近10 a阿克蘇流域植被覆蓋時空演變特征及影響因素

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(1.塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000; 2.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079)

近10 a阿克蘇流域植被覆蓋時空演變特征及影響因素

王志成1，劉新華1，賈付生2，聶艷2

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000; 2.華中師范大學(xué) 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079)

植被覆蓋度是指示地表植被分布及生態(tài)環(huán)境變化的重要指標。為深入了解阿克蘇流域植被覆蓋度的時空演變特征及驅(qū)動機理，基于Landsat TM和高分1號遙感影像，采用NDVI像元二分模型和差值運算方法,對阿克蘇流域2005—2015年的植被覆蓋動態(tài)變化進行了監(jiān)測分析及評價。結(jié)果表明:近10 a來阿克蘇流域植被覆蓋整體呈良性發(fā)展趨勢，8月份植被覆蓋最豐富，植被覆蓋度空間分布不均，差異較大；影響阿克蘇流域植被覆蓋的主要因素有降水、氣象災(zāi)害、土地利用以及生態(tài)工程。阿克蘇流域植被覆蓋的時空演變研究結(jié)果能夠為流域未來生態(tài)空間重構(gòu)等提供重要的參考借鑒。

阿克蘇流域；植被覆蓋度；NDVI；像元二分模型；生態(tài)環(huán)境；時空演變

1 研究背景

植被覆蓋度是全球環(huán)境變化分析中重要的生物物理參數(shù)，是動態(tài)監(jiān)測區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀況的最佳指示因子，因此近年來動態(tài)監(jiān)測植被狀況和植被覆蓋一直是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點之一，其估算主要通過地面測量和遙感監(jiān)測獲取。高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有分辨率高、植物覆蓋信息豐富等特點，為大范圍、實時監(jiān)測地表尤其是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的植被變化提供了可能[1]?；谥脖桓采w監(jiān)測的需要，自20世紀60年代以來國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了數(shù)十種植被指數(shù)作為指示指標，遙感數(shù)據(jù)源也包含MODIS，NOAA/AVHRR，GIMMS，Landsat等;除了系統(tǒng)研究區(qū)域植被覆蓋的時空變化規(guī)律外，部分研究還進一步分析了植被覆蓋與氣候、地下水、地形條件等之間的影響關(guān)系[2-4]。阿克蘇流域地處塔里木盆地西北部，該區(qū)地勢平坦，光熱資源豐富，是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展較早和比較重要的地區(qū)。受氣候限制和周邊沙漠的地緣影響，加上一些不合理的人類活動，阿克蘇綠洲的生態(tài)環(huán)境一直以來都十分脆弱，植被覆蓋度也相對較低。從現(xiàn)有研究來看，鮮有學(xué)者借助高分遙感影像動態(tài)監(jiān)控阿克蘇流域植被覆蓋變化及主要的驅(qū)動因子。本研究基于未來阿克蘇流域生態(tài)系統(tǒng)健康的維護和建設(shè)需要，借助Landsat TM和高分1號遙感影像，在獲取研究區(qū)不同時相NDVI的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了2005—2015年度和2014—2015年季度的植被覆蓋演變規(guī)律，為阿克蘇流域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)空間重構(gòu)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

阿克蘇流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西部、天山中段南麓、塔里木盆地北緣，地勢由西北向南傾斜，地理位置處于40°N—41°58′N,78°47′E—82°43′E。該區(qū)屬于典型的大陸干旱性氣候，常年氣候干燥，蒸發(fā)量大，降雨稀少，年日照時數(shù)達到2 750～3 029 h，是全國太陽輻射量最大的地區(qū)之一，光熱資源十分豐富，加上無霜期長、晝夜溫差大等特點，使阿克蘇流域具有得天獨厚的農(nóng)業(yè)發(fā)展條件。阿克蘇流域綠洲是新疆主要的灌溉綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和重要的糧食、棉花和瓜果生產(chǎn)基地之一，也是新疆的主要水稻產(chǎn)區(qū)，素有“塞外江南”、“魚米之鄉(xiāng)”的美譽[5]。研究區(qū)內(nèi)包括烏什縣、溫宿縣、阿克蘇市、阿拉爾市、柯坪縣和阿瓦提縣6個縣市38個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，北起協(xié)合拉渠首、南至三河平原區(qū)、西起蘇巴什河、東至臺蘭河洪水溝。阿克蘇流域的植被類型包括平原農(nóng)區(qū)植被、低山植被、人工防護林和天然林等。其中，平原農(nóng)區(qū)植被是阿克蘇流域最主要的植被類型，以棉花、小麥、玉米等農(nóng)作物和果樹為主，其植被覆蓋度變化具有明顯的季節(jié)性；低山植被包括放牧草場和旱生的灌木灌叢，以及各種沙生、鹽生等荒漠植被；人工防護林以柯柯牙綠化工程為代表，種植經(jīng)濟林和防護林；天然林則以生態(tài)胡楊、沙棗、新疆楊等為主[6]。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)研究需要，選取了覆蓋研究區(qū)的2005年8月份、2010年8月份、2014年與2015年3月份、6月份、8月份、10月份、12月份的遙感影像。其中2005年8月份和2010年8月份的遙感數(shù)據(jù)來源于Landsat5衛(wèi)星TM影像，空間分辨率為30 m；2014年與2015年的遙感數(shù)據(jù)來源于國產(chǎn)高分1號衛(wèi)星WFV影像，空間分辨率為16 m。此外，研究中還采用了塔里木河流域阿克蘇管理局提供的流域內(nèi)降水、干旱、溫度等氣象統(tǒng)計資料和阿克蘇流域邊界矢量圖形。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用ENVI 5.1軟件對獲取的原始遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、影像鑲嵌等預(yù)處理，并使用研究區(qū)邊界矢量圖裁剪獲得覆蓋研究區(qū)的不同時相遙感影像。由于高分1號WFV影像與Landsat5 TM影像空間分辨率不同，為了便于實現(xiàn)研究區(qū)不同時期植被覆蓋度的差值運算，對比分析植被覆蓋度的時空演變規(guī)律，本研究借助ENVI 5.1軟件的Resize data工具對2014年、2015年高分1號WFV16 m影像進行重采樣，使其分辨率降低為30 m，與2005年、2010年TM影像分辨率一致。最后，在ENVI 5.1中通過Bandmath工具分別計算獲取研究區(qū)各時相遙感影像的歸一化植被指數(shù)NDVI值。

2.3 研究方法

2.3.1 基于像元二分模型的植被覆蓋度計算

像元二分模型是植物遙感中最常用的一種線性像元分解模型，其原理是假設(shè)遙感影像所表達的像元信息S只由純植被覆蓋信息Sv和無植被覆蓋的裸地信息Ss兩部分組成[7-8]，若植被覆蓋度為Fc，則上述關(guān)系可以表示為

S=SvFc+Ss(1-Fc) 。

(1)

由式(1)可得植被覆蓋度Fc的計算公式，即

Fc=(S-Sv)/(Sv-Ss) 。

(2)

根據(jù)式(2)可以看出，Ss和Sv是計算植被覆蓋度Fc的2個關(guān)鍵參數(shù)。而由于歸一化植被指數(shù)NDVI也是一種由遙感傳感器所接收的地物光譜信息，根據(jù)像元二分模型原理,一個像元的NDVI值可以表達為由純綠色植被部分所貢獻的信息NDVIveg,和由無植被覆蓋(裸土)部分所貢獻的信息NDVIsoil兩部分組成,因此將NDVI值代入式(2)，得到基于NDVI的植被覆蓋度計算公式,即

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(3)

根據(jù)像元二分原理，NDVIsoil和NDVIveg的理論值應(yīng)分別為0和1。由于受研究區(qū)植被類型、地表粗糙度、土壤類型和顏色以及空間和時間變化等諸多因素的影響，NDVIsoil和NDVIveg均不是一個固定的值[9]，因此大多數(shù)研究通過利用一定的置信度確定置信區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值來代替[10-12]。在本研究中，根據(jù)查閱文獻并結(jié)合研究區(qū)NDVI的實際分布，設(shè)置置信度為5，即統(tǒng)計各遙感影像NDVI值的累計概率分布表，取累計百分比為5%處對應(yīng)的NDVI值作為NDVIsoil的值，取累計百分比為95%處的NDVI值作為NDVIveg的值，然后運用式(3)分別計算研究區(qū)各時相的植被覆蓋度。

2.3.2 植被覆蓋度分級與影像差值運算

在基于像元二分模型計算出研究區(qū)2005—2015年各時相植被覆蓋度的基礎(chǔ)上，為了方便分析研究區(qū)植被覆蓋的空間和時間變化特征，需要對植被覆蓋度進行分級。對于植被覆蓋度的分級標準和分級閾值，不同學(xué)者的研究中也往往不盡相同[9，13]。本文中，結(jié)合研究需要和阿克蘇流域植被覆蓋狀況的實際特點，將研究區(qū)植被覆蓋度劃分為6個等級(見表1)：①無植被覆蓋區(qū)(Fc=0，即流域內(nèi)為裸地、戈壁及水體的區(qū)域)；②低植被覆蓋區(qū)(0

表1 阿克蘇流域植被覆蓋度等級劃分Table 1 Classification of vegetation cover inAksu River Basin

為了直觀比較研究區(qū)2005年、2010年、2015年3個時期植被覆蓋度的時空變化情況，將生成的各期植被覆蓋度分級圖導(dǎo)入ArcGIS10.1軟件，通過柵格差值運算工具，對不同時期植被覆蓋度分級圖進行影像差值運算，并根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度實際變化情況及野外調(diào)查驗證，將植被覆蓋度差值(Fct)劃分為嚴重退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、中等改善、明顯改善7個等級(表2)，形成研究區(qū)植被覆蓋度差值對比圖。

表2 阿克蘇流域2005—2015年植被覆蓋度差值劃分Table 2 Classification of vegetation cover change inAksu River Basin from 2005 to 2015

圖1 阿克蘇流域2015年植被覆蓋度空間分布Fig.1 Spatial distribution of vegetation cover in Aksu River Basin in 2015

3 結(jié)果分析與討論

3.1 阿克蘇流域植被覆蓋時空分布特征

在空間上，從流域上游的托什干河、庫瑪拉克河到中游的阿克蘇河和下游的塔里木河，植被覆蓋區(qū)沿河流呈明顯的“Z”字條帶狀分布。覆蓋等級以中植被覆蓋和高植被覆蓋為主，主要分布于烏什縣東部、溫宿縣南部、阿瓦提縣北部和阿克蘇市等地區(qū)(如圖1)，土地覆蓋對應(yīng)為耕地、高蓋度草地、林地和密灌木地。此外，流域內(nèi)3大水庫，即上游水庫、多浪水庫、勝利水庫周圍植被覆蓋度也較高，且連片分布，主要為優(yōu)質(zhì)耕地。但在阿拉爾市以北和阿瓦提縣南部等地植被覆蓋度明顯較低，大多是無植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)，土地覆蓋類型以裸地、戈壁和荒漠植被為主。總體上看，研究區(qū)植被覆蓋度空間分布差異較大，兩極分化現(xiàn)象嚴重，這一現(xiàn)象的主要原因是研究區(qū)地處內(nèi)陸，氣候干旱，水資源是植被生長最主要的限制因子，尤其對于流域內(nèi)面積最大的農(nóng)區(qū)人工植被，生長期完全依靠灌溉，因此河流沿岸和水庫周圍地區(qū)成為研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高的地區(qū)。而遠離河流、水庫的區(qū)域天然水量供給不足，且周圍沙漠、戈壁廣布，導(dǎo)致原有天然植被逐漸減少，次生植被和人工植被無法生長，植被覆蓋度較低。

在時間上，通過對比分析研究區(qū)2014年和2015年3月份、6月份、8月份、10月份、12月份的植被覆蓋狀況，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)植被覆蓋度季節(jié)變化明顯，6—9月份整體植被覆蓋度較高，8月份是植被量最豐富的時期，冬春季節(jié)，植被覆蓋度整體較低。如表3所示,研究區(qū)2014年8月份的平均植被覆蓋度為0.358，2015年8月份的平均植被覆蓋度為0.416，均為年內(nèi)覆蓋度最高的月份。因為這段時期研究區(qū)輻射量豐富，溫度高，熱量充足，冰山融雪較多，水光熱組合條件較好。無論是人工栽植的田間植被、果林(蘋果、香梨、核桃、紅棗等)，還是天然植被的草地、林地、灌木林地和其他落葉植被，在8月份正處于生長繁盛期。而在冬春季的12月份到次年3月份，研究區(qū)落葉植被大面積減少，農(nóng)作物已經(jīng)收獲，植被覆蓋度非常低。

表3 阿克蘇流域2014—2015年各季度植被覆蓋度統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistics of seasonal vegetation cover inAksu River Basin from 2014 to 2015

3.2 阿克蘇流域植被覆蓋年際變化特征

由圖2綜合分析可以得出：2005—2015年近10 a來研究區(qū)地表植被覆蓋整體呈改善狀態(tài)，主要表現(xiàn)為綠洲邊緣荒漠、裸地區(qū)域縮減，植被覆蓋區(qū)域明顯擴張，同時部分低植被覆蓋和中低植被覆蓋區(qū)域植被覆蓋度出現(xiàn)中度或明顯改善，研究區(qū)高植被覆蓋和中高植被覆蓋地區(qū)面積增加。過去10 a里研究區(qū)植被覆蓋的面積和覆蓋質(zhì)量均出現(xiàn)了明顯提升。

2005—2010年間，研究區(qū)整體植被覆蓋面積有所增加，但平均植被覆蓋度卻由2005年的0.298下降到了0.230，即研究區(qū)整體植被覆蓋質(zhì)量出現(xiàn)了下降。從圖2(a)可以看出，雖然烏什縣、溫宿縣、阿瓦提灌區(qū)等部分地區(qū)植被覆蓋呈中度改善和輕微改善的變化，但阿拉爾市東部以及綠洲中部和邊緣部分區(qū)域卻出現(xiàn)了植被覆蓋度大范圍的中度和嚴重退化，從而導(dǎo)致研究區(qū)整體植被覆蓋水平小幅降低。

2015年研究區(qū)植被覆蓋與2010年相比呈現(xiàn)較為明顯的好轉(zhuǎn)，如圖2(b)所示，可以看出研究區(qū)內(nèi)不僅植被覆蓋范圍顯著擴大，大部分區(qū)域植被覆蓋等級也表現(xiàn)為改善狀態(tài)。其中溫宿縣城區(qū)北部、阿瓦提灌區(qū)、阿克蘇市中部和阿拉爾市東部地區(qū)出現(xiàn)了中度改善和明顯改善，而植被覆蓋度退化的區(qū)域較小，分布零散，主要在綠洲邊緣和各縣市城區(qū)，以輕微退化和中度退化為主?？傮w來看，2010—2015年，研究區(qū)植被覆蓋度改善幅度高于退化幅度，從而使得植被覆蓋度出現(xiàn)整體提升，平均植被覆蓋度由0.230上升到了0.416。

圖2 阿克蘇流域2005—2010年和2010—2015年的植被覆蓋度動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of vegetation cover inAksu River Basin in 2005-2010 and 2010-2015

hm2

3.3 阿克蘇流域植被覆蓋變化的影響因素分析

3.3.1 氣候因素

氣候是生態(tài)類型和生態(tài)特征的主要塑造者，氣候因素尤其是降水在干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)形成和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用[14]。

通過對研究區(qū)2005—2015年氣候數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)2005—2015年研究區(qū)全年的平均降水量為86.52 mm，降水量波動很大，尤其是在2009年和2010年，均低于平均值，而2015年研究區(qū)全年平均降水量則達到了88.1 mm。由此可見，研究區(qū)2010年植被覆蓋下降和2015年植被覆蓋明顯好轉(zhuǎn)與降水有很強的相關(guān)性，降水及其所導(dǎo)致的徑流變化是綠洲植被生長狀況的主要影響因子。此外，根據(jù)查閱的阿克蘇統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，2010年研究區(qū)氣候災(zāi)害頻發(fā)，4—5月份存在階段性持續(xù)低溫，棉花、林果等主要農(nóng)作物生育期明顯推遲，加上夏季多冰雹、秋季多局地性暴雨，導(dǎo)致研究區(qū)全年熱量條件較差，因此氣候災(zāi)害也是引起研究區(qū)2010年植被覆蓋出現(xiàn)退化的原因之一。

3.3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化

近10 a來，隨著社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，阿克蘇流域土地利用結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化[15-16]。從2005年、2010年和2015年遙感影像的土地利用解譯成果(表4)可以看出，2005年以來，除了草地和水域面積小幅縮減，研究區(qū)耕地、園地、林地及建設(shè)用地面積均出現(xiàn)了不同程度的增加。作為研究區(qū)內(nèi)最重要的植被覆蓋類型，耕地、園地等農(nóng)用地以及林地是高植被和中高植被覆蓋的主要區(qū)域，其變化會直接影響到區(qū)內(nèi)的整體植被覆蓋狀況。

利用解譯的2015年和2010年研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖與圖2(b)進行疊加，進一步分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)植被覆蓋發(fā)生擴張和改善的區(qū)域與耕地和園地重合度較高，尤其是新增耕地區(qū)域，植被覆蓋度變化幅度以明顯改善為主；植被覆蓋出現(xiàn)縮減和退化的區(qū)域多與建設(shè)用地和綠洲邊緣的退化草場重合。綜上可以看出，2005—2015年期間，研究區(qū)植被覆蓋的時空動態(tài)變化與區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的改變有著直接關(guān)系。

3.3.3 生態(tài)工程建設(shè)

為了阻擋風沙侵襲，改善生態(tài)和生活環(huán)境，阿克蘇流域自20世紀90年代起就開始了以“柯柯牙綠化工程”為主體的生態(tài)工程建設(shè)，截止到2010年，柯柯牙綠化工程已經(jīng)完成4期累計超過1.2萬hm2的生態(tài)綠化。從圖2可以明顯看出，近10 a來，這一工程極大地改善了阿克蘇市東部地區(qū)和溫宿縣城北部地區(qū)的植被覆蓋狀況。同時，在此期間研究區(qū)積極推行生態(tài)胡楊濕地公園生態(tài)工程建設(shè)，整體效果十分顯著，尤其是阿克蘇河下游3河交匯處和沿塔里木河方向兩岸地區(qū)，2005年以來植被覆蓋度一直處于改善狀態(tài)，在很大程度上阻擋和減緩了塔克拉瑪干沙漠的進一步擴張。在干旱半干旱地區(qū)，生態(tài)工程建設(shè)是直接改變土地覆被類型、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的有效方式，因此生態(tài)工程建設(shè)是阿克蘇流域植被覆蓋變化的主要因素之一。

4 結(jié) 論

(1) 阿克蘇流域植被覆蓋受干旱氣候的限制，高植被覆蓋區(qū)和中高植被覆蓋區(qū)集中于河流兩岸，整體空間分布差異較大，植被覆蓋等級兩極分化嚴重；流域內(nèi)的植被覆蓋季節(jié)變化明顯，夏秋季植被覆蓋狀況較好，8月份整體植被覆蓋度最高，而冬春季節(jié)植被覆蓋狀況較差。

(2) 在2005—2015年，近10 a來研究區(qū)植被覆蓋度總體呈改善趨勢，植被覆蓋區(qū)范圍擴張，覆蓋質(zhì)量提高，但在流域邊緣、下游部分地區(qū)以及各縣市城區(qū)周圍植被覆蓋存在由高植被覆蓋度向低植被覆蓋度轉(zhuǎn)移的退化現(xiàn)象。

(3)阿克蘇流域植被覆蓋時空變化受降水、氣候災(zāi)害、土地利用結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)工程建設(shè)的共同影響。

(4) 基于高分辨率遙感影像NDVI像元二分模型的植被覆蓋度能夠精確描述流域植被覆蓋的空間分布信息，通過影像差值運算可以準確獲取流域植被覆蓋度的時空變化特征，是干旱半干旱地區(qū)監(jiān)測植被變化信息一種行之有效的方法。

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(編輯：姜小蘭)

Vegetation Cover in Aksu River Basin over the Past Decade:Spatio-temporal Variation and Impact Factors

WANG Zhi-cheng1，LIU Xin-hua1，JIA Fu-sheng2, NIE Yan2
(1.Aksu Management Bureau of Tarim River Basin, Aksu 843000, China; 2.Hubei Provincial Key Laboratory for Geographical Process Analysis and Simulation, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

Vegetation cover is an important indicator of vegetation distribution on land surface and ecological changes in the environment. In this article, the temporal and spatial changes of vegetation cover in Aksu River Basin from 2005 to 2015 are obtained based on the NDVI dimidiate pixel model, and then the main causes of NDVI changes are analyzed based on Landsat TM and GF-1 WFV remote sensing images. Results indicate that vegetation cover in Aksu River Basin has showed a healthy tendency over the past decade. Vegetation cover is the richest in August,and the spatial distribution of vegetation cover is uneven with significant differences. Precipitation, meteorological disasters, land use and ecological construction project are main factors affecting the vegetation cover in Aksu River Basin. The results provide important reference for future eco-space construction in Aksu River Basin.

Aksu River Basin; vegetation cover index; NDVI; dimidiate pixel model; ecological environment; spatio-temporal variation

2016-11-28

國家自然科學(xué)基金項目(41271534)；塔里木河流域阿克蘇管理局資助項目(TGJAKS-SKS-2015-001)

王志成(1963-)，男，山東海陽人，高級工程師，主要從事水資源管理研究，(電話)0997-6310202(電子信箱)32798350@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161248

2017,34(9):24-28,35

P964

：A

：1001-5485(2017)09-0024-05