湿地是生物圈中重要的生态系统，与人类生存、发展、繁衍息息相关，是人类最重要的生存环境之一(颜凤芹等，2014)。湿地景观变化是区域生态环境的重要指示器，其扩张和萎缩对区域生态环境将产生重要影响(Lioubimtseva et al., 2009)。遥感具有宏观、快速、重复观测等优点，已先后有很多学者借助遥感技术进行湿地景观动态监测(Kingsford et al., 2002；Guofu et al., 2004；Frohn et al., 2012)。

在塔里木河流域由于人类活动加剧和中上游对水资源过度开发，湿地生态环境受到严重破坏，近二三十年间，塔里木河尾闾湖泊——罗布泊、台特玛湖和下游多河道相继干涸。塔里木河下游东西两侧，库鲁克沙漠和塔克拉玛干沙漠呈合拢态势(陈亚宁等，2004；孙涛等，2004)。为缓解日益退化的生态环境，自2000年起，中央政府投资107亿元治理塔里木河流域，其中向下游生态输水是主要措施之一(牛宝茹，2008)。2000年5月中旬，新疆开始实施生态输水工程。10余年的生态输水，对塔里木胡杨国家自然保护区湿地生态环境修复成效如何，是决策者和公众共同关心的问题。关于生态输水对塔里木河下游区域的影响，已有一些学者从环境、植被生态响应以及地表水和地下水变化等方面开展相关研究，如：陈亚宁等(2004)分析4次生态输水对塔里木河下游断流河道的生态效应；闫正龙等(2008)采用植被覆盖度和土地沙化指标，开展生态输水对塔里木河下游的影响研究；李卫红等(2009)通过连续监测地下水位和植被状况，分析塔里木河下游生态输水后地下水位及生物量变化；李丽君(2010)通过对地表水和地下水变化的监测，分析生态输水对塔里木河下游生态环境影响；苏宏超等(2011)选用气象和地面台站数据，分析第7次生态输水对下游生态环境的影响等。但是，目前关于生态输水对塔里木胡杨(Populus euphratica)国家自然保护区湿地生态系统影响的研究较少。为探讨生态输水前后塔里木胡杨国家自然保护区湿地面积的时空变化，本研究以塔里木胡杨自然保护区湿地为对象，利用RS与GIS手段，通过分析人工输水前后的3期同时段(1992年9月、1999年9月和2016年9月)遥感数据，对保护区湿地面积进行动态监测，力图掌握保护区湿地面积的时空变化特点，客观认识保护区湿地生态环境时空变化特征，以期为生态调水工程成效评价提供科学依据。

1 研究区概况

新疆塔里木胡杨国家自然保护区(84°15′—85°30′E，40°55′—41°15′N)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县、轮台县、库尔勒市境内，地处塔克拉玛干沙漠北缘，位于我国最长的内陆河—塔里木河中游，英巴扎—喀尔曲尕段，是以胡杨林为保护对象的自然保护区，东西长109.7 km，南北宽47.1 km，总面积39.54万hm²。属典型温带大陆性平原荒漠气候，区内年均气温9.7~10.8 ℃，1月平均气温-8.7~ -10.5 ℃，7月平均气温24.8 ℃。土壤有草甸胡杨林土、淡色草甸土、胡杨林土、灌木林土、盐化胡杨林土、盐化草甸土、沙化胡杨林土和风沙土8种类型。保护区是目前世界上原始胡杨林分布最集中、保存最完整、最具代表性的地区。

2 研究方法 2.1 数据来源及处理方法

新疆实施生态调水工程始于2000年5月中旬，1999年以前输水工程尚未实施(陈亚宁等, 2006)，2016年是生态输水工程实施的第17个年头，9月份是保护区的丰水季，塔里木河干流水量较大。因此，选择覆盖全区的3期(1992年9月，1999年9月和2016年9月)Landsat系列卫星遥感影像，作为保护区湿地变化制图的遥感数据源，这3期数据适于分析湿地景观格局在输水前后的变化，其轨道号为path 144/row 31，path 143/row 31和path 144/row 32，共9景影像，而且影像的云覆盖均小于5%。对选择的遥感数据进行预处理，主要包括辐射校正、几何纠正、投影转换和影像融合。

2.2 湿地调查

调查范围：根据《全国湿地资源调查与监测技术规程(试行)(林湿发[2008]265号)》规定，结合保护区实际，调查范围包括区内面积1 hm²以上的湖泊、库塘，以及宽度10 m以上，长度5 km以上的河流(含季节性河流)，还有宽度10 m以上、长度200 m以上的灌溉用沟渠等湿地。

对保护区内所有符合监测范围的面积1 hm²以上的湿地调查湿地型、面积、分布(行政区、中心点坐标)、平均海拔、所属流域、水源补给状况、植被类型及面积、主要优势植物种和保护管理状况等。

2.3 湿地分类系统

《湿地公约》中湿地定义为：湿地是指天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地、静止或流动的淡水、半咸水、咸水水域，包括低潮时水深不超过6 m的海水区。结合《全国湿地资源调查与监测技术规程(试行)(林湿发[2008]265号)》及《新疆第二次湿地资源调査实施细则》(吾拉孜别克, 2015)中湿地类型划分的规定，将塔里木胡杨国家自然保护区湿地分为河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地4种类型，每种湿地类型又划分出不同湿地型。其划分标准见表 1。

2.4 湿地类型遥感影像解译

采用光谱直接分类法(王玉丽等，2011；John et al., 2011)解译卫星遥感影像，即在野外采用无人机、数码像机，结合GPS，拍摄大量带地理坐标的照片，与卫星影像叠加，通过目识解译、手工勾绘进行湿地类型的识别，生成保护区湿地景观遥感影像解译结果图。

2.5 湿地面积变化分析

采用动态度模型进行湿地面积变化分析。动态度是指某研究区一定时间范围内某种类型的数量变化，其表达式(姜琦刚等，2009)：

$ {\rm{LC}} = \left({{U_b} - {U_a}} \right)U_a^{ - 1}{T^{ - 1}} \times 100\% $

(1)

式中：LC为研究时段内某一类型湿地面积动态度；U_a和U_b分别为研究期初和研究期末某一类型湿地面积；T为研究时长。动态度为正值，表明在这段时间内该类型湿地面积呈增加趋势，反之，则呈减少趋势。

2.6 湿地分形分维特征分析

湿地景观形状不规则，具有自相似性，即具有分形分维的性质(李坤等，2010)。为了详细描述湿地受人为干扰程度，采用景观斑块的面积-周长分形分维模型进行分析。分形分维数计算公式：

$ \lg A = D \times \lg P + C。$

式中：A为湿地斑块的面积；P为湿地斑块的周长；C为常数；D为面积-周长分形分维数值，景观要素分形分维数值一般介于1和2之间。

3 结果与分析 3.1 湿地类型遥感影像解译结果

采用光谱直接分类法，生成了1992年9月(图 1)、1999年9月(图 2)和2016年9月(图 3)湿地类型遥感解译结果图。根据保护区土地利用、植被类型等资料及Google Earth、大量外业GPS数码像片和无人机照片等信息的核验，表明解译准确率达90.2%。从解译结果可以看出，保护区湿地主要分布在由西北向东南流向的塔里木河河床及其支流、河漫滩、河心洲以及保护区北部的冲积、洪积平原区。其中河流湿地主要分布在塔里木河河床及其支流和河漫滩、河心洲等区域；沼泽湿地主要分布于塔里木河两岸及保护区塔里木河以北的区域；人工湿地主要分布在塔里木河两岸水源充足区域。

3.2 生态调水前后湿地面积变化及其驱动因素

3期保护区各湿地类型、湿地型面积统计见表 2。由表 2可以看出，沼泽湿地是主要组成类型，各期均占总面积73%以上。24年间，湿地面积呈现先减后增的变化。1992年湿地总面积为15.101 365万hm²，1999年缩减到12.559 742万hm²，即减少了2.541 623万hm²(16.8%)，主要是由上游农业用水增加和河流下泄径流减少造成的；到2016年，恢复性增加到13.427 498万hm²，主要从2000年5月中旬开始的生态输水工程(吐热尼古丽，2008)，说明生态输水使保护区湿地环境好转。

1999年9月与1992年9月相比，各类型湿地面积变动幅度均较大，其中人工湿地和湖泊湿地变动最剧烈，人工湿地面积由无增加到8 197.04 hm²，其中灌溉用沟渠增加到219.71hm²，农田面积增加到7 977.33 hm²，主要分布于干渠两岸；湖泊湿地由705.20 hm²变为完全消失，主要发生在保护区下游段。7年间，沼泽湿地变动也较剧烈，面积减少2.615 413万hm²，相对减少21.46%，主要分布在远离沟渠区域。其中草本沼泽减少9 403.1 hm²(23.98%)、灌丛沼泽减少9 558.16 hm²(21.0%)、森林沼泽减少7 192.87 hm²(19.38%)。7年间，河流湿地变动也极为剧烈，面积净减少6 753.94 hm²(23.73%)，主要是一些支流消失。其中永久性河流减少649.66 hm²(21.02%)、季节性或间歇性河流减少87.18 hm²(7.5%)、泛洪平原湿地减少6 017.1 hm²(24.86%)。造成湖泊湿地消失、沼泽湿地、河流湿地面积减少的主要原因为塔里木河上游用水量大、河流下泄径流少、农业活动增加和保护区湿地生态系统水量供应不足。人工湿地面积增加是由人类进行垦殖以及为农业灌溉修筑沟渠引起的。

与1999年相比，2016年各类型湿地变动幅度趋缓。17年间，人工湿地变动较剧烈，面积增加8 245.76 hm²(100.59%)，其中灌溉用沟渠增加244.33 hm²(111.21%)、农田增加8 001.43 hm²(100.30%)。人工湿地增加的主要原因是垦殖及修筑农业灌溉沟渠。生态输水17年来，永久性河流增加984.92 hm²(40.34%)，但部分区域河流面积减少，如保护区北部区域(邻近新捷克村)在1992与1999年都有永久河流存在，但2016年消失了；泛洪平原减少3 511.21 hm²(19.31%)；季节性或间歇性河流减少149.16 hm²(13.88%)。17年来，沼泽湿地变动较缓，面积增加3 107.26 hm²(3.25%)，其中变化较剧烈的森林沼泽增加6 844.73 hm²(22.87%)，灌丛沼泽变化很小，草本沼泽减少3 903.26 hm²(13.01%)。

造成永久性河流、主要分布在河道与沟渠两旁的以胡杨及柽柳(Tanarix chinensis)为主的森林沼泽面积增加的主要原因是生态输送的水主要沿河道、沟渠输送，干流来水量大，且9月份时农业基本不再用水，所以森林沼泽与永久性河流能得到较好恢复。造成泛洪平原、季节性或间歇性河流、草本沼泽面积减少的主要原因是在保护区内垦殖后增加耕地及其灌溉，以及2003年在塔里木河两岸修建人工堤坝，导致水资源过于集约使用，输送的水主要集中在河道与沟渠内，水分不易到达远离河道与沟渠的区域，水量供给不足和不及时。

3.3 湿地面积动态度

生态输水前后湿地面积动态度可用来量化湿地变化。湿地动态度一方面定量表达了湿地面积变化程度，另一方面定量描述了湿地面积的时序变化特征。根据公式(1)和表 2，计算1992—2016年研究区的湿地动态度(表 3)。

从表 3可见，1992—1999年间，人工湿地面积动态度变化最为剧烈，其他湿地类型面积动态度变化也较为剧烈，呈负值，均存在较严重退化，尤其是湖泊湿地，以年均14.29%的速度减少，到1999年湖泊湿地基本消失。

与1992—1999年相比，1999—2016年动态度值较小，说明在此期间湿地变动趋缓。1999—2016年的人工湿地变动最为剧烈，呈正值，说明人工湿地面积增加幅度较大，年均增速5.92%，即人类对湿地的干扰在加剧；沼泽湿地与河流湿地动态度值不大，说明期间沼泽湿地与河流湿地变动幅度较小。

1992—2016年，保护区人工湿地面积动态度变化剧烈，说明人类对湿地扰动强烈。保护区除人工湿地外，其他各湿地类型面积动态度值均呈现负值，说明河流湿地、沼泽湿地、湖泊湿地面积均呈减少趋势，但变动幅度不大，保护区24年来湿地受到了严重破坏。经过17次生态输水，保护区湿地的快速退化得到有效遏制，但是恢复过程非常缓慢。

3.4 湿地斑块面积-周长分形分维特征

研究运用SPSS软件对各湿地斑块的周长和面积的对数做线性回归，以此计算各期湿地类型的分形分维数，计算结果如图 4。由图 4可以看出，1992年9月，1999年9月和2016年9月湿地面积-周长的分形分维数值分别为1.387，1.429和1.656。斑块分形分维数值越大，表明景观要素的自我相似性越差、受人为因素的干扰越大。从各期湿地分形分维数值来看，各期分形分维数值呈增加趋势，说明24年来湿地受到的人为扰动在加剧。1992年，人类在保护区基本没有垦殖、开发等行为，所以数值较小；到1999年，从影像解译结果看，已在保护区塔里木河干流两岸进行了垦殖和修筑灌溉沟渠，所以分形分维数值比1992年大；2016年，保护区内垦殖面积进一步增加，且在塔里木河主干两侧修建了人工堤坝，对保护区湿地的干扰更加剧烈，1999—2016年间，保护区湿地分形分维数值增加了0.227，人类对湿地的扰动强烈。

4 讨论

目前采用的生态输水策略目的是缓解或恢复退化的生态环境，但很难与生态环境需求相吻合，表现为不同类型湿地的响应不一致。永久性河流湿地响应最迅速，且随生态输水实施而快速增加，沼泽湿地响应相对滞后，主要分布在河道与沟渠两旁的以胡杨为主的森林湿地能缓慢修复，而距离河道与沟渠较远的草本沼泽湿地还在退化。生态输水后湿地面积的确增加了，但增加的主要是河流等临时性水域湿地，真正发挥生态效益的沼泽湿地面积没有明显增加。

人类一方面通过生态输水恢复生态环境，另一方面还在有意无意地破坏生态环境。近24年来，保护区湿地分形分维数逐渐增加，说明人为干扰还在加剧。在保护区内大量垦殖农田、修筑灌溉沟渠，破坏了湿地自然环境。为保障输送的水能沿塔里木河主河道输送到下游，2003年开始在塔里木河干流两侧修建了人工堤坝，这种行为造成水分过度集中于河道与沟渠内，导致远离河道与沟渠区域的湿地难以获得水源补充和修复。陈亚宁等(2004)研究结论认为沿河道“线形”输水方式不能实现胡杨、柽柳等植物更新, 更难以实现区域生态系统可持续性，该结论与本研究一致。综合来看，目前的生态输水策略不尽合理，需要进行完善。保护区湿地生态系统的修复是一项复杂的系统工程，需要从社会、经济、生态等多方面综合考虑。塔里木胡杨国家自然保护区湿地生态系统修复还将是一个漫长的过程。

此外，由于遥感影像记录的是瞬时信息，通过三期遥感数据监测湿地变化，对湿地景观波动性和不确定性的表达可能不够详尽。要深入了解生态输水对湿地生态系统的详细变化过程，需要深入湿地生态系统内部，通过地表水、地下水以及生物量等的调查与遥感手段结合来实现。

5 结论

本研究探讨了生态输水前后塔里木胡杨国家自然保护区湿地面积的时空变化。1992—2016年间，湿地面积先减后增。1992—1999年间，由于上游农业用水增加，河流下泄径流减少，保护区农业活动增加，导致保护区各类湿地剧烈减少，总的湿地面积净减少16.8%；从2000年5月中旬开始生态调水后，1999—2016年的湿地面积变动趋缓，快速减少的趋势得到有效遏制，但恢复过程非常缓慢，且远离河道和沟渠、湿地功能最好的草本沼泽湿地却恢复不够，虽然1999—2016年总湿地面积缓慢恢复6.9%，输水工程起到了积极作用，但输水策略还需继续改进。塔里木胡杨国家自然保护区湿地的有效修复还将是一个漫长过程。