新疆和田地區(qū)土地荒漠化時空特征分析

努爾麥麥提·如孜，王雪梅,2①

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

荒漠化指由于氣候變化和人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動等因素，使干旱、半干旱和具有干旱災(zāi)害的半濕潤地區(qū)土地發(fā)生退化[1]。目前，人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響使得土地荒漠化問題尤為突出，嚴(yán)重阻礙著人類社會健康可持續(xù)發(fā)展和人居生態(tài)環(huán)境改善[2-3]。針對土地荒漠化問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，目前廣泛采用的荒漠化評價指標(biāo)主要有植被覆蓋度、凈初級生產(chǎn)力、地表反照率、土壤質(zhì)地、作物產(chǎn)量和水蝕等監(jiān)測指標(biāo)[4-7]。通過對荒漠化形成原因、發(fā)展過程及表現(xiàn)形式進(jìn)行綜合分析，植被被認(rèn)為是地表最活躍、最重要的影響因素，其對地形、地貌、土壤、水文和氣候等環(huán)境因素的改變最為敏感，可作為荒漠化遙感監(jiān)測的主要依據(jù)[8]。STERNBERG等[9]通過NDVI對蒙古高原土地荒漠化過程進(jìn)行評價。JEONG等[10]研究了1982—2008年亞洲地區(qū)荒漠過渡帶變化過程，結(jié)果表明在全球或區(qū)域氣候變暖條件下，亞洲更易受荒漠化的干擾。殷賀等[11]選取植被降水利用率作為評價指標(biāo)反演得出1999—2009年內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境總體趨于改善，土地荒漠化發(fā)展態(tài)勢并不明顯，并指出干旱與極干旱地區(qū)的荒漠界線極不穩(wěn)定，只能在特定時間尺度內(nèi)判斷荒漠化是否逆轉(zhuǎn)。張建生等[12]結(jié)合中高分辨率遙感影像提取植被覆蓋度對1999—2004年塔里木河下游沙漠化面積變化進(jìn)行研究，得出沙漠化面積呈逐年縮小趨勢，土地荒漠化持續(xù)惡化局面有所遏制和緩解。王非等[6]和張建香等[13]分別對塔里木盆地和黃土高原區(qū)土地荒漠化成因進(jìn)行分析，認(rèn)為荒漠化是氣候與土地利用共同作用的結(jié)果，自然因素對于土地荒漠化的發(fā)展及逆轉(zhuǎn)產(chǎn)生極大影響，而人類活動能夠打破穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，對于荒漠化起到促進(jìn)或遏制作用。何磊等[14]基于MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)集通過像元二分模型估算植被覆蓋度，進(jìn)而研究了肯尼亞土地荒漠化現(xiàn)狀，同時使用Landsat 5 TM影像進(jìn)行小區(qū)域驗證，兩者結(jié)果相似。上述研究表明使用植被覆蓋度進(jìn)行土地荒漠化動態(tài)監(jiān)測具有實際表征意義。

土地荒漠化作為生態(tài)文明的大敵，既破壞生態(tài)環(huán)境，又不斷吞蝕著人類生存和發(fā)展空間[15]。目前“一帶一路”倡議涉及的沿線國家中，超過90%的國家正遭受土地退化和荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題的危害[16]。和田作為“一帶一路”新疆區(qū)南端的核心區(qū)，蘊(yùn)藏著豐富的自然資源，同時也是“一帶一路”沿線生態(tài)環(huán)境最脆弱、受荒漠化威脅最嚴(yán)重的區(qū)域。開展和田地區(qū)荒漠化監(jiān)測和防治，及時掌握和田地區(qū)土地荒漠化時空變化特征，可為當(dāng)?shù)鼗哪乐魏蜕鷳B(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

和田地區(qū)位于我國“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)南隅，東西長670 km，南北寬約570 km，總面積約為24.80萬km2(圖1)。研究區(qū)地處亞洲大陸腹地，南依昆侖山脈，部分區(qū)域常年被冰雪所覆蓋，冬季干燥寒冷，夏季高溫少雨，屬典型內(nèi)陸干旱區(qū)荒漠氣候區(qū)，年均氣溫為11.3～13.0 ℃，降水稀少，平均年降水量為36.4 mm，日照時間長，風(fēng)沙多，光能資源豐富[17]。區(qū)域平均海拔高度為1 300～1 450 m，境內(nèi)大小河流36條，年徑流量為73.45億m3。近20 a來，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，研究區(qū)逐漸形成以和田市為中心的經(jīng)濟(jì)區(qū)，并成為“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶南線的經(jīng)濟(jì)中心。作為新疆南部重要經(jīng)濟(jì)中心之一，和田地區(qū)資源豐富，是新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要地區(qū)[18]。

圖1 和田地區(qū)衛(wèi)星地圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

目前，MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已在荒漠化研究中得到廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(NASA)發(fā)布的2000、2006、2012和2018年4期MOD13Q1級產(chǎn)品中16 d最大值合成NDVI(4—10月)數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m。由于和田地區(qū)植被生長期主要為4—10月，其他月份植被基本處于枯死休眠狀態(tài)，因此該數(shù)據(jù)集可很好地反映和田地區(qū)植被實際狀況。在MODIS全球投影格式上，和田地區(qū)覆蓋h24v05區(qū)域，共234景數(shù)據(jù)。利用MODIS Reprojection Tools軟件對2000—2018年MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換等處理，并利用最大值合成法提取和田地區(qū)近20 a NDVI數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度的計算

通過混合像元二分模型，由NDVI獲取植被覆蓋度，計算公式[19]為

(1)

式(1)中，f為植被覆蓋度；INDV為所求像元NDVI值；INDV，S為裸土或無植被覆蓋區(qū)域土壤NDVI值；INDV，V為完全被植被覆蓋區(qū)域NDVI值。INDV，S由研究區(qū)植被生長季累積最小值代替，INDV，V由研究區(qū)植被生長季累積最大值代替。

2.2 植被覆蓋度的時序變化趨勢

一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢，以單個像元時間變化特征反映整個空間變化規(guī)律，綜合反映區(qū)域時空格局演變趨勢[20-21]，該方法可計算每個柵格的變化率，并反映一段時間內(nèi)的時空變化趨勢，其計算公式為

(2)

式(2)中，S為變化率；n為檢測時間段，a；i為年序號；fi為第i年植被覆蓋度。S為正值表示植被覆蓋度呈增加趨勢，為負(fù)值表示植被覆蓋度呈下降趨勢。

2.3 荒漠化程度分級

土壤生產(chǎn)力下降會影響植被正常生長，植被狀況能直接反映荒漠化本質(zhì)，因此植被覆蓋度可以作為土地荒漠化的評價指標(biāo)來監(jiān)測荒漠化動態(tài)變化。植被覆蓋度越低表示荒漠化程度越高；相反，植被覆蓋度越高表示荒漠化程度越低。以植被覆蓋度為荒漠化評價指標(biāo)，參考聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)、聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和相關(guān)文獻(xiàn)[22-25]的荒漠化分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)和田地區(qū)地表實際狀況劃分為重度荒漠化、中度荒漠化、輕度荒漠化、非荒漠化和水體5個等級，并分別賦值1～5(表1)。

2.4 荒漠化變化趨勢分析

為進(jìn)一步研究和田地區(qū)土地荒漠化時空演變趨勢，對不同荒漠化類型之間的轉(zhuǎn)化過程和等級變化趨勢進(jìn)行分級，其中顯著惡化為3→1、4→1、5→1、4→2、5→2、5→3，輕度惡化為2→1、3→2、4→3、5→ 4，未顯著變化為1→1、2→2、3→3、4→4、5→5，輕度好轉(zhuǎn)為1→2、2→3、3→ 4、4→5，顯著好轉(zhuǎn)為1→3、1→ 4、1→5、2→ 4、2→5、3→5，根據(jù)該分級標(biāo)準(zhǔn)得到2000—2018年和田地區(qū)土地荒漠化時空變化圖。

表1 和田地區(qū)荒漠化分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)精度驗證

為了進(jìn)一步驗證用MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)計算植被覆蓋度的精度，從而證實使用該數(shù)據(jù)對和田地區(qū)土地荒漠化進(jìn)行研究的有效性和合理性，利用2008年8月空間分辨率為30 m的Landsat 7 ETM+影像作為驗證數(shù)據(jù)，選擇和田地區(qū)具有不同程度土地荒漠化現(xiàn)象的洛浦縣綠洲荒漠區(qū)為驗證區(qū)域，以便準(zhǔn)確驗證。根據(jù)Landsat 7 ETM+與MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)得到驗證區(qū)荒漠化評價結(jié)果，計算驗證區(qū)土地荒漠化評價的總體精度和Kappa系數(shù)。結(jié)果顯示，驗證區(qū)荒漠化評價總體精度為77.56%，Kappa系數(shù)為82.24%，兩者在評價土地荒漠化方面具有較高一致性。因此，利用MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)對和田地區(qū)進(jìn)行土地荒漠化評價，其結(jié)果真實、可靠，具有較強(qiáng)實用性。

3.2 和田地區(qū)植被覆蓋變化趨勢分析

由式(1)計算得到2000—2018年和田地區(qū)植被覆蓋度，并由式(2)得到研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(圖2)。

圖2 2000—2018年和田地區(qū)植被覆蓋變化趨勢

圖2顯示，和田地區(qū)植被覆蓋度變化率主要介于-19%～24%之間，植被覆蓋度顯著下降(變化率小于-19%)的區(qū)域和植被覆蓋度顯著增加(變化率大于24%)的區(qū)域空間分布較少?？傮w表現(xiàn)為研究區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢，且增加區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的12.88%，主要集中在平原綠洲以及山區(qū)與平原交匯的山腳區(qū)，以和田縣、策勒縣、于田縣和墨玉縣等綠洲區(qū)域植被增加較為明顯。和田地區(qū)北部的塔克拉瑪干沙漠和南部的昆侖山區(qū)由于人類活動較少，其植被覆蓋主要受氣候條件影響而呈較為明顯的減少趨勢，植被覆蓋度呈降低趨勢的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的0.38%。

3.3 和田地區(qū)土地荒漠化總體變化分析

通過對比2000和2018年和田地區(qū)土地荒漠化空間分布(圖3～4)可以看出，近20 a以來和田地區(qū)土地荒漠化現(xiàn)象突出，不同級別的荒漠化區(qū)面積均有不同程度的改變。非荒漠化和輕度荒漠化區(qū)面積呈現(xiàn)明顯增加趨勢，中度荒漠化區(qū)面積呈現(xiàn)下降趨勢，而重度荒漠化區(qū)面積呈現(xiàn)略微增加態(tài)勢。

通過分析2000—2018年和田地區(qū)土地荒漠化變化情況(表2)可知，2000—2006年重度、輕度和非荒漠化區(qū)面積年均變化率分別為0.13%、0.59%和3.03%，其中非荒漠化區(qū)面積增加明顯，而中度荒漠化區(qū)面積以年均0.54%的速率呈減少趨勢；2006—2012年重度和中度荒漠化區(qū)面積分別以年均0.13%和1.77%的速率呈減少趨勢，輕度和非荒漠化區(qū)面積則分別以年均4.53%和4.70%的速率呈增加趨勢；2012—2018年重度和非荒漠化區(qū)面積增加明顯，年均增長速率分別為1.78%和1.66%，輕度荒漠化區(qū)面積年均增速為0.98%，而中度荒漠化區(qū)面積則以年均2.36%的速率呈快速減少趨勢。

審圖號：新S(2019)117號。

審圖號：新S(2019)117號。

表2 和田地區(qū)土地荒漠化面積變化統(tǒng)計

由2000—2018年研究區(qū)土地荒漠化整體變化分析(圖4、表2)可以看出：(1)非荒漠化和輕度荒漠化區(qū)面積呈明顯增長趨勢，年均增長率分別為3.70%和2.19%，其中非荒漠化區(qū)面積年均增長最明顯；重度荒漠化區(qū)面積略有增加，年均增長率為0.59%；中度荒漠化區(qū)面積呈現(xiàn)明顯降低趨勢，年均下降率為1.43%。(2)和田地區(qū)重度荒漠化區(qū)面積占比較高，總體呈現(xiàn)絕對優(yōu)勢；中度荒漠化區(qū)面積占比由32.22%減少到23.91%；輕度荒漠化區(qū)面積占比由5.73%增加到7.98%，非荒漠化區(qū)面積占比由1.33%增加到2.22%，綠洲區(qū)域在人類活動積極影響下，總體呈現(xiàn)出較穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢。

3.4 和田地區(qū)土地荒漠化時空動態(tài)變化分析

將和田地區(qū)2000、2006、2012和2018年4期土地荒漠化分級進(jìn)行空間疊加運算，得出不同時段和田地區(qū)土地荒漠化分級空間變化和面積轉(zhuǎn)移矩陣(圖5、表3)。

審圖號：新S(2019)117號。

2000—2006年和田地區(qū)土地荒漠化類型未發(fā)生改變的面積為22.233×104km2，轉(zhuǎn)移面積為2.567×104km2，約占總面積的11.55%。中度荒漠化區(qū)和輕度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為其他級別的面積最多，而重度荒漠化區(qū)和非荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為其他級別的面積和比例基本一致；12.23%的中度荒漠化區(qū)面積轉(zhuǎn)移為重度荒漠化；9.86%的輕度荒漠化區(qū)面積轉(zhuǎn)移為中度荒漠化。

2006—2012年和田地區(qū)土地荒漠化未變化的面積為21.263×104km2，轉(zhuǎn)移面積為3.537×104km2。6.75%的重度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為中度荒漠化，同時中度荒漠化區(qū)主要轉(zhuǎn)移為重度荒漠化，占總面積的15.73%；8.16%的輕度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為非荒漠化，而非荒漠化區(qū)向輕度荒漠化轉(zhuǎn)移0.018×104km2。

2012—2018年和田地區(qū)土地荒漠化未變化面積為20.439×104km2，轉(zhuǎn)移面積為4.361×104km2。其中8.17%的重度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為中度荒漠化，中度荒漠化區(qū)向重度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移1.994×104km2；輕度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移面積最少，有7.63%的區(qū)域轉(zhuǎn)移為中度荒漠化區(qū)；非荒漠化區(qū)主要轉(zhuǎn)移為輕度荒漠化，約占總面積的8%。

綜上分析，2000—2018年和田地區(qū)土地荒漠化總變化面積為4.959×104km2。轉(zhuǎn)移面積最多的荒漠化類型為中度荒漠化轉(zhuǎn)移為重度荒漠化，轉(zhuǎn)移面積為2.396×104km2，占總面積的29.99%；非荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移面積最少，主要向輕度荒漠化轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積占總面積的6.97%；7.83%的重度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為中度荒漠化；輕度荒漠化區(qū)主要轉(zhuǎn)移為非荒漠化，轉(zhuǎn)移面積為0.220×104km2。分析表明，2000—2018年和田地區(qū)非荒漠化和輕度荒漠化區(qū)面積呈明顯增加趨勢，中度荒漠化區(qū)面積降低較為明顯，而重度荒漠化區(qū)面積略有增加，總體呈綠洲生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定、荒漠生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的態(tài)勢。

表3 2000—2018年研究區(qū)各類型面積轉(zhuǎn)移矩陣

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

對2000—2018年和田地區(qū)4個主要氣象站點(皮山、和田、于田和民豐)氣溫和降水量數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，http:∥cdc.cma.gov.cn)進(jìn)行分析，和田地區(qū)年平均氣溫在12.3～13.8 ℃之間變化，最高值出現(xiàn)在2007、2015和2016年，整體呈上升趨勢。和田地區(qū)年降水量在21～146 mm之間變化，多年平均降水量為59 mm，年均蒸發(fā)量達(dá)2 600 mm，較大的蒸降比造就和田地區(qū)極端干旱的氣候特點。同時，植被覆蓋與氣候變化具有一定的響應(yīng)關(guān)系，在全球氣候變化加劇的背景下，氣候變化通過影響水資源，對綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和土地荒漠化進(jìn)程具有顯著影響[26-27]。

2000—2018年和田地區(qū)總?cè)丝谟?000年的168.15萬人快速增至2018年的253.05萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值由27.13億元急速增至305.57億元。隨著和田地區(qū)人口和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，糧食播種面積從1 338.80 km2增加到1 665.07 km2，新增人工造林地面積也呈穩(wěn)定增長，從而表現(xiàn)為平原人工綠洲區(qū)面積顯著增加，非荒漠化和輕度荒漠化面積呈顯著增長趨勢。隨著春季氣溫升高，昆侖山區(qū)積雪大量融化并匯流到山腳，促使山區(qū)和平原交匯區(qū)的植物生長良好，該區(qū)域非荒漠化和輕度荒漠化面積迅速擴(kuò)大。與此同時，隨著綠洲邊緣耕地面積增大，農(nóng)業(yè)用水量增加，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重供給不足，使得局部荒漠區(qū)植被迅速干枯，中度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為重度荒漠化。

近20 a來，隨著人類活動不斷加強(qiáng)，墾荒不斷，耕地面積在不斷擴(kuò)大，對土地荒漠化時空演變過程產(chǎn)生重要影響。人口和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致人工平原綠洲區(qū)面積不斷擴(kuò)大，但由于擠占生態(tài)用水加劇了水資源短缺，使綠洲外圍土地荒漠化程度有所加劇，脆弱的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。因此，對和田地區(qū)進(jìn)行土地荒漠化動態(tài)監(jiān)測可為進(jìn)一步維護(hù)干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域植被恢復(fù)和重建，保障干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要科學(xué)依據(jù)。

4.2 結(jié)論

利用2000—2018年和田地區(qū)MOD13Q1-NDVI數(shù)據(jù)生成植被覆蓋度作為土地荒漠化遙感監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源，采用時間序列和空間分析方法對和田地區(qū)近20 a土地荒漠化時空動態(tài)變化過程進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)由近20 a和田地區(qū)植被覆蓋度的時空變化趨勢可知，植被覆蓋度年均變化率主要在-19%～24%之間，植被覆蓋度增加區(qū)域與減少區(qū)域呈交錯混合分布。其中，和田縣、策勒縣、于田縣、墨玉縣和皮山縣等綠洲區(qū)域植被覆蓋度呈明顯增加趨勢，尤其在墨玉縣和皮山縣交界區(qū)域增加趨勢最明顯；植被覆蓋度呈增長趨勢的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的12.88%，其中極顯著增長區(qū)域面積僅占1.10%，顯著增長區(qū)域面積占11.78%。植被覆蓋度減少區(qū)域主要為和田河流域北部的廣大區(qū)域及和田地區(qū)南部，其面積占研究區(qū)總面積的0.38%，其中植被覆蓋度顯著減少區(qū)域面積占總面積的0.28%，極顯著減少區(qū)域面積僅占0.10%。

(2)2000—2018年和田地區(qū)重度荒漠化區(qū)面積占比最大，其次為中度荒漠化區(qū)和輕度荒漠化區(qū)，非荒漠化區(qū)面積較小。2000—2012年重度荒漠化區(qū)面積呈現(xiàn)減少趨勢，2012—2018年則呈增加趨勢，總體以年均0.59%的速率增加；中度荒漠化區(qū)面積呈減少趨勢，年均以1.43%的速率減少；輕度荒漠化和非荒漠化區(qū)面積一直保持增加趨勢，增速分別為2.19%和3.70%。

(3)近20 a來研究區(qū)土地荒漠化未變化面積為19.841×104km2，發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積為4.959×104km2，主要是重度荒漠化、中度荒漠化、輕度荒漠化和水體轉(zhuǎn)移為其他類型；中度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為其他類型的面積最大，其主要轉(zhuǎn)移為重度荒漠化，占比為29.99%；其次，占比15.49%的輕度荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移為非荒漠化；非荒漠化區(qū)轉(zhuǎn)移面積最少，僅有6.97%的區(qū)域轉(zhuǎn)移為輕度荒漠化。由于受自然和人為因素影響，重度荒漠化區(qū)面積略有增長，輕度和非荒漠化區(qū)面積增加明顯。