基于植被指數(shù)的昌吉州荒漠化時空變化監(jiān)測與評價

馬靖 孫桂麗 禹明柱 冉亞軍

摘 要 以新疆昌吉回族自治州荒漠化動態(tài)變化為研究對象，基于NDVI數(shù)據(jù)對植被動態(tài)變化、植被覆蓋率年際變化開展荒漠化動態(tài)變化評價。結果表明：（1）2000—2019 年昌吉州植被指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，低覆蓋植被面積最大，占比均值為45.09%；中覆蓋植被和高覆蓋植被面積占比分別為20.70%和22.69%；較高覆蓋率植被面積占比為11.13%；無植被面積占比均值最小，為0.39%。（2）昌吉州輕度荒漠化面積在逐漸減少，中度荒漠化面積波動幅度較小，年度變化趨勢并不明顯；非荒漠化面積波動較大，年度變化呈現(xiàn)增長趨勢。（3）2000—2019年荒漠化總體上由中度向輕度荒漠化轉(zhuǎn)移，輕度荒漠化向非荒漠化轉(zhuǎn)移。（4）2010—2015 年重度荒漠化區(qū)域增加較為明顯，主要集中在吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部平原區(qū)，從發(fā)生位置和時間看，主要原因為2010 年開始的新疆準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的建設和發(fā)展，2015年后隨著荒漠化防治措施的有效實施，重度荒漠化面積呈減少趨勢。

關鍵詞 昌吉州；荒漠化；植被；監(jiān)測；評價

中圖分類號：S718.57?????? 文獻標識碼：A?? doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2024.04.010

Monitoring and Evaluation of Spatial and Temporal Variation of Desertification in Changji Prefecture Based on Vegetation Index

Ma Jing1，3，Sun Guili1，2，Yu Mingzhu1，Ran Yajun1

（1.College of Forestry and Horticulture，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China; 2.Key Laboratory of Forestry Ecology and Industrial Technology in Arid Areas，Urumqi 830052，China;3.Changji Hui Autonomous Prefecture Forestry and Grassland Technology Extension Center，Changji 830001，China）

Abstract The dynamic change of desertification in Changji Hui Autonomous Prefecture of Xinjiang was taken as the research object.Based on the NDVI data，the dynamic change of vegetation and the annual change of vegetation coverage were evaluated by dynamic change of desertification.The results showed as the following four aspects.（1） The vegetation index

in Changji Prefecture

showed an increasing trend from 2000 to 2019.And the area of low-cover vegetation?? was the largest，accounting for 45.09% on average.The area proportion of medium cover vegetation and high cover vegetation were 20.70% and 22.69%，respectively.The vegetation area with high coverage rate accounted for 11.13%.The average proportion of non-vegetation area was the smallest，which was 0.39%.（2） The area of mild desert area in Changji Prefecture decreased gradually，while the area of moderate desertification area fluctuated less，and the annual change trend was not obvious.The area of non-desertification area fluctuated greatly and the annual change showed an increasing trend.（3） From 2000 to 2019，as a whole，there was a shift from moderate desertification to mild desertification，and mild desertification to non-desertification.（4） From 2010 to 2015，the areas of severe desertification increased significantly，mainly in Jimusar County，Qitai County，and the northern plain area of Mulei Kazakh Autonomous County.From the perspective of location and time，the main reason was the construction and development of Zhundong Economic and Technological Development Zone in Xinjiang since 2010.After 2015，with the effective implementation of desertification control measures，the area of severe desertification showed a decreasing trend.

Key words Changji Prefecture; desertification; vegetation; monitoring; evaluation

荒漠化是一個世界性的生態(tài)環(huán)境問題，與人類社會可持續(xù)發(fā)展關系密切。氣候發(fā)生改變和人為因素造成的各類干旱和半濕潤地區(qū)的土地沙化現(xiàn)象稱為荒漠化。多種因子聯(lián)合作用造成荒漠化土地形成。荒漠化分析評價涉及多個因素，同一因子在分析過程中也有許多方法?；哪C合分析評價的因子主要有人為活動、動植物、自然資源和土地等，常用指標主要有土壤濕度、風沙、植被、生物量以及降水利用率等[1]。由于研究區(qū)域面積較大，風沙指標、降水利用率測量難度較大[2]，本研究綜合考慮昌吉州荒漠化及生態(tài)環(huán)境具體情況，采用植被指數(shù)分析和水資源變化數(shù)據(jù)對荒漠化進行綜合評價?；哪瘯茐耐寥赖纳a(chǎn)能力，破壞草場農(nóng)田，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)帶來危害，縮小人類生存空間[3]。古爾班通古特沙漠橫穿昌吉州東西，由于主風向作用，準噶爾盆地南緣活化沙丘每年以0.5～2.5 m的速度向綠洲擴展，因此，昌吉州荒漠化防治任務非常艱巨。近年來，北部荒漠區(qū)的開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境造成影響是值得關注的問題。因此，對昌吉州荒漠化進行綜合評價，有助于加深對昌吉州荒漠化發(fā)展態(tài)勢認識，同時也可為昌吉州荒漠化防治和生態(tài)修復提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

昌吉回族自治州地處新疆維吾爾自治區(qū)天山山脈北麓，準噶爾盆地東南部。昌吉州被新疆首府烏魯木齊市從南、東、西三面環(huán)抱。

1.1 ?地形地貌

昌吉回族自治州地貌北低南高，由東南向西北偏斜，南面為天山山地，北面為準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠，中間地域則位于天山山地和沙漠盆地之間，由地表徑流沖積、洪積等組成，整體地貌相對平緩，水土環(huán)境比較良好。昌吉州東部可分為天山山地、傾斜平原、沙漠盆地和北塔山山地4 個地貌單元。最高點位于南部天山山地，海拔5 022 m，最低點位于北部盆地中心丘河，海拔241 m[4]。

1.2 ?氣候

昌吉州為典型的大陸性干旱氣候，具有冬季嚴寒、夏季酷暑、晝夜溫差變化大等特點。年平均氣溫為6.9? ℃，極端最高氣溫44.4? ℃，出現(xiàn)在7 月；極端最低氣溫-42.6? ℃，出現(xiàn)在1 月。1 月平均溫度為-15.0? ℃，7 月平均溫度為23.3? ℃。自然降水分布不均，年均降水量217.2 mm，主要集中在4—8 月。春夏季日照充足，多大風，氣候干燥，年平均蒸發(fā)量為1 834.2 mm，年均日照時數(shù)2 550.6 h，無霜期為176 d [5]。

1.3 ?水文

昌吉州常年有水的河流共35 條，地表水資源量29.3×108 m3，地表水資源可利用量24.78×108 m3，其中昌吉州屬地表水資源可利用量19.567×108 m3，占79%，兵團屬地表水資源可利用量5.214×108 m3，占21%，地域分布為西多東少，全州建有水庫92 座，總庫容量為6.05×108 m3，主要用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水，生態(tài)用水主要依靠開采地下水[6]。

2 ?數(shù)據(jù)與方法

2.1 ?數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)行政區(qū)劃示意圖和高程分布圖使用到的資料下載自中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心：https：//www.resdc.cn。下載的數(shù)據(jù)用ARGIS軟件進行裁切、投影后進行分析和制圖表達。

鑒于研究區(qū)位于干旱地帶，植被總體生長狀況較差，本文選擇了植物生長相對較好的第二季度作為代表時段，因此本文采用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年6至8 月NDVI最大值合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。該產(chǎn)品為NDVI單波段數(shù)據(jù)，可直接用于研究分析和制圖表達。

2.2 ?研究方法

2.2.1 植被動態(tài)變化

對植被動態(tài)變化的研究方式有很多，其中比較常見的表示植被狀況的有植被指數(shù)和植被覆蓋率[7-9]，植被指數(shù)又可分為眾多類型，其中，歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）使用最為普遍，它能較好地反映地表植被的生長發(fā)育情況，因此，本文采用NDVI數(shù)據(jù)對研究區(qū)的植被變化進行研究。

3 ?結果與分析

3.1 ?昌吉州植被多年動態(tài)變化

3.1.1 ?植被指數(shù)的年際變化

為了更好地反映研究區(qū)植被情況，本文選取了2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2019 年共計5 年的NDVI數(shù)據(jù)。因為最新的NDVI6-8 月的數(shù)據(jù)目前只更新到2019 年，所以最后一個年度選取了2019 年。收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ARGIS裁切、投影和制圖表達后制作如下分布圖（圖1）。

一般情況下，NDVI值越高，則表示植被生長狀況越好；NDVI值越低，則表示植被生長狀況越差。從圖1中可以看出，昌吉州北部植被生長相比南部較差，山區(qū)植被生長發(fā)育好且覆蓋面積廣，中部平原植被生長發(fā)育較好的區(qū)域主要集中在農(nóng)區(qū)。經(jīng)調(diào)查和驗證，昌吉州北部為大面積戈壁荒漠，主要生長有梭梭（Haloxylon ammodendron）、檉柳（Tamarix ramosissima）等耐旱型灌木。山區(qū)及山前平原主要生長有云杉（Picea asperata）、楊樹（Populus sp.）

等喬木和其他耐寒型植被。中部農(nóng)區(qū)主要生長有農(nóng)作物和闊葉喬木。另外，全州內(nèi)也有零星分布的NDVI高值區(qū)，這些區(qū)域一般生長有芨芨草（Achnatherum splendens）和堿蓬（Suaeda glauca）等喜水或耐鹽堿植物。昌吉州2000 年至2019 年NDVI變化趨勢如圖2所示。從圖2中可以看出，全州NDVI均值處于中等偏下水平，表明整體植被生長一般。2000 年NDVI均值最小，為0.27；2010 年NDVI均值最大，為0.37。雖然在20 年內(nèi)全州NDVI均值有波動變化，但變化幅度較小，總體處于上升趨勢。為了更深入了解平原和山區(qū)的變化，使用DEM數(shù)據(jù)以1 500 m為界分別對平原和山區(qū)NDVI取均值，得到了不同分區(qū)的NDVI均值年際變化趨勢。

本文利用一元線性回歸趨勢分析方法對研究區(qū)的NDVI均值求斜率，當Slope＞0時，表明該區(qū)域NDVI整體呈現(xiàn)增加趨勢，植被長勢變好；當Slope=0時，表明NDVI值在20年內(nèi)幾乎沒有變化，可認為植被狀況保持不變；當Slope＜0時，表明NDVI整體下降，植被長勢變差。得到的結果如圖3所示。

Slope值越高，表示植被長勢越好；Slope值越低，表示植被長勢越差。從圖3可以看出，昌吉州內(nèi)植被變化趨勢呈現(xiàn)明顯的地域分布，平原農(nóng)區(qū)植被長勢變好，幅度大；山區(qū)及山前平原植被總體也在變好，幅度較大；北部平原植被長勢也在逐漸變好，幅度較小。此外，部分中原地區(qū)和山區(qū)也存在植被變差區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計，研究區(qū)內(nèi)30%（21 858.77 km2）的區(qū)域Slope＞0，25%的區(qū)域（18 844.96 km2）Slope＜0，45%（33 210.93 km2）的區(qū)域Slope=0。從上述統(tǒng)計結果可以看出，整個昌吉州植被長勢變好的區(qū)域面積大于植被長勢變差區(qū)域，且Slope最大值為0.200 8，最小值為-0.115 2，表明研究區(qū)域內(nèi)植被長勢變好的幅度大于長勢變差的幅度。整體來看，昌吉州在2000—2019 年植被長勢整體變好。

3.1.2 植被覆蓋率的年際變化

本文采用各個時段的研究區(qū)內(nèi)植被NDVI的最小值和最大值為NDVIS和NDVIv。

通過公式（3）可以得到各年度植被覆蓋率分布情況，結合昌吉州實際情況，得到5 個年度的分布情況，如圖4所示。

通過對不同覆蓋率分區(qū)進行分析統(tǒng)計，結果見表1。由表1可以看出，昌吉州內(nèi)低覆蓋植被面積最大，占比均值為45.09%；中覆蓋植被和高覆蓋植被面積占比分別為20.70%和22.69%；較高覆蓋率植被面積占比為11.13%；無植被面積占比均值最小，為0.39%。

從表1可以看出，2010 年無植被區(qū)和低覆蓋率植被面積較其他年度最小，較高覆蓋率植被面積和高覆蓋率植被面積較其他年度最大，主要原因為昌吉州2010 年氣候異常，全年降水量異常偏多，達397.5 mm，屬降水豐水年份。2010 年末全疆各類大中型水庫蓄水總量78.31×108 m3，比上年末增蓄16.38×108 m3，增幅達26.4%。這導致昌吉州南部的低覆蓋度區(qū)域植被覆蓋度明顯增加。

無植被區(qū)面積在2010 —2015 年有所增加，主要集中在吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部平原區(qū)，增加的主要原因有：

（1）新疆準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)建設。2010 年底自治區(qū)設立了自治區(qū)級新疆準東煤電煤化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)，2012 年國家批準設立了國家級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)。開發(fā)區(qū)橫跨吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣，東西長約200 km，南北寬約60 km。工業(yè)設施建設、園區(qū)建設、煤炭開采、路網(wǎng)建設等使建設用地增加，植被覆蓋度降低。

（2）2015 —2021 年，昌吉州北部因缺水導致大量楊樹和榆樹死亡，同時在原有土地上補種了梭梭、檉柳等灌木。沙漠地區(qū)植被比較分散，只有少量可見光及近紅外光反射，NDVI值變化不明顯，因此2015 年左右NDVI數(shù)據(jù)不能明顯反映出昌吉州北部平原植被生長狀況。

（3）南部山區(qū)無植被區(qū)面積增加的主要原因為2010 —2019 年昌吉州降雨量不斷減少，導致南部山區(qū)草場不斷退化。

從表1中可以看出，無植被區(qū)、低覆蓋區(qū)和高覆蓋區(qū)面積呈現(xiàn)增加趨勢，中覆蓋和較高覆蓋區(qū)面積在逐年減少。經(jīng)分析得知，較高覆蓋植被區(qū)有一部分區(qū)域轉(zhuǎn)化為高覆蓋植被區(qū)，低覆蓋植被區(qū)有一部分區(qū)域轉(zhuǎn)化為無植被區(qū)，中覆蓋植被區(qū)一部分區(qū)域轉(zhuǎn)化為低覆蓋植被區(qū)。雖然各類型區(qū)域之間存在轉(zhuǎn)換關系，但總體比較平穩(wěn)。

3.2 ?基于植被指標的荒漠化分區(qū)

基于植被覆蓋率的荒漠化分類標準對2000 —2019 年的研究區(qū)進行了荒漠化分級，結果見圖5。

從圖5中可以看出，重度荒漠化主要分布在昌吉州東北部，中度荒漠化主要分布在中部平原區(qū)，輕度及非荒漠化區(qū)域主要分布于山區(qū)、山前平原及平原農(nóng)區(qū)。

對各年荒漠化分區(qū)進行統(tǒng)計，結果見表2。從表2中可知，中度荒漠化區(qū)域面積相對最大，維持在33 000～46 000 km2，占比46%～63%；非荒漠化區(qū)域面積維持在17 000～28 000 km2，占比22%～38%；輕度荒漠化區(qū)域面積變化不大，維持在7 000～11 000 km2，占比10%～16%；重度荒漠化區(qū)域面積波動較大，從18 km2到1 900 km2不等，占比0～0.03%。2010 年重度荒漠化面積最小，僅為18.08 km2，非荒漠化面積最大，達28 315.17 km2，主要原因為2010 年降水量異常增多，較2000 年、2005 年、2015 年、2019 年度豐沛，植被長勢較好，荒漠化面積變小。

對比2010 年和2015 年數(shù)據(jù)，重度荒漠化區(qū)域面積呈現(xiàn)較大增幅，從18.08 km2增長至1 994.46 km2，增加的主要原因為自2010 年起，吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部區(qū)域呈現(xiàn)明顯的工業(yè)建設活動。2012 年，國家正式批準并設立了新疆準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)。該開發(fā)區(qū)以煤炭、煤電、煤化工為主要能源產(chǎn)業(yè)。大量的煤炭開采導致該區(qū)域地下水位不斷下降，再加上降水量不能滿足正常植物所需水分，導致土地沙化加重，地表植被面積不斷減少。通過影像和NDVI數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，2015 年重度荒漠化增加區(qū)域與開發(fā)區(qū)位置高度重合，進一步證實了昌吉州北部重度荒漠化面積增加與開發(fā)區(qū)建設有直接關系。

對比2015 年和2019 年數(shù)據(jù)，輕度荒漠化區(qū)域面積減小，中度荒漠化區(qū)域面積增大，主要原因為氣候干旱和地下水位下降，根據(jù)昌吉州林草管理部門2021 年6—9 月的實地調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2015 年以來，昌吉州防護林因氣候干旱、地下水位下降及林木管護措施不到位等原因，枯死面積達14.46 km2，昌吉州北部荒漠灌木林因降水量減少和地下水位下降等原因也發(fā)生了退化和死亡。重度荒漠化區(qū)域面積變化不大，均呈現(xiàn)輕微下降趨勢，說明昌吉州為應對土地荒漠化制定和實施的封禁保護、荒漠化防治、專項整治等防沙治沙措施取得了積極有效的作用，在堅決遏制重度荒漠化的基礎上，降低了重度荒漠化區(qū)域的面積。

由表2可以看出，重度荒漠區(qū)域面積波動相對較大，年度變化趨勢非常明顯；輕度荒漠區(qū)域面積在逐漸降低，中度荒漠化域面積波動幅度較小，年度變化趨勢并不明顯；非荒漠化區(qū)面積波動較大，年度變化呈現(xiàn)上升態(tài)勢。從數(shù)據(jù)上分析，昌吉州大部分區(qū)域荒漠化程度在逐漸好轉(zhuǎn)，北部平原地區(qū)荒漠化程度在2015 年后逐漸降低。

3.3 ?基于植被指標的荒漠化土地變化速率

本文以2000 年和2019 年為開始節(jié)點和終止節(jié)點，分析并計算荒漠化土地新增速率和轉(zhuǎn)移速率，繪制了荒漠化土地的變化情況分布圖（圖6），統(tǒng)計并測算了荒漠化土地變化面積及變化速率（表3）。

從圖6和表3可以看出，有3 981.80 km2其他類型土地轉(zhuǎn)移至非荒漠化土地，并逐漸向山前平原、中部農(nóng)區(qū)擴張；轉(zhuǎn)移面積最大的為輕度荒漠化土地，為5 631.90 km2，主要轉(zhuǎn)移至非荒漠化土地；中度荒漠化土地共轉(zhuǎn)移面積3 880.46 km2，主要轉(zhuǎn)移至輕度荒漠化土地和重度荒漠化土地。

由圖6進一步可以看出，昌吉州荒漠化情況總體上由中度荒漠化向輕度荒漠化轉(zhuǎn)移，輕度荒漠化向非荒漠化轉(zhuǎn)移，說明昌吉州整體荒漠化程度這20 年間在逐漸好轉(zhuǎn)。重度荒漠化土地雖然有新增，但通過植被覆蓋率年際變化結果和荒漠化分區(qū)結果可以得知，增加的時間主要集中在2010 年以后，增加的主要原因為新疆準東經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的成立和發(fā)展建設，大量的基礎設施建設和煤炭開采導致地下水位下降，地表植被面積減少，引起的結果就是重度荒漠化區(qū)域面積增加。

表3進一步表明了各類型土地的年均變化速率。非荒漠化土地面積新增和轉(zhuǎn)移速率差值為0.86個百分點，相對于其他類型土地來說其保持相對穩(wěn)定；輕度荒漠化和中度荒漠化土地面積年均變化速率分別為3.97%和0.76%。重度荒漠化土地面積年均變化速率雖然最高，達35.02%，但其一方面基數(shù)相對于其他類型土地要小很多，其次2015 年后隨著防沙治沙工作的開展，重度荒漠化面積有逐漸減少的趨勢。

4 結論

通過對昌吉州5 個年度NDVI數(shù)據(jù)進行分析，利用一元線性回歸趨勢分析方法對研究區(qū)的NDVI均值求斜率，并根據(jù)分析結果研究昌吉州2000 —2019 年植被覆蓋變化情況，發(fā)現(xiàn)昌吉州植被長勢呈現(xiàn)變好的趨勢。基于植被覆蓋率的荒漠化劃分標準，將昌吉州按照非荒漠化、輕度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化進行區(qū)分，經(jīng)過對各類數(shù)據(jù)分析得出，2015 年左右昌吉州北部荒漠化加劇，重度荒漠化面積增加，但在2015 年后隨著防沙治沙措施有效實施，昌吉州重度荒漠化面積呈減少趨勢。說明昌吉州實施的各項政策措施可行有效。

通過對2000 年和2019 年荒漠化土地數(shù)據(jù)進行疊加分析，得到各類型荒漠化土地的新增、轉(zhuǎn)移和未變化范圍，通過公式計算得到荒漠化土地新增速率和轉(zhuǎn)移速率，通過對疊加結果和計算結果分析得知，昌吉州整體荒漠化程度在好轉(zhuǎn)。2015 —2019 年昌吉州重度荒漠化區(qū)域面積呈現(xiàn)下降趨勢，從1 994.46 km2降至1 946.26 km2，說明昌吉州為應對土地荒漠化制定和實施的各項防沙治沙措施取得了積極有效的作用，在堅決遏制荒漠化的基礎上，降低了重度荒漠化區(qū)域的面積。

通過對2000—2019 年降水趨勢線看，昌吉州年降水量在這20 年中總體呈現(xiàn)下降趨勢。降水量的減少是昌吉州林地退化、荒漠化土地面積增加的主要因素之一。通過對用水量數(shù)據(jù)分析，昌吉州地下水超采嚴重，但隨著昌吉州通過一系列水資源管理制度的實施，2014—2019 年昌吉州水資源開采總量，特別是地下水開采量在逐年下降。

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