基于植被指數的昌吉州荒漠化時空變化監測與評價研究

馬靖 孫桂麗 禹明柱 冉亞軍

摘要：以新疆昌吉回族自治州荒漠化動態變化為研究對象，基于NDVI數據對植被動態變化、植被覆蓋率年際變化，開展荒漠化動態變化評價，結果表明：⑴2000 -2019 年植被指數呈現增加趨勢，昌吉州內低覆蓋植被面積最大，占比均值為45.09 %；中覆蓋植被和高覆蓋植被面積占比分別為20.70 %和22.69 %；較高覆蓋率植被面積占比為11.13 %；無植被面積占比均值最小，為0.39 %。⑵昌吉州輕度荒漠化面積在逐漸減少，中度荒漠化面積波動幅度較小，年度變化趨勢并不明顯；非荒漠化面積波動較大，年度變化呈現增長趨勢。⑶?2000-2019年，荒漠化總體上由中度向輕度荒漠化轉移，輕度荒漠化向非荒漠化轉移。⑷?2010 -2015 年間重度荒漠化區域增加較為明顯，主要集中在吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部平原區，從發生位置和時間來看，主要原因為2010 年開始的新疆準東經濟技術開發區的建設和發展，2015年后隨著荒漠化防治措施有效實施，重度荒漠化面積處于減少趨勢。

關鍵詞：昌吉州；荒漠化；植被；監測；評價

Monitoring and Evaluation of desertification change in Changji Prefecture based on Vegetation index

MA Jing^1，3， SUN Guili^1，2， YU Mingzhu¹， RAN Yajun¹

（1. College of Forestry and Horticulture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi ?830052，?Xinjiang， China; 2. Key Laboratory of Forestry Ecology and Industrial Technology in Arid Areas， Urumqi ?830052， Xinjiang， China;?3. Changji Hui Autonomous Prefecture Forestry and Grassland Technology Extension Center， Changji 830001， Xinjiang， China）

Abstract：This study takes the dynamic change of desertification in Changji Hui Autonomous Prefecture of Xinjiang as the research object， combines the dynamic change of water resources over the years， and evaluates the dynamic change of desertification based on NDVI data to the dynamic change of vegetation and the interannual change of vegetation coverage. The results show that： （1） Vegetation growth showed a better trend from 2000 to 2019， and the area of low-cover vegetation in Changji prefecture was the largest， accounting for 45.09 % on average. The proportion of medium cover vegetation and high cover vegetation was 20.70% and 22.69%， respectively. The vegetation area with high coverage rate accounted for 11.13 %; The average proportion of non-vegetation area is the smallest， which is 0.39 %. （2） The area of mild desert area in Changji prefecture decreased gradually， while the area of moderate desertification area fluctuated less， and the annual change trend was not obvious. The area of non-desertification area fluctuates greatly and the annual change shows an increasing trend. （3） From 2000 to 2019， there was a shift from moderate desertification to mild desertification， and mild desertification to non-desertification. From 2010 to 2015， the areas of severe desertification increased significantly， mainly in Jimusar County， Qitai County， and the northern plain area of Mulei Kazakh Autonomous County. From the perspective of location and time， the main reason is the construction and development of Zhundong Economic and Technological Development Zone in Xinjiang since 2010. After 2015， with the effective implementation of desertification control measures， The area of severe desertification is decreasing.

Key words：?Changji Hui Autonomous Prefecture; Desertification; Vegetation; monitoring; Evaluation;

荒漠化是一個世界性的生態環境問題，與人類社會發展可持續發展關系密切。氣候發生改變和人為因素造成的各類干旱和半濕潤地區的土地沙化現象稱為荒漠化。多種因子聯合作用造成荒漠化土地形成，荒漠化分析評價涉及多個因素，同一因子在分析過程中也有許多方法。荒漠化綜合分析評價的因子主要有人為活動、動植物、自然資源、土地等，常用指標主要有土壤濕度、風沙、植被、生物量、降水利用率等^[1]。由于研究區域面積較大，風沙指標、降水利用率測量難度較大^[2]。本研究綜合考慮昌吉州荒漠化及生態環境具體情況，采用植被指數分析和水資源變化情況，進而對荒漠化進行綜合評價?；哪瘯茐耐寥赖纳a能力，破壞草場農田，對農牧業生產帶來危害，縮小人類生存空間^[3]。古爾班通古特沙漠橫穿昌吉州東西，由于主風向作用，準噶爾盆地南緣活化沙丘每年以0.5-2.5m的速度向綠洲擴展，昌吉州荒漠化防治任務非常緊迫。近年來，對北部荒漠區的開發利用對生態環境造成影響是值得關注的問題。因此，對昌吉州荒漠化進行綜合評價，有助于加深對昌吉州荒漠化發展態勢認識，同時也可為昌吉州荒漠化防治和生態修復提供決策參考。

1 研究區概況

昌吉回族自治州地處新疆維吾爾自治區天山山脈北麓，準噶爾盆地東南部。昌吉州被新疆首府烏魯木齊市從南、東、西三面環抱^?[4]。

1.1 地形地貌

昌吉回族自治州地貌北低南高，由東南方向西北方偏斜，南面為天山山地，北面為準噶爾盆地和古爾班通古特沙漠，中間地域則位于天山山地和沙漠盆地之間，由地表徑流沖積、洪積等組成，整體地貌相對平緩、水土環境比較良好。昌吉州東部可分為4 個地貌單元：天山山地、傾斜平原、沙漠盆地、北塔山山地。最高點位于南部天山山地，海拔5 022 m，最低點位于北部盆地中心丘河， 海拔241 m^[5]。

1.2 氣候

昌吉州為典型的大陸性干旱氣候。具有冬季嚴峻、夏季酷暑、晝夜溫差變化大的特點。往年平均氣溫為6.9 ℃，最高極端氣溫44.4 ℃，出現在7 月，極端最低氣溫-42.6 ℃，出現在1 月。1 月平均溫度為-15.0 ℃，7 月平均溫度為23.3 ℃。自然降水分布不均，年降水較少，在217.2 mm，主要集中在4-8 月。春夏季日照充足，多大風，氣候干燥，年平均蒸發量為1 834.2 mm，年日照時數在2 550.6 h，無霜期為176 d。天山山區年平均氣溫2.3～5.7 ℃，年降水量344～572 mm。平原冬冷夏熱，年平均氣溫5.5～8.0 ℃；年降水量154～238 mm，受季節影響，5 月、7 月份降水量為全年最多，占全年降水量的26～30 ％。年平均蒸發量1 607～2 162 mm，蒸發最大的6、7 月份在190～340 mm之間，12 月、1 月份最小，為6～28 mm。年日照時數2 342～2 680 h，日照時數以5～8 月份最多，月平均日照時數在300～320 h之間^?[6]。

1.3 水文

昌吉州常年有水的河流共35 條，地表水資源量29.3×10⁸m³，地表水資源可以利用量24.78×10⁸m³，其中昌吉州屬地表水資源可利用量19.567×10⁸m³占79 %，兵團屬地表水資源可利用量5.214×10⁸m³占21 %，地域分布為西多東少；地下水補給量14.86×10⁸m³，可開采量11.927×10⁸m³，其中昌吉州屬開采量9.14×10⁸m³。根據昌吉回族自治州近年來國民經濟和社會發展統計公報顯示，2016 年、2017 年、2018 年、2019 年、2020 年實際用水量總量分別是30.46×10⁸m³、28.83×10⁸m³、27.73×10⁸m³、26.22×10⁸m³、25.48×10⁸m³。2021 年全州水資源可利用量25.20×10⁸m³，實際用水量達到25.28×10⁸m³，其中用于人工生態環境補水的僅有0.74×10⁸m³。全州建有水庫92 座，總庫容量為6.05×10⁸m³，主要用于農業、工業和生活用水，生態用水主要依靠開采地下水^[7]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究區行政區劃示意圖和高程分布圖使用到的資料下載自中國科學院地理科學與資源研究所資源環境科學與數據中心：https：//www.resdc.cn。下載的數據用ARGIS軟件進行裁切、投影后進行分析和制圖表達。

鑒于研究區位于干旱地帶，植被總體生長狀況較差，本文選擇了植物生長相對較好的第二季度作為代表時段，因此本文采用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年6至8 月NDVI最大值合成數據，空間分辨率為1 km。該數據下載自中國科學院地理科學與資源研究所資源環境科學與數據中心：https：//www.resdc.cn。該產品為NDVI單波段數據，可直接用于研究分析和制圖表達。

2.2 研究方法

2.2.1 植被動態變化

對于植被動態變化的研究方式有很多，其中比較常見的表示植被狀況的有植被指數和植被覆蓋率^[8-10]，其中植被指數又可分為眾多類型，其中，歸一化差異植被指數（NDVI）使用最為普遍，它能較好地反映地表植被的生長發育情況，因此本文采用NDVI數據對研究區的植被變化進行研究。

歸一化差異植被指數（NDVI）的計算公式如下：

NDVI值一般在-1到1之間，負值表示地表覆蓋有云、水、雪等；0表示地表為巖石或裸土等；正值則表示有植被覆蓋，且隨數值增大而增大。一般情況下，NDVI值越高，則表示植被長勢越好；NDVI指數越低，則表示植被長勢越差。

2.2.2 植被變化趨勢

本文利用一元線性回歸趨勢分析方法對研究區的植被變化趨勢進行了分析。該方法是對研究時段（2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年的6至8 月）的NDVI均值求斜率，可以體現出每個柵格面積的變化趨勢。該方法計算公式^[11]為：

該方法相較于趨勢圖的不同在于它可以反映每個柵格面積的多年變化趨勢，而不是將研究區作為一個整體，因此它可以反映研究區多年變化趨勢的空間分布。

2.2.3 植被覆蓋率的年際變化

植被覆蓋率是指一定面積內植被的垂直投影面積與該區總面積的比值^[12-22]。根據已有的NDVI值可以計算研究區的植被覆蓋率（VCF），計算公式^[23-24]如下：

公式中：NDVI_S表示無植物覆蓋像元的NDVI值，而NDVI_v表示完全被植被覆蓋像元的NDVI值。NDVI_S和NDVI_v會由于不同區域（土壤類型、植被類型等）和不同時期而產生改變，一般依據經驗采用研究區域內NDVI的最小值和最大值。

通過公式（3）可以得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年植被覆蓋率的分布情況。本文參考張鈺琦^[25]的植被覆蓋率區間劃分標準，并依據研究區域的實際狀況，按植被覆蓋率分為無植被區（0～3%）、低覆蓋植被區（＞3～20%）、中等覆蓋植被區（＞20～40%）、較高覆蓋植被區（＞40～60%）、高覆蓋植被區（＞60～100%）。

2.2.4 荒漠化類型分區

荒漠化評價中植被通常為一項重要的指標，昌吉州地處大陸干旱區，干旱缺水，沙塵天氣常見，本文使用植被覆蓋率對昌吉州荒漠化類型進行分區。本文參考張鈺琦的荒漠化分級指標體系，因研究范圍為昌吉州全域，區域范圍較大，且北部多分布稀疏灌木，結合昌吉州實際情況，制定了昌吉州荒漠化劃分標準為重度荒漠化（植被覆蓋度＜4%）、中度荒漠化（植被覆蓋度4%～＜30%）、輕度荒漠化（30%～＜50%）、荒漠化（＞50%）。

2.2.5 荒漠化土地變化速率

計算荒漠化土地變化速率使用的公式^[26]如下：

3 結果與分析

3.1 昌吉州植被多年動態變化

3.1.1 植被指數的年際變化

為了更好地反映研究區植被情況，本文選取了2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2019 年共計5 年的NDVI數據。因為最新的NDVI6-8 月的數據目前只更新到2019 年，所以最后一個年度選取了2019 年。收集到的數據經ARCGIS裁切、投影和制圖表達后制作如下分布圖1。一般情況下，NDVI值越高，則表示植被生長狀況越好，NDVI值越低，則表示植被生長狀況越差。從圖中可以看出，昌吉州北部植被生長相比南部較差，山區植被生長發育好且覆蓋面積廣，中部平原植被生長發育較好區域主要集中在農區。經調查和驗證，昌吉州北部為大面積戈壁荒漠，主要生長有梭梭、檉柳等耐旱型灌木。山區及山前平原主要生長有云杉、楊樹等闊葉喬木和其他耐寒型植被。中部農區主要生長有農作物和闊葉喬木。另外，全州內也有零星分布的NDVI高值區，這些區域一般生長有芨芨草和堿蓬等喜水或耐鹽堿植物。

昌吉州2000 年至2019 年NDVI變化趨勢如圖2。從圖中可以看出，全州NDVI均值處于中等偏下水平，表明整體植被生長一般。2000 年NDVI均值最小，為0.27，2010 年NDVI均值最大，為0.37。雖然在20 年內全州NDVI均值有波動變化，雖然變化幅度較小，但總體處于上升趨勢。為了更深入了解平原和山區的變化，使用DEM數據以1500 m為界分別對平原和山區NDVI取均值，得到了不同分區的NDVI均值年際變化趨勢。

本文利用一元線性回歸趨勢分析方法對研究區的NDVI均值求斜率，當Slope＞0，表明該區域NDVI整體呈現增加趨勢，植被長勢變好；當Slope=0，表明NDVI值在20年內幾乎沒有變化，可認為植被狀況保持不變；當Slope＜0，表明NDVI整體下降，植被長勢變差。得到的結果如圖3。

Slope值越高，表示植被長勢越好，Slope值越低，表示植被長勢越差。從圖中可以看出，昌吉州內植被變化趨勢呈現明顯的地域分布，平原農區植被長勢變好，幅度大；山區及山前平原植被總體也在變好，幅度較大；北部平原植被長勢也在逐漸變好，幅度較小。此外，部分中原地區和山區也存在植被變差區域。經統計，研究區內30 %（21 858.77 km?）的區域Slope＞0，25 %的區域（18 844.96 km?）Slope＜0，45 %（33 210.93 km?）的區域Slope=0。從上述統計結果可以看出整個昌吉州植被長勢變好的區域面積大于植被長勢變差區域，且Slope最大值為0.2008，最小值為-0.1152，表明研究區域內植被長勢變好的幅度大于長勢變差的幅度。整體來看，昌吉州在2000 年至2019 年間植被長勢整體變好。

3.2.2 植被覆蓋率的年際變化

本文采用各個時段的研究區內植被NDVI的最小值和最大值為NDVI_S和NDVIv。

通過公式（3）可以得到各年度植被覆蓋率分布情況，結合昌吉州實際情況，按表2-2對植被覆蓋率進行了劃分，得到5 個年度的分布情況。如圖4所示。

通過對不同覆蓋率分區進行分析統計，結果見表1?？梢钥闯觯輧鹊透采w植被面積最大，占比均值為45.09 %；中覆蓋植被和高覆蓋植被面積占比分別為20.70 %和22.69 %；較高覆蓋率植被面積占比為11.13 %；無植被面積占比均值最小，為0.39 %。

從表1可以看出，2010 年無植被區和低覆蓋率植被面積較其它年度最小，較高覆蓋率植被面積和高覆蓋率植被面積較其它年度最大，主要原因為昌吉州2010 年氣候異常，全年降水量異常偏多，達到397.5 mm，屬降水豐水年份。2010 年末全疆各類大中型水庫蓄水總量78.31×10⁸m³，比上年末增蓄16.38×10⁸m³，增幅達26.4 %。這導致昌吉州南部的低覆蓋度區域植被覆蓋度明顯增加。

無植被區面積在2010 年至2015 年期間有所增加，主要集中在吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部平原區，增加的主要原因有：

（1）新疆準東經濟技術開發區建設。2010 年底自治區設立了自治區級新疆準東煤電煤化工產業園區，2012 年國家批準設立了國家級經濟技術開發區。開發區橫跨吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣，東西長約200 km，南北寬約60 km。工業設施建設、園區建設、煤炭開采、路網建設等使建設用地增加，植被覆蓋度降低。

（2）2015 年至2021 年期間，昌吉州北部因缺水導致大量楊樹和榆樹死亡，同時在原有土地上補種了梭梭、檉柳等灌木。沙漠地區植被比較分散，只有少量可見光及近紅外光反射，NDVI值變化不明顯，因此2015 年左右NDVI數據不能明顯反映出昌吉州北部平原植被生長狀況。

（3）南部山區無植被區面積增加的主要原因為2010 年至2019 年昌吉州降雨量不斷減少，導致南部山區草場不斷退化。

將表3-1數據制成的柱狀圖如下（圖5），從圖中可以很明顯看出每個年度各類植被區面積占比以及年度之間的變化趨勢。

從表1可以看出，無植被區、低覆蓋區和高覆蓋區面積呈現增加趨勢，中覆蓋和較高覆蓋區面積在逐年減少。經分析得知，較高覆蓋植被區有一部分區域轉化為高覆蓋植被區、低覆蓋植被區有一部分區域轉化為無植被區、中覆蓋植被區一部分區域轉化為低覆蓋植被區。雖然各類型區域之間存在轉換關系，但總體比較平穩。

3.3 基于植被指標的荒漠化分區

基于植被覆蓋率的荒漠化分類標準對2000 年至2019 年的研究區進行荒漠化分級，結果如圖5。

從圖5中可以看出，重度荒漠化主要分布在昌吉州東北部；中度荒漠化主要分布在中部平原區；輕度及非荒漠化區域主要分布于山區、山前平原以及平原農區。

對各年荒漠化分區進行統計，結果見表2。中度荒漠化區域面積相對最大，維持在33 000-46 000 km?；占比46 %-63 %；非荒漠化區域面積維持在17 000-28 000 km?，占比22 %-38 %；輕度荒漠化區域面積變化不大，維持在7 000-11 000 km?，占比10 %-16 %；重度荒漠化區域面積波動較大，從18 km?到1 900 km?不等，占比0 %-0.03 %。2010 年重度荒漠化面積最小，僅為18.08 km?，非荒漠化面積最大，達28 315.17 km?，主要原因為2010 年降水量異常增多（圖5），較2000 年、2005 年、2015 年、2019 年度豐沛，植被長勢較好，荒漠化面積變小。

對比2010 年和2015 年數據，重度荒漠化區域面積呈現較大增幅，從18.08 km?增長至1 994.46 km?，增加的主要原因為自2010 年起，吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘哈薩克自治縣北部區域呈現明顯的工業建設活動。2012 年，國家正式批準并設立了新疆準東經濟技術開發區。該開發區以煤炭、煤電、煤化工為主要能源產業。大量的煤炭開采導致該區域地下水位不斷下降，再加上降雨量不能滿足正常植物所需水分，導致土地沙化加重，地表植被面積不斷減少。通過影像和NDVI數據比對發現，2015 年重度荒漠化增加區域與開發區位置高度重合，進一步證實了昌吉州北部重度荒漠化面積增加與開發區建設有直接關系。

對比2015 年和2019 年數據，輕度荒漠化區域面積減小，中度荒漠化區域面積增大，主要原因為氣候干旱和地下水位下降，根據昌吉州林草管理部門2021 年6至9 月的實地調查數據顯示，2015 年以來，昌吉州防護林因氣候干旱、地下水位下降及林木管護措施不到位等原因，枯死面積達14.46 km²，昌吉州北部荒漠灌木林受到降水量減少（見圖9）和地下水位下降等原因也發生了退化和死亡。重度荒漠化區域面積變化不大，均呈現輕微下降趨勢，說明昌吉州為應對土地荒漠化制定和實施的封禁保護、荒漠化防治、專項整治等防沙治沙措施取得了積極有效的作用，在堅決遏制重度荒漠化的基礎上，降低了重度荒漠化區域的面積。

由表2可以看出，重度荒漠區域面積波動相對較大，年度變化趨勢非常明顯；輕度荒漠區域面積在逐漸降低，中度荒漠化域面積波動幅度較小，年度變化趨勢并不明顯；非荒漠化區面積波動較大，年度變化呈現上升態勢。從數據上分析，昌吉州大部分區域荒漠化程度在逐漸好轉，北部平原地區荒漠化程度在2015 年后逐漸降低。

3.4 基于植被指標的荒漠化土地變化速率

本文以2000 年和2019 年為開始節點和終止節點，分析并計算荒漠化土地新增速率和轉移速率，繪制了荒漠化土地的變化情況分布圖（圖6），統計并測算了荒漠化土地變化面積及變化速率（表3）。

從圖6和表3可以看出，有3 981.80 km?其他類型土地轉移至非荒漠化土地，并逐漸向山前平原、中部農區擴張；轉移面積最大的為輕度荒漠化土地，為5 631.90 km?，主要轉移至非荒漠化土地；中度荒漠化土地共轉移面積3 880.46 km?，主要轉移至輕度荒漠化土地和重度荒漠化土地。

由圖6進一步可以看出，昌吉州荒漠化情況總體上由中度荒漠化向輕度荒漠化轉移，輕度荒漠化向非荒漠化轉移，說明昌吉州整體荒漠化程度這20 年間在逐漸好轉。重度荒漠化土地雖然有新增，但通過植被覆蓋率年際變化結果共和荒漠化分區結果可以得知，增加的時間主要集中在2010 年以后，增加的主要原因為新疆準東經濟技術開發區的成立和發展建設，大量的基礎設施建設和煤炭開采導致地下水位下降，地表植被面積減少，引起的結果就是重度荒漠化區域面積增加。

表3進一步表明了各類型土地的年均變化速率。非荒漠化土地面積新增和轉移速率差值為0.86 %，相對于其他類型土地來說其保持相對穩定；輕度荒漠化和中度荒漠化土地面積年均變化速率分別為3.97 %和0.76 %。重度荒漠化土地面積年均變化速率雖然最高，達到35.02 %，但其一方面基數相對于其他類型土地要小很多，其次從2015 年后隨著防沙治沙治理，重度荒漠化面積有逐漸減少的趨勢。

4 結論

通過對昌吉州5 個年度NDVI數據進行分析，利用一元線性回歸趨勢分析方法對研究區的NDVI均值求斜率，并根據分析結果研究昌吉州2000 年至2019 年植被覆蓋變化，發現昌吉州植被長勢呈現變好的趨勢?；谥脖桓采w率的荒漠化劃分標準，將昌吉州按照非荒漠化、輕度荒漠化、重度荒漠化、重度荒漠化進行區分，經過對各類數據分析得出，2015 年左右昌吉州北部荒漠化加劇，重度荒漠化面積增加，但在2015 年后隨著防沙治沙措施有效實施，昌吉州重度荒漠化面積處于減少趨勢。說明昌吉州實施的各項政策措施可行有效。

通過對2000 年和2019 年荒漠化土地數據進行疊加分析，得到各類型荒漠化土地的新增、轉移和未變化范圍，通過公式計算得到荒漠化土地新增速率和轉移速率，通過對疊加結果和計算結果分析得知，昌吉州整體荒漠化程度在好轉。2015 年至2019 年期間昌吉州重度荒漠化區域面積呈現下降趨勢，從1 994.46 km?降至1 946.26 km?，說明昌吉州為應對土地荒漠化制定和實施的各項防沙治沙措施取得了積極有效的作用，在堅決遏制荒漠化的基礎上，降低了重度荒漠化區域的面積。

通過對2000 年至2019 年降水趨勢線來看，昌吉州年降水量在這20 年中總體呈現下降趨勢。降水量的減少是昌吉州林地退化、荒漠化土地面積增加的主要因素之一。通過對用水量數據分析，昌吉州地下水超采嚴重，但隨著昌吉州通過一系列水資源管理制度的實施，2014 年至2019 年昌吉州水資源開采總量特別是地下水開采量在逐年下降。

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