瑪納斯河流域10年間植被時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究

孫 倩，石 強(qiáng)，劉 雪，呂 威，李宗陽，趙 碩

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】植被是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球氣候變化研究中具有指示器的作用[1]。同時(shí)，作為陸地表面最突出的土地覆蓋類型，描述區(qū)域尺度變化上植被的動(dòng)態(tài)變化是全球變化研究的一個(gè)重要內(nèi)容[2-4]。植被的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化可以依靠土地利用與覆被變化來體現(xiàn)，而土地利用覆被變化也是陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的主要表現(xiàn)[5]。典型區(qū)域案例研究不僅將人類所面臨的現(xiàn)實(shí)生態(tài)環(huán)境問題與基礎(chǔ)研究結(jié)合起來，也是參與全球環(huán)境變化研究的具體途徑[6]。干旱區(qū)綠洲土地利用/土地覆被變化情況，既受自然因素的作用和制約，又受人類活動(dòng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件的重大影響[7]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】LUCC和驅(qū)動(dòng)分析均是目前的焦點(diǎn)問題，對于揭示LUCC的基本過程、驅(qū)動(dòng)原因、時(shí)空變化及建立預(yù)測模型都起到關(guān)鍵作用[8]。國外學(xué)者以葡萄牙Mondego 河流域?yàn)檠芯繉ο螅糠治隽?990-2006 年由于農(nóng)業(yè)耕種區(qū)的變化以及城市化擴(kuò)張等驅(qū)動(dòng)因素對該區(qū)域土地利用/覆被變化的貢獻(xiàn)[9]。國內(nèi)史培軍等通過回歸分析，得出深圳市土地利用變化的內(nèi)在與人文驅(qū)動(dòng)力[10]；甘紅等也用多元回歸模型揭示了土地利用結(jié)構(gòu)空間分布及其變化與人為因子之間的定量關(guān)系[11]，并從中篩選出影響土地利用類型，結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)人為驅(qū)動(dòng)因子。 隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識到土地利用/土地覆被變化是造成全球變化的重要原因[12]。如劉敏等以我國長江三角洲為例，得出LUCC 同水網(wǎng)體系消失緊密相關(guān)，同時(shí)也是造成河流、湖泊水質(zhì)等發(fā)生變化的主要原因[13]。如郭旭東等分析了LUCC對區(qū)域氣候、土壤、水量和水質(zhì)的影響[14]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】鑒于此，以新疆瑪納斯河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，利用Landsat衛(wèi)星的TM和OLI_TRIS數(shù)據(jù)，對植被覆蓋區(qū)和非植被覆蓋區(qū)的多種地物進(jìn)行信息解譯，研究土地利用/覆被的動(dòng)態(tài)變化，以定量的分析各類地物的轉(zhuǎn)移情況，【擬解決的關(guān)鍵問題】以及植被覆蓋區(qū)地物的重心偏移狀態(tài)。

1 研究區(qū)概況

新疆瑪納斯河流域(43°27′～45°21′N，85°01′～86°32′E)位于亞歐大陸中心、準(zhǔn)格爾盆地南部，冬季寒冷，夏季干熱，全年干旱少雨，屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)。這對當(dāng)?shù)氐闹脖簧L，土地利用/覆蓋具有重要的影響。地貌類型主要分為三類：山前斜坡沖積扇或丘陵、中部沖擊平原及北部的風(fēng)積沙漠區(qū)[15]?，斊鹪从谔焐街卸危刂焐奖逼卤绷飨驕?zhǔn)格爾盆地，河道全長400 km[16]。自1949年起，河段上興修水利，該流域成為著名的棉花和糧食產(chǎn)地，是天山的北坡經(jīng)濟(jì)帶核心之一[17]。然而，20世紀(jì)年代以來，隨著人口數(shù)量的不斷增長，開墾灌溉面積的不斷擴(kuò)大，植被破壞，水質(zhì)下降等生態(tài)問題也日益突出。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

瑪納斯河流域2006、2010、2015年3個(gè)時(shí)期8、9月份的Landsat系列TM以及OLI_TRIS遙感影像。區(qū)域邊界采用1∶100 000比例尺的地圖，實(shí)現(xiàn)瑪納斯河流域的行政邊界數(shù)字化。研究區(qū)范圍內(nèi)的野外調(diào)研和實(shí)地考察的感興趣區(qū)樣本數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 影像預(yù)處理 該研究中對影像預(yù)處理包括了對衛(wèi)星影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正、影像鑲嵌及圖像裁剪在內(nèi)的影像前期處理。其中，采用輻射水準(zhǔn)歸一化處理屬于線性回歸的相對輻射校正，在以某一年份影像為基準(zhǔn)擬合輻射水準(zhǔn)歸一化線，然后在對其他年份影像進(jìn)行歸一化計(jì)算[18-19]；而幾何校正則結(jié)合野外實(shí)地考察的GPS定位點(diǎn)坐標(biāo)，對2006年影像進(jìn)行最鄰近法重采樣，用二次多項(xiàng)式將2010和2015年的影像配準(zhǔn)到2005年的影像上，控制點(diǎn)盡量選擇一些較為明顯的地物點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)篩選最后共選取了30個(gè)控制點(diǎn)，精度為均方差在0.5個(gè)像元以內(nèi)。

2.2.2 分類體系的建立 本研究的分類采用的是中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中土地利用1∶100 000二級分類系統(tǒng)，為了突出植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，將植被覆蓋區(qū)域劃分為耕地和林地，同時(shí)也充分結(jié)合野外考察時(shí)研究區(qū)的特征，將該研究區(qū)非植被覆蓋區(qū)域劃分為水體、裸土和其他(山地、荒漠和光板地等)。

2.2.3 動(dòng)態(tài)變化 采用了土地資源數(shù)量變化模型來分析研究區(qū)的植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，了解其變化發(fā)展趨勢，通過土地利用/覆蓋特征、變化速度來反映個(gè)土地利用/覆蓋類型的動(dòng)態(tài)變化。

單一動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

式中，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型的年變化率。

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)土地利用的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

式中，LUi為監(jiān)測起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；△LUi-j為監(jiān)測時(shí)段第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對值；j為非i類土地利用類型，T為監(jiān)測時(shí)段長度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年綜合變化率[20]。

圖1 2006、2010和2015年研究區(qū)信息解譯圖Fig.1 Classification chart in 2006, 2010 and 2015

本文選用最大似然法進(jìn)行植被覆蓋區(qū)(耕地和林地)和非植被覆蓋區(qū)(水體、裸土和其他)的信息解譯。利用野外實(shí)測的感興趣區(qū)進(jìn)行精度驗(yàn)證，2006、2010、2015年分類圖的精度驗(yàn)證結(jié)果總精度分別是90.12 %、90.33 %、90.22 %，其KAPPA系數(shù)分別為0.914、0.927、0.905，滿足進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析的要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋區(qū)和非植被覆蓋區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

瑪納斯河流域2006、2010、2015年信息解譯圖如圖1所示。

通過分類計(jì)算出各個(gè)地類的面積，面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 2006、2010、2015年土地利用/覆蓋分類面積表

表2 動(dòng)態(tài)分析表(2005-2010、2010-2015年)

表3 2006-2010年瑪納斯河流域地物轉(zhuǎn)移概率矩陣

注：行表示2006年，列表示2010年。

Note:The row shows 2006, and the column shows 2010.

表4 2010-2015年瑪納斯河流域轉(zhuǎn)移概率矩陣

注：行表示2010年，列表示2015年。

Note:The row shows 2010, the column shows 2015.

3.2 動(dòng)態(tài)度計(jì)算

動(dòng)態(tài)度的計(jì)算是以土地利用/覆被類型的面積為基礎(chǔ)，能夠反映各個(gè)土地利用類型面積變化速度，整理匯總的結(jié)果如下表所示。本研究基于植被覆蓋區(qū)和非植被覆蓋區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)度計(jì)算，如下表2所示。

3.3 植被的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣

對瑪納斯河流域各類地物的相互轉(zhuǎn)移變化進(jìn)行矩陣分析。從2006-2010年，2010-2015年2個(gè)時(shí)間段為劃分，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析，反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特及各用地類型變化方向，該方法來源系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與形態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述。物轉(zhuǎn)移概率矩陣如表3～4所示。

3.4 植被覆蓋區(qū)的重心偏移

重心偏移能表征地物類型的多年間的動(dòng)態(tài)變遷趨勢，以植被覆蓋區(qū)的耕地和林地為研究對象，在ARCGIS10.0的軟件平臺中，實(shí)現(xiàn)重心計(jì)算，其重心偏移情況如圖2所示。

4 討 論

4.1 植被覆蓋區(qū)的動(dòng)態(tài)變化分析

瑪納斯河流域土地利用/覆蓋情況隨著時(shí)間和空間的變化而變化，2006-2010年5年間綜合動(dòng)態(tài)度為2.78 %，明顯高于2010-2015年之間綜合動(dòng)態(tài)度。植被覆蓋區(qū)面積有顯著增加，前5年間共計(jì)增加1914.39 km2，其中耕地面積增加了463.57 km2，動(dòng)態(tài)度為5.5 %，這是由于5年間各類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益有所提升，促使經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物的面積有所增加。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，灌溉能力增強(qiáng)，加大了耕地開發(fā)力度。而與此同時(shí)，林地自然修復(fù)和人工修復(fù)有顯著的積極效果，在10年之間，其動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)明顯增加趨勢。

與植被覆蓋區(qū)相比，裸土呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，裸土部分被開墾為農(nóng)田，但是其面積依然非常大，而動(dòng)態(tài)度僅為-4.3 %和-9.0 %，其他(戈壁、光板地等)的動(dòng)態(tài)度前5年僅為-1.2 %，并且在后5年里，這些荒漠、戈壁和山體等難以被人們開發(fā)利用的面積略有所增加，增加面積為637.6257 km2，這主要是因?yàn)殡S著人口增加，城市化發(fā)展速度不斷加劇，土地退化也隨之加重。

圖2 耕地和林地重心偏移示意圖Fig.2 Schematic diagram of farmland and forest’s gravity center offset

4.2 植被覆蓋區(qū)的時(shí)空轉(zhuǎn)移分析

植被覆蓋區(qū)中耕地與林地的相互轉(zhuǎn)移相對較為劇烈，其中2010-2015年，耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積累計(jì)占2010年林地面的15.63 %，而林地轉(zhuǎn)化為耕地的百分比在2006-2010年累計(jì)轉(zhuǎn)化比例高達(dá)19.633 %。耕地向非植被覆蓋區(qū)的轉(zhuǎn)移非常微弱，尤其前5年，最低轉(zhuǎn)化率為0，對林地而言，雖然覆蓋面積有所增加，但其中向裸土和其他的轉(zhuǎn)移程度不斷加劇，尤其2010-2015年林地向裸土發(fā)生轉(zhuǎn)移變化程度在所有地物類型中最高。

非植被覆蓋區(qū)的總面積在10年間有所減少，戈壁、建筑用地、光板地等向植被覆蓋區(qū)域的轉(zhuǎn)移也較為明顯，其他向耕地和林地的轉(zhuǎn)移逐年增加。鑒于非植被覆蓋區(qū)域開發(fā)力度薄弱和利用的局限性，裸土與其他之間轉(zhuǎn)移略顯著，自身地物類型維持最為明顯。

4.3 植被覆蓋區(qū)重心偏移分析

耕地的重心于 2006-2010年向東南方向遷移，且偏移距離高達(dá)19.32 km，同期林地向東北方向偏移10.25 km；而在2010-2015年，林地偏移為最大，為15.45 km，而耕地偏移6.56 km。前5年之間，耕地與林地的相互轉(zhuǎn)化很顯著，是導(dǎo)致耕地偏移距離較大的原因之一，而后5年見，山間的水體流經(jīng)地區(qū)內(nèi)，林地面積的逐步增加，促使林地重心向著山體覆蓋區(qū)域偏移，即相對2010年林地的重心位置，向著略西南的方向有所偏移。非植被覆蓋區(qū)的利用率較低，所產(chǎn)生的偏移均較為微弱。

5 結(jié) 論

本文利用2006、2010及2015年Landsat系列TM(OLI_TRIS)遙感影像，解譯了植被覆蓋區(qū)和非植被覆蓋區(qū)的遙感信息，分析了土地利用/覆被的動(dòng)態(tài)變化，探討了各類地物的轉(zhuǎn)移情況，計(jì)算了植被覆蓋區(qū)地物的重心偏移狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

⑴2006-2010年綜合動(dòng)態(tài)度明顯高于2010-2015年。植被覆蓋區(qū)面積有顯著增加，農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益有所提升，加大了耕地開發(fā)力度，耕地面積增加動(dòng)態(tài)度為5.5 %。林地自然修復(fù)和人工修復(fù)有顯著的積極效果，動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)增加趨勢。

⑵各類地物之間相互轉(zhuǎn)化頻繁而復(fù)雜，且轉(zhuǎn)化劇烈程度各不相同。耕地與林地相互轉(zhuǎn)移相對較為劇烈，耕地向非植被覆蓋區(qū)轉(zhuǎn)移非常微弱，非植被覆蓋區(qū)總面積在10年間有所減少，但是林地向非植被區(qū)地物類型轉(zhuǎn)移程度略有所增加。

⑶耕地與林地相互轉(zhuǎn)化很顯著，山間林地逐年增加，致使植被覆蓋區(qū)地物類型在分布上有較大程度的變化，其中耕地的重心偏移程度先強(qiáng)后弱，前5年向東南方向遷移，后5年林地重心偏移最為顯著，偏移距離高達(dá)15.45 km。