西北干旱區瑪納斯河流域植被時空變化特征及其與地形因子的空間關系

覃金蘭，薛聯青

河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098

植被是陸地生態系統的重要組成部分，植被在不同時空尺度上顯著影響全球物質和能量流動以及碳平衡，人類活動、氣候因素和二氧化碳水平對生態系統和植被結構有不同的影響。植被的動態變化也受到地理地形，特別是海拔高度的影響，研究植被的動態變化已成為全球氣候變化的關鍵問題之一（高志海，2003）。為了更好地預測陸地生態系統功能，評估植被分布和動態變化對不同環境條件的響應已經變得越來越重要（蔡宏等，2014）。然而，這些努力受到空間和時間尺度上有限的植被資料的嚴重阻礙。遙感技術的迅速發展解決了這一難題，很好地揭示了歸一化植被指數（NDVI）與植被生物量和動態變化之間存在一致的相關關系。因此，NDVI是全球生態研究中使用最廣泛的植被指數（程紅芳等，2008；張緒財，2019）。

由于干旱地區生態系統脆弱，是全球變化最敏感、最重要的地區之一，西北地區植被變化一直是人們關注的焦點（張號等，2015；張斯琦，2019）。中國西北干旱區對氣候變化較為敏感，其植被分布存在明顯的時空差異，學者們圍繞西北地區植被覆蓋變化的時空分布規律及其與氣溫降水的相關性做了大量的研究工作。軒俊偉等（2018）利用線性趨勢、相關性分析等方法對新疆瑪納斯河流域NDVI時空變化格局和驅動因素進行了研究；潘黃儒等（2019）基于MODIS NDVI影像數據分析西北五省 2002—2012年之間的植被覆蓋時空演變與動態變化規律。然而，對西北干旱地區植被變化速率及其地形因素的空間分析仍然缺乏（同琳靜等，2019），很少有研究強調高程、坡度及坡向的影響對植被變化趨勢的影響（劉堯文等，2016；代建軍，2019）。植被覆蓋不僅受溫度和降雨自然因素的限制，地形因子（高程、坡度及坡向）對其的影響也不可忽視。本研究以2000—2018年NDVI數據為基礎，結合高程數字模型DEM數據，利用GIS和RS技術并綜合分布指數，研究瑪納斯河流域近19年來植被覆蓋的時空變化特征，分析其與地形因子的空間分布關系，旨在為流域植被生長及生態修復建設提供理論依據和科學基礎。

1 研究區概況

新疆瑪納斯河流域位于中國西北部，面積3.4×104km2，處于 84°70′—86°67′E 和 43°07′—45°98′N 之間。流域內的水系由一系列間隙性小河組成，主要包括瑪納斯河及位于東邊的塔西河、西邊的巴音溝河、大小南溝河、金溝河、寧家河、沙灣河等?，敿{斯河流域地處干旱區內部，遠離海洋，流域內干旱且少雨，年蒸發量大，荒漠面積廣，屬于典型的大陸性干旱氣候區?，敿{斯流域是典型的耗散性內陸河，其源頭海拔3900 m以上的山地帶通常被冰雪覆蓋，是瑪納斯河流域的主要水資源，瑪納斯河流域主要地理特征為南北向的山地-綠洲-沙漠系統。作為我國典型的生態脆弱區，地處天山北麓經濟核心區，是新疆最大的綠洲農耕區，成為著名的棉花和糧食產地，近年來，綠洲擴張速度迅速，地表植被演變格局日益劇烈，受地形地貌，水文條件的影響，流域植被呈現出明顯的垂直地帶性特征，受地形因子影響顯著。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本論文采用的是來自中國科學院資源環境科學數據中心的 2000—2018年 NDVI月合成產品MODND1D（http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx），該數據產品時間分辨率為1個月，空間分辨率為500 m，對影像采用國際通用的MVC（Maximum Value Composites）進行最大值合成，MVC方法是目前業務上使用的主要方法，這個方法減少了云和多氣溶膠的像元的選擇。DEM數據來源美國聯邦地質調查局（http://edc.usgs.gov/products/elevation/gtopo30/hydro/index.html），分辨率為 90 m（曾超等，2011）。

2.2 植被覆蓋的地形分異特征

圖1 研究區的高程、坡度和坡向分布圖Fig. 1 Distribution map of elevation，slope and aspect of the study area

根據DEM數據提取得到該流域地形因子（高程、坡度、坡向）的專題圖（王妍，2006；李晶晶，2019）（圖1）。該流域海拔高度為244—5095 m，將流域海拔高度以500 m為間隔分為10個高程帶：244—500，500—1000，1000—1500，1500—2000，2000—2500，2500—3000，3000—3500，3500—4000，4000—4500，4500—5095 m。流域坡度根據臨界坡度分級標準（何丙輝，2003），將坡度分為 0°—5°，5°—8°，8°—15°，15°—25°，＞25°共 5個坡度帶。將坡向以22.5°為間隔分為10個坡向帶：?1°（平地），0°—22.5°，22.5°—67.5°，67.5°—112.5°，112.5°—157.5°，157.5°—202.5°，202.5°—247.5°，247.5°—292.5°，292.5°—337.5°，337.5°—360°。通常將 0°—22.5°（北坡），22.5°—67.5°（東北坡），337.5°—360°（北坡）稱為陰坡；67.5°—112.5°（東坡），292.5°—337.5°（西北坡）稱為半陰坡；將157.5°—247.5°（南坡）稱為陽坡；將 112.5°—157.5°（東南坡），247.5°—292.5°（西坡）稱為半陽坡。

將植被覆蓋圖分別與流域高程，坡度與坡向專題圖進行疊加分析，統計高程，坡度及坡向不同分級上對應的植被覆蓋變化速率的面積比以及 NDVI均值大小，生成折線條形直方圖，解析植被覆蓋變化速率隨不同分級地形因子變化的規律（許翔馳，2019）。

2.3 分布指數

分布指數能夠反映出NDVI在地形分級上的分布變化，從而揭示流域NDVI與高程、坡度及坡向3種地形因子組合的空間定量關系。為了消除地形因子面積的分布差異，描述NDVI在不同地形因子上的空間分布狀況，研究引入分布指數（王毅等，2018），其公式為：

式中：Sie為第i種植被覆蓋在第e種地形組合（海拔、坡度、坡向不同分級的組合）的面積，i分別為低中高植被覆蓋，e∈(1，300)；Si為第i種植被覆蓋的總面積，i分別為低中高植被覆蓋；Se為全流域內第e種地形組合（海拔、坡度、坡向不同分級的組合）的總面積，e∈(1，300)；S為流域土地的總面積。當p=0時，表明在該地形上無植被覆蓋；當p＜1時，表明某植被覆蓋在某地形組合上的比例小于某植被覆蓋在全流域上該地形組合總面積的比重；當p＞1時，表明某植被覆蓋在某地形組合上的比例大于某植被覆蓋在全流域上該地形組合總面積的比重，說明該地形組合是植被覆蓋空間分布的優勢地形，優勢地形就是在該地形上植被生長狀況更好。該數值越大，優勢程度越顯著。即使該數值不大于 1，我們也可以通過控制兩個地形因子相同去比較某植被覆蓋在另一個地形因子上哪一種生長情況相對更優。

3 結果與分析

3.1 瑪納斯河流域生長季NDVI時空變化特征

3.1.1 NDVI時間變化

圖2 研究區2000—2018年生長季NDVI年內變化Fig. 2 Internal variation of NDVI in 2000-2018 growing season in the study area

瑪納斯河流域 2000—2018年生長季各個月份的植被覆蓋變化如圖2所示，植被覆蓋從4月開始呈現顯著增加趨勢，在7月達到峰值0.381，此后植被緩慢生長。通過趨勢線可以看出在時間序列上，年內生長季NDVI值呈現二次方程拋物線趨勢，先上升后下降，擬合程度較高，R2為0.930。

為了解研究區生長季NDVI在時間序列中的年際變化特點，提取 2000—2018年每年生長季的年均NDVI值，代表當年生長季植被覆蓋狀況（圖3）?，敿{斯河流域近 19年來生長季植被覆蓋呈上升趨勢，其中8月增長趨勢最明顯，可以看出流域植被覆蓋在年際變化上8月的趨勢和生長季趨勢大致一樣。在2001—2002、2009—2010、2015—2016年生長季的NDVI均值呈顯著增加趨勢，在2001年出現NDVI最小值（0.224）。

圖3 研究區2000—2018年生長季和8月NDVI年際變化Fig. 3 The interannual variation of NDVI in the 2000-2018 growing season and August in the study area

3.1.2 NDVI空間變化

圖4 2000—2018年研究區植被覆蓋空間分布Fig. 4 Spatial distribution of vegetation cover in the study area from 2000 to 2018

空間尺度上，將瑪納斯河流域NDVI分為4個等級，NDVI＜0.1 為無植被覆蓋，0.1≤NDVI＜0.4 為低植被覆蓋，0.4≤NDVI＜0.6為中植被覆蓋，NDVI≥0.6為高植被覆蓋（余玉洋，2018）。從圖4可直觀看出瑪納斯河流域年均NDVI值在空間分布上大多在0.1—0.4范圍內，低植被覆蓋占總面積的62.74%，其分布范圍較廣，主要集中在下游的荒漠區及流域上游的林草混合帶，部分穿插在中游人工綠洲區；中植被覆蓋區主要分布在山前平原帶和流域中部，占總面積的21.83%；高植被覆蓋區所占面積比例較小，主要在靠近上游中植被覆蓋區域的周圍零星分布，占總面積的1.53%；無植被覆蓋區主要分布在最北部和最南部，主要是水域，高山冰雪區和沙漠。

3.1.3 植被演變趨勢分析

依據NDVI實際情況，將β＞0視為上升趨勢，β＜0視為下降趨勢，根據顯著性結果分析又分別得到輕微改善，輕微退化，顯著改善，顯著退化這 4種植被速率變化程度，不同植被變化率所占的面積百分比見表1。基于Sen+Mann-Kendall方法，像元尺度的NDVI趨勢變化及趨勢顯著性分析結果如圖5所示。

瑪納斯河流域在 2000—2018年間植被覆蓋變化趨勢在空間上呈現空間異質性。根據2000—2018年變化趨勢空間分布圖可得，植被覆蓋在流域大部分區域變化斜率為正數，說明整體上植被覆蓋呈現不同程度的上升，占研究區總面積的83.83%。植被在流域低山區及綠洲與沙漠交界處輕微改善，占總面積的42.95%；植被顯著改善部位主要在中部平原地帶，占總面積的40.88%。輕微退化和顯著退化區域所占的面積極少，二者共占總面積的16.17%，主要分布在上游高山冰雪區及下游荒漠區。

表1 不同植被覆蓋變化速率所占的面積百分比Table 1 The percentage of area covered by different rates of vegetation cover

圖5 2000—2018年研究區植被覆蓋趨勢空間演變及顯著性結果Fig. 5 Spatial evolution and significant results of vegetation cover trend in the study area from 2000 to 2018

3.2 NDVI空間分布特征

3.2.1 地形分布特征

對3個地形因子進行空間分析，先將該流域各地形因子進行重分類并分級，再統計其分布情況，結果如表2所示（熊巧利等，2019）。綜合地形專題圖及統計結果來看，流域的地形因子有以下特征和規律：

（1）瑪納斯河流域最高海拔為5095 m，最低海拔為244 m，由南向北海拔逐漸降低。流域屬于山盆系統格局，分為上游山區（高山帶、中山帶、低山帶）、下游平原區（山前傾斜平原帶、沖洪積平原帶）以及荒漠區三部分，山區位于海拔大于1000 m的區域，平原區和荒漠區位于海拔低于 1000 m的區域，海拔處于 244—500 m的地區所占面積最大，其面積在流域占比達60.9%，流域海拔高度絕大部分在 4000 m以下，其面積在流域占比高達89.8%，其中位于2000—2500 m的地區NDVI均值最大。

（2）整個流域坡度北緩南陡，下游平原區、北部的荒漠區及南部的大部分山前傾斜平原帶位于坡度0°—5°的地區，絕大部分山地地區及極少部分山前傾斜平原帶位于坡度大于5°的地區，坡度小于5°的地區面積占比最大，其面積在流域占比達77.5%，坡度大于25°的土地面積占比最小，其面積在流域占比達0.7%；各個坡度間的NDVI均值相差不大。

（3）瑪納斯流域陰坡及半陰坡在整個研究區上空間分布比較均勻，陽坡及半陽坡大部分集中在上游山區及下游荒漠區，中游平原灌區的坡向主要為陰坡及半陰坡，極少面積的平坡位于平原區以北的荒漠區的邊界。各個坡向（除了平地）的面積大小有細微差別但分布接近相等，陰坡（北、東北）、半陰坡（東、西北）坡向面積占比較大，這是研究區地勢南高北低的總體表現。各個坡向間的 NDVI均值相差不大。

3.2.2 NDVI隨海拔高度變化的特征

如下圖6可得，流域NDVI均值隨海拔的升高呈先緩慢增加再緩慢下降后急劇下降的趨勢，在海拔≤4000 m區域內，各高程帶NDVI均值達0.264以上，在500—2000 m達到最大值0.383。變化率為顯著退化和輕微退化的植被面積所占比例隨海拔的增加先下降后升高，在海拔大于4000 m的地區植被幾乎無退化趨勢，顯著退化的面積在2000—4000 m最大，占比0.43%，輕微退化的面積在＜500 m達到最大，面積占比為8.92%；變化率為顯著改善和輕微改善的植被覆蓋區面積均在 244—500 m達到最大值，面積占比分別為32.25%和19.54%。

圖6 研究區不同高程NDVI變化分布及變化趨勢面積百分比Fig. 6 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI at different elevations in the study area

表2 地形分布面積統計及各地形上的NDVI均值Table 2 Statistics of terrain distribution area and mean value of NDVI on each terrain

3.2.3 NDVI隨坡度變化的特征

地形表面的傾斜程度表示為坡度，其為影響地表能量轉換與物質流動的重要因素，在很大程度上能影響植被的分布態勢。由（程圣東等，2011）的研究結論可得，地表坡度會在一定程度上影響著水熱因素的分布。由圖7可得，隨著坡度的增大流域植被覆蓋均值呈先增加后減小的趨勢，在5°—8°均值達到最大值 0.303。植被覆蓋 4種變化速率的面積百分比數值都是先減小后增加再減小，在＞35°的區域，植被變化速率基本沒有顯著退化和顯著改善，輕微退化和輕微改善也只占很微小的比例；在5°—8°、8°—15°、15°—25°區域每種變化速率相差不大，各個變化速率對應的最大值都在＜5°區域出現，其中植被覆蓋顯著改善所占的面積比例是最大的，數值為36.7%；在坡度值＞35°上，4種變化速率幾乎沒有面積占比。

圖7 研究區不同坡度NDVI變化分布及變化趨勢面積百分比Fig. 7 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI of different slopes in the study area

3.2.4 NDVI隨坡向變化的特征

每個柵格高程改變差值變化的方向稱為坡向。不同的坡面朝向，各種物質能量存在著明顯的差異，而這會影響植被分布（斯鈞浪等，2009）。由圖8可見，不同坡向上的植被覆蓋差異不明顯，植被覆蓋均值在陰坡達到最大值 0.327，在陽坡達到最小值0.211。各個坡向上的植被覆蓋均值數值大小表現為陰坡 (北、東北坡)＞半陰坡 (東、西北坡)＞平坡＞半陽坡 (東南、西坡)＞陽坡 (南、西南坡)。植被覆蓋變化速率所占面積大小表現為陰坡 (北、東北坡)＞半陰坡 (東、西北坡)＞半陽坡 (東南、西坡)＞陽坡 (南、西南坡)＞平坡，不同坡向上，植被變化速率主要以顯著改善和輕微改善為主要類型。

3.3 NDVI分布的優勢地形

植被覆蓋的分布指數如表3所示，其中的數值代表植被覆蓋在某種地形組合下分布指數的大小，其中數值為0表示在某地形組合下無植被覆蓋，數值為 N表示在某地形組合下不僅某植被覆蓋不存在而且某地形組合也不存在。分布指數數值通過色階顯示出不同的顏色，在固定的海拔區間里，數值相似的屬于同一個顏色，表明植被在這些地形上生長狀況相似。紅色越紅代表該值越大，該地形植被生長優勢更顯著，綠色越深代表該值越小，該地形越不適合植被生長，黃色和橙色為過渡數值。

圖8 研究區不同坡向NDVI變化分布及變化趨勢面積百分比Fig. 8 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI in different slope direction in the study area

表3 研究區植被覆蓋在地形組合上的分布指數Table 3 The distribution index of vegetation cover in the study area on topographic assemblage

總體而言，紅色最大的區域集中在海拔 500—2000 m，該海拔區間除了坡向沒有平地方向以及坡度大于 25°和陰坡的地形組合不存在以外，其他坡向和坡度的組合都存在，植被覆蓋生長狀況良好。已知海拔在500—2000 m情形下，低植被的最優地形為坡度0°—5°且坡向為陽坡，中植被覆蓋的優勢地形為坡度＞25°且坡向為陽坡或者半陽坡，分布指數在海拔500—2000 m，坡度15°—25°的陰坡方向上達到最大值30.899，即它為全流域上的最優優勢地形。在固定高程分級后，針對低中高植被覆蓋單獨來說，坡度和坡向的25種地形組合中，在全流域范圍內，低植被覆蓋的最優優勢地形為海拔2000—4000 m、坡度＞25°且坡向為陽坡；中植被覆蓋的最優優勢地形為海拔500—2000 m、坡度＞25°且坡向為陽坡或者半陽坡；高植被覆蓋的最優優勢地形為海拔500—2000 m、坡度15°—25°且坡向為陰坡。

在海拔244—500 m的區間上，坡度區間只在0°—5°的范圍內，在這種特定地形因子的組合下，相對而言，低植被覆蓋比中高等植被覆蓋生長更有優勢，其在陽坡和半陽坡的生長狀況又比其在陰坡和半陰坡上更好一些，中植被覆蓋的生長狀況卻是陰坡和半陰坡方向強于陽坡和半陽坡方向，在這個區域高植被覆蓋甚少。在海拔500—2000 m的區間上，低植被覆蓋在坡度0°—5°上生長狀況相對更優，各個坡向的狀況相差無幾，這個坡度與各個坡向的組合地形皆為低植被的優勢地形。中植被覆蓋在坡度＞25°且坡向朝陽的方向上生長更好，對整個流域而言，中植被覆蓋和高植被覆蓋在該海拔區間的各地形因子組合中生長情況是相對最好的。在海拔2000—4000 m的區間上，低植被覆蓋生長狀況在各個坡度區間和坡向上都很好。在海拔＞4000 m的區間上，幾乎無中植被覆蓋和高植被覆蓋生長，低植被也是全流域范圍內生長狀態最差的。

4 討論

研究區生長季6—9月NDVI值相對較大，各類植被均處于生長旺盛階段，這是因為夏季光照充足，降雨充沛，溫度升高，冰雪消融，所以植被生長狀況良好。總體上瑪納斯流域NDVI增加，這和西北地區近幾年推進生態恢復有很大關聯，但是生長季植被覆蓋在部分年份（2001、2005、2010年）仍有輕微起伏，說明生態環境仍然易受到氣候和人為活動的干擾（張詩羽等，2018；余東洋，2019）。中植被覆蓋區主要分布在山前平原帶和流域中部，這與中游平原依靠發達的農耕技術開發出了大片的人工綠洲區有關。隨著海拔的增高，更靠近上游水源區，山區冰雪消融主要匯聚于此，熱量和水分都適合植被生長，地表植被主要為生長茂密的草地和林地。植被顯著改善部位主要在中部平原地帶，這種增加得益于生態保護和耕地擴張，尤其是流域中部的人工綠洲區，最大 NDVI增加速率達到了0.0027/(10 a)。地形在0°—5°范圍內，地勢較平坦，人類活動頻繁，城市化建設及人工綠洲等一系類活動導致該區域植被覆蓋改善狀況良好。

瑪納斯河流域是典型的西北干旱內陸流域，上游山地是流域的的水源涵養地、物種以及植被碳儲量最豐富的地區，但是該區域生態環境相對脆弱，仍有一部分源區植被發生退化現象。山區植被退化的海拔區間為2500—4000 m，坡度為15°—25°且主要集中在陽坡，年均溫度在0—2 ℃，高山區年均降雨量達400 mm以上，山地針葉林作為其優勢群落，被過度砍伐從而造成資源枯竭和植被退化，已有 40%的針葉林被過采破壞，嚴重威脅了山區林地的自然再生產。中游平原的石河子市植被發生退化，隨著人工綠洲急劇的擴大，修建水渠，轉林地為耕地，破壞了原始景觀生態，河岸原生樹木所剩無幾，水土流失嚴重，植被自身修復能力差。流域下游的瑪納斯湖逐漸干涸，其湖面面積逐年減小導致周圍植被呈現顯著退化。雖然植被退化的面積比例并未在流域內形成主導，但該問題依然不容忽視。

植被的生長和空間位置分配與地理環境密切相關，各地形因子對植被覆蓋的影響是一個復雜的綜合過程。高程和坡度是決定流域植被分布的主要因素，因為高程和坡度影響著水熱分布（何云玲等，2018）?，敿{斯流域坡度在＞25°范圍內，地勢變得不再平坦，降雨不易儲蓄且土壤養分和水分也容易流失，導致植被的適應性較為脆弱，既容易恢復原貌，也容易產生退化，這在日后的環境生態治理工作中需要著重注意（賀忠華等，2020）。對于優勢地形來說，針對低中高植被覆蓋，其對應的優勢地形是不一樣的，在日后的植被恢復當中，應該利用好優勢地形進行生態修復。盡管將植被生長對地形因子的響應進行了研究，但對于NDVI趨勢與高程、坡度、坡向之間的相關關系并沒有得到有效的探討，這對西北干旱區的生態環境的改良具有重要意義，在今后的工作中還需要進一步加強相關研究。

5 結論

（1）2000—2018年，瑪納斯河流域生長季植被覆蓋的年內變化和年際變化都是隨時間是呈上升趨勢的。空間分布上，研究區主要是低植被覆蓋，高植被覆蓋主要分布在中上游的林草混合帶，無植被覆蓋集中在上游高山區和下游荒漠區。

（2）植被覆蓋空間分布趨勢分析中，2000—2018年瑪納斯流域年 NDVI的變化趨勢呈空間異質性，生長季植被覆蓋的變化率大部分是增加的，顯著退化和輕微退化區域所占的面積極少。

（3）在瑪納斯河流域上，高程、坡度及坡向與NDVI之間并不是單一的正比關系，NDVI均值隨著高程、坡度的增大先上升后下降，對于高程的響應是最劇烈的，對于坡度和坡向的波動不大。對于植被覆蓋變化率，在高程值244—500 m、坡度值0°—5°及陰坡上變化速率的植被面積占比均是最大的。

（4）從流域綜合來看，針對低中高植被覆蓋，在高程、坡度及坡向的300種地形組合中，其中有63個地形組合為該研究區的優勢地形。