基于modisndvi的黑河中下游植被時空變化研究黑河流域生態(tài)輸水對下游植被變化影響研究

基于modisndvi的黑河中下游植被時空變化研究黑河流域生態(tài)輸水對下游植被變化影響研究

1生態(tài)洪水對植被影響的現(xiàn)實研究黑河流域是中國第二個內(nèi)陸河流域，位于西北干旱地區(qū)。上游位于甘肅省，下游位于內(nèi)蒙古額濟納旗。額濟納氣候極端干旱、降水稀少,黑河中游來水是該地區(qū)的主要水源,歷史上依靠黑河來水形成的額濟納綠洲位于新疆和內(nèi)蒙古的沙漠之間,具有顯著減緩強風侵蝕和沙塵暴發(fā)生的作用,是維護阿拉善和河西走廊,以及整個中國北方、亞洲東部生態(tài)安全的重要屏障。自20世紀60年代以來,隨著黑河流域中游水土資源開發(fā)加劇,進入下游的水量持續(xù)減少,加之當?shù)剡^度放牧和開墾,致使額濟納地區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化:河道斷流、湖泊干涸、地下水位下降、水質(zhì)惡化、植被退化、生物多樣性減少,土地沙漠化、荒漠化進程不斷加劇。自20世紀80年代以來,額濟納地區(qū)逐漸演變成為我國沙塵暴的重要源頭之一,其影響范圍不僅局限于當?shù)?且已危及到中國北方的大部分地區(qū)。為了拯救黑河流域日益惡化的生態(tài)環(huán)境,恢復額濟納旗的荒漠綠洲,1999年國家批復成立了水利部黃河水利委員會黑河流域管理局,其依據(jù)2001年國務(wù)院批復的《黑河流域近期治理規(guī)劃》開始實施生態(tài)輸水工程。2000—2008年間,向下游生態(tài)輸水總計45.12億m3。生態(tài)輸水以來,額濟納生態(tài)環(huán)境的恢復狀況受到國內(nèi)外密切關(guān)注。植被作為生態(tài)系統(tǒng)最基本的組成部分和最主要的生產(chǎn)者,對其變化狀況的研究目前已有很多,但研究結(jié)果并不一致:一部分研究認為生態(tài)輸水有效促進了額濟納地區(qū)的植被恢復,特別是在河道兩岸和東居延海周邊[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],另一些研究則認為植被恢復并不明顯,甚至繼續(xù)退化,如東河下游胡楊林區(qū)。導致研究結(jié)論相悖的主要原因在于各研究采用的方法不同,所得結(jié)論分別基于不同時空尺度的對象。目前采用的方法包括實地調(diào)查和衛(wèi)星遙感監(jiān)測兩類。實地調(diào)查能夠獲取準確的植被生理變化信息,但往往只能給出某些具體位置的情況,而難以獲得區(qū)域植被變化的全貌。衛(wèi)星遙感監(jiān)測是開展大范圍環(huán)境變化研究的有效工具,但亦存在兩個問題:(1)通常僅使用某一天的數(shù)據(jù)來代表該年度植被狀況[7,8,9,10,11,12,13,14],這在不同年份年內(nèi)水分條件時空差異較大的現(xiàn)狀下,顯然是不合理的;(2)以區(qū)域作為整體進行研究,這就忽略了區(qū)域內(nèi)部的空間差異。事實上,流域綜合治理實施以來,由于進入下游的水量仍遠不能滿足需求,為了利用有限的水資源實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)全面恢復,確定了“沿岸封閘,一路下泄,直至終端湖”的輸水方案,額濟納境內(nèi)修建了大量輸水/灌溉工程對徑流進行人工調(diào)節(jié),致使區(qū)域水環(huán)境變化復雜,這必然引起植被變化的空間差異,已有研究結(jié)論的不同也證明了這一點。顯然,只有在高時空分辨率上掌握整個區(qū)域的植被變化特征,才可能正確評估生態(tài)輸水對植被的影響。本文基于對2000—2009年EOS/MODISND-VI時間序列的趨勢分析,分析了黑河下游額濟納地區(qū)生態(tài)輸水以來植被的時空變化格局,并借助不同時空分辨率遙感影像和實地調(diào)查,對其原因進行了分析,為黑河下游未來治理提供科學依據(jù)。2額濟納三角洲水系額濟納旗隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟,位于自治區(qū)的西北端,東鄰阿拉善右旗,南、西分別與甘肅省河西走廊的肅北蒙古族自治縣、金塔縣、玉門市為鄰,北與蒙古國接壤,總面積11.46萬km2。該地區(qū)極端干旱,年平均氣溫8.2℃,≥10℃的積溫為3542~3695℃,極端最高日氣溫43.1℃,極端最低日氣溫-37.6℃,年平均降水量37.9~49.3mm,蒸發(fā)強烈。自然條件下,黑河進入額濟納旗后在狼心山分為東、西兩河,二者向北最終分別匯入尾閭湖東、西居延海。東、西河漫流過程中又分出多條支流,如納林河、聾子河和安都河等,在這些河流兩岸及沖積形成的扇形三角洲上發(fā)育了現(xiàn)代額濟納綠洲,綠洲周邊分布著大面積的荒漠,包括戈壁和沙漠。綠洲植被以胡楊、沙棗、怪柳為主,林下草本和灌木、半灌木主要以苦豆子、芨芨草和蘇枸杞為主;戈壁上則分布著白刺、紅砂、紅柳、麻黃、泡泡刺、沙拐棗、霸王等荒漠植被。額濟納旗人口稀少,2007年約為17240人,且大都集中在東河下游達萊庫布鎮(zhèn)。本文研究范圍覆蓋整個額濟納三角洲,總面積約為8022km2(圖1),其中達萊庫布鎮(zhèn)城區(qū)面積6.7km2,占研究區(qū)0.08%。生態(tài)輸水實施以后,額濟納陸續(xù)修建了一批水利工程,包括6條輸水干渠、大量灌溉支渠和斗渠,以及眾多分水樞紐。大多數(shù)干渠在原自然河道上修建,僅東干渠獨立于天然河道修建于戈壁之上。目前,黑河水經(jīng)狼心山分水樞紐后,經(jīng)東河、西河和東干渠3條通道向下游輸水。東河和東干渠水流在進入下游前匯合,經(jīng)昂茨河分水樞紐后,進入東河下游的渠道和天然河道,即圖1和表1中的C1—C9。與東河相似,西河區(qū)徑流同樣是在天然河道和人工渠系組成的過水通道中流淌。3學習方法3.1植被年際變化歸一化植被指數(shù)(NDVI)是對植被生長狀況和覆蓋度的綜合度量,有植被覆蓋地區(qū)大于零,并與植被狀況呈正相關(guān)。NDVI在植被變化研究中得到廣泛使用,尤其適合于干旱半干旱地區(qū),原因在于這些地區(qū)植被相對稀疏,不會引起其值飽和。本研究采用MODIS/Terra植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1的NDVI為基本數(shù)據(jù)源。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品在已有植被指數(shù)的基礎(chǔ)上進行了改進,增強了對植被的敏感度,減少了大氣、觀測角、太陽角、云等外部因素和葉冠背景等非植被內(nèi)在因素的影響,目前已被廣泛地應(yīng)用于全球生態(tài)環(huán)境變化的研究中。MOD13Q1產(chǎn)品為16d合成,250m空間分辨率,較其他同類產(chǎn)品(如AVHRRNDVI和SPOTVGT)更適合本研究區(qū):一方面,由于研究區(qū)大多時間晴朗無云,16d合成能夠有效去除云的影響,也不影響描述植被年內(nèi)變化過程;另一方面,由于輸水對綠洲植被的影響集中在距河道1km范圍內(nèi),該數(shù)據(jù)250m分辨率相對于AVHRRNDVI(8km)和SPOTVGT(1km)數(shù)據(jù)能夠更詳細展示植被變化的空間差異。本研究對每年生長季(4—10月)的所有NDVI求和,該累積值SAN反映年度植被生長的總體狀況,以2000—2009年SAN序列趨勢度作為植被年際變化強度的指標。本研究還利用了2000—2008年各年份植被生長季無云覆蓋的LandsatTM/ETM影像(軌道號134/31)共10景,影像獲取時間分別為2000-6-14、2001-8-20、2002-9-24、2003-8-10、2004-8-28、2004-9-13、2005-9-16、2006-9-19、2007-8-21和2008-9-8。這些數(shù)據(jù)用于:1)對研究區(qū)綠洲和荒漠進行分區(qū);2)獲取地表水文信息,包括河流和長、短期湖泊的空間分布。另外,研究中還使用了GoogleEarth所提供的所有2.4m分辨率的Quickbird數(shù)據(jù),其時間跨度為2002—2009年,這些數(shù)據(jù)能夠提供水利工程、農(nóng)田分布、自然植被和地形地貌等方面的詳細信息,對于深入認識研究區(qū)植被變化具有重要意義。研究組于2009年6—9月期間在額濟納地區(qū)進行了為期30余天的實地考察和調(diào)研,通過野外觀測和對當?shù)卣块T與居民的采訪,對水利工程使用狀況和植被變化情況進行了了解,對遙感分析結(jié)果進行了驗證。3.2患者合成影像的多態(tài)性分類額濟納景觀可簡單分為綠洲和荒漠兩大類型,由于兩者具有不同的優(yōu)勢植被種群和水鹽條件,生態(tài)輸水以來實施的生態(tài)保護措施也不盡相同,本文對綠洲和荒漠進行了區(qū)分。在生長季ETM數(shù)據(jù)的7、4、3波段合成影像上,可以清晰判別綠洲和荒漠。將2000—2008各年度SAN影像分別與同年ETM合成影像疊加,通過目視對比確定了區(qū)分綠洲和荒漠的SAN閾值。本研究中該閾值確定為1,即SAN大于1的像元歸入綠洲,否則歸為荒漠。從年際尺度而言,由于綠洲和荒漠的相互轉(zhuǎn)化,不同年份綠洲和荒漠范圍并不一致。因此,首先將研究區(qū)分為穩(wěn)定綠洲區(qū)、穩(wěn)定荒漠區(qū)、綠洲向荒漠轉(zhuǎn)化區(qū)和荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū),具體步驟為:(1)將2000—2009年間SAN恒大于1的像元歸為穩(wěn)定綠洲區(qū),恒小于等于1的像元歸為穩(wěn)定荒漠區(qū);(2)對于第1步分類后的剩余像元,SAN序列呈顯著正趨勢者為荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū),顯著負趨勢者為綠洲向荒漠轉(zhuǎn)化區(qū);(3)對于第2步中SAN序列趨勢不顯著的像元,根據(jù)SAN序列均值是否大于閾值1分別歸入穩(wěn)定綠洲區(qū)和穩(wěn)定荒漠區(qū)。在此基礎(chǔ)上,將穩(wěn)定綠洲區(qū)和綠洲向荒漠轉(zhuǎn)化區(qū)合并作為綠洲區(qū),將穩(wěn)定荒漠區(qū)和荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū)合并作為荒漠區(qū)。3.3時間序列計算Hirsch方法被廣泛用于計算時間序列的變化趨勢,其結(jié)果“趨勢度β”等同于一般統(tǒng)計回歸中的斜率值,β>0表示遞增趨勢,β<0表示遞減趨勢,β=0表示不存在趨勢,其絕對值越大,表明變化幅度越大。β計算如下:式中:1<i<j<n,n為時間序列長度,Xi為序列中第i個值。該方法為非參數(shù)統(tǒng)計方法,相比統(tǒng)計回歸方法,優(yōu)點在于其對時間序列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布沒有要求。本文采用該方法逐像元計算SAN序列趨勢度,當β>0時表示植被恢復,β<0時表示植被退化,絕對值越大,表明恢復/退化程度越強烈,同時采用Mann-Kendall方法對趨勢的統(tǒng)計顯著性進行檢驗。4結(jié)果與討論4.1研究區(qū)地質(zhì)概況根據(jù)分類結(jié)果,2000—2009年間研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定綠洲面積約為2131km2,綠洲向戈壁轉(zhuǎn)化區(qū)約為87km2,分別占研究區(qū)總面積的26.6%和1.1%,將兩者合并作為下文所言的綠洲區(qū),共計2218km2。如圖2(a)所示,東河下游地區(qū)分布有大面積的片狀綠洲,是額濟納旗社會經(jīng)濟活動的主要區(qū)域,也成為目前諸多研究關(guān)注的重點;在其他區(qū)域,沿西河主河、安都河、納林河和東河主河等形成了一系列相對獨立、走向相同的條帶狀綠洲,這些綠洲帶構(gòu)成了抵御風沙的多層防護體系,但現(xiàn)有研究對其關(guān)注甚少。研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定荒漠面積約為5308km2,荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū)約為496km2,分別占研究區(qū)總面積的66.2%和6.2%,荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化都發(fā)生在穩(wěn)定綠洲區(qū)的邊緣。將穩(wěn)定荒漠區(qū)和荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū)合并作為下文所言的荒漠區(qū),共計5804km2(圖2(b))。4.2區(qū)域面積上的傳統(tǒng)植被恢復的表現(xiàn)綠洲區(qū)80.4%(1781.94km2)的面積上SAN呈遞增趨勢,趨勢度β介于0~0.64a-1之間(圖2(a)),表明綠洲區(qū)植被普遍有所恢復,其中38.3%(849.7km2)的遞增趨勢在置信度α=0.05時顯著(圖3)。β≤0.14a-1的區(qū)域占到整個遞增區(qū)的95.9%;β>0.14a-1的區(qū)域中,僅東居延海周邊為天然植被覆蓋區(qū),SAN的遞增趨勢反映了天然植被的恢復,而其他位置SAN的遞增則是農(nóng)田開墾或棄耕地復播的結(jié)果。綠洲區(qū)19.6%(436.43km2)面積上的SAN呈遞減趨勢,表明局部區(qū)域綠洲植被退化情況依然存在,其中4.2%(92.4km2)的遞減趨勢在置信度α=0.05時顯著。綠洲植被退化在西河區(qū)上、中、下游的河流兩岸及附近的河漫灘上均有發(fā)生;在東河區(qū)上、中游的納林河及東河主河局部河段的沿河林帶也有出現(xiàn)。東河下游多處呈現(xiàn)植被退化趨勢,從與輸水通道的相對位置來看,主要分布于鐵庫里干渠西側(cè)、二道河干渠東側(cè)和四道河干渠西側(cè)(圖2(a))。4.3地表周邊植被恢復情況如圖2(b)所示,在91.5%的荒漠區(qū)(約5309km2)SAN呈遞增趨勢,表明荒漠植被也普遍呈恢復態(tài)勢。在α=0.05置信度上,SAN遞增趨勢顯著的區(qū)域占整個荒漠區(qū)的26.5%,約1538.9km2,主要分布于西河中、下游和東河下游(圖3)。SAN遞增區(qū)的趨勢度β介于0~0.527a-1之間,其中大于0.05a-1的區(qū)域僅有43.2km2,占全部遞增區(qū)的0.81%,主要分布在東居延海周邊和中戈壁上易形成臨時性湖泊的低洼地周邊,東居延海周邊普遍大于0.2a-1。在β≤0.05a-1的區(qū)域中,渠系出口附近位置的β普遍高于其他區(qū)域。由此表明,在地表水周邊地帶和能接受地表水補給的區(qū)域,植被恢復程度好于其他位置。由于東居延海2002年后常年有水,其周邊地下水位能穩(wěn)定滿足植被生長需求;低洼地處能夠形成臨時性湖泊,一定時期內(nèi)其鄰近地下水埋深較淺,也能夠較好滿足植被生長;渠系灌溉能夠直接提供地表水,但存在不能持續(xù)的問題,因此表現(xiàn)為東居延海周邊植被恢復最好。前文所劃分的荒漠向綠洲轉(zhuǎn)化區(qū)也都落在這些區(qū)域。通過采訪,當?shù)卣块T人員和牧民都證實一些荒漠地區(qū)的植被長勢有了明顯好轉(zhuǎn),如西河下游梭梭林,與本文研究結(jié)果一致。但考慮到荒漠區(qū)植被普遍稀疏,需要在更多位置展開實地監(jiān)測來進一步驗證該結(jié)論。荒漠區(qū)內(nèi)SAN呈遞減趨勢的面積為495km2,占總面積的8.5%(圖2(b)),其中61.2km2面積(1.1%)上的遞減趨勢在α=0.05置信度上顯著(圖3)。SAN遞減區(qū)域的趨勢度β介于-0.28a-1~0之間,可分為3個區(qū)間。β≤-0.05a-1的區(qū)域占SAN遞減區(qū)的3.93%,約19.5km2,幾乎全都位于東居延海湖區(qū)。由于2002年后東居延海水面常年保持在20km2以上,并且各年份該區(qū)域的SAN值都小于零,因此這里SAN序列的遞減是干涸湖盆轉(zhuǎn)化為水體的結(jié)果,與植被無關(guān)。-0.05a-1<β≤-0.005a-1的區(qū)域占SAN遞減區(qū)的36.5%,約180.9km2,主要分布在西居延海湖區(qū)。西居延海僅在2003、2008年形成湖面,但由于是地下水排泄區(qū),湖盆地表積鹽嚴重,因此該區(qū)域SAN遞減體現(xiàn)了地表鹽殼的變化,也與植被無關(guān)。β>-0.005a-1的區(qū)域約294.9km2,占SAN遞減區(qū)的59.5%,占荒漠區(qū)總面積的5.1%,零星分布在一些河流兩岸,指示了植被退化。巴拉吉爾敖包河及其支流附近的Z1和Z2,以及東河主河道附近的Z3是荒漠植被退化相對集中的區(qū)域(圖2(b))。從趨勢顯著性檢驗結(jié)果來看,SAN顯著遞減區(qū)域都位于東、西居延海湖區(qū),植被區(qū)內(nèi)的SAN遞減趨勢并不顯著。4.4降水量的趨勢性植被的生長依賴于其根系對土壤水分的吸收,天然降水、地表水和地下水是土壤水分的補給源,由三者共同構(gòu)成的水環(huán)境決定了植被的生長狀況。研究區(qū)及周邊臨近范圍內(nèi)僅有一個氣象站(圖1),對該站2000—2009年降水量序列(圖4)的分析表明其不存在顯著趨勢性。實地考察期間,對研究區(qū)內(nèi)多個地點的居民進行了訪談,他們也都認為近10年來降水沒有明顯變化。另外就絕對量而言,研究區(qū)常年不足40mm的年降水量對土壤水和地下水的補給也極其有限。因此,研究區(qū)植被變化與降水無關(guān),主要是生態(tài)輸水的結(jié)果。4.4.1生態(tài)保護工程如前文所示,91.5%的荒漠區(qū)和80.4%的綠洲區(qū)SAN呈遞增趨勢,表明研究區(qū)植被整體呈恢復勢態(tài),這與已有研究結(jié)論一致[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。植被普遍恢復的根本原因無疑是額濟納水環(huán)境的整體好轉(zhuǎn)。生態(tài)輸水工程實施以來,進入下游水量從2002年開始略多于20世紀90年代,并呈逐年增加趨勢(圖5),對額濟納地表水和地下水環(huán)境的恢復起到關(guān)鍵作用。從Landsat/ETM影像上可以清晰看到額濟納東、西河下游區(qū)河流幾乎每年都有短期恢復。通過地表水下滲補給,地下水位也得到了普遍抬升,2002—2004年間34口地下水監(jiān)測井的數(shù)據(jù)表明,平均地下水埋深由輸水前的4.5m減小到3.27m,距輸水口和輸水河道距離越近的地方,地下水埋深越小,地下水位上升幅度也越大。另外,在一定范圍內(nèi),地下水位埋深較長時間內(nèi)保持在2.38~4.08m這一區(qū)間,這樣的水位埋深基本能夠滿足該地區(qū)一些耐旱喬、灌木植被的生長。同時,生態(tài)保護工程的實施對植被的恢復作用也不可忽視,其主要措施包括圍欄封育、退耕還草和人工灌溉等,圍欄封育保證了植被的自然生長環(huán)境,避免因人為破壞形成退化,人工灌溉則能夠幫助植被生長。在狼心山來水量較治理前未有大幅增加的情況下(圖5),額濟納東、西河下游地區(qū)的植被得以恢復,工程措施發(fā)揮了重要作用。生態(tài)輸水以來,東河上中游區(qū)修建了東干渠作為快速輸水通道,西河上中游采取了河道規(guī)整、堵支強干和土渠輸水等措施。這些工程措施起到了限制徑流側(cè)向漫溢和支流分水,以及快速輸水的重要作用,有效減少了沿程水量損失,增加了進入東、西河下游的水量。4.4.2納林河的退化地下氣候變化盡管研究區(qū)植被普遍恢復,但19.6%的綠洲區(qū)和5.1%的荒漠區(qū)植被仍呈退化趨勢。在研究區(qū)大范圍實施生態(tài)保護的情況下,植被退化表明局部區(qū)域水環(huán)境繼續(xù)惡化或尚未改善到足以支持植被恢復的水平。主要退化區(qū)及局部水環(huán)境變化情況如下。(1)位于西河西側(cè)巴拉吉爾敖包河及其支流附近區(qū)域(Z1和Z2),治理以來依然斷流。(2)西河上游地帶的一些河漫灘。由于西河采取了河道規(guī)整、堵支強干和土渠輸水等措施,很多河段的水流漫溢受到控制,抵達河漫灘的水量減少或消失。(3)西河中游渠系兩側(cè)。渠系代替自然河道后,河水無法漫溢,兩岸失去了地表水補給。(4)西河下游地帶的一些河漫灘。西河下游地帶未修建水利工程,而河流也一定程度上有所恢復,植被的退化表明現(xiàn)有水量仍不足以支持河漫灘喬木林的恢復。(5)納林河沿岸河漫灘。東干渠投入使用后,該渠將納林河在上游處攔腰截斷,導致納林河斷流,直接造成了該河沿岸區(qū)域地表水環(huán)境惡化,也減少了對地下水的補給。(6)東河上中游東岸部分地帶。因東河上中游河道下切較深,河流對東岸的地下水補給不足,導致東岸部分荒漠區(qū)植被繼續(xù)退化。(7)東河下游地帶。生態(tài)輸水以來,東河下游的9條主干輸水通道中有6條為人工干渠,其中5條進行了混凝土襯砌。相比原自然河道,這些渠系杜絕了地表徑流的漫溢和下滲,即便有水通過,也無助于鄰近地表水環(huán)境和地下水環(huán)境的恢復,使鐵庫里干渠西側(cè)、二道河干渠東側(cè)和四道河干渠西側(cè)植被繼續(xù)退化(圖2(a))。在鐵庫里干渠東側(cè)和二道河干渠西側(cè)之所以幾乎未出現(xiàn)退化區(qū),主要原因應(yīng)是兩渠之間有一道河流經(jīng)。一道河直通東居延海,是治理以來過流量最大的自然河流,能夠?qū)ρ匕端h(huán)境起到恢復作用。二道河干渠和四道河干渠之間雖然也有三道河存在,但該河水量遠少于一道河,流程有限,對于二道河干渠和四道河干渠后半段的水環(huán)境改善無能為力。從上述分析可以看到,除西河下游外,其他區(qū)域的植被退化都與鄰近地表水環(huán)境惡化關(guān)系密切,而地表水環(huán)境的惡化都直接或間接源自于工程措施的實施,特別是渠系的使用。需要注意的是,在納林河徑流減少甚至消失的情況下,沿河地帶SAN序列趨勢實際上是上升和下降共存(圖2(a))。沿河選取兩組臨近點P1-P2和P3-P4(圖2(a)),從SAN序列可以看到,初期退化區(qū)的SAN高于恢復區(qū),隨著時間推移而趨于相同(圖6)。通過Quickbird影像則可以看到退化區(qū)250m像元內(nèi)的喬木林覆蓋度高于恢復區(qū)。這也就意味著SAN呈遞減趨勢是喬木林退化的結(jié)果,而SAN呈遞增趨勢則可能源于林下草本植物的恢復。任由這種趨勢發(fā)展下去,隨著局部喬木林群落的繼續(xù)退化,將會形成風蝕