基于Landsat影像的伊犁河流域草地地上生物量演變分析

摘要：【目的】分析伊犁河流域草地地上生物量（Above ground biomass，AGB）的演變，為合理利用該草地提供科學依據?！痉椒ā坎捎?990＼～2022年Landsat數據與實測數據相結合，構建伊犁河流域草地AGB反演模型，分析該流域及流域內10個縣（市）草地AGB時空演變特征及其穩定性，并運用趨勢分析和 F 顯著性檢驗揭示草地的歷史演變規律。【結果】在建立的回歸模型中，二次函數反演模型精度最高，其驗證精度為7 1 . 2 2 % ，可用于伊犁河流域草地AGB反演;在時間變化上，1990＼～2022年伊犁河流域草地AGB呈現波動增加趨勢，從1990年的 增加到2022年的 ，增長速率為 ，其中新源縣增加速率最快，為 ;霍爾果斯市增加速率最慢，為 。在空間變化上，東部新源縣、尼勒克縣，南部鞏留縣、昭蘇縣及北部伊寧縣偏高，西部霍城縣、察布查爾錫伯自治縣偏低的分布格局;在變化趨勢上，伊犁河流域草地AGB主要以改善為主，占草地總面積的 5 9 . 6 7 % ?！窘Y論】近33年來伊犁河流域草地AGB呈現出“大部改善，局部穩定，少量退化”的狀態，氣候的“暖濕化”以及草地保護的完善為草地AGB的改善提供了有利條件。

中圖分類號：S812 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2025）02-0463-11

（1.新疆農業大學草業學院/新疆草地資源與生態重點實驗室/西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室，烏魯木齊830052;2.伊犁哈薩克自治州草原工作站，新疆伊寧835000;3.伊犁哈薩克自治州林業和草原局，新疆伊寧835000）

0引言

【研究意義】草地地上生物量（Abovegroundbiomass，AGB）不僅可反映植被的生長狀況、表征草地的生產潛力和載畜能力[1]，亦是陸地生態系統碳庫的主要組成部分[2，在草地生態系統中起著重要作用[3]。遙感技術的發展為草地AGB的研究提供了新的方法[4]，具有重復周期短、覆蓋范圍廣、數據源豐富、節約成本等優勢，在草地AGB動態監測中得到了廣泛應用[5]。常用的遙感數據源有Modis、Landsat等，其中Landsat空間分辨率更高，能夠更準確地反演地面參數并體現其空間變化規律[6]，在草地AGB 監測中較廣泛的應用[7-9]。研究草地AGB 的演變，對于解釋草地植被變化、制定適宜的草地載畜量、分析及評價區域生態環境具有重要意義[10-i]。【前人研究進展】目前，關于草地AGB的研究多集中在不同區域的時空分布特征和趨勢分析等方面。前者基于長時序數據，對不同區域內的草地AGB時空變化進行分析，受自然因素與人為因素的影響，時間上呈現波動增加或減少的變化規律[5，12-13]，空間上呈現出不同的分布格局[14-15]。后者則采用趨勢分析法，利用長時間序列數據進行回歸分析，研究不同像元內草地AGB的變化[16]，其結果可以闡明一定時間內，該區域內的草地是處于改善、退化還是穩定的狀態[17-19]。【本研究切入點】伊犁河流域東、北和南三面環山，草地植被發育良好，類型豐富，是新疆優質畜牧業生產基地。但目前草地無論在數量上，還是質量上均出現一定程度的退化[20-22]。需研究伊犁河流域草地 AGB 時空演變。【擬解決的關鍵問題】基于Landsat影像并結合實測數據建立反演模型，得到伊犁河流域1990～ 2 0 2 2 年生長期最大草地AGB數據集，采用回歸分析、變異系數法分析伊犁河流域草地AGB時空演變特征及其空間穩定性，并采用slope趨勢分析和 F 檢驗分析探討其草地AGB演變規律，為了解伊犁河流域草地生長狀況及變化趨勢提供依據。

材料與方法

1.1 材料

1. 1. 1 研究區概況

伊犁河流域位于伊犁哈薩克自治州（ E～ E， ，流域面積 。流域內多種地貌類型并存，地勢東高西低，東窄西寬，最高海拔 ，最低海拔 5 3 2 m 。受地貌影響，流域內降水豐富，形成了西北干旱半干旱區獨特的“濕島”氣候。年均氣溫 ，年均降水量 。由于流域整體較為濕潤，植被發育良好，是我國西北部重要的農牧業基地[23] 。

1. 1.2 實測數據

地面實測樣本數據于2022年8月野外獲取。樣地及樣方布設采取典型取樣法在樣點附近選取符合整體樣地特征和未被家畜采食地區布設，總計布設321個樣地。其中，在以草本、半灌木及矮小灌木為主的樣地內布設3個 1 m × 1 m 的樣方；在以灌木及高大草本植物為主的樣地內布設1個 的灌木及高大草本植物樣方和3個1m× 1 m 的草本、半灌木及矮小灌木樣方。采用齊地面劉割法，分種測定植物地上生物量鮮重，總計963個樣方。

1. 1.3 遙感數據

基于GoogleEarthEngine（GEE）遙感云計算平臺得到研究區 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年Landsat 3 0 m 逐年4＼～10月歸一化植被指數（NormalizedDiffer-enceVegetationIndex，NDVI）最大值數據集。該數據集是基于美國陸地衛星Landsat5、landsat8和Landsat9遙感影像，利用最大值合成法計算得到的。

1.2 方法

1.2.1 AGB模型的建立

采用 70 % 的樣地建立模型， 30 % 的樣地用于精度驗證。利用ArcGIS提取各樣本點的 N D V I 建立生物量的線性及非線性反演模型，5種模型為線性函數模型（ y = a x + b ）、二次函數模型（ y = ）、指數函數模型 ）冪函數模型 ）及對數函數模型（ 。

1.2.2 精度驗證

選取平均相對誤差（ ）、均方根誤差（RMSE）、估算模型精度（Accuracy）評價模型精度。

式中， n 為樣本數， 為實測生物量， 為實測生物量的平均， 為估測生物量。

1.2.3 AGB時空演變

（1）草地AGB時空變化特征

將研究期劃分為 1 9 9 0 ～ 1 9 9 5 年 . 1 9 9 6 ～ 2 0 0 0 年 . 2 0 0 1 ～ 2 0 0 5 年 年 年和 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年6個時間段，利用ArcGIS波段集統計處理其數據集，分析其草地AGB空間變化。

（2）AGB變異系數

利用變異系數（CoefficientofVariation， C V ） 描述 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年草地AGB的相對波動程度[24]

式中， C V 是變異系數， σ 是標準差， 是AGB的平均值。

用聚類分析將變異系數劃分為小、較小、中、較大和大 個波動等級。表1

1.2.4 AGB變化趨勢

利用slope趨勢分析及 F 檢驗分析草地AGB在時間尺度上的變化趨勢，其中slope表示研究區每個像元內草地AGB的變化趨勢。當 s l o p e gt; 0 時，表示該像元內草地AGB呈增加趨勢；反之，則表示該像元內草地AGB呈退化趨勢，計算公式[21]及趨勢劃分[26]。表4

（5）

式中， i 為年序號， 為第 年的 A G B 值， n 為樣本量。slope是 A G B 在研究時間內的變化率。表2

2 結果與分析

2.1 草地生物量反演

研究表明，NDVI的二次函數模型最佳，其均方根誤差（RMSE）和平均相對誤差 （ R E ） 均為最小，分別為 和 1 . 1 4 % ；決定系數 和精度最高，分別為0.90和 7 1 . 2 2 % ，模型較為可靠。表3

實測草地AGB和遙感反演AGB相關性 達0.90，平均相對誤差和均方根誤差分別為 7 . 5 9 % 和 ，模型精度達 6 9 . 1 1 % 。以二次函數模型建立的NDVI和地上生物量估測值與實測值較為接近，可以用于估測伊犁河流域草地AGB。圖1

2.2 草地AGB時空變化特征

2.2.1 時間變化特征

研究表明， 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域草地

AGB整體呈波動增加趨勢，增長速率為 。其最小值出現在1995年，為 ;最大值出現在2006年，為 。在6個時間段中， 1 9 9 6 ～ 2 0 0 0 年和 2 0 1 1 ～ 2 0 1 5 年為快速上升階段，上升速率分別為35.43和17.29 5 1 9 9 0 ～ 1 9 9 5 年和 2 0 0 1 ～ 2 0 0 6 年為緩慢上升階段，上升速率為0.17和 ·a）;而 2 0 0 6 ～ 2 0 1 0 年和 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年為波動下降階段，下降速率分別為20.25和 ：a）；

1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域各縣（市）草地AGB均呈波動增加趨勢，其中新源縣增加速率最大，為 ;霍爾果斯市增加速率最小，為 ;其余縣（市）增長速率依次為鞏留縣 尼勒克縣（ ） gt; 察布查爾錫伯自治縣（8.22 ） gt; 特克斯縣 伊寧縣 昭蘇縣 a）） gt; 霍城縣 ） gt; 伊寧市（4.34 ）。圖2＼～3

2.2.2 空間變化特征

研究表明， 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年，伊犁河流域草地AGB空間上呈現東部、南部和北部山區偏高，西部、中部河谷偏低的空間分布格局。其中， 1 9 9 0 ～ 2000年，絕大部分草地AGB在 ，占草地總面積的 91 % ： 2 0 0 1 ～ 2 0 2 2 年，草地AGB逐漸增加。生物量大于 的地區占比從1 9 9 0 ～ 1 9 9 5 年的 0 . 2 1 % 增加到 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年的2 6 . 6 2 % ，生物量高的草地主要分布在東部那拉提山、南部哈克他烏山和北部科古琴一婆羅科努山等山區。圖4

1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域草地AGB主要集中在 ，占全流域草地面積的4 2 . 7 1 % ，在各縣（市）均有分布；其次為 3 0 0 ～ 6 0 0 ，占比 3 3 . 2 5 % ，各縣（市）皆有分布;第三為 ，占比為 2 3 . 8 3 % ，主要分布在昭蘇縣、特克斯縣、新源縣，尼勒克縣、霍城縣、鞏留縣以及伊寧縣海拔 的山區。表4

注：審圖號：GS（2009）1822號，底圖邊界無修改，下同

Notes：Review Drawing Number：GS（2O09）1822 Number，No modification to map boun daries，the same as below

1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域草地AGB變異系數整體較低，處于較為穩定的狀態。 1 9 9 0 ～ 1 9 9 5 年，草地AGB變異系數相對較大，變異系數低或較低的草地面積占比為 4 7 . 8 2 % ，主要分布在中西部地區；中度變異的草地占比為 2 7 . 6 3 % ，主要分布在中西部及北部地區；變異系數高和較高的草地占比 2 4 . 5 5 % ，主要分布在東部地區。33年間，變異系數高和較高的草地占比逐漸降低，由1 9 9 0 ～ 1 9 9 5 年的 2 7 . 6 3 % 降低到 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年的 2 . 7 1 % ；變異系數低和較低的草地占比由1990＼～1995年的 4 7 . 8 2 % 逐漸增加 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年的到 9 3 . 5 9 % ，草地趨于穩定狀態。

1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年變異系數低變和較低的草地占比較大，為 7 2 . 0 2 % ，在伊犁河流域各縣（市）均有分布；中等變異的草地占比 2 1 . 7 0 % ，主要分布在霍城縣中部、特克斯縣北部以及昭蘇縣中部、新源縣東部山區；變異系數較高和高的草地占比7 . 2 8 % ，主要分布在察布查爾錫伯自治縣北部、鞏留縣中部河谷，以及尼勒克縣西南部山區。1990～ 2 0 2 2 年33年間各縣（市）草地AGB變異系數較小，草地AGB較為穩定。圖5，表5

2.2.3 趨勢分析及顯著性檢驗

研究表明， 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域大部分草地AGB處于穩定狀態。其中， 1 9 9 0 ～ 2 0 1 5 年，伊犁河流域絕大部分草地AGB都趨于穩定，占比9 3 . 3 0 % ～ 9 7 . 9 6 % ；處于退化草地AGB的占0 . 8 8 % ～ 5 . 6 1 % ；處于改善的草地AGB占比較少，在 0 . 6 1 % ～ 2 . 4 4 % 。 2 0 1 6 ～ 2 0 2 2 年，處于穩定的草地占比 8 1 . 9 7 % ，而退化草地占比1 6 . 1 3 % ，主要分布在中部及南部地區；改善草地占比 1 . 9 % ，零星分布在北部地區。圖6

33年來伊犁河流域草地AGB主要以改善為主，占總草地面積的 5 9 . 6 8 % ，各縣（市）均有分布;其次為穩定草地，占比為 2 7 . 6 6 % ，分布于各縣（市）；退化草地占比為 1 2 . 6 6 % ，主要分布在昭蘇縣、特克斯縣和新源縣南部高海拔地區，伊寧縣東南部，尼勒克東部、北部和西南部山區以及霍城縣河谷。表6

3討論

3.1楊淑霞等[5]、Zeng等[27]、樂榮武等[28]對不同草地AGB的時間變化特征的研究均發現，草地AGB隨時間的變化呈現波動增加趨勢，與研究結果相似。研究在探討伊犁河流域各縣（市）草地AGB變化時發現，各縣（市）草地變化與伊犁河流域總體變化一致，均呈現波動上升趨勢，與劉亮等[29對 2 0 0 8 ～ 2 0 1 8 年伊犁河流域年際植被NPP隨時間變化總體呈現波動上升趨勢結果一致。區域氣候變暖已報道為草地AGB增長的驅動因素[27-28]。伊犁河流域氣候變暖[30-33]可能促進了該區域草地AGB的增長，通過增溫增加植物光合酶的活性加速光合作用的生化反應，使得光合速率提高并且延長植物的生長季[34-35]。此外，由于該區域擁有獨特的地理位置和海拔高度，溫度升高可能增加山地冰川融水，產生的地表徑流作為可利用水的重要來源，促進該地區草地植被的生長。降水是影響草地生長速率的關鍵因素，降水量增加能夠促進植被生物量積累[36]。新源縣降水量最高，而霍爾果斯市降水量最低，可能是造成新源縣草地AGB增長速率最快，而霍爾果斯市增長速率最慢的主要原因。在2016～2022年間伊犁河流域降水量呈現下降趨勢[37]，可能是導致生物量在此時間段內呈現波動下降趨勢的主要原因。

3.2空間特征上，伊犁河流域草地AGB總體呈現東部、南部和北部偏高，西部、中部偏低的空間分布格局，與孫國軍等[32]對 2 0 0 0 ～ 2 0 1 5 年伊犁河谷植被覆蓋空間特征相似。河谷區的降水量較小，而山區的降水量較大。因此，中西部低海拔區植被稀疏，而北部、東部、南部海拔較高的山谷地帶植被豐富，草地AGB高[38-39] 。

3.3楊淑霞等[5]、王公鑫等[40]對不同時序、地區的草地AGB進行趨勢分析，發現草地AGB變化趨勢以改善為主，與試驗研究的伊犁河流域草地AGB主要以改善（ 5 9 . 6 7 % ）為主結果相似，主要是因為氣候變化及人類活動限制草地AGB增長[41-43]。由于新疆氣候出現“暖濕化\"現象[44]且草原生態補償政策[45-46]，使得草地得以恢復，草地AGB得以改善。

4結論

4.1最佳模型為NDVI的二次函數模型，其平均相對誤差和均方根誤差均最小，分別為 7 . 5 9 % 和 ，決定系數和精度最高，分別為0.90和 6 9 . 1 1 % ，此模型可用于監測伊犁河流域的草地AGB變化。

4.2 1 9 9 0 ～ 2 0 2 2 年伊犁河流域草地 AGB總體呈現波動增加趨勢，波動范圍為 1 4 4 . 5 3 ～ 6 0 1 . 4 0 ，增長速率為 。伊犁河流域各縣（市）草地AGB變化與流域總體變化一致，均呈現波動增加趨勢，其中新源縣增加速率最快，為 ；霍爾果斯市增加速率最慢，為 。

4.3伊犁河流域草地AGB呈出東部、南部和北部山區偏高，西部、中部河谷偏低的空間分布格局。草地AGB較高的主要分布在昭蘇縣、特克斯縣、新源縣，尼勒克縣、霍城縣、鞏留縣以及伊寧縣海拔 的山區。草地AGB變異系數整體較?。ǖ突蜉^低占比 7 1 . 5 4 % ），且呈降低趨勢，草地趨于穩定狀態。

4.4近33年來伊犁河流域草地AGB呈穩定改善趨勢。

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Above ground biomass evolution analysis of grassland in Ili River Basin based on landsat imagery

LI Chao1，FAN Tianwen2， Tuerxunjiang Ailimubieke2，HE ， LI Jianwei2 ， WEN ， ZHANG ， JIN Guili1，LI ，LIU Wenhao1，WANG Shengju1 （1. Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology/Key Laboratory of Grassand Resources andEcology in Western Arid Region，Ministryof Education / College of Grastand Science，Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China; 2. Grassand Workstation of Ii Kazakh Autonomous Prefecture， Yining Xinjiang 835Oo，China;3. Bureau of Forestry and Grassland of Ili Kazakh Autonomous Prefecture， Yining Xinjiang 835000，China）

Abstract：【Objective】 The evolution analysis of its grassland aboveground biomass （AGB） is of great significance for scientific understanding and rational utilization of grassland.【Methods】The spatio-temporal characteristics and stabilityof grassland AGB in the basinand1O counties and cities in the basin were analyzed，and the historical evolution regularof grassland was revealed bytrend analysis andF-significance test. 【Results】Among the established regression models，the quadratic function inversion model had the highest accuracy with a validation accuracy of 7 1 . 2 2 % ，which could be used for aboveground biomass inversion. From 1990 to 2O22，the AGB of grassand in Ii River basin showed a trend offluctuating increase，from 270. in 1990 to in 2022，with an increase rate of ， Xinyuan County had the fastest growth rate of ，Khorgos City had the slowest increase rate of .In terms of spatial variation，the distribution pattern demonstrated a relatively high level in Xinyuan County and NilekeCounty in the east，Gongliu County， Zhaosu County in the south，Yining County in the north，whilea relatively low level in Huocheng County，Qapqal Xibe Autonomous County，and Gongliu County in the west. In terms of the change trend， grassland AGB mainly focusee on improvement，accounting for 5 9 . 6 7 % of the total grassland area.【Conclusion】In general，in the past 33 years，the grassland AGB in Ili River basin has shown a state of‘mostly improved，locally stable and slightly degraded’.The‘warming and humidification’ of climate，the improvement and implementation of grassland protection policies have provided favorable conditions for the better grassland AGB.

Key words：Ili River basin；aboveground biomass of grassland; spatio -temporal evolution