塔里木河流域NDVI 時空變化特征及其影響因素分析

馬 森 , 張代青 , 張 惠 , 陳藝菁 , 付江鳳

（昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500）

引言

全球氣候變暖將改變生態系統，特別是陸地生態系統的結構和功能，人類活動加劇已致使生態系統尤其是流域生態系統健康日益惡化。為了應對這種負面影響，歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）已被廣泛應用于分析生態系統中植被的時空變化特征及其受氣象和人類活動的影響情況。趙健赟等[1]基于NDVI 分析了青藏高原的植被覆蓋率與氣象因素之間的響應關系，發現該地區植被覆蓋率改善的主要原因是氣溫升高、風速變低和降雨增加。祁鵬衛等[2]通過構建地理探測器模型探討重慶市植被覆蓋率與氣象因子、地形以及人類活動之間的關系，發現植被覆蓋率與各因素之間存在交叉作用。張永恒等[3]對西南地區植被與實測站點氣溫和降水的關系進行分析，發現西南地區植被變化有著春冬季大部分地區增加、夏秋季全區減少的時空變化特征。多項研究[4-8]還通過分析不同時空尺度上的植被與氣候因素間的相關性，揭示了植被生長狀況與氣候區類型、降水量、氣溫等之間的密切聯系，發現植被對不同氣象要素的響應有著不同的時滯效應，且有些地區人類活動相對于氣候的影響正面大于負面。

塔里木河流域是世界上最大的內陸河流域。20世紀，河道改道、興建水利工程、增加耕地用水等水資源盲目管理行為激化了塔里木河流域人與自然的爭水矛盾，使得流域生態嚴重失衡。1999 年后，國務院和新疆維吾爾自治區政府對此高度關注，并先后近20 次從博斯騰湖向塔里木河下游輸水，以改善塔里木河下游生態環境。但由于該流域生態災難積重難返，即使經過了10 多年的艱苦努力，流域下游仍未能達到“碧波蕩漾，枯木逢春”的預期效果。2016 年，新疆維吾爾自治區人民政府在塔里木河流域組織實施胡楊林保護區生態補水，以緩解流域生態嚴重退化的危機。但就全流域而言，目前的生態安全問題依舊突出，需要進一步實施更科學合理的治理方案才可能遏制住生態環境進一步退化。

基于以上研究背景，本文選用衛星遙感數據，分析近21 a 塔里木河流域植被變化趨勢，并探討人類活動強度（Human Activity Intensity，HAI）及不同氣象因素對該流域植被的影響差異，旨在為科學治理與修復流域生態環境、合理開發利用流域水能資源提供科技支撐。

1 研究區自然概況

塔里木河流域位于73°46'～96°39'E、34°85'～43°41'N，是環塔里木河9 大水系144 條河流的總稱，流域總面積102×104km2。流域地勢西高東低，北臨天山山脈，西倚帕米爾高原，南靠昆侖山脈、阿爾金山脈。流域氣候類型為典型的溫帶干旱大陸性氣候，干燥多風，降水稀少，蒸發十分強烈。氣溫年平均日較差14～16 ℃，年最大日較差在30 ℃以上，年平均氣溫為10.6～11.5 ℃，夏季7 月平均氣溫為20～30 ℃，冬季1 月平均氣溫為-10～0 ℃。干旱指數自北向南、自西向東增大，在17～50 之間；干流地區多風沙、浮塵天氣，以下游地區最為嚴重，最大風速為40 m/s。

近幾十年來，在氣候和人類活動的影響下，塔里木河流域水文狀態發生了巨大變化，與塔里木河干流有地表水力聯系的河流僅剩和田河、葉爾羌河和阿克蘇河。塔里木河流域地理概況及土地利用類型分布如圖1。

圖1 塔里木河流域概況及土地利用類型分布

2 數據與研究方法

2.1 數據來源及預處理

研究資料包括NDVI 數據集、氣象數據集、塔里木河流域矢量數據、土地利用類型數據及人口數據共5 類，具體介紹如下：

（1）NDVI 數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn），是采用最大值合成法生成的1998 年4 月—2020 年6 月逐月資料，空間分辨率為1 km×1 km。

（2）氣象數據是由歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）提供的ERA5 再分析數據集，空間分辨率為0.25°×0.25°。

（3）塔里木河流域矢量數據來源于國家冰川凍土沙漠科學數據中心（http://www.ncdc.ac.cn）。

（4）土地利用數據集來源于武漢大學楊杰等[9]基于Landsat 制作的中國土地覆蓋年度數據集（CLCD），空間分辨率為30 m×30 m。

（5）人口密度數據來源于佛羅里達大學地理系和新型病原研究所（https://www.worldpop.org/），經調整以匹配聯合國官方人口估計數，空間分辨率為30 m×30 m。

需要特別指出的是，本文選用的NDVI 及氣象數據是按行政區采集整理而成，因此渭干河及阿克蘇河流域等小部分地區不劃入研究范圍，另外還剔除了塔克拉瑪干沙漠及庫木塔格沙漠地區等植被極稀少的沙漠及荒漠區。

2.2 研究方法

為了進一步完善對全流域的植被研究成果，本文在考慮人類活動影響的前提下，選用Sen 趨勢法分析該流域NDVI 的趨勢變化，選用標準化信息流法研究該流域氣象要素的空間影響差異及其對NDVI 的影響程度。具體方法介紹如下：

（1）Sen 趨勢分析法

Theil-Sen Median 方法基于中位數進行斜率估計，又稱為Sen 斜率估計，是一種比較常用的非參數統計的趨勢計算方法。該方法對于測量誤差和離群數據不敏感，被廣泛用于長時間序列的趨勢分析中[10]。計算公式為：

式中：Xj和Xi為時間序列，median為中位數函數，n為序列長度；趨勢度 β大于0 表示序列呈現上升趨勢，β小于0 表示下降趨勢， β值的大小表示趨勢變化幅度大小。

（2）標準化信息流法

對于兩個時間序列，相關分析和因果分析都是比較常見的應用，因為大多數據往往是以時間序列的形式出現。目前在眾多學科，尤其是氣象科學中，相關性分析常常被用來研究要素間的響應關系，特別是以時滯相關關系代替因果關系?？筛鄷r候，相關分析只是追求簡單高效方法的一種替代手段，缺乏動態事件之間所需的不對稱性或方向性[9]。

鑒于此，Liang 等提出了一種能夠衡量變量間因果關系強度的因果分析理論——Liang-Kleeman 信息流理論，并進行了嚴格的定義推導和論證[11-12]。

依據這一信息流理論，信息流是指信息從序列X1到另一序列X2的時間率，計算公式為：

信息流法得到的信息流值僅表示序列間的相互關系，故Bai 等[13]在Liang 的方法基礎上提出一種更實用的標準化信息流方法，以便將變量間的因果關系強弱歸一化到[0, 1]范圍，即將T2→1標準化為 τ2→1，計算公式為：

式中： τ2→1為T2→1的標準化值，表征X2與X1之間的因果 關 系 強 弱；Hnoise為 從X2向X1傳 輸 的 隨 機 噪 聲；的估計方法見參考文獻[13]。

（3）HAI 表征模型

本文注重人類活動狀態和結果的動態描述，故以塔里木河流域土地利用類型數據為基本框架，輔以人口分布構建HAI 表征模型如下：

式（5）中：HAI為人類活動強度（0～1），HAI值越大說明人類活動強度越高；P、L分別表示歸一化后的流域人口與土地利用數據，a、b分別為P和L的權重。式（6）中：L表示某流域x的綜合土地利用，lxi表示該流域土地利用類型i的歸一化數據，kxi表示該土地利用類型的權重。

3 NDVI 時空變化特征

3.1 時間變化特征

統計分析及趨勢分析結果（表1、圖2）顯示，近21 a塔里木河流域及各子流域的植被變化整體上相對穩定，全流域NDVI 增長趨勢為0.03%/a，其中北部、西部較為顯著，而南部較弱。以2014 年為節點，塔里木河流域NDVI 變化可分為3 個階段：1999—2013 年增長階段，即第一次流域生態治理期間，塔里木河流域NDVI 年均增長0.14%，各地區植被增長速率排序為西部（0.16%/a）＞北部（0.15%/a）＞南部（0.10%/a），植被整體增長較明顯；2014—2015 年下降階段，主要受嚴重干旱影響，2014 年新疆總體降水量減少近一成，南疆年平均氣溫偏高0.1 ℃，塔里木河全流域NDVI急劇下降了15.4%～34.8%，各流域NDVI 均降至最低值；2016—2019 年增長階段，即第二次流域生態維護治理期間，流域西部、北部地區植被基本恢復至平均水平甚至繼續轉好，但南部克里亞河諸小河、和田河及車爾臣河諸小河地區植被狀況仍較第一階段惡劣，甚至在2017 年后有惡化趨勢。

表1 塔里木河流域NDVI 趨勢度及區間分布差異

圖2 1999—2019 年塔里木河各子流域NDVI 年際變化

3.2 空間分布特征

從各流域NDVI 多年平均情況（圖3）看，塔里木河流域NDVI 由北向南、由西向東呈增大趨勢，總體差異較顯著，其中南北相差26.6%。根據NDVI 值大小可將其大致劃分為以下2 種空間分布類型：

圖3 塔里木河各子流域NDVI 多年平均值

類型1：年平均NDVI 值大于0.09，植被生長狀況相對較好，包括阿克蘇河、渭干河、開孔河、喀什噶爾河、塔里木河干流及葉爾羌河流域。該分布類型位于北部天山山脈及西部帕米爾高原，所在流域耕地、草地面積較大，人類活動較頻繁且水資源條件相對較好，同時也是流域重點治理區域。由圖3 可知，該分布類型的各子流域多年平均NDVI 值均在0.10 以上，植被生長狀況排序為阿克蘇河（0.122）＞渭干河（0.116）＞開孔河（0.115）＞喀什噶爾河（0.105）＞塔里木河干流（0.104）＞葉爾羌河（0.101）。

類型2：年平均NDVI 值大致在0.04～0.08 之間，植被生長狀況相對較差，分布于地形起伏較大、人口分布密度較小、河流水系發育較差且相對干旱的流域南部和田河、克里亞河諸小河及車爾臣河諸小河流域，對應的NDVI 多年平均值僅為0.068、0.069 和0.054，植被環境極為脆弱。與流域北部相比，該類型分布地區植被增長速度慢將近一半，一旦植被遭受破壞，治理修復難度也會相應增大。

3.3 變化趨勢分布

圖4 給出了1999—2019 年塔里木河流域NDVI變化趨勢的空間分布。如圖所示，近21 a 內該流域內植被變化趨勢范圍介于-0.14%～0.12%。NDVI 呈增長趨勢的地區主要包括各子流域的農耕區，西部和北部部分山地或平原的草地、林地，以及流域干流中上游的生態綠洲等，趨勢度范圍為0.02%～0.12%，區域內植被生長較好；南部局部地區耕地和草地NDVI 有著大致相同的增長趨勢，但由于地形起伏且海拔較高，流域邊緣冰雪覆蓋區并不利于植被生長，大部分裸巖、石礫地區NDVI 呈弱的下降趨勢。

文化補充法，簡單來說就是對于在電影中被遺漏的一些文化現象做進一步的補充說明。特別是，當歸化和異化都無法準確地表達影片里的一些文化現象時，此時就需要譯者在適當的時間和位置是上，進行文化的補充，從而使觀眾可以更好地理解影片中的幽默點以及嘲諷點。

圖4 1999—2019 年塔里木河流域NDVI 變化趨勢分布

總的來看，1999—2013 年首次綜合治理期間，全流域植被恢復趨勢度為0.14%，環流域三大山脈的西部、南部及北部地區NDVI 年均增速大于0.10%；2014—2019 年生態維護和二次治理期間，全流域NDVI 增速為0.16%，西部和北部地區NDVI 增速大于0.14%，南部較低為0.05%?？梢?，當前塔里木河流部分流域植被恢復速度加快，但這種恢復主要分布于北部農耕區，而流域外圍草地、林地等生態植被狀況雖有好轉，但范圍較小，仍有較大的改善空間。

4 影響因素分析

為了探究塔里木河流域NDVI 呈現以上變化趨勢的原因，本節從人類活動和氣象條件兩方面進行分析。

4.1 人類活動影響

人類活動強度（HAI）是反映人類活動對一定區域表層產生擾動作用程度的綜合指標，能客觀表征人類活動對陸地表層的利用、改造和開發程度，其定量表達是評價人類活動對生態環境影響的重要參數。

公式（5）中，a、b及各土地利用類型權重參考陳泓瑾等[14]采用專家評分法給出的結果，取a=0.42、b=0.58，ki的取值見表2。為了避免流域面積差異的影響，采用綜合指標進行計算，即各土地利用類型面積采用對流域總面積的百分比，人口分布采用區域平均人口密度，結果見表3。

表2 土地利用類型權重

表3 人類活動強度及相關系數

塔里木河流域人類活動強度與耕地面積、草地面積及人口密度有較強的正相關，與未利用地面積有較強的負相關（表3），說明塔里木河流域地表過程主要受農業活動、土地開墾和人口分布影響。其中，農業主產區喀什噶爾河、阿克蘇河、渭干河、塔里木河干流及葉爾羌河流域人類活動強度較高，土地開發利用程度較低或水資源相對缺乏的車爾臣河、克里亞河、和田河及生態治理區塔里木河干流中下游人類活動強度較低。統計發現，2000—2020 年塔里木河流域人口平均以1.2×104人/a 的速度增長，耕地面積、林地面積、建設用地面積分別以100 km2/a、2 km2/a、12 km2/a 的平均速度增長，而草地面積及未利用地面積分別以-10 km2/a、-110 km2/a 的速度減少，流域人類活動強度將來還可能逐漸增強。

對各子流域進行人類活動強度與NDVI 之間的因果關系（τ）進行分析，結果見表3。在喀什噶爾河、阿克蘇河、渭干河等主要農產區及草地分布區，人類活動與NDVI 之間有著較強的因果關系，植被狀況受到人類活動的作用較明顯；而車爾臣河、克里亞河流域土地開發程度較低，人口密度較小，NDVI 受人類活動的影響極小?？梢?，NDVI 的時空演變特征與人類活動關系緊密，農業耕地、草地面積占比和人口分布是促進塔里木河流域NDVI 增長的主要推動力。

4.2 氣象要素影響

除人類活動影響外，氣象條件也是影響地表過程的重要因素。本節依據標準化信息流理論，在95%的顯著性水平下量化該流域降水量（TP）、地表氣溫（SKT）、離地2 m 氣溫（T2M）、風速（SI10）及降雪量（SF）對NDVI 影響的空間差異（圖5）。

圖5 氣象要素（a.TP，b.SKT，c.T2M，d.SI10，e.SF）影響NDVI 的空間差異及主要影響區域分布（f）

4.2.1 TP 影響差異分析

由圖5a 可知，TP 對塔里木河流域NDVI 的影響具有較明顯的特殊性，在林地及草地區域最為顯著，其信息流強度（τ）達到0.90 左右；其他子流域中，草地區域τNTP基本達到0.602 及以上；塔里木河流域內各農耕區多修建灌渠或多采用人工噴灌，農業產區τNTP相對不高，約為0.602。

由于塔里木盆地地處內陸，僅有少量西風氣流能越過相對開放的天山埡口后到達盆地，致使流域大氣降水主要受西風氣流控制[15]。根據ERA5 降水資料，分析塔里木河流域多年平均降水量可知：1960—2020 年該流域多年平均TP 為225.9 mm，其中北部地區為316.6 mm，西部為348.2 mm，南部為227.4 mm，東部為52.7 mm，中部沙漠地區僅51.8 mm?？傮w來看，近21 a 塔里木河流域TP 呈“北多南少、西多東少且持續增加”的特征，區域平均增速約為0.56 mm/a，與已有研究結論[16-18]基本一致?？梢?，塔里木河流域內植被生長，特別是草地生長對TP 有較強的依賴性。

4.2.2 SKT、T2M 影響差異分析

由圖5b 和圖5c 可知，SKT 和T2M 對塔里木河流域NDVI 影響的分布特征基本一致，大部分地區τNSKT、τNT2M均達到0.94 左右。相比之下，SKT、T2M 對NDVI的影響在開孔河、渭干河、阿克蘇河、喀什葛爾河及葉爾羌河等大部分地區較TP 顯著且均勻，不同土地利用類型植被對其均有較好的響應；和田河、克里亞河諸小河及車爾臣河諸小河流域內該影響有所降低，τNSKT及τNT2M均為0.40 左右。

采用Sen 趨勢法研究流域內氣溫變化規律，發現除大部分沙漠地區及南部昆侖山脈的部分山地βSKT（-0.036%～0）、 βT2M（-0.142%～0）略小于0 外，流域其 余地 區 平均 氣 溫Sen 趨勢 度 均大 于0（ βSKT介于0～0.593%，βT2M介于0～0.335%）。以T2M為例，采用有序聚類法[19]分析該流域1960—2020 年氣溫變化情況（圖6）?？傮w來看，整個塔里木河流域平均氣溫變化大致以1996 年為突變點，可分為1960—1996 年氣溫下降和1997—2020 年氣溫上升共兩個階段，年均氣溫變率分別為-0.03 ℃/a 和0.01 ℃/a，這與已有研究結論[16-18]近乎一致?？梢?，氣溫上升對塔里木河流域地表植被變化的影響十分明顯。

圖6 T2M 突變點識別

4.2.3 SI10 影響差異分析

風速變化可影響植物種子萌發過程和植物生長高度[20-21]，主要反映在加快或減弱熱量交換進而改變植物蒸騰作用和空氣濕度等。如圖5d 所示，SI10 對塔里木河流域NDVI 的影響不具有普遍性，僅耕地及西南部草地耕地對其比較敏感，τSI10最大為0.787。結合Sen 趨勢度分析可知：塔里木河流域SI10 趨勢變化不顯著，外圍山地地區略有上升， βSI10介于0～0.06%；自東部塔里木盆地入口庫木塔格沙漠至塔克拉瑪干沙漠腹地及各流域內小部分地區SI10 呈小幅度下降趨勢，其中沙漠地區 βSI10降幅最大為-0.07%。

4.2.4 SF 影響差異分析

降雪量過大會造成植物受傷或死亡，而冰雪融化能給土壤帶來水分，緩解地區干旱。如圖5e 所示，SF對塔里木河流域NDVI 的影響相對不大，西部喀什噶爾河地區τNSF最大為0.612，而其他地區τNSF普遍介于0.204～0.408，僅對草地影響相對較大。實際上，除帕米爾高原地區SF 略有增加（ βSF介于0.02%～0.10%）外，流域平原地區SF 幾乎沒有變化（ βSF=0）?？梢?，SF 對塔里木河流域平原地區NDVI 增長造成的影響有限，并不是主要的影響因子。

最后，以標準化信息流值綜合衡量以上氣象要素對NDVI 的影響，繪制出各氣象要素在塔里木河流域主要影響區域的空間分布（圖5f）。如圖所示，在各子流域的山地及平原地區，氣溫是影響NDVI 的主要因素；在西、北部流域草地及農產區中以SKT、T2M 影響為主，二者相差不大；TP 為較溫度之后影響該地區NDVI的次要因素，主要影響草地NDVI 的增長；南部諸河地區受多種氣象因素共同作用，但仍以氣溫和降水為主。

5 結論與討論

本文以近21 a 塔里木河流域NDVI、人類活動強度及氣象要素為量化指標，采用Sen 趨勢度分析、標準化信息流、HAI 模型、有序聚類等多種統計方法，分析了該流域NDVI 的時空變化特征，研究了人類活動及氣象要素對流域植被變化的影響，得到以下主要結論：

（1）近21 a 塔里木河流域植被變化趨勢總體較穩定，全流域NDVI 增速為0.03%/a，可分為1999—2013 年植被狀況恢復、2014—2015 年植被狀況下降及2016—2019 年植被狀況再恢復共3 個階段。

（2）塔里木河流域NDVI 表現出由北向南、由西向東增大的空間分布特征，區域差異較顯著。按NDVI值大小可將其空間特征大致劃分為2 種空間分布類型：一是NDVI 大于0.09，位于流域北部及西部，在遭受破壞后恢復較快；二是NDVI 介于0.04～0.08，位于流域南部，在植被遭受破壞后難以恢復。塔里木河流域NDVI 增長趨勢顯著區域的土地類型主要是耕地和草地，增長趨勢度介于0.02%～0.12%，其他地區NDVI幾乎不變或略有下降。

（3）塔里木河流域內植被生長受人類活動及氣象條件的雙重影響。一方面，流域內NDVI 與人類活動強度因果關系較強，各子流域農業活動范圍擴大及強度增加對NDVI 的總體增長有推動作用；另一方面，氣象條件暖濕化也有利于流域內植被生長。首先，流域內整體氣溫緩慢上升，解除了植物的低溫抑制，促進了流域草地及耕地地區植被生長；其次，流域正在逐漸變濕，降水增加為草地地區植被生長提供了必要條件。

總體而言，塔里木河流域的生態環境狀況當前相對穩定，但實施針對全流域的生態、社會及水資源統一評價與管理仍然迫在眉睫。為了緩解塔里木河流域的生態危機，一方面，應從造成流域生態問題的原因出發，針對經濟、社會發展問題可以在政策允許的范圍內進行新型水資源開發，以減少人類活動帶來的生態影響；另一方面，為應對不可控的氣候變化，可以利用當前塔里木河流域逐漸濕潤的趨勢，合理調配水資源，在保障生態需水要求的同時加強流域植被多元化治理，以達到逐步改善生態環境，實現流域生態健康良性循環的目的。