《Agronomy》：Analysis of the Impact of Water Conservancy Projects on Water Resource Use Efficiency and Vegetation Net Primary Productivity in an Arid Inland Basin
Junqing Lei,
Adilai Wufu,
Hezhen Lou,
Haibin Gu,
Xinjun Wang and
Chao Xu
编辑推荐：
本综述通过集成遥感水文站（RSHS）、Google Earth Engine（GEE）和CASA模型，构建了RSHS-GEE-CASA技术框架，旨在克服传统方法在缺数据干旱区的应用瓶颈。研究以艾丁湖流域为案例，分析了2016-2023年间生态输水与植被净初级生产力（NPP）的时空反馈关系。结果表明，生态输水能显著增强区域植被生产力，与NPP呈显著正相关，这为评估生态输水效益、优化干旱流域水资源配置与生态保护提供了科学依据。
引言背景
水是生命和农作物生长的核心要素。在全球气候变化背景下，降水模式、气温升高和辐射增加等环境因素的变化显著影响作物生长。特别是在干旱区，水资源的时空分布和可用性受到气候变化和人类活动的双重调控，进而影响植物的水分胁迫程度、生理代谢过程及最终产量，对区域乃至全球生态发展和粮食安全构成潜在威胁。作为生态系统固碳能力的关键指标，植被净初级生产力（NPP）直接反映了植被群落的生长状态和环境适应性。深入分析其区域动态，对于维持全球碳平衡和理解气候变化对陆地植被的影响机制至关重要。目前，太阳能利用率模型因其直接的物理框架和与遥感数据耦合的优势，已成为区域NPP估算的主流方法。已有研究广泛证实，在区域尺度上，水热条件的时空配置是决定NPP动态和分异的主导因素。尽管气候因素是调控NPP时空格局的基础，但其影响机制并非单一或均质的，而是表现为复杂的多因子相互作用和显著的空间异质性。与此同时，学术界日益认识到，人类活动以前所未有的强度干预生态系统，成为改变区域乃至全球碳循环格局的关键力量。在农业灌溉区和城市化区域等高人类活动区，NPP变化的主要驱动力已从自然因素转向人类活动。在此背景下，作为人类干预自然水文循环的关键载体，水利工程的生态影响评估已成为研究焦点。水电工程通过改变流域内的蒸发、下渗、地表水储存等关键水文过程，重塑水资源的时空分布，从而深刻影响净初级生产（NPP）的时空分布特征。现有研究表明，在一些流域，工程对生态水文过程的影响已超过气候变化，成为区域生态发展的核心问题。然而，尽管研究成果显著，但空间不平衡性依然巨大，特别是关于生态输水的研究，仍集中在大流域，而在干旱区相对稀缺。国际水文科学协会（IAHS）发起的“无资料流域水文预测”（PUB）计划，为此类数据稀缺地区的水文信息预测开辟了新途径。在此背景下，杨等人提出了遥感水文站（RSHS）方法，整合无人机（UAV）和卫星遥感数据，实现了对无资料流域长期流量序列的定量估算。该技术已在青藏高原、艾比湖流域等多个地区成功应用，并取得了良好结果，通过与实地测量数据和水文站记录的验证，表现出一致性。这为解决干旱地区数据缺失问题提供了可靠的技术手段。综上所述，尽管学术界在NPP驱动机制和水利工程生态效应方面积累了丰硕成果，但利用新兴技术手段克服数据瓶颈，定量评估生态输水对干旱区“无资料”流域NPP的驱动效应，仍是亟待解决的科学问题。为填补这一空白，本研究以新疆艾丁湖流域为典型案例，构建了一个集成RSHS-GEE-CASA框架，通过耦合遥感水文序列反演、Google Earth Engine海量云数据处理和CASA生态系统模型，有效避免了对地面观测数据的依赖，从而克服了传统方法在数据稀缺区域的应用瓶颈。本研究旨在实现对干旱区欠调查流域水文生态过程的连续动态监测，并定量分析水利工程建设背景下生态输水对植被NPP的影响机制，为干旱流域水资源优化配置和生态保护提供科学决策依据。
研究区域
艾丁湖盆地位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市以南的吐鲁番盆地。其北部以火焰山-博格达山为界，南部为觉罗塔格山，东临库姆塔格沙漠沙丘。地势南北高、中部低，形成典型的“三山夹两盆”封闭盆地结构。由于其深居亚欧大陆腹地且海拔较低，该盆地气候为极端干旱的温带大陆性沙漠气候。作为一个典型的干旱绿洲灌溉农业区，降水量与蒸发量差异悬殊，农业生产完全依赖灌溉。尽管流域包含白杨河、大河沿河等14条主要河流，但耕地的持续扩张加剧了该地区的水资源危机。目前，吐鲁番市水资源开发利用率已高达122%，远超国际公认的合理上限。地表水开发率为54%，而地下水开采率已飙升至151%。这种地下水超采已引发一系列严重问题，包括地下水位显著下降、绿洲生态系统退化以及农业发展受限。鉴于这种严峻形势，必须采取有效措施合理规划水资源利用、恢复地下水位，以确保流域可持续发展。目前，研究区的河流径流受到水利工程的显著调节。该地区已建设了多个水利设施，包括阿拉沟、红山、大河沿、煤窑沟、二塘沟、柯柯亚、坎儿其等水库。这些设施在流域径流调节和生态输水中发挥着至关重要的作用。
数据与方法
数据来源
本研究使用的数据集包括低空遥感和地面调查数据。低空遥感数据通过大疆Mavic Air 2无人机在目标河流断面的受控飞行获取，用于生成目标断面的数字正射影像（DOM）和数字表面模型（DSM）。地面实况数据，包括水深和流速，则通过声纳仪器、电磁海流计和实时动态（RTK）技术测量。Google Earth Engine（GEE）云平台用于获取和处理长期河流流量估算及利用CASA模型反演植被NPP所需的数据。这包括归一化差异水指数（NDWI）、归一化差异植被指数（NDVI）、土地覆盖、气温、降水和地表太阳辐射等数据。NDWI通过计算Sentinel-2和Landsat系列卫星影像的绿光与近红外波段反射率得到，用于提取每月水表面积。NDVI数据来自NASA的MOD13A1产品。土地覆盖数据来源于全球30米高分辨率土地覆盖动态监测产品。温度和降水月空间插值数据基于中国2400多个气象站的日观测数据生成，并使用Anusplin软件（版本4.4）进行插值。地表太阳辐射数据来自中国716个气象站点的日均太阳辐射数据集，通过ArcGIS软件（版本10.8）进行插值生成。
研究方法
遥感水文站流量估算方法
遥感水文站（RSHS）技术是一种基于水文-水力耦合原理的创新方法，将低空无人机遥感与实地测量数据相结合，实现了对无资料中小河流的水文模拟。技术流程包括：基于无人机勘测构建高精度数字河道模型；利用多源卫星遥感数据反演水面宽度随时间的变化。本研究采用历史卫星遥感数据和亚像元分解相结合的方法，基于GEE平台批量获取研究河段的NDWI影像，提取每个河流划定河段长度内的月水表面积，然后计算平均水面宽度。核心算法应用了曼宁方程来计算水力参数并估算流量，最终建立了从瞬时流量到月尺度径流的完整反演系统。输入参数主要来自无人机数据计算、先验知识和实地测量。河道两点之间的高程差（ΔH）和水平距离（L）直接由无人机数据获得。过水断面面积（A）和湿周（P）由无人机数据结合实地测量得出。糙率系数（n）反映了河道对水流的阻力，本研究通过野外观察记录河床物质组成、河道形态、断面几何形状和河岸植被等关键特征，并与“天然河道糙率值表”进行比较，初步确定糙率值，最终结合现场目视评估和查表范围确定最终值。
输水效益评估方法
为有效量化艾丁湖流域沿河道的输水过程，基于水量平衡原理和标准水文统计方法计算了生态输水量和生态输水效率。具体而言，生态输水量指每年从上游进入下游河道的总水量，而输水效率定义为每年到达下游农业区的水量与生态输水量的比值。对应的计算公式已在文中给出。
植被净初级生产力估算
植被净初级生产力（NPP）采用CASA模型估算。CASA模型是一个基于光能利用率的生态系统模型，它假设植被吸收的光合有效辐射（APAR）和实际光能利用率（ε）共同决定了NPP。模型的核心在于计算每个像元的光合有效辐射吸收比例（FPAR）和实际光能利用率。FPAR与归一化差异植被指数（NDVI）密切相关，通常通过NDVI与简单比率植被指数（SR）的线性组合来估算。实际光能利用率（ε）则受温度、水分胁迫等因素的影响，通过计算温度胁迫系数（Tε1， Tε2）和水分胁迫系数（Wε）进行修正。最终，NPP由吸收的光合有效辐射（APAR）与实际光能利用率（ε）的乘积得到。
研究结果
径流与生态输水效益时空变化
结果显示，2016-2023年间，艾丁湖流域各河流径流量呈增加趋势，但生态输水量年际变化显著。白杨河的生态输水量在多年间保持较高水平，且其输水效率在研究期内也最高，表明该河流的水利工程在调配水资源、支持下游生态方面发挥了更为有效的作用。生态输水量的变化与流域内水库的调节作用、气候变化导致的天然来水波动以及农业用水需求等密切相关。
植被净初级生产力时空变化
年均NPP总体呈现显著的下降趋势。在空间分布上，NPP表现出上游高于下游、西部高于东部的特征。这与流域地形、水源分布以及人类活动强度的空间差异一致。上游地区通常更接近水源地，水分条件相对较好；而下游及东部地区受人类灌溉活动影响更大，同时也可能面临更强烈的蒸散发和土壤盐碱化等胁迫。
生态输水与净初级生产力的关系
分析表明，生态输水对区域植被生产力具有积极影响。生态输水量与流域NPP之间存在显著的正相关关系，且在年尺度上这种相关性更强。这表明，通过水利工程进行的生态输水有效地补充了流域特别是中下游地区的生态用水，缓解了植被的水分胁迫，从而促进了植被生长和碳固定。这一发现为干旱区通过主动水资源管理来提升生态系统固碳能力和恢复生态提供了直接证据。
结论
本研究构建的RSHS-GEE-CASA集成框架，有效克服了干旱无资料地区水文与生态数据稀缺的瓶颈，实现了对艾丁湖流域水文过程和植被动态的长期连续监测。研究表明，生态输水显著增强了区域植被生产力，与植被净初级生产力（NPP）存在显著正相关关系。研究成果为定量评估干旱内陆流域水利工程的生态效益提供了新框架，也为中国西北干旱区的水资源优化配置与生态保护策略制定提供了理论依据。未来，该技术框架可推广应用于其他类似干旱流域，为全球变化背景下旱区生态水文过程的精准管理与可持续发展提供科技支撑。
