支持感知的遥感评估方法用于研究中国西北塔里木盆地人工绿洲的扩张情况以及年净初级生产力（NPP）的变化

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Support-aware remote sensing assessment of managed-oasis expansion and annual NPP change in the Tarim Basin, northwest China

　　

摘要

年净初级生产力（NPP）是干旱内陆河流流域的关键指标，但固定的空间范围可能会掩盖生产用地范围的变化。我们开发了一种基于支持信息的遥感工作流程，每年重新构建用于NPP汇总的山地、自然绿洲、人工绿洲和沙漠区域。该流程在EPSG:4326网格上协调多源地球观测数据，网格间距约为500米，应用了考虑纬度的椭球体像素面积计算方法，并结合了产品级别的和非遥感证据。我们在2001-2020年间，以中国西北部的塔里木流域为例进行了验证。年度区域重建支持特定区域的参数场和三区光照利用效率（LUE）调整。根据GLASS–MUSES模型对LUE数值进行了归一化；MOD17数据作为产品级别的基准；GOSIF数据用于检验结果的合理性。人工绿洲的面积每年增加了242平方公里（95%置信区间[234, 253]；p < 10^-20；在十九次阈值扰动下平均增加240.5–242.5平方公里/年）。流域平均NPP为110克碳/平方米/年，分别为山地、自然绿洲、人工绿洲和沙漠120、72、214和65克碳/平方米/年。与MOD17数据的吻合度很高（r ≈ 0.91；RMSE ≈ 61–63克碳/平方米/年），与GOSIF的数据排序一致性稳定（ρ = 0.757），人工绿洲的NPP与棉花产量推算的NPP也相符（r = 0.665，p = 0.0014）。独立的2020年四类地图评估显示总体准确率为95.9%。该工作流程为非静态干旱地区的绿洲发展和生产力变化提供了可审计的监测平台。

引言

净初级生产力（NPP）是干旱和半干旱地区的关键生态系统功能指标，它将植被活动与水资源可用性、土地管理及气候变化联系起来。在中亚的内陆河流流域，生产性植被仅限于由山区径流、融雪、浅层地下水和灌溉维持的狭窄地带，而周围的沙漠地区则长期面临水资源限制（Chen等人，2016；Duethmann等人，2015；Huang等人，2016；Zhang等人，2021）。中国西北部的塔里木流域是此类最大的系统之一，长期以来一直是干旱地区监测的重点对象，因为它结合了雪山和冰川供水的水文系统与密集的农业用地（Chen等人，2016；Zhang等人，2022b）。因此，对这些流域的年度NPP监测可以同时捕捉植被生产力、水资源限制下的管理和干旱生态变化。

基于卫星的NPP模型现在已被广泛用于干旱地区监测。CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）提供了光照利用效率的计算框架，该框架由遥感植被指数和气象数据驱动（Potter等人，1993）。它通过基于MODIS的MOD17产品扩展到了大陆尺度评估（Running等人，2004；Zhao等人，2005），并通过观测限制的最大LUE值进行了改进（Yuan等人，2007），并通过空间明确的重新公式化适应了区域应用（Li等人，2012）。最近的区域应用引入了特定生物群落的修改。Wu等人（2022）为青海湖流域的高山草地开发了一个基于遥感数据的CASA模型，而Zhang等人（2021）将CASA推算的NPP与实证呼吸模型结合，以评估中亚干旱地区的净生态系统生产力（NEP）。在全球范围内，Zhao和Running（2010）使用基于MODIS的NPP数据研究了干旱相关的产品力变化。在塔里木河流域，Chen等人（2022）使用Google Earth Engine分析了2001年至2020年的NPP及其气象影响因素。补充的土地覆盖研究提供了解释生产力变化所需的年度空间背景。Li等人（2014）基于MODIS EVI绘制了作物生长周期图；Liu等人（2021）制作了2001-2019年的全球年度作物强度数据集；Tu等人（2024）生成了中国30米分辨率的年度农作物地图；Zanaga等人（2021）发布了ESA WorldCover 2020数据；Zhang等人（2022a）绘制了中国年度灌溉分布图。

对于那些每年绿洲范围都发生变化的流域，现有文献在两个方面尚未得到充分探索。首先，大多数CASA系列评估在参考年份定义一次分析范围并保持不变，而基础NPP产品每年更新；任何管理和自然植被的年度重新组织都被纳入像素内参数漂移或与基准产品的残差中。其次，水分压力通常通过同时期的蒸散量（AET）/潜在蒸散量（PET）来表示，而关于干旱内陆河流流域的生态水文学研究则认为前期水资源储存、融雪遗留效应和灌溉延续可能是调节生长季节活动的因素（Costa等人，2012；Hou等人，2021；Wang等人，2022）。综合考虑这些特点，我们认为在复合干旱地区进行年度NPP评估时，一个能够一致更新生态对象、其参数场和水分响应的综合工作流程将大有裨益。

本研究以塔里木流域为例，开发了一种遥感工作流程——CASA_NEO——该流程每年联合重建山地、自然绿洲和沙漠的年度生态区域、基于类别的参数场以及光照利用效率调整。本研究有两个目标：首先，从多源地球观测数据重建每年的山地、自然绿洲和人工绿洲范围；其次，使用区域特定的参数化和三区LUE调整，在CASA框架下计算年度NPP；第三，在多层次的证据体系中评估结果，结合未公开的产品级别基准、非遥感合理性约束以及人工绿洲区域的独立年度验证；最后，通过静态与年度支持的诊断方法区分年度特定空间的影响。该工作流程旨在为塔里木流域及类似干旱内陆河流系统的绿洲发展、农业生产力和资源管理提供透明且可审计的监测框架。

章节片段

研究区域

我们选择中国西北部的塔里木流域作为实验对象，因为该地区的河流和绿洲受天山及周边山脉的水源补给影响（Chen等人，2016；Duethmann等人，2015）。这个流域是一个典型的山地-绿洲-沙漠复合体，其中人工绿洲沿灌溉渠道扩展，为年度生态区域的重建提供了非静态的环境。此外，该区域在空间上具有异质性，在生态上呈分层结构：山地区域...

年度生态区域的回顾性重建

重建的年度区域在整个塔里木流域保持了连贯的山地-绿洲-沙漠结构，同时捕捉到了与绿洲相关的年度变化。代表性年份（2001年、2010年、2020年）显示，山地区域为连续的高海拔外带，沙漠区域为主要的内部背景，而绿洲相关区域则集中在河流走廊和山麓过渡带...

非静态山地-绿洲-沙漠系统中的年度特定重建

CASA_NEO的核心贡献是一种遥感评估方法，它在NPP生产和汇总之前先重建年度评估对象。该工作流程不是替换CASA，而是将基于CASA的NPP估算扩展到非静态的空间环境中，这对于干旱地区的应用监测至关重要。在非静态的山地-绿洲-沙漠系统中，静态范围会将真实的绿洲扩展视为明显的幅度偏差，而MOD_ZONE_y则明确了年度范围内的支持。

结论

我们提出了CASA_NEO作为一种基于支持信息的遥感工作流程，用于非静态山地-绿洲-沙漠地区的年度NPP评估。其主要贡献是回顾性地重建年度特定的生态区域作为年度评估对象，以及针对这些对象的操作参数场和光照利用效率调整。该流程以CASA框架为基础的应用评估设计；水分记忆组件仅作为探索性用途保留。

CRediT作者贡献声明

Huakang Peng：正式分析。Reyizha Tabusi：方法论。Longfei Ma：撰写——初稿、可视化、资源调查。Yi Chen：软件。ümüt Halik：撰写——审稿与编辑

数据可用性声明

所有输入数据集均可通过Google Earth Engine目录或原始提供者获取。这些数据包括TerraClimate；MODIS MOD09GA/MYD09GA、MOD13Q1、MCD12Q1和MOD17A3HGF；SRTMGL1；JRC Global Surface Water；GLASS；MUSES；GOSIF；ESA WorldCover 2020；Zanaga等人（2021）；Esri World Imagery；以及Bing Maps。

棉花产量和面积统计数据来自2002-2021年的《新疆统计年鉴》。派生数据表、适用于图表的数据集、阈值敏感性...

涉及人类或动物的研究声明

本手稿未报告涉及人类参与者、可识别的人类数据、人类生物材料、临床数据、动物实验或动物组织的研究。

本研究完全基于公开可用的遥感和环境数据集，以及汇总的县级统计年鉴数据和衍生的地理空间分析。没有招募或联系任何人类参与者；没有进行任何干预、访谈、问卷调查或实验。

手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿过程中，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）来辅助语言 polish、格式检查、一致性审查和提交包装。该工具未用于生成研究数据、进行分析、解释结果或得出科学结论。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对提交的手稿内容承担全部责任。

资助

本项工作得到了中国国家自然科学基金 [-->32260285和中华人民共和国科学技术部的第三次新疆科学考察[-->2022xjkk0300的支持。资助方对研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿准备没有参与。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究。

致谢

作者感谢Tayyab Butt博士对手稿最终修订版的英文进行了审核和润色。

Longfei Ma|Yi Chen|Huakang Peng|Reyizha Tabusi|ümüt Halik
新疆大学生态与环境学院，乌鲁木齐 830017，中国