2000—2020年甘家湖自然保護區(qū)植被覆蓋度時空變化及熱點分析

海 洋，藺 卿，龍愛華，田昊瑋

(1.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038；2.新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

甘家湖地處新疆維吾爾族自治區(qū)西部艾比湖流域內(nèi)，為國家級自然保護區(qū)，保護區(qū)位于古爾班通古特沙漠的西部邊緣，自北向南貫穿沙漠，形成一條生態(tài)通道，西通艾比湖，研究區(qū)如圖1所示。區(qū)內(nèi)古爾圖河、四棵樹河及奎屯河均屬于艾比湖水系，曾經(jīng)是艾比湖重要入湖水源[1]。甘家湖保護區(qū)內(nèi)廣泛分布著梭梭、胡楊、檉柳等多種荒漠植被，是國家重要的荒漠生態(tài)系統(tǒng)和荒漠物種基因?qū)殠靃2]。惡劣的自然條件一直以來都是區(qū)域生態(tài)安全面臨的主要挑戰(zhàn)，河流斷流、沙進林退現(xiàn)象屢見不鮮，生態(tài)環(huán)境脆弱，修復(fù)難度高。20世紀(jì)50年代以來，不合理的水土資源開發(fā)成為區(qū)域生態(tài)惡化的另一誘因，一方面擠占生態(tài)用水，導(dǎo)致保護區(qū)主要河流下泄水量持續(xù)減少，植被生態(tài)需水難以保障；另一方面伴隨的圍墾、過牧等不合理農(nóng)業(yè)活動也直接造成保護區(qū)內(nèi)濕地萎縮，植被退化等后果[3]。保護區(qū)生態(tài)環(huán)境退化，生態(tài)功能嚴(yán)重受損，同時也加劇了周邊地區(qū)荒漠化及水資源供給安全風(fēng)險[4- 5]。

植被覆蓋度是植被覆蓋地面的密實程度，一般用植被垂直向下投影后在地表形成的陰影面積占觀測范圍總面積的比例(一般用百分比)表示[6- 9]。為了明晰甘家湖保護區(qū)內(nèi)植被生長情況時空變化，識別植被退化的主要區(qū)域及退化程度，本文選取植被覆蓋度為評價指標(biāo)，基于2000—2020年共5期植被覆蓋度遙感數(shù)據(jù)，采用Arcgis地理分析工具，對甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度時空演變特征及其集聚效應(yīng)進行分析，以期對區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)保護工程布局提供針對性的參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

研究區(qū)植被覆蓋度數(shù)據(jù)截取自NASA發(fā)布的EOS/MODIS MOD44Bv006植被覆蓋度產(chǎn)品。產(chǎn)品共包括3個圖層，分別是林木植被覆蓋度、灌叢草本植被覆蓋度和非植被覆蓋度，產(chǎn)品分辨率為250m。本文選取甘家湖保護區(qū)內(nèi)以2000年為起點，每5年一期共5期MOD44B產(chǎn)品數(shù)據(jù)開展植被覆蓋度的變化分析[10]。

熱點分析作為一種常見的空間聚集特征分析方法，可以有效識別出在不同置信區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計特征顯著的空間集聚區(qū)，并根據(jù)數(shù)據(jù)值大小區(qū)分冷、熱點，其中較高值集聚范圍為熱點，反之較低值集聚范圍為冷點[12- 14]。本研究選取(Getis-Ord Gi*)指數(shù)分析甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度變化數(shù)值中滿足顯著性要求的熱、冷點在研究區(qū)內(nèi)的分布特點，用以表征甘家湖保護區(qū)植被生長狀況改善或退化的集中區(qū)域。目前熱點分析可基于Arcgis10.2中的地理分析工具直接實現(xiàn)[15]，得出不同置信區(qū)間的高值及低值集聚區(qū)，且置信水平越高，表明集聚特征越顯著[17- 18]。

圖1 研究區(qū)示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時間變化分析

根據(jù)甘家湖植被生長質(zhì)量的總體特點，研究把區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度分為高、中、低三個層級，分別對應(yīng)的植被覆蓋度范圍是：0～30%、30%～60%、60%～100%。甘家湖地區(qū)近20年(2000—2020)年植被覆蓋度變化特征分析成果如圖2(a)所示，由圖可知：甘家湖保護區(qū)年平均植被覆蓋度基本在20%～35%之間上下浮動，總體上處于低植被覆蓋度水平或中覆蓋度范圍內(nèi)的較低水平，近20年區(qū)域高、中、低覆蓋度植被平均面積分別為47.6km2、191.5km2、347.9km2，占比8.1%、32.6%、59.3%；2000年平均植被覆蓋度最低，僅為23.4%，此后經(jīng)歷先上升后下降的變化趨勢，2005、2010年區(qū)域平均植被覆蓋度維持在33%以上，達到中級水平，2015年后回降至約27%。從不同植被覆蓋度面積變化趨勢來看，高覆蓋度植被面積始終維持在50km2左右，近20年未產(chǎn)生顯著變化；低、中覆蓋度植被蓋度發(fā)生變化的面積較大，其中低覆蓋度植被范圍先縮小后增大，反之，中覆蓋度植被范圍先增大后減??；保護區(qū)植被質(zhì)量變化趨勢總體表現(xiàn)為先改善后退化，且以中、低覆蓋度植被間的相互轉(zhuǎn)化為主要特征。

根據(jù)保護區(qū)內(nèi)植被變化趨勢劃分植被覆蓋度增長、降低及穩(wěn)定面積，如圖2(b)所示，2000—2020年間保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋度增長面積、覆蓋度降低面積、覆蓋度穩(wěn)定面積分別為330.8km2、198.1km2、58.1km2，占比為56.3%、33.8%、9.9%，增長面積最大，穩(wěn)定面積最小，植被質(zhì)量總體向好。但從不同面積變化過程來看，僅2000—2005年覆蓋度增長面積顯著高于覆蓋度降低面積，這一階段是區(qū)域植被質(zhì)量的顯著改善期；2005—2010年、2015—2020年兩階段內(nèi)覆蓋度增長、降低面積較為接近，植被質(zhì)量總體保持穩(wěn)定；而2010—2015年間植被覆蓋度減小的范圍面積顯著大于覆蓋度上升的范圍面積，植被退化明顯。

3.2 植被覆蓋度變化空間特征分析

如圖3所示，研究區(qū)內(nèi)可見3個較顯著的高蓋度植被集中區(qū)域，其一是保護區(qū)西側(cè)兩條沿古爾圖河及四棵樹河(后簡稱兩河)兩岸生長、自南向北分布的生態(tài)廊道；其二是保護區(qū)北側(cè)自東向西沿奎屯河下游兩側(cè)分布的生態(tài)廊道，保護區(qū)內(nèi)高覆蓋度植被基本都分布在3條生態(tài)廊道范圍內(nèi)；其三是保護區(qū)中部地區(qū)，植被成片分布，但大多數(shù)為中、低覆蓋度的植被，區(qū)域高清衛(wèi)星影像顯示，古爾圖河在流進保護區(qū)約10km后向干流西側(cè)形成數(shù)條河汊，水流經(jīng)過該片區(qū)域，為區(qū)域植被生長提供水源。由此可見，甘家湖保護區(qū)植被生長嚴(yán)重依賴河川徑流，古爾圖河、四棵樹河、奎屯河下游下泄水量是甘家湖維持生態(tài)的主要水源。除上述3個植被分布區(qū)外，保護區(qū)內(nèi)其余大部分面積植被覆蓋度不足10%，地表覆被類型以裸地、荒漠占主導(dǎo)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

圖2 2000—2020年甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度變化特征

圖3 2000—2020年甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度空間特征

從保護區(qū)植被覆蓋度演變的空間特征，如圖4所示，起始5年內(nèi)保護區(qū)除少數(shù)較分散區(qū)域外植被覆蓋度全面上升，上升幅度為近20年內(nèi)最大，覆蓋度提升20%以上的面積為155.7km2，占比26.5%，覆蓋度上升30%以上面積為18.6km2，占比3.2%；2010—2015年為植被覆蓋度下降最明顯，范圍最大的階段，植被覆蓋度下降20%以上面積為111.6km2，占比19.0%；覆蓋度下降30%以上面積為17.9km2，占比3.0%，且以保護區(qū)北部，奎屯河下游區(qū)域植被覆蓋度下降最為顯著。2005—2010年、2015—2020年兩階段內(nèi)保護區(qū)植被覆蓋度有增有減，增長區(qū)和下降區(qū)相互交錯，空間特征并不顯著。從近20年綜合變化特征來看(2000—2020年)，總體上覆蓋度上升范圍更大，且在保護區(qū)西北部，四棵樹河下游區(qū)域及古爾圖河河汊區(qū)域出現(xiàn)集聚性的植被覆蓋度上升范圍，2000—2020年保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋度上升20%以上面積為73.8km2，占比12.6%；上升30%以上的面積為11.4km2，占比1.9%；覆蓋度下降20%以上的面積為20.1km2，占比3.4%；下降30%以上的面積為5.6km2，占比0.9%。

圖4 2000—2020年甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度變化空間特征

3.3 植被覆蓋度變化熱點分析

為進一步明晰區(qū)域植被覆蓋度變化的集聚特征，識別主要的退化區(qū)及改善區(qū)，本文利用arcgis10.2軟件，分別對甘家湖保護區(qū)不同時期植被覆蓋度變化進行熱點探測，得到區(qū)域植被覆蓋度變化的熱點地區(qū)分布圖，如圖5所示，其中熱點為蓋度集聚性上升的區(qū)域，冷點為蓋度集聚性下降的區(qū)域。若某一區(qū)域長期處于冷點區(qū)，說明區(qū)域植被覆蓋度持續(xù)下降，生態(tài)退化勢頭最為嚴(yán)重；若長期處于熱點區(qū)則表明區(qū)域植被覆蓋度持續(xù)上升，生態(tài)處于改善階段；若不斷發(fā)生冷、熱點交替的現(xiàn)象，則區(qū)域環(huán)境變化較為復(fù)雜，或生態(tài)敏感性較高，抗干擾能力差，為生態(tài)退化的高風(fēng)險區(qū)域。

從圖5可以看出，不同時間段內(nèi)保護區(qū)植被覆蓋度變化冷、熱點分布格局差異明顯。2000—2005年保護區(qū)內(nèi)以熱點區(qū)域為主導(dǎo)，具體表現(xiàn)為熱點區(qū)域范圍較大，顯著性較高，空間上在東北、東南部分布大范圍熱點區(qū)，均位于兩河下游附近范圍內(nèi)；2005—2010年保護區(qū)北部，奎屯河下游為主要熱點區(qū)，保護區(qū)中部古爾圖河河汊區(qū)域及古爾圖河干流兩岸為主要冷點區(qū)；2010—2015年冷、熱點分布格局與前一階段相反，保護區(qū)北部特別是東北部低值顯著聚集，保護區(qū)西南部為主要高值聚集范圍；2015—2020年植被覆蓋度集聚效應(yīng)與前幾階段相比較弱，古爾圖河下游兩岸為主要冷點區(qū)；綜合近20年保護區(qū)植被覆蓋度變化，冷點主要聚集在古爾圖河下游兩岸，熱點區(qū)位于古爾圖河河汊附近區(qū)域。

圖5 2000—2020年甘家湖保護區(qū)植被覆蓋度變化熱點區(qū)空間分布格局

從研究區(qū)植被覆蓋度演變的冷、熱點空間特征隨時間的變化情況來看，奎屯河下游(含兩河與奎屯河匯流區(qū))植被覆蓋度變化冷、熱點交替分布，植被生態(tài)穩(wěn)定性差，生態(tài)質(zhì)量易隨環(huán)境干擾發(fā)生變化，屬于生態(tài)安全風(fēng)險較高的區(qū)域；古爾圖河下游河道兩側(cè)在不同時間段內(nèi)均出現(xiàn)冷點區(qū)，區(qū)域植被覆蓋度持續(xù)降低，為主要的生態(tài)退化區(qū)域。

4 討論

以2000年為起點，甘家湖保護區(qū)內(nèi)植被的覆蓋度呈現(xiàn)先增后降的演變趨勢，而根據(jù)陳瑜等[19]對艾比湖流域植被覆蓋度變化及其氣候響應(yīng)的研究成果，2000年為艾比湖流域的主要枯水年份，植被覆蓋度較平水年份明顯較低。在對比分析中，2005年、2010年、2015年氣候條件更具普遍性，以2005年為起始，則此后15年甘家湖植被年均覆蓋度總體上經(jīng)歷了持續(xù)性的下降過程。根據(jù)以往研究成果，甘家湖地區(qū)生態(tài)退化可以追溯到20世紀(jì)50年代[20]，由于管理不善以及當(dāng)?shù)厝罕姛o序墾荒、亂采濫伐，僅到20世紀(jì)70年代末就導(dǎo)致2000km2以上林地被毀。但進入21世紀(jì)以來，生態(tài)環(huán)境保護逐漸成為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重點內(nèi)容，2001年甘家湖保護區(qū)晉升為國家級自然保護區(qū)[1]，烏蘇市也將甘家湖林區(qū)的保護及修復(fù)工程作為重點規(guī)劃的發(fā)展項目之一。此后，人為毀林現(xiàn)象基本被遏制，保護區(qū)水熱條件成為影響綠地面積及質(zhì)量變化的主導(dǎo)因素。隨著古爾圖河、四棵樹河、奎屯河上游農(nóng)業(yè)開發(fā)，農(nóng)業(yè)灌溉用水逐年上升，下游進入甘家湖區(qū)的水量大大減少[21]，區(qū)域地下水位逐年下降，嚴(yán)重影響天然綠洲生態(tài)需水保障程度，植被無水可用，沙進林退，綠地面積持續(xù)萎縮，生態(tài)持續(xù)退化[22]。古爾圖河兩岸出現(xiàn)大面積植被覆蓋度變化冷點區(qū)域，正是由河道斷流，兩岸河岸林生態(tài)需水難以保障導(dǎo)致的。邢坤等對古爾圖河氣候變化條件下的徑流演變過程研究表明，從20世紀(jì)90年代以來，古爾圖河、奎屯河都進入豐水期并一直延續(xù)至今，一旦豐水期結(jié)束，下游生態(tài)可用水量將進一步減少，甘家湖生態(tài)安全將面臨更大風(fēng)險。綜上所述，隨著甘家湖近年來一系列生態(tài)修復(fù)工程的開展，人為開荒毀林等現(xiàn)象基本被遏制，水資源成為影響區(qū)域天然生態(tài)安全的最不穩(wěn)定、最敏感、最具風(fēng)險的要素。保障三河下泄水量，提升下游地下水位，滿足甘家湖植被生態(tài)需水成為當(dāng)前最必要、最迫切、難度最大的重要舉措。

5 結(jié)論

(1)本研究分析了新疆甘家湖自然保護區(qū)2000—2020年植被覆蓋度變化的時空特征，在此基礎(chǔ)上識別區(qū)域主要生態(tài)敏感區(qū)及生態(tài)退化區(qū)，對保護區(qū)生態(tài)治理方案設(shè)計及工程布局具有指導(dǎo)意義。

(2)植被覆蓋度是表征植被生長密度的綜合性指標(biāo)，可結(jié)合植被類型遙感解譯、樣方考察等方法，進一步研究調(diào)查區(qū)域植被類型、物種豐富度等關(guān)鍵指標(biāo)，完善區(qū)域生態(tài)安全指標(biāo)體系，提升評價結(jié)果的綜合性和針對性。

(3)水熱條件變化是近20年研究區(qū)植被覆蓋度演變的主要原因，由于研究區(qū)缺乏徑流、地下水位等實測資料，難以區(qū)分降雨、徑流及地下水位等對區(qū)域植被蓋度變化的貢獻率，建議在研究區(qū)內(nèi)增設(shè)氣象、徑流及地下水位觀測站點，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持。