巴音布魯克高寒草原植被覆蓋度時空格局及影響因素

吾甫爾·托乎提，呂田田，賽·巴雅爾圖，馮朝陽

1.新疆巴州生態環境局

2.北京市昌平區興壽學校

3.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室, 中國環境科學研究院

植被覆蓋度（fractional vegetation cover，FVC）是區域內植被垂直投影面積占地表面積的比例，能夠反映地表植被的繁茂程度，也是反映生態系統質量的重要指標之一[1-3]。對植被覆蓋度時空格局進行動態評測及影響因素分析，對于指導區域生態系統保護與恢復，改善地區生態系統質量，提升生態建設效率具有重要意義。

植被覆蓋度研究經歷了目測—儀器測量—遙感解譯的過程[4]，而目前使用較多的遙感解譯方式，雖然能縮短影像處理時間，提高工作效率，但僅從遠距離觀測，準確率有待提高[5-6]。陳艷梅等[7]通過分析MODIS數據與實測歸一化植被指數（NDVI）的關系，建立了預測呼倫貝爾草原植被覆蓋度的MODIS光譜模型，平均預測精度達到88.75%；楊峰等[8]基于Landsat TM遙感數據與實測數據，通過植被指數與植被覆蓋度的相關關系對天山北坡典型退化草地構建監測模型，研究結果較好，模型精度較高；呂聰等[9]建立了實測植被覆蓋度與MOD13Q1數據間模型，平均預測精度達到88.75%；關欣等[10]利用經驗模型和像元二分法，構建了精度較高的巴音布魯克草原植被覆蓋度模型（R2為0.837）。

掌握植被覆蓋度時空變異特征，探討人類活動和氣候因素對其的驅動作用，對評價、恢復和提升區域生態系統質量、功能具有重要意義。當前，基于NDVI或植被覆蓋度時空變化及其驅動因素識別等也成為生態質量研究的重要內容之一[11-16]。王建國等[17]運用一元線性回歸分析，研究了新疆最大植被覆蓋度年際變化趨勢，并通過對比植被、氣溫和降水的重心分布和演變軌跡，判斷了植被覆蓋度與氣溫和降水要素空間變化的相關性；穆少杰等[18]基于像元的空間分析法分析植被覆蓋度與各氣候因子的偏相關關系，結果表明，在年際水平上，內蒙古大部分地區植被生長與降水量呈顯著正相關，在月際水平上植被生長更依賴于水熱組合的共同作用；鄧偉等[19]基于2000—2010年MODIS EVI數據和氣候資料的研究表明，氣溫升高和充沛的降水量形成的溫濕水熱條件是長江中下游流域植被覆蓋狀況改善的主要原因；Ning等[20]通過偏相關分析發現，春夏季降水的增加是1998—2012年黃土高原北部地區NDVI增加的主要原因，退耕還林工程和煤礦基地環境治理的實施等是促進植被狀況改善的重要因素；Li等[21]基于GIMMS NDVI 3G數據和氣候因子的研究表明，不同土地利用方式下，氣候、地形和地理要素對黃土高原地區NDVI的獨立影響和綜合影響存在差異，不同土地利用方式下NDVI的空間分布主要受氣候要素組的驅動。

巴音布魯克草原是我國第一大亞高山高寒草原，近年來由于人類活動和全球氣候變化的影響，植被覆蓋度明顯降低。筆者采用線性光譜混合模型，對巴音布魯克草原2000—2020年植被覆蓋度時空格局及影響因素進行分析，以期為高寒草場的合理利用和生態保護修復提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

巴音布魯克草原地處天山南坡中段腹地，是我國最大的高山草原。區域面積約為23 835 km2，涉及新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州和靜縣西北部、新源縣和特克斯縣東部的部分地區。地形以山地和盆地為主，北部為小尤爾多斯盆地，中部為艾爾溫根烏拉山，南部為大尤爾多斯盆地，四周群山環繞，海拔為2 400～4 400 m。巴音布魯克草原全年積雪天數約160 d，年降水量小于400 mm，年平均氣溫為-5.5～-3.5 ℃，形成了干燥而寒冷的高寒山區氣候。高寒山地的氣候特點和獨特的盆地地貌類型使得巴音布魯克草原盆地內部河流常年受周邊高山冰雪融水的補給，是開都河、鞏乃斯河、渭干河3條河流的發源地，被稱為新疆的“三河源”。區內草地生態系統分布廣泛，主要優勢植被為柄囊薹草（Carex stipitiutriculataP.C.Li）、紫花針茅（Stipa purpureaGriseb.）及線葉蒿草〔Kobresia capillifolia(Decne.) C.B.Clarke〕等。

1.2 數據來源

MODIS NDVI數據選用 EOS-Modis/terra（http://lpdaac.usgs.gov/main.asp）中 16 d合成的MOD13Q1數據產品，數據格式為HDF，通過MRT（MODIS Reprojection Tool）軟件進行拼接和格式轉化，在ArcGIS 10.4軟件中進行裁切和重采樣得到。采用最大合成法選取研究區生長季（4—9月）NDVI最大值作為年NDVI。氣象數據主要包括年降水量和年平均氣溫，來源于國家青藏高原科學數據中心的中國區域地面氣象要素驅動數據集（1979—2018年），水平空間分辨率為0.1°，將其轉換為點數據，研究區內共涉及243個點位。高程（DEM）數據為SRTM地形數據，來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/），土地覆被類型來源于http://www.globallandcover.com/。為方便分析，統一將NDVI數據、DEM數據和土地覆被數據空間分辨率重采樣為250 m。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計算方法

采用線性混合光譜模型，測評巴音布魯克草原植被覆蓋度，計算方法如下[9]：

式中：FVC為估算的植被覆蓋度，%；NDVIm為MODIS遙感NDVI數據，取值為0～1。

2.2 植被覆蓋度時空變化趨勢分析

采用斜率趨勢分析法逐像元分析植被覆蓋度時間變化趨勢，計算公式如下：

式中: slopej為第j個像元的植被覆蓋度變化率；FVCij為第i年第j個像元的植被覆蓋度，%。

利用F檢驗進行顯著性檢驗，并根據檢驗結果將FVC變化趨勢分為如下5個等級：明顯增加（slope＞0，P≤0.01）、略微增加（slope＞0，0.01＜P≤0.05）、略微降低（slope＜0，0.01＜P≤0.05）、明顯降低（slope＜0，P≤0.01）、基本不變（slope=0 或P＞0.05）。

2.3 植被覆蓋度影響因素分析

植被覆蓋度受地形、氣象及土地覆被等多因素影響，選取海拔與坡向2個指標分別統計分析植被覆蓋度分布及變化特征；選取年降水量和年平均氣溫采用線性相關分析法分析植被覆蓋度與氣象要素的相關性；通過統計不同土地覆被的植被覆蓋度年值和土地覆被轉移情況，分析土地覆被變化對區域植被覆蓋度變化的影響。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時空格局

3.1.1 植被覆蓋度空間分布特征

2000—2020年巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布不均衡（圖1）。植被覆蓋度大于60%的區域面積為5 886.38 km2，占總面積的24.70%，呈面狀分布于研究區西北部和南部，位于新源縣東部、和靜縣西南部，涉及那拉提草原和大尤爾多斯盆地；植被覆蓋度為45%～60%的區域面積8 471.04 km2，占總面積的35.54%，呈片狀分布在研究區中部及東北部，位于和靜縣境內，涉及大、小尤爾多斯盆地及盆地邊緣；植被覆蓋度為15%～45%的區域面積7 737.23 km2，占總面積的32.46%，呈面狀分布在研究區東部和西部，位于和靜縣東部，涉及大尤爾多斯盆地東部和小尤爾多斯盆地；植被覆蓋度小于15%的區域面積較小，約1 740.34 km2，零形狀分布在研究區邊緣。

圖 1 2000—2020年巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布Fig.1 Spatial distribution map of the average FVC of Bayinbulak Grassland from 2000 to 2020

3.1.2 植被覆蓋度時間變化特征

2000—2020年巴音布魯克草原多年平均植被覆蓋度為46.19%，其中，2000年最高，為50.04%；2013年最低，為43.48%；21年間，區域植被覆蓋度呈現先降低后升高的變化趨勢，其中，2000—2010年年平均下降率為0.18%，2011—2020年平均增加率為0.17%，總體年下降率為0.093%（圖2），表明區域植被覆蓋度經歷了先退化后恢復的過程，但仍未恢復至歷史最好水平。

像元尺度上（圖3），2000—2020年巴音布魯克草原大部分植被覆蓋度基本不變，面積占比約為64.60%，主要呈面狀分布在中部地區。植被覆蓋度呈降低趨勢的面積占比高于呈增加區域，其中，明顯降低和略微降低的面積占比分別為15.43%和9.43%，呈面狀分布在中東部和北部，明顯增加和略微增加的區域面積占比僅為4.23%和6.31%，分散分布在研究區中部和西部邊緣。

圖 2 2000—2020年巴音布魯克草原植被覆蓋度年際變化Fig.2 Interannual variability of FVC in Bayanbulak Grassland from 2000 to 2020

圖 3 2000—2020年巴音布魯克植被覆蓋度變化等級空間分布Fig.3 Spatial change distribution of FVC change grade in Bayanbulak from 2000 to 2020

3.2 植被覆蓋度影響因素分析

3.2.1 地形

將研究區DEM數據以500 m為間隔，分為7個海拔區間，結果如表1所示。由表1可知，巴音布魯克草原平均植被覆蓋度隨著海拔升高逐漸降低。海拔1 500 m以下的植被覆蓋度最高，平均為65.92%；隨海拔升高，氣溫降低，植被生長所需要的熱量無法得到滿足，覆蓋度依次降低；海拔大于4 000 m時，由于氣溫很低，且大部分區域被冰川和永久積雪覆蓋，植被覆蓋度僅為8.82%。

2000—2020年，研究區不同海拔區間植被覆蓋度變化趨勢分析結果顯示（表1）：各海拔區間大部分區域的植被覆蓋度基本不變，海拔低于1 500 m和高于4 500 m的區域呈基本不變的面積占比分別為79.16%和72.40%。海拔為1 500～2 000 m的區域內植被覆蓋度呈降低趨勢的面積占比最高，分別有27.17%和14.72%的區域明顯降低和略微降低；海拔為3 000～3 500和3 500～4 000 m的區域內植被覆蓋度呈增加趨勢的面積占比最高，前者分別有9.82%和5.25%的區域明顯增加和略微增加，后者分別有9.39%和5.07%的區域明顯增加和略微增加。

將坡向分為陰坡和陽坡分析區域植被覆蓋度與坡向的關系。其中，西北、北、東北和東為陰坡；東南、南、西南、西為陽坡[22-23]。統計分析顯示，陽坡、陰坡平均植被覆蓋度分別為44.62%、47.62%。其中，坡向為北的植被覆蓋度最高，平均為49.67%，其次為東北，為48.05%，之后依次為西北、西、西南、東、南和東南，分別為47.97%、45.40%、45.22%、44.34%、44.18%、43.74%。結合海拔區間分析，發現0～15%的低植被覆蓋度主要分布在陰坡的高海拔區域，其中海拔高于4 000 m的陰坡植被覆蓋度僅為8.14%，這些區域氣溫低，冰川和永久積雪分布較廣泛；植被覆蓋度大于45%的區域主要分布在陰坡低海拔區域，低于1 500 m的陰坡植被覆蓋度為62.48%，這主要是由于海拔低，氣溫較高，且陰坡缺乏光照，因此蒸發量少，水分較充足。

3.2.2 氣象因子

基于氣象要素與植被覆蓋度的線性相關分析，結果表明，研究區大部分地區的植被覆蓋度與年降水量不顯著相關，少部分地區與當年降水量或上年降水量具有正相關關系。其中，約10.70%的地區植被覆蓋度與當年降水量呈正相關，集中分布在研究區中部和北部地區（圖4），僅有0.82%的地區與當年降水量呈負相關，約88.48%的地區與當年降水量不顯著相關。13.99%的地區植被覆蓋度與上年降水量呈正相關，主要分布在北部地區和中東部地區（圖4），其中2.47%的地區為極顯著正相關，11.52%的地區為顯著正相關，其他區域均為不顯著相關（表2）。

表 1 2000—2020年不同海拔植被覆蓋度及其變化情況Table 1 FVC and its changes in different elevation intervals from 2000 to 2020

圖 4 植被覆蓋度與年降水量相關關系空間分布Fig.4 Spatial distribution map of the relationship between FVC and annual precipitation

表 2 植被覆蓋度與氣象要素的相關關系統計Table 2 Correlation diagram of FVC with annual precipitation and annual average temperature %

研究區植被覆蓋度與年平均氣溫的線性相關性空間異質性較大，但大部分地區的植被覆蓋度與年平均氣溫不顯著相關（圖5）。統計數據顯示，8.23%的地區植被覆蓋度與當年平均氣溫呈正相關，主要分布在研究區東部地區，8.23%的地區植被覆蓋度與當年平均氣溫呈負相關，分布較為零散，其他地區不顯著相關。有11.11%的地區與上年平均氣溫呈正相關，主要分布在研究區中東部地區，5.35%的地區與上年平均氣溫呈負相關，分散分布在研究區南部邊緣，其他地區均不顯著相關（圖5、表2）。

圖 5 植被覆蓋度與年平均氣溫的相關關系空間分布Fig.5 Spatial distribution map of the relationship between FVC and annual average temperature

3.2.3 土地覆被

利用ArcGIS 10.4軟件將研究區土地覆被類型數據與多年平均植被覆蓋度進行提取分析，結果顯示，研究區耕地植被覆蓋度最高，為65.89%，這主要因為植被生長季，人類對耕地進行定期維護；其次為森林，植被覆蓋度為63.31%；之后依次為濕地、人造地表、草地、裸地，分別為54.92%、52.85%、49.89%和22.33%。

2000—2020年巴音布魯克草原土地覆被類型發生轉化的面積為4 917.16 km2，占研究區總面積的20.63%，其中主要為冰川和永久積雪轉換為草地、裸地等（圖6）。土地覆被類型轉化是研究區植被覆蓋度發生變化的重要原因，經統計，冰川和永久積雪轉化為草地的區域，有213.02 km2的區域植被覆蓋度顯著增加。冰川和永久積雪轉化為裸地的區域，有321.45 km2的區域植被覆蓋度顯著降低。

圖 6 2000—2020年巴音布魯克草原不同土地覆被轉移情況Fig.6 Change of different land cover in Bayanbulak Grassland from 2000 to 2020

3.3 討論

本研究通過對2000—2020年巴音布魯克草原植被覆蓋度進行測算，分析了其時空變化格局及與地形、氣象因子及土地覆被類型的關系，定性識別出巴音布魯克草原植被覆蓋度的變化原因。其他學者也對該區域植被覆蓋度進行過研究，如呂聰[9]對2001—2015年研究區植被覆蓋度時空格局中除2015年的植被覆蓋度偏高外，其他時段的變化趨勢與本研究結論基本一致。楊雅靜等[24]研究發現2000—2015年和靜縣植被覆蓋度下降，且與年降水量呈正相關，與本研究結論基本一致。植被覆蓋度時空分布是受多種自然因素和人類活動影響，本研究在氣象方面只選取了年降水、年平均氣溫與植被覆蓋度進行了單一要素的線性相關性分析，僅采用土地覆被變化代表了人類活動的影響，研究方法和結果具有一定的局限性。

4 結論

（1）巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布不均衡，總體呈西部高東部低的空間分布格局，植被覆蓋度大于45%的區域面積占比為60.24 %。2000—2020年，巴音布魯克草原植被覆蓋度先降低后升高，平均年下降率為0.093%，約64.60%的區域植被覆蓋度基本不變。植被覆蓋度隨海拔升高而降低，低植被覆蓋度（0～15%）主要分布在陰坡的高海拔區域，高植被覆蓋度（＞45%）區域主要分布在陰坡低海拔區域。

（2）研究區大部分地區植被覆蓋度與年降水量和年平均氣溫線性相關性不顯著，約10.70%的地區植被覆蓋度與當年降水量呈正相關，13.99%的地區與上年降水量呈正相關，8.23%和8.23%的地區分別與當年平均氣溫呈正相關和負相關，11.11%和5.35%的地區分別與上年平均氣溫呈正相關和負相關。

（3）各土地覆被類型中，耕地植被覆蓋度最高，為65.89%，其次為林地和濕地。土地覆被類型的轉化促進了植被覆蓋度的變化，冰川和永久積雪轉化為裸地的區域植被覆蓋度顯著降低，轉化為草地的區域明顯增加。