李福杰，韓 風(fēng)，馬 斌，趙 毅，陳曉東，劉曉煌，王 浪，尹立河，凌紅波

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心, 新疆 烏魯木齊 830057；2.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心,北京 100055；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054；4.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）

塔里木河位于中國新疆，是中國最長的內(nèi)陸河[1]。塔里木河流域具有不可替代的生態(tài)服務(wù)功能，維系著整個塔里木盆地的自然和人工生態(tài)系統(tǒng)的水資源保障[2]。但自20 世紀50 年代以來，特別是1972 年大西海子水庫修建以后，塔里木河下游河道斷流近30 年，導(dǎo)致下游生態(tài)環(huán)境惡化，尾閭相繼干涸[3]。因此造成地下水水位下降，荒漠植被大面積死亡，荒漠河岸林面積銳減，荒漠化加劇[2,4]。自此，眾多學(xué)者以及當(dāng)?shù)卣_始重視荒漠河岸林的生態(tài)恢復(fù)問題，希望在一定程度上恢復(fù)荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

為了挽救下游瀕臨崩潰的生態(tài)系統(tǒng)，在2000 年對下游實施了生態(tài)輸水工程。生態(tài)輸水工程實施以后，生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，地下水水位抬升，地表水體面積增加[6]，臺特馬湖水域面積達到147.87 km2(2017 年8 月)[7-8]。近年來，眾多學(xué)者對下游的生態(tài)恢復(fù)情況進行了研究[9-12]。為了探究植被恢復(fù)過程，研究者利用兩個或多個時像對比分析植被變化，發(fā)現(xiàn)生態(tài)輸水后下游植被有明顯改善[13-14]。一部分研究者為了反映塔里木河下游的植被變化過程，基于時間軌跡方法，發(fā)現(xiàn)2000-2005 年植被面積呈增加趨勢[15]，2006-2010 年呈下降趨勢[16]。然而有關(guān)天然植被如何響應(yīng)生態(tài)輸水過程以及生態(tài)輸水后植被具體的演化過程仍缺乏系統(tǒng)的研究?；诖耍狙芯恳运锬竞酉掠螢檠芯繀^(qū)，分析生態(tài)輸水以后天然植被的覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)、蒸散量(evapotranspiration, ET)以及物種多樣性的變化，回答天然植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)問題，研究成果可以為塔里木河下游荒漠河岸林的生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域(34.20°～43.39° N, 71.39°～93.45° E)位于中國新疆南部，地處塔里木盆地，毗鄰塔克拉瑪干沙漠[17](圖1)。塔里木河是干旱區(qū)內(nèi)陸河，全長2 179 km，主要的水源補給來自于高山冰雪融水[18]。流域內(nèi)降水量少，蒸發(fā)量大，年平均降水量為17.4～42.8 mm，年平均氣溫為10.6～11.5 ℃ [19-20]。塔里木河下游位于新疆若羌縣和尉犁縣境內(nèi)，為大西海子水庫至臺特馬湖的河段，該河段地勢北高南低，受風(fēng)蝕、風(fēng)積作用導(dǎo)致河床變形嚴重[21]，是生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)[7]。

圖1 研究區(qū)概況Figure 1 Overview of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究所用的大西海子下泄水量數(shù)據(jù)為塔里木河流域干流管理局提供的2000-2020 年共21 次大西海子逐月下泄水量數(shù)據(jù)。自大西海子水庫以下，共有英蘇、喀爾達依、阿拉干、依干不及麻及考干等地下水監(jiān)測斷面，每一個監(jiān)測斷面均有6 個監(jiān)測井，分別布設(shè)在離河道50、150、300、500、750 和1 050 m 處。本研究中使用的地下水?dāng)?shù)據(jù)為塔里木河干流管理局提供的2001-2020 年下游各監(jiān)測斷面的月數(shù)據(jù)，以及歷史文獻中記載的相應(yīng)地下水?dāng)?shù)據(jù)。輸水水量、地下水位以及物種多樣性數(shù)據(jù)由于是實際測量數(shù)據(jù)，在塔里木河下游實施生態(tài)輸水工程后，每年都有輸水量數(shù)據(jù)以及地下水位數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)年限為2000-2021 年。

本研究天然植被NDVI 數(shù)據(jù)利用Gee (Google earth engine)平臺的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1 (250 m)，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)在時間序列和空間分布上均具有連續(xù)性。MODIS NDVI 產(chǎn)品經(jīng)過大氣校正的雙向表面反射率計算出，這些反射率已經(jīng)屏蔽了水、云、重氣溶膠和云影的影響。本研究所用的天然植被NPP 數(shù)據(jù)采用GLASS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品GLASS NPP MODIS (500 m,2002-2018)。本研究所用的ET 數(shù)據(jù)采用GLASS數(shù)據(jù)產(chǎn)品GLASS ET MODIS (1 km, 2002-2018)。利用ArcGIS 平臺的重采樣工具統(tǒng)一分辨率為250 m。本研究所選用的數(shù)據(jù)年限受數(shù)據(jù)源的影響，在相關(guān)網(wǎng)站上所能獲取的遙感影像數(shù)據(jù)年限不同，因此本研究所選的數(shù)據(jù)年限不同。

NDVI 數(shù)據(jù)提取。全球的MOD13Q1 數(shù)據(jù)是一個采用Sinusoidal 投影方式的3 級網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品，具有250 m 的空間分辨率，每隔1 d 提供一次。因此，需要利用IDL 語言編寫程序提取出NDVI 最大值并將合成為逐月數(shù)據(jù)；在逐月數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，讀取最大值，生成年數(shù)據(jù)。

NPP 數(shù) 據(jù) 提 取。MOD17A3H 版 本6 產(chǎn) 品 提 供有關(guān)像素分辨率為500 m 的年度凈初級生產(chǎn)力(NPP)的信息，單位為g·m-2。年度NPP 來自給定年份 的 所 有8 d 凈 光 合 作 用(net photosynthesis, PSN)產(chǎn)品(MOD17A2H)的總和。PSN 值是總初級生產(chǎn)(gross primary productivity, GPP)和維持呼吸(maintain respiration, MR)的差。

利用IDL 語言編寫程序進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將3 期、46 期數(shù)據(jù)合成月NPP 數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)并讀出NPP 數(shù)據(jù)。選取相同時間尺度(2002-2018 年)的數(shù)據(jù)，繪制塔河下游NPP 數(shù)據(jù)。對于GLASS 數(shù)據(jù)集，每相鄰46 期數(shù)據(jù)相加得到研究區(qū)的年NPP。

ET 數(shù)據(jù)提取。GLASS 數(shù)據(jù)集蒸散發(fā)產(chǎn)品原數(shù)據(jù)為潛熱通量(latent heat flux)，單位為W·m-2，需要將其轉(zhuǎn)換成蒸散發(fā)單位(mm)。此外，使用HDFView 3.0 軟件打開原始ET 數(shù)據(jù)，通過查看其屬性發(fā)現(xiàn)，其還有一個比例因子(scale_factor = 0.01)，故在進行單位換算時需把它考慮進去，最終得到蒸散量，單位為mm。利用IDL 語言編寫程序進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、合成并讀出ET 數(shù)據(jù)選取相同時間尺度(2002-2018 年)的數(shù)據(jù)，繪制塔河下游天然植被蒸散量的GLASS_ET 數(shù)據(jù)。對于GLASS 數(shù)據(jù)集，每相鄰46 期數(shù)據(jù)相加得到研究區(qū)的年蒸散量。

多樣性指數(shù)計算。為使植被調(diào)查與地下水埋深數(shù)據(jù)相一致，選取塔里木河下游英蘇/老英蘇、喀爾達依、阿拉干和依干不及麻地下水監(jiān)測斷面作為采樣點，其中英蘇/老英蘇斷面有11 口地下水監(jiān)測井，其他斷面均有6 口(其中喀爾達依1 號井及阿拉干1 號井周邊因道路修建植被有明顯的人為破壞，未被選為樣點)，共計27 個樣點。每個采樣點均進行了地下水調(diào)查、物種多樣性調(diào)查。調(diào)查采樣時間為每年的8 月初。

物種多樣性調(diào)查過程：在每個地下水監(jiān)測井周邊范圍內(nèi)，隨機設(shè)定10 個10 m × 10 m 的樣方進行調(diào)查，每個樣方間距離大約為10 m。對于每個樣方，分別記錄所出現(xiàn)的物種名稱，以及每個物種的個體數(shù)量，調(diào)查樣方總數(shù)為270 個。

采樣點不同群落的物種多樣性選用Simpson 指數(shù)表征，計算公式如下：

式中：D為Simpson 指數(shù)；S為物種數(shù)目；Pi為第i個物種的相對重要值。

大西海子下泄水量(輸水水量)數(shù)據(jù)。為塔里木河流域干流管理局提供的2000-2020 年共21 次大西海子逐月下泄水量數(shù)據(jù)。

地下水位數(shù)據(jù)。自大西海子水庫以下，共有英蘇、喀爾達依、阿拉干、依干不及麻及考干等地下水監(jiān)測斷面，英蘇有11 個監(jiān)測井，喀爾達依、阿拉干、依干不及麻及考干等監(jiān)測斷面均有6 個監(jiān)測井，分別布設(shè)在離河道50、150、300、500、750 和1 050 m處。本研究中使用的數(shù)據(jù)為塔里木河干流管理局提供的2001-2020 年下游各監(jiān)測斷面的逐日數(shù)據(jù)及歷史文獻中記載的相應(yīng)地下水?dāng)?shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 歸一化植被指數(shù)時空變化特征

NDVI 可以反映植被的代謝強度與月、季、年尺度的變化特征，表征地表植被活動強弱[22]。繪制2002-2021 年塔河下游植被覆蓋度變化空間分布圖，最終結(jié)果表明，2002-2021 年，塔里木河下游植被覆蓋度變化動態(tài)較大，整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖2)。提取出NDVI 大于0.05 的區(qū)域視為植被，在2002-2021 年，下游植被面積從308 km2擴大到1 561 km2。

圖2 2002 年、2010 年、2018 年、2021 年塔里木河下游歸一化植被指數(shù)空間分布Figure 2 Spatial distribution of normalized diference vegetation (NDVI) in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, 2018 and 2021

根據(jù)塔里木河下游NDVI 年際變化(圖3)，下游NDVI 年際變化波動性較大，2001-2010 年NDVI呈現(xiàn)下降趨勢，2011-2021 年呈現(xiàn)上升趨勢。2001-2021 年的年平均值為0.46，在2011 年以后，塔里木河下游的NDVI 均高于年平均值。通過M-K 檢驗，從2001 年到2021 年，整個下游60.9%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)顯著增加趨勢(Z ≥ 1.96)。

圖3 2001-2021 年塔里木河下游NDVI 年際變化Figure 3 Interannual variation of NDVI in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2021

3.2 凈初級生產(chǎn)力時空變化特征

NPP 表示單位時間內(nèi)植被光合作用吸收的碳減去自身呼吸消耗后剩余的部分，是自然狀態(tài)下植被生產(chǎn)能力和固碳能力的關(guān)鍵指標[23]。繪制2002-2018年的塔河下游NPP 變化空間分布圖，最終結(jié)果表明，2002-2018 年，塔里木河下游的NPP 變化動態(tài)較大，NPP 高值區(qū)面積不斷擴大，整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖4)。根據(jù)2002-2018 年的月NPP 值，獲得2001-2018 年的逐年總NPP (圖5)。近20 年來NPP 年際波動較大，2002-2018 年，塔里木河下游天然植被的年總NPP 介于123 558.4～204 725.8 g·m-2，2002-2018 年總NPP 的平均值為153 729.03 g·m-2。2002-2011 年普遍低于平均值，呈現(xiàn)下降趨勢，2011 年后均高于平均值，呈現(xiàn)上升趨勢。表明生態(tài)輸水后塔里木河下游的植被生長狀況得到了較大的改善。

圖4 2002 年、2010 年、2018 年塔里木河下游凈初級生產(chǎn)力空間分布Figure 4 Spatial distribution of net primary productivity in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, and 2018

圖5 2001-2018 年塔里木河下游NPP 年際變化Figure 5 Interannual variation of NPP in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2018

3.3 蒸散量時空變化特征

蒸散量表示地表土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的總和[24]。2002-2018 年，塔里木河下游的ET 變化動態(tài)較大，ET 高值區(qū)面積不斷擴大，整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖6)。根據(jù)2002-2018 年的月ET 值，獲得2002-2018 年的逐年總ET (圖7)，近20 年來ET 的年際波動較大，2002-2018 年，塔里木河下游天然植被的年總ET 介于258 273.2～421 471.6 mm，2002-2018年的年總ET 的平均值為349 356.7 mm。2009 年的年總ET 最低，2016 年的年總ET 最高，2010 年之前的年總ET 值普遍低于2010 年以后。

圖6 2002 年、2010 年、2018 年塔里木河下游蒸散量空間分布Figure 6 Spatial distribution of evapotranspiration in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, and 2018

圖7 2001-2018 年塔里木河下游ET 年際變化Figure 7 Interannual variation of ET in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2018

3.4 多樣性指數(shù)變化特征

2000-2002 年，Simpson 指數(shù)呈明顯的增加趨勢，表明隨著生態(tài)輸水工程的實施，群落內(nèi)物種數(shù)增加，生態(tài)輸水效果顯著(圖8)；2002-2005 年，即生態(tài)輸水工程前期，Simpson 指數(shù)較高，維持在0.70～0.78；2006-2015 年，Simpson 指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，且年際波動性較大；2015 年之后，Simpson 指數(shù)維持在0.52～0.54，年際波動性較小。與2001 年相比，2021 年Simpson 指數(shù)上升了0.49。因此，在生態(tài)輸水工程實施后，Simpson 指數(shù)在不同階段具有不同的變化特征，總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且隨著輸水時間的延長，Simpson 指數(shù)年際波動性降低。

圖8 生態(tài)輸水后塔里木河下游Simpson 多樣性指數(shù)變化規(guī)律Figure 8 Variation of Simpson diversity index in the lower reaches of the Tarim River after ecological water diversion

3.5 地下水埋深變化特征

本研究利用2000-2020 年塔里木河下游英蘇、喀爾達依、阿拉干及依干不及麻地下水監(jiān)測斷面的逐月地下水?dāng)?shù)據(jù)及歷史文獻記載的地下水?dāng)?shù)據(jù)，對比分析生態(tài)輸水前后地下水水位的變化特征(圖9)。2000-2020 年下游各斷面地下水水位出現(xiàn)逐步抬升的趨勢，相比生態(tài)輸水初期(2000 年或2001 年)，2020 年英蘇、喀爾達依、阿拉干及依干不及麻地下水監(jiān)測斷面在離河50 m 處地下水埋深分別增加了2.09、3.21、4.23 和5.13 m，對比生態(tài)輸水水量過程，2000-2006 年年均輸水量為2.85 億m3，地下水雖逐步抬升，但趨勢較緩，2007-2009 年，年均輸水量僅為0.12 億m3，地下水水位變深，而2010-2020 年，隨著輸水量的增多，地下水水位抬升幅度增強，以依干不及麻為例，離河50 m 處，地下水由6.08 m(2010 年)抬升至2.07 m (2020 年)。

圖9 2000-2020 年塔里木河下游地下水埋深變化特征Figure 9 Variation characteristics of groundwater depth in the lower reaches of the Tarim River from 2000 to 2020

3.6 輸水量與各指數(shù)相關(guān)分析

2000 年至2020 年，塔里木河下游共實施生態(tài)輸水21 次，累計生態(tài)輸水84.89 億m3，年均輸水量4.04 億m3，實現(xiàn)了塔里木河綜合治理規(guī)劃制定的3.5 億m3下泄水量目標，特別是2010-2018 年，年均下泄水量達到6.07 億m3(圖10)。

圖10 2000-2020 年大西海子水庫下泄生態(tài)水量Figure 10 Ecological water quantity discharged from Daxihaizi Reservoir from 2000 to 2020

回歸分析結(jié)果表明，輸水水量與NPP、NDVI 有顯著的正相關(guān)關(guān)系，與ET、Simpson 指數(shù)的相關(guān)性較小(圖11)。因此，生態(tài)輸水后NDVI、NPP 呈現(xiàn)上升趨勢。即生態(tài)輸水后植被明顯恢復(fù)[11]，植被覆蓋度、NPP 呈現(xiàn)波動上升的趨勢。這與生態(tài)輸水后塔里木河下游的林草地面積擴大[25]、植被面積和植被覆蓋度增加[7,26-27]的研究結(jié)論一致。

圖11 凈初生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、蒸散量、Simpson 指數(shù)與生態(tài)輸水水量的相關(guān)關(guān)系Figure 11 Correlation between net primary productivity (NPP), normalized diference vegetation (NDVI), evapotranspiration(ET), Simpson index and the amount of ecological water transport

4 討論

在干旱區(qū)，地下水是水循環(huán)的重要部分，也是植被生長的關(guān)鍵要素之一[28]。研究區(qū)地處我國西北干旱區(qū)，降水量對植被生長的影響較小，大部分天然植被生長所需的水分來源于地下水[28]。生態(tài)輸水保證了斷流河道的聯(lián)通，促使地下水水位的抬升[3]，在塔里木河下游進行生態(tài)輸水成為影響地下水埋深的關(guān)鍵因素[3]。自實施生態(tài)輸水以來，塔里木河下游的地下水埋深抬升幅度整體大于1.38 m，使荒漠環(huán)境和退化植被得到恢復(fù)[3]。在垂直于河道方向，生態(tài)輸水的影響范圍可達1 050 m，地下水水位抬升范圍為1.38～2.69 m[3]。說明地下水水位的波動性變化受生態(tài)輸水水量的影響[10,29]。

生態(tài)輸水通過影響地下水埋深進而影響天然植被生長。即地下水位抬升，有利于改善植被生長狀況[30-31]，并且植被恢復(fù)程度與輸水水量和地下水水位有密切聯(lián)系[32-33]?；谶b感影像數(shù)據(jù)，生態(tài)輸水后植被明顯恢復(fù)[11]，整個下游60.9%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)顯著增加趨勢(Z ≥ 1.96)。生態(tài)輸水水量與NDVI、NPP 有顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明生態(tài)輸水主要通過影響NPP 和NDVI 促進植被恢復(fù)。2010 年后的生態(tài)輸水總水量為58.29 m3，顯著抬升地下水位，促使植被生長狀況得到明顯改善。

依據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，生態(tài)輸水主要影響NPP、NDVI 的變化，對ET 和物種多樣性的影響較小。干旱區(qū)地下水位與物種多樣性具有密切聯(lián)系，地下水水位的變化與物種多樣性具有正相關(guān)關(guān)系[34-35]。在本研究中，隨著生態(tài)輸水的進行，物種多樣性呈現(xiàn)先上升后下降最后趨于穩(wěn)定的趨勢，表明在水分狀況好轉(zhuǎn)之后，出現(xiàn)了大量的一年生草本，物種多樣性上升，但易受外界環(huán)境影響，因此物種多樣性波動性較大[36-37]。隨著生態(tài)輸水的持續(xù)進行，群落最終演替由喬灌木、多年生草本和一年生草本構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定[35,38]，因此后期群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定后生態(tài)輸水水量對物種多樣性的影響減小。

5 結(jié)論

本研究以塔里木河下游為例，分析生態(tài)輸水以后地下水水位變化以及天然植被的覆蓋度、NPP、ET、物種多樣性對地下水水位變化的響應(yīng)。研究表明：

1)截至2020 年底，年均輸水達4.32 億m3。滿足塔里木河綜合治理規(guī)劃制定的3.5 億m3下泄水量目標。相關(guān)分析結(jié)果表明，生態(tài)輸水量與NPP 和NDVI 之間有顯著的正相關(guān)關(guān)系，生態(tài)輸水主要通過影響NPP 和NDVI 促進植被恢復(fù)。

2)干旱區(qū)人為因素干擾下，生態(tài)輸水成為抬升地下水水位的有效措施。生態(tài)輸水實施后，下游各斷面地下水埋深呈現(xiàn)逐步抬升趨勢，抬升幅度整體大于1.38 m，且隨著輸水量的增多，地下水水位抬升幅度增強。

3)生態(tài)輸水促進植被恢復(fù)。生態(tài)輸水使得下游植被面積、NPP 以及ET 全面提升，植被物種多樣性逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。NDVI 隨著生態(tài)輸水的進行呈現(xiàn)上升趨勢，植被面積擴大了1 253 km2；NPP 2011年后，整體呈現(xiàn)上升趨勢，植被生產(chǎn)能力趨于增強；Simpson 指數(shù)上升了0.49，物種結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定；表明生態(tài)輸水后塔里木河下游的植被生長狀況得到了較大的改善。