基于遙感的塔里木河下游地下水埋深對植被覆蓋的影響

希爾艾力·艾爾肯，孫與襄,2，劉強(qiáng)，麥麥提吐遜·麥麥提，馬合木江·艾合買提,*，依爾帕尼江·阿布力米提

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆新華水電投資股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830052；3.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；4.新疆喀什市水利局，新疆 喀什 844000）

植被作為生態(tài)環(huán)境中最直觀的表征特征，不僅在衡量生態(tài)環(huán)境變化中起著“指示器”作用，更能對區(qū)域的生態(tài)安全和綠色發(fā)展產(chǎn)生重要影響，對評價植被生長狀態(tài)具有重要的現(xiàn)實意義。植被覆蓋度作為量化植被狀態(tài)的基本特征量，成為國內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1-3]。新疆屬于內(nèi)陸干旱地區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)量大，地下水對植被生長和區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有至關(guān)重要的作用。自2000年開始，通過對塔里木河下游進(jìn)行生態(tài)輸水，抬升流域內(nèi)地下水位，修復(fù)其脆弱的生態(tài)環(huán)境。鄧銘江[4]等提出當(dāng)?shù)叵滤裆罴s為4 m時，適宜胡楊等根系植物的生長，當(dāng)?shù)叵滤裆畛^8.5 m時，不適宜植被生存。楊鵬年[5]等提出年輸水量維持在2.7×108m3以上，地下水埋深才能適宜流域內(nèi)植被生長。如何改善流域內(nèi)植被狀況和生態(tài)系統(tǒng)，動態(tài)分析地下水變化，探究地下水和植被覆蓋度的關(guān)系，確定最佳的地下水埋深和生態(tài)輸水方式，成為重要的科學(xué)和現(xiàn)實問題[6-8]。遙感作為重要的對地觀測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)植被監(jiān)測方法，具有覆蓋范圍廣、時間序列性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，在研究大區(qū)域植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測方面具有突出優(yōu)勢[9]。

本文以塔里木河下游綠洲（以下簡稱塔河綠洲）為研究對象，基于英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個斷面8 a的年均地下水位埋深實測數(shù)據(jù)，結(jié)合2001年和2017年7—10月的Landsat TM數(shù)據(jù)處理結(jié)果，定量分析了塔河綠洲地下水埋深對植被覆蓋度的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆塔河綠洲西海子水庫到臺特瑪湖之間（87°30'～88°20'E、39°20'～40°40'N），全長約428 km，東側(cè)為庫魯克沙漠，西側(cè)為塔克拉瑪干沙漠，形成隔斷兩大沙漠的重要綠色走廊，對區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)、綠色發(fā)展至關(guān)重要（圖1）。塔里木河下游具有典型的極端干旱溫帶大陸性氣候特征，氣候干燥（年均降水量為17.4～42.0 mm、蒸發(fā)量為2 500～3 000 mm），冬寒夏熱（年均氣溫為10.7～11.5℃），日照時間充足（年均日照時間為2 780～2 980 h），多為大風(fēng)天氣（年平均風(fēng)速為17～35 m/s）。由于遠(yuǎn)離海洋并被高山環(huán)繞，整個研究區(qū)降水稀少，自然降水不能有效補(bǔ)給地下水，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，屬于典型的干旱少水地區(qū)。塔里木河下游區(qū)域海拔變化不大，主要在800～850 m之間，自西北向東南方向有下降趨勢，河道兩側(cè)形成了以胡楊等喬木，檉柳、鈴鐺刺、白刺等灌木以及蘆葦、羅布麻、駱駝刺等草本植物為主的天然綠色屏障。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1）數(shù)據(jù)來源。本文采用的地下水監(jiān)測資料為2001年和2017年英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個河道水文斷面43眼監(jiān)測井地下水位埋深實測數(shù)據(jù)；采用的遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）的Landsat系列影像，為實現(xiàn)可比性，選取2001年和2017年7—10月的Landsat TM數(shù)據(jù)，均為塔里木河豐水期，植被覆蓋度高，云覆蓋率＜5%，圖像分辨率為30 m，每景覆蓋范圍為185 km×185 km，條帶號/行編號分別為141/032、141/033和142/032。

2）遙感影像預(yù)處理。首先利用ENVI 5.5軟件對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正，以消除大氣和光照等因素對地物反射的影響；然后對3景影像進(jìn)行影像鑲嵌和研究區(qū)裁剪等處理，獲取研究區(qū)完整的遙感影像；再利用ENVI 5.5軟件的波段計算器工具，通過近紅外波段（NIR，0.76～0.96 μm）和可見光紅波段（RED，0.62～0.69 μm）計算得到研究區(qū)各像元的歸一化植被指數(shù)（NDVI），NDVI=(BNIR-BRED)/(BNIR+BRED)；最后通過異常值計算公式，將大于1的NDVI值歸為1，小于-1的NDVI值歸為-1，得到去除異常值的NDVI遙感影像。

2.2 基于NDVI的植被覆蓋度計算方法

植被覆蓋度變化和NDVI變化具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，通?？赏ㄟ^NDVI值直接提取植被覆蓋度。本文采用基于NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度，計算公式為：

在實際應(yīng)用中，將NDVI值小于NDVImin區(qū)域的FVC取值為0；NDVI值大于NDVImax區(qū)域的FVC取值為1；介于二者之間的像元分別利用NDVImin和NDVImax代替NDVIsoil和NDVIveg，再利用式（1）進(jìn)行計算。NDVImin和NDVImax的取值是利用像元二分模型計算植被覆蓋度的關(guān)鍵[10]，本文以5%和95%作為NDVImin和NDVImax。

2.3 影像差值法

為反映研究區(qū)植被覆蓋度和地下水埋深的動態(tài)變化，本文對不同時期的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計算，獲取植被覆蓋度變化ΔF和地下水埋深變化ΔW。其計算公式為：

式中，F(xiàn)2017、F2001分別為2017年和2001年的植被覆蓋度；W2017、W2001分別為2017年和2001年的地下水埋深。

本文將ΔF分為嚴(yán)重退化（-1～-0.4）、一般退化（-0.4～-0.15）、基本穩(wěn)定（-0.15～0.15）、一般改善（0.15～0.4）、明顯改善（0.4～1）5個等級；將ΔW分為下降（＜-0.5）、基本不變（-0.5～0.5）、輕微上升（0.5～2）、明顯上升（＞2）4個等級。

2.4 地下水埋深與植被覆蓋度的相關(guān)性計算

通過相關(guān)性分析可研究兩個特定變量之間的相互關(guān)系[11-12]，為了研究地下水埋深對植被覆蓋度的影響，本文以像元為計算單元，利用ArcGIS 10.5的柵格計算器計算得到2001—2017年植被覆蓋度變化和地下水埋深變化的相關(guān)系數(shù)，計算公式為：

式中，xi為2001年和2017年的植被覆蓋度；yi為2001年和2017年的地下水埋深；xˉ為這兩年植被覆蓋度的平均值；yˉ為這兩年地下水埋深的平均值。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度空間分布特征與變化趨勢

基于NDVI像元二分模型和Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)，本文利用ENVI 5.3計算得到塔河綠洲兩個時期的植被覆蓋度，并通過傳統(tǒng)分割法將植被覆蓋度結(jié)果分為5個等級：裸地（0～0.2）、低植被覆蓋（0.2～0.3）、中低植被覆蓋（0.3～0.45）、中植被覆蓋（0.45～0.6）和高植被覆蓋（0.6～1）。2001年和2017年的植被覆蓋度空間分布如圖2所示，可以看出，塔河綠洲植被覆蓋總體以塔里木河下游段為軸線，從高植被覆蓋到低植被覆蓋向外分布；高植被覆蓋主要集中于34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍，呈大面積片狀分布，其余植被覆蓋等級集中在高植被覆蓋外圍以及河流兩岸。

圖2 塔河綠洲不同時期植被覆蓋度分級對比圖

本文利用塔河綠洲矢量邊界掩模統(tǒng)計得到塔河綠洲不同等級植被覆蓋面積和NDVI均值的變化。結(jié)果表明，塔河綠洲植被覆蓋總面積和NDVI均值均呈增加趨勢，植被覆蓋總面積由2001年的779.9 km2增至2017年的884.0 km2，增幅為13.3%。從不同覆蓋等級來看，高植被覆蓋面積由147.1 km2增至267.9 km2，增幅為82.2%；中、中低植被覆蓋面積均呈增加趨勢，分別增加了61.6 km2和130.8 km2，增幅分別為128.3%和131.5%；低植被覆蓋和裸地面積均呈減少趨勢，分別減少了209.2 km2和104.1 km2，降幅分別為43.1%和5.7%。通過對比可知，在不同植被覆蓋變化中，中低植被覆蓋面積增加最顯著，低植被覆蓋面積在綠洲總植被覆蓋面積中的比重最大，高、中、中低和低植被覆蓋面積在兩個時期占總植被覆蓋面積的比重分別為18.9%、30.3%，6.2%、12.4%，12.8%、26.0%，62.2%、31.2%，說明高、中、中低植被覆蓋區(qū)域占比顯著上升，低植被覆蓋區(qū)域占比顯著下降。

3.2 植被覆蓋空間變化特征

為揭示塔河綠洲植被覆蓋動態(tài)變化，本文采用影像差值法計算了2001—2017年綠洲植被覆蓋的絕對變化，差值為正表示植被覆蓋面積增加，差值為負(fù)表示植被覆蓋面積減少。2001—2017年植被覆蓋絕對變化空間分布如圖3所示，可以看出，塔河綠洲34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍變化較明顯；2001—2017年嚴(yán)重退化、一般退化、基本穩(wěn)定、一般改善、明顯改善的區(qū)域面積分別為14.93 km2、137.40 km2、2 121.91 km2、199.08 km2和133.25 km2，分別占總面積的0.57%、5.27%、81.41%、7.64%和5.11%。

圖3 2001—2017年植被覆蓋絕對變化空間分布

3.3 地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響

為了與塔河綠洲植被覆蓋度資料相對應(yīng)，本文選取2001年和2017年英蘇里、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻、庫爾干5個河道水溫斷面43眼監(jiān)測井地下水位埋深實測數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5軟件對地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，并使地下水埋深分布圖與植被覆蓋度分布圖的像元大小一致，分別得到2001年和2017年地下水埋深空間分布圖（圖4），可以看出，2001年英蘇、老英蘇、博孜庫勒、臺特馬湖、庫爾干等區(qū)域的地下水埋深較淺，到2017年該區(qū)域周圍地下水位開始上升，并向周圍擴(kuò)大。2001年和2017年地下水埋深從低到高（h＜2 m、2 m＜h＜3 m、3 m＜h＜4 m、4 m＜h＜5 m、5 m＜h＜6 m、6 m＜h）區(qū)域?qū)?yīng)的面積分別為97.44 km2、398.11 km2、356.29 km2、492.01 km2、407.80 km2、852.22 km2和278.95 km2、286.44 km2、392.52 km2、479.02 km2、432.27 km2、734.66 km2。地下水埋深從低到高級別面積變化量分別為181.52 km2、-111.67 km2、36.23 km2、-12.99 km2、24.47 km2和-117.55 km2，變幅分別為186.29%、28.05%、10.17%、-2.64%、6.00%和-13.79%。

圖4 2001年與2017年地下水埋深對比圖

為了揭示塔河綠洲地下水埋深的動態(tài)變化情況，本文采用影像差值法計算兩個時期地下水埋深的絕對變化情況，得到2001—2017年塔河綠洲地下水埋深變化的空間分布圖（圖5），按差值大小分為下降、基本不變、輕微上升、明顯上升4個等級。由圖5可知，英蘇、老英蘇、喀爾達(dá)依、博孜庫勒區(qū)域地下水位明顯上升，輕微上升面積較大，老英蘇南部小面積地下水位下降；下降、基本不變、輕微上升、明顯上升區(qū)域?qū)?yīng)的 面 積 分 別 為4.28 km2、960.05 km2、1 379.26 km2、263.19 km2，占比分別為0.16%、36.83%、52.91%、10.10%。

圖5 2001—2017年地下水埋深變化圖

為研究地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響，本文計算了研究區(qū)內(nèi)每個像元地下水埋深變化與植被覆蓋度變化之間的相關(guān)系數(shù)，得到相關(guān)系數(shù)分布圖（圖6），可以看出，植被覆蓋度變化與地下水埋深變化呈正相關(guān)的區(qū)域面積占比為34.3%，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占比為65.6%。由圖3、4、6可知，大西海子水庫至阿拉干斷面之間河道兩側(cè)900 m、阿拉干斷面至臺特馬湖之間河道兩側(cè)500 m范圍內(nèi)地下水埋深變化與植被覆蓋度變化呈強(qiáng)烈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.7～1之間，當(dāng)?shù)叵滤裆钌仙? m以上時，地下水埋深變化對植被覆蓋度具有明顯的改善作用；遠(yuǎn)離河道的區(qū)域呈強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-1～-0.5之間，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m時，地下水埋深變化對植被覆蓋度變化沒有明顯影響。

圖6 地下水埋深變化與植被覆蓋度變化的相關(guān)系數(shù)分布

4 結(jié)語

本文利用ArcGIS 10.8和ENVI 5.5軟件的空間解譯技術(shù)，分析了塔河綠洲的地下水埋深和植被覆蓋度的空間分布特征，并擬合得到地下水埋深變化對植被覆蓋度變化的影響及其相關(guān)關(guān)系。

1）近17年來塔河綠洲植被覆蓋面積明顯增加的同時，植被覆蓋度也明顯升高。2017年的植被覆蓋總面積比2001年增加了884.0 km2，增幅為13.3%。從不同覆蓋等級來看，高、中、中低植被覆蓋面積呈增加趨勢，其中中低植被覆蓋面積增加明顯；低植被覆蓋和裸地面積呈減少趨勢。

2）塔河綠洲植被覆蓋空間變化存在區(qū)域性差異。塔河綠洲34團(tuán)與35團(tuán)部、大西海子水庫與臺特瑪湖周圍變化較明顯，明顯改善區(qū)域面積為嚴(yán)重退化區(qū)域的10倍，以高植被覆蓋為主。

3）2001—2017年塔里木河下游地下水位的上升，主要以輕微上升為主。區(qū)內(nèi)適宜植被生長的最佳地下水埋深為2～4 m。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?～6 m時，對植被覆蓋度具有改善作用；當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥? m時，對植被覆蓋度變化影響不大。