艾比湖保护区荒漠植被时空过程变化及其植被指数影响因素分析

王璐,丁建丽

(新疆大学资源与环境科学学院,绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)



艾比湖保护区荒漠植被时空过程变化及其植被指数影响因素分析

王璐,丁建丽*

(新疆大学资源与环境科学学院,绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

利用1990-2011年Landsat数据，结合了4个气象站点的年降水量、年均温数据，基于垂直地带性特征和荒漠植被指数对艾比湖保护区的遥感图像进行了专家知识决策树分类。研究了典型绿洲-荒漠交错带的荒漠草地等地物近20年的面积变化、NDVI及其与气候因子的关系。结果表明，1)近20年间植被类型的NDVI值大致呈山前荒漠>荒漠草原>盐生草甸>草本沼泽>荒漠的规律。2)近20年降水量与温度都呈上升趋势，植被NDVI和气温主体呈不显著负相关，与降水主体呈显著正相关。3)研究区在保护区建立前，荒漠植被退化十分严重，荒漠植被面积大量减小，大多向不可用地类转化，保护区建立后的生态环境有了很大改善。可见政府的政策导向对荒漠生态环境具有重要作用。

决策树；草地遥感；NDVI；艾比湖保护区

植被是陆地生态系统的重要组成部分[1]，是联结土壤、大气和水分等自然要素的纽带[2]，在某种程度上可以表征土地覆盖的变化，在全球变化的研究中具有指示器作用[3]。而草地资源在荒漠背景下，是干旱区的精华，也是干旱区中最敏感的部分[4]。作为干旱区的内流区能流、物流最敏感的地方，近年来由于受到亚洲内陆极端干旱气候的影响，西北干旱区荒漠草地退化现象日益加剧，沙漠化、盐碱化、严重退化的草地数量日趋增加，退化速度也日益加快[5]。遥感技术的应用使得范围更广、时间更长的荒漠植被退化动态监测和精确评价成为可能[6-7]。在众多遥感信息分析的植被指数指标中，植被覆盖度是公认的评价土地荒漠化最有效的指标[8]，因此准确检测植被覆盖度对于干旱区意义重大。干旱区蒸发强烈而降水稀少，植被生长十分稀疏。而研究也证实，荒漠草地的植被生长受到降水量的影响，其产量随降水量多少摆动剧烈[9-10]，人类活动已对草地植被产生了重大压力与冲击，成为了草地植被退化的重要驱动因子，干旱区的草地植被已经变得十分敏感与脆弱[11]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)与植被覆盖度等植被的生物物理特征具有高度相关性[12]，是大尺度植被覆盖研究的重要指标，其与气候因子的关系已经成为了国内外研究的热点问题[13-15]。

国内外学者在分析NDVI的变化影响时，大多考虑了NDVI与气温和降水的响应[16-18]或者单纯对不同土地利用类型对降水与温度的响应进行研究[19-21]，而针对绿洲-荒漠交错带，进行长时间尺度的植被退化情况的监测及其与温度、降水的响应关系的研究仍然较为缺乏。因此，本研究选用新疆艾比湖保护区为实验区，通过遥感与实测相结合的手段研究了各类典型荒漠植被指数特征，同时结合各个荒漠植被的地理分布特征，采用基于专家知识的分类模型对21年遥感数据进行了动态分析，同时通过对植被生长最为重要的降水和气温因素[17,22]的进一步分析，获取荒漠植被的生长对气候因子的响应，以期使得西北干旱区大面积的监测评估研究更加细化，研究结果更有效地服务于区域农业发展与生态建设工作。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区示意图Fig.1 The sketch map of study area

艾比湖是新疆重要的湿地之一，也是新疆面积最大的咸水湖，于2008年被国务院批准列为国家级自然保护区(图1)。该湖地处准噶尔盆地西南部，是博尔塔拉河、精河、奎屯河等多条内流河的汇聚中心。研究区位于东经82°33′47″-83°53′21″，北纬44°31′05″-45°09′35″，位于精河县境内，保护区总面积约2670.8 hm2，水域面积875.73 hm2，三面环山且远离海洋，年均气温6～8℃，干旱少雨，蒸发量远远大于降水量，是典型的温带干旱大陆性气候。艾比湖保护区位于生态脆弱带，湖区范围内生物类型十分丰富，是中国内陆荒漠中为数不多的荒漠物种集中分布区，也是指征准噶尔盆地生态环境变化的关键地区。研究区自成为保护区以来，较少受到人类的干扰，其成为保护区后的植被变化可以排除人类干扰因素，集中分析气候因素对草地植被覆盖的影响，这对于研究的准确性具有重要意义。

1.2 数据来源及处理

遥感数据为：研究区内美国陆地卫星 Landsat MSS(1990年)、TM (1998年)以及ETM+ (2011)年的影像; 选取比较有代表性的植被覆盖信息全的9-10月影像利用ENVI软件进行预处理。包括辐射校正、大气校正、消除比例、裁剪等过程。通过对影像数据进行波段运算得到各年度NDVI。

气象数据有：精河县1953-2012年4个站点的气象数据。运用Arcgis软件的Kriging方法对年均降水量、年均气温进行插值，最终生成与NDVI数据相同投影和分辨率的栅格气象数据。

其他数据有：艾比湖保护区植被分布1∶250000 地图、精河县统计资料(人口、土壤、社会经济等)。

2 结果与分析

2.1 荒漠植被指数比较

通过提取1990，1998，2011年的植被指数，分析了20多年研究区内的天然草地的变化动态。采用归一化植被指数NDVI进行了不同草地类型之间的对比。通过NDVI计算，将NDVI值的高低程度分为6个等级，NDVI值较大的植被覆盖较高。在空间分布上 NDVI极显著减少主要分布在北部山区、艾比湖东部沙漠，NDVI显著减少主要分布在艾比湖周边，零星分布于湖东部沙漠中。而山前荒漠较高覆盖区植被和高覆盖植被大量减少，NDVI变化不显著区分布于除核心绿洲部分外大部分地区。无值区主要是水体和其他类(沙地、盐渍地等)。可以看出，1990年NDVI明显大于其他年份，1998年的NDVI显著减少，到2011年NDVI有一定程度的改善(图2)。

2.2 基于专家知识的草地分类

通过对各年平均NDVI值的统计，可以得到NDVI1990>NDVI2011>NDVI1998的结果，同时通过基于专家知识的分类，将保护区分为山前荒漠、荒漠草原、盐生草甸、草本沼泽、荒漠、水体和其他(裸地等)地类，同时，考虑到艾比湖保护区由于气候与地理位置原因，草地比较稀疏，只通过NDVI取值较难界定类别，同时其满足的垂直性地带分异规律，将DEM因子也加入到草地分类的依据中。根据吴征镒[23]主编的《中国植被》中的植被群落法进行了5种地面植被的划分，并通过优化的过程，形成了基于专家知识分类的决策树。

2.3 荒漠植被时空动态变化情况分析

通过NDVI的阈值结合DEM，利用基于专家知识分类方法分别对3幅遥感影像进行了基于分类决策树的荒漠植被分类后，运用ENVI软件对分类结果进行了类似分类区聚类并合并，将形态学算子大小设为3×3像素聚,最终得到分类结果(图3)。由于通过实际调查与多年对研究区植被覆盖度的测量经验，进行决策树分类时，NDVI的阈值为：荒漠草原：0.4～0.5；山前荒漠：0.2～0.3；盐生草甸：0.15～0.2;荒漠：0.1～0.15；草本沼泽：0.1以下；水体<0; 其他类：0～0.09。通过对分类结果进行面积统计分析后，得出1990，1998和2011年地表覆被的总体变化。

2.3.1 荒漠植被动态转移变化 通过分类结果，结合转移矩阵可以得出:1) 1990-1998年，荒漠植被之间的转移变化十分突出，总体来看，转化不明显的是水体、荒漠草原、荒漠和其他类，整个研究区的山前荒漠和草本沼泽的变化十分剧烈，湖面周围草本沼泽和盐生草甸转化十分剧烈，尤其是有大面积草本沼泽都转化为盐生草甸。从位置来看，位于湖区西北部区域许多草本沼泽明显转化为盐生草甸和荒漠，而位于湖泊东南部山前荒漠明显减少，转化为荒漠草原，西北部荒漠草原与荒漠的剧烈转化也十分明显。从转化来源来看，东南部荒漠的大幅度增加主要来源于荒漠草原。而西北部荒漠与盐生草甸的增加主要来源于草本沼泽。这一系列的转化都可以看出，研究区的荒漠植被退化十分严重，荒漠植被大多向荒漠、盐渍化地类等不可用地类转化。2) 1998-2011年研究区荒漠、水体和其他类转化不明显，荒漠草原转化十分剧烈，而草本沼泽有很大一部分转化为盐生草甸。西北部荒漠大多转化为盐生草甸。而东南部有大量山前荒漠向盐生草甸的转化。荒漠植物向盐生草甸的转化都比较剧烈，说明土地的盐碱化程度加重，变为盐渍地等不可利用地类的趋势越发明显。

图2 艾比湖保护区1990-2011年NDVI分布变化Fig.2 NDVI variation in the Ebinur Lake Nature Reserve in 1990-2011

图3 1990,1998,2011年的遥感影像分类Fig.3 Classification of remote sensing images in 1990, 1998 and 2011

2.3.2 荒漠植被面积变化 利用ENVI软件对分类结果进一步分析，计算各个地类的面积变化，由图4可知，1)从遥感影像的解译得到的1990，1998和2011年的盐生草甸面积分别为580，703 和965 km2，总体呈上升趋势且增幅较大，增幅分别为21.2%和37.3%，这一结果与图2的目视解译结果相吻合。2) 1990，1999和2011年的草本沼泽面积分别为740,212,695 km2，在1999年大面积减少，从转移矩阵中可以看出有很大一部分转化成为盐生草甸。3)虽然山前荒漠和荒漠草原的面积在3个年份中变化不稳定，但是两者在时空上呈年季间互补的规律，且两者面积总和在1990，1998和2011年分别为512,443,294 km2，总体呈下降的趋势。4)研究中将各种裸土都归为其他类，1990，1998和2008年的其他类面积分别为139，374和333 km2，其中1998年其他类相比其他年份增多是由于遥感影像团状云朵覆盖，造成部分地面植被误分为其他类，但影响面积不大。

图4 1990-2011年地类面积变化Fig.4 Changes of surface type during 1990-2011

综上所述，近21年间研究区主要荒漠植被面积变化显著，其中盐生草甸面积大量增长，山前荒漠与草本沼泽在21年内有先减后增的趋势，荒漠草原、荒漠和其他类则呈先增加后减少的趋势，而其中的荒漠草原在研究时段内先少量增加再大幅下降，水体的变化幅度最小。

2.4 影响因子对荒漠植被的作用

气候变化、人类活动以及大气中CO2的含量等都会对植被覆盖变化产生影响[24-25]，其中以气温和降水对植被生长的影响最为直接和重要[17,22]，他们是植被活动的主要驱动力[26]。

因此，研究降水和温度对干旱半干旱区荒漠植被生长的作用，探求NDVI与降水和温度的关系，对于干旱半干旱区域陆地植被生态系统碳循环机理的理解具有非常重要的意义，有助于发现控制陆地生态系统碳循环的关键因子，更重要的是有助于分析和预测未来陆地生态系统对全球变化的响应[7]。

近百年来，中国气温上升了0.4～0.5℃，而中国西部尤其是西北的新疆与陕甘宁地区变暖的强度明显的高于全国平均值[27]。而相关的研究指出气温对荒漠植被的生长起到了一定的抑制性作用[25]，而西北地区尤其是荒漠地区面临更为严重的问题。

2.4.1 研究区年均气温的距平分析 通过对研究区年均气温的距平分析(图5)可以看出，近21年来，气温的年际变化呈升高趋势。同时通过多项式拟合进行分析，21年间，研究区气温呈增长趋势。尤其在研究中采用的1990年，气温距平为负，气温较低。1998年气温有了一定程度的增加，但增加幅度不明显，到2011年，气温有了很大幅度的提高。通过对1990-2011年多年年均气温的插值结果(图6)，同时结合NDVI与气温的相关性分析可知：近21年，温度分布有了很大变化，但总体趋势依然不变，海拔高的地区温度小于海拔较低的地区，1990-1998年的温度分布除了最低温和最高温有了一些变化以外，温度分布基本不变，从东南部到西北部温度逐渐递减，气温最低值分布在东南部。而2011年，温度分布趋势虽然不变，依然是东南到西北部的逐步递减，但气温的最低值则转移到了西北部，而植被NDVI和气温主体呈负相关，相关性系数分别为-0.3028，-0.3500，-0.3971。研究时段都为夏季，相关性并不显著，这是由于夏季新疆高温，蒸发量大，研究区大部分地区海拔较低，而研究区内海拔较高但面积较小的山前荒漠，其植被覆盖度则受温度影响较大，但从研究区总体来看，温度与植被覆盖度的相关性不显著。

图5 1990-2011年均气温距平随时间的变化Fig.5 Change of the annual tempreture anomaly (Y) with the time (X) in the whole region from 1990 to 2011

图6 研究区1990-2011年的气温(上)、降水(下)多年平均空间分布Fig.6 Spatial distribution of average temperature (up) and precipitation (down) in the Ebinur Lake Nature Reserve in 1990-2011

2.4.2 研究区年均降水量的距平分析 通过对年均降水量距平分析图(图7)可知，21年来，降水量大幅度增加。进入1990年后，降水偏多，累计距平呈明显上升趋势，这与相关的研究吻合,中国大范围明显的降水增加主要发生在西部地区，其中以西北地区尤为显著[28]。

通过多项式拟合进行分析可知,21年间，研究区降水量呈增长趋势。研究采用的1990年，降水距平为负，降水量较少，1998年，降水量有一定程度的上升，而到了2011年，降水量有了大幅的提高。结合降水量的插值(图6)结果与NDVI图的相关性分析可知：1990与2011年的降水量分布一致，最低值分布在西南部，最高值分布在东南部，由西南向东南递增，但2011年的年降水量明显高于1990年。1998年的分布趋势和其他年相比有很大的差异，由西北向东南递增，东南部始终是降水量最大值的分布处，这是由海拔因素造成的，东南部地处山区，湿度较大，温度较低，也分布着山前荒漠。植被NDVI和降水量主体呈显著正相关性，相关性系数分别为0.69，0.59，0.67，都通过了显著性检验(P<0.01或P<0.05)，可见，NDVI与降水量相关性十分密切。这与李秀花和郭凯[29]在研究西北地区NDVI与气候因子相关关系得出的降水是西北干旱区植被生长最重要因子的研究结论相一致。且1998年，降水量与NDVI相关性系数最大，从NDVI值来看，1990年的NDVI平均值也明显大于其他年份。从地类变化来看，1990年的植被生长状况较好，虽然研究区还未成为保护区，但这一时期，研究区受人为干扰较少，年降水量虽然距平为负，但温度也比较低，蒸发量较小，同时各个地类，尤其是NDVI贡献较大的山前荒漠等地物面积较大。而1998年，NDVI值较低，同时降水量和蒸发量都不大，然而这一时期的荒漠类型明显变化，研究区生态环境逐渐恶化，这是由于政府出台了“大力发展林果业”的政策，此期间新开垦了万亩田地种植葡萄(Vitisvinifera)和枸杞(Lyciumchincnse)[29],使得研究区内环境大面积被破坏，可利用地向不可利用地的转化逐渐剧烈。而到了2011年，由于保护区的建立，原有的耕地被退耕，研究区受到人类的干扰逐渐减小，同时2011年降水量有了大幅度的提高，使得NDVI明显高于1998年。可见研究区在成为保护区后，环境有了很大的改善。

图7 1990-2011年降水量距平随时间的变化Fig.7 Change of the annual precipitation anomaly (Y) with the time (X) in the whole region during 1990 to 2011

3 讨论

3.1 降水是影响干旱荒漠区植被生长的重要因素

在干旱荒漠区，尤其是绿洲荒漠交错带，降水量很大程度上决定了植被覆盖量，而对于干旱区而言，植被和水分的重要性是不言而喻的[1-2]。另一方面，干旱胁迫又使得植物部分的物候延迟，影响植物的生长，进一步影响生态环境[8]。因此，由于气候变暖造成的干旱与荒漠地区植物的物候之间的相互作用，是今后荒漠区植物物候学亟待解决的问题之一。

另外，随着全球变暖，植物生长期延长，气温对干旱区植被生长具有明显的负面作用[28]，研究区处于干旱半干旱的敏感地区，这一区域气候的微弱变化将对生态环境变化带来剧烈的影响。而近年来全球变暖的大趋势下，研究区的温度也呈上升趋势，更应防患于未然，采取措施防止干旱与极端气候事件，比如轮作轮耕，对保护区内的植被进行进一步保护，维持其生物多样性与物种多样性，遵循“人草畜协同进化”的原则。另外严格控制牲畜对这一区域牧草的破坏，尤其是荒漠地区，改良天然草地，通过将牧民定居牧草种植饲养牲畜，最终达到使得牧民摆脱越穷越垦，越垦越穷的恶性循环，降低陡坡垦殖率，从根本上改变游耕陋习和烧荒陋习，这才是草地“三化”治理的根本途径[30]。

3.2 政府导向对荒漠生态环境具有重要作用

研究区从1990年以来，荒漠植被呈逐渐退化的趋势，这是由于国家在这一时期的“大力发展林果业”政策有关，研究区受到人类开垦开荒干扰越来越大，本来就敏感脆弱的环境受到了很大破坏，这是盲目发展经济而忽视长远利益，没有遵循可持续发展的结果。而在研究区成为保护区以后，人类活动受到了限制，天然草地有所恢复，这主要归功于国家的退耕还林、还草政策的实施以及荒漠交错带对生态环境重要性的认识，建立了保护区，减缓了环境进一步恶化。同时国家近年来的大力宣传与教育，使人们保护草地的意识得到了很大提升。可见决策者对保护环境与经济发展重要性的权衡对荒漠生态环境具有举足轻重的作用，因此，政府应在发展当地经济的同时，合理制定政策，考虑长远利益，重视生态环境的保护，达到人与自然和谐发展的目标。

3.3 气候因子对植被覆盖度的影响仍需进一步深入

植被生长是土壤水分与土壤中养分供给共同作用的结果。NDVI对温度以及降水的响应与所在气候区植被类型与土壤质地等密切相关，研究时间、数据源研究范围方法的不同均会造成结果的差异。因此，植被的季节性变化与气候因子的关系、气候因子对植被覆盖影响的效应以及降水、气温月序列对植被覆盖的细化研究是下一步工作的重点。

4 结论

1)本研究运用1990，1998和2011年同时相TM/ETM+遥感影像，同时结合地物光谱特征分析以及数字高程的分析结果，建立了基于专家知识的分类决策树，从中提取研究区内以荒漠植被为主体的地物近20年间的时空变化特征。近21年间植被类型的NDVI值大致呈山前荒漠>荒漠草原>盐生草甸>草本沼泽>荒漠的规律。且研究区的荒漠植被退化十分严重，荒漠植被大多向荒漠、盐渍化地类等不可用地类转化，土地的盐碱化程度加重，变为盐渍地等不可利用地的趋势越发明显。同时，随着保护区的建立，原有的耕地被退耕，研究区受到人类的干扰逐渐减小，环境有了很大的改善。各年NDVI分布情况为NDVI1990>NDVI2011>NDVI1998。

2) 通过研究区气温的距平分析与插值分析可知，研究区气温呈逐年升高的趋势，与全球变暖的趋势一致。通过对温度的插值与相关性分析可知，植被NDVI和气温主体呈负相关，且温度与植被覆盖度的相关性不显著。气温的最低值点始终在山区附近，最低值分布区由东南向西北处转移。

3) 通过对研究区降水的距平分析与插值分析可知，近21年，降水量呈逐年增加的趋势，东南部由于海拔因素，地处山区，始终是降水量最大值的分布处，降水量的最低值由西南转移到西北再回到西南。植被NDVI和降水量主体呈显著正相关。

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Vegetation index feature change and its influencing factors and spatial-temporal process analysis of desert grassland in the Ebinur Lake Nature Reserve, Xinjiang

WANG Lu, DING Jian-Li*

CollegeofResourcesandEnvironmentScience，XinjiangUniversity，KeyLaboratoryofOasisEcosystemofEducationMinistry，XinjiangUniversity，Urumqi830046，China

This research investigated the vegetation of the Ebinur Lake Nature Reserve, Xinjiang, a typical desert-oasis ecotonein northen China. After radiometric and geometric correction, Landsat remote sensing images from 1990, 1998 and 2011 were used for the study. The classification of land cover based on a decision tree approach was implemented using the normalized difference vegetation index (NDVI) and the vertical zonal vegetation distribution. Annual rainfall and the average annual temperature data of four meteorological stations were utilized. The NDVI was generally highest in the piedmont desert grass and lowest in desert areas; piedmont desert grass>desert steppe>saline meadow>herbaceous swamp>desert. The area of land influenced by salinization appeared to be increasing. Over the 20 year period mean temperatures showed an increasing trend, consistent with the global warming trend. Temperature did not influence NDVI but rainfall was positively correlated with NDVI. It was concluded that the establishment of the Ebinur Lake Nature Reserve has significantly reduced land degradation and that government policy plays a significant role in the protection of desert environments.

decision tree; grassland remote sensing; NDVI (normalized difference vegetation index); Ebinur Lake Nature Reserve

10.11686/cyxb20150502

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-05-08；改回日期：2014-06-22

国家自然科学基金重点项目(41130531)，新疆维吾尔自治区青年科技创新人才培养工程(2013711014)，教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-1075)， 霍英东青年教师基金项目(121018)，教育部长江学者计划创新团队计划(IRT1180)和新疆研究生科研创新项目(XJGRI2013026)资助。

王璐(1989-)，女，新疆石河子人，在读硕士。E-mail:1449916683@qq.com *通讯作者Corresponding author. E-mail: watarid@xju.edu.cn

王璐, 丁建丽. 艾比湖保护区荒漠植被时空过程变化及其植被指数影响因素分析. 草业学报, 2015, 24(5): 4-11.

Wang L, Ding J L. Vegetation index feature change and its influencing factors and spatial-temporal process analysis of desert grassland in the Ebinur Lake Nature Reserve, Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 4-11.