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)體系的核心構成，是生態(tài)系統(tǒng)的基礎[12]，也是聯(lián)結土壤、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。