1977—2020 年額濟納胡楊林植被變化特征及其影響因子分析

湯永康，郭春燕，孫小龍，王 佳，韓旭日，劉 洋

（1.內蒙古氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010051；2.阿拉善盟氣象局，內蒙古 阿拉善 750300；3.內蒙古氣象服務中心，內蒙古 呼和浩特 010051；4.內蒙古生態與農業氣象中心，內蒙古 呼和浩特 010051；5.內蒙古氣象干部培訓學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

胡楊（Populus euphratica）屬楊柳科楊屬植物，是第三紀以來形成的古地中海成分植物種，中亞荒漠區分布最廣的喬木樹種之一，是我國首批確定的388 種珍稀瀕危植物中的漸危種之一[1]。因胡楊特殊的生理特性，使其對干旱、鹽堿、高溫等具有很強的適應能力，是能在干旱荒漠區形成大面積森林的主要喬木樹種[2-4]。根據記載，1996 年全球胡楊林總面積約64.8 萬hm2，其中2/3 分布在中國[5-6]。額濟納旗分布的胡楊林為世界三大原始胡楊林之一，也是中國第二大荒漠地區胡楊林分布區。作為阿拉善荒漠河岸森林群系的優勢種，胡楊林對于本地區生物多樣性維持、水源涵養、水土保持、防風固沙、氣候調節等生態功能具有重要意義[7-8]。

由于黑河流域人口壓力不斷增加，過度放牧和濫砍濫伐現象頻繁，以及黑河上游興修水利工程、攔壩截留，使得下泄水量銳減。21 世紀前，東居延海時干時續，自1961 年來出現干涸9 次（1961、1962、1963、1973、1980、1986、1990、1991、1992 年），成為間歇性湖泊，形成下游額濟納綠洲面積急劇萎縮的負面生態效應。據記載，20 世紀50 年代額濟納旗東、西居延海存有胡楊林5.0 萬hm2，至1990 年僅殘存一半，而病腐木面積占據胡楊林總面積的60%，綠洲面積從69.4 萬hm2銳減至33.3 萬hm2，草本植物減少了100 余種[9]。額濟納荒漠綠洲防風固沙功能衰退，致使額濟納地區成為主要的沙塵源，最終在1993—1995 年接連發生三次特大沙塵暴，給沿途的阿拉善、河套平原等地造成巨大的損失[7-8]。

2001 年以后，國務院對黑河水源統一調度，內蒙古自治區也出臺了額濟納胡楊林相關保護條例[10]。至2020 年，東居延海已連續16 a 不干涸，較2010 年，黑河沿岸綠洲面積增加2.0 萬hm2[9]以上。

胡楊作為額濟納綠洲的優勢植物，在平衡綠洲生態健康中，發揮著重要作用[11]。王心源等[12]利用Landsat TM 遙感圖像和GIS 技術監測了額濟納綠洲1986、1992、2000 年生態環境變化，發現15 a 來，綠洲面積減少了61.5%。張武文等[13]分析認為減少黑河給水會引發額濟納平原主要淺層地下水及地表生態效應的惡性循環。高潤宏等[14]通過對額濟納旗胡楊林和生物多樣性調查，得出胡楊林發育過程中表現出種間自疏和異種排斥的結論。李軍等[15]發現胡楊種群中，大樹、成年樹占絕對優勢，不利于種群的延續。

諸多學者對額濟納綠洲以及胡楊群落的更新等方面做了大量研究，但是聚焦生態供水、使用遙感技術監測黑河水源調配前后綠洲面積、植被以及胡楊林種群時空變化卻鮮有報道。因此，基于額濟納綠洲長時間序列動態變化，分析氣候變化和人為生態調水對綠洲的影響反饋，對于進一步明確制約綠洲生態系統健康發展的關鍵因素，加強綠洲保護具有重要的科學意義。

1 材料與方法

研究區位于內蒙古自治區西部荒漠（100°55′～101°19′E，41°47′～42°20′N），黑河流域下游，屬溫帶大陸性氣候（圖1）。平均海拔在900 m 左右，地勢平坦，高差較小。綠洲北部為阿爾泰山脈，東南部緊鄰巴丹吉林沙漠。額濟納地區極度干旱，年均降雨量36.0 mm（1977—2020 年），蒸發量為3 248.7 mm，年均氣溫為9.5 ℃，最高氣溫為42.2 ℃，最低氣溫為-36.4 ℃，年均風速為4.2 m/s。土壤類型主要有沿河階地和封閉洼地的林灌草甸土、潮土，以及戈壁和居延海湖盆中的灰棕漠土、鹽堿土。額濟納綠洲景觀樹種以胡楊（Populus euphratica）和沙棗（Elaeagnus angustifolia）疏林為主。胡楊林主要分布在東河達來呼布鎮和蘇泊淖爾蘇木，其林下有紅柳（Tamarix ramosissima）、鹽穗木（Halostachys caspica）、白刺（Nitraria tangutorum）等灌叢，以及苦豆子（Sophora alopecuroides）、芨芨草（Achnatherum splendens）、堿蓬（Suaeda glauca）、賴草（Leymus secalinus）等草本植物，鑲嵌構成了額濟納綠洲景觀[2]。

圖1 研究區范圍

2 數據與方法

2.1 數據

通過地理空間數據云（https：//www.gscloud.cn）以及美國國家航空航天數據中心（https：//earthexplorer.usgs.gov）收集研究區1977、1986、1990、1991—2010、2015、2020 年5—10 月的Landsat 系列遙感數據集，去掉研究區云層覆蓋的遙感影像，保留晴空的Landsat 衛星MSS、TM、OLI 數據。氣象數據采用額濟納國家基準氣候站（1959 年建站）同期的平均氣溫、降水量、日照時數的月值數據。水文資料采用1990—2010 年黑河生態調水前后正義峽的年徑流量和額濟納綠洲地下水深度資料，綜合研究氣溫、降水、日照、生態調水4 個環境因素對額濟納綠洲的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 胡楊林面積提取與精度驗證

Landsat 是多光譜陸地衛星，不同波段組合反應的地物信息不同。為使波段組合反應的目標信息量最多，采用最佳指數因子（OIF）分析法來實現目視解譯胡楊林的波段組合進行最優評價[16]。該方法通過計算影像各波段的標準差和相關系數確定組合。相關系數越小，方差越大，說明波段組合后反映的信息越多。

式中：n 為波段數，Si為波段i 的標準差，Rij為i 波段和j 波段之間的相關系數。

由表1～3 可知，綠色波段、紅波段與近紅外波段組合OIF 值最高，達696.45，說明該波段組合包含信息量最大，因此采用該波段組合方式顯示圖像。

表1 TM 影像各波段標準差

表2 TM 影像各波段相關系數

表3 TM 影像各波段組合OIF 值

為提高額濟納綠洲胡楊林遙感圖像提取的精度，對圖像中地物的分類方法采用監督分類、野外調查和文獻資料查閱三者結合。首先，挑選8 月下旬—9 月下旬胡楊林生長最旺盛時期且無云霧遮擋的圖像，按照農田、胡楊林、城市、水體、未利用土地（沙漠、戈壁）5 種類型，從相應地物類型的純像元中分別繪制20～45 個訓練區，使用支持向量機算法進行監督分類運算（圖2）。根據2020 年實地調查建立的農田、胡楊林、水體等解譯標志及圖像特征，把現場調查的對象作為真實信息，通過混淆矩陣檢驗監督分類結果準確性，得到的Kappa 系數為0.845，解譯精度滿足本文需求。根據前人調查結果和資料記載，對1977、1986、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年圖像中提取的胡楊林面積進行復核（表4）。

表4 胡楊林面積遙感提取與文獻記載對比

圖2 解譯標志（a 為農田，邊界清晰，圖像灰度值均勻；b 為胡楊，分布成片，圖像灰度值不均，忽亮忽暗；c 為城鎮，聚集，邊界清晰，城鎮道路規則；d 為水體，紋理呈網狀，色調藍黑，光譜特征明顯；e 為未利用土地，植被稀疏，紋理不規則）

2.2.2 植被指數

采用歸一化植被指數（NDVI）進行額濟納綠洲植被變化特征分析[21-22]。計算公式為：

式中：RNIR為近紅外波段，RRed為紅光波段。

分 別 計 算 研 究 區1977、1986、1990、1991—2010、2015、2020 年5—10 月各月和各年NDVI 值。Landsat 時間分辨率為16 d，將月內收集的2 期影像的 NDVI 通過最大值合成（Maximum value Composites）形成逐月NDVI 值，來消除月內云覆蓋對研究區噪聲的影響。如月內僅有1 期影像可用，可將此影像的NDVI 值作為該月NDVI 值處理。若月內影像計算出的NDVI 值，因云、霧、沙塵暴等干擾而異常時，則將該月NDVI 值作為空值對待。年NDVI 值由月NDVI 值通過算數平均法求得。由于額濟納綠洲周邊植被稀疏，本文將NDVI≥0.1 的像元作為植被區，而將NDVI<0.1 的區域視為裸地[23-24]。

結合儒略日（DOY）計算年內NDVI 最大值出現的時間。根據植被生長規律，通過擬合儒略日NDVI的曲線特征求其一階導數，并令其一階導數等于零（y′=0），可求得NDVI 在1 年中達到最大值的儒略日。

2.2.3 1977—2020 年生長季氣候變化及其與NDVI相關性檢驗

1977—2020年研究區月氣溫和月降水變化基本一致，高值主要集中于7—9 月。近44 年5—10 月各月氣溫均不同程度升高。增幅最高的是7 月，其次是5 月。5—8 月的月降水量均不同程度減少，9—10 月的降水量略有增加。5、7、9 月日照時數也不同程度減少，6、10 月的日照時數有所增加。整體上，1977—2020 年生長季的降水量和日照時數呈減小趨勢（表5）。

表5 1977—2020 年5—10 月氣溫和降水變化趨勢及分布概率

將1977—2020 年5—10 月的NDVI 值與月降水量、月平均氣溫、月日照時數進行一階偏相關分析，分別檢驗NDVI 值與氣象要素的相關性。因數據連續性要求，使用相同的方法檢驗1990—2010 年NDVI 值與生長季降水量、平均氣溫、日照時數，以及年降水量、年平均氣溫、年日照時數、正義峽徑流量的相關性。

3 結果分析

3.1 1977—2020 年額濟納綠洲胡楊林時空變化

44 年來，額濟納綠洲胡楊林面積大致經歷了降低（1977—1990 年）—升高（1990—2020 年）的變化?？傮w上胡楊林景觀得到了有效的恢復，面積由1977年的1.14 萬hm2恢復至2020 年的2.99 萬hm2（表4）。1990 年胡楊林面積為1.03 萬hm2，為監測時段的最低值，而2010 年胡楊林面積為3.41 萬hm2，達到監測時段峰值。

空間上，達來呼布鎮胡楊林集中分布在東西河三角洲及東河東岸；蘇泊淖爾蘇木胡楊林面積小于達來呼布鎮，也主要分布于此。黑河多次斷流造成西居延海幾近干涸，東居延海面積銳減，干涸的裸露地表變成了鹽堿灘，不適宜胡楊生長。生態調水后，三角洲胡楊林有所恢復，但河東岸恢復不明顯，多呈零星分布，成片區域較少（圖3）。

圖3 1977—2020 年額濟納胡楊林面積（a、b、c、d 分別為1977、1995、2005、2015 年，單位：hm2）

3.2 綠洲NDVI 年際動態特征

1977—2020年額濟納綠洲NDVI 值呈現顯著增加的趨勢（圖4），從最低值0.129 7（1993 年）逐步增長至0.192 7（2020 年），NDVI 值平均增速為0.012/10 a（R2=0.408 4，P<0.01）。在實施生態調水前（2001 年前），胡楊林NDVI 值波動中緩慢增長，增速為0.000 6/10 a（R2=0.000 9，P=0.766）。 2001 年后實施生態調水，綠洲植被恢復明顯；NDVI 值增速達0.027/10 a（R2=0.749 3，P<0.01），是近44 年平均增速的2 倍、生態調水前增速的45 倍。

圖4 1977—2020 年研究區NDVI 值變化

3.3 綠洲NDVI 值年內變化特征

將1977—2020 年各儒略日（DOY）NDVI 值做散點圖并進行曲線擬合（圖5），顯示研究區NDVI值存在極顯著的單峰型季節變化特征（P<0.01），R2為0.342，在DOY 為209 d（7 月28 日前后）時達到最大。

圖5 額濟納綠洲平均NDVI 值季節變化特征

3.4 額濟納綠洲NDVI 動態特征及其影響因子分析

3.4.1 氣候因子對額濟納綠洲NDVI 的影響

額濟納胡楊林植被和NDVI 的季節變化特征主要受當地環境因子的影響。116 個有效值中（圖6），有16 個分布在月平均氣溫0～15 ℃，占總數的13.8%；15～25 ℃的占50.9%，＞25 ℃的不足35.3%。雖然NDVI 值與月平均氣溫極顯著正相關，一階偏相關系數為0.463（P<0.001），但由于在生長季初期即達到較高的溫度（5 月平均氣溫為19.6 ℃，不能說明氣溫是影響額濟納綠洲植被變化的決定性因素。有88 個NDVI 觀測值分布在0～10 mm 月降水量范圍，占遙感圖像總數的75.9%?？此蒲芯繀^植被適應了干旱少雨的生存環境，但月降水量與月NDVI 值的一階偏相關系數僅為0.064，未通過顯著性檢驗（P=0.498）。月NDVI 與月日照時數呈隨機分布，且相關系數為-0.192（P=0.061）。說明降水量和日照時數均不是制約額濟納綠洲發展的因素。

圖6 1977—2020 年月NDVI和月均溫（a）、月降水量（b）、月日照時數（c）散點

3.4.2 生態調水對額濟納綠洲生態功能的影響

對比1990—2010 年黑河生態調水前后額濟納綠洲裸地面積、植被覆蓋度、地下水深度變化，結果顯示：2001 年以前未統一實施生態調水，正義峽年徑流量年際波動較大。受綠洲人為擾動（放牧、灌溉農田）影響，其地下水水位明顯下降、NDVI 值減小，裸地面積增加。1990—2000 年正義峽年均徑流量為7.37 億m3，研究區地下水深度平均在2.69 m，NDVI平均值為0.146，平均裸地面積為12.63 萬hm2。在2001 年實施生態調水后，正義峽年徑流量增加，年均徑流量為10.41 億m3。綠洲地下水水位抬升至2.31 m，NDVI 值增加至0.157，裸地面積減小至12.46 萬hm2[25-26]。偏相關檢驗結果顯示，年NDVI 值與正義峽徑流量相關系數為0.437（P=0.040），呈顯著正相關；而年NDVI 值與生長季降水量、平均氣溫、日照時數、年降水量、年平均氣溫、年日照時數的相關性均不顯著（偏相關系數分別為0.334，-0.043，0.275，-0.342，0.123，0.134；顯著性檢驗系數P＞0.05）。

4 討論

4.1 影響胡楊林植被變化的因素

額濟納胡楊林月NDVI 值與月平均氣溫呈顯著正相關，與降水相關性不顯著。這與Liang 等[27]和何金蘋等[28]的研究結果相一致：認為在氣候干旱的河流流域一帶，充沛的河流水域補給使NDVI 對溫度的響應較為敏感。但是與王瑋等[29]研究結果顯示阿拉善北部植被稀疏，NDVI 與氣溫呈負相關結論不一致。這主要是因為研究區處較高寒地區，實際氣溫與最適溫度相近，氣溫對胡楊林植被生長的限制作用十分微弱[30]。同時，西北干旱地區氣候趨于暖濕化，可能觸發了氣候與生態系統之間的耦合機制，造成氣溫與NDVI 之間產生了偽關系。在干旱地區，植被從土壤中吸收的水分主要源于降水，而植被對降水的響應具有滯后性。額濟納旗年平均降水量僅為36 mm，不足地下水補給的1/6[31]。可是年蒸發量卻超過3 000 mm，綠洲植被對降水的依賴性十分有限。此外，額濟納綠洲由于黑河水源補給，解除了植被生長中水分的限制。本文中，綠洲年NDVI 值與正義峽年徑流量顯著正相關，與其他氣候因子相關性不顯著，與紀樹志[32]得出極旱荒漠區濕地植被主要依賴于上游河流補給的結論相同。因此，氣候因素不是胡楊林植被生長的主要限制性因子，生態調水卻使額濟納胡楊林植被生長得到顯著改善。

本文分析了2001 年實施黑河生態調水工程前、后2 個時段NDVI 的變化趨勢，研究區裸地面積、地下水深度、上游來水量情況，以及NDVI 與幾個環境因素的相關性。結果表明：2001 年以前，為大力發展種植業，上中游河段采取新建蓄水設施及人工開采抽取地下水的方式灌溉農田，導致黑河下游水泄量減少和地下水系統儲量減少、地下水下沉，致使額濟納綠洲生態系統衰退。2001 年后，黑河水源被統一調配，保障下游水源供給，額濟納綠洲植被得以恢復。研究區NDVI 不斷升高，裸地面積不斷減少。在這20 年，NDVI 值與正義峽徑流量顯著正相關，而與其他氣候因素相關性不顯著，證明黑河生態調水是研究區植被繁茂的主要因素，這與白福等的研究結論[31，33-35]一致。此外，胡楊是沙漠河岸防護林，也是沙漠綠洲的優勢樹種，胡楊具有傍水而生的特性，因此形成了增加的胡楊主要分布在靠近黑河河道和原胡楊林片區邊緣的時空變化格局[12，27，36]。

有一些研究發現，額濟納綠洲植被并沒有出現隨著水資源補給而自然恢復好轉的趨勢[37]。水雖然是額濟納綠洲植被存活的關鍵因素之一，但恢復胡楊林生態還要充分考慮其生態演替以及恢復過程中的繁殖特性[38]。

4.2 胡楊林植被信息提取的不足及改進方法

使用監督分類法對研究區進行分類，進而提取胡楊林面積，并通過現場調查和查閱資料對提取結果精度進行驗證。Kappa 系數以及表4 中1986、1990、2020 年提取面積與文獻記載較小的出入，證明了結果的可信度，但也存在將成片灌叢誤判成胡楊林訓練樣本并進行計算的可能。干旱區植被進化形成了與環境相適應的生存策略，如葉片角質層泛白、被毛等減少強光照射。遙感影像上的荒漠植被波譜往往不具備濕潤區健康綠色植被明顯的吸收波谷和反射峰的數據，使得圖像信息提取的精度受到影響。此外，2000、2010 年提取結果與真實結果存在較大的差異，是由于資料文獻中將額濟納旗黑河下游三角洲中心的東、西兩河流域及其19 條干支流的河漫灘的胡楊林面積全部納入統計。所以描述的研究范圍不同，勢必造成結果上較大的差異[19-20]。

今后在開展類似工作時，可以通過地面調查、高分辨率影像和優化分類算法相結合的方式，提高分類的準確性。

5 結論

（1）到2020 年，額濟納旗居延海胡楊林面積為2.99 萬hm2，主要分布于東西河三角洲和東河東岸上。1977—2020 年胡楊林面積和NDVI 值均有升高趨勢，其中胡楊林面積呈先降低后升高的變化趨勢（拐點為1990 年），NDVI 呈現顯著增加的趨勢（0.012/10 a，R2=0.408 4，P<0.01）。尤其是2001 年實施生態調水后，正義峽年均徑流量由補水前（1990—2000 年）的7.37 億m3增加至補水后（2001—2010年）的10.41 億m3，地下水深度由2.69 m 升至2.31 m，胡楊林景觀總體上得到了有效的恢復，NDVI 均值由1990—2000 年的0.146 增加至2001—2010 年的0.157，裸地平均面積由12.63 萬hm2減少至12.46萬hm2。因此，在后續對胡楊林保護的過程中，需重點關注水源補給。

（2）額濟納居延海胡楊林植被生長主要依賴的是黑河給水。實施黑河生態調水與胡楊林景觀生態功能得到改善的時間點同步，并且綠洲NDVI 與正義峽徑流量顯著正相關，相關系數為0.437（P=0.040）。此外，雖然月平均氣溫與月NDVI 顯著相關（偏相關系數為0.463，P<0.01），降水、日照時數與NDVI 相關性不強（偏相關系數為0.146，P＞0.05），但年NDVI 與生長季和年際平均氣溫、降水、日照時數均無顯著相關性，也說明額濟納旗生長季高溫、少雨，少降水和強蒸發造成了植被水分吸收和流失的極端不平衡性。此外，本文未開展物候實驗，尚缺乏足夠證據，證明究竟是NDVI 對氣溫存在正反饋效應，亦或是植被生長的實際溫度和適宜溫度接近，引發它們之間出現了假相關。