MODIS-NDVI时序数据分析方法研究——以塔里木河下游第七次秋季输水为例

采用季节指数方法对MODIS-NDVI数据进行时序分析,以塔里木河下游为试验区开展生态环境遥感监测应用研究,对塔河下游2005年第秋季生态输水效应进行定量化评价:与2001年相比,此次输水改善了下游区域总体生态状况,距河道3 km内NDVI平均波动在0.7~0.85左右;而各河段区的生态改善程度因地而异,下游上段NDVI变异函数变程为0.65 km,后段为0.4 km;同时发现输水对植被物候历有16天的滞后作用;另外,输水后16天旱区植被状况最佳,输水后32天下游生态整体改善最为明显。利用NDVI时间序列可以对生态输水效应进行评估,然而NDVI空间变化与输水过程中地下水位抬升变化的相关关系需要进一步研究。     

塔里木河下游输水20 a的生态响应

为了补给塔里木河下游断流的河道和挽救濒死的荒漠群落,自2001年塔里木河实施了生态输水工程,流域生态环境得到初步改善,实现了流域经济社会发展与生态环境保护的双赢。在生态输水20 a之际,为了评估输水的生态效应,基于多源遥感数据MOD13Q1和MCD12Q1数据,通过数学统计方法调查了塔里木河下游归一化植被指数(NDVI)和植被覆盖度的时空变化。结果表明:经过近20 a的生态输水,塔里木河下游的NDVI从2000年的0.14增大到2020年的0.21,增幅达33.3%,植被面积从2000年492 km~2扩大到2020年的1423 km~2;其中,低、中、高植被覆盖度的面积相较于2000年分别增多了277 km~2,537 km~2和132 km~2,增幅分别达到20.8%,448.0%和190.0%,中段的植被面积和植被覆盖度的增幅均高于上、下段区域的增幅。NDVI和植被覆盖度均表现为距离河道2 km范围内的值较大,且增幅也较大,2 km以外NDVI和植被覆盖度逐渐变小,且增幅也较小。空间上来看,约有57.1%的区域NDVI和植被覆盖度呈现显著增加趋势,显著减小的区域都不超过2.0%。Hurst指数表明超过75.0%以上的区域这种变绿的趋势会在未来继续保持,仅有6.1%的区域生态会继续恶化。综合评估塔里木河输水工程的生态效应,对于干旱区荒漠的保育恢复治理、生态水资源管理等方面具有重要的科学意义。     

塔里木河下游生态输水效应北大核心CSCD

分析塔里木河下游生态输水效应可为优化生态输水调配策略提供科学指导。基于Landsat系列影像、气象数据和现场钻探数据,解译土地利用类型及植被覆盖度,确定植被耗水量及地下水埋深演变趋势,以探讨生态输水的多重效应。结果显示:(1)2000—2020年,塔里木河下游林草地面积、覆盖度增长显著,1亿m^(3)生态水分别对应5.40 km^(2)天然植被面积及0.14%植被覆盖度增长。(2)2000—2015年植被耗水量重心沿塔里木河干流方向迁移,2015—2020年向自然漫溢区迁移,共向东南迁移4 359 m。(3)自然漫溢区内地下水埋深增幅高达5 m,主河道沿线2 km范围增加1~3 m,河道以外2~5 km区域地下水埋深增加0~1 m。(4)天然植被适宜耗水量约为200 mm·a^(-1),生态输水前期仅在主河道沿线局部区域存在低效耗散,后期大量集中于自然漫溢区。21年生态输水实践表明,天然植被明显改善,地下水位明显回升,生态输水效应显著;但受既有输水方式固化的制约,生态水量空间分布不均衡和低效耗散增大,生态输水方式仍存在优化的必要性。     

2013—2020年塔里木河流域胡杨林生态恢复成效评估

生态输水是塔里木河流域退化胡杨林生态恢复的主要措施,及时监测和准确评估其恢复成效是优化输水策略、完善胡杨林修复体系的关键。以2013年以来8个胡杨林区为研究对象,基于中高分辨率遥感数据监测不同胡杨林区生态输水前后植被面积、长势及植被覆盖度的时序变化,探讨胡杨林恢复与生态输水的关系。结果表明：（1） 2016年以来整个流域累计漫溢水面为2172.96 km²,占林区总面积的4.39%,主要分布在输水通道两侧及末端10 km范围内。（2） 输水前后林区植被整体呈现由退化到恢复的转变,林区生态恢复水平与年最大漫溢面积显著正相关。（3） 生态恢复成效评估表明,生态恢复最显著的区域是塔里木河中上游和叶尔羌河下游的夏马勒林场,但整个流域远离输水通道的胡杨林仍有退化趋势。合理规划输水通道建设,扩大胡杨林区的受水范围是退化胡杨林生态恢复的关键。     

基于多时相CBERS/CCD数据的塔里木河下游植被变化

自2000年实施生态输水以后,塔里木河下游断流区沿岸自然植被得到了不同程度的恢复。根据逐年中等分辨率遥感数据,利用时间轨迹分析方法,对植被变化的过程和趋势进行分析。选择2000-2005年各年的最佳CBERS/CCD图像,根据土壤调整植被指数值,将各年土地覆被分为植被和非植被;基于分类结果逐像元构建土地覆被变化轨迹;并按照过程和趋势特征将变化轨迹划分为恒定非植被、恒定植被、转变为植被、转变为非植被和非稳定变化5种变化类型。通过分析植被面积变化与生态输水之间的关系、以及不同趋势类型的数量、空间特征,并结合输水资料和地面调查结果,了解各种变化趋势的变化过程、植被结构和变化原因。结果表明:植被面积随生态输水的进行呈逐年增加趋势;输水过程中,7.94%的区域呈现转变为植被的趋势,主要是草本植物恢复和灌木丛的复苏所致;同时仅有2.66%的像元转变为非植被;由于生态脆弱性较高,尚有10.43%的像元表现为非稳定变化。变化轨迹所揭示的过程特征显示,由非植被向植被转变的变化主要出现在2003年最大规模输水以后;在河水漫溢区尤为明显。实践还表明,干旱区植被变化波动频繁,时间轨迹分析方法有利于揭示植被的变化过程和趋势;而CBERS/CCD数据的免费使用,为利用中等空间分辨率遥感数据进行时间轨迹分析节约了成本。     

塔里木河下游生态输水条件下胡杨林生态系统恢复研究

基于文献阅读,对塔里木河下游生态输水条件下胡杨林生态系统的恢复响应进行了讨论分析。生态输水显著抬升了地下水位,降低了地下水矿化度与土壤干旱指数,有效改善了塔里木河下游胡杨林生态系统的生境;胡杨复壮明显,距河道50 m胡杨冠幅最大增长达511.20%,距河道500 m内胡杨枯枝比平均小于0.15。输水后,下游胡杨树干径向生长平均增加62.80%,以胡杨为建群种的下游荒漠河岸林植被面积从2000年的492 km~2增加到2020年的1423 km~2,其中,低、中、高覆盖度植被面积分别增加20.80%、448.00%和190.00%;下游生态环境与植被群落对输水响应敏感,随输水量变化响应波动;现有输水模式因缺乏面上水文过程而难以保障下游胡杨林的有效更新,胡杨种群历经输水20 a依然保持"倒金字塔"型的退化龄级结构,并出现显著的性比偏雄与性别空间分异;胡杨群落依然处于恢复演替的初级阶段且不稳定,下游生态系统退化态势尚未彻底扭转。基于研究综述,探讨了塔里木河下游生态恢复中存在的问题,提出"优化输水方案,扩大受水面积和采取更加积极的恢复措施"的建议。     

塔里木河下游植被和沙漠化对输水前后地下水变化的响应分析

由于近50 a来人类对水土及生物资源的不合理开发利用,导致塔里木河下游河道断流近30 a,使本来就处于干旱环境中的塔里木河下游朝着更加干旱的方向急剧发展,地下水埋深由20世纪50年代的3～5 m逐年下降至2000年的8～12 m, 由此而引起下游天然植被面积逐年减少,仅严重退化的草地面积占下游草地面积的57.5% ,沙漠化面积逐年增加,沙漠化程度也在不断增强。从2000年5月至2007年10月10日,曾9次向塔里木河下游进行生态应急输水,输水后,河道附近地下水位不同程度地得到提高,整个下游天然植被面积不断增加,在下游植被响应最明显的地区,植被覆盖度已超过90%,活植株种类从输水前的 3～4种增加到输水后的10种以上。随着生态输水的实施,原先引起沙漠化的一些环境因子出现了大的变化,由此而引起沙漠化面积的减少和程度的减轻。     

塔里木河下游绿色走廊生态输水对沙漠化逆转的影响

自2000年起实施向塔里木河下游应急生态输水以来,通过修建从博斯腾湖引水的第二输水系统和上、中游综合治理与灌区节水改造,5 a累计从大西海子水库输水17\^64亿m3,沿河自上至下改善生态面积达800 km2,补给地下水11亿m3,实现了下游河道季节流水和尾闾的积水,并使地下水位回升,初步恢复了塔里木河下游水流系统。这是下游绿色走廊在极端干旱荒漠生态系统中维持稳定的重要因子,为使其充分发挥生态功能,还需期待绿色走廊的生态植被复苏和扩展,为此,仍需每年继续输水,才能直接发挥防沙治沙效益。     

塔里木河下游输水与生态恢复监测初报

根据近三年塔里木河下游生态输水前后地下水位、水质、土壤、植被等项内容的监测资料，分析了塔里木河下游输水对地下水位、水质的影响，揭示了输水与地表生态的响应过程，探讨了地下水位与天然植被生长、恢复的相互关系，阐述了植被退化过程及相关因子，确定了维系塔河下游生态安全的最低生态需水量、最佳生态水位。     

塔里木河下游生态输水对沙漠化逆转的影响

塔里木河下游是我国沙漠化最严重的地区之一。由于人类不合理的资源开发, 导致320km河道断流、大面积湿地消失、地下水位大幅度下降、天然植被全面衰败, 沙漠化程度加重。作者结合塔里木河下游生态输水和近3a的实地监测资料, 分析输水前后塔里木河下游典型地区沙漠化程度的变化, 并就生态输水对塔里木河下游沙漠化逆转的影响进行了讨论。结果表明, 生态输水后, 河道附近地下水位大幅度抬升, 植被种类和盖度明显增加, 部分地区沙漠化得到逆转。从实现逆转的沙漠化土地的空间分布看, 在纵横两个方向上表现出明显的变化规律, 在纵向上表现为上游土地沙漠化逆转的强度和范围较下游大; 在横向上, 表现为距输水河道越近变化越明显的特点。考虑到输水影响范围较小, 建议对现行的输水方式和输水规模进行适当调整。     

近20 a塔里木河下游输水对生态环境的影响

塔里木河下游是新疆生态环境问题比较突出的地区。为改善该地区恶化的生态环境,国家自2000年起向塔里木河下游实施了18次以生态建设和环境保护为目的的生态输水工程。近20 a来,塔里木河下游地下水位随输水次数增加呈不断上升趋势,生态植被不断修复,生态环境逐步好转。尤其是2017年实施第18次生态输水后,下输水量及其影响范围取得较大突破,引起社会高度关注。通过近20 a的断面来水监测资料,从水量、水质、地下水变化、植被恢复等方面,初步分析输水对生态环境的影响。同时,对前人研究的成果进行梳理和延展,使其对今后塔里木河下游的生态调度和科学管理起到指导作用。经分析得出以下结论：（1）虽然生态输水量基本都补给了生态植被和河道两侧的地下水,但持续性输水才是保证下游脆弱的生态环境稳定好转的根本途径。（2）输水使下游生态环境得到改善,现生态植被正在恢复,地下水位逐步抬升,地下水质明显好转。（3）采用汛期输水和间歇机动式调度,可使输水效益达到最大化。     

博斯腾湖向塔里木河生态输水效果及风险

为了挽救濒临毁灭的塔里木河下游生态环境,中国政府2000~2003年实施5次向塔里木河下游生态应急输水,结束塔里木河下游300 km河道近30年的断流历史。文章基于大量数据资料,简单介绍塔里木河断流过程;再分析近期博斯腾湖向塔里木河下游输水效果;最后从博斯腾湖来水水文特性分析、博斯腾湖调节计算和输水风险分析等方面,阐述博斯腾湖向塔里木河下游输水的风险及控制措施。     

塔里木河下游地下水变化动态分析

由十塔里木河下游地下水位不断下降,而来水量却连年减少,与20世纪50年代相比平均下降了4～6m。随着大面积发展灌溉农业,排水洗盐改良土壤进程加快,相应地排入塔里木河的咸水也大大增加,塔河下游地下水水质也发生相应的变化。通过对塔里木河下游地下水变化动态以及来水量、农业灌溉对地下水的分析,也对沙漠化发展和分布对地下水的响应关系进行了探讨。     

内流河流域水资源利用对径流年际年内变化影响的分析——以塔里木河流域为例

以塔里木河流域为例 ,探讨了干旱区内流河流域近 40年来 ,由于人口增长、灌溉面积扩大、河流水资源引用程度日益增加等原因所引起的河流径流多年变化及年内变化等水文效应及其变化的原因。     

塔里木河下游生态输水河道两侧区域地下水运动规律研究

根据塔里木河下游断流区域含水层水文地质特征及其实际输水过程中河水对浅层地下水的补给规律,建立了塔里木河下游绿色走廊生态输水河道附近区域地下水运动的一维非稳定流模型,并通过在整个输水过程中流量与水位两种边界条件相互转换的一种方法求解模型。最后应用上述模型分析了间歇性输水条件下塔里本河下游断流河段河道两侧地下水位恢复状况,为输水生态效益的定量评价及其今后输水工作的决策提供理论基础。     

塔里木河1994年大洪水及其相关问题分析

塔里木河阿拉尔站１９９４年７月发生了有记载以来的第二位最大洪峰流量，时段最大洪量。超过了以往的记录，在分析塔里木河洪水成因的基础上，对１９９４年洪水的形成，特性，沿程耗损作了剖析；回顾了１９５６年以来干流上，中，下游段耗用水比的变迁，并对其后果进行了分析。     

大型输水工程的生态效益与社会经济效益评价——以塔里木河下游为例

基于塔里木河下游2000年、2010年、2016年3期的遥感资料,对区域内的土地类型进行分类,评估整个区域的生态系统服务价值变化特征,并应用主成分分析法等估算区域的社会经济评价分值。结果表明：① 自生态输水以来,塔里木河下游地区的未利用地面积变化不大,水域面积增加最显著,耕地和建筑用地面积有所增加,林地和草地的面积有所减少。② 2000~2016年,塔里木河下游生态系统各项服务功能价值有所增加,其中以提供美学景观价值和气体调节的价值增加最大,增加率分别为318.35%,312.94%;生态系统服务总价值增加率约为69.57%。③ 影响塔里木河下游经济发展的因素可以概括为经济地理因素与农业发展水平。     

树木年轮对塔里木河生态环境变迁的印证

树木年轮是全球变化研究中获取过去气候环境演变数据的重要载体,具有定年准确、连续性好、分辨率及重建精度高等优势。通过单调趋势检验塔里木河上中游径流量与胡杨年轮的趋势变化情况,将树木年轮与历史文献记载相结合,分析塔里木河下游树木年轮对水分供给的响应情况,印证胡杨年轮对河道改道事件响应的准确性。结果表明：（1）1957—2010年,塔里木河上中游胡杨径向生长量在时间序列上逐渐下降,与径流有着相同的变化趋势,且下降趋势显著;（2）下游年轮标本显示1913-2000年胡杨径向生长量整体下降,1973-2001年更加明显而达到近100年最低水平,拉依河的形成、改道、重归故道等与历史文献记载相同;（3）生态输水工程的开展改善了下游生态环境,这从下游胡杨年轮上得到了验证,但近15年的生态输水远未使下游胡杨年轮生长量达到1920年以前的水平,说明目前的生态输水对荒漠河岸林的恢复能力也是有限的;（4）在胡杨年轮对水资源的响应分析中,小波分析方法与历史文献记载得出了相同的结论。     

Eco-water conveyances applied to control desertification at the lower reaches of the Tarim River

The lower reaches of the Tarim River are one of the areas suffering from most severe sandy desertification in Xinjiang, Northwest China. Irrational utilization of water and land resources results in eco-environmental deterioration in the Tarim River. In May 2000, the local government carried out the water conveyances project in the Tarim River. The influence of water conveyance on desertification reversion is analyzed and discussed according to the monitoring data in the past three years. Based on monitored data of the nine observed sections, along the channel of conveyance, the intensity and scope of desertification reversion in the upper reaches are larger than those in the lower reaches. Dynamic changes of desertification reversion are more obvious from the channel of conveyance to its two sides. However, the range of influence and intensity of desertification reversion is limited at present. It is suggested that the way and range of water conveyances should be adjusted in the future.