新疆荒漠植被的时空分布变化及其驱动因素*

崔 灿,郭 英,沈彦俊

荒漠植被是干旱半干旱生态系统重要的组成部分,在防风固沙、水土保持、涵养水源、维护生态系统平衡及保护生物多样性等方面发挥着重要且不可替代的作用[1-2]。植被的变化情况是生态环境评价一个重要的参量,同时也是指示土地退化和沙漠化的一个敏感指标,对荒漠植被的时空分布变化进行及时准确的监测,对资源可持续利用及生态恢复具有重要应用价值[3]。

传统的野外监测方式,耗费大量的人力与时间,效率低下,不适合长时间序列与大范围荒漠植被监测; 基于无人机获取研究区影像,通过对可见光波段提取植被指数确认荒漠植被范围的方法精度较高,但该方法更适用于较小范围的监测和高精度荒漠植被的提取[4-5]; 近些年遥感技术已成为研究地表植被的有力工具,高光谱微分遥感方法通过对研究区荒漠化草原指示植物提取相关特征参数,对其进行光谱特征分析,从而达到植被类型的识别和提取,但该方法需要先利用高光谱仪对指示作物进行实地的光谱数据采集[6-7]; 基于旋转森林算法的植被信息提取,是通过结合多光谱遥感影像和地形数据,计算得到光谱特征、纹理特征和地形特征完成植被提取,该方法受样本精度影响大,同时在精度验证时受主观因素影响较大[8]; 在长时间序列和大范围的遥感估测植被的方法中,像元二分模型法在分析植物光谱的基础上,利用植被指数区分植被信息和非植被信息以间接估算植被覆盖度,通过设定阈值提取荒漠植被的面积。该方法模型参数简单、计算便捷,同时能够在一定程度上消除土壤等背景因素的影响,在不同区域的应用中也表现出较高的精度和稳定性,应用广泛并具有一定的科学性[9-12]。

新疆位于我国的西北干旱区,生态系统脆弱且不稳定,气候变化和人类活动导致一系列生态问题,例如荒漠面积扩大、荒漠植被稀疏不均、森林破坏、草地退化、河流断流、绿洲退化等。近几十年来国家对新疆的生态问题十分重视,从20世纪50年代国内便出台一系列项目政策致力于荒漠化的治理与生态的恢复,其效果也十分显著[13-14]。目前基于新疆荒漠植被的研究多集中于个别流域、地形区或者人为划定的范围,研究尺度较小,较少对全疆域尺度的荒漠植被进行整体系统的研究,同时也存在时间尺度较短的问题,缺乏近几十年的长时间尺度的变化研究。研究该区域荒漠植被的时空变化,精确地获取研究区不同时段的荒漠植被情况,对维护新疆生态平衡和生态环境恢复、提高局部气候调节能力等具有重要的科学指导意义。

本研究以新疆为研究区,基于AVHRR-NDVI和MODIS-NDNI数据集,利用改进的像元二分模型估算新疆荒漠植被的面积,分析新疆1989-2017年荒漠植被面积的时空动态特征及其演变转化规律,并探究驱动性因素对荒漠植被面积的影响情况,以期为新疆植被资源和生态环境的动态监测和评价提供科学基础。

1 研究区概况

新疆维吾尔自治区地处亚欧大陆中心,位于中国西北部(73°40＇～96°18＇E,34°25＇～48°10＇N)。全区面积166万km2。“三山夹二盆”是新疆独特的地形特征,“三山”从北向南依次为阿尔泰山、天山和昆仑山,“两盆”分别是北部的准噶尔盆地和南部的塔里木盆地(图1)。新疆远离海洋,深居内陆,四周高山阻隔,海洋气流不易到达,形成了典型的温带大陆性气候。集中表现为降水量少,蒸发量大,新疆年平均降水量为150 mm,年平均蒸发量800～3200 mm[15]; 气候干燥,温差较大,最冷月(1月)平均气温在-20 ℃以下,最热月(7月)平均气温在33 ℃以上。新疆为典型的山地-绿洲-荒漠系统,本研究以海拔2000 m为界,将新疆划分为山地和平原区; 其中平原地区为荒漠戈壁区,荒漠植被多分布于此[16]。新疆荒漠主要分布于干旱程度较高的南疆和东部吐鲁番及哈密地区[17]。这些地区植被覆盖度低,大部分植被低矮稀疏且分布不均匀,荒漠植被类型主要是乔木、灌木、草本和短命植物; 河流沿岸及降水量较多的山区、盆地植被覆盖度较高,多绿洲、森林和高植被覆盖度草地分布[18]。

鉴于地域广阔和地形复杂,本研究对影响荒漠植被变化因素的研究选取了新疆的3个典型流域,流域内荒漠植被面积均较大且植被类型间转变较剧烈。北部乌伦古河流域面积2.66万km2,多年平均气温3.51 ℃,多年平均降水量163.70 mm; 中部阿克苏河流域面积5.08万km2,多年平均气温11.15 ℃,多年平均降水量84.79 mm; 南部叶尔羌河流域面积8.60万km2,多年平均气温12.28 ℃,多年平均降水量69.05 mm。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文所用的1989-1999年遥感数据取自全球总量监测和模拟研究组(GIMMS)所收集处理的AVHRRNDVI数据集,空间分辨率为8 km×8 km,时间分辨率为15 d; 2000-2017年的遥感数据为MOD13A2-NDVI数据集,空间分辨率为1 km×1 km,时间分辨率为16 d。将AVHRR-NDVI数据集进行重采样,空间分辨率统一至1 km。

降水量、气温数据来自中国地面气候资料日值数据集(V3.0)新疆地区1989-2017年103个气象站的逐日降水量与气温数据资料。各流域径流量数据为查阅文献[19-21]提取的数据。

2.2 研究方法

选用植被生长季各月的NDVI数据来计算植被覆盖度,新疆植被生长季定为每年的4-10月。通过最大值合成法(MVC)分别得到1989-2017年每年NDVI最大值序列数据。并利用SPSS软件对荒漠植被面积、气温、降水及径流量等数据进行统计分析。

2.2.1 提取荒漠植被区

根据改进的像元二分模型计算新疆各年的植被覆盖度(fc),计算公式可表示为:

式中:NDVI为影像中各像元的NDVI,NDVIsoil为裸土或无植被覆盖区的NDVI,NDVIveg为完全由植被覆盖像元的NDVI。本次选取各年累计频率5%的NDVI值为NDVIsoil,累计频率95%的NDVI值为NDVIveg。本文阈值划分参考周丹等[9]西北荒漠区荒漠植被划分阈值:0.1≤fc≤0.35的像元为荒漠植被,其中,0.1≤fc＜0.25为低覆盖度荒漠植被(下文简称为“低荒漠植被”),0.25≤fc≤0.35为高覆盖度荒漠(下文简称为“高荒漠植被”);fc＞0.35的像元为非荒漠植被(植被类型主要是高植被覆盖度的林地、草地和农田);fc＜0.1的像元为裸地或其他用地。

2.2.2 面积变化

荒漠植被面积在一定时期内的变化量计算公式为:

式中:ΔU表示研究时段内某植被覆盖度等级面积变化量,Ub和Ua分别表示研究末期和初期该植被覆盖度的面积。

2.2.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵表示研究时间范围内各地类之间的转换量和转换方向,可以定量反映地类间的转换情况。本研究使用土地利用转移矩阵计算不同植被类型之间的相互转换情况。转移矩阵可以表达为:

式中:P为地类转换的面积,n为地类数量。利用Arc-GIS空间分析中的合并功能将各年份的植被类型数据进行合并,统计各植被类型间的转换面积,得到研究区各植被类型间的转换情况。

2.2.4 相关性分析

相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。使用相关性分析基于像元尺度进行植被覆盖度(fc)与主要影响因素(如气温、降水)的相关分析研究。其计算公式表示为:

式中:n为年数,R为x和y两个因子的线性相关系数,xi和yi分别是x、y两个因子在第i年的值,和分别为两个因子n年平均值。

3 结果与分析

3.1 荒漠植被的面积变化与时空分布

1989-2017年新疆荒漠植被总面积呈显著增长趋势(P＜0.01),线性增长率为3.09万hm2·a-1(图2a)。研究时段内新疆荒漠植被处于持续扩张的状态,近30年增长近200万hm2,多年平均值为(623.18±10.04)万hm2。其中,低荒漠植被约占荒漠植被总面积的67%,呈显著增加趋势(P＜0.01),线性增长率为3.22万hm2·a-1,多年平均值为(414.47±8.76)万hm2; 高荒漠植被约占整个新疆荒漠植被总面积的33%,整体保持稳定状态,多年平均值为(208.71±2.59)万hm2。1989年、2000年、2010年和2017年新疆荒漠植被的空间分布显示(图3),荒漠植被呈现北部多于南部、西部大于东部的空间分布特征。北部的荒漠植被集中分布在准噶尔盆地,南部则主要分布在塔里木盆地绿洲的外缘。1989-2019年新疆荒漠植被变化区集中在准噶尔盆地,以低荒漠植被面积的增加为主。

荒漠植被的空间分布与地理环境有紧密联系[22],考虑新疆的地形与气候等因素,本研究分南疆和北疆进行统计分析(图2b,2c)。南疆荒漠植被同样以低荒漠植被为主,低、高荒漠植被面积均呈显著的增加趋势(P＜0.01),线性增长率分别为1.27万hm2·a-1和0.98万hm2·a-1,多年平均值分别为(131.01±3.29)万hm2和(70.52±2.42)万hm2。南疆荒漠植被约占荒漠植被总面积的33%,呈显著增长趋势(P＜0.01),线性增长率2.25万hm2·a-1,多年平均值为(201.52±5.72)万hm2。北疆荒漠植被约占荒漠植被总面积的67%,整体呈小幅扩张态势,多年平均值为(421.66±8.96)万hm2。以低荒漠植被为主,呈显著增长趋势(P＜0.01),线性增长率1.95万hm2·a-1,近30年增加110.28万hm2,多年平均值为(283.46±6.43)万hm2; 高荒漠植被呈显著下降趋势(P＜0.01),线性增长率-1.11万hm2·a-1,多年平均值为(138.19±2.53)万hm2。综上所述,1989-2017年北疆荒漠植被面积的扩张以低覆盖度荒漠植被面积的增加为主,南疆低、高荒漠植被面积均呈增加趋势。

3.2 荒漠植被的演变转化

荒漠植被的演变转化主要分为2部分:一是荒漠植被内部间的转化,即高荒漠植被与低荒漠植被间的变化; 二是荒漠植被与非荒漠植被间的转化[23],即荒漠植被的扩张和缩减。本文将1989-2017年新疆植被转化分为16种类型计算转移矩阵(表1),探究近30年新疆荒漠植被的演变转化情况。图4展示了不同转化类型的空间分布情况。

表1 1989-2017年新疆不同植被类型间转化情况Table 1 Conversion among different vegetation types in Xinjiang from 1989 to 2017 104 hm2

从表1和图4可知,与1989年相比,2017年新疆242.84万hm2的低荒漠植被未发生转化,主要分布在准噶尔盆地中部及河流沿岸地区; 90.16万hm2的高荒漠植被未发生转化,主要分布在塔里木河绿洲区外缘环状过渡带。高、低荒漠植被间的转化中,25.95万hm2的低荒漠植被转化为高荒漠植被,24.90万hm2的高覆盖度荒漠植被转化为低覆盖度荒漠植被,主要呈斑块状分布在天山北麓和半环状分布在塔里木河绿洲区的外缘。荒漠植被与非荒漠植被和裸地间的转化中,24.02万hm2和66.86万hm2的非荒漠植被分别转化为低荒漠植被和高荒漠植被,呈斑块状分布于额尔齐斯河绿洲、艾比湖绿洲外缘以及河流沿岸带; 210.25万hm2和40.11万hm2的裸地分别转化为低荒漠植被和高荒漠植被,主要分布在准噶尔盆地的中部及塔里木河绿洲区与荒漠过渡带。此外,36.11万hm2的低荒漠植被和58.97万hm2的高荒漠植被变迁为非荒漠植被,41.41万hm2的低荒漠植被和54.76万hm2的高荒漠植被变迁为裸地。

新疆位于西北干旱内陆区,生态环境敏感且脆弱。总体来说,1989-2017年新疆荒漠植被面积总计增加167.14万hm2,其中低荒漠植被面积增加156.32万hm2,高荒漠植被增加10.82万hm2,增加的地区主要分布在准格尔盆地中部、塔里木河流域绿洲区外缘及河流沿岸区。

3.3 荒漠植被变化的驱动因素分析

3.3.1 典型流域荒漠植被变化特征

新疆地域广阔且地形复杂,不同区域内影响荒漠植被面积变化的因素各不相同。乌伦古河流域、阿克苏河流域、叶尔羌河流域分别位于新疆的北、中、南部,3个流域荒漠植被面积均较大且植被类型间转变较剧烈,因此本研究选用该3个流域作为典型流域进一步探究影响荒漠植被面积变化的驱动因素(图1)。

1989-2017年乌伦古河流域、阿克苏河流域、叶尔羌河流域的荒漠植被总面积均呈显著减少趋势(P＜0.05)(图5)。乌伦古河流域荒漠植被面积明显大于叶尔羌河流域和阿克苏河流域。乌伦古河流域荒漠植被面积年际波动较大,变化范围在12.23万～36.21万hm2,年际最高值与最低值之差达23.98万hm2。叶尔羌河流域在1990年和1998年荒漠植被面积有所增加,阿克苏河流域在1990年、1998年和2010年有所增加。总体上,在近30年两个流域均呈现减少趋势,线性变化率分别为-0.39万hm2·a-1和-0.37万hm2·a-1。

3.3.2 荒漠植被变化的气象因素

气温与降水是决定植被生长最重要的气候因子,特别是对于气候常年干旱且大部分地区降水稀少的新疆地区[18,24-25]。本研究利用气象站点数据对气温与降水进行空间插值,分别计算了网格尺度的植被覆盖度与气温和降水的Pearson相关系数(图6)。从图6发现,乌伦古河流域、阿克苏河流域和叶尔羌河流域分别有50.33%、54.42%和53.69%面积的荒漠植被与气温呈正相关关系,49.67%、45.58%和46.31%面积的荒漠植被与气温呈负相关,呈现与温度正负共存的相关关系。流域内与气温呈正相关的荒漠植被区域,靠近河流农业灌溉水分较充足,随温度升高积温增加,促进植被生长增加植被覆盖度。流域内植被覆盖度与气温呈负相关的荒漠植被区域多分布于绿洲区的最外缘,随着距离的增加,灌溉水补给逐渐消失,土壤含水量下降,气温升高加快土壤水分蒸发,导致植被覆盖度下降,植被退化。

乌伦古河流域64.98%面积的荒漠植被与降水量呈正相关关系,35.02%面积的荒漠植被与降水量呈微弱负相关,其负相关部分主要分布在流域海拔较高的东部,该区域有大片林地与高覆盖度草地,受冰雪融水、高山积雪融水影响大,受短期降水波动影响较小[26-27]。阿克苏河流域和叶尔羌河流域分别有78.49%和80.66%面积的荒漠植被与降水量呈正相关关系,主要原因是干旱半干旱区土壤水分等条件导致植被生长发育受限,降水增多会促进植被生长;21.51%和19.34%的荒漠植被与降水量呈微弱负相关,该部分主要分布在河流沿岸的绿洲农业区,受农业灌溉调节影响与自然降水关系不大。

结果表明,气温对荒漠植被面积的影响具有区域性差异。靠近水域的荒漠植被区域气温与植被覆盖度呈正相关,距离水域较远的荒漠植被区呈负相关。3个流域中均有超过2/3的荒漠植被区域内植被覆盖度与降水量呈正相关关系,这表明降水量的变化会对荒漠植被面积的缩减与扩张产生较大影响。总体来说,在空间尺度上降水的相关性高于气温,是影响荒漠植被面积变化的主要影响因素。

3.3.3 荒漠植被变化的水资源因素

新疆大部分地区降水稀少,荒漠植被生长主要依靠地表水与地下水资源[15]。从图7可知,阿克苏河流域径流量波动较大,且无显著变化趋势,径流量明显高于另外两个流域,多年平均值为84.66亿m3; 叶尔羌河流域径流量呈小幅的逐年增加趋势,线性增长率为0.55 mm·a-1,多年平均值为65.28亿m3; 乌伦古河流域径流量除1993年和2010年较大,其他年份保持稳定,多年平均值为9.96亿m3。

为探究各个流域径流量与荒漠植被面积间的关系,本文利用相关性分析定量评估流域径流量与荒漠植被面积的关系,研究结果表明,乌伦古河流域、阿克苏河流域及叶尔羌河流域径流量与荒漠植被面积的相关系数R分别为0.39(P＜0.05)、0.46(P＞0.05)和-0.27(P＞0.05)。总体来说,乌伦古河流域径流量与荒漠植被面积呈显著正相关关系,水资源量是该流域内影响荒漠植被面积变化的主要因素之一; 阿克苏河流域内径流量与荒漠植被面积相关关系不显著; 叶尔羌河流域内径流量与荒漠植被面积呈微弱的负相关关系,主要是由于该流域荒漠植被主要分布于农耕区的最外缘,随距离增加河流水补给逐渐消失,植被受径流变化影响小[28-29]。

3.3.4 政策因素

植被的退化与恢复除了受自然因素的影响外,很大程度上受人类活动的影响。人为的干扰控制在一定程度上承担了主导性作用。人为因素在自然因素的基础上加速或减缓生态系统受损或恢复进程。在短时间内,政策因素能够显著地改变生态环境。针对新疆的生态问题,国家开展了一系列植被保护及生态环境恢复的项目,取得了显著成果[13-14]。2000年起新疆通过实施退耕还林工程,人工种植构建生态系统层次,恢复和改善生态系统,并对生态脆弱区的沙漠草地和沙化草地以及退化严重的草地实行禁牧制、退化草场休牧制、基本草原划区轮牧制等的退牧还草工程。并与三北防护林同步建设,截至2018年全疆森林覆盖率增加0.7个百分点,累计完成退耕还林任务177.46万hm2,整个工程实施涉及全疆90个县市区。“十三五”以来,截至2020年6月,新疆依托三北防护林体系建设、退耕还林还草、防沙治沙等国家重点生态建设工程,共治理沙化土地1980万hm2[30]。本研究结果也显示,自21世纪以来,新疆总的荒漠植被面积呈显著增加趋势,线性增长率为6.94万hm2·a-1,从2000年的582.38万hm2增长至2017年的729.51万hm2,荒漠植被面积增加213.40万hm2。2001年国家对塔里木河流域进行综合治理,持续启动塔里木河下游生态输水计划,结束塔里木河下游断流历史,植被面积显著增加,本文估算结果显示,2000-2017年南疆荒漠植被面积呈现稳健且显著的增加趋势,线性增长率为4.85万hm2·a-1,从2000年的200.41万hm2增长至2017年的260.97万hm2,荒漠植被面积增加60.56万hm2,塔里木河流域生态环境得到有效恢复。2018年制定通过的新疆维吾尔自治区生态保护红线划定方案,将生态安全的重要生态区域统一纳入一条红线管控之中,因地制宜建立最严格的生态环境保护制度和监管制度,高度重视生态安全,致力于新疆生态环境的恢复与发展[31]。虽然这些积极的人类活动以及科学措施实施时间并不长,但其生态效益已较为显著,已初步改善了新疆脆弱的区域环境,增加了林草植被覆盖度,减少了自然灾害,对于植被生产力以及生态环境的恢复起到积极的推进作用。

4 结论与讨论

新疆生态系统脆弱且不稳定,荒漠植被作为新疆生态系统中极为重要的组成部分对生态平衡和环境恢复、气候调节等具有重要的意义。因此本研究基于NDVI数据集,利用像元二分模型法计算植被覆盖度(fc),根据设定fc阈值提取新疆荒漠植被面积。该方法参数简单、计算便捷,在一定程度上能消除背景因素的影响,具有较高的精度和稳定性。本文的提取方法及结果在其他学者的研究中也得到验证:古丽·加帕尔等[32]通过多种模型提取塔里木河干流中下游地区荒漠稀疏植被面积并通过实测数据验证,确定荒漠区实际植被覆盖度低于30%,其设置阈值范围与本研究接近; 周丹等[9]利用生长季植被覆盖度指数划分阈值提取1982-2010年西北干旱区荒漠植被面积,南、北疆荒漠植被多年平均值分别为187.3万hm2和422.6万hm2,与本文提取结果基本一致; 李向婷等[33]通过对新疆稀疏荒漠植被的提取,发现全疆、南疆和北疆的植被覆盖度指数分别为5.7%、2.8% 和12.9%,且新疆81%的区域植被覆盖度在15%以下,与本文研究结果较为一致(77.2%)。植被的生长发育与水热条件密切相关[34],本文基于提取的荒漠植被探究其与气温、降水、水资源的关系。王涛等[35]和马有绚[36]在对新疆及干旱半干旱地区气候因素与NDVI之间的关系研究中发现,降水是主要的自然驱动因子,本研究得出相同的结论。除气候因素外,政策因素也是影响新疆荒漠植被面积的重要因素之一,积极的人类活动及科学措施的生态效益显著,已对新疆生态环境的恢复起到积极的推进作用[30-31]。

本研究基于NDVI数据,利用像元二分模型法提取新疆1989-2017年荒漠植被面积,分析其时空变化特征及其驱动因素。得到以下结论:

1)1989-2017年新疆荒漠植被规模处于持续扩张状态,总面积呈显著增长趋势,主要为低荒漠植被面积的增加。低荒漠植被占荒漠植被总面积的67%,集中分布在准噶尔盆地及非荒漠植被区外缘; 高荒漠植被面积基本不变,主要分布在绿洲外缘地区及河流沿岸地区。

2)北疆荒漠植被的面积占荒漠植被总面积的67%,其面积呈小幅增加趋势,主要为低荒漠面积的增加。南疆荒漠植被的面积约占荒漠植被总面积的33%,其面积呈显著增长趋势,为低、高荒漠植被面积的同时增加。

3)1989-2017年的植被类型演变转化中,高、低荒漠植被间的转化为50.85万hm2; 90.88万hm2的非荒漠植被转变为高、低荒漠植被,250.36万hm2的裸地转变为高、低荒漠植被,95.08万hm2的高、低荒漠植被转变为非荒漠植被,96.17万hm2的高、低荒漠植被转变为裸地。

4)气温、降水量、径流量及政策因素均会对荒漠植被的面积产生相应的影响。本文选取的3个典型流域内,影响荒漠植被演变的主要因素是降水,其次是径流量及政策因素,气温对荒漠植被的影响存在区域性差异。

以上结论可知,1989-2017年,29年新疆荒漠植被面积的提取结果可靠,驱动因素分析具有合理性。但像元二分法的精度会受到影像上其他作物信息的影响,较难提取纯荒漠植被像元[31],因此在下一阶段的工作中需进一步完善,提高提取精度。同时,荒漠植被的面积变化除受气温、降水、水资源、政策因素影响外,还受到太阳辐射、风速、日照等其他自然因素和其他人类活动的共同影响,未来针对荒漠植被的驱动因素分析有待进一步深入。