黑河生態調水后額濟納綠洲植被變化規律研究

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.黑河水資源與生態保護研究中心，甘肅蘭州730030）

綠洲是干旱區群眾生存和生產的核心場所，綠洲的穩定與否直接關系區域社會經濟的可持續發展［1］。黑河是我國西北地區第二大內陸河，流域下游區域干旱少雨，生態極為脆弱。自20世紀60年代以來，流域人口數量持續增長，中游水土資源開發突出，社會經濟發展、生態環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環境不斷惡化，尾閭湖泊干涸。面對日益惡化的下游生態問題，2000年開始實施黑河干流水資源統一調度，向下游輸送生態用水［2］。黑河流域實施生態調水以來，下游額濟納綠洲生態環境得到明顯改善，引起國內外學者的廣泛關注。喬西現等［3］研究表明，生態輸水使得東、西居延海生態環境正向良好的方向轉變；郭鈮等［4］利用調水初期的衛星遙感數據分析表明，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年額濟納地區植被指數的分析表明，生態輸水后額濟納地區植被呈恢復趨勢，下游生態恢復尤其明顯；牛最榮等［6-7］研究表明，2000年生態調水以來下游區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年湖泊由干涸狀態逐步轉變為蓄水狀態。

黑河生態調水已近20 a，進入下游地區的水資源量持續增加，下游綠洲生態環境發生顯著變化。為準確評估近20 a生態調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（NDVI）數據，對比分析黑河生態調水前后下游綠洲植被變化特征，以期為下游生態治理保護和水資源優化配置提供科學依據。

1 研究區概況

黑河發源于青藏高原東北側的祁連山區，流經河西走廊中部，最終注入內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種不同的自然環境單元（見圖1）。額濟納綠洲位于黑河流域下游，隸屬內蒙古自治區阿拉善盟。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，蒸發強烈，黑河中游來水是該地區的主要水源。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生態安全的重要屏障。額濟納綠洲的生態環境問題是跨地區的區域性環境問題，關系到額濟納及中國北方地區生態環境的可持續發展。

圖1 研究區位置示意

2 數據與研究方法

2.1 數據處理

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

Landsat數據由美國航天局（NASA）實施的陸地衛星計劃推出，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）為基本數據源，在進行輻射定標、幾何精糾正、大氣校正、無縫鑲嵌和研究區裁切等預處理的基礎上，參考土地利用現狀分類國家標準，通過人機交互式解譯方法［9］獲取研究區4個時期的土地利用類型數據。

研究區土地利用解譯結果通過不同的方法進行驗證，其中2011年和2017年解譯結果采用野外考察驗證，2000年解譯結果利用SPOT影像驗證，1987年解譯精度通過查閱歷史文檔和地圖資料，以及訪談當地居民的方法驗證，綜合檢驗土地利用解譯精度為87.5%，解譯結果滿足研究需求。

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律，進而表征區域時空格局的演變。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隨機性偶發因素的影響，更接近于植被真實的變化。計算公式為

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

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

2.2.2 土地利用類型動態度

土地利用類型動態度指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型數量變化情況。土地利用類型動態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為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某土地利用類型的數量；T為研究時段長，當T設定為年時，K值就是該研究區某土地利用類型年變化率。

2.2.3 轉移矩陣法

土地利用轉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化情況，而且可以揭示不同土地利用類型間的轉移速率。土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，包括研究區所有土地利用類型數據、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地類轉換成j地類的面積；i、j為轉移前與轉移后的土地利用類型；n為土地利用類型數。

3 結果分析

3.1 綠洲土地利用變化時空特征

研究區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年生態調水以來，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、西河上游地區存在大面積擴耕現象；2000—2011年東、西河下游林草地面積緩慢增長，耕地和城鎮用地面積持續增加，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增加，耕地面積受當地政府調控有所下降，東居延海面積繼續擴大。

3.2 土地利用類型轉換分析

以2000—2011年為例呈現不同時期土地利用轉移矩陣（見表2）。根據3個時期的土地利用轉移矩陣可知，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%，主要轉變為未利用地。說明這一時期受中游來水影響，下游生態環境向惡化的趨勢發展。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，土地利用類型轉換主要經歷了由林地和中、高覆被草地轉變為低覆被草地和未利用地，而后又轉變為林地和中高覆被草地的過程。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%。這說明黑河生態調水對下游植被恢復起到關鍵作用，尤其是2011年以后，隨著生態調水年份的增加，林草地向高覆被轉變趨勢明顯。

表1 1987—2017年研究區土地利用類型分布

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 綠洲植被蓋度動態分析

研究區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NDVI年最大合成值最高值和生長季NDVI均值最高值均出現在2017年，分別為 0.123、0.107。 1982—1995年綠洲植被NDVI波動變化，1995—2000年呈現明顯下降趨勢，2000年開始實施生態調水后，自2003年起植被NDVI呈現快速增長趨勢，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2000—2017年NDVI變化趨勢（見圖4）表明：Slope大于 0的區域面積占研究區總面積的92.35%。整體來看，研究區內NDVI整體呈上升趨勢，植被覆蓋情況明顯好轉，同時存在顯著改善區和顯著退化區，黑河下游地區植被覆蓋變化具有明顯的區域差異。其中：植被恢復較好的區域主要分布在西河上中游區域、東河上游和下游區，尤其是額濟納綠洲核心區較為顯著，這與黑河生態調水息息相關；植被覆蓋顯著下降的區域所占面積較小，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。

圖3 1982—2017年植被NDVI變化情況

圖4 2000—2017年NDVI變化趨勢

研究區植被NDVI變化趨勢分級統計見表4，由表4可知，2000—2017年植被NDVI退化區域甚微，退化區域面積占研究區總面積的比例不到2%，其中：輕微退化面積占比為1.57%；研究區植被NDVI基本保持不變的區域占比為67.58%，主要是研究區的未利用地；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。

表4 2000—2017年研究區年均NDVI變化趨勢分級統計

4 結 論

基于遙感衛星影像解譯獲取的4期土地利用變化數據及1981—2015年GIMMS NDVI和2000—2017年MODIS NDVI數據，研究了黑河生態調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V形，2000年開始生態調水以來，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，水域面積持續擴大。1987—2017年，土地利用類型轉換主要經歷了由林地和中、高覆被草地轉變為低覆被草地和未利用地，而后又轉變為林地和中、高覆被草地的過程。黑河生態調水對下游植被恢復起關鍵作用，隨著生態調水年份的增加，林草地向高覆被轉變趨勢明顯。研究區植被覆被度明顯上升，植被覆被改善區域占總面積的比例近30%，退化區域面積占比不到2%，表明生態調水后下游植被明顯改善。