博爾塔拉蒙古自治州土地/植被覆蓋變化及驅(qū)動力分析

劉兆旭，劉晶，鄭國宏，李建剛

（1新疆維吾爾自治區(qū)防雷減災中心，烏魯木齊 830002；2中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

0 引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會的發(fā)展，土地利用/覆蓋類型也在發(fā)生明顯變化，土地利用/土地覆被變化研究是當前全球環(huán)境變化研究領域的熱點和核心內(nèi)容之一[1-4]，其對物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)具有非常重要的影響[5-6]。而植被覆蓋的變化一定程度上制約著干旱區(qū)荒漠化的進程[7-8]。

應用遙感技術可以通過計算植被指數(shù)(Vegetation Index，VI)獲得植被蓋度的情況。植被覆蓋度，即垂直投影在統(tǒng)計區(qū)中的占比[9-11]。植被為生態(tài)體系的核心構(gòu)成，是生態(tài)系統(tǒng)的基礎[12]，也是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，是能夠影響能量平衡、氣候、水文以生物地球化學平衡的敏感變量，所以植被變化可用于判斷生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變[13-18]。對一段時期植被覆蓋度變化趨勢進行研究評估，從而正確把握植被的時空變化趨勢與人類活動的相關性。

博州地區(qū)處于準噶爾盆地西南邊緣，是西北荒漠區(qū)的典型代表，是大風的主風道，是重要的風沙策源地，生態(tài)比較脆弱，研究該地區(qū)土地利用/覆蓋類型對生態(tài)環(huán)境意義重大。目前針對博爾塔拉蒙古自治州地區(qū)土地利用/覆蓋分布特征及植被變化的研究較少。因此圍繞該地區(qū)土地利用/覆蓋和植被覆蓋的變動數(shù)據(jù)開展分析，對于可持續(xù)開發(fā)以及生態(tài)恢復等有重要的理論與實踐價值[19]。筆者利用2005—2020 年的Landsat 遙感數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了博爾塔拉蒙古自治州（以下簡稱博州）地區(qū)植被覆蓋度及驅(qū)動因素、土地利用變化趨勢，結(jié)合土地利用信息，詳細分析不同地類的植被變化情況，旨在為博州地區(qū)植被生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供科學有效的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

博州位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準噶爾盆地西南邊緣，歐亞大陸橋橫穿而過，國家級自然保護區(qū)——新疆艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)坐落于此（圖1）。博州是西北荒漠區(qū)的典型代表，不僅荒漠物種種群多樣，而且種群分布集中。研究區(qū)西北部是著名的阿拉山口，是大風的主風道，是重要的風沙策源地。近年來，在氣候變化的影響下，博州增暖增濕現(xiàn)象較明顯，極端天氣氣候事件發(fā)生的頻次不斷增多，春夏季氣象干旱強度增大，造成的影響也更為嚴重。特殊的地理位置決定了博州特殊的生態(tài)地位。植被作為博州生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有維護生態(tài)環(huán)境和促進經(jīng)濟發(fā)展的雙重功能，對博州整個生態(tài)環(huán)境的改善具有舉足輕重的作用。

圖1 研究區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括2005、2010年7—9月的Landsat5 TM數(shù)據(jù)，2015、2020年7—9月的Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m，進行圖像拼接和投影變換，轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度坐標投影，基準面為CGS_WGS_1984_UTM 坐標系?；诘乩砜臻g數(shù)據(jù)云平臺獲取DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。氣象數(shù)據(jù)來源于博爾塔拉蒙古自治州氣象觀測站點，從中選取降水量、氣溫等數(shù)據(jù)，根據(jù)需要進行統(tǒng)計。本研究選擇數(shù)據(jù)時間為2005、2010、2015、2020年，土地利用類型分為8類（表1）。

表1 博爾塔拉蒙古自治州土地利用類型及其面積占比（2020年）

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度計算方法像元二分模型[20]，是最為多見的計算覆蓋度的方法，計算如式(1)所示。

式中，F(xiàn)vc為植被覆蓋度，NDVI為歸一化差異植被指數(shù)，NDVIs為完全裸土或無植被位置的NDVI值，NDVIv為純植被像元的NDVI值。

1.3.2 土地覆蓋類型的動態(tài)度分析動態(tài)度能夠表達利用類型的變化速度[21]。為確認利用類型的變化，運用動態(tài)度來表達3個階段的變化率，如式(2)所示。

式中，EUa為研究期初某類土地的面積；EUb為研究期末某類土地的面積，T為研究時段，Ev為研究時段利用類型的年變化率。

1.3.3 地理探測器原理地理探測器是由王勁峰等[22]提出的一種統(tǒng)計的方法，可定量確認空間分異性與闡述其中的驅(qū)動力。本研究選取土地利用、道路、GDP、降水、溫度、人口密度、水系、坡度8個因子分析博州地區(qū)植被覆蓋變化的驅(qū)動因子[23]。地理探測器有4 種類別，本研究選定分異及因子探測、交互作用探測。

2 結(jié)果與分析

2.1 博爾塔拉蒙古自治州土地利用變化

2005—2020年博州分布最大的地類是沙地、草地和耕地（表2）。其中，2005、2010、2015、2020年沙地占比都是最大的，分別為32.3%、27.6%、37.6%、38%，主要分布在精河縣、阿拉山口市和博樂市邊緣（圖2）。草地面積占比從2005 年的28.7%下降到2020 年的22.2%，主要分布在溫泉縣、博樂市和博爾塔拉蒙古自治州北部的邊緣地帶。2020 年的耕地面積從9.7%增加到了2020 年的10.7%，主要分布在博爾塔拉蒙古自治州的中部地帶。水域面積呈現(xiàn)了微弱的增加趨勢，面積占比7%。建設用地占比呈下降趨勢，分別為2.3%、1%、1%和1.3%。

表2 博爾塔拉蒙古自治州2000、2010、2015、2020年土地利用類型的面積及其所占的比例

圖2 博州2005、2010、2015、2020年土地利用類型的空間分布

2.2 土地利用類型動態(tài)變化

由表3 可以看出，博州2005—2010 年土地利用類型變化較為顯著。2005—2010 年間裸地面積增加了1678.2 km2，林地次之，增加1073.7 km2，變化率分別為6.74%和4.31%；耕地面積增加了554.2 km2，變化率為2.22%；沙地顯著減少，減少面積1145.4 km2，變化率為-4.6%。

表3 博州2005—2020年土地利用變化面積和變化率

2010—2015 年沙地變化最為顯著，面積增加了2491.5 km2，變化率為10%，冰川及永久性積雪也增加了1191.3 km2，變化率為4.78%，水域和建設用地變化較小，分別增加了360、124.1 km2，變化率為1.45%、0.5%；裸地、草地、林地、耕地的面積分別減少了2012.5、969.7、829、355.6 km2，變化率分別為-8.08%、-3.89%、-3.33%、-1.43%。

2015—2020 年博州地區(qū)冰川及永久性積雪的減少是最多的，減少的面積為732.3 km2，變化率為-2.94%，主要集中分布在精河縣的東部，其次為林地；草地的增加趨勢相對最大，增加面積為455.8 km2，增長率為1.83%；其次為裸地，增加面積383.6 km2，變化率為1.54%，水域的增加不大，增長率不到1%。

2.3 土地轉(zhuǎn)移特征

2005—2010 年博州地區(qū)有6786.31 km2土地類型發(fā)生改變（表4）。其中沙地的轉(zhuǎn)入面積最大，為2035.23 km2，主要來自于草地和裸地，共占沙地轉(zhuǎn)入面積的69.1%，有877 km2的草地轉(zhuǎn)為林地；草地主要轉(zhuǎn)為林地和沙地，占76.4%。轉(zhuǎn)出面積最大的為沙地，共轉(zhuǎn)出2135.99 km2，其中716.2 km2轉(zhuǎn)為草地，占沙地轉(zhuǎn)出面積的33.5%。

表4 博州2005—2010年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移

2010—2015 年共有6624 km2的土地利用類型發(fā)生變化（表5），其中裸地擴張面積最大，主要由沙地、冰川及永久性積雪、草地轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化面積分別為1948、283、241 km2；草地面積擴張也較明顯，共擴張了2434.4 km2，主要由沙地、林地和冰川及永久性積雪轉(zhuǎn)化而來，轉(zhuǎn)化比例依次為52.8%、16.3%和12.7%，這可能是因為農(nóng)業(yè)一直是博州地區(qū)重要的經(jīng)濟來源，博州的牧業(yè)在總產(chǎn)量中占了很大的比重，草地的擴張速度較快。

表5 博州2010—2015年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移

2015—2020年博州地區(qū)共有7641.1 km2土地類型發(fā)生改變（表6），變化幅度在增強。轉(zhuǎn)出面積最大的為裸地，轉(zhuǎn)出面積達2185.9 km2，其中1541.6 km2裸地轉(zhuǎn)為沙地、457.4 km2裸地轉(zhuǎn)為草地。轉(zhuǎn)入面積最多的是草地，為2587.6 km2，草地的擴張主要由林地、沙地、裸地貢獻。水域也有了明顯的擴張，主要由沙地轉(zhuǎn)化而來。

表6 博州2015—2020年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移

2005—2020 年土地利用變化有著顯著的變動。有大量的沙地、林地、耕地轉(zhuǎn)為草地，這主要是因為牧業(yè)是博州重要的產(chǎn)業(yè)。建設用地同樣有小幅度的增長，其核心原因是人口規(guī)模的增長。沙地的面積在顯著增加，這可能是開發(fā)利用土地資源過程中對生態(tài)保護不夠重視，導致的土地鹽漬化和沙化。

2.4 植被覆蓋度空間變化特征

利用4期遙感影像計算出博州地區(qū)15年植被覆蓋度空間變化（圖3），并對博州地區(qū)的植被覆蓋度面積進行統(tǒng)計（表7），4個時間段內(nèi)低植被覆蓋度面積占比均較高，基本都在60%以上，而較低的植被覆蓋度占比都在10%左右，說明博州地區(qū)植被覆蓋度比較低的植被占了很大的份額，中覆蓋度植被呈現(xiàn)增長的趨勢，而較高和高覆蓋度的植被呈現(xiàn)了先大幅增加后緩慢減少的總體趨勢。

表7 博州植被覆蓋度面積統(tǒng)計

圖3 博州植被覆蓋度時空變化

2005—2010年低覆蓋度植被減少了1096.8 km2，而較低覆蓋度植被面積從2683.4 km2增加到2961.7 km2，增加了9.39%；中覆蓋度植被、較高覆蓋度植被及高覆蓋度植被面積占比分別增加了6.4%、31.7%和71.4%。從圖3a可以看出，面積最大的低覆蓋度植被主要集中在精河縣的東部偏北、西南大部地區(qū)和阿拉山口大部地區(qū)，而且中覆蓋度、較高覆蓋度及高覆蓋度的植被主要在博州中部形成條帶狀分布。從圖3b 可以看出2010年中度和較高植被覆蓋度的分布變化較小，而高覆蓋度植被的變化區(qū)域主要由博州的西南部轉(zhuǎn)移至博州的中部地區(qū)。

2010—2015年低覆蓋度植被變化仍較明顯，面積從17477.2 km2減少到14917.2 km2，減少了2560 km2，降幅達到了17.1%。較低覆蓋度植被的變化不大，中覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度植被面積分別增加了251.1、1004.9、1618.3 km2。在這5年中，高覆蓋度植被的變化最大，從2015 年植被覆蓋度可以看出（圖3c），博州的中部博樂市和精河縣中部新增了大片的高覆蓋度植被。

2015—2020 年低覆蓋度和較低覆蓋度植被在增加，5 年中分別增加了915.3、588.7 km2。中覆蓋度、較高覆蓋度和高覆蓋度植被面積分別減少了49.8、530.8、959.4 km2，而這3 個覆蓋度的植被都是首次出現(xiàn)下降，特別是高覆蓋度植被降幅達到了29.8%。從圖3d 可以看出，各等級的植被覆蓋度變動較大，低覆蓋度和較低覆蓋度植被是在原有的基礎上小范圍變動，高覆蓋度植被向博樂市方向移動、面積在縮小，說明博州植被覆蓋度變動比較穩(wěn)定，變動也僅從高植被覆蓋度向較低的區(qū)域移動。

參照《土壤侵蝕分類分級標準》得到博州坡度分級圖（圖4）。根據(jù)表8可以看出，植被覆蓋度隨坡度的不斷升高，呈現(xiàn)了先減小后增加再減小的趨勢。研究區(qū)內(nèi)坡度＜5°基本為裸地、沙地和水域，地勢也比較平緩，而植被的覆蓋度比較容易受自然降水和人類活動的影響。坡度5°—15°主要是山地生態(tài)系統(tǒng)，地表起伏比較大，植被覆蓋度比較高。坡度15°—45°的植被覆蓋度隨著坡度等級的提升緩慢提升。坡度大于45°主要是一些永久性冰川和裸地，自然條件惡劣，植被覆蓋度最小。

表8 植被覆蓋度與坡度的關系

圖4 博州坡度分級

2.5 植被覆蓋度驅(qū)動力分析

根據(jù)博州的因子探測的結(jié)果（表9），所有生態(tài)因子均已通過顯著性檢驗。q值從大到小為土地利用＞道路＞GDP＞降水＞溫度＞人口密度＞水系＞坡度。土地利用變化是引起植被覆蓋度變化的首要影響因子，其次是道路和GDP，再次是降水和溫度，最后是人口密度、水系和坡度。土地利用類型是影響博州植被覆蓋度的首要因素，也受自然因素的影響（如溫度、降水等），人類活動也對植被覆蓋度有著較為深遠的影響，在博州的發(fā)展進程中受到了建設施工、人口密度、道路變化的影響。通過表9 可以看出，GDP 和道路的影響明顯高于降水和溫度的影響，表明人為的影響因素明顯高于自然條件的影響。隨著博州城鎮(zhèn)的發(fā)展變化，經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，人類活動對博州植被覆蓋度的變化造成了很大影響。

表9 博爾塔拉蒙古自治州因子探測結(jié)果

從博州植被覆蓋度的交互探測與生態(tài)探測交互探測（表10）可知，坡度∩GDP(0.082)、坡度∩降水(0.082)、坡度∩道路(0.171)、坡度∩人口密度(0.082)、坡度∩溫度(0.082)、坡度∩水系(0.109)、坡度∩土地利用(0.817)、水系∩GDP (0.109)、水系∩降水(0.216)、水系∩道路(0.263)、水系∩人口密度(0.216)、水系∩溫度(0.216)為非線性增強（帶*），其余為雙因子增強。而在因子探測中坡度(0.008)與水系(0.052)的解釋力最低，說明經(jīng)過交互探測，坡度與水系對于博州的植被覆蓋度的解釋力有大幅提升。其他雙因子增強按解釋力排序為土地利用∩坡度(0.817)＞土地利用∩水系(0.809)＞土地利用∩GDP(0.806)＞土地利用∩道路(0.794)＞土地利用∩降水(0.086)/土地利用∩人口密度(0.086)/土地利用∩溫度(0.086)，其他因子交互探測值分別為GDP(0.057)、降水(0.057)、道路(0.111)、人口密度(0.057)、溫度(0.057)。土地利用與其他因子交互探測后解釋力均大于原來單因子探測的結(jié)果，同時土地利用對于博州植被覆蓋度有極其重要的意義。

表10 博州植被覆蓋度的交互探測與生態(tài)探測結(jié)果

以上分析說明不同類型的土地利用方式直接決定了植被覆蓋度，當然其他自然因素和人類活動對博州植被覆蓋度也有間接影響。由生態(tài)探測表可以看出，土地利用與坡度、GDP、降水、道路、人口密度、溫度、水系表現(xiàn)出顯著差異，而其他因子之間的生態(tài)探測為無顯著差異。

3 結(jié)論

筆者分析了2005—2020 年新疆博州地區(qū)的土地利用變化以及植被覆蓋度的變化，發(fā)現(xiàn)博州地區(qū)土地利用類型以沙地、草地、耕地和裸地為主，2020年分別占總面積的37.99%、22.19%、10.71%和10.15%。建設用地和冰川及永久性積雪占比例較小，分別占比1.19%和3.19%。2005—2010年草、沙地的面積降幅最為顯著，減少面積分別為1123.4、1145.4 km2，變化率分別為-4.51%、-4.60%，增加最顯著的為裸地，增加面積為1678.2 km2，變化率為6.74%。2010—2015年博州地區(qū)由于受人類活動影響，沙地變化最為顯著，面積增加了2491.5 km2，變化率為10%，冰川及永久性積雪也增加了1191.3 km2，變化率為4.78%，2015—2020 年博州地區(qū)冰川及永久性積雪的減少是最多的，減少的面積為732.3 km2，變化率為-2.94%，主要集中分布在精河縣的東部。2005—2020 年土地類型產(chǎn)生了顯著的變化。有大量的沙地、林地、耕地轉(zhuǎn)為草地，這主要是因為牧業(yè)是博州重要的產(chǎn)業(yè)。建設用地也在微弱的增加，這主要是由人口的增加引起的。沙地的面積在顯著增加，這可能是在開發(fā)利用土地資源的過程中對生態(tài)保護不夠重視，導致的土地鹽漬化和沙化。

根據(jù)博州地區(qū)近15 年植被覆蓋度空間變化可以看出，低植被覆蓋度面積占比均較高，基本上都在60%以上，而較低的植被覆蓋度占比都在10%左右，說明了博州地區(qū)植被覆蓋度上，比較低的植被占了很大的份額；中覆蓋度植被呈現(xiàn)增長的趨勢，而較高和高覆蓋度的植被呈現(xiàn)了先大幅增加后緩慢減少的總體趨勢。

近年來，氣候變暖、極端氣候事件增加等加劇了干旱對農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)的危害程度，過度放牧使得草地承載能力不斷下降。為實現(xiàn)博州生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，應加強草地合理利用以提高其適應氣候變化的能力。天然草場應適度放牧保護草原和森林。在脆弱區(qū)域?qū)嵤┩烁€濕、退耕還林、退林還草，保護生物多樣性，從而維護良好生態(tài)環(huán)境。