2001—2015年天山北坡植被覆蓋動態(tài)變化研究

齊亞霄,張 飛,3,*,陳 瑞,王一山

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 中亞地理信息開發(fā)利用國家測繪地理信息局工程技術(shù)研究中心, 烏魯木齊 830002

隨著“一帶一路”倡議的提出及絲綢之路經(jīng)濟帶的建設(shè),作為其重要組成部分-天山北坡的生態(tài)問題日益得到關(guān)注。天山北坡深居內(nèi)陸,干旱的大陸性氣候顯著,具有特色鮮明、較為脆弱的山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部成分,植被是連接土壤、大氣、水分的自然紐帶[1- 2],在全球能量傳輸、生物地球化學和水文循環(huán)等方面起著全球變化“指示器”的重要作用[3- 4]。對干旱區(qū)而言,植被防風固沙,涵養(yǎng)水源,改善區(qū)域小氣候,防治大氣污染等,是區(qū)域重要的生態(tài)屏障,對區(qū)域的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展起著不可替代的作用。

植被覆蓋度是指單位面積內(nèi)植被冠層垂直投影所占百分比[5- 6],是量化區(qū)域植被長勢的綜合指標,其動態(tài)變化反映了地球上的植被對全球變化的響應(yīng)程度。對植被覆蓋度動態(tài)變化進行監(jiān)測不僅是評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的有效途徑,也是研究氣候變化和地理物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)[7- 8]。20世紀以來,隨著城市化進程的不斷推進,人類活動對植被的影響日益顯著[9],工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然界獲取大量的資源,導(dǎo)致全球森林與草原植被的不斷減少,由此所引發(fā)的生態(tài)危機日益加重。因此,對于植被覆蓋度的研究逐漸變得廣泛而深入[10]。

研究植被覆蓋度主要有兩種方法：一是地面調(diào)查法,二是遙感監(jiān)測法[11]。相對于地面調(diào)查法,遙感監(jiān)測法具有實時、經(jīng)濟、便捷等優(yōu)點,正在得到越來越廣泛的使用[12]。其中像元二分法是遙感監(jiān)測法中應(yīng)用范圍比較廣、相對比較成熟的植被覆蓋度提取方法[13]。它是利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對植被覆蓋度進行提取的一種方法。前人基于NDVI監(jiān)測植被覆蓋變化已取得大量成果：Tucker 等[14]在對非洲大陸土地覆蓋分類的研究中,首次對NDVI數(shù)據(jù)進行了主成分分析；袁麗華等使用MODIS NDVI產(chǎn)品對2000—2010年黃河流域植被覆蓋度進行監(jiān)測,并分析其時空變化特征[15]；許青云等利用MODIS NDVI產(chǎn)品,對陜西省農(nóng)作物進行識別研究[16]；何寶忠等利用MODIS NDVI數(shù)據(jù),對新疆2005—2015年植被覆蓋度進行分析[11]。

基于此,本文利用RS、GIS 技術(shù),結(jié)合NDVI、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),采用像元二分法、線性回歸分析、穩(wěn)定性分析等對天山北坡的植被覆蓋度進行研究,以期為區(qū)域在一帶一路建設(shè)中的生態(tài)安全格局構(gòu)建及可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

本文選取的天山北坡研究區(qū)(圖1)位于準噶爾盆地南緣,天山北麓中段,北接古爾班通古特沙漠,南部為天山山區(qū)。區(qū)域總體地勢南高北低。區(qū)域?qū)贉貛Щ哪珊祬^(qū),年均溫約7—9℃,年降水量約160—300 mm,氣溫和降水的日較差和年較差均較大[17]。包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、昌吉市、阜康市、奎屯市、烏蘇市、五家渠市、呼圖壁縣、瑪納斯縣和沙灣縣11個縣(市)。天山北坡區(qū)位優(yōu)勢明顯,能源豐富,發(fā)展?jié)摿薮?但也存在水資源短缺,資源環(huán)境承載力低等限制性因素[18],隨著國家“一帶一路”建設(shè)的推進,天山北坡在興疆固邊、輻射帶動沿線地區(qū)中發(fā)揮著不可替代的重要作用[19]。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 The location of study area

2 數(shù)據(jù)源與方法2.1 數(shù)據(jù)源

NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn)的MODND1M數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為500 m。為了最大可能減少冰雪因素的干擾,結(jié)合研究區(qū)物候特征,選取植被覆蓋比較高的月份(6—9月)作為研究時段,并對這4個月份的NDVI數(shù)據(jù)進行合成平均。

地理數(shù)據(jù)主要包括DEM數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來自于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺,空間分辨率90 m,為與NDVI數(shù)據(jù)精度一致,將其重采樣為500 m提取研究區(qū)的高程信息,以200 m為間隔劃分,共劃分為20級,并將海拔4000 m以上的點合并為一類進行研究。

2.2 植被覆蓋度計算

NDVI是反映地表植被生長狀態(tài)的重要指標因子,定義為反射率之差與反射率之和的比值：

(1)

式中,NIR是傳感器的近紅外波段,R是紅光波段。

利用植被覆蓋度和NDVI之間極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,通過像元二分法模型對植被覆蓋度進行提取。

NDVI=NDVIveg+NDVIsoil

(2)

NDVIveg表示完全由綠色植被貢獻的信息,而NDVIsoil則表示完全由裸地提供的信息。

并在像元二分模型的基礎(chǔ)上進行植被覆蓋度提?。?/p>

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

(3)

式中,VFC代表植被覆蓋度。截取置信度99.5%和0.5%分別作為NDVI最大值和最小值,并參考中華人民共和國水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》,結(jié)合研究區(qū)實際情況及相關(guān)研究[20],將植被覆蓋度劃分為5個等級：<30%(低覆蓋度)、30%—45%(中低覆蓋度)、45%—60%(中覆蓋度)、60%—75%(中高覆蓋度)、>75%(高覆蓋度)。

2.3 植被覆蓋度年際變化趨勢

采用一元線性回歸方法分析植被覆蓋度的年際變化。計算公式如下[7]：

(4)

式中:θ表示回歸方程的斜率,i表示年份；Ci表示第i年的植被覆蓋度。趨勢的顯著性用F檢驗,其計算公式為：

(5)

(6)

(7)

2.4 植被覆蓋度穩(wěn)定性

引入變異系數(shù)對植被覆蓋度穩(wěn)定性進行研究。變異系數(shù)的大小反映了數(shù)據(jù)系列的波動程度[21]。其計算公式為：

(8)

σ為標準差,計算公式為

(9)

2.5 植被覆蓋度景觀等級變化圖譜信息

為了更深入研究2001—2015年研究區(qū)植被覆蓋度的時間變化趨勢,以時間序列為軸,對植被覆蓋度等級空間分布圖進行空間疊加計算,生成天山北坡植被覆蓋度等級空間-屬性-過程圖譜[22]。將變化類型分為6類：(1)前期變化型：只在2001—2005年變化；(2)后期變化型：只在2010—2015年變化；(3)中間過渡型：2005—2010年僅發(fā)生一次變化；(4)反復(fù)變化型：在2001—2015年至少發(fā)生兩次變化且2001和2015年等級相同；(5)持續(xù)變化型：在2001—2015年持續(xù)變化；(6)穩(wěn)定型：在2001—2015年沒有變化。圖譜的計算公式為：

T=A1×10n-1+A2×10n-2+···+An×10n-n

(10)

式中：T為植被覆蓋度等級信息變化圖譜編碼的時空復(fù)合體數(shù)據(jù)；n為參與計算的植被覆蓋度等級空間分布柵格數(shù)據(jù)集期數(shù),A1,A2,…為不同年份植被覆蓋度等級柵格數(shù)據(jù)。

2.6 植被覆蓋度隨高程的變化

在本研究中,引入DEM研究每個格點15a的平均植被覆蓋度隨海拔變化,不同植被覆蓋度在不同海拔面積占比是指各海拔中的同一植被覆蓋度格點數(shù)與相同海拔內(nèi)所有格點數(shù)的比值。

2.7 植被覆蓋度面積加權(quán)重心轉(zhuǎn)移分析

重心是地理學中描述地理要素或空間對象轉(zhuǎn)變的重要空間指標。重心的動態(tài)遷移反映了地理要素空間分布的遷移軌跡,加權(quán)重心則是通過對重心坐標賦予權(quán)重指示地理現(xiàn)象分布的不均勻性,本文選用面積加權(quán)重心模型計算不同等級植被覆蓋度的重心,以反映其空間差異。可用以下公式計算[23]：

(11)

(12)

式中：X和Y分別代表該等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心的經(jīng)緯度坐標。n為圖斑數(shù)量,Ct代表第t個圖斑的面積,Xi和Yi分別表示第i個圖斑的重心坐標。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時空變化特征

圖2 2001—2015平均植被覆蓋度年際變化圖 Fig.2 The inter-annual change of vegetation coverage from 2001 to 2015

對研究區(qū)2001—2015年6—9月的平均植被覆蓋度進行統(tǒng)計分析(圖2)。2001—2015年,天山北坡平均植被覆蓋度在0.4和0.5之間變化,但存在年際差異：2001年最低,約為0.4；2011年達到峰值,約為0.49；此后基本穩(wěn)定在0.45—0.49。大致可分為三個階段：2001—2011年,波動上升階段；2011—2012年,平穩(wěn)波動階段；2012—2015年,第二次波動階段。總體而言,15年間平均植被覆蓋度整體呈上升趨勢。

圖3 各等級植被覆蓋度年際變化圖Fig.3 The interannual variation of the vegetation coverage change of different levels

對研究區(qū)不同等級的植被覆蓋度進行統(tǒng)計分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：2000—2015年間,研究區(qū)的低植被覆蓋度面積大致呈減少趨勢,中低、中和中高植被覆蓋度面積呈波浪式變化,高植被覆蓋度面積大致呈增長態(tài)勢(圖3)。其中：(1)低植被覆蓋度所占比例在32%—47%；2001年的低植被覆蓋度占比最大,為47%；此后低植被覆蓋度所占比例穩(wěn)中下降,在2010年跌至最低,約為32%；之后大致在35%—40%之間波動。(2)中低、中和中高植被覆蓋度所占比例基本穩(wěn)定在33%—46%,2008年占比最低,約為33%；2010年最高,約為46%。(3)低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度所占比例基本在49%—63%,2001年最高,此后波動下降,2010年達到最低,約為49%。區(qū)域以低和中低植被覆蓋度為主。(4)研究區(qū)高植被覆蓋度所占比重在13%—26%之間變化,最低值、最高值分別出現(xiàn)在2001和2013年。總體看來,高植被覆蓋度所占比例有逐漸增加的趨勢。

圖4 天山北坡不同等級植被覆蓋度空間格局Fig.4 Spatial-temporal distribution of vegetation coverage at different levels in northern slope of Tianshan Mountains

對2001—2015年間不同等級的植被覆蓋度空間分布進行分析(圖4)。發(fā)現(xiàn)不同年份的植被覆蓋度分布表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：高值區(qū)基本呈西北-東南走向兩個條帶狀貫穿區(qū)域東西,南緣的高值區(qū)依天山北麓分布,中北部的高值條帶區(qū)貫穿阜康市南部、烏魯木齊市中部、昌吉市中部、呼圖壁縣中部、瑪納斯縣中北部、沙灣縣中北部、烏蘇市東北部以及奎屯市、石河子市、五家渠市大部分區(qū)域。這可能與山前地區(qū)、盆地邊緣的降水相對豐沛,內(nèi)陸河流在山區(qū)匯集流向盆地為植被生長提供了豐富的水源有關(guān)。低值區(qū)與高值區(qū)相間分布,區(qū)域的北部、東北部以低植被覆蓋度為主,可能和與古爾班通古特沙漠臨近,水源稀少,蒸發(fā)強烈,且內(nèi)陸河流大多流程短、流量小,加上沿線區(qū)域工農(nóng)業(yè)用水,植物生長所需水源不足不利于植被生長有關(guān)?？傮w而言植被覆蓋逐漸轉(zhuǎn)好,植被覆蓋度逐漸增高,高值區(qū)逐漸擴大,而低值區(qū)逐漸縮小。

3.2 植被覆蓋度變化趨勢及變化類型分析

3.2.1植被覆蓋度變化趨勢分析

隨著“退耕還林”、“退耕還草”等政策和生態(tài)工程的實施,天山北坡植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢(圖5,表1)。具體表現(xiàn)為：(1)植被覆蓋度改善區(qū)域所占比重(54.44%)大于退化區(qū)域(45.58%)；(2)植被覆蓋度不顯著變化區(qū)域約占區(qū)域總面積的70%,多分布在區(qū)域的東部、南部以及東北部地區(qū),而顯著變化區(qū)域占比雖小,但以改善為主；(3)植被顯著增加和極顯著增加區(qū)域面積遠大于顯著退化和極顯著退化區(qū)域面積,區(qū)域整體植被覆蓋度呈良性發(fā)展態(tài)勢；(4)植被覆蓋度增加區(qū)域主要在區(qū)域中部及中北部偏西地區(qū),大致呈兩個東西向貫通的橫軸分布在區(qū)域農(nóng)耕區(qū)北部及以北地區(qū)；而植被覆蓋度退化區(qū)域則呈環(huán)狀分布于植被覆蓋度改善區(qū)四周,極顯著退化區(qū)域呈零星狀分布。這在一定程度上說明了人類活動對區(qū)域植被覆蓋度的改善產(chǎn)生了積極影響。

表1 植被覆蓋度變化顯著性統(tǒng)計分析

3.2.2植被覆蓋度穩(wěn)定性分析

經(jīng)異常值剔除及統(tǒng)計分析(圖6),發(fā)現(xiàn)：(1)區(qū)域99%以上的植被覆蓋度穩(wěn)定性介于弱變異和中等變異,區(qū)域植被覆蓋度相對穩(wěn)定；弱變異區(qū)域主要分布在研究區(qū)的中部和南部,中等變異區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部及偏北地區(qū)；(2)強變異區(qū)域占比極小,呈零星狀主要散布在區(qū)域南部高海拔地區(qū),且遠離城市建成區(qū),說明植被覆蓋度強變異的主要原因是自然因素。

圖5 天山北坡植被動態(tài)變化 Fig.5 Dynamic change of vegetation in northern slope of Tianshan Mountains

圖6 天山北坡植被覆蓋度穩(wěn)定性 Fig.6 The stableness of vegetation coverage in northern slope of Tianshan Mountains

3.2.3植被覆蓋度等級變化圖譜

植被覆蓋度等級變化圖譜顯示,2001—2015年間天山北坡不同等級的植被覆蓋度空間變化表現(xiàn)出明顯的差異(圖7)。整體看來,植被覆蓋度穩(wěn)定型居多,占比達50%,且分布范圍最廣,呈不規(guī)則環(huán)狀分布在研究區(qū)四周；其次是反復(fù)變化型,約占16.5%,呈西北-東南走向、斷斷續(xù)續(xù)的軸狀分布,比穩(wěn)定型更靠近研究區(qū)中心；接著依次為持續(xù)變化型、后期變化型、中間過渡型和前期變化型,這四種類型雖然隨著比例降低漸趨分散,但基本呈不連續(xù)的西北-東南向帶狀分布于中部區(qū)域。

對比圖4、圖7,發(fā)現(xiàn)低植被覆蓋度和植被變化穩(wěn)定型分布較為一致,可能是低植被覆蓋度主要分布于荒漠戈壁及高山高原等人類活動較少干擾地區(qū),因此植被覆蓋度變化不大,以穩(wěn)定型為主；而越接近城市建成區(qū),植被覆蓋度類型受到的人類活動干擾越大,變化類型也漸趨復(fù)雜。

3.3 植被覆蓋度隨地形變化趨勢

研究區(qū)海拔在224—5166 m之間(圖8),80%以上的區(qū)域海拔在224—2500 m之間。北部、中部地勢起伏較為和緩,而區(qū)域南緣的天山北麓地區(qū)地勢起伏較大。

圖7 2001—2015年天山北坡植被覆蓋等級變化圖譜 Fig.7 Change of vegetation coverage in northern slope of Tianshan Mountains during 2001—2015

圖8 研究區(qū)高程圖Fig.8 Elevation map of study area

不同海拔的植被覆蓋度存在較大差異(圖9)：(1)海拔224—1600 m之間,低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度占絕對優(yōu)勢,兩者占比達50%以上；海拔800—1200 m之間低、中低植被覆蓋度達90%以上；此后隨著海拔升高兩者占比逐漸下降,到海拔2200—2400 m之間降至最低值不足50%；到海拔3880 m以上,低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度占絕對優(yōu)勢,較高的植被覆蓋度基本絕跡,可能由于高海拔區(qū)域光熱條件和水分條件較差,土壤有機質(zhì)含量低不利于植被生長；總的來看,低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度隨海拔升高呈“～”型變化趨勢；(2)中、中高和高植被覆蓋度所占比重隨海拔升高先下降后升高最后再下降,高植被覆蓋度集中于海拔1800—2600 m之間,占比基本在50%以上；在海拔800—3800 m之間最為突出,高達57%以上；(3)海拔2800—5166m之間,隨著海拔升高,低植被覆蓋度占比迅速上升,幾乎從0增加到100%；而高植被覆蓋度所占比例從50%驟減到不足1%,充分說明了由于海拔不同造成的光熱條件懸殊對于植物生長具有極強的限制性。

圖9 不同海拔不同等級植被覆蓋度所占比例Fig.9 Proportion of vegetation coverage at different levels at different latitude

3.4 不同等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心分布

總體而言,不同時間段各等級植被覆蓋度的面積加權(quán)重心位置分布既有相同之處,也呈現(xiàn)出一定的差異(圖10)。除了低植被覆蓋度面積加權(quán)重心位于區(qū)域北部偏東地區(qū),與低植被覆蓋度分布基本一致,其他各等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心大致位于區(qū)域中部地區(qū),且基本在沙灣縣、石河子市、瑪納斯縣及呼圖壁縣分布。低植被覆蓋度面積加權(quán)重心和其他等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心相隔較遠,其他四個等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心隨時間呈現(xiàn)由集中到分散的趨勢。2001—2015年間,低植被覆蓋度和高植被覆蓋度面積加權(quán)重心向西北有一定程度的移動,而中低、中、中高植被覆蓋度面積加權(quán)重心則大致向東南移動。

圖10 2001—2015年不同植被覆蓋度等級面積加權(quán)重心分布Fig.10 Distribution of area weighted gravity centers of different vegetation coverage grades during 2001—2015

4 討論

作為衡量地區(qū)生態(tài)的重要因子,NDVI從正面反映了植被覆蓋度的變化,但不同研究采取的置信度水平存在差異[7,24],由此可能造成結(jié)果的差異,但基本都是利用NDVI和植被覆蓋度的正相關(guān)關(guān)系進行后者的提取。在過去幾十年間,已有大量研究運用不同數(shù)據(jù)源(MODIS、Landsat、SPOT等)從不同時間尺度和空間尺度對植被覆蓋度動態(tài)變化進行了探討[25-26]。已有研究表明,我國總體植被覆蓋有逐漸綠化的趨勢[27]。本研究得出的天山北坡植被覆蓋度有逐漸增長的趨勢的結(jié)論,與何寶忠[11]、位宏等[20]得出的新疆、瑪納斯河流域植被覆蓋度變化趨勢基本一致。對生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北干旱區(qū)而言,監(jiān)測其生態(tài)環(huán)境變化尤為重要[28]。隨著“三北防護林”工程的深入推進,各項退耕還林還草、退牧還草等政策的積極實施,天山北坡的植被覆蓋度可能進一步改善。

天山北坡地區(qū)深居內(nèi)陸,降水稀少,蒸發(fā)旺盛,植被稀疏,植被覆蓋度以低、中低為主。受到地形因子、河流流程流向、綠洲分布及人類活動的影響,不同等級植被覆蓋度大致呈西北-東南向的條帶狀分布。區(qū)域人口集中于綠洲,區(qū)域的高山、荒漠地帶鮮有人類活動,植被覆蓋度等級相對比較穩(wěn)定,變化圖譜的穩(wěn)定型多與低植被覆蓋度區(qū)域重合。

對山區(qū)而言,溫度隨著海拔升高逐漸下降,而降水量隨海拔升高先增多后減少。因此,不同的海拔高度產(chǎn)生了不同的水熱組合。一般而言,最有利于植被生長的海拔組合往往出現(xiàn)在海拔中段[29],研究區(qū)域植被覆蓋度比較高的區(qū)域集中在1800—2600 m左右。此外,研究采用的NDVI及植被覆蓋度數(shù)據(jù)都是500 m空間分辨率,中低空間分辨率對于植被覆蓋度的反映比較宏觀,缺少微觀尺度的考量。因此,對于時間和空間尺度的進一步把握是今后工作中所必須要考慮的重要問題。未來天山北坡的發(fā)展建設(shè)要更加注意中低海拔地區(qū)的生態(tài)修復(fù),為區(qū)域社會發(fā)展奠定堅實生態(tài)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

結(jié)合多種數(shù)據(jù)源,利用RS/GIS方法,探究了天山北坡15年間的植被生長變化趨勢,得到如下結(jié)論：

(1)天山北坡多年平均植被覆蓋度介于0.4和0.5,以低、中低植被覆蓋度為主,低植被覆蓋度面積大致呈減少趨勢,中低、中和中高植被覆蓋度面積呈波浪式變化,高植被覆蓋度面積大致呈增長態(tài)勢。不同等級植被覆蓋度大致呈西北-東南向相間分布,植被覆蓋度有逐漸上升的趨勢,西部較東部改善更為明顯。

(2)區(qū)域植被覆蓋度穩(wěn)定性多介于弱變異和中等變異之間,植被覆蓋度變化類型也以穩(wěn)定型為主,區(qū)域植被覆蓋相對穩(wěn)定,波動較小。

(3)天山北坡植被覆蓋度變化受海拔高度影響明顯：隨海拔上升,較低植被覆蓋度比例呈現(xiàn)先上升后下降再次上升趨勢,中、中高和高植被覆蓋度與之相反；中高、高植被覆蓋度在海拔800—3800 m之間可達57%以上；海拔3880 m以上,低植被覆蓋度占絕對優(yōu)勢。

(4)各等級植被覆蓋度面積加權(quán)重心集中在沙灣縣、石河子市、瑪納斯縣及呼圖壁縣3縣1市內(nèi)分布；低植被覆蓋度和高植被覆蓋度面積加權(quán)重心大致向西北移動,而中低、中、中高植被覆蓋度面積加權(quán)重心則大致向東南移動,呈現(xiàn)出由集中到相對分散的趨勢。