塔里木河流域水儲量變化及綠洲生態安全評估

張齊飛， 陳亞寧， 孫從建， 向燕蕓， 郝海超

（1.山西師范大學地理科學學院，山西 太原 030031；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.山西財經大學公共管理學院，山西 太原 030006；4.華東師范大學地理科學學院，上海 200241）

綠洲是干旱、半干旱區脆弱生態環境內最具生態敏感性的一種復雜地理景觀，承載了干旱地區人類生產、生活和經濟活動，是維系人類生存和發展的重要場所。綠洲也是抵御沙漠入侵和干旱的天然生態堡壘［1］，對氣候變化有著重要的預警和指示作用［2］，在干旱區發揮顯著的冷/濕島效應、風屏效應、增雨效應和逆濕效應［3］。氣候變化導致全球干旱區荒漠化進程加快［4］，干旱區水資源問題也越來越突出，綠洲生境正發生劇烈變化［1］，進一步造成生態系統結構受損和功能紊亂［5-6］。氣候變化對綠洲發展、區域水資源分配和生態安全產生巨大挑戰［7］，迫切需要加強干旱區綠洲動態變化監測及其影響評估。

干旱區綠洲演變過程及生態安全機制一直是國內外學者關注的熱點，但大多研究基于多源遙感數據實施綠洲動態監測［8-10］。Pei等［11］和Liu等［12］基于多源遙感數據，實現了內蒙古和新疆植被動態度變化的監測。此外，一些研究基于土地利用動態度模型對植被的動態變化進行分析，如Shi 等［13］利用土地利用動態度模型和轉移矩陣對江蘇省土地覆被變化進行研究；Sun等［1］利用CA-Markov模型實現了塔里木河（簡稱塔河）流域沙漠-綠洲交錯帶植被動態變化預測；Zhang等［14］基于CASA模型計算植被凈初級生產力（NPP）來反映中亞干旱區植被生態狀況。目前，一些研究通過遙感生態安全評價來反映植被生態狀況，如Gao 等［15］基于遙感生態指數（RSEI）及標準差橢圓算法對哈密綠洲區的生態質量進行監測；Wang等［16］通過開發干旱區RSEI，實現了對咸海地區生態環境質量時空動態變化研究。在生態安全評估方面，相關學者通過改進三維生態足跡模型評價天山北麓綠洲的生態安全或基于加權平均法構建綠洲城市土地生態安全動態評價模型［17］。目前，干旱區綠洲動態變化與生態安全已經有了相關研究，但從系統和水資源影響角度分析綠洲的動態變化過程還亟需更多探究。

因此，本研究選取對氣候變化和人類活動影響較為敏感、絲綢之路經濟帶核心區的塔河流域綠洲區為研究靶區，基于2000—2020年的氣溫、降水、陸地水儲量和多源遙感數據，通過MODIS多源遙感數據、GRACE重力衛星和綠洲動態指數對近20 a塔河流域陸地水儲量以及綠洲的時空動態演變特征進行分析，并通過NPP和RSEI等指標對其生態安全進行了評估。該研究對于干旱荒漠區的生態保育恢復治理、綠洲健康發展和國家絲綢之路經濟帶建設具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

塔河流域地處歐亞大陸腹地，位于中國西北、新疆南部（圖1），為中國最大的內陸盆地，由天山、昆侖山、阿爾金山環繞，流域面積約92.60×104km2。該區由九大水系（開都-孔雀河、迪那河、渭干-庫車河、阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河）144 條河流構成，最后匯入臺特瑪湖（表1）?，F今補給塔河干流的僅有葉爾羌河、和田河、開都河和阿克蘇河4 條支流，水源補給主要來自周邊高山區的冰川、積雪融水、中山帶森林降水以及低山帶基巖裂隙水［18-19］。流域海拔范圍773～8323 m，由高山、雪山、河谷草原、戈壁沙漠和低地綠洲構成，沙漠占主導，全年干旱少雨，1979—2020年平均降水量53 mm，平均氣溫3.9 ℃。

表1 塔里木河流域綠洲區主要河流水文信息Tab.1 Hydrological information of main rivers in the oases of the Tarim River Basin

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據來源

本研究選用歸一化植被指數（NDVI）、植被覆蓋度、NPP和RSEI這4個綠洲指標探究綠洲動態變化特征。2000—2020年NDVI 來自MOD13Q1數據，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。NPP基于CASA模型，通過MOD13A1、MOD15A2H、MCD15A3H、Terraclimate 以及Gladas/T3H 等遙感數據計算得出。RSEI 的計算中用到的數據還有MOD09A1 和MOD11A2 數據。土地利用數據來自中國科學院資源環境數據云平臺（http://www.gscloud.cn）提供的2000、2005、2015 年和2020 年中國土地利用數據（1 km×1 km）。氣象站點氣溫和降水數據來自中國氣象數據網（http://cdc.cma.gov.cn）。陸地水儲量數據由得克薩斯大學空間研究中心（CSR，http://www2.csr.utexas.edu/grace/RL06_mascons.html）提供的2002年4 月—2020 年12 月GRACE 重力衛星數據反演獲取，數據空間分辨率為0.25°×0.25°。研究缺失的數據由缺失月份的多年累積平均和相鄰月份的平均值對缺值月份進行填補，水儲量變化是基于Mascons 方法獲得，距平基準期為時間序列完整的2002—2020年。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度本研究采用混合像元二分模型來計算植被覆蓋度，該算法的假設是基于每個像元的NDVI由植被和土壤2部分構成［11］，公式如下：

式中：f為植被覆蓋度（%）；NDVIV為完全被植被覆蓋像元的NDVI；NDVIS為土壤像元或無植被覆蓋像元的NDVI。本文基于MOD13Q1 影像，將研究區內NDVI 最大值作為NDVIV，最小值作為NDVIS計算植被覆蓋度。根據植被特征，將流域植被覆蓋度劃分為：高植被覆蓋區（≥75%）、較高植被覆蓋區（50%～75%）、中植被覆蓋區（25%～50%）、低植被覆蓋區（0～25%）。

1.3.2CASA模型本文采用修正的光能利用模型CASA 模型結合GEE（Google Earth Engine）大數據引擎估算NPP，輸入的數據包括月均溫、月降水、月太陽輻射、植被類型及NDVI 由Potter 在1993 年提出［20］，表達式為：

式中：NPP(x,t)為t月、x像元處植被的凈第一性生產力（g C?m-2）；APAR(x,t)為t月、x像元處植被的光合有效輻射（MJ?m-2）；ε(x,t)為t月、x像元處植被的實際光能利用率（g C?MJ-1）。

1.3.3 遙感生態指數（RSEI）RSEI 指數綜合了綠度、濕度、熱度、干度4個評價指標，分別由NDVI、濕度指數（WET）、溫度指數（LST）、裸土指數（NDBSI）通過主成分分析方法，得到生態遙感指數（RSEI）的初始值RSEI0［16］。計算公式如下：

式中：q為4個指標的組合：PC1為4個指標第一主成分分析結果；RSEImin和RSEImax分別為RSEI0的最小值和最大值。本文將RSEI 劃分為5 個等級：差[0.0,0.2)、較差[0.2, 0.4)、中等[0.4, 0.6)、良好[0.6, 0.8)和優秀[0.8,1.0)；RSEI的差值同樣劃分5個等級：嚴重退化區(-∞，-0.2)、輕微退化區[-0.2,-0.05)、穩定區[-0.05, 0.05)、輕微改善區[0.05, 0.2)和顯著改善區[0.2,+∞)。

2 結果與分析

2.1 陸地水儲量變化特征

2002—2020 年塔河流域陸地水儲量距平（TWSA）呈顯著下降趨勢（P<0.01），下降速率為0.27 mm·月-1。季節上，四季TWSA均表現顯著下降趨勢（P<0.01），春季、夏季、秋季和冬季TWSA下降速率分別為-3.26 mm·a-1、-3.25 mm·a-1、-3.17 mm·a-1和-2.99 mm·a-1。大部分區域的水儲量減少速率不足1 mm·月-1，但北部天山和西部帕米爾高原地區陸地水儲量呈現急劇減少（圖2a），達-3～-1 mm·月-1。2000—2020年北部開孔河、迪那河、渭干-庫車河和阿克蘇河流域TWSA 下降速率分別達-1.04 mm·月-1、-1.67 mm·月-1、-1.58 mm·月-1和-0.56 mm·月-1。西部喀什噶爾河流域TWSA下降速率為-0.36 mm·月-1，西南部葉爾羌河流域TWSA 下降速率達-0.13 mm·月-1，和田河流域整體TWSA 在過去20 a 無明顯變化。2000—2020 年塔河南部和西南部的策勒-克里雅河和車爾臣河流域TWSA 表現為顯著的增長態勢（P<0.01），增加速率分別為0.15 mm·月-1和0.21 mm·月-1。

圖2 2002年4月—2020年12月塔河流域及子流域陸地水儲量變化趨勢Fig.2 Change trend of TWSA in the Tarim River Basin and sub-basins from April in 2002 to December in 2020

2.2 綠洲動態變化特征

2000—2020 年塔河流域九源綠洲區面積表現為顯著擴張態勢（圖3），擴張面積約0.42×104km2（6.49%），其中北部天山地區的博斯騰湖、孔雀河、渭干-庫車河、阿克蘇河流域綠洲面積分別擴張了274 km2（6.35%）、240 km2（7.01%）、282 km2（3.90%）和1138 km2（9.77%）；西部喀什噶爾河流域綠洲面積擴張了880 km2（8.37%）；南部的葉爾羌河、和田河和車爾臣河流域綠洲面積分別擴張了553 km2（3.98%）、91 km2（1.46%）和965 km2（38.68%）。

圖3 2000—2020年塔河流域綠洲區時空分布和面積變化Fig.3 Spatiotemporal distribution and area changes of the oases in the Tarim River Basin during 2000—2020

2.2.1 綠洲NDVI變化2000—2020年塔河九源綠洲區NDVI 均表現出顯著的增加趨勢（P<0.01，圖4）。其中，博斯騰湖、孔雀河、迪那河、渭干-庫車河和阿克蘇河綠洲區NDVI 分別增加了38.42%、80.30%、55.25%、50.89%和51.61%；喀什噶爾河綠洲區NDVI增加了51.48%；南部的葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河綠洲區NDVI分別增加了30.38%、32.51%、21.84%和21.73%。Hurst指數顯示未來塔河大部分區域將轉好，其中博斯騰湖、阿克蘇河、葉爾羌河、渭干-庫車河、喀什噶爾河、策勒-克里雅河和車爾臣河流域綠洲區約有54%～75%的區域NDVI減少，和田河綠洲區高達91.15%的區域NDVI將會減少。Hurst指數顯示迪那河和孔雀河流域綠洲區51%和63%的區域未來NDVI呈現增加態勢。

圖4 2000—2020年塔河流域綠洲區歸一化植被指數（NDVI）時空變化Fig.4 Spatiotemporal variations of NDVI in the oases of the Tarim River Basin during 2000—2020

2.2.2 綠洲植被覆蓋度變化2000—2020 年塔河流域綠洲區植被覆蓋度呈顯著上升趨勢（P<0.01，圖5），其中，北部的開孔河和阿克蘇河綠洲區植被覆蓋度增加速率最高，分別達1.20%·a-1和0.85%·a-1（P<0.01），南部策勒-克里雅河增加速率較緩（0.21%·a-1，P<0.05）。2000—2020 年塔河流域高、較高和中等植被覆度面積均呈現顯著上升態勢（P<0.01），近20 a 擴張速率分別達8.28%·a-1、2.53%·a-1和7.26%·a-1，而低植被覆蓋度面積卻呈現減少態勢（-0.25%·a-1）。2000—2020 年塔河流域北部高、較高植被覆蓋度面積增加顯著（P<0.05），增加速率分別為63.84 km2·a-1和5.71 km2·a-1（博斯騰湖綠洲區）、79.87 km2·a-1和24.66 km2·a-1（孔雀河綠洲區）、6.82 km2·a-1和15.75 km2·a-1（迪 那 河 綠 洲 區）、132.11 km2·a-1和46.43 km2·a-1（渭干-庫車河綠洲區）、179.47 km2·a-1和99.40 km2·a-1（阿克蘇河綠洲區）。塔河南部綠洲區低植被覆蓋度面積均呈現顯著減少態勢（P<0.01），葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河流域綠洲面積分別以-198.45 km2·a-1、-37.48 km2·a-1、-11.10 km2·a-1和-19.49 km2·a-1速率減少。

圖5 2000—2020年塔河流域綠洲區植被覆蓋度變化Fig.5 Spatiotemporal variations of the fraction of vegetation cover in the oases of the Tarim River Basin during 2000—2020

2.2.3 綠洲NPP年際變化特征2000—2020 年塔河九源綠洲區NPP均表現出顯著增加態勢（P<0.01，圖6），NPP由2000年的26.16 g C?m-2增至2020年的34.41 g C?m-2，近20 a NPP 增加31.55%。相比2000年，2020 年塔河流域各綠洲區NPP 尤其山區NPP增加顯著。北部的博斯騰湖、孔雀河、迪那河、渭干-庫車河和阿克蘇河綠洲區NPP在2000—2020年增加速率分別達2.26 g C?m-2?a-1、4.30 g C?m-2?a-1、1.39 g C?m-2?a-1、3.12 g C?m-2?a-1和2.86 g C?m-2?a-1，近20 a NPP 分別增加98.51%、219.06%、12.67%、82.12%和56.13%；西部喀什噶爾河綠洲區NPP 近20 a增加速率達2.38 g C?m-2?a-1（71.28%）；南部葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河綠洲區NPP在2000—2020 年增加速率達2.03 g C?m-2?a-1、1.39 g C?m-2?a-1、0.86 g C?m-2?a-1和0.46 g C?m-2?a-1，分別增加了66.42%、49.56%、32.02%和17.18%?；贖urst指數分析，未來塔河北部渭干-庫車河、塔河南部的葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河綠洲區NPP將呈現減少趨勢，尤其是和田河綠洲區（Hurst=0.27）。圖6e 顯示，博斯騰湖、阿克蘇河、葉爾羌河、孔雀河、迪那河、渭干-庫車河、喀什噶爾河、策勒-克里雅河和車爾臣河綠洲區在未來50%以上區域NPP 仍將呈現增加趨勢，阿克蘇河、孔雀河和迪那河綠洲區更是高達64.52%、79.49%和75.96%，和田河綠洲未來有50%以上（51.25%）區域NPP減少。

2.3 綠洲生態效應評價

2000—2020 年塔河流域生態整體轉好（圖7），生態等級由較差級別轉為中等級別，RSEI 從2000年的0.28增至2020年的0.43。北部的博斯騰湖、孔雀河、迪那河、渭干-庫車河和阿克蘇河綠洲區RSEI分別從2000 年的0.33、0.37、0.31、0.31 和0.39 增至2020年的0.45、0.71、0.36、0.70和0.55，近20 a分別增長了35.63%、90.86%、16.23%、123.32%和42.53%；西部喀什噶爾河綠洲區RSEI由2000年的0.31增至2020 年的0.47，增長了50.32%；塔河流域南部的葉爾羌河、和田河、策勒-克里雅河和車爾臣河流域綠洲區RSEI 分別從2000 年的0.41、0.29、0.34 和0.24增至2020年的0.45、0.42、0.41和0.31，近20 a分別增長了10.81%、45.02%、22.26%和27.57%。

與2000年相比，2020年塔河流域生態條件差和較差的區域面積減幅達86.87%和22.96%，生態條件良好和優秀的區域面積增幅達140.02%。2000—2020年，塔河流域生態退化區面積（嚴重退化區+輕微退化區）約占總流域面積的5%，穩定區面積占26.08%，輕微改善區面積占62.69%，顯著改善區面積占6.23%。塔河流域綠洲區多集中在穩定區和輕微改善區，其覆蓋區域面積占總流域的90%左右，其退化區面積均不超過總面積的5%，其嚴重退化區面積均不超過2%。

3 討論

3.1 自然因素

2000—2020 年塔河流域氣溫和降水空間差異顯著（圖8），渭干-庫車河和阿克蘇河流域呈顯著升溫態勢，而北部開都河流域和西部的帕米爾高原等地區溫度呈下降趨勢。降水變化則以增多為主，流域內絕大多數（66.67%）站點降水呈現增長態勢，尤其是塔河流域的西南區域。受氣溫和降水變化影響，塔河流域水儲量年際變化也存在顯著的空間差異。流域北部天山山區氣溫上升加速了該區域的冰川退縮和積雪消融［21-22］，從而造成山區水資源儲量減少。塔河流域氣象站點主要分布在低海拔區域（海拔1500 m 以下），海拔2000 m 以上站點較少，站點數據表明過去20 a塔河流域低海拔區域溫度呈下降趨勢，但無法客觀反映高海拔區域氣溫變化幅度。Gao等［23］通過實地監測發現天山地區隨著海拔高度的上升，多年溫度呈現顯著的上升趨勢，特別是海拔高度在3000 m和4000 m以上的區域，溫度升高更為強烈。氣溫上升加速了天山山區冰雪消融，在補給下游河川徑流的同時，山區固態水體也在急劇減少，而這也造成了天山地區水儲量的減少［21,24-26］。如1969—2014 年開都河上游冰川面積退縮速率達0.76%·a-1［24］，伴隨融雪期明顯延長（春季提前和秋季延遲）［25］。也有研究表明，1960—2010 年阿克蘇河流域和開都河流域的徑流均呈增加趨勢，主要是由冰川融水徑流增加所致，而冰川急劇退縮是天山山區水儲量減少的主要原因［26］。

圖8 2000—2020年塔河流域氣溫和降水空間變化特征Fig.8 Spatial variations of temperature and precipitation in the Tarim River Basin during 2000—2020

在塔河流域南部喀喇昆侖山區域，降水主要以降雪的形式到達地面形成積雪，且積雪主要集中在海拔5000 m以上范圍［27］，特殊的地理位置和海拔高度使其環境條件有利于冰川發育。已有的研究結果顯示，近幾十年來喀喇昆侖山區夏季平均氣溫和最低氣溫都呈下降趨勢［28］。隨著近年來夏季和冬季降水的增加，增加的水汽在喀喇昆侖山上空逐漸積累，造成冷卻異常［29］，形成了豐富的固態降水［30］。de Kok等［31］表明昆侖山西部和喀喇昆侖地區降雪增加和溫度敏感性低是冰川增長或穩定的主要原因。塔河南部昆侖山和喀喇昆侖山地區降水增加伴隨冰川積累是該地區水儲量增加的重要原因。

通過進一步對塔河各流域水儲量變化同溫度和降水相關性分析發現，渭干-庫車河和阿克蘇河流域水儲量同溫度變化存在顯著的相關性（P<0.05）。自2000年以來，2個流域氣溫均呈現顯著增加，這也進一步證明了溫度上升是造成渭干-庫車河和阿克蘇河流域水儲量下降的重要原因。塔河流域降水主要集中在山區，自1980s以來，流域山區變得更加濕潤［32］，山區降水的增加在一定程度上補充了區域水資源［33］。過去20 a塔河流域絕大多數站點年降水量都呈增加趨勢，尤其是高海拔區。2000—2021 年塔河流域南部陸地水儲量波動趨于平穩，流域南部主要接受來自昆侖山的冰川融水補給，水源較為豐富，流域內陸地水儲量整體呈穩步增加趨勢。

塔河流域植被覆蓋分布于山體多的地帶、綠洲及綠洲荒漠交錯帶，而近年來大部分地區氣溫增溫幅度下降并伴隨降水增多也是影響塔河流域生態環境轉好的重要因素，包括NDVI、植被覆蓋度和NPP增加。相較于中亞干旱區的加劇而造成的碳源面積顯著擴大［14］，塔河生態環境的轉好將在一定程度上減少碳源區，一些區域或已成為碳匯區。

3.2 人為因素

綠洲作為干旱區重要的人地關系地域系統，受人類活動影響較為強烈。2000年以來，塔河流域耕地面積擴張15324 km2（56.95%），其中孔雀河和車爾臣河綠洲區耕地面積擴張面積最大，分別為130.81%和142.13%；森林和草地面積分別減少1150 km2（8.36%）和17639 km2（7.28%），其中，博斯騰湖區森林面積減少了約90%，孔雀河草地面積減少了約57%。2000—2020 年塔河流域未利用土地面積（主要包含沙漠、裸地等類型）增加2.91%。除迪那河和策勒-克里雅河未利用地面積略顯增加外，其余各流域未利用地面積均不同程度縮減。

綠洲區耕地面積的日益擴大，不斷擠占荒漠綠洲過渡帶是導致荒漠綠洲過渡帶萎縮和植被退化的重要原因。據2016 年新疆統計年鑒，有超過1100×104人次、2819×103hm2的農業面積和超過1/3的地區面臨水資源壓力（World Resources Institute’s Aqueduct Global Water Risk Map，http://www.wri.org/our-work/project/aqueduct）。塔河流域北部天山南坡，為塔河流域綠洲的主要分布區，近年來耕地規模的急劇擴大，導致河道斷流和地下水過度開發并引發區域陸地水儲量的減少［34］。2000年以來，國家加大塔河流域生態保護力度和重視程度，已累計向塔河下游生態輸水21次，累計輸水量達88.45×108m3［35］。自生態輸水以來，塔河下游天然森林植被恢復顯著［36］，地下水位抬升約4～5 m［37］，輸水漫溢區植被蓋度的平均增長速率最高可達未輸水區的4～5 倍［38］，流域NPP增速達0.40 g C?m-2?a-1［39］。在人類活動影響下，近年來塔河下游地表植被覆蓋度增加，塔河下游生態退化趨勢基本得到遏制。

4 結論

（1）塔河流域綠洲面積自2000 年至2020 年呈現增加趨勢，由2000 年的6.41×104km2增至2020 年的6.82×104km2，綠洲面積擴張了0.42×104km2（6.49%）；綠洲區生態環境轉好，生態改善區占69%，而生態退化區不足5%。

（2）綠洲動態變化方面，流域綠洲NDVI 由2000年的0.13增至2020年的0.16，綠洲植被覆蓋度在近20 a 擴張36.79%，伴隨流域NPP 增加31.55%?？臻g上，塔河各流域NDVI、植被覆蓋度和NPP 均呈現明顯增加趨勢，其中以北部天山地區各流域和西部喀什噶爾河流域綠洲NDVI、植被覆蓋度和NPP增加最為顯著，其次為南部各流域，東南部各流域綠洲擴張最為緩慢。

（3）氣候變化影響下，2002—2020 年塔河流域陸地水儲量以0.27 mm·月-1速率減少，且存在明顯的空間差異，表現為流域北部和西部區域陸地水儲量顯著減少，而南部區域陸地水儲量顯著增加。氣溫升高導致山區冰雪消融加速是塔河北區水儲量減少的直接原因，山區降水的顯著增加伴隨降溫在一定程度上補給了塔河南部陸地水資源儲量。人類活動影響是塔河流域綠洲動態變化的主要驅動力，伴隨上游來水量的增加，人類加大水資源配置促使其他土地類型轉向耕地和城鎮居民用地，加大綠洲區未利用地開發，促使綠洲區面積顯著增長。