近30 年莫索灣墾區(qū)150團(tuán)植被覆蓋度時(shí)空變化及現(xiàn)狀評價(jià)

尚白軍，朱家龍，周智彬，宋春武，吳書普

(1. 中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000；3. 中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 塔克拉瑪干沙漠研究站，新疆 庫爾勒 841000；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

沙漠-綠洲過渡帶是綠洲與沙漠生態(tài)系統(tǒng)的接壤地帶，其生態(tài)環(huán)境脆弱、不穩(wěn)定[1]，是二者物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)的中間地帶[2-3]. 防護(hù)林網(wǎng)作為干旱區(qū)重要的防護(hù)屏障[4]，其防風(fēng)固沙、改善農(nóng)田微氣候、涵養(yǎng)水源的功能對干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用[5]. 植被指數(shù)常作為植被生長狀況的最佳指示因子[6]，基于植被指數(shù)計(jì)算出來的植被覆蓋度則是評判干旱半干旱地區(qū)荒漠化的重要指標(biāo)[7-8]，也是很多陸面過程的控制因子[9]，是描述生態(tài)環(huán)境變化趨勢的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10]. 計(jì)算植被覆蓋度的方法有很多，如決策樹[11]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]等，像元二分模型被認(rèn)為是最簡單的線性光譜混合分析模型[13]. 肖強(qiáng)等[14]用像元二分模型研究了黃土高原2000—2010年植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化，得出黃土高原植被覆蓋度呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢；張永等[15]用像元二分模型研究了石羊河中游生長季植被覆蓋度與氣候的關(guān)系，得出生長季植被覆蓋度的變化與同期降水量關(guān)系密切；郭紫晨等[16]用像元二分模型研究了毛烏素沙區(qū)2000—2015年植被覆蓋度的變化趨勢，得出毛烏素沙區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢. 已有的研究大多用MODIS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率較低，在林斑較小的區(qū)域并不能準(zhǔn)確反映植被覆蓋度的變化，并且研究的時(shí)間序列大多在20 a以內(nèi)，未能探究植被長時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化. 此外，已有關(guān)于植被覆蓋度的研究，在使用像元二分模型時(shí)，并未考慮研究區(qū)土地利用類型對植被覆蓋度的影響. 不同土地利用類型歸一化植被指數(shù)（NDVI）的最大值和最小值有明顯差異，用整個(gè)研究區(qū)NDVI的最大值和最小值區(qū)代替不同土地利用類型時(shí)，計(jì)算出的植被覆蓋度存在很大偏差，因此也不能準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢.

莫索灣墾區(qū)150團(tuán)深入沙漠腹地，生態(tài)環(huán)境脆弱，防護(hù)林的建設(shè)與保護(hù)對團(tuán)場生態(tài)安全至關(guān)重要. 良好的生態(tài)環(huán)境是團(tuán)場進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ). 本文利用研究區(qū)土地利用類型做掩膜文件，分別計(jì)算出不同土地利用類型的NDVI最大值和最小值，之后利用改進(jìn)的像元二分模型計(jì)算不同時(shí)期的植被覆蓋度，能夠提高研究區(qū)植被覆蓋度計(jì)算的準(zhǔn)確性. 此外，用防護(hù)林種植密度、郁閉度、疏透度和成活率對植被現(xiàn)狀作了評價(jià)，不僅可以了解研究區(qū)近30 a植被覆蓋度的變化情況，也能為150團(tuán)生態(tài)屏障建設(shè)、防護(hù)林構(gòu)建提供科學(xué)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況150團(tuán)地處天山北麓，位于準(zhǔn)噶爾盆地南部，場區(qū)南北長33.57 km，東西寬17.66 km.團(tuán)場中部是帶狀分布的湖積洼地，地勢平坦，西部和北部深入大沙漠，沙丘、沙壟縱橫綿延，故有“沙海半島”之稱. 由于地勢閉塞，在西北風(fēng)的作用下，團(tuán)場邊緣新月形沙丘間為典型的風(fēng)積地貌. 全團(tuán)森林覆蓋率為38%，年平均日照時(shí)數(shù)2 765.9 h，無霜期166 d，年均凍土深度為0.96 m，年平均風(fēng)速2.4 m/s，年平均降水量117 mm，年平均蒸發(fā)量1 945 mm，屬于典型的干旱半干旱大陸性氣候. 團(tuán)場海拔高度346.0～358.8 m，土壤以灰漠土為主，天然植物以沙拐棗（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、檉柳（Tamarix chinensis）、駱駝刺（Alhagi sparsifolia）等荒漠植物為主.

1.2 歸一化植被指數(shù)健康的植被吸收大多數(shù)可見光，反射很大比例的近紅外光，而不健康的植被反射更多的可見光和較少的近紅外光，因此歸一化植被指數(shù)（NDVI）的大小能夠反映植被的生長狀況. 從地理空間數(shù)據(jù)云下載1989、1998、2009年和2018年的遙感影像，空間分辨率為30 m×30 m，通過圖像配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后，用近紅外波段反射率和可見光中紅波段反射率計(jì)算出NDVI值.

式中：NDVI表示歸一化植被指數(shù)，NIR表示近紅外波段反射率、VIS表示可見光中紅波段反射率.

1.3 植被覆蓋度計(jì)算由于使用的遙感影像分辨率是30 m×30 m，因此一個(gè)像元全是植被的概率較低. 一般像元由植被和非植被組成，因此本文使用改進(jìn)的像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度[17].

式中：NDVIveg為植被NDVI值，NDVIsoil為裸土NDVI值，該值與研究區(qū)土地利用類型有關(guān)，VFCmax為植被覆蓋度的最大值，VFCmin為植被覆蓋度的最小值.

當(dāng)研究區(qū)中可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0時(shí)，上述公式可簡化為：

當(dāng)研究區(qū)中無法取VFCmax=100%，VFCmin=0時(shí)，在有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，用實(shí)測數(shù)據(jù)中的VFCmax和VFCmin；當(dāng)無實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，VFCmax和VFCmin用遙感模型估算.

1.4 植被現(xiàn)狀評價(jià)指標(biāo)本文在實(shí)地調(diào)查、統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上選用林帶種植密度、林帶成活率、郁閉度和疏透度4個(gè)指標(biāo)對150團(tuán)植被現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià). 林帶種植密度用每公頃種植株數(shù)量化；成活率為林帶成活株數(shù)占林帶總種植株數(shù)的百分比；郁閉度為林帶樹冠在地面的投影面積（冠幅）與林帶總面積的比值. 有研究表明疏透度在0.25～0.40時(shí)防護(hù)效益最大[18]，它也是判斷林帶結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一[19]，疏透度計(jì)算公式如下：

式中：S為疏透度，S′為樹冠疏透度，S′′為樹干疏透度，pguan為林帶冠層填充像元數(shù)，pguanzong為林冠總的像元數(shù)，pgan為林干填充的像元數(shù)，pganzong為林干總的像元數(shù)，H為林帶平均樹高，h為平均枝下高.

1.5 數(shù)據(jù)處理在ENVI 5.2中對150團(tuán)1989、1998、2009年和2018年遙感影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后，進(jìn)行鑲嵌裁剪，再利用波段反射率計(jì)算出NDVI值，再利用NDVI值計(jì)算覆蓋率；在Arcgis 10.2中完成相關(guān)作圖；用SPSS 21對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)和描述性統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度分布特征將150團(tuán)1989、1998、2009年和2018年的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，之后利用土地利用分類圖做掩膜文件，分別統(tǒng)計(jì)各類用地植被歸一化指數(shù)（NDVI）的最大值（累計(jì)百分比95%）和最小值（累計(jì)百分比5%），并進(jìn)行異常值去除，再用改進(jìn)的像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋率（VFC）計(jì)算，并將植被覆蓋度進(jìn)行劃分，0～0.3的為低覆蓋率，0.3～0.6為中覆蓋率，0.6～1為高覆蓋率[20]，結(jié)果如圖1所示. 將各時(shí)期每個(gè)等級的像元個(gè)數(shù)、所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）. 由表1、圖1可知，1998年研究區(qū)低植被覆蓋率占78.02%，中高植被覆蓋率分別占7.44%和14.54%. 10 a以后（1998年），研究區(qū)低中植被覆蓋率逐漸減少，分別為71.78%和4.58%，高植被覆蓋率大幅度增加為23.64%. 至2009年，高植被覆蓋率所占比例與1998年相差無幾，為21.78%；低植被覆蓋率所占比例大幅減少，為62.55%；中植被覆蓋率所占比例大幅增加，為15.67%. 至2018年，中植被覆蓋率所占比例變化不大，為14.91%；低植被覆蓋率大幅減少，為52.61%；高植被覆蓋率所占比例大幅增加，高達(dá)32.47%，表明團(tuán)場植被向良性趨勢發(fā)展.

圖1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度分布示意圖Fig. 1 FVC distribution characteristics of 150 Regiment in different periods

表1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度特征Tab. 1 Vegetation coverage characteristics of 150 Regiment in different periods

2.2 近30 a 150團(tuán)植被覆蓋度空間變化在植被覆蓋度時(shí)空變化的基礎(chǔ)上，用差值法分析近30 a 150團(tuán)植被退化和改善情況，將植被覆蓋度減少50%以上的區(qū)域劃分為重度退化區(qū)；植被覆蓋度減少50%以下的區(qū)域劃分為輕度退化區(qū)；將植被覆蓋度增加50%以上的區(qū)域定義為高度改善區(qū)；增加50%以內(nèi)的區(qū)域定義為低度改善區(qū). 由表2可知，近30 a 150團(tuán)植被重度退化區(qū)域僅為0.81%，輕度退化區(qū)域占31.58%，基本未變化區(qū)域占1.63%，低度改善區(qū)域占比最高，高達(dá)51.28%，高度改善區(qū)域占14.69%. 可以看出，改善區(qū)域占比較退化區(qū)域多，說明近30 a 150團(tuán)植被整體呈良性發(fā)展. 由圖2可知，150團(tuán)南部地區(qū)植被改善較為明顯，北部地區(qū)植被退化較為嚴(yán)重，可能的原因是150團(tuán)深居沙漠腹地，北部地區(qū)植被受風(fēng)沙侵害較為嚴(yán)重，加之北部地區(qū)外圍防護(hù)林多為免灌林，自然降水和土壤含水量不能滿足防護(hù)林水分需求，防護(hù)林長期處于干旱脅迫狀態(tài)，因此植被退化較為嚴(yán)重. 南部地區(qū)防護(hù)林距沙漠較遠(yuǎn)，受風(fēng)沙危害較北部輕，且距人類居住地較北部近，因此防護(hù)林能夠得到有效保護(hù)，故防護(hù)林呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢.

表2 1989—2018年間150團(tuán)植被變化Tab. 2 Vegetation changes of 150 Regiment from 1989 to 2018

2.3 150團(tuán)植被現(xiàn)狀評價(jià)為進(jìn)一步說明150團(tuán)植被生長狀況，選用林帶種植密度、林帶郁閉度、林帶疏透度和林帶成活率4個(gè)指標(biāo)對植被現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià). 由圖3（a）可知，150團(tuán)防護(hù)林整體種植密度較低，南部地區(qū)部分林帶密度過高，說明團(tuán)場防護(hù)林種植較為合理. 合理的種植密度不會(huì)引起防護(hù)林樹種生態(tài)位的重疊，能夠保證防護(hù)林樹種有足夠的生存空間和生存資源. 由圖3（b）可知，150團(tuán)防護(hù)林帶以中、高郁閉度為主，北部地區(qū)低郁閉度林帶較多，中、高郁閉度林帶主要分布在南部地區(qū).郁閉度大小取決于防護(hù)林樹種冠幅大小，冠幅大小能反映植被生長狀況. 150團(tuán)中、高郁閉度林帶主要分布在南部地區(qū)，北部地區(qū)以低郁閉度林帶為主. 說明團(tuán)場南部地區(qū)植被生長較北部良好，可能的原因是南部地區(qū)受到的風(fēng)沙危害較北部地區(qū)弱，且南部地區(qū)人口較為集中，防護(hù)林帶距離人類居住地較近，林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給，故在相同自然條件下，南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長良好，這與植被覆蓋度得出的結(jié)論一致. 由圖3（c）可知，150團(tuán)植被整體成活率相對較低，成活率較高的林帶主要分布在南部地區(qū)，說明南部地區(qū)植被生長狀況較北部良好. 由圖3（d）可知，150團(tuán)防護(hù)林帶疏透度在0.25～0.40之間的占比較低，說明團(tuán)場植被防護(hù)效益還可以進(jìn)一步提高，這可能與防護(hù)林種植密度較低有關(guān).

圖2 1989—2018年150團(tuán)植被覆蓋度空間變化Fig. 2 Spatial change of vegetation coverage of 150 Regiment from 1989 to 2018

3 討論

150團(tuán)位于莫索灣北端風(fēng)積沙漠與荒漠交錯(cuò)地帶，深入古爾班通古特沙漠70 km，沙漠化土地面積占團(tuán)場可利用土地面積的12.0%. 團(tuán)場內(nèi)部地勢平坦、坡向、坡度差異不大，海拔高度基本在346.0～358.8 m之間，因此地形因素對防護(hù)林產(chǎn)生的影響較小. 近30 a 150團(tuán)植被覆蓋度改善部分占65.97%，退化部分占32.39%，表明植被在向良性發(fā)展. 由圖2可知，北部地區(qū)出現(xiàn)大面積的退化，南部地區(qū)得到了改善，可能的原因是北部地區(qū)較南部深入沙漠，植被受風(fēng)沙侵害較南部嚴(yán)重. 此外，通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分防護(hù)林種植密度過高，部分地區(qū)基干林出現(xiàn)死亡，不合理的種植密度、風(fēng)沙危害和有限的水分補(bǔ)給可能是北部地區(qū)植被出現(xiàn)退化的主要因素.團(tuán)場南部地區(qū)植被覆蓋度得到顯著改善，可能的原因是南部地區(qū)防護(hù)林帶種植密度略小于北部地區(qū)，同時(shí)受到的風(fēng)沙危害也較北部地區(qū)較弱，且南部地區(qū)人口較為集中，防護(hù)林帶距離人類居住地較近，林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給，故在相同自然條件下，南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長良好.

此外，150團(tuán)注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，采取“四禁一封育”的措施（禁牧、禁采、禁獵、禁伐和護(hù)欄圍育），在鞏固防風(fēng)固沙基干林、農(nóng)田防護(hù)林的基礎(chǔ)上，針對沙漠植被稀疏的問題，在對沙漠邊緣進(jìn)行嚴(yán)格封育保護(hù)的同時(shí)，對農(nóng)田周邊3 km范圍內(nèi)的荒漠進(jìn)行人工補(bǔ)植梭梭，建設(shè)荒漠防風(fēng)固沙林，從根本上阻止了流沙的移動(dòng)，最終形成了以荒漠防風(fēng)固沙林、防風(fēng)固沙基干林、農(nóng)田防護(hù)林、人居綠化防護(hù)林四級生態(tài)保護(hù)體系. 除了良好的生態(tài)政策以外，團(tuán)場“十三五”植樹造林總投資高達(dá)2 870萬元，計(jì)劃在2016—2020年間造林765.84 hm2（表3）. 良好的生態(tài)保護(hù)政策、生態(tài)建設(shè)投入是團(tuán)場近30 a植被向良性發(fā)展的主要因素之一. 本文雖然在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對150團(tuán)1989—2018年的植被覆蓋度的時(shí)空變化進(jìn)行了分析，用防護(hù)林種植密度、防護(hù)林成活率、防護(hù)林郁閉度和防護(hù)林疏透度對研究區(qū)植被現(xiàn)狀作了評價(jià)，得出150團(tuán)植被整體種植密度較為合理，南部地區(qū)植被較北部地區(qū)生長良好，但是植被的成活率不高. 可能的原因是研究區(qū)自然稟賦不足，植被受風(fēng)沙侵蝕、干旱脅迫較強(qiáng)烈. 也可能是防護(hù)林構(gòu)建時(shí)，抗旱、抗鹽堿的鄉(xiāng)土樹種較少. 因此，未來的研究應(yīng)集中探究影響研究區(qū)植被成活率的主導(dǎo)因子，并提出合理的防護(hù)林構(gòu)建模式，為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防護(hù)林構(gòu)建、植被長效可持續(xù)性提供科學(xué)指導(dǎo).

表3 150團(tuán)2016—2020年間植樹造林規(guī)劃Tab. 3 Afforestation plan of the 150 Regiment for the period 2016—2020

4 結(jié)論

（1）近30 a 150團(tuán)低植被覆蓋率面積減少了25.41%，中植被覆蓋率面積增加了7.47%，高植被覆蓋率面積增加了17.93%. 重度退化的面積占0.81%，輕度退化的面積占31.58%，未發(fā)生變化的面積為1.63%，低度改善的面積占51.28%，高度改善的面積占14.69%.

（2）近30 a 150團(tuán)植被整體向良性趨勢發(fā)展，團(tuán)場北部地區(qū)植被出現(xiàn)退化，南部地區(qū)植被得到明顯改善. 可能的原因是南部地區(qū)防護(hù)林帶種植密度略小于北部地區(qū)，同時(shí)受到的風(fēng)沙危害也較北部地區(qū)較弱，且南部地區(qū)人口較為集中，植被距人類居住地較近，林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給，故在相同自然條件下，南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長良好.