中国西北部东道海子终端湿地中，利用再生水补给对生态质量产生的时空动态变化及其驱动机制

《Journal of Arid Environments》：Spatiotemporal dynamics and driving mechanisms of ecological quality under reclaimed water replenishment in the Dongdao Haizi terminal Wetland, Northwest China

　　**摘要**
再生水补给是恢复干旱地区终端湿地的重要策略；然而，其生态影响及其潜在机制仍不为人所充分理解。本研究以乌鲁木齐河末端的东道海子湿地为重点，利用Google Earth Engine上的多时相Landsat影像构建了一种盐度增强的修正遥感生态指数（MRSEI）。通过空间自相关分析和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM），分析了2000年至2025年间生态质量的空间时间演变及其驱动机制。结果表明，再生水的投入显著改变了当地的水文状况，使水体面积从3.85平方公里扩大到38.97平方公里。尽管植被覆盖度持续改善（表现为NDVI值上升），但整体生态质量呈现非单调趋势。MRSEI平均值从2000年的0.331降至2025年的0.272，在2015年达到最低点后于2020年后部分恢复。持续的正空间自相关反映了生态条件的强烈空间聚集性。PLS-SEM进一步显示，生物因素是MRSEI的主要正向驱动因素，恢复活动也起到了辅助作用。总体而言，虽然再生水有效提升了水文连通性和植被恢复，但整体生态改善受到植被动态、土壤盐度、气候变异性和空间异质性等多因素复杂相互作用的限制。这些发现为干旱地区终端湿地的适应性水资源管理提供了实用见解。

**引言**
全球气候变化加剧了干旱地区终端湿地的环境压力，包括荒漠化和土壤盐碱化（Wen等，2023）。由于终端湿地通常缺乏自然地表水出口，其生态状况对流量变化、地下水可用性和水盐动态极为敏感（Zhang等，2024；Liu等，2024）。同时，人类活动的增加和大规模基础设施的建设加速了生态系统退化，削弱了这些湿地系统的结构完整性和功能韧性（Wang等，2025）。淡水资源日益稀缺和水生生态系统恶化已成为全球性挑战。快速的城市化和用水需求的增长加剧了许多地区的淡水短缺（Chen等，2017）。在这种情况下，经过处理以满足特定质量标准的再生水已成为补充河流、湖泊和湿地的重要非常规水源，因为它具有相对稳定的供应性和较低的依赖性（Michael-Kordatou等，2015；Florides等，2024）。再生水的使用正在全球范围内扩展，包括沙特阿拉伯、埃及和西班牙（Hastie等，2022）。在韩国，剧组川河的再生水补给缓解了因季节性流量中断导致的水质恶化和生态退化（Jang，2021）。在中国，再生水补充和更广泛的生态水分配项目已被实施，以支持干旱地区的退化水生生态系统的恢复。先前的研究表明，再生水补给有助于维持湖泊面积和改善局部生态状况（Feng等，2025；Yan等，2022）。在甘肃省的黑河盆地，由于过度用水导致严重的生态退化（Zhang等，2017），生态水输送通过增加水资源供应和支持植被恢复改善了区域生态状况（Zhao等，2020）。同样，在塔里木河下游，生态水分配促进了河岸植被的恢复和生态系统的恢复（Bao等，2017；Guo等，2017）。总的来说，这些研究表明人工补水可以缓解水文压力并促进水资源有限环境中的生态恢复。然而，这些响应的幅度、时机和空间分布可能因水源、补给策略和当地环境条件而异。以往的研究主要集中在特定的生态响应上，如植被恢复、地下水恢复、地表水扩展或生物多样性保护（Aishan等，2013；Hao和Li，2014；Mamat等，2019）。尽管最近的研究越来越多地采用长期和综合的生态水输送或终端湿地恢复评估（Jiao等，2022；Zhang等，2024），但明确将水文演变与盐度敏感的生态质量、空间异质性以及环境和人为因素的直接和间接影响联系起来的持续评估仍然稀缺。基于遥感的生态指数，特别是从多个环境维度衍生出的综合指数，为区域生态质量评估提供了有效方法。Xu等（2014）通过主成分分析整合了绿色度、湿度和干旱度，开发了遥感生态指数（RSEI），从而减少了手动分配指标权重的主观性。后续研究将RSEI的应用扩展到干旱环境，并进一步发展了相关的遥感生态状况评估框架（Gao等，2020；Firozjaei等，2021）。为了提高其区域适用性，根据特定环境约束提出了不同的修改方案。例如，Nie等（2021）引入了地形校正以减少复杂景观中的地形诱导偏差，而Zhang等（2023）通过整合增强植被指数（EVI）、土壤湿度监测指数（SMMI）和地表温度（LST）构建了综合遥感生态指数（CRSEI）。最近，Chen等（2023）将综合盐度指数纳入传统RSEI，开发了适用于塔里木河流域长期生态质量评估的盐度适应性生态指数。Zhang等（2024）进一步将核NDVI和综合盐度指数纳入修正遥感生态指数（MRSEI），改善了受盐碱化影响的干旱和半干旱环境的生态质量评估。这些发展表明，RSEI的指标组成和生态解释应根据目标地区的主导环境约束进行调整。这种区域适应性在干旱盐碱湿地尤为重要，因为地表水量的增加和植被绿度的提高并不一定意味着全面的生态改善，因为土壤盐度可能继续限制生态系统功能。长期遥感评估需要一致的图像采集、云处理、合成和跨时间处理，使用传统的桌面工作站流程时计算量较大（Gorelick等，2017）。Google Earth Engine（GEE）平台提供了基于云的标准化卫星档案和大规模计算资源的访问，从而便于长期Landsat时间序列的一致处理，并减少了云覆盖和不规则图像获取造成的数据间隙（Parastatidis等，2017；Xu等，2022）。然而，仅靠云计算平台无法完全解决评估长期补水带来的异步生态响应的复杂性。在干旱盐碱湿地中，水体范围变化、植被恢复、盐度压力和综合生态质量的变化可能表现出不同的时间轨迹和强烈的空间异质性。因此，本研究开发了一个综合分析框架，结合长期遥感观测、生态评估和驱动因素分析。利用在GEE平台上处理的25年Landsat时间序列（2000-2025），该框架整合了精确定位的水体制图、变异检测、盐度敏感的MRSEI、空间自相关分析和PLS-SEM，以表征在水分和盐度共同限制下的水文变化及其潜在机制。

**研究区域**
东道海子湿地位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市北部，准噶尔盆地南缘（图1）。它属于乌鲁木齐河下游的终端湖泊系统。该湿地地理坐标为44°15′N至44°45′N，87°30′E至88°00′E之间，海拔约为500米，是由天山山脉融雪、乌鲁木齐河径流形成的天然洼地。

**水域提取和精度评估**
为了评估提取的水体的准确性，对六个基准年份（2000年、2005年、2010年、2015年、2020年和2025年）进行了基于混淆矩阵的评估。在Google Earth Engine（GEE）平台上使用MNDWI结合Otsu阈值方法提取水体后，生成了水体和非水体类别。每年随机选取200个验证样本，并根据年度特定的参考影像进行视觉解读。

**再生水补给的有效性**
在中国西北部干旱地区，持续的水转移已广泛证明具有生态效益。如表11所总结的，塔里木河、黑河和石羊河流域的长期生态水补给成功提升了地下水位，恢复了当地植被，并遏制了荒漠化。同样，在东道海子湿地，再生水的输入促进了终端水域的逐渐扩大。

**结论**
基于2000年至2025年的多时相遥感数据，本研究开发了一种盐度增强的修正遥感生态指数（MRSEI），用于评估东道海子湿地生态质量的空间时间动态。通过空间自相关分析和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM），我们确定了生态质量变化的空间模式和关键驱动因素。主要结论如下：

**作者贡献声明**
钱茹 Xia：撰写 - 审稿与编辑、监督、资源获取、数据管理；
薛 Ying Ma：撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论；
长春 Xu：监督、资源获取、方法论、正式分析、概念化；
云飞 张：资源获取、方法论、数据管理、概念化；
丹 张：方法论、正式分析、概念化。

**资助**
本研究得到了新疆生态与环境科学院的支持（项目编号2025D01A111）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。