2000-2018年塔里木盆地北缘绿洲植被覆被变化及对环境要素的响应

衡嘉尧, 王宏卫, 樊 影, 王正伟, 高一薄, 伊素燕

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 新疆 乌鲁木齐 830046; 2.绿洲生态教育部重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046)

植被覆被的变化对于干旱区绿洲较脆弱的生态系统具有一定的影响[1]。在迅速的全球环境变化下，植被覆盖变化容易受到气候和人类活动的共同影响，地表植被对气象因素和人类活动干扰响应已成为全世界研究的热点问题[2]。塔里木盆地北缘绿洲地处我国西北干旱区，属于生态敏感性较强的区域，同时也是该区人类生产生活的聚集区域，绿洲区内城乡聚落慢慢形成。因此，分析绿洲区内植被覆被时空变化特征并探讨气象要素和人类活动要素对其变化的影响对干旱区绿洲植被的治理与恢复提供重要的理论依据。归一化植被指数(NDVI)在植被生物量监测[3]、植被群落组成与分类、自然灾害灾情评估、土地利用和覆被变化等研究领域被广泛应用[4-5]。此外，作为遥感监测数据，NDVI覆盖范围广[6]，其数据具有时序特征[7]，为地理学者提供了一种定量分析地表植被变化的方法。塔里木盆地北缘绿洲区是典型的大陆性暖温带干旱气候，北边有天山作为屏障，其植被分布特点为：南部平原植被覆被度低，山地垂直带明显，森林面积有限，总体植被覆盖度较低，生态系统脆弱[8]。根据徐长春等[9-10]对新疆NDVI的研究表明，区域整体NDVI主要呈增长趋势，并且与温度、日照长度与降水等因素有关；刘超等[11]利用1999—2014年的NDVI数据分析天山北坡前山带降水分布型对荒漠植被的影响；张文强等[12]利用RF模型对北疆干旱区绿洲植被变化与驱动进行模拟分析；但对于塔里木盆地北缘绿洲植被变化特征及其响应因素研究较少，值得注意的是，上述研究都是在单一尺度探讨NDVI的变化特征，且注重气候要素对覆被变化的影响，缺乏对人类活动对覆被变化影响定量分析。鉴于此，本文利用2000—2018年基于MODIS的NDVI产品数据，探究塔里木盆地北缘绿洲NDVI及不同覆被类型NDVI的时空变化规律，分析不同覆被类型与环境要素的响应关系，并探讨人类活动要素对绿洲区植被覆被变化的直接和间接影响，旨在为塔里木盆地北缘绿洲区生态功能维护和各项生态保护措施的开展提供基础数据及理论依据。

1 研究区概况

塔里木盆地北缘绿洲位于新疆天山南麓、塔里木盆地以及世界第二大沙漠塔克拉玛干沙漠的北部，东部与巴音郭楞蒙古自治州相邻地。理坐标78°08′—89°58′E，39°31′—43°36′N。东西走向塔里木河贯穿绿洲区，南北走向有阿克苏河、渭干河、迪娜河与开都河。研究区由阿克苏绿洲和巴州北部绿洲组成，是温带大陆性干旱气候且地处塔克拉玛干沙漠北缘[13]，其南部植被覆盖率较低。该绿洲区地形地貌多样，气候干燥，降水稀少，夏季炎热，冬季干冷[14]，年温差和日温差较大，年日照时数为2 658～4 440 h，昼夜温差大，无霜期较长。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

NDVI数据来自地理空间数据云的植被指数产品MOD13A1，时间分辨率16 d，空间分辨率500 m×500 m，时间序列为2000年1月至2018年12月。利用最大值合成法MVC(maximum value composites)对全年数据进行处理，从而获得的NDVI年最大值，代表当年植被覆盖最优状态。该方法可有效降低云层、气溶胶等因素的干扰，尤其是排除了绿洲区冬春季积雪对植被观察的影响[15]，进一步提高NDVI数据的可靠性。根据中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.com)中2015年中国100万植被类型空间矢量数据[16]，根据国家植被分类系统中植被型组划分出针叶林、阔叶林、灌丛、草原、草甸、湿地、高山植被与荒漠，并结合塔里木盆地北绿洲区人工植被划分出栽培植物。由于研究区属于地处沙漠边缘，因此绿洲区包括部分沙漠区域。鉴于本文的关注重点为多年植被覆盖区，因此水体和沙漠地不再作为研究对象进行探讨。气温与降水数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.com)的气象空间插值数据集，作投影转换和数据掩膜处理，提取出与NDVI投影坐标和分辨率一致的栅格数据。在分析研究区内气象数据时，采用ArcGIS做栅格均值化处理，获得气象数据的区域平均值。人类活动数据来源于《新疆统计年鉴》[17]和《新疆生产建设兵团统计年鉴》[18]，综合塔里木盆地北缘绿洲自然条件与产业结构，选取人口、牲畜数量、林业总产值、工业总产值、牧业总产值和固定资产投资6个指标作为分析对象。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI变化趋势分析 通过对栅格采用一元回归趋势分析可直观地看到研究时序内植被NDVI覆盖动态变化的空间特征[19]，计算公式为：

(1)

式中：n为研究时间序列年数,即19 a(2000—2018年);i代表年序号; NDVIi代表第i年最大化NDVI值;θ为趋势线斜率,代表单个像元NDVI的变化趋势,当θ>0时,表明该目标像元19 a间植被覆盖趋于改善;反之,则说明此像元植被生长呈退化趋势。

2.2.2 相关分析 通过探求环境要素与植被NDVI间的相互关系，分析影响塔北绿洲区植被NDVI的影响程度。本研究采用相关分析法分析NDVI对气象要素的响应程度。表达式为：

(2)

2.2.3 偏相关分析 考虑到植被覆被变化受多种要素的共同影响，各要素间可能并不相互独立，运用偏相关分析对要素之间的相关关系进行测度，可单独分析单个要素对植被NDVI的影响。根据年均温、年降水量与NDVI的相关系数，计算气象要素与NDVI的偏相关系数[20]：

(3)

式中：rab,c为剔除要素c后a与b的偏相关系数;rab,rac,rbc分别代表要素a与要素b、要素a与要素c、要素b与要素c的相关系数。

2.2.4 通径分析 将环境要素与NDVI相关系数分解为要素对植被NDVI的直接效应与间接效应[21-22]。参考杜家菊等[23]的研究方法，通过影响因子与植被NDVI的通径分析，研究各主控因子对NDVI的直接作用(通径系数)和间接作用(间接通径系数)，间接通径系数公式如下：

∑rijPi=rxixj·Pxj

(4)

式中：∑rijPj为间接通径系数;rxixj为形态性状xi和xj之间的相关系数;Pxj为影响因子xj对NDVI的通径系数。

决定系数是将环境要素对NDVI的综合作用进行排序[24]，利用相关系数和通径系数，根据下列公式计算影响因子对绿洲区植被NDVI的决定系数，表达式为：

(5)

式中：dxi代表环境要素xi的决定系数,当Pxi>0时,代表环境要素对植被NDVI作用为协同,反之,作用为限制。

3 结果与分析

3.1 NDVI年际变化规律

采用最大值合成法(MVC)获得每一年植被NDVI后作加权平均处理，得到该年度绿洲区的平均NDVI值，分析其年际变化特征。从图1可以看到，2000—2018年塔里北缘绿洲不同植被类型NDVI总体处于波动上升态势，植被覆盖有所增加。研究各时段不同植被NDVI时序变化中，2000—2003年均处于逐步上升趋势，自2003年开始有大幅度下降，之后处于波动下降趋势，至2009年不同植被类型NDVI开始呈大幅度上升趋势，湿地、针叶林、草甸、阔叶林在2011年达到最大值，草原、高山植被和荒漠在2010年达到峰值。草原、湿地、针叶林与灌丛NDVI波动幅度较大，荒漠和栽培植物NDVI增加显著。从表1可知，塔里木盆地北缘绿洲NDVI增长速率为0.033/10 a，植被覆盖类型的增长速率由高到低依次为栽培植物、灌丛、阔叶林、草甸、荒漠、草原、湿地、针叶林和高山植被，变化速率依次为0.073/10 a，0.064/10 a，0.052/10 a，0.043/10 a，0.041/10 a，0.03/10 a，0.024/10 a，0.023/10 a和0.018/10 a。

图1 塔里木盆地北缘绿洲2000-2018年不同覆被类型年均NDVI变化

3.2 NDVI空间变化规律

一元回归趋势线法直观地反映了塔里木盆地北缘绿洲植被NDVI在空间上的变化特征(表1)。从图2可以看到塔北绿洲区NDVI变化斜率和变化显著性，研究区植被NDVI整体呈增加趋势，北部海拔较高区域和中部聚落区域NDVI存在退化现象。其中，柯坪县、乌什县、阿克苏市、阿瓦提县中部、拜城县南部、新和县、库车县中部与北部地区、轮台县北部与南部地区、焉耆回族自治县东部、和静县东南部、和硕县南部与中部部分地区、尉犁县南部和东部部分地区植被覆盖度明显改善；温宿县西南部、库车县南部、轮台县中部、和静县、博湖县和尉犁县北部部分地区植被覆盖有明显退化现象。统计得出塔里木盆地北缘绿洲NDVI增加区域面积239 732.09 km2，占区域总面积的89.75%，增加幅度达到显著水平(p<0.05)以上的面积为60 619.05 km2，占研究区总面积的22.69%(表2)。

表1 塔里木盆地北缘绿洲不同植被类型NDVI年际线性变化

表2 塔里木盆地北缘绿洲各覆被类型NDVI变化显著性

图2 塔里木盆地北缘绿洲2000-2018年NDVI变化趋势及其显著性空间分布

其中前3种植被类型高于塔北绿洲区平均水平；按植被NDVI增加幅度的显著水平以上(p<0.05)的面积占比排序，依次为针叶林(50.35%)、高山植被(46.55%)、湿地(41.68%)、草原(34.48%)、草甸(24.73%)、灌丛(14.69%)、阔叶林(14.58%)、荒漠(10.92%)和栽培植物(10.87%)。从NDVI增加面积来看，荒漠、栽培植物与草甸对塔北绿洲区植被改善贡献最大。

3.3 NDVI对气象要素的响应

3.3.1 气象要素的年际变化 图3为塔里木盆地北缘绿洲区19 a间降水和气温的变化趋势图。19 a间年均降水量表现出波动微降趋势，下降速率为27.22 mm/10 a，未通过0.05的显著性水平检验，其中在2007年降水异常偏高达到峰值，在2015年达到谷值，其余年份降水量均达呈波动变化状态；气温方面，绿洲区19 a间的气温呈波动下降状态，下降速率为0.772 ℃/10 a，通过显著性检验，其中气温的峰值在2008年达到8.96 ℃，谷值在2015年仅为6.22 ℃，在2002，2004，2009，2013和2016年气温均处于较高状态，在2003，2012和2018年处于较低水平。

图3 塔里木盆地北缘绿洲2000-2018年年均降水量和年均气温变化趋势

3.3.2 植被NDVI对自然要素的响应特征 分析像元尺度的上的19 a间NDVI与降水的相关系数。结果表明，塔里木北缘绿洲区植被NDVI和降水不相关区域占75.82%，说明降水与绿洲区NDVI相关关系并不显著，这与徐应涛[25]、王涛[26]、丁玥等[27]人研究结论一致。值得注意的是，与气温呈正相关植被NDVI主要分布在塔里木河流域[28]。塔北绿洲区NDVI与降水呈显著负相关的区域占极少，仅占绿洲区0.42%。总体来看，塔里木盆地北缘绿洲NDVI与降水量特征相关性并不显著。由图4可以看出，2000—2018年NDVI与气温的相关关系。结果表明，塔里木盆地北缘绿洲NDVI与气温负相关为主导(72.15%)，其中显著负相关占研究区面积的9.27%，主要分布在塔里木河流域和开都河流域，这与张晋霞等[9]人研究结论一致；呈正相关的区域占研究区的1.85%，主要分布在塔北绿洲北部高山植被与草甸区域，其中呈显著正相关仅占区域总面积的0.14%。总体来看，气温变化对塔里木盆地北缘绿洲植被NDVI具有负面效应，尤其是气温降低促进流域附近植被覆盖度增加。

图4 塔里木盆地北缘绿洲2000-2018年NDVI与年均降水量、年均气温的相关性空间分布

为分析不同植被类型对气象要素的响应情况，对绿洲区2000—2018年各个植被类型进行相关分析和偏相关分析。统计可得(表3)，塔里木盆地北缘绿洲NDVI与气温的相关系数为-0.605 2，呈显著负相关(p<0.05)，除了湿地、高山植被和针叶林外，其余覆被类型均相关系数均通过0.05水平显著性检验。相比气温，降水对不同覆被类型的NDVI均未达到显著性水平，不同覆被类型的NDVI与降水量间的相关系数与绿洲区整体情况基本一致，说明降水对塔北绿洲各植被变化相关性较弱。从偏相关分析看到，排除年均温的影响，年均降水量对不同覆被类型NDVI(除荒漠和湿地)由抑制转为协同作用，但并不显著，说明温度的变化影响了植被生长对降水的响应方向，其可能的原因是气温的降低使得蒸腾作用减少，即使降雨量下降植物亦能保持水分。

表3 塔里木北缘盆地绿洲NDVI与自然要素的相关系数

3.4 人为环境要素对NDVI的驱动作用

植被生长变化是不仅是气象要素的影响，它是环境要素的综合作用[29]。这些环境要素还包括生产生活方式、经济结构等人为环境要素。本研究选取人口、牲畜数量、林业总产值、牧业总产值、工业总产值、固定资产投资6个社会经济指标作为人为环境要素。其中，林业总产值代表林业生产使用情况，侧面反映当年林业发展状况，牧业总产值代表了畜牧业的生产情况，牲畜数量代表了绿洲区放牧强度，工业总产值代表了工业化和现代化的发展水平，人口数量和固定资产投资反映了社会发展水平。

将NDVI作为因变量，降水量(X1)、气温(X2)、人口(X3)、牲畜数量(X4)、林业总产值(X5)、牧业总产值(X6)、固定资产投资(X7)、工业总产值(X8)这8个要素作为自变量，建立最优化多元回归方程：

Y=-0.008X2+4.167×10-4X5-

3.114×10-5X6+0.313

(R2=0.939，p<0.05)

(5)

说明气温、林业总产值与牧业总产值对研究区NDVI存在显著效应(p<0.05)，其余因素对NDVI影响不显著，在逐步回归分析中剔除。基于回归方程，对气温、林业总产值、牧业总产值进行通径分析，从表4可以看到，气温对植被NDVI的直接通径系数为-0.394，间接通径系数为0.123，说明气温对塔里木北缘绿洲NDVI存在负面作用，通过其他要素从抑制转为协同。林业总产值直接通径系数为0.612，说明林业总产值对绿洲区NDVI具有很好的正效应。牧业总产值直接通径系数为-0.527，间接通径系数为-0.148，说明牧业产值的增加对植被NDVI变化具有抑制作用，但通过其他要素对植被抑制降低。此外，气温、林业总产值和牧业总产值的决定系数分别为0.353，0.227和0.160，说明气温对NDVI的综合作用最强，林业总产值次之，牧业总产值对NDVI作用较弱，其中林业总产值为主要协同要素，气温为主要限制要素。

表4 塔里木盆地北缘绿洲植被NDVI与环境要素的通径分析

4 讨 论

塔里木盆地北缘绿洲属于大陆性暖温带干旱气候[13]，北有天山作为屏障，南受塔克拉玛干沙漠影响，干旱少雨，自然环境较为恶劣，生态环境十分脆弱，因此对其植被覆被的变化特征和影响因素具有探究价值。结果表明，塔里木北缘绿洲区不同植被类型NDVI增加面积均大于60%，总体趋于上升状态，地表生态逐渐改善。总体来看，本文植被NDVI变化趋势的结果与欧亚大陆得出的植被覆盖变化结论基本一致[30]。气温和降水是影响植被覆盖的主要自然要素[31]。塔里木盆地北缘绿洲区气温对植被NDVI的影响远大于降水。其原因可能有两个因素导致，绿洲区属于大陆性暖温带干旱气候，降水量稀少，因此降水量的变化特征对塔北绿洲区植被的影响很小。此外，气温的降低会导致蒸腾作用的减少，在一定程度上削弱了降水对植被的直接作用[32]；绿洲区南部处于塔克拉玛干沙漠北部，多为荒漠植被，荒漠植被旱化特征明显，大多依靠地下水或者降水转化的土壤水供给植被，因此对年际降水量的响应较低。进一步研究发现，不同覆被类型对降水的响应普遍不显著，该现象在灌丛、阔叶林和高山植被较为明显，分别探究其成因，首先，灌丛和阔叶林对降水的响应低主要因其发达根茎深入土壤，植被的生长取决于深层土壤水含量，与年均降水量关系较小[33]；其次，高山植被位于高山带，具有耐寒性[34]，其对于降水的依赖性远低于气温的变化。除此之外，排除气温的影响后，降水对不同植被NDVI的影响由不显著抑制转为不显著促进作用，说明在塔北绿洲区气温会影响降水对植被的作用方向。

5 结 论

(1) 2000—2018年，塔里木盆地北缘绿洲植被NDVI增加区域面积为2.39×105km2，占区域总面积的89.76%，绿洲区NDVI整体呈波动上升趋势，增速为0.033/10 a。在空间尺度上表现为研究区中部至南部整体呈增加趋势，植被覆盖度有所好转，北部和中部的部分地区存在退化区域。

(2) 研究时段内，绿洲区19 a间的气温呈波动下降状态，下降速率为0.772 ℃/10 a，通过了0.05显著性检验；降水方面，19 a间表现出波动微降趋势，下降速率为272.17 mm/10 a，基本处于平衡趋势状态。气象要素中，绿洲区植被NDVI与气温呈显著负相关，相关系数为-0.605 2，负相关区域站绿洲区总面积72.15%。绿洲区NDVI与降水量相关性并不显著，对植被的生长影响较低。

(3) 在人为环境要素中，林业总产值和牧业总产值是影响植被NDVI的主控因子，其中林业总产值绿洲区NDVI具有很好的正效应，牧业总产值增加对植被NDVI变化具有抑制作用。

综合分析，气温、林业总产值和牧业总产值是绿洲区NDVI变化的主控因子，其中气温对植被变化综合作用最强，林业总产值作用次之，牧业总产值作用最弱。