克里雅河流域植被覆蓋垂直地帶性分布與變化特征

阿不都拉·阿不力孜，依力亞斯江·努爾麥麥提，普拉提·莫合塔爾，白克拉木·孜克利亞

( 1．新疆大學(xué)旅游學(xué)院，烏魯木齊830049; 2．新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊830046; 3.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；4.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京 100081)

全球氣候變化已在很大程度上影響著人類賴以生存的環(huán)境，加之人類日益頻繁的生產(chǎn)活動對自然界的干擾，加快了自然生態(tài)環(huán)境的演變速率，并導(dǎo)致了一系列環(huán)境惡化問題，如植被覆蓋的退化、土地沙漠化[1,2]。植被作為聯(lián)接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，受到水、土壤、熱、地形等環(huán)境要素的綜合影響，同時具有明顯的季節(jié)和年際變化及土地覆被變化的代表性，在氣候變化研究中起著“指示器”作用[3]。研究區(qū)域植被覆蓋與地形因子的關(guān)系對掌握該區(qū)域植被的垂直地帶性分布特征非常重要，給區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的探討以及氣候變化響應(yīng)分析提供重要的科學(xué)依據(jù)。

植被覆蓋度作為主要的生態(tài)系統(tǒng)指標，區(qū)域植被蓋度變化體現(xiàn)了該區(qū)域自然和人類活動對生態(tài)環(huán)境的作用[4]。遙感具有大范圍連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)獲取能力，是區(qū)域或全球植被覆蓋度估算的有效手段，其多時相、多樣化的空間和光譜分辨率特點，能提供不同尺度上的植被覆蓋信息[1]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感已在諸多相關(guān)植被覆蓋研究中被廣泛應(yīng)用，歸一化植被指數(shù)(NDVI)遙感數(shù)據(jù)集也越來越多，包括 AVHRR-NDVI、SPOT VGT-NDVI、MODIS-NDVI以及TM-NDVI等數(shù)據(jù)[5]。干旱區(qū)的植被覆蓋變化研究因該區(qū)域在全球變化研究中的重要性、區(qū)域水資源短缺性、年內(nèi)降水分布不均勻性以及年際、季節(jié)溫差的高度變異性等特點成為研究的熱點區(qū)和重點區(qū)。目前，已有諸多學(xué)者利用多種遙感數(shù)據(jù)對植被覆蓋變化及其與氣溫和降水因子的關(guān)系進行了研究。Schmidt等[5]在以色列內(nèi)蓋夫沙漠利用AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)對其植被蓋度與降水量的關(guān)系進行了探討。信忠保等[6]利用GIMMS-NDVI和SPOT VGT-NDVI數(shù)據(jù)對黃土高原地區(qū)1981-2006年植被覆蓋的時空變化進行了研究，并從氣候變化和人類活動的角度分析了植被覆蓋變化的原因。馬明國等[7]利用1981-2001年的8 km AVHRR數(shù)據(jù)，采用均值法、差值法和一元線性回歸模擬法，分析了西北植被年內(nèi)和年際變化特征，模擬了近21 a的 NDVI最大化值的變化趨勢線和NDVI增長幅度。吳云等[8]以MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用像元二分模型對海河流域2000-2007年的植被覆蓋度進行了估算，分析了年最大植被覆蓋度的時空變化特征，并對植被覆蓋度與降雨量之間的響應(yīng)關(guān)系進行了深入探討。袁麗華等[9]利用2000-2010 年的 250 m分辨率的MOD13Q1數(shù)據(jù)來研究黃河流域植被覆蓋區(qū)域的NDVI時空變化特征。徐興奎等[10]利用自然正交分解方法，基于NDVI數(shù)據(jù)，研究我國西北地區(qū)地表植被覆蓋的時空演變過程，并從氣候和人為兩大因素方面分析其變化原因。田源[11]基于Landsat TM/ETM+ 數(shù)據(jù)對新疆于田綠洲的植被覆蓋分布特征進行了研究，并分析了植被蓋度和溫度的關(guān)系。

流域是以水系為紐帶，將上、中、下游組成一個具有因果聯(lián)系的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[12]。流域生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋變化研究給氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)演變相互作用關(guān)系研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？死镅藕恿饔蚴堑湫偷母珊祬^(qū)內(nèi)陸河流域，對水資源短缺而開發(fā)強度極強的該流域來說，了解區(qū)域植被覆蓋度的分布特征以及演變規(guī)律，解析自然和人為因素對其影響是對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本研究利用MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)和SRTM數(shù)據(jù)，基于像元二分模型對克里雅河流域2002-2013年間植被覆蓋度進行了估算，分析該流域植被覆蓋度時空變化特征及其與地形和氣象因子的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

克里雅河流域位居塔克拉瑪干沙漠南緣，昆侖山中段北麓，受大陸性干旱氣候和山盆相間的地貌格局影響，流域中部發(fā)育了典型的綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)[13]。流域內(nèi)海拔最高點6 962 m，海拔高程5 000 m以上的山峰終年冰雪覆蓋，北部沙漠海拔高程在1 000 m以上?？死镅藕恿饔蜃阅舷虮笨煞譃?個自然景觀帶，即山帶、低山丘陵帶、山前戈壁平原帶、洪積扇平原帶和沙漠帶[14](見圖1)。

圖1 克里雅河流域自然景觀帶分布Fig.1 Landscape zonal distribution in Keriya River Basin

四季分明、晝夜溫差大、降水稀少、蒸發(fā)量大、春夏多風(fēng)沙和浮塵天氣是該流域的氣候特點，屬典型的極端干旱區(qū)[15]。平原綠洲區(qū)年均降水僅有14 mm左右，蒸發(fā)量則高達2 500 mm左右，綠洲主要依靠山區(qū)冰雪融水和部分地下水灌溉[11]。流域范圍內(nèi)土壤鹽漬化和沙漠化現(xiàn)象共存，嚴重制約著植被生長分布和綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。流域氣候干旱、土壤貧瘠、多風(fēng)沙的特點制約著植被的生長發(fā)育和分布，南部山區(qū)由于地貌和氣溫的影響，植被分布面積較小，區(qū)系較單一；而流域中部的洪積扇平原綠洲區(qū)植被受少降水、多風(fēng)沙、浮塵為特點的極端干旱氣候的沖擊，除了人工培育的多種糧食、經(jīng)濟作物和防護林外，還有蘆葦和檉柳等自然植被分布；北部沙漠區(qū)的主要植被種類有胡楊、檉柳、蘆葦、甘草、駱駝刺和羅布麻等[14]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和縣志統(tǒng)計數(shù)據(jù)，均為在官方網(wǎng)站上正式公布的可靠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳細清單如下：

(1)所用遙感影像數(shù)據(jù)為2002-2013年的MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m × 500 m和30 m × 30 m的SRTM數(shù)據(jù)。其中，MODIS-NDVI數(shù)據(jù)來自于美國航空航天局(NASA)提供的MOD13A1數(shù)據(jù)集(http:∥glovis.usgs.gov)。SRTM高程數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNIC)地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載(www.gscloud.cn)。為進行定量信息提取和分析，在ENVI和ArcGIS軟件環(huán)境中對遙感數(shù)據(jù)進行裁剪和投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作。

(2)研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為1956-2012年的該區(qū)域降水、氣溫數(shù)據(jù)，從中國氣象局(CMA)國家氣象信息中心的中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺獲取(http:∥cdc.cma.gov.cn)。

(3)研究區(qū)相關(guān)的自然、地形地貌和地表覆被數(shù)據(jù)來源于于田縣志和中國知網(wǎng)(www.cnki.net)。

1.3 植被覆蓋度遙感估算

本文利用像元二分法模型來估算克里雅河流域的植被覆蓋度。首先，對MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換，再利用于田縣行政邊界數(shù)據(jù)對其進行裁剪，最后用公式(1)對研究區(qū)植被覆蓋度進行估算并進行相關(guān)分析。

像元二分法模型[16]是線性混合像元分解模型中最簡單的模型，它假設(shè)像元值由植被與非植被覆蓋地表2部分構(gòu)成[1]。模型原理是遙感傳感器觀測到的光譜信息S由綠色植被的光譜信息Sveg與裸土的光譜信息Ssoil2個組分因子線性加權(quán)合成。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被生長狀況的最佳指示因子，并與植被覆蓋度具有良好的相關(guān)性。根據(jù)像元二分法，一個像元的NDVI值可表示為有植被覆蓋區(qū)域的NDVIveg和裸土部分NDVIsoil的線性加權(quán)。植被覆蓋度(fc)的計算公式(1)如下：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值；NDVIsoil為裸土或無植被像元的NDVI值。在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，NDVIveg可以取遙感影像中NDVI的最大值；NDVIsoil可以取影像中NDVI的最小值。

2 結(jié)果與分析

在克里雅河流域2002-2013年的植被覆蓋度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析該流域的平均植被覆蓋度的年際變化趨勢，并結(jié)合海拔高度差異進一步探討了不同區(qū)域的植被蓋度變化。

2.1 克里雅河流域植被覆蓋隨時間的變化特征

2002-2013年克里雅河流域的年平均植被覆蓋度隨時間的變化可以反映該流域的植被覆蓋年際變化(見圖2)。近12 a來，年平均植被覆蓋度值為25.67%～33.22%，其中，2002-2005年，植被覆蓋度呈現(xiàn)微小的減少趨勢，而在2005-2008年，植被覆蓋度變化幅度比較大，呈現(xiàn)一個周期的正弦式變化特征，2009-2012年，植被覆蓋度逐年上升，從2009年的28.80%提高到2012年的31.01%，然而在2013年，植被覆蓋度出現(xiàn)了猛減現(xiàn)象，下降到25.67%。除了2006年、2008年和2013年外，其余年份植被覆蓋度值年際變化為28.67%～31.01%，其幅度較小。

圖2 2002-2013年克里雅河流域平均植被覆蓋度年際變化特征曲線Fig.2 Annual mean vegetation coverage curve in Keriya River Basin from 2002 to 2013

變異系數(shù)[17]是總體樣本標準差與總體均值之比，即Cv=σ/μ，是衡量結(jié)構(gòu)的風(fēng)險程度或穩(wěn)定程度的可靠性指標，是一個無量量綱。為進一步分析克里雅河流域的年平均植被覆蓋度隨時間變化的穩(wěn)定性，對其進行變異系數(shù)的計算，其結(jié)果見表1。

克里雅河流域的年均植被覆蓋度隨時間的變異系數(shù)在一定程度上可以說明該流域植被群落與植被覆蓋變化的穩(wěn)定性(見圖3)。在2002-2006年，植被覆蓋度變異系數(shù)由0.29減少為0.24，植被群落和覆蓋度變化趨于穩(wěn)定。而從2006-2013年，植被覆蓋度變異系數(shù)由2006年0.24不斷增大為2013年0.37，植被群落與植被覆蓋的穩(wěn)定性下降。

表1 2002-2013年克里雅河流域植被覆蓋度均值、標準差及變異系數(shù)Tab.1 Annual mean value, standard deviation and variation coefficient of vegetation coverage in Keriya River Basin from 2002 to 2013

圖3 2002-2013年克里雅河流域平均植被覆蓋度變異系數(shù)變化特征曲線Fig.3 Coefficient of vegetation coverage variation curve in Keriya River Basin from 2002 to 2013

2.2 克里雅河流域植被覆蓋度垂直地帶性分布特征與變化趨勢

為進一步分析克里雅河流域植被隨海拔高度的覆蓋分布特征，在不同海拔高度上對其2002-2013年的植被覆蓋度值進行均值處理，其結(jié)果見圖4。海拔高度1 000～1 500 m范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度為39.07%，提升到1 500～2 000 m時，其平均值下降到31.08%；2 000～3 500 m區(qū)域內(nèi)，其平均植被覆蓋度依次增加，在3 000～3 500 m高度范圍內(nèi)均值最高，其值為54.32%；在3 500～7 000 m區(qū)域內(nèi)，區(qū)域平均植被覆蓋度呈現(xiàn)隨高度增加而減小的趨勢，其中6 500～7 000 m高度區(qū)域的平均植被覆蓋度值為19.39%，為最低植被覆蓋高度區(qū)(見圖4)。

圖4 克里雅河流域植被覆蓋度垂直地帶性分布特征Fig.4 Vertical zonal distribution characteristics of vegetation coverage in Keriya River Basin

不同海拔高度的植被覆蓋變化幅度會有差異，因此，對研究區(qū)不同海拔高度的平均植被覆蓋度在2002-2013年的最大值、最小值和變化幅度進行了統(tǒng)計分析(見表2)。

表2 2002-2013年克里雅河流域不同海拔高度植被平均、最大、最小覆蓋度及變化幅度Tab.2 Annual mean, maximum, minimum values of vegetation coverage and variations in Keriya River Basin from 2002 to 2013

圖5中可以看出，在過去12 a內(nèi)，3 000～3 500 m海拔高度范圍的平均植被覆蓋度的變化差異最大，其變化幅度值為21.32%；其次，在1 000～1 500和2 500～3 000 m高度區(qū)的平均植被覆蓋度變化較大，其變化幅度值分別為12.01%和12.73%；其他海拔高度區(qū)域的植被雖存在平均覆蓋度的差異，但其年際變化幅度相當，其值為6.60%～8.30%(見表2)。

圖5 克里雅河流域不同海拔高度植被覆蓋度年際變化Fig.5 Annual vegetation coverage change at different altitude in Keriya River Basin

選取克里雅河流域上游高山帶、低山丘陵帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶為4個不同海拔高度區(qū)域植被覆蓋變化的典型代表，對其植被覆蓋度變化趨勢進行了分析(見圖6)。上游高山帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的植被覆蓋變化趨勢線斜率為負值，植被覆蓋度值近12 a來呈下降趨勢，植被覆蓋逐漸退化。低山丘陵帶植被覆蓋變化趨勢線斜率為正值，植被覆蓋度值近12 a里有上升趨勢，植被覆蓋有所改善。其中，植被覆蓋度下降的3個區(qū)域的趨勢線斜率絕對值均高于低山丘陵帶區(qū)域趨勢線斜率的絕對值，說明流域內(nèi)的植被覆蓋退化程度高于植被改善程度。

圖6 克里雅河流域上游高山帶、低山丘陵帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的植被覆蓋度年際變化Fig.6 Annual change of vegetation coverage at upstream high mountain area, low hilly area, midstream alluvium and diluvium plain area, and downstream desert area of Keriya River Basin

3 植被覆蓋變化的影響因子分析

至今有諸多學(xué)者對全球或區(qū)域植被覆蓋變化及其影響因素進行了研究[3,4,9,18-20]。植被生長分布及其覆蓋率通常受到土壤類型、土壤水分、氣溫和降水條件以及高程等多種自然環(huán)境因子的制約，其中氣溫和降水是影響植被覆蓋的顯著性因子[3]。

3.1 克里雅河流域年均氣溫與年降水量變化

根據(jù)于田縣志記載[14]，克里雅河流域年平均氣溫東西方向變化小，西部略高于東部；南北之間的溫差比較大，北部地勢低，氣溫較高，由北向南隨著地勢的升高，氣溫逐漸降低。由圖7可知，在1956-1997年，克里雅河流域的年均氣溫微弱降低，而從1998年以后快速上升。在過去的57 a間，克里雅河流域的年均氣溫整體上呈現(xiàn)上升趨勢[0.13 ℃/(10 a)，R為0.137 6]。克里雅河流域的年降水量由北向南遞增。北部沙漠帶極其干燥，年降水量僅14 mm左右；中部的洪積扇平原農(nóng)區(qū)為45.8 mm左右，南部低山丘陵帶達113 mm，海拔高度3 300～4 000 m地區(qū)的降水量可達150 mm。該流域的年降水量表現(xiàn)出增加的趨勢，然而年間的變化幅度較大。由圖8中的年降水量和降水距平變化曲線可知，在過去的57 a內(nèi)，年降水量的總體增加率為3.30 mm/(10 a)，其相關(guān)系數(shù)R為0.027 9。

圖7 克里雅河流域年均氣溫及其距平變化Fig.7 Annual change of mean temperature and its anomaly in Keriya River Basin

圖8 克里雅河流域年降水量及其距平變化Fig.8 Annual change of rainfall and its anomaly in Keriya River Basin

3.2 植被覆蓋與氣象因子變化的響應(yīng)關(guān)系

從克里雅河流域平均氣溫和年降水量變化分析結(jié)果可知，年均氣溫和年降水量均有微小的增加趨勢。在克里雅河流域4個不同景觀帶的植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，其對氣溫和降水變化的響應(yīng)進行分析和探討。

整體上克里雅河流域植被覆蓋與氣溫呈負相關(guān)，而與降水呈正相關(guān)。區(qū)域植被覆蓋變化以退化為趨勢的上游高山帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的植被覆蓋度變化趨勢與降水的變化趨勢相對一致，與氣溫的變化呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。低山丘陵帶的植被覆蓋變化幅度較大，與降水的變化趨勢存在很強的正相關(guān)性，其趨勢相當一致，而對氣溫呈負相關(guān)關(guān)系(見圖9)。其中，中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的植被覆蓋度變化趨勢與氣溫和降水的相關(guān)度較差，可能是因為人類生產(chǎn)活動干擾引起的。

圖9 克里雅河流域植被覆蓋、氣溫和降水量的距平變化Fig.9 Anomaly change of vegetation coverage, temperature and rainfall in Keriya River Basin

4 結(jié) 語

本文以MODIS-NDVI時間序列數(shù)據(jù)和SRTM高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于像元二分模型對克里雅河流域2002-2013年的植被覆蓋度進行估算，并分析了該流域植被覆蓋垂直地帶性分布特征，探討了植被覆蓋度時空變化趨勢及其與氣象因子的相互關(guān)系。本文得出以下幾點結(jié)論。

(1)2002-2013年克里雅河流域的年平均植被覆蓋度值為25.67%～33.22%，呈減少趨勢，植被群落與植被覆蓋的穩(wěn)定性下降。

(2)流域植被覆蓋存在明顯的垂直地帶性分布特征，其海拔為3 000～3 500 m范圍的植被覆蓋度均值最高，其值為54.32%，而6 500～7 000 m的平均植被覆蓋度值為19.39%，為最低植被覆蓋高度區(qū)。在3 500～7 000 m區(qū)域內(nèi)，區(qū)域平均植被蓋度呈現(xiàn)隨高度的增加而減小的趨勢。在過去12 a內(nèi)3 000～3 500 m海拔高度的平均植被覆蓋度的變化差異最大，其變化幅度值為21.32%。

(3)上游高山帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的趨勢線斜率為負值，植被覆蓋度值近12 a來呈下降趨勢，植被覆蓋逐漸退化。低山丘陵帶趨勢線斜率為正值，有上升趨勢，植被覆蓋逐漸改善。

(4)總體上，流域植被覆蓋與氣溫變化呈負相關(guān)關(guān)系，而與降水變化表現(xiàn)出正相關(guān)。然而，上游高山帶、中游沖積扇平原帶和下游沙漠帶的植被覆蓋度與降水的變化趨勢相對一致，與氣溫的變化呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。低山丘陵帶的植被覆蓋變化幅度較大，與降水的變化趨勢存在很強的正相關(guān)性，其趨勢相當一致，而對氣溫呈負相關(guān)關(guān)系。