塔里木河（以下简称塔河）下游是全球罕见的生态修复案例，也是人工措施介入条件下生态修复的典型实例；生态输水后是否能够取得应有修复成果，是国际社会普遍关心的问题^［1］。目前，针对塔河下游生态输水效应已有大量研究，多为天然绿洲面积^［2-3］、植被覆盖度^［4-5］、地下水位^［4-6］、胡杨林年轮^［7-10］、物种多样性^［11-13］、生物量^［14-15］、景观指数^［1］、气候变化^［16-17］等方面研究。Ling等^［9］基于胡杨林年轮对生态输水的响应研究表明，生态输水后，塔河下游胡杨年轮宽度较断流时增加了8.7%，且随着地下水位的上升，植被生理的改善，年轮的下降趋势被逆转。杨鹏年等^［18］采用Modflow对塔河下游英苏断面地下水位模拟发现，距河道2 km范围内的生态环境修复起到了重要作用，距离河道1 km区域内的影响则更为显著。刘斌等^［1］对2002—2014年对输水后下游地表覆盖类型、地下水位、植被覆盖度及下游景观格局变化趋势等的研究表明，经过十几年的深度治理，塔河下游植被生长状况整体得到改善。雍正等^［4］以塔河流域干流区地下水位变化特征与生态输水之间的响应关系及NDVI的变化趋势评价了近20年输水所产生的生态效应，发现地下水埋深随输水量变化明显、生态输水对下游植被修复效果显著。陈永金等^［19］通过对地下水位与生态输水的响应研究，发现生态输水对塔河下游地下水补给的横向影响范围为距离河道1 050 m区域，下游地下水位整体抬升了1.38~2.69 m，生态输水有利于促进塔河下游地下水维持较高的水位。邓铭江等^［20-21］通过对塔河下游生态需水量的研究，确定出大西海子向下游下泄3.50亿m³生态水量，主河道输水难以扩大环境响应范围，并提出了采取支流、漫溢等多方式结合的调水模式，以提升地下水及土壤水的补给效率及天然植被受水比例。目前针对塔河生态输水效应的研究多以有限的地下水埋深监测值、胡杨年轮样品，以及单一植被需水定额或潜水蒸发系数等为基础，计算结果空间分辨率不高，在向流域尺度扩展时其精度明显下降，尚不足以作为塔河下游生态输水效应的考量依据；将中高精度分辨率的遥感数据应用于干旱地区天然植被耗水特征、地下水位恢复等的研究是对塔河下游生态输水效应研究的重要补充。

本文以Landsat系列遥感影像、气象数据及现场调查等数据为基础，结合GIS技术，分析2000—2020年间塔河下游植被修复状况及地下水位变幅，阐明天然植被耗水量演变过程及其耗水特征，探讨生态输水的多重效应。

塔河下游地处于新疆若羌县和尉犁县境内，西侧是塔克拉玛干大沙漠，东侧为库鲁克沙漠。大西海子水库以下分为南支——老塔河，北支——其文阔尔河，两河在阿拉干处交汇后下泄至台特玛湖，总长约500 km。本文以大西海子水库以下的下游段受损河岸带作为研究靶区。基于Landsat遥感影像和现场踏勘调查，绘制塔河下游狭长冲积平原区的河网水系，采用缓冲区分析的方法，结合植被覆盖范围，以生态水漫溢范围及干流沿线水系5 km包络范围作为研究区，总面积为2 630 km²，平均海拔为848.8 m，地形坡度约为0.30%。

据铁干里克站气象数据分析，2000—2020年年降水量仅为11.30~50.50 mm；潜在蒸发量1 200~1 400 mm。塔河下游生态用水主要依托大西海子水库下泄生态水，20世纪70年代至2000年，阿拉干-库尔干断面间一直处于干涸状态；2000年生态输水与综合整治工程的实施，结束了塔河下游河道断流、生态濒死的现状；截至2020年，大西海子水库陆续向下游实施了21次生态输水。受地下水位和气候的制约，塔河下游天然植被以胡杨、柽柳、骆驼刺、白刺、黑果枸杞、胀果甘草、芦苇等非地带性天然植被为主，分布零散，组成单一，长势较差，覆盖度整体偏低，以廊道式分布于两河沿线，构成了塔河下游林、灌、草植物群落生态系统^［22］（图1）。

Landsat系列影像空间分辨率为30 m，来源于美国地质调查局（https：//earthexplorer.usgs.gov/）。考虑到塔河下游天然植被在不同生长季内覆盖度的差异，分别筛选2000、2005、2010、2015、2020年8月前后云覆盖低或云覆盖仅存在于研究区外的5期Landsat系列遥感影像，解译土地利用类型及植被生长中期的覆盖度；筛选11月前后影像，解译植被生长末期的覆盖度。本研究筛选的20景遥感影像相关信息详见表1。

气象数据来自距离研究区最近的铁干里克气象站，从国家气象数据中心下载（http：//data.cma.cn）。包括逐日降雨量、平均风速、平均气温、平均相对湿度和日照时数等。对于部分未监测到的数据，采用邻近时段数据内插补齐。

输水量资料数据均由塔里木河流域管理局提供，包括2000—2020年生态输水期间大西海子水库下泄量和英苏、喀尔达依-博孜库勒、阿拉干和库尔干4个典型水文断面的流量，输水资料详见表2。

土壤黏粒含量、砂砾含量等质地参数通过粒径分析结果确定，含水率通过烘干试验测定，地下水埋深通过现场小孔钻钻探确定。本研究在塔河下游英苏断面、喀尔达依-博孜库勒断面、阿拉干断面、昆阿斯特闸附近及其文库勒自然漫溢区等位置共打小口径钻孔34眼（钻至地下水位，孔深2~6 m；图2）。

FAO 56中推荐的Penman-Monteith公式，将实际研究中的植被高度、气象和植被覆盖度等情况与标准环境下参考作物的差异以植被系数K_c进行修正；将土壤田间持水量、土壤含水量等情况的差异以土壤水分限制系数K_s进行修正，能合理地揭示干旱区天然植被蒸散过程和机理。本文植被耗水量计算基于不同土地利用类型上的典型植被，采用FAO 56推荐的确定非完全覆盖、受水分胁迫的天然植被耗水量的方法^［23］。

式中：ET_c为植被耗水强度（mm·d^-1）；K_s为土壤水分限制系数；K_c为植被系数；ET₀为参考蒸散强度（mm·d^-1）；∆为温度变化曲线与饱和水汽压之间的斜率（kPa·℃^-1）；R_n为作物表面净辐射量（MJ·m^-2·d^-1）；G为土壤热通量（MJ·m^-2·d^-1）；γ为干湿表常数（kPa·℃^-1）；T为2 m高处平均气温（℃）；u₂为2 m高处平均风速（m·s^-1）；e_s为饱和水汽压（kPa）；e_a为实际水汽压（kPa）。

本文借鉴绿洲重心的计算公式^［24］，将其引入天然植被耗水量重心计算中，以确定塔河下游2000—2020年天然植被耗水量重心迁移方向。

式中：n为研究区像元数，C_ti 为第t年第i像元的植被耗水量值（mm），X_t 为第t年植被耗水量重心水平坐标值。竖向重心坐标Y_t 也采用该公式确定。

基于Landsat系列遥感影像，参考中国植被区划编辑委员会于2001年编纂完成的“中国植被区划图”及刘新华等^［22］、白元等^［25］对塔河下游的研究，结合现场实际调查和图像目视解译划定土地利用类型分类样本，采用监督分类的方法确定塔河下游土地利用类型，解译各类土地利用的植被覆盖度。

2000—2020年，塔河下游荒漠面积多年以75.73 km²/5a的速率递减，面积占比由2000年的73.37%下降至2020年的61.85%（表3）；天然植被面积以94.81 km²/5a的速率增长，面积占比由18.56%上升至32.98%；塔河下游土地利用格局变化对生态输水响应良好（表4）。天然植被覆盖度增长趋势显著，林地多年平均增长速率为4.18%/5a，草地为2.67%/5a；且覆盖度增长速率随着输水次数增加明显上升，尤以草地覆盖度增长速率最大。而水域面积受既有的间歇性输水方式影响，解译结果决定于当期遥感数据采集期间是否输水，使得其面积以大西海子水库库区的永久水域为主；而2020年对大西海子水库部分区域进行了维护修缮工作，遥感数据采集当期库区无水，使得解译的水域面积较小。

天然植被面积、覆盖度变化与生态输水量均有较强的相关性，均呈线性趋势变化，决定系数分别为0.997、0.868（图3）。其相关曲线的截距表征了天然植被在生态输水前的面积和覆盖度，斜率表征了其增长量与输水量的响应关系。输水量每输1亿m³生态水，对应5.40 km²天然植被面积及0.14%的覆盖度增长。

天然植被耗水量重心变化可以反映植被空间分布特征及其修复过程。2000—2020年塔河下游天然植被耗水量重心先往南，再往东南、最后向东北方向迁移（图4）。整体表现为生态输水前期，植被耗水量重心主要沿主河道向下游迁移；输水后期，重心整体向自然漫溢区迁移。其原因是天然植被面积扩张最大的限制因素是水资源。

2000—2005年生态输水工程实施初期，生态输水量较小，且受初期河道渗透性及地下水位的影响，大量的生态水在英苏断面之前消耗，促进了英苏断面及以上区域植被恢复，导致了输水初期天然植被耗水重心向南迁移。

随着生态输水次数及输水量的增加，英苏断面以下的河道水量消耗逐年增加，英苏以下河岸带天然植被得到了较好的修复，这也是2005—2010年及2010—2015年植被耗水量重心大范围（重心迁移距离分别为1 866 m和1 893 m）沿塔河干流方向迁移的原因。

生态输水后期，随着生态水流经整个下游区域和采取的汊河输水方式，生态水大量漫溢于自然漫溢区，漫溢区内草本植被的大量生长，使得2015—2020年植被耗水量重心整体向东北方向面积较大的其文库勒自然漫溢区迁移。

由于塔河下游天然植被耗水方式的独特性，植被耗水量既是生态输水后水量转化的度量指标，也是判别植被长势及地下埋深的重要宏观性指标。通过实地钻探的34眼钻孔及典型水文监测断面24眼监测井数据，结合采用P-M法确定的对应栅格内的天然植被耗水量数据，筛选出地下水埋深与植被耗水量拟合度较高的22组数据（表5）；通过建立地下水埋深与天然植被耗水量的相关关系（图5），发现地下水埋深与植被耗水强度整体呈对数分布，相关系数达0.86，地下水埋深与耗水量的相关性较强；应用植被耗水量与地下水埋深的相关关系，基于植被耗水量空间分布刻画塔河下游地下水埋深空间分布。

塔河下游天然植被的生长对地下水依赖程度很高，地下水位的恢复是生态修复环节的重要评估指标。基于塔河下游植被耗水量时空分布和地下水埋深与天然植被耗水量的相关关系，采用GIS技术，通过栅格计算方法，反演塔河下游地下水埋深（图6）。

下游地下水埋深整体呈现较强的空间分布规律，自然漫溢区埋深最浅，其次是主河道沿线，远离主河道区域埋深较大。间隔5年的地下水埋深差异明显，地下水位整体上升明显，尤以自然漫溢区最为显著，塔河下游库木吐格、其文库勒和博孜库勒等部分自然漫溢区地下水位增幅高达5 m，主河道沿线2 km区域内增幅1~3 m，主河道沿线以外2~5 km区域地下水位整体增幅0~1 m。

就地下水恢复过程而言，2010年及以前地下水主要从主河道沿线恢复，2010年以后洼地的自然漫溢区内地下水大幅度上升； 表明地下水埋深变幅范围对生态输水响应良好，生态输水效应显著。同时也表明后期采取的汊河、漫溢的输水方式加大了水流演进范围和土壤表层受水面积，有效地提升了地下水的补给比例。

通过P-M法确定的多年平均林地耗水量为525.83 mm·a^-1，草地为118.37 mm·a^-1，荒漠植被为54.35 mm·a^-1。塔河下游天然植被修复的目标主要为林草地，采取林草地耗水量加权平均值作为天然植被耗水量的平均水平，为200.13 mm·a^-1；故可确定塔河下游适宜的天然植被耗水量为200 mm·a^-1。

植被耗水等值线图（图7）显示，天然植被耗水量分布存在较大的时间空间差异。2000年塔河下游天然植被耗水量主河道沿线仅为0~100 mm·a^-1；2005—2010年，天然植被耗水量仅在博孜库勒-喀尔达依断面上游的主河道沿线增长明显，主河道沿线达到150~250 mm·a^-1；2015—2020年天然植被耗水量在自然漫溢区大范围提升，其文库勒、博孜库勒、库木吐格3个自然漫溢区内天然植被耗水量超过400 mm·a^-1。生态输水前期高于200 mm·a^-1的情况仅存在于大西海子水库和主河道沿线部分区域，输水后期自然漫溢区内普遍高于200 mm·a^-1。这表明生态输水前期无效耗散集中于主河道沿线，后期集中于自然漫溢区。

2020年进行的踏勘发现，其文库勒、博孜库勒、库木吐格等多个自然漫溢区内植被长势良好，胡杨与柽柳的幼苗萌新现象普遍；在魔鬼坝、阿拉干等生态闸附近黄羊、野兔多处可见，数量明显上升；其文库勒、库木吐格等自然漫溢区内湿地面积增加，局部积水洼地内鱼类频现；水草及芦苇长势良好，水生态系统初步建立；塔河下游退化的生态格局出现了逆转（图8）。

2000—2020年天然植被耗水量重心前移趋势与水流演进范围响应良好，但重心整体向东南方向仅迁移了4 359 m，耗水量重心目前仍处于塔河下游上段的两河区域内。从耗水特征看，自然漫溢区内天然植被耗水量大于400 mm·a^-1，远高于平均水平200 mm·a^-1。目前，大西海子下泄的生态水大部分耗散于两河区间，阿拉干-库尔干断面生态水消耗较少，当前的生态耗水空间分布仍不均衡；且后期随着输水量的增大和采取汊河输水方式后，加大了自然漫溢区内的无效耗散。

塔河下游草地植物以一年生为主，其萌新对外界环境变化较敏感，对生态输水响应快，目前已得到较好的恢复，可作为短期的修复目标；林地则是以胡杨为代表的非地带性多年旱生乔木为主，在干旱区生态系统中的地位不可代替，是中远期的修复目标，也是塔河下游生态修复的关键。但目前既有的现状输水方式已使河岸带地下水位呈顶托态势，地势低洼的自然漫溢区，由于长期滞水，已有向湿地转化的趋势，加大了无效水面蒸发；同时使生态贡献较低的芦苇等草本植被快速增加，而单一物种芦苇面积的快速增长并非是下游良好生态群落的表现，相反，过多湿地化的生态环境抑制了旱生植被的生存。后期输水需充分考虑植被耗水空间分布、生态水耗散特征及生态长廊的保护等多个因素，采取划定修复目标、划分漫溢区的输水方案，在空间上合理地调配生态水。

本文基于天然植被面积、覆盖度、植被耗水量及地下水位等因子的演变过程，分析了塔河下游生态输水效应；未涉及物种多样性、生物量等生态指标的分析，生态输水效应的评价存在一定的局限性。本文所选取的数据源为Landsat系列遥感影像，其空间分辨率为30 m。在塔河下游距离河道2 km以外区域天然植被覆盖度较低，胡杨和柽柳以单株状态分布，受栅格尺度效应影响大^［26］；若能采用更高空间分辨率的遥感数据，则可弥补30 m尺度研究中局部信息丢失的不足。

2000—2020年，塔河下游荒漠面积占比由2000年的73.37%下降至2020年的61.85%；天然植被面积由18.56%上升至32.98%；林草地覆盖度多年分别以4.18%/5a、2.67%/5a的速率增长，塔河下游土地利用格局和天然植被覆盖度变化对生态输水响应良好。

在前期线状输水模式下，塔河下游天然植被耗水量重心沿塔河干流方向迁移；后期采取汊河、漫溢的输水方式后，重心向自然满溢区迁移，整体向东南方向仅迁移了4 359 m。植被耗水量跃迁趋势对生态输水水流演进范围和输水方式响应良好。

经过21次的生态输水，地下水埋深整体上升明显，自然漫溢区最为显著，增幅高达5 m，其次是主河道沿线2 km区域内增幅1~3 m。漫溢区内胡杨与柽柳的幼苗重新萌发，河道沿线野生动物明显增多；塔河下游退化的生态格局出现了逆转，生态环境得到改善，生态输水效应显著。

随着生态输水次数的增加，受限于既有现状输水方式固化的制约，天然植被耗水量重心仍处于塔河下游上段的两河区域，生态水空间分布不均衡；同时自然漫溢区内低效耗散逐年增大，生态输水方式有必要根据植被耗水量空间分布及耗散特征的变化对生态输水作出改进。