基于遙感的疏勒縣植被覆蓋時空變化研究

麥麥提吐遜·麥麥提，馬合木江·艾合買提，陶洪飛，李 巧

（新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊830052）

0 引 言

【研究意義】植被是生態系統及環境的重要組成部分，可以反映區域生態環境質量的總體狀況，其主要受區域氣候變化、人類活動、土壤質量、地形地貌、水源等各類條件的約束。植被作為水、土、氣之間能量循環的重要環節之一[1]，不僅維持生態環境的平衡，而且可以評價區域生態環境質量，因而監測區域不同時期植被覆蓋面積及覆蓋度時空變化趨勢對研究區域生態環境質量及變化過程具有一定的重要意義[2-4]。【研究進展】目前，利用Landsat 影像數據對不同時期區域植被覆蓋變化做了不少研究。Barbosa 等[5]基于Landsat TM 研究發現巴西東北地區1982—2001年植被生長季節變化，具有時段性與季節性波動；穆少杰等[6]基于MODIS-NDVI 影像數據分析了內蒙古自治區2001—2010年植被覆蓋度時空變化特征，發現植被覆蓋度總體上呈上升趨勢；董弟文等[7]基于Landsat 影像數據分析了和田綠洲1994—2016年植被覆蓋度的時空變化特征發現，綠洲植被覆蓋度面積均呈增加趨勢。【切入點】本文基于Landsat 5、Landsat 7、Landsat 8（TM/ETM+/OLI_TIRS）遙感影像數據，以我國西北部喀什地區典型的干旱綠洲灌溉農業區疏勒縣作為研究區，【擬解決的關鍵問題】分析不同時期氣候變化與人類活動等因素下植被覆蓋度時空變化過程與特征，為今后喀什地區疏勒縣生態環境穩定及可持續發展提供科學借鑒與依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

疏勒縣（38°51′—39°29′N，75°52′—76°53′E）（圖1）位于中國新疆喀什地區的中部，塔克拉瑪干沙漠的西緣，蓋孜河和克孜勒河中游，屬荒漠綠洲、沖積平原，縣境東西長106 km，南北寬69 km，總面積約為2 166.4 km2。屬于典型的暖溫帶內陸性干旱型氣候，其特征是干燥少雨，春季多風沙和浮塵天氣，晝夜溫差大，氣溫年內變化顯著，多年平均氣溫為11.7 ℃，年均蒸發量達2 657 mm，年平均日照時間為2 822 h，多年平均降水量為47.8 mm。農業灌溉用水量占國民經濟總用水量的比例超過98%，水資源短缺且時空分布極不均勻，灌區地表水主要來源于喀什噶爾河。

圖1 研究區行政邊界與Landsat8 OLI_TIRS（RGB-654）影像Fig.1 Administrative boundary of the study area and Landsat8 OLI_TIRS(RGB-654)image

1.2 數據來源

綜合考慮天氣、云量、季節性植被差異等影響，選用1996年7月6日、2000年9月11日、2005年9月9日、2009年8月19日、2013年7月21日、2017年8月1日6 個時期植被較好的Landsat TM/ETM+/OLI_TIRS 系列遙感影像圖（條帶號：149，行編號：33，分辨率：30 m）。數據下載地址分別為美國地質勘探局網站（http://glovis.usgs.gov）、國家地理空間數據云官網（http://www.gscloud.cn）。土地利用類型遙感影像數據從中國科學院地理科學與資源研究所共享官網下載（http://www.resdc.cn）。1990—2019年氣溫、降水量數據從國家氣象科學數據開放中心官網（http://www.data.cma.cn）下載。

遙感影像數據預處理是遙感數據解譯中特別重要的環節，為便于影像圖識別以及相互對比分析，首先利用ENVI5.4 對原Landsat 影像圖進行幾何校正、去除條帶處理（傳感器出現異常原因，ETM+數據帶條帶）、輻射定標、大氣校正及影像增強，然后利用研究區的行政矢量邊界圖，通過ENVI5.4 進行圖像裁剪和掩膜處理，得到研究區遙感影像圖。

1.3 歸一化植被指數（NDVI）計算

歸一化植被指數是由衛星遙感影像數據不同波段光譜探測以及進一步數據組合而成，前人研究證明歸一化植被指數是目前反演植被覆蓋度狀況最佳的指數之一，計算式為：

式中：NIR為Landsat TM/ETM+/OLI 數據的近紅外波段值（M/ETM+為Band4，OLI為Band5）；Red為Landsat TM/ETM+/OLI 數據的紅外波段值（TM/ETM+為Band3，OLI 為Band4）[8]。

1.4 像元二分模型

本研究基于NDVI，通過像元二分模型來估算不同時期的植被覆蓋度。以下是像元二分模型的計算式：

式中：NDVIveg為完全覆被的像元NDVI值；NDVIsoil為裸地或無覆蓋像元NDVI值[9-11]。其中2 個值的計算式為：

目前為止還沒有統一的植被覆蓋度的分級閾值標準，本文據國家《土地利用現狀調查技術規程》、《草場資源調查技術規程》、水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》和結合干旱區綠洲植被特有的生態特征、野外實地植被監測與調研，并對植被覆蓋度進行閾值分割處理。其中植被覆蓋度的閾值分割按照傳統的分類方法分為裸地或極低（0～0.2）、低（0.2～0.3）、中（0.3～0.6）、高（0.6～1）植被覆蓋等4 個等級。

1.5 圖像差值比較法

為了反映研究區不同時期植被覆蓋動態變化，利用圖像差值比較法計算不同時期植被覆蓋變化量ΔFVCg，差值變化量等于0 是未發生變化，＞0 是植被覆蓋增大，＜0 是植被覆蓋減小。計算式為：

式中：FVCgyear1、FVCgyear2分別為不同時期的植被覆蓋度等級。

為了反映1996—2017年植被覆蓋度動態空間變化特征，分別對1996年和2000年、1996年和2005年、1996年和2009年、1996年和2013年、1996年和2017年分類結果按傳統標準差值劃分為7 個等級，默認的未變化（值為0）是中心生成相對稱，兩邊的正值與負值類別數相同，閾值在[-1，1]之間，其中：①0.666 7≤ΔFVCg＜1，ΔFVCg=+3 表示極度改善植被；②0.333 3≤ΔFVCg＜0.666 7，ΔFVCg=+2 表示中度改善植被；③0＜ΔFVCg＜0.333 3，ΔFVCg=+1 表示輕度改善植被；④ΔFVCg=0，ΔFVCg=0 表示未發生變化；⑤-0.333 3≤ΔFVCg＜0，ΔFVCg=-1 表示輕度退化植被；⑥-0.666 7≤ΔFVCg＜-0.333 3，ΔFVCg=-2 表示中度退化植被；⑦-1＜ΔFVCg＜-0.666 7，ΔFVCg=-3 表示極度退化植被[6]。

1.6 中心遷移模型

中心是核心與中央的意思，可以直接反映研究區植被覆蓋空間演化趨勢過程，也可以跟蹤植被覆蓋前移方向。計算式為：

式中：X為研究區植被分布中心的經度坐標；Y為緯度坐標；Si為研究區植被分布第i 個小斑塊的面積（分辨率：30×30 m）；Xi為研究區植被分布第i個小斑塊的經度坐標、Yi為研究區植被分布第i個小斑塊的緯度坐標[12]。

2 結果與分析

2.1 研究區植被覆蓋度空間分布特征及演化趨勢

基于NDVI與像元二分模型，利用ENVI5.4 計算得出研究區1996—2017年6 個時期的植被覆蓋度，并進行閾值分割，得到喀什地區疏勒縣1996、2000、2005、2009、2013、2017年6 個時期的植被覆蓋度空間分布圖。如圖2 所示，疏勒縣植被覆蓋分布總體以高植被覆蓋為主，成大面積片狀分布；中、低覆蓋主要以蓋孜河和克孜河為軸線，相對圍繞高植被覆蓋分散分布；裸地主要集中于縣區阿拉甫鄉東南部和艾爾木東鄉西南部，成大面積片狀分布。

圖2 疏勒縣6 個時期的植被覆蓋度等級分布Fig.2 Distribution map of vegetation coverage in different periods in Shule County

利用ENVI5.4 統計矢量邊界掩膜并計算面積得到疏勒縣6 個時期不同等級的NDVI平均值與植被覆蓋度面積變化趨勢，如圖3 所示。從圖3 可以看出，疏勒縣植被總覆蓋度、高植被覆蓋度與NDVI平均值均呈增加趨勢，擬合度R2分別是0.729 5、0.931 4 與0.926 7，說明1996—2017年疏勒縣植被覆蓋面積增加的同時，綠色植物覆被面積也不斷擴大；裸地或極低植被覆蓋與低植被覆蓋面積均呈下降趨勢，擬合度R2分別是0.782 1 和0.778 1，戈壁灘面積的減少說明生態環境在不斷改善。不同6 期面積統計結果顯示，2017年植被覆蓋度最大，面積為1 648.8 km2，2005年植被覆蓋度最小，面積為1 168.2 km2，變幅為480.6 km2，增加率為41.2%。2017年與1996年相比，植被覆蓋面積由1 192.4 km2增加至1 648.8 km2，變幅為456.4 km2，增加率為38.3%。由2009—2013年的植被覆蓋面積增加速度比較明顯，增量為267.4 km2，增加率為21.34%。其余4 個年段的增加量和增加率分別為：1996—2000年增加量為67.6 km2，增加率為5.7%；2000—2005年增加量為-91.8 km2，增加率為-7.3%；2005—2009年增加量為81.9 km2，增加率為7.0%；2013—2017年增加量為131.3 km2，增加率為8.7%。可見疏勒縣植被覆蓋面在整體不斷增加的同時，存在一些波動性。

由不同時期植被覆蓋度等級時空變化分析發現（圖3），高植被覆蓋面積線性增加趨勢顯著（R2＝0.931 4），由1996年的567.2 km2增加至2017年的1 118.6 km2，增加了551.4 km2，增率為97.2%；中植被覆蓋面積先減小后增大，波動較大，線性擬合度較差（R2＝0.111 9），2017年與1996年相比，面積增加了11.0 km2，增加率為2.7%；低植被覆蓋面積由1996年的220.4 km2減小至2017年的114.4 km2，減小了106.0 km2，減率為92.7%；裸地或極低植被覆蓋度由1996年的899.2 km2減小至2017年的447.5 km2，減小了441.7 km2，減小率為98.7%。可見疏勒縣植被覆蓋在不同時期覆蓋等級變化過程中，高植被覆蓋面積的增加比較顯著，并且占總植被覆蓋面積比重最大，高植被覆蓋在6 個時期占植被覆蓋面積比重分別是48.3%、55.5%、64.0%、62.7%、60.1%、67.8%，所占比重顯著上升。反而裸地或極低植被覆蓋與低植被覆蓋區面積逐漸減小。

圖3 疏勒縣不同時期不同等級植被覆蓋面積變化和NDVI 平均值變化Fig.3 Changes in the average value of NDVI and vegetation coverage of different levels in different periods in Shule County

2.2 研究區植被覆蓋度空間變化特征

為了反映研究區不同時期植被覆蓋度空間動態變化，利用圖像差值比較法計算1996—2017年不同時期植被覆蓋變化情況，差值結果為正值表示增加，差值結果為負值表示減小。

由圖4 可知，疏勒縣植被覆蓋度變化呈西北部相對未變化、南部變化比較明顯。結合圖2 可知，未變化區主要以高植被覆蓋區為主，變化區以裸地或極低、低植被覆蓋區為主。從不同時間段分析可知，1996—2000年，植被覆蓋度呈增加趨勢，增加區域（改善區）面積相對減小區域（退化區）面積增長了137.8 km2，植被覆蓋度狀況好轉；2000—2005年，植被覆蓋度呈減小趨勢，增加區域面積相對減小區域面積減少了99.9 km2，研究區南部植被覆蓋退化比較嚴重，尤其是阿拉甫鄉東南方向的戈壁灘稀疏植被明顯消失；2005—2009年，植被覆蓋度呈增加趨勢，增加區域面積相對減小區域面積增長了99.5 km2，疏勒縣城與罕南力克鎮植被覆蓋顯著退化，兵團41團增加比較明顯；2009—2013年，植被覆蓋度呈增加趨勢，增加區域面積相對減小區域面積增長了414.9 km2，疏勒縣城植被覆蓋繼續退化，但英阿瓦提鄉、阿拉力鄉與阿拉甫鄉西部大面積片狀增加；2013—2017年，植被覆蓋度呈增加趨勢，增加區域面積相對減小區域面積增長了336.9 km2，阿拉力鄉南部、英阿瓦提鄉東北部與阿拉甫鄉西北部植被覆蓋度顯著增加，阿拉甫鄉東南方向荒漠區植被繼續退化；縱觀1996—2017年植被覆蓋度呈增加趨勢，增加區域面積相對減小區域面積增長了731.7 km2，庫木西力克鄉下部、塔孜洪鄉中部、塔合其鄉東部與亞曼牙鄉成大面積片狀增加，疏勒縣城與阿拉甫鄉東南方向戈壁灘稀疏植被退化比較嚴重。

圖4 疏勒縣不同時期的植被覆蓋度空間變化分布Fig.4 Spatial distribution of vegetation coverage in Shule County in different periods

為了進一步全面分析疏勒縣植被覆蓋度空間變化，對1996—2017年不同等級的植被覆蓋度進行相互轉移面積和比例狀態轉移矩陣計算。由表1 可知，1996—2017年，疏勒縣植被覆蓋主要以裸地或極低植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋均向高植被覆蓋轉移為主。具體的轉移空間變化量為：裸地或極低植被覆蓋、低植被覆蓋和中植被覆蓋轉化為高植被覆蓋的面積分別255.17、131.94 和286.44 km2，比例分別為30.33%、59.92%和70.76%。從絕對空間變化量分析來說，裸地或極低植被覆蓋、低植被覆蓋、中植被覆蓋和高植被覆蓋面積變化量分別為-451.71、-105.95、10.97 和551.33 km2，比例分別為-50.23%、-40.08%、2.71%和97.20%，裸地或極低、低植被覆蓋面積均減小，中植被覆蓋面積整體穩定，高植被覆蓋面積大幅度增加，裸地或極低、低、中植被覆蓋最終均轉化為高植被覆蓋。

表1 1996—2017年疏勒縣植被覆蓋度等級轉移矩陣Table 1 Vegetation coverage grade transfer matrix in Shule County from 1996 to 2017

2.3 研究區植被覆蓋度空間變化特征

中心分布變化可以描述空間上植被覆蓋分布的時空變化特征及趨勢[12]。疏勒縣植被覆蓋中心遷移顯示（圖5），1996—2017年，疏勒縣植被總覆蓋中心整體向東南直線遷移1.92 km。具體來說，1996—2000、2005—2009、2009—2013、2013—2017年向東南方向遷移，2000—2005年向西北方向遷移；其中2000—2005年和2009—2013 遷移比較顯著（分別向西北遷移1.75 km 和東南遷移2.55 km），2005—2017年一直向東南直線遷移3.67 km。高植被覆蓋中心整體向東南直線遷移4.73 km，其中2009—2013年遷移速度最快，向東南遷移2.31 km。向東南遷移主要是因為2011年中央一號文件精神[13]，建立農田水利高效節水灌溉建設新機制，提高農業領域的綜合生產能力，增加財政對農村小型農田水利高效節水灌溉設施建設的投入力度下，疏勒縣大力發展高效節水灌溉。根據疏勒縣水利局統計，截至2017年該縣高效節水灌溉面積達1.67 萬hm2，其中2012—2017年高效節水面積為1.06 萬hm2，英阿瓦提鄉、阿拉甫鄉、艾爾木東鄉、阿拉力鄉、牙甫泉鎮、庫木西力克鄉等位于東南部的鄉鎮的高效節水面積占總面積的66%，致使植被覆蓋迅速增加，中心大幅東南遷移。

圖5 1996—2017年疏勒縣植被覆蓋中心遷移Fig.5 Migration of vegetation cover center in Shule County from 1996 to 2017

3 討論

疏勒縣位于典型干旱區（南疆），植被覆蓋度變化是氣候變化與人類活動共同作用的結果，但短時段內人類活動對干旱區植被覆蓋度變化的影響更為直接。

3.1 自然氣候因素影響

疏勒縣1990—2019年的年均降水量和氣溫變化趨勢如圖6 所示具有增加的趨勢。黃培佑等[14]、張音等[15]研究表明，全球變暖引起新疆氣溫的升高和降水量的增加，對新疆生態與環境發生了一些巨大的改善。喀什地區氣候干旱，蒸發強烈，其荒漠帶區植被耐高度鹽堿、耐旱、耐寒為主[16]。疏勒縣降水量的增加可能對荒漠區稀疏植被及草地造成了明顯的積極影響。綠洲低覆蓋植被向中、高植被覆蓋的轉移可能是這種影響的成果。

氣候變暖對植被的影響，也間接體現在冰雪融水對流域徑流的不斷增大。疏勒縣年均氣溫和年降水量在1990—2019年呈提升趨勢（圖6），該30 a 內氣溫平均提升了1.46 ℃，這對以冰雪融水補充為主的喀什噶爾河流域影響較大。圖6 可以看出，隨著氣溫、降水量的增加對研究區NDVI、總覆蓋與高覆蓋逐漸增大。根據毛煒嶧等[17]對1951—2005年喀什噶爾河流域年均降水量、氣溫對流域徑流的影響變化趨勢分析，因氣溫的上升，徑流量以3%/(10 a)的速率增加。這對氣候干旱的疏勒縣來說具有重大的意義，為區域植被的增加提供了水資源保障。

3.2 人類活動的影響

人類活動對區域短時間內植被覆蓋的影響是直接的，表現在土地利用方式變化上。表2 是利用中國科學院地理科學與資源研究所提供的不同時期新疆土地利用遙感數據統計得到的疏勒縣土地利用變化情況。由表2 可知，2000—2018年，研究區耕地、林地、城鄉工礦居民用地面積顯著上升。耕地面積從2000年的899 km2增至2018年的1 241 km2，增加了342 km2，增加率為38.1%；林地面積從2000年的4 km2增至2018年的52 km2，增加了48 km2，增加率為1 200%；城鄉工礦居民用地面積從2000年的24 km2增至2018年的83 km2，增加了59 km2，增加率為246%。草地、水域、未利用土地面積2018年比2000年分別減小了17.9%、33.3%、54.7%。這說明，疏勒縣增加植被覆蓋面積的主要原因是耕地和林地面積增加，草地和未利用土地面積減小。

圖6 1990—2019年疏勒縣年均降水量、氣溫變化和NDVI 平均值、總、高植被覆蓋度變化關系趨勢Fig.6 Annual average precipitation,temperature change,NDVI average,total and high coverage change trend in Shule County from 1990 to 2019

表2 疏勒縣不同時期土地利用變化情況Table 2 Land use changes in different periods in Shule County

4 結論

1）1996—2017年疏勒縣植被覆蓋面積顯著增加。2017年比1996年植被覆蓋面積增加了456.4 km2，增加率為38.3%。高植被覆蓋面積的增加比較顯著，2017年比1996年植被覆蓋面積增加了551.4 km2，增加率為97.2%；中植被覆蓋面積變化不大，2017年與1996年相比，面積減小了11 km2，降幅2.7%；低植被覆蓋面積減小明顯，減小面積為106 km2，降幅達48.1%。

2）疏勒縣植被覆蓋空間變化存在時段性和區域性差異。2009—2013年植被覆蓋面積增加最顯著，增加了21.34%；塔合其鄉、亞曼牙鄉最東北部和阿拉甫鄉北部植被覆蓋大面積增加為最典型，阿拉甫鄉東南部荒漠區和疏勒縣城中度退化。1996—2017年疏勒縣植被覆蓋中心往東南荒漠區遷移，直線距離為1.92 km。

3）氣候變暖對研究區植被覆蓋度有一定的影響，短期內人類活動的影響更為直接。灌區改造高效節水、耕地開墾及林地種樹是疏勒縣植被覆蓋面積增加主要原因。但是草地和水域面積的降低對研究區長遠生態環境及可持續發展帶來一定的威脅。