文摘

黑河流域,在中国第二大内陆流域,起着至关重要的作用在河西走廊的生态可持续性。然而,地区经济发展和生态平衡的要求不能完全满足由于水资源短缺和过度开采引起的极其干燥的气候和人口的增长,特别是在中下游流域。因此,环境保护项目,重新分配水资源计划,自2001年以来,一步一步实现。本研究的目的是评价生态恢复效益通过识别植被动力学和敏感性。MODIS的归一化植被指数(NDVI)和它的导数指标,结合地理信息系统(GIS),介绍了探索生态系统进化在像素级别,根据水文和气象数据在整个地区不同时间和空间尺度上的。结果显示有轻微的植被恢复趋势上,中间,和更低的盆地;植被和径流之间的相关性分析的结果下盆地的影响表明,水补充最多持续三年,和工程或nonengineering措施应当维持永久的生态系统恢复。

1。介绍

黑河流域(HRB,见图1),在中国第二大内陆流域,在维持生态平衡起着至关重要的作用在河西走廊。然而,近几十年来,HRB遭受了严重的生态退化和荒漠化由于其极端干燥的气候和人口的增长,特别是在中下游流域(1- - - - - -3]。水资源形势的HRB可以归纳为两个主要观点。(1)水资源短缺:整个盆地的大陆性气候影响水资源的可用性。年平均降雨量下降从西南到47毫米140毫米在东北,而年平均蒸发量增加从1410毫米到2250毫米。HRB大部分地区,大约93%的总盆地,几乎不产生径流的中游和下游盆地。(2)水资源过度开采:随着社会和经济的快速发展,用水量急剧增加中间盆地为生活和生产使用(从15亿米³在1950年代早期到24.5亿米³在1990年代末)导致了连续径流减少到较低的盆地(从11.6亿米³到07.7亿米³)。用水浪费和低效相当严重,造成非托管和非监督水资源在整个盆地。因此,不同区段的生态问题出现;具体来说,自然森林和草原上盆地发生退化和生物多样性的丧失;土壤盐渍化、荒漠化发生在中部盆地;和一系列突出的问题,如零流量河流干涸的湖泊(东部和西部居延汉简湖泊),地下水位下降,并大幅减少在自然森林和草原地区发生在较低的盆地,加剧沙漠化和沙尘暴。

因为水资源短缺和过度开采造成的生态问题,短期内环境保护计划(NTECP)计划和实施自2001年以来HRB由水利部(MWR)在中国4]。的目标NTECP之间重新分配水资源生态系统维护和社会经济发展。此外,允许水资源数量也被重新分配上,中间,和下游流域。在上游流域生态修复项目实施包括森林和草原保护和人工造林。灌溉的节水项目,尤其是区域,中间是进行流域,以确保足够的水释放到较低的盆地。项目,如引水管施工、河监管、灌溉系统改进,和放牧控制,实现了在较低的盆地,以确保充足的水达到最下游地区,生态系统明显脆弱的地方。

植被具有重大影响陆地生态系统和大气之间的相互作用过程(5,6]。识别植被动力学的响应机制和敏感性水资源可用性在不同时间和空间尺度上可以评估生态系统恢复的好处。很长一段时间,植被变化的响应,空气,水,土壤一直是一个活跃的研究课题,因为各种自然和文化状态在气候变化的背景下,频繁的人类活动7- - - - - -9]。水资源可用性占主导地位的时空分布和动态植被,维护一个地区生态系统(10,11]。过去的研究表明,气候变化影响水资源可用性从长远来看,和人类活动最近越来越占主导地位在短期内,尤其是在干旱和半干旱地区人口密度高但有限的水资源12,13]。一般而言,降雨和径流是滋养的两大直接水源地区植被。然而,在一个干旱/半干旱地区,降水是极为稀少的,它在供水中扮演小角色,使径流的主要水源(14,15]。有必要研究潜在的植被和水文气象影响因子之间的相关性更好地管理有限的水资源在干旱和半干旱地区生态系统保护和恢复。

因为没有实地调查数据,远程sensing-based植被指数被广泛用于研究土地利用和覆盖变化,包括归一化植被指数(NDVI) [16),垂直植被指数(元太)17),soil-adjusted植被指数(萨维)[18),和绿色指数(GI) (19]。归一化植被指数是归一化差异近红外反射率和可见的红色波段(16,20.]。它反映了活力和绿色植物的树冠通过测量叶绿素含量变化使用可见红色的辐射吸收和通过测量海绵叶肉变化使用近红外辐射反射(21]。归一化植被指数及其导数等指标变异系数(CV) [22)和植被状态指数(VCI) (23)已被证明是有效的植被动态识别(24,25]。该参数也被成功地应用在许多其他领域,包括土地覆盖分类(26)、植物物候学(27[],干旱评估28),和蒸散估算29日]。

摘要生态恢复效益评估通过识别植被动力学和敏感环境保护项目以来HRB 2001年计划和实施。本文不同于先前的努力(2,30.- - - - - -32)通过调查植被动态上,中间,和更低的HRB NTECP后实现。此外,植被植被变化的敏感性和相应的时间滞后水重新分配较低的盆地是像素级别的定量识别,在区域范围内而不是定性。本文的组织结构如下:部分2描述了研究区域;部分3介绍了数据采集和处理,以及归一化植被指数(NDVI),基于MODIS图像,连同它的导数指标,结合地理信息系统(GIS);部分4探讨了植被动力学和在应对NTECP敏感性,利用整个地区的历史数据;和部分5提出了结论和建议。

2。研究区域

黑河流域(HRB)位于中国西北部,占地约14.29×104公里²(37°43 41′N′-42°和97°23′-102°72′E),如图1。的黑河源于北祁连山青海,流经甘肃河西走廊,和到达Ejina盆地在内蒙古自治区。年平均径流量产生的祁连山(Yingluoxia站)大约是1610⁸米³降雨和从冰川融化水/雪在山区。如图2(一个),约有80%的降水发生在5月到10月期间。在这一时期从冰川融化水/雪也显著增加,由于温度上升(图2 (b))。他们两人导致山区径流增加(Yingluoxia站,图2 (c))。然而,灌溉河西走廊中间消耗大量的水,导致小地表水补给下Ejina盆地(Zhengyixia站,图2 (d))。因此,HRB可以极端干燥的气候降水较低,高潜在蒸发和径流较低。

HRB分为上、中、下游的Yingluoxia (YLX)和Zhengyixia水文站点(ZYX股票),长度为303公里,185公里,333公里,分别。上游流域的特点是潮湿和寒冷气候和作为的主要产流区,与年降水量约350毫米/年。这个地区的海拔高度是2000 - 5000 m,陡峭的地形,和上游流域的植被是多样化的和复杂的。这个地区的山地区域覆盖着相对密集的植被(包括森林、灌木和草地),和平原地形包含绿洲和沙漠戈壁/。中间盆地位于干燥环境年降水量较低(60 - 160毫米)和高年度潜在蒸发(1000 - 2000毫米)。中间的海拔盆地是1300 - 1700,相对平坦的地形。这个地区的大部分地区人工绿洲由高度发达的灌溉系统的历史超过2000年,农业发展的最快的扩张发生在过去的50年。较低的盆地是在一个极其干旱环境与年降水量小(小于100毫米)和高年度潜在蒸发(超过3500毫米)。海拔较低的盆地是910 - 1450,有平坦的地形。较低的盆地覆盖主要是戈壁和沙漠,除了地区靠近河边。 The Heihe River is separated into two branches at the Langxinshan station, that is, the East River and the West River, which end in the East and West Juyan Lake, respectively. Water usage in the middle and lower basins is primarily dependent on the runoff from the upper basin. The middle basin serves as the major water usage region for human beings (the population in the middle basin occupies approximately 94% of the whole river basin) and has an extensive irrigation system.

有10个城市/县属于HRB的三个省份,总人口约140万,2009。上层HRB以灌木为主grassland-based畜牧业,少量的农业。大部分地区在中间HRB被人工绿洲(覆盖3533公里²),消耗大量的灌溉用水。降低HRB的一部分,主要是Ejina绿洲,是由grassland-based畜牧业。HRB根据先前的研究,人口增加了超过100000从1999年到2009年,最引人注目的增加发生在中间HRB(大约占总数的80%)增加。HRB的灌溉面积增加了大约200公里²从1999年到2009年,最明显的增加也发生在中间HRB。总的来说,HRB可以概括为一个地区水资源短缺和一致的人口和用水量的增加,水资源的压力。

3所示。材料和方法

地理数据,包括盆地边界、河流和湖泊,和水文站点的位置,从寒冷和干旱地区科学数据中心下载在兰州(http://westdc.westgis.ac.cn/)。水文和气象数据,包括历史径流水文控制站(即。,the Yingluoxia, the Zhengyixia, and the Langxinshan hydrologic stations) and precipitation, were collected from the Heihe River Bureau of the Yellow River Conservancy Commission and the CRU TS3.21 database [33),分别。

归一化植被指数(NDVI)是获得从MOD13A1 Terra-MODIS植被指数产品从地球观测系统的国家航空和宇宙航行局(NASA) (34]。这些产品提供植被条件500米空间分辨率和为期16天的时间分辨率。进行分析,归一化植被指数的时间序列数据,从2001年到2010年使用Savitzky-Golay平滑滤波器来减少噪声(35),只有NDVI数据,植被生长季节选择(从4月到10月),以避免扭曲或低的值(36,37]。注意到一个更高的NDVI值像素代表更多的植被覆盖率,和较低的NDVI值代表少或没有植被覆盖。

识别植被动力学在像素级别,介绍了衍生品指数基于NDVI数据,包括(1)年平均NDVI(称为平均NDVI以后):这是每年从4月到10月平均NDVI值代表的平均植被覆盖整体状态;(2)归一化植被指数的年变化趋势:这描述了通过今年NDVI数据的线性回归;的斜率线性回归(称为归一化植被指数坡以后)可以代表恢复值时积极和退化,因此可以协助的定性和定量分析植被改变方向和大小;(3)年际变异系数(CV)的归一化植被指数:这是归一化植被指数数据的分散在多个年平均值;值可以显示像素级的变异幅度,更高的值代表一个更大的变化(22]。

上游径流的影响,径流在Langxinshan (lx)站,在植被Ejina地区预计将显示一年的滞后由于农业活动和地下水补给9]。量化时间尺度的详细分布在像素级别上,我们研究了lx径流的关系异常在不同的时间滞后和归一化植被指数(0 - 4年)由径流变化异常一年一次。在相关分析中,只有积极的时间滞后是由于水供应通常导致植被的生长。此外,异常的归一化植被指数之间的特定的时间滞后和lx径流在这些派生的像素进行标识。皮尔森相关分析用于分析径流和植被之间的关系来确定植被敏感性。重大选择像素产生统计上使用双尾有效值以及(意思是统计学意义)。

4所示。结果与讨论

4.1。总体植被动力学

整体的植被动力学HRB与上述指标进行了分析。平均NDVI、归一化植被指数的斜率和年际的简历从2001年到2010年数据所示3(一个)- - - - - -3 (d)。如图3(一个),上游流域植被覆盖率高,但相对较低的覆盖率在中间盆地(主要分布在灌溉地区)和较低的盆地(主要是分布在河边地区)。数据3 (b)和3 (c)表明植被演进表现出明显的分布差异:在大部分地区植被恢复的趋势分布(绿色)中描述,但植被退化趋势仍然存在一小部分地区(如红色所示),主要是在上部的盆地,中间的灌溉中部地区盆地和西方居延汉简湖低的盆地。如图3 (c)的显著增加,植被主要发生在中下游流域,而不是在上面的盆地。此外,植被增加主要发生在上部和下部的黑河盆地。中间的盆地,大部分区域显示显著改善和一个小临泽地区沿着河边,赣州县显示明显降低由于人为活动。密集修复或灌溉地区植被退化中间盆地可能是由于灌溉区域的调整自2001年环境保护项目的实施。平均而言,植被恢复自2001年以来整个盆地规模;整体的植被恢复率上部和中部盆地相似,速度比在较低的盆地,作为线性回归的山坡上是相似的,比低的盆地(见图4)。植被变化很小的意思是年际简历在整个盆地规模,如图3 (d)。高年际CV值分布在区域的上部和中部流域地区,植被盖度相对较低或靠近河流和水体。这是可能的,因为较低的地区植被覆盖率非常不稳定,对降雨和径流的变化敏感上部和中部盆地;表面水位的变化会导致频繁的高植被覆盖度之间的过渡和沼泽附近的河流和水体。低年际CV值分布没有植被覆盖的地区,因为这些地区沙漠化影响,植被覆盖率高,稳定的地区,但远离河流或水体。

随着不断增加排水从中间盆地盆地越低,低的盆地绿洲的生态状况有明显改善。在这项研究中,数年的数据较低的盆地绿洲的归一化植被指数的提取数据,如图5。因为水资源的管理是实现2001年,东炬园湖的面积(如黑色虚线所示)已明显增加,平均约4公里²每年。的最大区域东炬园湖已经达到46.8公里²在2010年。生态水资源再分配的影响是积极的地区接近东炬园湖。然而,值得注意的是,水资源再分配并没有阻止西方居延汉简湖(如红色虚线所示)从萎缩;植被的地区接近西方居延汉简湖还显示了一个轻微的下降趋势。结果表明,水资源再分配只有东炬园湖带来好处。

尽管植被有轻微恢复趋势在一些地区,植被覆盖率并没有改变,在整个HRB。这可能是由于生态保护项目尚未完全实现上层盆地;中间的用水效率的提高流域,而不是减少径流较低的地区,对中间植被恢复盆地的影响有限。

4.2。植被变化特征

定量地确定转换速度在像素级别,频率分布与平均归一化植被指数NDVI斜坡的上部,中间,和更低的盆地如图6,平均NDVI的领域分为7个间隔(即。,0 - 0.1;0.1 - -0.2;0.2 - -0.3;0.3 - -0.4;0.4 - -0.5;0.5 - -0.6;-0.7和0.6)。域的NDVI斜率是分成五个等级(即。,< 0;0-20;20 - 40; 40–60; and >60) and defined as “degradation,” “slow restoration,” “medium restoration,” “fast restoration,” and “extremely fast restoration” for conducting subsequent analysis equidistantly based on the distribution of the NDVI slope. In the upper basin, the vegetated area (as represented by NDVI values more than 0.1) accounted for approximately 90% of the total area, and 38% of these areas were covered by relatively dense vegetation (with NDVI values more than 0.3). Approximately 84% of the total area in the upper basin showed vegetation restoration trends, leaving only 16% of the total area in vegetation degradation trends. Among the five intervals of the NDVI slope, “slow restoration” occupied most of the total area (approximately 40%), followed by 30% for “medium restoration” and 12% for “fast restoration.” In the middle basin, the vegetated area accounted for approximately 44% of the total area, and only 16% of these areas were relatively densely vegetated. Approximately 92% of the total vegetation in the middle basin showed restoration trends, with only 8% in degradation trends. Among these restoration areas, 56% of them were “slow restoration” and 20% were “fast restoration” and “extremely fast restoration.” In the lower basin, 96% of the areas were covered by Gobi/desert (with NDVI values less than 0.1), leaving only 4% of the areas vegetated. 77% of the areas in the lower basin showed “slow restoration” and 18% showed “degradation,” with these two parts explaining 95% of the vegetation change trends in the lower basin. Overall, there was a vegetation restoration trend over the whole basin, and the fastest vegetation recovery occurred in regions where mean NDVI values were between 0.1 and 0.5. The regions with nearly no vegetation (mean NDVI values between 0 and 0.1) occupied most of the basin and the restoration speed in these regions was slow; this might be because they are far away from the river (e.g., most desert regions in the lower basin).

识别转换分散在像素级别,年际简历和平均NDVI之间的关系上,中间,和更低的盆地如图7。年际CVs在整个盆地的总体趋势显示减少的增加意味着NDVI值,表明高的地区植被比低植被的地区更稳定。这种模式显然是上层盆地在图所示7(一);地区NDVI值小于0.05是高度不稳定,和相应的CVs在0.1和1.2之间。CVs下降到0 - 0.2当NDVI值在0.05和0.1之间。最后,CVs是很小的NDVI值超过0.1时,这表明一个相对稳定的状态。类似的模式也出现在中下游流域和CVs和平均归一化植被指数的相关性被平均分为两个区域归一化植被指数约为0.05。因此,大约0.05的平均NDVI杰出的稳定区域不稳定的整个盆地。

4.3。植被敏感性较低的盆地

供水从中间盆地要素主导生态系统恢复的较低的盆地。见图8(一个)ZYX股票,径流的变化、lx lx西,lx东车站位于黑河下游的显示增加的趋势后,重新分配项目自2001年以来实施的水。同样,在图8 (b)物的比率(即。,ratio of runoff at the downstream stations to runoff at upstream YLX station) at the LXS and LXS stations also present increasing trends since 2001. That means an increase of water supply to the lower basin since the 2000s. On the other hand, the oases, which protect wildlife habitat and prevent fast desertification, are largely located in the lower basin. Thus, it is necessary to identify the temporal and spatial response of vegetation in the lower basin to the release from the middle basin. The correlations between NDVI data and releases of several past periods are studied, with significant and positive correlation points ()挑出,如图9。注意,Langxinshan历史版本(lx)水文站用于相关性,和“年之前(s)”表示一段时间的NDVI数据之间的相关性和水释放到这个地区(年代);例如,在这种情况下,前两年是指NDVI数据从2001年到2010年之间的相关性和水释放出从1999年到2008年,和“今年”表示归一化植被指数和水之间的关系在同年发布。

从时间和空间的角度反应,水从中间盆地释放有显著影响植被较低的盆地。影响植被(较低的盆地的总面积的80%)分布在区域内沿黑河50 - 100公里,东炬园湖。植被受到上游水释放的为期一年的时间间隔分布地区接近黑河和Badain Jaran沙漠(较低的盆地的总面积的40%)。滞后两年多的地区位于黑河附近(20%、5%和近0%的总面积较低的盆地,两个,三个,四年的时间滞后,resp)。相关分析结果表明,水从中间盆地将产生累积释放在较低的盆地内植被的努力最多三年。生态系统恢复只能通过不断努力实现供水增加到较低的盆地。

图10显示了特定的时间滞后的分布异常之间的归一化植被指数和径流lx站在派生的像素图9。相比之下,图9沿黑河,植被是影响径流与时滞lx站不到三年。这些地区大部分是影响径流在lx车站前一年。此外,西方河沿岸地区显著影响径流一到两年前,只有小分数在开始和结束的东河与径流异常显著的相关性。除了沿河地区,一个小区域位于西河的西边还显示一个明显的关系与一年径流时间滞后。

5。结论

在这项研究中,生态恢复效益上,中间,和更低的HRB评估通过识别植被动力学和敏感的短期环境保护项目进展自2001年以来。地表水面积显著增加东炬园湖在较低的盆地,但没有明显的增加,西方的水体居延汉简湖。流域的大部分地区植被恢复的趋势,增加最快的植被发生在中间部分灌区盆地和沿黑河盆地低。部分地区仍显示植被退化趋势,主要位于上游流域的植被区域越少,一些中间的灌区盆地和西居延汉简湖附近的较低的盆地。植被的变化所代表的年际CV值、高变化分布地区靠近河流和水体或植被覆盖率较低,这是由于表面水位的变化和不稳定的植被区域,分别。NDVI的斜率表示最快的地区植被恢复与介质平均NDVI值(在0.1和0.5之间)而不是极其稀疏(小于0.1),高(超过0.5)植被地区。上的植被变化(CVs),中间,和更低的盆地分为两个区域的年平均NDVI值约为0.05;地区平均NDVI值超过0.05,小于0.05显示稳定和不稳定状态,分别。最后,植被与水释放到低盆地之间的相关性表明,有一个突出的影响供水(主要是前一年的径流)在植被较低的盆地,尤其是沿着河边。产生重大影响的水补充最多可能会持续三年,和工程或nonengineering措施应该保持至少连续三年永久的生态系统恢复。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文在经济上支持中国的国家自然科学基金(91125018),国家重点科技项目基金的科学技术部(大多数)十二五期间项目(2013 bab05b03),以及研究和开发公益性行业专项基金的水(201301081)在中国的研究。