn)。茍曉霞等［11］以基部斷面生長(zhǎng)增量為出發(fā)點(diǎn)研究了胡楊對(duì)徑流量的響應(yīng)關(guān)系，研究結(jié)果表明塔里木河中游采樣區(qū)胡楊徑向生長(zhǎng)的最合理徑流量的范圍為0.380 3×108～1.205 6×108m3。林家煌等［12］的研究表明胡楊平均生長(zhǎng)量與相應(yīng)年均NDVI相關(guān)性不顯著。李秀花等［13］通過定量分析了1981—2001年間氣象資料及遙感影像，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDVI的變化與氣候變化相關(guān)性顯著。XUE L等［14］采用渦度協(xié)方差法對(duì)胡楊林的碳、水和能量通量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)以及胡楊對(duì)大氣中二氧化碳（CO2）的吸收展開研究，結(jié)果表明，在CO2濃度增加和空氣相對(duì)濕度（RH）增大的情況下能促進(jìn)水分利用效率（WUE）、光合有效輻射（PAR）和NDVI的增加。WANG等［15］通過監(jiān)測(cè)胡楊葉片葉綠素含量發(fā)現(xiàn)，5—8月健康胡楊葉片相較于水分脅迫胡楊葉片更為集中，光譜曲線相對(duì)一致。BILAL I等［16］基于無人機(jī)測(cè)量胡楊生態(tài)與形態(tài)參數(shù)確定了理想和受脅迫的地下水深度，研究結(jié)果表明胡楊耐鹽性強(qiáng)，隨著地下水位埋深的增加，胡楊在干旱條件下不斷降低其生長(zhǎng)狀態(tài)以維持水力效率。

目前大部分學(xué)者的研究聚焦于氣候因子、徑流量、地下水等因素對(duì)胡楊徑向生長(zhǎng)量的驅(qū)動(dòng)力研究，對(duì)于能更加直觀反映胡楊生長(zhǎng)勢(shì)態(tài)的NDVI的研究較少。因此本研究以Landsat 8 OLI影像為材料，結(jié)合水文數(shù)據(jù)，探討NDVI植被指數(shù)與胡楊林空間分布對(duì)區(qū)域水文因子的響應(yīng)，以期擴(kuò)充對(duì)胡楊NDVI的研究成果，為當(dāng)?shù)卣畬?duì)胡楊林生態(tài)恢復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游，天山南麓，塔里木盆地北緣，東經(jīng)80°30′～81°58′，北緯40°22′～40°57′之間，東西長(zhǎng)130 km，南北寬60 km，總面積4.21×104km2，位于我國(guó)內(nèi)陸河流域，屬于暖溫帶干旱地區(qū)［17］，其概況如圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，時(shí)間跨度為2013—2019年，空間分辨率經(jīng)多光譜與全色波段融合后為15 m，剔除云氣干擾嚴(yán)重的影像，可以更好體現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)植被信息，同時(shí)借助Google earth高精度影像作為底圖，人工目視解譯高精度影像結(jié)合外業(yè)調(diào)研采樣，提高樣本選擇精度。

Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)經(jīng)裁剪、幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后，計(jì)算并生成NDVI數(shù)據(jù)。為提高不同地物分類精度，結(jié)合空間相關(guān)性融合使用NDWI、NDBI等指數(shù)，使用隨機(jī)森林算法對(duì)樣本庫(kù)進(jìn)行分類訓(xùn)練。

地表徑流量數(shù)據(jù)來源于阿拉爾斷面監(jiān)測(cè)站月度數(shù)據(jù)，地下水位埋深數(shù)據(jù)來源于阿拉爾A1～A6共6眼地下水水位監(jiān)測(cè)井月度數(shù)據(jù)。

外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)選取阿拉爾墾區(qū)勝利水庫(kù)周圍胡楊林樣地，共采集225個(gè)胡楊聚集生長(zhǎng)面積大于200 m2，樹齡均為20 a以上的樣本。采集樣地空間坐標(biāo)信息，以便于在基于時(shí)間序列的2013—2019年遙感衛(wèi)星影像中提取樣本點(diǎn)月度NDVI，外業(yè)調(diào)查點(diǎn)位示意圖見圖2。

圖2 阿拉爾墾區(qū)勝利水庫(kù)周圍胡楊樣本點(diǎn)位分布圖

2.2 研究方法

本研究采用相關(guān)性分析法對(duì)胡楊NDVI與水文數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系展開研究?；赟PSS 20.0軟件對(duì)胡楊月度NDVI與相應(yīng)時(shí)間尺度上徑流量、地下水位埋深做相關(guān)性分析以及胡楊空間分布與水文因素相關(guān)性分析。

Pearson相關(guān)系數(shù)用于判斷兩個(gè)數(shù)據(jù)集合是否能被一條線連起來，可以表示兩個(gè)數(shù)據(jù)集合之間的線性關(guān)系。其計(jì)算式如下：

式（1）中，xi為水文數(shù)據(jù)；yi為胡楊生長(zhǎng)指數(shù)NDVI；n為月度時(shí)間序號(hào)。

通過目譯解讀各年份月度影像數(shù)據(jù)，在形成時(shí)間序列的基礎(chǔ)上剔除云氣干擾嚴(yán)重的影像。結(jié)合外業(yè)調(diào)研確定最終觀測(cè)樣本，通過抽樣的方式采集同一區(qū)域下不同像元的NDVI，采用相關(guān)性分析法直接計(jì)算分析胡楊林NDVI與水文因素之間的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)樣本基本滿足Pearson及相關(guān)性檢測(cè)的條件，需對(duì)Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。使用t檢驗(yàn)計(jì)算式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI與水文數(shù)據(jù)分析

基于外業(yè)調(diào)查，選取遙感影像中胡楊樣本點(diǎn)像元，徑流量與地下水位埋深逐月變化趨勢(shì)見圖3。根據(jù)年均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知1—2月胡楊NDVI趨于0.09～0.11之間，3—4月數(shù)值持續(xù)上升，趨近0.18，4—9月隨著氣溫升高、胡楊生長(zhǎng)期到來、塔里木河迎來豐水期等因素，NDVI持續(xù)增高，最高峰為8月，NDVI年均值為0.56，10—12月因溫度降低、枯水期等，NDVI值降低至0.18。由采樣數(shù)據(jù)可知，年均NDVI 1—2月達(dá)到最低，7—8月最高。

地下水位埋深受流域徑流量直接影響，圖3（a）表明每年1—4月地下水位埋深變化不顯著，呈緩慢變化趨勢(shì)，5—10月地下水位埋深值較大，其中8月處于全年地下水位埋深值最高點(diǎn)，9—12月地下水位埋深值持續(xù)降低，11月為全年最低點(diǎn)。

由圖3（b）可知，1—4月塔里木河是枯水期，5—6月因溫度升高高山積雪融化，徑流量逐步抬升，直至7—9月再度升溫至最高，冰川陸續(xù)消融，帶來大量冰雪融水，8月徑流量達(dá)到峰值，10—12月迎來枯水期徑流量持續(xù)下降。

圖3 徑流量與地下水位埋深與NDVI的關(guān)系

3.2 NDVI對(duì)水分因子響應(yīng)分析

眾所周知，胡楊的生長(zhǎng)季于每年的4—10月，塔里木河的豐水期處于每年5—10月。在這段時(shí)間內(nèi)胡楊因充沛的水資源與合適的氣溫條件，處于旺盛的生長(zhǎng)期。使用person相關(guān)性分析對(duì)比了每年5—10月這段時(shí)間內(nèi)的胡楊NDVI對(duì)地表徑流量的響應(yīng)如表1所示，顯著性為0.018，person相關(guān)性系數(shù)為0.667*，呈顯著正相關(guān)。處于春季2—4月胡楊NDVI與當(dāng)年11月至次年1月地表徑流量相關(guān)性分析后表明顯著性為0.035，person相關(guān)性系數(shù)為0.570*，呈顯著正相關(guān)，該結(jié)果與涂文霞［18］的研究結(jié)果一致。原因可能是每年10月以后氣溫降低，山川融冰因溫度降低不再解凍，塔里木河缺少水源補(bǔ)充，進(jìn)入枯水期，地表徑流量減少。胡楊因溫度降低逐漸進(jìn)入休眠期減少生理活動(dòng)，但胡楊處于休眠期仍舊保持較低的生理反應(yīng)，吸收水分存儲(chǔ)以保證來年春季溫度回升后供生長(zhǎng)所需。

表1 胡楊NDVI對(duì)月徑流量響應(yīng)相關(guān)性分析

因胡楊扎根較深，生長(zhǎng)所需水分來源于地下水，因此胡楊生長(zhǎng)指數(shù)對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)在以月為單位的時(shí)間尺度上是實(shí)時(shí)響應(yīng)的，相關(guān)性分析由表2可知，使用同期地下水位埋深數(shù)據(jù)與NDVI做相關(guān)性分析，結(jié)果表示兩者在水平雙側(cè)呈顯著相關(guān)。

表2 地下水位埋深對(duì)NDVI的影響相關(guān)性分析

3.3 胡楊林空間分布變化與水分因子關(guān)系分析

在遠(yuǎn)離水源的區(qū)域，胡楊NDVI普遍偏低。由于分辨率影像無法采集胡楊紋理特征，只能通過光譜信息進(jìn)行分類，所以處于上述地區(qū)的胡楊將無法被正確分類，但通過胡楊地物分類結(jié)果可以側(cè)面解讀空間分布變化與水文變遷的內(nèi)在聯(lián)系，胡楊林空間分布見圖4。研究區(qū)內(nèi)胡楊總體分布在多浪、勝利、上游等水庫(kù)周邊，塔里木河沿岸及十三團(tuán)等地，部分胡楊零星分布于農(nóng)田四周作為農(nóng)田防護(hù)林，因逐年徑流總量不穩(wěn)定，受水分限制的胡楊生長(zhǎng)指數(shù)NDVI隨之變化，導(dǎo)致分類結(jié)果逐年具備差異性。

圖4 胡楊林空間分布變化

2013—2019年胡楊林空間分布精度評(píng)價(jià)見表3。2017年—2019年胡楊林分布發(fā)生顯著變化，分析研究后發(fā)現(xiàn)可能因?yàn)?016年新疆政府開展了塔里木河流胡楊林生態(tài)保護(hù)行動(dòng)［19］，為向下游地區(qū)進(jìn)行生態(tài)輸水工程，上游區(qū)域提高了水分利用率，塔里木河下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善。2017—2019年徑流量顯著增多，沿岸植被獲得了充沛的水資源，植被生長(zhǎng)茂盛，NDVI普遍偏高。

表3 胡楊空間分布精度評(píng)價(jià)

分類后提取胡楊像元數(shù)據(jù)，結(jié)合年徑流量相關(guān)性分析，分析結(jié)果如表4所示，胡楊在以年為單位的時(shí)間尺度上對(duì)徑流量的響應(yīng)仍然存在滯后效應(yīng)。在以年為單位的時(shí)間尺度上，提取的當(dāng)年胡楊分布數(shù)據(jù)與上一年徑流總量呈顯著相關(guān)性，與當(dāng)年徑流總量無明顯相關(guān)性。胡楊的根系扎入土地較深，汲取地下水進(jìn)行生長(zhǎng)活動(dòng)，地下水的補(bǔ)充來源于徑流量，該補(bǔ)充過程存在滯后效應(yīng)，直觀地反映到胡楊的NDVI指數(shù)上又將再次滯后，將此滯后過程放到以年為單位的時(shí)間尺度上明顯不再適用，依據(jù)月度數(shù)據(jù)來看，地下水的補(bǔ)充在枯水期3個(gè)月內(nèi)完成補(bǔ)充，也就是每年11—12月地下水就已結(jié)束當(dāng)年補(bǔ)充活動(dòng)，同期因溫度、水文等因素過低，研究區(qū)內(nèi)植被都已進(jìn)入休眠期，對(duì)胡楊空間分布研究無影響，故本研究在以年為單位的時(shí)間尺度上對(duì)胡楊空間分布與水文因素相關(guān)性進(jìn)行分析，采用上一年份水文數(shù)據(jù)與當(dāng)年胡楊空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是可行的。

表4 胡楊空間分布對(duì)年徑流量的響應(yīng)

4 結(jié)論與討論

本研究以NDVI為切入點(diǎn)，以阿拉爾墾區(qū)2013—2019年影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合使用ArcGIS、ENVI、QGIS、SPSS等軟件，在Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)上展開了研究區(qū)內(nèi)胡楊對(duì)區(qū)域徑流量與地下水位埋深的響應(yīng)分析研究。

以月為單位的時(shí)間尺度上，每年5—10月這段時(shí)間內(nèi)的胡楊NDVI植被指數(shù)對(duì)地表徑流量的響應(yīng)，顯著性為0.018，person相關(guān)性系數(shù)為0.667*，當(dāng)年2—4月胡楊NDVI植被指數(shù)與當(dāng)年11月至次年1月地表徑流量相關(guān)性分析后表明顯著性為0.035，person相關(guān)性系數(shù)為0.570*，呈顯著正相關(guān)。對(duì)地下水位埋深的響應(yīng)過程為即時(shí)響應(yīng)，不存在滯后效應(yīng)。分析結(jié)果為顯著性0.005，相關(guān)性為0.749**，呈顯著正相關(guān)。以年為單位的時(shí)間尺度上，基于時(shí)間序列分類的胡楊空間分布結(jié)果對(duì)年度徑流量的滯后效應(yīng)為1年，分析結(jié)果為顯著性0.009，相關(guān)性為0.878**，呈顯著正相關(guān)。

胡楊林主要分布在阿拉爾墾區(qū)上游、勝利、多浪等水庫(kù)周圍，以及塔里木河沿岸區(qū)域。受限于Landsat 8 OLI影像分辨率低，無法結(jié)合胡楊紋理特征進(jìn)行空間分類，胡楊生長(zhǎng)依賴于地表徑流量及地下水儲(chǔ)量，不同年份的水文數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，輸水不穩(wěn)定，導(dǎo)致沿岸距離不同的胡楊生長(zhǎng)指數(shù)差異較大，地表徑流量輻射外的胡楊NDVI偏低，無法被正確分類到相應(yīng)地物類型中，因此胡楊逐年空間分布結(jié)果受年度徑流量影響波動(dòng)較大，無法作為胡楊準(zhǔn)確的空間分布變化使用，但此種變化是受水文數(shù)據(jù)影響，因此可以從側(cè)面解讀胡楊對(duì)水文數(shù)據(jù)的響應(yīng)過程。

由于缺乏高精度影像數(shù)據(jù)資料，本研究基于NASA公開的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)對(duì)水文于胡楊生長(zhǎng)指數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)于胡楊空間分布與區(qū)域地表徑流量及地下水位埋深的響應(yīng)結(jié)果分析不夠精確，有待后續(xù)使用高精度影像進(jìn)一步研究。