荒漠森林生態系統健康評價與分析
——以塔里木河下游為例

曹美芹，陳蕓芝，汪小欽，丁金晨

(1.福州大學 空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福州 350108；2.衛星空間信息技術綜合應用國家地方聯合工程研究中心，福州 350108)

0 引言

荒漠森林生態系統作為維持綠洲可持續發展的重要生態屏障，具有調節氣候、防風固沙、穩定河道以及維持荒漠區生態平衡的重要功能[1]。目前，國內對荒漠森林生態系統健康研究起步較晚且沒有普遍認可的定義，國外現有研究成果大都針對特定區域，難以直接應用于我國不同類型和區域的森林生態系統健康評價[2]。雖然，國內學者針對不同的研究對象及目的提出不同的評價方法，但普適性、可移植性和可比性較差。同時，基于傳統實地樣方調查的生態系統評價不適合在區域或全球范圍內直接應用，且生態指標可操作性較差，難以快速、定量、客觀地對森林生態系統健康做出評價。而隨著遙感技術的推進，森林生態系統健康理論與遙感技術的結合將大大提高復雜時空尺度上荒漠森林生態系統健康評價能力。

塔里木河下游地處世界典型的極端干旱區，由于人類對水資源的不合理利用，造成河畔“綠色走廊”瀕臨消失，是我國荒漠森林生態系統健康問題比較突出的區域[3]。2000年，國家緊急向塔里木河下游實施了生態輸水，直至2018年共計實施19次輸水，累積輸水量共計85×108m3。由于氣候變化和人類活動的雙重影響，荒漠森林生態系統仍然面臨著嚴峻的挑戰[4]。近年來，文獻[5-7]揭示了塔里木河流域荒漠生態系統退化過程與機理，確定了流域生態保護紅線和生態需水量，為塔里木河流域社會經濟可持續發展提供了重要的科技支撐。文獻[8-12]從定性或定量、靜態或動態角度分析了塔里木河流域的生態環境變化。但現有研究中，缺少以精細化柵格單元進行長時間序列、大規模連續的荒漠森林生態系統健康評價，且較少從定量、發展的角度分析其時空變化特征。因此，結合遙感技術及時合理地分析生態輸水前后荒漠森林生態系統健康時空變化特征與趨勢迫在眉睫。

塔里木河下游健康的荒漠森林生態系統是指能夠維持生態系統結構穩定性和生物多樣性，從而具有較好的自我調節能力，以實現社會經濟和生態環境效益最大化[13]。故本文的研究目標是針對傳統森林生態系統健康評價指標過多且無法快速評價、評價周期較長和空間信息不夠精確等問題，協同多源遙感數據及地理空間信息技術手段，構建基于“驅動力-壓力-狀態-響應-影響”(driving-pressure-state-impact-response，DPSIR)的荒漠森林生態系統健康評價指標體系。在此基礎上，通過分析其時空變化特征及變化趨勢，為荒漠森林生態系統健康問題精準治理提供科學依據。

1 研究區與數據處理

1.1 研究區概況

塔里木河下游地處世界典型的極端干旱區，位于新疆東南部的塔克拉瑪干沙漠和庫魯格沙漠之間，常年降水稀少、蒸發強烈，是我國最干旱的一隅(圖1)。塔里木河下游作為絲綢之路經濟帶建設的核心區，具有自然資源相對豐富和生態環境極端脆弱的雙重性特點。研究區地勢西北高東南低，呈南北向狹長帶狀分布。兩大沙漠之間為沖積平原，生長著喬木、灌木、草本等天然植被，胡楊與檉柳是該植被群落的優勢物種，因其與周圍環境形成強烈反差，這一廊道特性被稱之為“綠色走廊”[14]。

圖1 研究區位置

1.2 數據來源與處理

為開展塔里木河下游長時間序列的荒漠森林生態系統健康評價，獲取了遙感影像和其他輔助數據。遙感數據來源于美國地質調查局(http：//glovis.usgs.gov/)，挑選了1989—2018年7期，8—9月分辨率為30 m 含云量少的Landsat影像，由軌道號為141/32、142/32和142/33的影像組成。遙感數據預處理主要包括輻射定標、大氣校正、影像拼接與裁剪、投影轉換、異常值去除與補償等工作。并且，根據波譜特征計算植被指數、光利用率指數、土壤質量指數、燃燒指數等指標。

其他輔助數據包括：①氣象數據來源于中國氣象數據網(http：//data.cma.cn/)，利用專業氣象插值軟件Anusplin，對周邊12個氣象站點插值獲得空間分布數據集，獲取溫度、水汽壓等指標;②土壤地質、土地利用類型及社會經濟資料等數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺(http：//www.resdc.cn)，并采用軟件Fragstats獲得景觀格局空間分布數據集;③數字高程模型來源于美國地質調查局(https：//www.usgs.gov/)，借助ArcGIS軟件計算坡度、坡向和海拔等指標。

在林業專業術語中，喬木、灌木及其他生物和其生態環境共同構成森林生態系統。為此，本文將遙感影像進行土地利用分類，根據紋理特征去除耕地，保留農田防護林、荒漠河岸林，疊加所有年份提取結果作為荒漠森林生態系統掩模范圍。需要說明的是，輔助數據的獲取時間與遙感影像時間范圍基本保持一致，為了保證不同指標之間的高度空間準確性，將所有指標都采用相同的投影系統并重采樣為30 m×30 m的柵格數據。

2 研究方法

2.1 健康評價模型

1)健康評價指標選取。森林是一個多層次、開放且結構復雜的生態系統，選擇合適指標是構建科學合理評價指標體系的前提和關鍵。20世紀末，歐洲環境局基于PSR模型和DSR模型提出了DPSIR模型，該模型描述了人類與環境之間相互影響的因果關系，通過增強驅動力、降低壓力、優化狀態、平衡影響、完善響應，能夠為荒漠森林生態系統健康評價提供一個較好的基本框架[15]。本文在充分考慮研究區實際情況以及數據的可獲取性后，從“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”角度選取了23個指標，其主要指標都可基于多源遙感數據或基礎地理空間信息技術手段獲取，具體包括以下5個指標。

①驅動力是荒漠森林生態系統健康變化的潛在間接因素，選取海拔(height，H)、坡度(slope，S)、坡向(aspect，A)、氣溫(temperature，T)、降水(precipitation，P)、濕度(relative humidity，RH)、生產總值(gross domestic product，GDP)、人口密度(population density，PD)指標。其中，降水量指標因部分年份數據缺失，采用水汽壓(water pressure，WP)指標替代，它與降水量存在良好的數值對應關系。

②壓力是對其健康造成直接影響的因素，選取土壤濕度指數(soil moisture，SM)、歸一化水指數(normalized difference water index，NDWI)、燃燒歸一化指數(normalized burn ratio，NBR)、風沙侵害(wind and sand violation，WSV)、氧化鐵比率(iron oxide ratio，IO)、土壤侵蝕指數(soil erosion index，SE)指標。

③驅動力和壓力共同作用的結果為生態系統所處的狀態，選取歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)、紅綠比指數(red green ratio index，RGRI)、香農多樣性指數(shannon diversity index，SHDI)、斑塊個數(number of plaques，NP)、散布與并列指數(interspersion juxtaposition index，IJI)指標。

④影響是驅動力、壓力及狀態共同作用的必然結果，選取防風固沙(windbreak and sand fixation，WSF)、抗旱能力(drought resistance，DR)指標。

⑤響應是通過采取相應措施減少或解決不良影響所產生的后果，選取保護措施(safeguard，SF)、生物豐度指數(biological richness index，BI)指標。

2)健康評價指標標準化。由于森林生態系統健康評價指標體系的性質和數據來源不同，為了將各指標輸入到同一個健康評價模型中，本文參考國家標準、行業標準以及國內外相關研究成果，對正負向型指標采用最大最小值標準化(式(1))，而區間型指標采用分段上下限標準化[16]，從而把評價指標轉換為無量綱、無數量級差別、取值范圍為0～1的標準值。

(1)

式中：X、Y+和Y-是原始值、正和負向標準化值；Xmax和Xmin分別為評價指標置信區間為95%和5%的最大、最小值，或者為區間型指標的上限和下限，置信區間范圍外為0或1。

區間型指標是以對森林生態系統健康影響的上限和下限為基準，量化其指標強度。如鄧正波等[17]發現塔里木河下游平均海拔為825 m，780～980 m上下限的海拔決定植被類型分布，故海拔H指標分段上下限標準化(式(2))H∈(780 m，825 m)和(825 m，980 m)，閾值范圍分別為0.4～0.8和0～0.4。其他指標具體閾值范圍確定方法如表1所示[18-24]。

(2)

式中：x、y為海拔H指標標準化前后值。

表1 DPSIR模型的健康評價指標體系

3)評價指標權重確定。主成分分析法(principal component analysis，PCA)通過構建荒漠森林生態系統健康評價指標向量，可以確定各指標權重。為了保證不同年份之間具有可比性，采用各指標不同年份的平均值，并再分配至權重和為1，作為各指標最終權重。從表1可以看出，多樣性指數SHDI、聚散指數IJI等指標權重在0.06以上，這可能是因為景觀格局指數可以較好地表示干旱區中植被與水資源的鄰近關系，即水資源越豐富荒漠森林生態系統相對而言越健康。

4)綜合健康評價模型。綜合森林健康指數模型(forest health index，FHI)[25]對各項指標加權平均，FHI值越大，荒漠森林生態系統越健康。

(3)

式中：Vd、Vp、Vs、Vi、Vr分別表示驅動力、壓力、狀態、影響和響應；Wd、Wp、Ws、Wi、Wr表示每個指標所占權重，且權重和為1。

2.2 變化特征分析

為了能更加準確、直觀、具體地分析研究區荒漠森林生態系統健康評價結果，本文借助ArcGIS軟件，通過熱點分析(hot spot analysis)和平均中心分析(mean center analysis)，對其變化特征及趨勢進行分析。其中，熱點分析通過G*群(getis-ord)識別空間聚集性顯著程度、類型及區域位置。通常，高值聚集稱為熱點，低值聚集稱為冷點，該方法能較好地避免健康評價結果的隨機誤差[26](式(4)、式(5))。平均中心分析可以用于確定中心的空間位置移動方向及速度(式(6))，即通過移動軌跡確定研究區生態恢復工程的實施程度。

(4)

(5)

式中：Gi(d)是柵格i的值，與距離為d范圍內的柵格值的相關程度；wij(d)為在距離為d的空間相鄰權重矩陣；Z為空間單元的標準化。

(6)

式中：xi和yi是要素i的坐標；n等于柵格總數；wi為柵格i的權重。

3 結果與討論

3.1 健康等級劃分

荒漠森林生態系統健康評價等級劃分是生態健康評價中的關鍵環節。目前健康等級劃分處于探索階段，且本身沒有較好的健康度量標準。本文根據研究區實際情況，將荒漠森林生態系統健康FHI劃分為健康Ⅰ、較健康Ⅱ、一般健康Ⅲ、亞健康Ⅳ、不健康Ⅴ 5個等級。根據2018年7月研究區野外考察結果(表2)可以看出，不同區域之間的森林生態系統健康差異與相應的健康程度等級劃分結果一致，即隨著健康等級的升高，荒漠森林生態系統從單一草本→草本灌木→喬灌草組合群落轉變，逐漸轉變為合理、穩定、抗干擾能力強的生態系統。

表2 健康等級與野外考察點照片

3.2 時空變化特征

從圖2可以看出，1989—2018年健康等級Ⅰ和Ⅱ比例分別為19.61%、14.37%、0.29%、15.46%、13.65%、6.26%、40.96%，整體呈遞減后波動性遞增趨勢。在實施生態輸水前，荒漠森林生態系統環境嚴重退化，2000年健康等級Ⅳ和Ⅴ比例超過80%。歷經19次生態輸水后，荒漠森林生態系統健康的拯救和恢復取得了顯著性成效，2018年健康等級Ⅰ和Ⅱ比例超過40%。

圖2 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態系統健康的時空分布格局

從圖3可以看出，由于研究年份較少，健康等級Ⅰ和Ⅱ比例與生態輸水量之前無明顯關系，但可以發現，2000年和2015年是“Ⅴ”型逆轉最低點，表明了間歇性生態輸水仍將導致已恢復區域逆轉至一般健康或以下水平，也就是說，荒漠森林生態系統健康恢復與受損呈復雜多元性和時空差異性。本文研究成果同Mamat等[27]研究成果變化趨勢一致，雖然評價指標、健康等級劃分和評價年份與本研究有所不同，但在一定程度上說明了該健康評價結果客觀合理，可為塔里木河下游荒漠森林生態系統健康評價和區域生態恢復提供科學依據。

圖3 1989—2018年荒漠森林生態系統健康等級Ⅰ和Ⅱ比例與生態輸水量的關系

3.3 時空聚集特征

為了進一步探索塔里木河下游荒漠森林生態系統空間分異格局變化特征，將局部空間統計量從高到低劃分為冷熱點，從圖4可以看出：①荒漠森林生態系統健康呈現出較顯著的空間分異格局，高值聚集熱點個數呈現先減少后波動性增加的趨勢。其中，2000年熱點呈組團式分布在塔里木河下游上段，而2018年熱點已擴散分布至中下段，沿著塔里木河在空間上呈條帶擴散趨勢。②塔里木河和車爾臣河共同匯入的尾閭臺特瑪湖，在靠塔里木河側，由于持續性輸水，歷經冷點→次冷點→次熱點→熱點的空間轉變，即該區域健康好轉；而靠車爾臣河側，由于河水改道，歷經次熱點→次冷點→冷點的空間轉變，即該區域健康退化。以上分析說明，近30年來，塔里木河下游荒漠森林生態系統健康時空格局由強聚集組團式向弱聚集條帶式轉變，生態輸水工程可以有效緩解灌溉用水和生態用水的矛盾，且使得荒漠森林生態系統健康得到明顯的改善。

圖4 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態系統健康的時空聚集性

3.4 時空變化趨勢

塔里木河下游荒漠森林生態系統時空變化和聚集特征不能有效度量恢復和受損程度，通過不同年份的平均中心坐標位置分析移動的方向和速度，可以更好地了解生態輸水對其健康變化趨勢的影響程度。從圖5(a)可知：①1989—2000年，由于耕地擴張，河水被截留用于農田灌溉，平均中心往西北兵團農墾區移動；2000—2005年，由于31兵團東北側建立了抵擋沙漠的生態防護林，平均中心往東北庫塔格沙漠移動；2005—2018年，由于生態輸水成為塔里木河下游中下段的“專職”通道，平均中心往東南生態保護區移動。②生態輸水前后平均移動速度分別為173.32 m/年、312.39 m/年，則說明近30年，研究區荒漠森林生態系統健康恢復速度明顯高于受損速度。③在2010—2015年和2016—2018年時間段中，總生態輸水量分別為28.39×108m3、34.40×108m3;年平均輸水量分別為5.68×108m3、11.47×108m3;年平均移動速度分別為179.88 m/年、301.06 m/年;2個時段的年均生態輸水量與年平均中心移動速度之比均在2倍左右。以上分析說明，生態輸水量在一定程度上決定了荒漠森林生態系統的恢復速度，并且是荒漠森林生態系統呈整體改善、局部退化、受損與恢復并存的核心影響因素，生態問題精準治理需要科學合理的輸水資源優化配置。

從圖5(b)可知，虛線代表健康等級Ⅰ和Ⅱ比例與生態輸水量的擬合關系，而實線則代表這一比例與2年累積生態輸水量的擬合關系。可以看到，當年輸水量超過5×108m3時，2條曲線趨近于重合。也就是說,當年輸水量超過5×108m3，即可保證25%左右的荒漠森林生態系統處于較健康水平，這可以有效降低間斷性輸水對荒漠森林生態系統健康的敏感性。該結論與文獻[28-29]提出將地下水抬升至合理埋深，需要當年輸水量2～5×108m3的結果相似。因此，荒漠森林生態系統健康的穩定恢復不僅需要平衡灌溉用水與生態用水，還需要每年生態輸水量大于5×108m3的持續性輸水保障。

圖5 1989—2018年塔里木河下游荒漠森林生態系統健康的時空變化趨勢

4 結束語

本文基于DPSIR模型構建了塔里木河下游荒漠森林生態系統健康評價指標體系，其主要指標都可基于多源遙感或基礎地理數據等空間信息技術手段獲取，可以快速實現大面積荒漠森林生態系統健康評價。結果表明：1) 在生態輸水前，健康等級Ⅰ和Ⅱ比例小于20%，2000年迅速降低到0.29%；在生態輸水后，這一比例呈波動遞增趨勢到40.96%，說明應急生態輸水工程使得塔里木河下游的荒漠森林生態系統環境得到了明顯改善，但間歇性輸水使其生態脆弱性并沒有徹底扭轉。2) 近30年，荒漠森林生態系統健康熱點由強聚集組團式向弱聚集條帶式轉變，平均中心由上段兵團農墾區向下段生態保護區移動，其健康恢復速度高于受損速度。3)當年輸水量超過5×108m3時，可保證25%左右的荒漠森林生態系統處于較健康水平，這可有效降低其健康對間斷性輸水的敏感性。因此，塔里木河下游荒漠森林生態系統健康呈整體改善、局部退化、恢復與受損并存的時空分布格局。未來生態保護應側重平衡灌溉用水與生態用水，同時還需要年生態輸水量大于5×108m3的持續性輸水保障。

目前，由于尚無公認的荒漠森林生態系統健康評價指標體系，構建一套適用性強、可廣泛應用于大范圍的模型需要不斷進行創新。在指標體系的標準化過程中，如何實現數值型指標空間化及不同類型數據的高精度耦合，是后續研究需要解決的問題。由于地面實測數據等資料信息獲取壁壘的影響，不確定性貫穿于遙感健康評價的全過程。在后續研究中，應采用長時間序列的地面森林資源調查數據和其他真值統計數據，進一步完善指標構建和驗證評價結果的合理性。