1990—2020 年麥蓋提綠洲植被覆蓋度時空演變特征及影響因素分析

鄧 江

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，烏魯木齊 830000）

植被帶是隔著綠洲與沙漠兩種生態環境的交錯帶，是生態平衡點及穩定性最脆弱的地帶［1］，極小的人為因素、自然因素的變化就會帶來一定的植被改善或退化，直接影響兩種環境的互相演變特征及變化過程［2，3］，因而計算植被覆蓋變化狀況對評估綠洲生態穩定性及演變特征具有一定的意義。目前，科學界利用歸一化植被指數（NDVI）像元二分模型及其他數學分析法監測植被覆蓋演變特征及驅動力的研究較多。王建國等［4］基于2000—2019 年MODIS/EVI 數據，利用像元二分模型監測新疆植被時空變化發現，全疆植被覆蓋度呈明顯上升趨勢；金凱等［5］基于近34 年GIMMS NDVI 3G 數據，利用變化趨勢、多元回歸殘差法研究氣候與人類因素對全國植被NDVI變化特征的影響發現，氣候和人類因素對植被NDVI 增加的貢獻率分別為40%和60%；吳霞等［6］基于寧夏2000—2015 年MODIS 數據，采用趨勢分析法研究寧夏植被覆蓋狀況發現，NDVI整體呈緩慢增長趨勢（0.008/10 年）。麥蓋提綠洲是典型的綠洲，屬溫帶大陸性沙漠干旱氣候景觀，生態環境穩定性低，修復能力脆弱，極小的氣候因素變化就會使沙漠綠洲發生變化。本研究利用NDVI 像元二分模型計算得到麥蓋提綠洲1990—2020 年植被覆蓋度空間分布解譯數據及演變規律，同時分析了綠洲植心遷徙特征、氣候和人為因素對綠洲植被覆蓋度的影響，以期為麥蓋提綠洲自然生態環境保護及生態修復政策的調節優化提供參考。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

麥蓋提縣位于新疆喀什地區中東部，又稱刀郎舞之鄉、刀郎羊之鄉，地處葉爾羌河流域中游，西部、北部分別被巴楚縣與莎車縣圍繞，南部、東部與世界第二流動沙漠——塔克拉瑪干大沙漠銜接，地跨77°27′14″—79°23′12″E、38°22′30″—39°24′52″N，行政面積為10 895.1 km2，行政周長為543.47 km，從西到東最長距離為166.23 km，從北到南最寬距離為115.86 km，地形南部高、北部低，海拔在1 050~1 317 m，平均海拔為1 128 m。麥蓋提縣轄2 個鎮、8 個鄉、2 個團、2 個林場、1 個水庫管理處，常住人口與人口密度分別為23.90 萬人與21.94 人/km2，主要流域分別為葉爾羌河、提孜那甫河，屬葉爾羌河流域和提孜那甫河沖積平原與溫帶大陸性干燥沙漠氣候，1990—2020 年年平均氣溫與年均累計降水量分別為12.27 ℃與62.91 mm，水資源只分布在西部葉爾羌河流域和提孜那甫河周圍，生態系統與自然環境自行修復能力脆弱，適合人類生存的綠洲面積約占總行政面積的1/4，其余3/4 面積屬塔克拉瑪干大沙漠的，本研究僅分析麥蓋提綠洲區域。

1.2 數據來源及預處理

以1990—2020 年8 月1—20 日（植被繁盛期）每10 年間隔1 期的4 個時期的少云、高質的Landsat 系數據作為本研究的主影像數據源（www.gscloud.cn/search/），其中1990 年是Landsat 5 數據，2000 年與2010 年是Landsat 7 數據，2020 年是Landsat 8 數據，path/ row（軌道行帶號）為148/33。采用ENVI 5.6、ArcGIS 10.8、Omap 地理系統軟件以及其他Office 子軟件進行計算與分析。與Landsat 系數據同期的1990—2020 年4 期土地利用和近31 年的麥蓋提縣站的降水量與氣溫數據從中國科學院官網（www.resdc.cn/）獲取。

2 研究方法與模型

2.1 NDVI像元二分模型

利用對植被最敏銳的NDVI像元二分模型估算麥蓋提綠洲的植被覆蓋度［7-9］，公式如式（1）與（2）所示。

式中，VFC為植被覆蓋度；fNDVI為浮點后的NDVI值；fNDVIs與fNDVIv分別為浮點后的裸地與全部覆蓋植被的NDVI 值；Bfr與Bfn分別為浮點后的紅外與近紅外像元亮度。全面分析與考察麥蓋提綠洲的植被分布、生長以及自然氣候等特征，本研究以NDVI 置信度的1%作為fNDVIs、99%作為fNDVIv。按照麥蓋提綠洲植被生長狀況與業界人士的研究經驗以及相關土壤侵蝕與植被分類分級標準，將麥蓋提綠洲植被覆蓋度分為一級（高）、二級（中）、三級（低）與四級（裸地）覆蓋，對應NDVI 取值范圍分別為（0.75~1.00］、（0.50~0.75］、（0.25~0.50］、［0~0.25］［10］。

2.2 植被平均覆蓋度

植被平均覆蓋度按照加權平均法的數學計算方法進行計算，進一步反映不同覆蓋等級的演變狀況。其中一級、二級、三級與四級覆蓋等級分別賦值為4、3、2 與1［11］。其計算公式如（3）所示。

2.3 影像相減對比法

為進一步全面分析麥蓋提綠洲植被覆蓋的空間動態演變狀況與特征，利用影像相減對比法計算1990—2020 年植被覆蓋度的變化量，計算結果為［-1，1］，結果正數、負數與0 分別代表改善、退化與未變化［12］。其公式如式（4）所示。

式中，ΔVFC、VFC_Y2、VFC_Y1分別為VFC變化量、下一期VFC與上一期VFC。依據ΔVFC將植被覆蓋分為一級改善（0.66~1.00］、二級改善（0.33~0.66］、三級改善（0~0.33］、未變化（0）、三級退化［-0.33~0）、二級退化［-0.66~-0.33）、一級退化［-1.00~-0.66）7 個等級。

2.4 植心遷徙模型

植心（植被覆蓋度中心縮寫）是不同覆蓋等級及不規則植被平面展布的中心，遷徙軌跡和變化方向可以描述并反映綠洲植被覆蓋的未來變化趨向［13］。其公式如式（5）、式（6）所示。

式中，VFC_E為某植被覆蓋等級的植心經度；VFC_N為某植被覆蓋等級的植心緯度；Xn與Yn分別為某等級VFC第n個像元的中心坐標；Sn為某植被覆蓋等級第n個像元的面積。

2.5 植被覆蓋強度與速度

利用定量評價的數學方法進一步分析綠洲植被覆蓋強度與速度，這兩個指數可以反映不同時段的覆蓋面積增長率與速率［14］，本研究以二者的絕對值進行分析，計算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，qFC、vFC分別為絕對植被覆蓋強度與速度；SFC_n與SFC_n-i分別為第n年和第n-i年的綠洲總植被覆蓋面積（一、二、三等級覆蓋面積之和）；Ti是時間間隔；ΔSFC_n-j為第i年到第j年的總覆蓋面積變化量。

2.6 自然因素相關分析

綠洲植被覆蓋度變化與自然因素具有密切的間接或直接關系，為了全面分析自然因素對綠洲植被覆蓋度變化量影響及相關度，利用數學統計分析法分析綠洲植被覆蓋度與自然因素之間的相關性［15］，其計算公式如式（9）所示。

式中，r為植被覆蓋度與自然因素之間的相關系數；VFC_i與分別為第i年的VFC影像值與研究期間的VFC平均值；Ni與分別為第i年的自然因素值與研究期間自然因素的平均值。r為正數表示二者呈正相關，反之為負相關；r越大，相關性越強，反之越弱。采用F檢驗法對相關系數進行顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 綠洲植被覆蓋的時空分布特征

3.1.1 綠洲植被覆蓋度空間分布特征及演變趨勢由圖1 可知，麥蓋提綠洲植被總體靠著葉爾羌河與提孜那甫河，綠洲內部到外側從一級覆蓋到三級覆蓋展布，綠洲西部四級覆蓋大面積片狀分布。

由圖2 可知，麥蓋提綠洲近31 年總植被覆蓋面積、NDVI年均值與植被平均覆蓋度整體均呈上升趨勢，三者線性擬合優度R2分別為0.764 2、0.843 1、0.940 5，其中植被平均覆蓋度擬合優度R2最大。近31 年NDVI 年均值與植被平均覆蓋度分別提升0.044 1 與0.101 7，增幅分別為91.7%與7.6%，其中NDVI 年均值提升近1 倍；總植被覆蓋面積變化存在較小的波動，2000 年最小（1 573.4 km2），2020 年最大（1 830.3 km2），增加了256.9 km2，增幅為16.3%。從不同時段總植被覆蓋面積統計結果分析可知，2000—2010 年麥蓋提綠洲總植被覆蓋面積增加最顯著，增加了162.0 km2，增幅為10.3%，1990—2000 年和2010—2020 年的增幅為分別為-3.5%和5.5%；1990—2020 年共增加了199.8 km2，增幅為12.3%。

圖2 1990—2020 年麥蓋提綠洲總植被覆蓋面積、NDVI年均值與植被平均覆蓋度變化

從圖3 可以看出，一級和二級覆蓋面積整體均呈增加趨勢，三級和四級覆蓋面積整體均呈減小趨勢。一級覆蓋面積的增加量較明顯（R2=0.819 8），由1990 年的443.5 km2增加至2020 年的695.1 km2，增加量為251.6 km2，增長了56.7%。二級植被覆蓋面積波動相對較?。≧2=0.790 1），2020 年比1990 年覆蓋面積增加了176.3 km2，增幅為52.9%。三級植被覆蓋面積呈連續減小趨勢，2020 年比1990 年覆蓋面積減小了228.1 km2，降幅為26.7%。四級植被覆蓋面積變化較小，與1990 年相比，2020 年減少了175.5 km2，降幅為2.5%。不同等級互相對比發現，三級植被覆蓋面積占綠洲總植被覆蓋面積比重較大，但是比重呈逐年減小趨勢。2020 年一級植被覆蓋面積占綠洲總植被覆蓋面積的比重最大，為38.0%。

圖3 1990—2020 年麥蓋提綠洲不同等級植被覆蓋面積變化

3.1.2 綠洲植被覆蓋的絕對空間變化特征 由圖4可知，麥蓋提綠洲植被覆蓋變化呈綠洲內部基本相對穩定、周圍沙漠銜接處及鄉鎮中心變化較明顯。結合麥蓋提綠洲植被覆蓋度空間分布發現，整體上未變化區主要是以一級、四級覆蓋為主，變化區主要是二級、三級覆蓋。1990—2000 年，除了兵團四十五團西北沙漠銜接開墾區和庫爾瑪鄉東北處明顯改善外，其余區碎片式大面積退化，其中改善區以一級改善為主，退化區以三級退化為主（表1）；2000—2010 年，改善區面積是退化區面積的1.5 倍，其中一級改善區面積比退化區合計面積大，昂格特勒克鄉、央塔克鄉、胡楊林場、尕孜庫勒鄉及兵團四十五團開墾區較明顯；2010—2020 年，昂格特勒克鄉、巴扎結米鄉中部呈片狀式退化趨勢，庫爾瑪鄉、兵團四十六團南區、兵團農三師前進水庫管理處大面積改善，其余區同時存在碎片式改善與退化，但是改善區面積大于退化區面積?？傮w來看，1990—2020 年麥蓋提綠洲整體以大規模改善為主，其中兵團四十五團開墾區和庫爾瑪鄉東北部最為典型；退化區除各鄉鎮碎片式展布退化外，麥蓋提鎮四周大面積退化也較為明顯?？偨Y以上分析發現，麥蓋提綠洲植被覆蓋空間變化具有單獨與共同存在時段性、區域性差異特征。

圖4 1990—2020 年麥蓋提綠洲植被覆蓋度空間變化

為進一步分析麥蓋提綠洲的植被覆蓋變化，對1990 年和2020 年不同等級植被覆蓋面積進行狀態轉移矩陣計算，結果如表2 所示。麥蓋提綠洲主要以四級覆蓋向三級和一級覆蓋轉移、三級覆蓋向二級和一級覆蓋轉移、二級覆蓋向一級覆蓋轉移、一級覆蓋向二級覆蓋轉移為主。其中，四級覆蓋向三級覆蓋轉移的面積為162.2 km2，占四級覆蓋轉移面積的2.4%；四級覆蓋向一級覆蓋轉移的面積為120.4 km2，占四級覆蓋轉移面積的1.7%；三級覆蓋向二級覆蓋轉移的面積為183.4 km2，占三級覆蓋轉移面積的21.6%；三級覆蓋向一級覆蓋轉移的面積為236.9 km2，占三級覆蓋轉移面積的28.0%；二級覆蓋向一級覆蓋轉移的面積為123.1 km2，占二級覆蓋轉移面積的37.1%；一級覆蓋向二級覆蓋轉移的面積為139.1 km2，占一級覆蓋轉移面積的31.4%。四級、三級、二級、一級覆蓋變化量分別為-175.5、-228.1、176.3、251.6 km2，四級和三級覆蓋面積都減小，一級和二級覆蓋面積增加。

表2 1990—2020 年麥蓋提綠洲各植被覆蓋面積等級轉移矩陣

3.1.3 絕對植被覆蓋強度與速度 按定量評價數學方法計算得到麥蓋提綠洲1990—2020 年絕對植被覆蓋強度與速度，結果如圖5 所示。1990—2000 年、2000—2010年、2010—2020 年和1990—2020 年絕對植被覆蓋強度與速度分別為0.3%/年與5.2 km2/年、0.9%/年與14.7 km2/年、0.5%/年與8.6 km2/年、0.4%/年與6.4 km2/年；絕對植被覆蓋強度與速度4 個時段變化趨勢一致，2000—2010 年二者都達到最大值，1990—2000 年最小。

圖5 1990—2020 年麥蓋提綠洲絕對植被覆蓋強度與覆蓋速度

3.1.4 植心遷徙分析 植心位置的變化與植心遷徙軌跡空間上可以反映出綠洲植被覆蓋度分布的時空演變趨勢及特征，計算結果如圖6 所示。近31 年麥蓋提綠洲植被覆蓋除四級覆蓋整體向東南方向遷徙（1.13 km）外，總植被覆蓋、一級覆蓋、二級覆蓋、三級覆蓋整體都向東北方向遷徙，直線遷徙距離分別為3.72、4.48、3.48、6.05 km。不同時段分析發現，2000—2010 年總植被覆蓋與三級覆蓋遷徙距離較突出（分別為1.74 km 和4.33 km），1990—2000 年二級覆蓋遷徙距離最大（1.65 km），2010—2020 年一級覆蓋遷徙變化明顯（2.55 km）。這個主要是因為麥蓋提鎮及周圍鄉鎮中心建設規模變大及不斷向外擴展，庫爾瑪鄉與45 團開墾區耕地面積的增加，致使麥蓋提綠洲的植被覆蓋迅速增加，植心大幅度向東北方向遷徙。

圖6 1990—2020 年麥蓋提綠洲不同等級植被覆蓋植心遷徙

3.2 植被覆蓋與自然因素和人文因素的關系

麥蓋提綠洲屬于典型的溫帶大陸性沙漠干旱氣候，降水量、氣溫等氣候因素變化和短期的人為因素都會給綠洲植被覆蓋帶來較大影響，但是短期內的為了社會、農業、經濟發展等人類因素對綠洲植被覆蓋變化帶來的影響更明顯且更直接。本研究分析了氣候因素與麥蓋提綠洲植被覆蓋度的相關性、人為因素對麥蓋提綠洲植被覆蓋度變化的影響。

3.2.1 植被覆蓋與氣候因素的相關性 麥蓋提綠洲年降水量、年均氣溫及其與綠洲總植被覆蓋面積、一級覆蓋面積、植被平均覆蓋度與NDVI 年均值的線性變化趨勢關系如圖7 所示。從圖7 可以看出，近31 年隨著年均氣溫的上升，年降水量也整體呈增加趨勢，綠洲總植被覆蓋面積、一級覆蓋面積、植被平均覆蓋度和NDVI 年均值與2 個氣候因素整體呈正相關。阿孜古力·斯買提［16，17］、張雪琪等［18］、王翠等［19］的研究發現，近60 年葉爾羌河平原綠洲降水量、氣溫都呈逐漸增加趨勢，致使帕米爾冰雪高山、低中山帶、平原區及全流域降水量增加，并加快了冰雪融化和增加以冰雪融水補給為主的葉爾羌河與提孜那甫河流域徑流量，因此氣候變化對麥蓋提綠洲植被覆蓋的影響間接表現在降水量與流域徑流量的增加。麥蓋提綠洲近31 年的年均氣溫與年降水量分別以0.053 9 ℃/年與0.849 9 mm/年的速度增加，這給依靠及依賴高雪山、冰山及中低山帶融水補給的葉爾羌河與提孜那甫河流域帶來了極大的水資源量，直接影響綠洲一級、二級、三級覆蓋度，并為綠洲與沙漠銜接處的稀疏植物、低等沙漠植被提供了相應的水資源，同時對綠洲生態環境及防止沙漠的擴展帶來巨大的貢獻，致使麥蓋提綠洲植被向沙漠方向大面積覆蓋，總植被覆蓋面積大幅度增加，防止沙漠侵襲綠洲。

圖7 1990—2020 年麥蓋提綠洲各植被覆蓋因素與年降水量、年均氣溫的變化趨勢關系

麥蓋提綠洲植被覆蓋度與降水量、氣溫等氣候因素相關性都以正相關為主，綠洲東部沙漠區域以負相關為主（圖8）。麥蓋提綠洲植被覆蓋度與降水量相關系數為-0.999 2~0.998 1，其中正相關區域占22.6%，主要以一級、二級、三級覆蓋為主，負相關區域占77.4%，主要以四級覆蓋為主。麥蓋提綠洲植被覆蓋度與氣溫相關系數為-0.998 7~0.999 9，其中正相關區域占24.9%，主要位于一級、二級、三級覆蓋的區域，負相關區域占75.1%，主要位于四級覆蓋的區域。

圖8 1990—2020 年麥蓋提綠洲植被覆蓋度與降水量（a）和年均氣溫（b）的相關性

3.2.2 綠洲植被覆蓋度與人為因素的關系 短期內的人為因素如建設、開發、城市規模擴大及其他人類活動對綠洲總植被覆蓋帶來的影響更明顯且更直接。圖9 為與麥蓋提綠洲總植被覆蓋同時段、同期的中國科學院影像數據進行矢量數據裁剪得到1990—2020 年的4 期六大類土地利用分布。由圖9可知，草地主要在綠洲與沙漠的銜接處呈大面積片狀分布，農田主要分布在綠洲內部，林地主要在綠洲內部呈碎散式及河流兩岸分布，水域與研究區概況水系分布基本相似，城市建設用地分布在麥蓋提鎮周圍，裸地（沙漠）在綠洲東部大規模片狀分布，綠洲東部塔克拉瑪干沙漠中間林地、草地到2010 年逐漸消失。

從麥蓋提綠洲1990—2020 年4 期六大類土地利用類型統計結果（表3）可知，綠洲農田規模呈連續增加趨勢，由1990 年的702.26 km2增加至2020 年的1 351.83 km2，增加了649.57 km2，增幅為92.50%；1990—2020 年林地規模減小了184.76 km2，降幅為77.41%；草地面積整體呈波動變化趨勢，2000 年規模最小，2010 年達最大，1990—2020 年整體減小了75.29 km2，降幅為4.45%；水域面積2000 年達最大，1990—2020年整體減小了28.67 km2，降幅為21.74%；城市建設用地規模不斷擴大，近31 年面積增加了28.39 km2，增幅為169.90%；裸地（沙漠）面積變化相對自身較小，但對比其他土地類型面積變化明顯，整體減小了387.67 km2，降幅為6.66%。農田與城市建設用地規模的變大及擴展促進了綠洲社會經濟和農業的發展。但是，對于水資源緊缺的沙漠綠洲而言，擠占沙漠綠洲生態灌水，且將易于開發的草地、林地轉換為耕地和城市建設用地，導致草地、林地規模的變小及退化，對沙漠綠洲產生破壞，嚴重影響了沙漠綠洲的生態修復。沙漠植被及沙漠與綠洲邊緣植被作為防沙治沙的重要手段及保護生態環境穩定的屏障，會引起沙漠化、荒漠化的加快及加劇，最終對綠洲未來各方面發展與葉爾羌河流域生態可持續安全帶來一定的威脅。

表3 1990—2020 年麥蓋提綠洲土地利用類型面積及占比

4 小結

1）1990—2020 年，麥蓋提綠洲總植被覆蓋面積不斷提高的同時，綠洲NDVI 年均值及植被平均覆蓋度也呈明顯升高趨勢。1990—2020 年綠洲總植被覆蓋面積增加了199.8 km2，增幅為12.3%。從不同等級植被覆蓋面積變化看，一級和二級植被覆蓋面積整體均呈增加趨勢，三級和四級植被覆蓋面積整體均呈減小趨勢。其中近31 年一級和二級覆蓋面積分別增加了251.6、176.3 km2，增幅分別為56.7%、52.9%；三級和四級覆蓋面積分別減少了288.1、175.5 km2，降幅分別為26.7%、2.5%。

2）麥蓋提綠洲植被覆蓋存在時段性、區域性差異特征。2010—2020 年綠洲植被覆蓋一級改善區面積增加最顯著，屬于典型的時段性變化；綠洲兵團四十五團開墾區和庫爾瑪鄉東北部改善最明顯，麥蓋提鎮四周大面積退化也較為明顯，屬于典型的區域性變化。整體主要以四級覆蓋向三級和一級覆蓋轉移、三級覆蓋向二級和一級覆蓋轉移、二級覆蓋向一級覆蓋轉移、一級覆蓋向二級覆蓋轉移為主。

3）1990—2020 年，麥蓋提綠洲絕對植被覆蓋強度與速度分別為0.4%/年與6.4 km2/年，二者4 個時段變化趨勢一致。麥蓋提綠洲31 年植被覆蓋除四級覆蓋整體向東南方向遷徙外，總植被覆蓋、一級覆蓋、二級覆蓋、三級覆蓋整體都向東北方向遷徙。

4）極小的氣候因素變化都會讓沙漠綠洲發生植被改善或退化，但是短期內的人為因素影響更明顯且更直接。麥蓋提綠洲植被覆蓋度增加主要原因是耕地開墾，而開墾的主要來源是天然林地、草地及其他灌木地，但以耕地面積增加擠占了沙漠綠洲天然植物生態灌水水資源，導致天然植被退化，嚴重影響了防沙治沙，威脅綠洲生態和諧平衡。