渭干河流域植被覆蓋時(shí)空變化特征研究

徐婷等

摘 要：植被是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶，更是自然生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因子，植被變化可用來(lái)揭示環(huán)境的演化，并且能在全球變化研究中起到“指示器”的作用。本研究利用遙感影像獲取NDVI數(shù)據(jù)，借助遙感與GIS等現(xiàn)代手段，運(yùn)用多種方法對(duì)渭干河流域1989-2007年植被覆蓋變化特征和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了定量研究，最終得出渭干河流域植被覆蓋時(shí)空變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：植被覆蓋 NDVI 時(shí)空變化 渭干河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）01（c）-0222-04

Abstract：Vegetation is join ties of natural elements such as soil，air and water，is the most active factor of natural ecosystems，vegetation can be used to reveal the evolution of environment，and is able to play in the global change research “indicators”.The study of NDVI data obtained using remote sensing image，with the help of remote sensing and GIS， and other modern means，using various methods on the 1989-2007 area of weigan River basin vegetation change characteristics and development trends of quantitative research，came to the vegetation covers spatial and temporal changes of weigan River basin.

key words：Vegetation Cover；NDVI；Spatio-temporal Variation；Weigan River Basin

陸地表面分布著由許多植物組成的各種植物群落，如森林、草原、灌叢、荒漠、草甸、沼澤等，總稱(chēng)為該地區(qū)的植被。近幾十年來(lái)，由于全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，不同區(qū)域的植被均發(fā)生了相應(yīng)的變化。植被覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境變化的直接結(jié)果，它在很大程度上代表了生態(tài)環(huán)境總體狀況[1]。遙感作為一種重要的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，具有多時(shí)相、多光譜、周期性觀測(cè)、經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)。遙感技術(shù)和GIS在監(jiān)測(cè)和模擬陸地表面條件及其變化上得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為植被景觀及其變化分析的基本手段[2]。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)在各種不同空間尺度上對(duì)植被覆蓋變化進(jìn)行了深入研究[3-6]，這些研究促進(jìn)了遙感技術(shù)在植被生態(tài)領(lǐng)域中的應(yīng)用。李秀花等利用GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)西北地區(qū)NDVI呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中北疆地區(qū)1991—2001年比1981—1990年的NDVI均值增加了2.48%，南疆地區(qū)增幅為8.95%[7]。近年來(lái)研究表明，新疆植被總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)且具有的明顯空間差異性[8]，在全國(guó)來(lái)說(shuō)是植被改善程度較大的地區(qū)[9，10]。本文通過(guò)對(duì)1989、2001和2007三年的遙感影像進(jìn)行解譯，利用NDVI數(shù)據(jù)、土地利用矢量數(shù)據(jù)和研究區(qū)近幾十年的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合遙感與GIS等現(xiàn)代手段綜合定量的分析了新疆渭干河流域1989—2007年植被覆蓋的年際動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和趨勢(shì)，并分析其植被覆蓋變化的主要影響因素。這對(duì)解析引起變化的因素及預(yù)測(cè)植被的演化方向有著重要意義，同時(shí)為今后生態(tài)環(huán)境建設(shè)和相關(guān)科學(xué)研究提供有力支持。

1 研究區(qū)概況

渭干河流域位于天山南坡與塔里木盆地北緣之間，介于北緯39°30′N(xiāo)～42°40′N(xiāo)，

東經(jīng)81°27′E～84°07′E。該地區(qū)在行政上隸屬阿克蘇地區(qū)管轄，主要包括三個(gè)縣，即新和縣、沙雅縣和庫(kù)車(chē)縣，東接輪臺(tái)縣，西鄰阿克蘇、溫宿兩縣。該地區(qū)南隔塔克拉瑪干大沙漠與和田地區(qū)遙望，北以天山主脈與和靜縣分界，西北與拜城縣接壤，在歷史上即為富庶之地，是古絲綢之路上東西方文化交流的重要通道。

渭干河—庫(kù)車(chē)河三角洲位于塔里木河沖積平原西部，包括渭干河沖積平原（庫(kù)車(chē)部分）和庫(kù)車(chē)河沖積平原。它是渭干河和庫(kù)車(chē)河水系，攜帶天山南麓的沖積、洪積物，逐漸沉積形成的綠洲。渭干河—庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲屬于大陸性溫暖帶干旱氣候，在氣候上表現(xiàn)為熱量豐富，氣候干燥，光照充足而降水稀少，夏季干熱，冬季干冷，氣溫年較差大，風(fēng)多沙大的特點(diǎn)。其年太陽(yáng)總輻射量高于我國(guó)同緯度的華北、東北地區(qū)，屬于干旱與極端干旱地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用研究區(qū)1989年9月25日的TM數(shù)據(jù)、2001年8月1日的ETM+數(shù)據(jù)以及2007年9月15日的ALOS數(shù)據(jù)作為主要的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本研究選用資料時(shí)間跨度較長(zhǎng)，能真實(shí)地反映渭干河流域植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化。首先對(duì)1989年、2001年及2007年三幅遙感影像進(jìn)行幾何校正并去除噪聲，由遙感圖像處理軟件ENVI 4.5來(lái)實(shí)現(xiàn)。再通過(guò)不同的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出變化規(guī)律。

2.2 主要研究方法

2.2.1 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映植被所吸收的光合有效輻射比例的一個(gè)重要指數(shù)，由于NDVI對(duì)植被的生長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量非常敏感，可以很好地反映地表植被的繁茂程度，常用來(lái)描述植被生長(zhǎng)狀況。其中，NIR為近紅外波段反射值，如Landsat中TM4或MSS7；R為紅光波段反射值，如Landsat中TM3或MSS5。同時(shí)-1≤NDVI≤1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。endprint

2.2.2 線性回歸分析

利用ArcGIS的柵格計(jì)算器結(jié)合最小二乘法，對(duì)各像元年度NDVI平均值與時(shí)間做線性回歸分析，以線性擬合斜率反映該像元的變化趨勢(shì)。如果斜率大于零則說(shuō)明隨時(shí)間增加，像元年度NDVI平均值呈上升趨勢(shì)，植被狀況趨于好轉(zhuǎn)；斜率小于零則說(shuō)明隨時(shí)間增加，像元年度NDVI平均值呈下降趨勢(shì)，植被狀況趨于惡化；斜率的大小反映上升或下降的速率。3 結(jié)果分析與討論

3.1 NDVI的年際變化特征

該文利用1989年、2001年和2007年的遙感影像圖計(jì)算出每年的NDVI數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)，將整個(gè)流域的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均來(lái)代表當(dāng)年平均植被覆蓋狀況，從而得到渭干河流域植被覆蓋整體變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。

從（圖1）中可以看出，渭干河流域植被覆蓋總體上呈略微增加趨勢(shì)，根據(jù)波狀起伏變化，可得知：1989—2001年，植被覆蓋呈下降趨勢(shì)，即NDVI年均值從0.136104降至0.082052；而2001年—2007年，植被覆蓋呈增加趨勢(shì)，即NDVI年均值從0.082052增至0.217382。基于統(tǒng)計(jì)，渭干河流域的NDVI年均值約為0.1452，年均增長(zhǎng)約率為0.21%。從整個(gè)時(shí)間段的變化趨勢(shì)來(lái)看，渭干河流域的植被覆蓋與我國(guó)西北地區(qū)、溫帶草原、黃土高原的變化趨勢(shì)基本一致，都呈上升趨勢(shì)。此外，通過(guò)對(duì)比1989年、2001年和2007年的NDVI灰度直方圖也可以看出渭干河流域自1989年以來(lái)，植被覆蓋發(fā)生了明顯變化（見(jiàn)圖2）。1989年該研究區(qū)的NDVI值集中在-0.1154—0.3841范圍內(nèi)，而2001年NDVI值集中分布在-0.1996—0.4308區(qū)間，到2007年NDVI值則集中于-0.1078—0.5677范圍內(nèi)，說(shuō)明渭干河流域植被NDVI值明顯增加。

3.2 NDVI的空間變化特征

通過(guò)比較渭干河流域1989年、2001年及2007年的NDVI圖像（見(jiàn)圖3、圖4和圖5），可以得出渭干河流域植被變化存在明顯的空間差異。結(jié)合研究區(qū)的相關(guān)資料和土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)目視解譯的方法分析圖3-3可知，1989年渭干河流域東北部及中部部分地區(qū)為草地，林地集中分布于西南地區(qū)，耕地則主要分布于東北部、中部和南部部分地區(qū)。總體看來(lái)，1989—2007年研究區(qū)的中部地區(qū)NDVI變化最明顯，西北部及南部部分地區(qū)NDVI也有不同程度的變化。

此外，該文在研究區(qū)選取了一百個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出不同的植被覆蓋類(lèi)型各自的NDVI變化。耕地相對(duì)于其他類(lèi)型年均NDVI較高，所占面積最大，林地次之，草地覆被則較低。1989—2007年耕地面積雖明顯增加但NDVI值只是略微上升，NDVI年變化率約為1.4%；林地和草地面積相對(duì)減少，林地的NDVI略微增加而草地的NDVI明顯增加，其N(xiāo)DVI年變化率分別為0.88%和50.81%（見(jiàn)圖6）。

3.3 植被覆蓋變化影響因素分析

植被與氣候的關(guān)系是全球變化研究中的重要組成部分，植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有明顯的年際變化和季節(jié)變化的特點(diǎn)，并且與一定的氣候、地貌、土壤條件相適應(yīng)。自然因素在大環(huán)境背景上控制著植被覆蓋類(lèi)型的變化，而人類(lèi)活動(dòng)則是在較短時(shí)間尺度上影響植被覆蓋的主要因素[11]。

3.3.1 自然因素

渭干河—庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲屬于大陸性溫帶干旱氣候，氣候干燥，光照充足而降水稀少。其年平均氣溫為10.7 ℃，無(wú)霜期151.0～194.5天，平原區(qū)多年平均降水量為46.5 mm，山區(qū)多年平均降水量為243.0 mm。流域北部山區(qū)地勢(shì)較高，熱量不足但降水豐富；平原北部相對(duì)而言，熱量豐富，無(wú)霜期較長(zhǎng)且降水少，但利于作物生長(zhǎng)；而平原南部、塔里木河沿岸及草湖地區(qū)，地勢(shì)低洼，又受沙漠影響，氣候大陸性較強(qiáng)。因此渭干河流域北部平原及南部部分地區(qū)植被覆蓋度較大，而東北部沙地植被覆蓋度較小，植被變化存在明顯的空間差異。

根據(jù)上述結(jié)果，該文對(duì)研究區(qū)1989年—2007年的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)圖7，圖8）。結(jié)果表明這18年來(lái)降水量總體上呈波動(dòng)式下降，2001年較1989年年降水量減少了22.7mm，2007年較2001年年降水量又減少了40.8mm，而氣溫狀況總體較為平穩(wěn)。與降水量變化不同，2001年和2007年的年均氣溫分別為11.62℃和11.61℃，均比1989年高。由此得出，渭干河流域高溫少雨的氣候?qū)χ脖坏纳L(zhǎng)變化有一定的影響。在春季降水量較多，氣溫升高有利于植被生長(zhǎng)，夏季與之相反，降水量減少較多，氣溫升高造成蒸發(fā)能力加強(qiáng)，地表及植被蒸散量的加大比降水增加的快，水分則成為植被生長(zhǎng)的限制因素[12]。總體看來(lái)，雖然渭干河流域2007年較之前的降水量明顯減少，但氣溫呈上升趨勢(shì)，因此渭干河流域植被覆蓋的增加受氣溫的影響大于降水的影響，即氣溫升高有利于植被的生長(zhǎng)。

3.3.2 人文因素

除了自然因素的影響，植被變化與人類(lèi)活動(dòng)也密切相關(guān)。渭干河—庫(kù)車(chē)河三角洲綠洲2007年有人口82.36萬(wàn)人，市鎮(zhèn)人口52.33萬(wàn)人，農(nóng)村人口30.03萬(wàn)人。人口密度達(dá)15.72人/km2，超過(guò)聯(lián)合國(guó)教科文組織提出的干旱區(qū)人口臨界指標(biāo)（7人/km2），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了干旱區(qū)環(huán)境資源承載能力。人口總數(shù)與1989年（總?cè)丝?1.08萬(wàn)人）相比增加了34.84%，年增長(zhǎng)率為1.94%；與2001年（總?cè)丝?2.70萬(wàn)人）相比增加了13.29%，年增長(zhǎng)率為2.21%。棉花的種植面積從1989年的25.73千公頃，增加為2001年的72.68千公頃，到2007年則增加為86.73千公頃。

對(duì)比渭干河流域1989年、2001年和2007年的NDVI圖像不難發(fā)現(xiàn)，綠洲面積呈顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，耕地占土地利用的比重明顯增加，這與新疆近幾十年來(lái)大量開(kāi)墾荒地有關(guān)。為了生存，土地利用程度不斷增高，人們對(duì)土地資源掠奪式開(kāi)發(fā)和不合理地利用，如過(guò)量施肥、濫墾濫伐等的土地利用方式，造成土地沙化和鹽堿地，加劇了土地退化。不容置疑，人類(lèi)活動(dòng)是渭干河流域植被類(lèi)型發(fā)生顯著變化的重要因素。endprint

4 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球變化研究開(kāi)始受到人類(lèi)的廣泛關(guān)注，其主要目的是探討人類(lèi)活動(dòng)引起的全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)生存環(huán)境的作用及其響應(yīng)。本文利用多種方法對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)分析處理，擬得出渭干河流域植被覆蓋的時(shí)空變化規(guī)律，并分析了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被及其變化的影響。結(jié)果表明：（1）渭干河流域在1989—2007年植被覆蓋呈微弱上升趨勢(shì)，與我國(guó)其它地區(qū)一致，但增長(zhǎng)速率大小不一樣，其N(xiāo)DVI年均值約為0.1452，NDVI年均增長(zhǎng)約率為0.21%；（2）渭干河流域植被覆蓋存在明顯的空間差異，北部、中部及南部部分地區(qū)NDVI較大，不同的植被覆蓋類(lèi)型表現(xiàn)為不同的變化趨勢(shì)，其中耕地占土地利用的比重明顯增加；（3）渭干河流域植被覆蓋時(shí)空變化即受到自然環(huán)境的影響，也與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。

通過(guò)分析可知，渭干河流域植被覆蓋總體趨于增加，綠洲面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)尤其是耕地面積明顯增大，植被及其變化與人口分布密度高度相關(guān)。總而言之，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響下，渭干河流域整體環(huán)境正在向有利的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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4 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球變化研究開(kāi)始受到人類(lèi)的廣泛關(guān)注，其主要目的是探討人類(lèi)活動(dòng)引起的全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)生存環(huán)境的作用及其響應(yīng)。本文利用多種方法對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)分析處理，擬得出渭干河流域植被覆蓋的時(shí)空變化規(guī)律，并分析了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被及其變化的影響。結(jié)果表明：（1）渭干河流域在1989—2007年植被覆蓋呈微弱上升趨勢(shì)，與我國(guó)其它地區(qū)一致，但增長(zhǎng)速率大小不一樣，其N(xiāo)DVI年均值約為0.1452，NDVI年均增長(zhǎng)約率為0.21%；（2）渭干河流域植被覆蓋存在明顯的空間差異，北部、中部及南部部分地區(qū)NDVI較大，不同的植被覆蓋類(lèi)型表現(xiàn)為不同的變化趨勢(shì)，其中耕地占土地利用的比重明顯增加；（3）渭干河流域植被覆蓋時(shí)空變化即受到自然環(huán)境的影響，也與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。

通過(guò)分析可知，渭干河流域植被覆蓋總體趨于增加，綠洲面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)尤其是耕地面積明顯增大，植被及其變化與人口分布密度高度相關(guān)。總而言之，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響下，渭干河流域整體環(huán)境正在向有利的方向發(fā)展。

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4 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球變化研究開(kāi)始受到人類(lèi)的廣泛關(guān)注，其主要目的是探討人類(lèi)活動(dòng)引起的全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)生存環(huán)境的作用及其響應(yīng)。本文利用多種方法對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)分析處理，擬得出渭干河流域植被覆蓋的時(shí)空變化規(guī)律，并分析了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被及其變化的影響。結(jié)果表明：（1）渭干河流域在1989—2007年植被覆蓋呈微弱上升趨勢(shì)，與我國(guó)其它地區(qū)一致，但增長(zhǎng)速率大小不一樣，其N(xiāo)DVI年均值約為0.1452，NDVI年均增長(zhǎng)約率為0.21%；（2）渭干河流域植被覆蓋存在明顯的空間差異，北部、中部及南部部分地區(qū)NDVI較大，不同的植被覆蓋類(lèi)型表現(xiàn)為不同的變化趨勢(shì)，其中耕地占土地利用的比重明顯增加；（3）渭干河流域植被覆蓋時(shí)空變化即受到自然環(huán)境的影響，也與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。

通過(guò)分析可知，渭干河流域植被覆蓋總體趨于增加，綠洲面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)尤其是耕地面積明顯增大，植被及其變化與人口分布密度高度相關(guān)。總而言之，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響下，渭干河流域整體環(huán)境正在向有利的方向發(fā)展。

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