基于modisndvi的黑河中下游植被时空变化研究黑河流域生态输水对下游植被变化影响研究

基于modisndvi的黑河中下游植被时空变化研究黑河流域生态输水对下游植被变化影响研究

1生态洪水对植被影响的现实研究黑河流域是中国第二个内陆河流域，位于西北干旱地区。上游位于甘肃省，下游位于内蒙古额济纳旗。额济纳气候极端干旱、降水稀少,黑河中游来水是该地区的主要水源,历史上依靠黑河来水形成的额济纳绿洲位于新疆和内蒙古的沙漠之间,具有显著减缓强风侵蚀和沙尘暴发生的作用,是维护阿拉善和河西走廊,以及整个中国北方、亚洲东部生态安全的重要屏障。自20世纪60年代以来,随着黑河流域中游水土资源开发加剧,进入下游的水量持续减少,加之当地过度放牧和开垦,致使额济纳地区生态环境不断恶化:河道断流、湖泊干涸、地下水位下降、水质恶化、植被退化、生物多样性减少,土地沙漠化、荒漠化进程不断加剧。自20世纪80年代以来,额济纳地区逐渐演变成为我国沙尘暴的重要源头之一,其影响范围不仅局限于当地,且已危及到中国北方的大部分地区。为了拯救黑河流域日益恶化的生态环境,恢复额济纳旗的荒漠绿洲,1999年国家批复成立了水利部黄河水利委员会黑河流域管理局,其依据2001年国务院批复的《黑河流域近期治理规划》开始实施生态输水工程。2000—2008年间,向下游生态输水总计45.12亿m3。生态输水以来,额济纳生态环境的恢复状况受到国内外密切关注。植被作为生态系统最基本的组成部分和最主要的生产者,对其变化状况的研究目前已有很多,但研究结果并不一致:一部分研究认为生态输水有效促进了额济纳地区的植被恢复,特别是在河道两岸和东居延海周边[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],另一些研究则认为植被恢复并不明显,甚至继续退化,如东河下游胡杨林区。导致研究结论相悖的主要原因在于各研究采用的方法不同,所得结论分别基于不同时空尺度的对象。目前采用的方法包括实地调查和卫星遥感监测两类。实地调查能够获取准确的植被生理变化信息,但往往只能给出某些具体位置的情况,而难以获得区域植被变化的全貌。卫星遥感监测是开展大范围环境变化研究的有效工具,但亦存在两个问题:(1)通常仅使用某一天的数据来代表该年度植被状况[7,8,9,10,11,12,13,14],这在不同年份年内水分条件时空差异较大的现状下,显然是不合理的;(2)以区域作为整体进行研究,这就忽略了区域内部的空间差异。事实上,流域综合治理实施以来,由于进入下游的水量仍远不能满足需求,为了利用有限的水资源实现区域生态全面恢复,确定了“沿岸封闸,一路下泄,直至终端湖”的输水方案,额济纳境内修建了大量输水/灌溉工程对径流进行人工调节,致使区域水环境变化复杂,这必然引起植被变化的空间差异,已有研究结论的不同也证明了这一点。显然,只有在高时空分辨率上掌握整个区域的植被变化特征,才可能正确评估生态输水对植被的影响。本文基于对2000—2009年EOS/MODISND-VI时间序列的趋势分析,分析了黑河下游额济纳地区生态输水以来植被的时空变化格局,并借助不同时空分辨率遥感影像和实地调查,对其原因进行了分析,为黑河下游未来治理提供科学依据。2额济纳三角洲水系额济纳旗隶属于内蒙古自治区阿拉善盟,位于自治区的西北端,东邻阿拉善右旗,南、西分别与甘肃省河西走廊的肃北蒙古族自治县、金塔县、玉门市为邻,北与蒙古国接壤,总面积11.46万km2。该地区极端干旱,年平均气温8.2℃,≥10℃的积温为3542~3695℃,极端最高日气温43.1℃,极端最低日气温-37.6℃,年平均降水量37.9~49.3mm,蒸发强烈。自然条件下,黑河进入额济纳旗后在狼心山分为东、西两河,二者向北最终分别汇入尾闾湖东、西居延海。东、西河漫流过程中又分出多条支流,如纳林河、聋子河和安都河等,在这些河流两岸及冲积形成的扇形三角洲上发育了现代额济纳绿洲,绿洲周边分布着大面积的荒漠,包括戈壁和沙漠。绿洲植被以胡杨、沙枣、怪柳为主,林下草本和灌木、半灌木主要以苦豆子、芨芨草和苏枸杞为主;戈壁上则分布着白刺、红砂、红柳、麻黄、泡泡刺、沙拐枣、霸王等荒漠植被。额济纳旗人口稀少,2007年约为17240人,且大都集中在东河下游达莱库布镇。本文研究范围覆盖整个额济纳三角洲,总面积约为8022km2(图1),其中达莱库布镇城区面积6.7km2,占研究区0.08%。生态输水实施以后,额济纳陆续修建了一批水利工程,包括6条输水干渠、大量灌溉支渠和斗渠,以及众多分水枢纽。大多数干渠在原自然河道上修建,仅东干渠独立于天然河道修建于戈壁之上。目前,黑河水经狼心山分水枢纽后,经东河、西河和东干渠3条通道向下游输水。东河和东干渠水流在进入下游前汇合,经昂茨河分水枢纽后,进入东河下游的渠道和天然河道,即图1和表1中的C1—C9。与东河相似,西河区径流同样是在天然河道和人工渠系组成的过水通道中流淌。3学习方法3.1植被年际变化归一化植被指数(NDVI)是对植被生长状况和覆盖度的综合度量,有植被覆盖地区大于零,并与植被状况呈正相关。NDVI在植被变化研究中得到广泛使用,尤其适合于干旱半干旱地区,原因在于这些地区植被相对稀疏,不会引起其值饱和。本研究采用MODIS/Terra植被指数产品MOD13Q1的NDVI为基本数据源。MODIS植被指数产品在已有植被指数的基础上进行了改进,增强了对植被的敏感度,减少了大气、观测角、太阳角、云等外部因素和叶冠背景等非植被内在因素的影响,目前已被广泛地应用于全球生态环境变化的研究中。MOD13Q1产品为16d合成,250m空间分辨率,较其他同类产品(如AVHRRNDVI和SPOTVGT)更适合本研究区:一方面,由于研究区大多时间晴朗无云,16d合成能够有效去除云的影响,也不影响描述植被年内变化过程;另一方面,由于输水对绿洲植被的影响集中在距河道1km范围内,该数据250m分辨率相对于AVHRRNDVI(8km)和SPOTVGT(1km)数据能够更详细展示植被变化的空间差异。本研究对每年生长季(4—10月)的所有NDVI求和,该累积值SAN反映年度植被生长的总体状况,以2000—2009年SAN序列趋势度作为植被年际变化强度的指标。本研究还利用了2000—2008年各年份植被生长季无云覆盖的LandsatTM/ETM影像(轨道号134/31)共10景,影像获取时间分别为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。这些数据用于:1)对研究区绿洲和荒漠进行分区;2)获取地表水文信息,包括河流和长、短期湖泊的空间分布。另外,研究中还使用了GoogleEarth所提供的所有2.4m分辨率的Quickbird数据,其时间跨度为2002—2009年,这些数据能够提供水利工程、农田分布、自然植被和地形地貌等方面的详细信息,对于深入认识研究区植被变化具有重要意义。研究组于2009年6—9月期间在额济纳地区进行了为期30余天的实地考察和调研,通过野外观测和对当地政府部门与居民的采访,对水利工程使用状况和植被变化情况进行了了解,对遥感分析结果进行了验证。3.2患者合成影像的多态性分类额济纳景观可简单分为绿洲和荒漠两大类型,由于两者具有不同的优势植被种群和水盐条件,生态输水以来实施的生态保护措施也不尽相同,本文对绿洲和荒漠进行了区分。在生长季ETM数据的7、4、3波段合成影像上,可以清晰判别绿洲和荒漠。将2000—2008各年度SAN影像分别与同年ETM合成影像叠加,通过目视对比确定了区分绿洲和荒漠的SAN阈值。本研究中该阈值确定为1,即SAN大于1的像元归入绿洲,否则归为荒漠。从年际尺度而言,由于绿洲和荒漠的相互转化,不同年份绿洲和荒漠范围并不一致。因此,首先将研究区分为稳定绿洲区、稳定荒漠区、绿洲向荒漠转化区和荒漠向绿洲转化区,具体步骤为:(1)将2000—2009年间SAN恒大于1的像元归为稳定绿洲区,恒小于等于1的像元归为稳定荒漠区;(2)对于第1步分类后的剩余像元,SAN序列呈显著正趋势者为荒漠向绿洲转化区,显著负趋势者为绿洲向荒漠转化区;(3)对于第2步中SAN序列趋势不显著的像元,根据SAN序列均值是否大于阈值1分别归入稳定绿洲区和稳定荒漠区。在此基础上,将稳定绿洲区和绿洲向荒漠转化区合并作为绿洲区,将稳定荒漠区和荒漠向绿洲转化区合并作为荒漠区。3.3时间序列计算Hirsch方法被广泛用于计算时间序列的变化趋势,其结果“趋势度β”等同于一般统计回归中的斜率值,β>0表示递增趋势,β<0表示递减趋势,β=0表示不存在趋势,其绝对值越大,表明变化幅度越大。β计算如下:式中:1<i<j<n,n为时间序列长度,Xi为序列中第i个值。该方法为非参数统计方法,相比统计回归方法,优点在于其对时间序列数据的统计分布没有要求。本文采用该方法逐像元计算SAN序列趋势度,当β>0时表示植被恢复,β<0时表示植被退化,绝对值越大,表明恢复/退化程度越强烈,同时采用Mann-Kendall方法对趋势的统计显著性进行检验。4结果与讨论4.1研究区地质概况根据分类结果,2000—2009年间研究区内稳定绿洲面积约为2131km2,绿洲向戈壁转化区约为87km2,分别占研究区总面积的26.6%和1.1%,将两者合并作为下文所言的绿洲区,共计2218km2。如图2(a)所示,东河下游地区分布有大面积的片状绿洲,是额济纳旗社会经济活动的主要区域,也成为目前诸多研究关注的重点;在其他区域,沿西河主河、安都河、纳林河和东河主河等形成了一系列相对独立、走向相同的条带状绿洲,这些绿洲带构成了抵御风沙的多层防护体系,但现有研究对其关注甚少。研究区内稳定荒漠面积约为5308km2,荒漠向绿洲转化区约为496km2,分别占研究区总面积的66.2%和6.2%,荒漠向绿洲转化都发生在稳定绿洲区的边缘。将稳定荒漠区和荒漠向绿洲转化区合并作为下文所言的荒漠区,共计5804km2(图2(b))。4.2区域面积上的传统植被恢复的表现绿洲区80.4%(1781.94km2)的面积上SAN呈递增趋势,趋势度β介于0~0.64a-1之间(图2(a)),表明绿洲区植被普遍有所恢复,其中38.3%(849.7km2)的递增趋势在置信度α=0.05时显著(图3)。β≤0.14a-1的区域占到整个递增区的95.9%;β>0.14a-1的区域中,仅东居延海周边为天然植被覆盖区,SAN的递增趋势反映了天然植被的恢复,而其他位置SAN的递增则是农田开垦或弃耕地复播的结果。绿洲区19.6%(436.43km2)面积上的SAN呈递减趋势,表明局部区域绿洲植被退化情况依然存在,其中4.2%(92.4km2)的递减趋势在置信度α=0.05时显著。绿洲植被退化在西河区上、中、下游的河流两岸及附近的河漫滩上均有发生;在东河区上、中游的纳林河及东河主河局部河段的沿河林带也有出现。东河下游多处呈现植被退化趋势,从与输水通道的相对位置来看,主要分布于铁库里干渠西侧、二道河干渠东侧和四道河干渠西侧(图2(a))。4.3地表周边植被恢复情况如图2(b)所示,在91.5%的荒漠区(约5309km2)SAN呈递增趋势,表明荒漠植被也普遍呈恢复态势。在α=0.05置信度上,SAN递增趋势显著的区域占整个荒漠区的26.5%,约1538.9km2,主要分布于西河中、下游和东河下游(图3)。SAN递增区的趋势度β介于0~0.527a-1之间,其中大于0.05a-1的区域仅有43.2km2,占全部递增区的0.81%,主要分布在东居延海周边和中戈壁上易形成临时性湖泊的低洼地周边,东居延海周边普遍大于0.2a-1。在β≤0.05a-1的区域中,渠系出口附近位置的β普遍高于其他区域。由此表明,在地表水周边地带和能接受地表水补给的区域,植被恢复程度好于其他位置。由于东居延海2002年后常年有水,其周边地下水位能稳定满足植被生长需求;低洼地处能够形成临时性湖泊,一定时期内其邻近地下水埋深较浅,也能够较好满足植被生长;渠系灌溉能够直接提供地表水,但存在不能持续的问题,因此表现为东居延海周边植被恢复最好。前文所划分的荒漠向绿洲转化区也都落在这些区域。通过采访,当地政府部门人员和牧民都证实一些荒漠地区的植被长势有了明显好转,如西河下游梭梭林,与本文研究结果一致。但考虑到荒漠区植被普遍稀疏,需要在更多位置展开实地监测来进一步验证该结论。荒漠区内SAN呈递减趋势的面积为495km2,占总面积的8.5%(图2(b)),其中61.2km2面积(1.1%)上的递减趋势在α=0.05置信度上显著(图3)。SAN递减区域的趋势度β介于-0.28a-1~0之间,可分为3个区间。β≤-0.05a-1的区域占SAN递减区的3.93%,约19.5km2,几乎全都位于东居延海湖区。由于2002年后东居延海水面常年保持在20km2以上,并且各年份该区域的SAN值都小于零,因此这里SAN序列的递减是干涸湖盆转化为水体的结果,与植被无关。-0.05a-1<β≤-0.005a-1的区域占SAN递减区的36.5%,约180.9km2,主要分布在西居延海湖区。西居延海仅在2003、2008年形成湖面,但由于是地下水排泄区,湖盆地表积盐严重,因此该区域SAN递减体现了地表盐壳的变化,也与植被无关。β>-0.005a-1的区域约294.9km2,占SAN递减区的59.5%,占荒漠区总面积的5.1%,零星分布在一些河流两岸,指示了植被退化。巴拉吉尔敖包河及其支流附近的Z1和Z2,以及东河主河道附近的Z3是荒漠植被退化相对集中的区域(图2(b))。从趋势显著性检验结果来看,SAN显著递减区域都位于东、西居延海湖区,植被区内的SAN递减趋势并不显著。4.4降水量的趋势性植被的生长依赖于其根系对土壤水分的吸收,天然降水、地表水和地下水是土壤水分的补给源,由三者共同构成的水环境决定了植被的生长状况。研究区及周边临近范围内仅有一个气象站(图1),对该站2000—2009年降水量序列(图4)的分析表明其不存在显著趋势性。实地考察期间,对研究区内多个地点的居民进行了访谈,他们也都认为近10年来降水没有明显变化。另外就绝对量而言,研究区常年不足40mm的年降水量对土壤水和地下水的补给也极其有限。因此,研究区植被变化与降水无关,主要是生态输水的结果。4.4.1生态保护工程如前文所示,91.5%的荒漠区和80.4%的绿洲区SAN呈递增趋势,表明研究区植被整体呈恢复势态,这与已有研究结论一致[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。植被普遍恢复的根本原因无疑是额济纳水环境的整体好转。生态输水工程实施以来,进入下游水量从2002年开始略多于20世纪90年代,并呈逐年增加趋势(图5),对额济纳地表水和地下水环境的恢复起到关键作用。从Landsat/ETM影像上可以清晰看到额济纳东、西河下游区河流几乎每年都有短期恢复。通过地表水下渗补给,地下水位也得到了普遍抬升,2002—2004年间34口地下水监测井的数据表明,平均地下水埋深由输水前的4.5m减小到3.27m,距输水口和输水河道距离越近的地方,地下水埋深越小,地下水位上升幅度也越大。另外,在一定范围内,地下水位埋深较长时间内保持在2.38~4.08m这一区间,这样的水位埋深基本能够满足该地区一些耐旱乔、灌木植被的生长。同时,生态保护工程的实施对植被的恢复作用也不可忽视,其主要措施包括围栏封育、退耕还草和人工灌溉等,围栏封育保证了植被的自然生长环境,避免因人为破坏形成退化,人工灌溉则能够帮助植被生长。在狼心山来水量较治理前未有大幅增加的情况下(图5),额济纳东、西河下游地区的植被得以恢复,工程措施发挥了重要作用。生态输水以来,东河上中游区修建了东干渠作为快速输水通道,西河上中游采取了河道规整、堵支强干和土渠输水等措施。这些工程措施起到了限制径流侧向漫溢和支流分水,以及快速输水的重要作用,有效减少了沿程水量损失,增加了进入东、西河下游的水量。4.4.2纳林河的退化地下气候变化尽管研究区植被普遍恢复,但19.6%的绿洲区和5.1%的荒漠区植被仍呈退化趋势。在研究区大范围实施生态保护的情况下,植被退化表明局部区域水环境继续恶化或尚未改善到足以支持植被恢复的水平。主要退化区及局部水环境变化情况如下。(1)位于西河西侧巴拉吉尔敖包河及其支流附近区域(Z1和Z2),治理以来依然断流。(2)西河上游地带的一些河漫滩。由于西河采取了河道规整、堵支强干和土渠输水等措施,很多河段的水流漫溢受到控制,抵达河漫滩的水量减少或消失。(3)西河中游渠系两侧。渠系代替自然河道后,河水无法漫溢,两岸失去了地表水补给。(4)西河下游地带的一些河漫滩。西河下游地带未修建水利工程,而河流也一定程度上有所恢复,植被的退化表明现有水量仍不足以支持河漫滩乔木林的恢复。(5)纳林河沿岸河漫滩。东干渠投入使用后,该渠将纳林河在上游处拦腰截断,导致纳林河断流,直接造成了该河沿岸区域地表水环境恶化,也减少了对地下水的补给。(6)东河上中游东岸部分地带。因东河上中游河道下切较深,河流对东岸的地下水补给不足,导致东岸部分荒漠区植被继续退化。(7)东河下游地带。生态输水以来,东河下游的9条主干输水通道中有6条为人工干渠,其中5条进行了混凝土衬砌。相比原自然河道,这些渠系杜绝了地表径流的漫溢和下渗,即便有水通过,也无助于邻近地表水环境和地下水环境的恢复,使铁库里干渠西侧、二道河干渠东侧和四道河干渠西侧植被继续退化(图2(a))。在铁库里干渠东侧和二道河干渠西侧之所以几乎未出现退化区,主要原因应是两渠之间有一道河流经。一道河直通东居延海,是治理以来过流量最大的自然河流,能够对沿岸水环境起到恢复作用。二道河干渠和四道河干渠之间虽然也有三道河存在,但该河水量远少于一道河,流程有限,对于二道河干渠和四道河干渠后半段的水环境改善无能为力。从上述分析可以看到,除西河下游外,其他区域的植被退化都与邻近地表水环境恶化关系密切,而地表水环境的恶化都直接或间接源自于工程措施的实施,特别是渠系的使用。需要注意的是,在纳林河径流减少甚至消失的情况下,沿河地带SAN序列趋势实际上是上升和下降共存(图2(a))。沿河选取两组临近点P1-P2和P3-P4(图2(a)),从SAN序列可以看到,初期退化区的SAN高于恢复区,随着时间推移而趋于相同(图6)。通过Quickbird影像则可以看到退化区250m像元内的乔木林覆盖度高于恢复区。这也就意味着SAN呈递减趋势是乔木林退化的结果,而SAN呈递增趋势则可能源于林下草本植物的恢复。任由这种趋势发展下去,随着局部乔木林群落的继续退化,将会形成风蚀