李福杰，韩 风，马 斌，赵 毅，陈晓东，刘晓煌，王 浪，尹立河，凌红波

（1.中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心, 新疆 乌鲁木齐 830057；2.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心,北京 100055；3.中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054；4.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011）

塔里木河位于中国新疆，是中国最长的内陆河[1]。塔里木河流域具有不可替代的生态服务功能，维系着整个塔里木盆地的自然和人工生态系统的水资源保障[2]。但自20 世纪50 年代以来，特别是1972 年大西海子水库修建以后，塔里木河下游河道断流近30 年，导致下游生态环境恶化，尾闾相继干涸[3]。因此造成地下水水位下降，荒漠植被大面积死亡，荒漠河岸林面积锐减，荒漠化加剧[2,4]。自此，众多学者以及当地政府开始重视荒漠河岸林的生态恢复问题，希望在一定程度上恢复荒漠河岸林生态系统，维持生态系统的稳定性[5]。

为了挽救下游濒临崩溃的生态系统，在2000 年对下游实施了生态输水工程。生态输水工程实施以后，生态环境明显好转，地下水水位抬升，地表水体面积增加[6]，台特马湖水域面积达到147.87 km2(2017 年8 月)[7-8]。近年来，众多学者对下游的生态恢复情况进行了研究[9-12]。为了探究植被恢复过程，研究者利用两个或多个时像对比分析植被变化，发现生态输水后下游植被有明显改善[13-14]。一部分研究者为了反映塔里木河下游的植被变化过程，基于时间轨迹方法，发现2000-2005 年植被面积呈增加趋势[15]，2006-2010 年呈下降趋势[16]。然而有关天然植被如何响应生态输水过程以及生态输水后植被具体的演化过程仍缺乏系统的研究。基于此，本研究以塔里木河下游为研究区，分析生态输水以后天然植被的覆盖度、净初级生产力(net primary productivity, NPP)、蒸散量(evapotranspiration, ET)以及物种多样性的变化，回答天然植被对生态输水的响应问题，研究成果可以为塔里木河下游荒漠河岸林的生态恢复提供科学指导。

1 研究区概况

塔里木河流域(34.20°～43.39° N, 71.39°～93.45° E)位于中国新疆南部，地处塔里木盆地，毗邻塔克拉玛干沙漠[17](图1)。塔里木河是干旱区内陆河，全长2 179 km，主要的水源补给来自于高山冰雪融水[18]。流域内降水量少，蒸发量大，年平均降水量为17.4～42.8 mm，年平均气温为10.6～11.5 ℃ [19-20]。塔里木河下游位于新疆若羌县和尉犁县境内，为大西海子水库至台特马湖的河段，该河段地势北高南低，受风蚀、风积作用导致河床变形严重[21]，是生态环境最脆弱的地区[7]。

图1 研究区概况Figure 1 Overview of the study area

2 数据来源与研究方法

本研究所用的大西海子下泄水量数据为塔里木河流域干流管理局提供的2000-2020 年共21 次大西海子逐月下泄水量数据。自大西海子水库以下，共有英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻及考干等地下水监测断面，每一个监测断面均有6 个监测井，分别布设在离河道50、150、300、500、750 和1 050 m 处。本研究中使用的地下水数据为塔里木河干流管理局提供的2001-2020 年下游各监测断面的月数据，以及历史文献中记载的相应地下水数据。输水水量、地下水位以及物种多样性数据由于是实际测量数据，在塔里木河下游实施生态输水工程后，每年都有输水量数据以及地下水位数据，因此数据年限为2000-2021 年。

本研究天然植被NDVI 数据利用Gee (Google earth engine)平台的MODIS 数据产品MOD13Q1 (250 m)，归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)在时间序列和空间分布上均具有连续性。MODIS NDVI 产品经过大气校正的双向表面反射率计算出，这些反射率已经屏蔽了水、云、重气溶胶和云影的影响。本研究所用的天然植被NPP 数据采用GLASS 数据产品GLASS NPP MODIS (500 m,2002-2018)。本研究所用的ET 数据采用GLASS数据产品GLASS ET MODIS (1 km, 2002-2018)。利用ArcGIS 平台的重采样工具统一分辨率为250 m。本研究所选用的数据年限受数据源的影响，在相关网站上所能获取的遥感影像数据年限不同，因此本研究所选的数据年限不同。

NDVI 数据提取。全球的MOD13Q1 数据是一个采用Sinusoidal 投影方式的3 级网格数据产品，具有250 m 的空间分辨率，每隔1 d 提供一次。因此，需要利用IDL 语言编写程序提取出NDVI 最大值并将合成为逐月数据；在逐月数据的基础上，读取最大值，生成年数据。

NPP 数 据 提 取。MOD17A3H 版 本6 产 品 提 供有关像素分辨率为500 m 的年度净初级生产力(NPP)的信息，单位为g·m-2。年度NPP 来自给定年份 的 所 有8 d 净 光 合 作 用(net photosynthesis, PSN)产品(MOD17A2H)的总和。PSN 值是总初级生产(gross primary productivity, GPP)和维持呼吸(maintain respiration, MR)的差。

利用IDL 语言编写程序进行数据格式转换，将3 期、46 期数据合成月NPP 数据、年数据并读出NPP 数据。选取相同时间尺度(2002-2018 年)的数据，绘制塔河下游NPP 数据。对于GLASS 数据集，每相邻46 期数据相加得到研究区的年NPP。

ET 数据提取。GLASS 数据集蒸散发产品原数据为潜热通量(latent heat flux)，单位为W·m-2，需要将其转换成蒸散发单位(mm)。此外，使用HDFView 3.0 软件打开原始ET 数据，通过查看其属性发现，其还有一个比例因子(scale_factor = 0.01)，故在进行单位换算时需把它考虑进去，最终得到蒸散量，单位为mm。利用IDL 语言编写程序进行数据格式转换、合成并读出ET 数据选取相同时间尺度(2002-2018 年)的数据，绘制塔河下游天然植被蒸散量的GLASS_ET 数据。对于GLASS 数据集，每相邻46 期数据相加得到研究区的年蒸散量。

多样性指数计算。为使植被调查与地下水埋深数据相一致，选取塔里木河下游英苏/老英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻地下水监测断面作为采样点，其中英苏/老英苏断面有11 口地下水监测井，其他断面均有6 口(其中喀尔达依1 号井及阿拉干1 号井周边因道路修建植被有明显的人为破坏，未被选为样点)，共计27 个样点。每个采样点均进行了地下水调查、物种多样性调查。调查采样时间为每年的8 月初。

物种多样性调查过程：在每个地下水监测井周边范围内，随机设定10 个10 m × 10 m 的样方进行调查，每个样方间距离大约为10 m。对于每个样方，分别记录所出现的物种名称，以及每个物种的个体数量，调查样方总数为270 个。

采样点不同群落的物种多样性选用Simpson 指数表征，计算公式如下：

式中：D为Simpson 指数；S为物种数目；Pi为第i个物种的相对重要值。

大西海子下泄水量(输水水量)数据。为塔里木河流域干流管理局提供的2000-2020 年共21 次大西海子逐月下泄水量数据。

地下水位数据。自大西海子水库以下，共有英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻及考干等地下水监测断面，英苏有11 个监测井，喀尔达依、阿拉干、依干不及麻及考干等监测断面均有6 个监测井，分别布设在离河道50、150、300、500、750 和1 050 m处。本研究中使用的数据为塔里木河干流管理局提供的2001-2020 年下游各监测断面的逐日数据及历史文献中记载的相应地下水数据。

3 结果与分析

3.1 归一化植被指数时空变化特征

NDVI 可以反映植被的代谢强度与月、季、年尺度的变化特征，表征地表植被活动强弱[22]。绘制2002-2021 年塔河下游植被覆盖度变化空间分布图，最终结果表明，2002-2021 年，塔里木河下游植被覆盖度变化动态较大，整体呈现上升趋势(图2)。提取出NDVI 大于0.05 的区域视为植被，在2002-2021 年，下游植被面积从308 km2扩大到1 561 km2。

图2 2002 年、2010 年、2018 年、2021 年塔里木河下游归一化植被指数空间分布Figure 2 Spatial distribution of normalized diference vegetation (NDVI) in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, 2018 and 2021

根据塔里木河下游NDVI 年际变化(图3)，下游NDVI 年际变化波动性较大，2001-2010 年NDVI呈现下降趋势，2011-2021 年呈现上升趋势。2001-2021 年的年平均值为0.46，在2011 年以后，塔里木河下游的NDVI 均高于年平均值。通过M-K 检验，从2001 年到2021 年，整个下游60.9%的区域植被覆盖度呈现显著增加趋势(Z ≥ 1.96)。

图3 2001-2021 年塔里木河下游NDVI 年际变化Figure 3 Interannual variation of NDVI in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2021

3.2 净初级生产力时空变化特征

NPP 表示单位时间内植被光合作用吸收的碳减去自身呼吸消耗后剩余的部分，是自然状态下植被生产能力和固碳能力的关键指标[23]。绘制2002-2018年的塔河下游NPP 变化空间分布图，最终结果表明，2002-2018 年，塔里木河下游的NPP 变化动态较大，NPP 高值区面积不断扩大，整体呈现上升趋势(图4)。根据2002-2018 年的月NPP 值，获得2001-2018 年的逐年总NPP (图5)。近20 年来NPP 年际波动较大，2002-2018 年，塔里木河下游天然植被的年总NPP 介于123 558.4～204 725.8 g·m-2，2002-2018 年总NPP 的平均值为153 729.03 g·m-2。2002-2011 年普遍低于平均值，呈现下降趋势，2011 年后均高于平均值，呈现上升趋势。表明生态输水后塔里木河下游的植被生长状况得到了较大的改善。

图4 2002 年、2010 年、2018 年塔里木河下游净初级生产力空间分布Figure 4 Spatial distribution of net primary productivity in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, and 2018

图5 2001-2018 年塔里木河下游NPP 年际变化Figure 5 Interannual variation of NPP in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2018

3.3 蒸散量时空变化特征

蒸散量表示地表土壤蒸发和植被蒸腾的总和[24]。2002-2018 年，塔里木河下游的ET 变化动态较大，ET 高值区面积不断扩大，整体呈现上升趋势(图6)。根据2002-2018 年的月ET 值，获得2002-2018 年的逐年总ET (图7)，近20 年来ET 的年际波动较大，2002-2018 年，塔里木河下游天然植被的年总ET 介于258 273.2～421 471.6 mm，2002-2018年的年总ET 的平均值为349 356.7 mm。2009 年的年总ET 最低，2016 年的年总ET 最高，2010 年之前的年总ET 值普遍低于2010 年以后。

图6 2002 年、2010 年、2018 年塔里木河下游蒸散量空间分布Figure 6 Spatial distribution of evapotranspiration in the lower reaches of the Tarim River in 2002, 2010, and 2018

图7 2001-2018 年塔里木河下游ET 年际变化Figure 7 Interannual variation of ET in the lower reaches of the Tarim River from 2001 to 2018

3.4 多样性指数变化特征

2000-2002 年，Simpson 指数呈明显的增加趋势，表明随着生态输水工程的实施，群落内物种数增加，生态输水效果显著(图8)；2002-2005 年，即生态输水工程前期，Simpson 指数较高，维持在0.70～0.78；2006-2015 年，Simpson 指数呈现下降趋势，且年际波动性较大；2015 年之后，Simpson 指数维持在0.52～0.54，年际波动性较小。与2001 年相比，2021 年Simpson 指数上升了0.49。因此，在生态输水工程实施后，Simpson 指数在不同阶段具有不同的变化特征，总体呈现先上升后下降的趋势，并且随着输水时间的延长，Simpson 指数年际波动性降低。

图8 生态输水后塔里木河下游Simpson 多样性指数变化规律Figure 8 Variation of Simpson diversity index in the lower reaches of the Tarim River after ecological water diversion

3.5 地下水埋深变化特征

本研究利用2000-2020 年塔里木河下游英苏、喀尔达依、阿拉干及依干不及麻地下水监测断面的逐月地下水数据及历史文献记载的地下水数据，对比分析生态输水前后地下水水位的变化特征(图9)。2000-2020 年下游各断面地下水水位出现逐步抬升的趋势，相比生态输水初期(2000 年或2001 年)，2020 年英苏、喀尔达依、阿拉干及依干不及麻地下水监测断面在离河50 m 处地下水埋深分别增加了2.09、3.21、4.23 和5.13 m，对比生态输水水量过程，2000-2006 年年均输水量为2.85 亿m3，地下水虽逐步抬升，但趋势较缓，2007-2009 年，年均输水量仅为0.12 亿m3，地下水水位变深，而2010-2020 年，随着输水量的增多，地下水水位抬升幅度增强，以依干不及麻为例，离河50 m 处，地下水由6.08 m(2010 年)抬升至2.07 m (2020 年)。

图9 2000-2020 年塔里木河下游地下水埋深变化特征Figure 9 Variation characteristics of groundwater depth in the lower reaches of the Tarim River from 2000 to 2020

3.6 输水量与各指数相关分析

2000 年至2020 年，塔里木河下游共实施生态输水21 次，累计生态输水84.89 亿m3，年均输水量4.04 亿m3，实现了塔里木河综合治理规划制定的3.5 亿m3下泄水量目标，特别是2010-2018 年，年均下泄水量达到6.07 亿m3(图10)。

图10 2000-2020 年大西海子水库下泄生态水量Figure 10 Ecological water quantity discharged from Daxihaizi Reservoir from 2000 to 2020

回归分析结果表明，输水水量与NPP、NDVI 有显著的正相关关系，与ET、Simpson 指数的相关性较小(图11)。因此，生态输水后NDVI、NPP 呈现上升趋势。即生态输水后植被明显恢复[11]，植被覆盖度、NPP 呈现波动上升的趋势。这与生态输水后塔里木河下游的林草地面积扩大[25]、植被面积和植被覆盖度增加[7,26-27]的研究结论一致。

图11 净初生产力、归一化植被指数、蒸散量、Simpson 指数与生态输水水量的相关关系Figure 11 Correlation between net primary productivity (NPP), normalized diference vegetation (NDVI), evapotranspiration(ET), Simpson index and the amount of ecological water transport

4 讨论

在干旱区，地下水是水循环的重要部分，也是植被生长的关键要素之一[28]。研究区地处我国西北干旱区，降水量对植被生长的影响较小，大部分天然植被生长所需的水分来源于地下水[28]。生态输水保证了断流河道的联通，促使地下水水位的抬升[3]，在塔里木河下游进行生态输水成为影响地下水埋深的关键因素[3]。自实施生态输水以来，塔里木河下游的地下水埋深抬升幅度整体大于1.38 m，使荒漠环境和退化植被得到恢复[3]。在垂直于河道方向，生态输水的影响范围可达1 050 m，地下水水位抬升范围为1.38～2.69 m[3]。说明地下水水位的波动性变化受生态输水水量的影响[10,29]。

生态输水通过影响地下水埋深进而影响天然植被生长。即地下水位抬升，有利于改善植被生长状况[30-31]，并且植被恢复程度与输水水量和地下水水位有密切联系[32-33]。基于遥感影像数据，生态输水后植被明显恢复[11]，整个下游60.9%的区域植被覆盖度呈现显著增加趋势(Z ≥ 1.96)。生态输水水量与NDVI、NPP 有显著的正相关关系，表明生态输水主要通过影响NPP 和NDVI 促进植被恢复。2010 年后的生态输水总水量为58.29 m3，显著抬升地下水位，促使植被生长状况得到明显改善。

依据相关性分析结果，生态输水主要影响NPP、NDVI 的变化，对ET 和物种多样性的影响较小。干旱区地下水位与物种多样性具有密切联系，地下水水位的变化与物种多样性具有正相关关系[34-35]。在本研究中，随着生态输水的进行，物种多样性呈现先上升后下降最后趋于稳定的趋势，表明在水分状况好转之后，出现了大量的一年生草本，物种多样性上升，但易受外界环境影响，因此物种多样性波动性较大[36-37]。随着生态输水的持续进行，群落最终演替由乔灌木、多年生草本和一年生草本构成，结构相对稳定[35,38]，因此后期群落结构趋于稳定后生态输水水量对物种多样性的影响减小。

5 结论

本研究以塔里木河下游为例，分析生态输水以后地下水水位变化以及天然植被的覆盖度、NPP、ET、物种多样性对地下水水位变化的响应。研究表明：

1)截至2020 年底，年均输水达4.32 亿m3。满足塔里木河综合治理规划制定的3.5 亿m3下泄水量目标。相关分析结果表明，生态输水量与NPP 和NDVI 之间有显著的正相关关系，生态输水主要通过影响NPP 和NDVI 促进植被恢复。

2)干旱区人为因素干扰下，生态输水成为抬升地下水水位的有效措施。生态输水实施后，下游各断面地下水埋深呈现逐步抬升趋势，抬升幅度整体大于1.38 m，且随着输水量的增多，地下水水位抬升幅度增强。

3)生态输水促进植被恢复。生态输水使得下游植被面积、NPP 以及ET 全面提升，植被物种多样性逐步趋于稳定状态。NDVI 随着生态输水的进行呈现上升趋势，植被面积扩大了1 253 km2；NPP 2011年后，整体呈现上升趋势，植被生产能力趋于增强；Simpson 指数上升了0.49，物种结构趋于稳定；表明生态输水后塔里木河下游的植被生长状况得到了较大的改善。