阿克苏地区植被生态质量时空变化及其驱动机制

方 贺， 严佩文， 石 见， 康 娟， 刘海蓉，陈 丹， 罗 继， 徐 栋

（1.浙江省气候中心，浙江 杭州 310017；2.阿克苏地区气象局，新疆 阿克苏 843000；3.绍兴市气象台，浙江 绍兴 312000；4.诸暨市气象局，浙江 诸暨 311800；5.北京师范大学遥感科学国家重点实验室，北京 100875）

植被生态质量是维护生物多样性稳定的重要物质基础，对生态系统的平衡与自我修复具有重要意义［1］。全球植被呈现显著的绿化趋势，且中国对其贡献了近25%，贡献比例居首［2］。其中，不乏西北地区生态治理工程所带来的效益。西北部地区是我国荒漠化、沙化土地分布最广的地区，近些年持续的生态治理工作给该地区带来了“绿色”［3］。

阿克苏地区地处塔克拉玛干沙漠北缘，受沙漠气候影响较大，是新疆风沙策源地之一，是抗击土地荒漠化、盐渍化的最前沿。作为我国典型的气候变化的敏感区与植被生态环境的脆弱区，阿克苏地区近几十年的植被生态质量受到气候变化与人类活动的共同影响［4］。研究表明，近50 a来，中国阿克苏地区的平均气温呈现出显著的上升趋势，而年降水量则呈现显著下降趋势，导致干旱区逐渐扩大，给地区的生物多样性维护带来了巨大威胁［5-6］。另一方面，近几十年以阿拉尔市、阿克苏市为主的阿克苏地区城市化发展促进了建设用地的大规模扩张，深刻影响着地区的生态系统服务［7］。因此，探究阿克苏地区植被生态质量的时空变化规律及其对气候变化与人类活动的响应，对该地区的生态文明建设具有重要意义［8］。

卫星遥感调查具有视域广、视点高、数据采集快和连续、重复观察的特点，已成为人类获取地表信息的最重要手段之一［9］。近些年，遥感传感器的快速发展以及对地观测系统的逐步完善极大地推动了大尺度地区的植被生态监测研究［10］。净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）和植被覆盖度作为表征陆地生态系统服务功能以及植被生态质量和植物生长状况的2 个关键参数［11-12］，常被学者们用于地区的植被生态质量评价。一方面，作为衡量地球生态系统源和碳汇重要因子，植被NPP表征了生态系统植被在自然条件下的生产潜力［13］。从早期的站点观测发展到目前大尺度甚至全球尺度的模型估算，植被NPP 的研究取得了长足的发展。其中，基于遥感卫星资料和气象观测数据的方法已经成为获取大尺度范围植被NPP 的主要途径［14-15］。另一方面，作为表征陆地生态系统状态的另一重要参数，植被覆盖度的测量方法主要分为地面测量法和遥感反演法，其中遥感反演法具有空间连续、监测范围广、经济成本低等优点，广泛应用于大范围植被覆盖度的监测［16-18］。

目前，基于植被NPP 与植被覆盖度的植被生态质量评估模型已经取得了很好的发展。例如，毛留喜等［19-20］和钱拴等［21］利用植被NPP构建了用于生态气象监测评价指数模型，为开展生态气象监测探索了一个较好的方法；吴宜进等［22］选取植被覆盖度、叶面积指数、热度等5项指标，并利用主成分分析法评估了西藏地区植被生态质量，研究结果表明2000—2016 年西藏地区植被生态质量总体呈现变好的趋势；杨绘婷等［23］利用植被覆盖度指数和遥感生态指数来评估武夷山国家自然保护区植被生态质量的变化，结果显示1979—2017年保护区的植被生态质量和覆盖度均呈上升趋势。

目前，针对阿克苏地区植被生态状况，学者们也开展了一些研究。例如，崔灿等［24］基于AVHRRI和MODIS 2 种NDVI 数据集，对新疆1989—2017 年荒漠植被的时空分布变化及其驱动因素进行分析，表明新疆荒漠植被总面积呈显著增加趋势；王志成等［25］利用2005—2016年Landsat TM和高分1号遥感影像，采用NDVI像元二分模型和差值运算方法，对阿克苏流域的植被覆盖动态进行了监测分析和评价，表明阿克苏流域近10 a 植被覆盖度整体呈良性发展趋势，且植被覆盖度不均，差异较大。然而，研究发现利用单一植被覆盖度或NPP 对某一区域植被生态质量进行评价，其结果往往缺乏客观性，会出现植被覆盖度相同、NPP不同或NPP相同、植被覆盖度不同等情况。

钱拴等［26］利用中国区域MODIS月NDVI合成数据和逐日气象观测站资料，通过反演得出植被NPP和覆盖度构建了一种可以综合反映植被NPP 和覆盖度的VEQI 模型。因此，考虑到长期以来针对阿克苏地区植被生态质量状况的研究仅是基于单一要素进行的，缺乏结合植被覆盖度和植被NPP对植被生态质量指数进行动态监测，本研究基于钱拴等［26］提出的VEQI 模型，探究了阿克苏地区2000—2021年植被生态质量的时空变化特征及其对气候因子与人类活动的响应，对阿克苏地区甚至全国其他地区的生态文明建设具有重要意义。

1 研究区概况

阿克苏地区地处新疆中部，天山山脉中段南麓，塔里木盆地北部，地理位置位于78°03′～84°07′E，39°30′～42°41′N，全地区总面积13.25×104km2，全地区辖7县2市，84个乡镇，56个农林牧场。研究区地形呈北高南低的特征，北部坐落着众多山峰，南部覆盖着中国最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠。阿克苏市属暖温干旱气候地区，气候干燥、常年缺雨，且蒸发量大，但光照时间较长，年日照时数2800～3000 h，无霜期每年有200～220 d。

2 数据处理和方法

2.1 数据来源

本文使用的卫星遥感资料由中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据库提供，包括2000—2021 年Ter⁃ra/MODIS 卫星MOD13Q1数据集中归一化植被指数（NDVI）产品。MOD13Q1数据空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，产品后期由国家气象卫星中心进行拼接转投影处理，并利用国际通用的最大合成法获取月NDVI 数据［27］。将逐月NDVI 进行年度均值合成，用于表征本年度植被生长状况。数字高程数据来源于美国地质调查局。同期气象观测资料由阿克苏地区气象局提供。首先选取阿克苏地区2000—2021 年5—9 月有完整记录的气象观测站逐日气温、降水数据，将各站点日观测要素合成，建立月均值的长时间序列气候要素。

2.2 研究方法

2.2.1 植被NPP 遥感估算 采用MODIS NDVI 月合成产品和同期气象观测数据，利用国家气象中心提供的陆地生态系统碳通量（Terrestrial Ecosystem Carbon Flux，TEC）模型对柯柯牙工程植被净初级生产力（NPP）进行遥感估算，即

式中：Ra为自养生物本身呼吸所消耗的同化产物；可由式（2）进行计算:

式中：Ta为月平均气温。

式中：GPP 为植被总初级生产力；ε*为最大光能利用率；Tε为温度胁迫因子；Wε为水分胁迫因子；FPAR 为植被光合作用吸收的光合有效辐射比；公式中各参数计算方法和取值可参考TEC模型。

2.2.2 植被覆盖度估算 植被覆盖度（FVC）利用MODIS NDVI 月合成数据，根据混合像元分解法进行计算，表达式如下：

式中：NDVIsoil表示像元为纯裸土时的归一化植被指数；NDVIveg表示像元为纯植被时的归一化植被指数。根据我国植被特点，本研究NDVIsoil和NDVIveg的取值分别为0.05和0.95［11］。

2.2.3 植被生态质量指数估算 植被生态质量指数（VEQI）是通过分析植被覆盖度和NPP 对某一地区植被生态质量的重要性，采用权重加权的方法构建的一个综合反映植被生态质量的参数［12］，可反映植被在单位面积上覆盖能力和生产的综合能力。植被生态质量指数计算公式可表示为：

式中：f1和f2分别表示陆地植被覆盖度和NPP的权重系数，本研究f1=f2=0.5；NPPmax表示该时段植被NPP的最大值，即当地气象条件最好情况下的陆地NPP。植被生态质量指数数值在0～100，其值越大表示综合了植被生产能力和覆盖能力的植被生态质量越好。

2.2.4 多元回归残差分析 气候因子（降水、气温）与人类活动是影响年际间植被生态质量变化的重要因素［28］。本文采用多元线性回归残差分析方法［29-30］探究气候因子与人类活动对VEQI 的影响及相对贡献度。该方法包括3 个步骤：（1）以气温和降雨栅格数据为自变量，VEQI 为因变量，建立多元线性回归模型；（2）基于拟合出的回归模型，以及气温和降雨数据计算出VEQI的模拟值（VEQICC），以此来表示气候因子对VEQI 的影响；（3）以VEQI 残差（VEQI⁃HA），即VEQI真实值与VEQI模拟值之间的差值来表征人类活动对VEQI的影响。计算公式如下：

式中：VEQICC为VEQI 在气温与降雨影响下的模拟值；T和P分别为气温和降雨；a、b、c为拟合系数；VEQIHA为残差；VEQIOBS为遥感数据计算出的植被生态质量。

3 结果与分析

3.1 NDVI和植被覆盖度时空变化

2000—2021年阿克苏地区年际植被NDVI呈增长趋势（图1），近22 a 全地区年平均植被NDVI 以0.024·(10a)-1的速率增长，2001 年植被NDVI 值最低，为0.114。而2021 年植被NDVI 达近22 a 最大值，为0.17，较2000年NDVI（0.12）增长了0.05，增长了42%。2000—2021 年阿克苏地区年际植被覆盖度呈上升趋势，平均每年上升约0.25%。其中，2001年的植被覆盖度最低，约8.25%。而2021 年植被覆盖度达近22 a 最高值，为14.23%，较2000 年植被覆盖度（8.75%）增长了63%。

图1 2000—2021年阿克苏地区植被覆盖度和NDVI变化趋势Fig.1 Variations of FVC and NDVI in Aksu prefecture from 2000 to 2021

由图2 可知，2000—2021 年阿克苏地区NDVI均值（/100）的空间分布整体呈增加态势，2021 年植被NDVI高值区主要位于阿拉尔市、乌什县中东部、阿瓦提县北部、温宿县南部、拜城县南部以及新和、库车和沙雅三县交界处，其值多在0.5～0.7 之间；低值区主要出现在各县市沙漠、裸地和戈壁区域，其值均在0.1以下。

图2 阿克苏地区2000年（a）、2021年（b）植被NDVI均值空间分布与植被NDVI空间变化率分布（c）Fig.2 Spatial distribution of the mean value of NDVI in Aksu prefecture in 2000(a)and 2021(b),and the spatial variation rate of NDVI during 2000-2021(c)

图2c 为2000—2021 年年尺度植被NDVI 均值（/100）变化率空间分布，全地区超92%区域面积的植被NDVI呈增长趋势，尤其在温宿县南部、阿拉尔市北部、阿克苏市中部、新和县东部以及库车县中北部区域增长最为明显，年均增长率在1～3（/100）之间。

2000—2021 年阿克苏地区地表植被覆盖的空间分布整体呈改善状态（图3），主要表现为绿洲边缘荒漠、裸地区域缩减，植被覆盖区域明显扩张，同时部分低植被覆盖（＜10%）和中低植被覆盖区域（10～30%）植被覆盖度呈明显改善，整个地区中高植被（30%～50%）和高植被（＞50%）覆盖地区明显增加。2021年植被覆盖度高值区主要位于阿拉尔市、乌什县中东部、阿瓦提县北部、温宿县南部、拜城县南部以及新和、库车和沙雅三县交界处，覆盖度在40%～60%之间；低值区主要在各县市沙漠、裸地和戈壁区域，覆盖度在5%以下。

2000—2021 年植被覆盖度变化率空间分布中超过79%区域面积的植被覆盖度呈增长态势（图3c），其中温宿县南部、阿拉尔市北部、阿克苏市中部以及新和、沙雅和库车三县交界区域增长最为明显，增长率为2%·a-1～4%·a-1。此外，即使在沙漠区域，近22 a植被覆盖度也表现为增长趋势，但增长趋势较为缓慢，其值在0.5%以下。植被覆盖度下降区域主要位于阿克苏市南部和温宿县北部沙漠区域，平均下降在0%·a-1～2%·a-1。

图3 阿克苏地区2000年（a）、2021年（b）植被覆盖度（FVC）空间分布与植被覆盖度空间变化率分布（c）Fig.3 Spatial distribution of FVC in Aksu prefecture in 2000(a)and 2021(b),and the spatial variation rate of FVC during 2000-2021(c)

3.2 植被NPP

植被净初级生产力（NPP）是指绿色植物在单位时间、单位面积上由光合作用所产生的有机干物质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分。植被NPP 作为表征植被活力的关键变量，不仅是有机体能量和物质循环的基础，也是生态系统能量和物质流动的基础，关系到生态系统对碳固定能力的强弱。2000—2021 年阿克苏地区年际植被累加NPP 变化呈逐步上升趋势（图4），平均增长约0.62 g·m-2·a-1。2016 年全地区植被累加NPP 均值最高，为40.25 g·m-2；2006 年最低，为18.64 g·m-2。2021 年全地区植被累加NPP 均值为29.65 g·m-2，较2000年（19.03 g·m-2）增长了56%。在植被NPP 上升的同时，植被释氧量呈1.65 g·m-2·a-1的趋势增长。2021 年全地区植被释氧量均值为79.16 g·m-2，较2000年（50.82 g·m-2）增长了56%。

图4 2000—2021年阿克苏地区植被NPP和释氧量变化趋势Fig.4 Variation of NPP and-oxygen release in Aksu prefecture from 2000 to 2020

从空间分布看（图5），2000—2021 年阿克苏地区植被NPP呈总体改善状态，主要表现为绿洲边缘荒漠、裸地区域植被NPP 增加区域面积显著扩张。2000年柯坪县西北部、乌什县南部和拜城县中北部区域植被累加NPP 多在0～20 g·m-2，2021 年上述区域植被NPP增长至20～50 g·m-2。2021年，温宿县南部、阿瓦提县北部、阿克苏市北部、拜城县南部以及新和、库车和沙雅三县交界区域植被NPP多在100～200 g·m-2之间，拜城县南部部分区域NPP超过100～200 g·m-2之间。

由图5c可知，近22 a全地区超过95%区域面积的植被NPP 呈增加趋势，温宿县南部、阿拉尔市北部、阿克苏市中部以及新和、沙雅和库车三县交界区域增长最为明显，平均增加1～4 g·m-2·a-1。其中，阿拉尔市北部、新和县中部部分区域植被NPP平均可增加5～7 g·m-2·a-1。植被NPP降低区域主要在温宿县北部、拜城县北部、库车县东部以及沙雅县北部部分区域，平均下降0～2 g·m-2·a-1。

图5 阿克苏地区2000年（a）、2021年（b）年植被净初级生产力空间分布与植被NPP空间变化率分布（c）Fig.5 Spatial distribution of NPP in Aksu prefecture in 2000(a)and 2021(b),and the spatial variation rate of NPP during 2000-2021(c)

3.3 植被生态质量

植被NPP 和覆盖度是反映陆地生态系统服务功能的2 个最基本特征量，也是反映植被生态质量的2个关键特征量。但是，无论用植被NPP，还是用植被覆盖度，只能反映陆地生态系统服务功能或植被生态质量的一个方面，即生产能力或覆盖能力。基于植被NPP和覆盖度，构建的植被综合生态质量指数可反映植被在单位面积上生产能力和覆盖能力的综合能力，可解决空间上存在的单位面积上植被NPP 相同但对地表的覆盖程度不同或植被覆盖度相同但植被NPP不同的问题。基于此，本文利用以月和年尺度植被覆盖度和NPP，构建了既能反映植被生产力又能反映植被覆盖度的植被综合生态质量指数，建立了植被综合生态质量指数年际对比和多年变化趋势评价模型。

2000—2021 年阿克苏地区年际植被生态质量指数变化呈稳步上升趋势（图6），平均每年约增长0.17。2017 年全地区植被生态质量达最高值，为9.08；2001年为最低值，为5.41。2021年全地区植被生态质量为8.82，较2000年（5.47）增长了3.35，涨幅达61%，植被生态较优。

图6 2000—2021年阿克苏地区植被生态质量变化趋势Fig.6 Variation of vegetation ecological quality index in Aksu prefecture from 2000 to 2021

从2000 年和2021 年阿克苏地区植被生态质量空间分布来看（图7），全地区2021 年植被生态质量较2000年呈明显改善趋势，主要表现为原有绿地面积植被生态质量明显提升。与此同时，绿洲边缘荒漠、裸地区域植被生态质量上升区域面积显著扩张。2021 年植被生态质量指数高值区主要位于阿拉尔市、乌什县中东部、阿瓦提县北部、温宿县南部、拜城县南部，其值在40 以上；新和、库车和沙雅三县交界区域植被生态质量多在30～40；低值区主要在各县市沙漠、裸地和戈壁区域，植被生态质量多在10以下。

由图7c可知，2000—2021年全地区超过94%区域面积的植被生态质量指数呈增加趋势，其中温宿县南部、阿拉尔市中部以及新和县中部区域增长最为明显，平均每年增加1～2。此外，沙漠和戈壁区域近22 a 植被生态质量亦呈增长趋势，但增长趋势较为缓慢，每年多在0～0.5之间。植被生态质量指数下降区域主要位于温宿县北部和库车市东部部分区域，平均每年下降0～2之间。表1所示为2000—2021年阿克苏地区各县（市）植被生态要素均值及变化。

表1 2000—2021年阿克苏地区植被生态参数变化Tab.1 Variation of vegetation ecological parameters from 2000 to 2021 in Akesu prefecture

图7 阿克苏地区2000年（a）、2021年（b）年植被生态质量指数空间分布与植被VEQI空间变化率分布（c）Fig.7 Spatial distribution of VEQI in Aksu prefecture in 2000(a)and 2021(b),and the spatial variation rate of VEQI during 2000-2021(c)

4 讨论

阿克苏地区属于典型的暖温带干旱型气候，降水稀少、蒸发量大、气候干燥，是新疆风沙策源地之一，也是我国典型的气候变化的敏感区与植被生态环境的脆弱区。植被生态质量的动态变化主要受人类活动与气候变化的共同影响。其中，气候变化尤其是温度、降水，对植被长势具有重要的作用。本研究基于阿克苏地区植被生态质量以及气候因子（温度、降水）数据，并利用多元线性回归残差分析研究了阿克苏地区2000—2021 年植被生态质量时空变化对气候变化与人类活动的响应。

从图8a中可以看出，2000—2021年阿克苏地区绝大部分区域的植被生态质量呈现出不变与上升的趋势。从图8b 可以看出，人类活动驱动下的VEQI 变化趋势与图8a 中的VEQI 真实变化趋势的空间分布具有较高的一致性，表明2000—2021年阿克苏地区的植被生态质量的变化主导因素为人类活动。由图8c可知，大部分区域的植被生态质量受气候影响的程度均较小。

由8d 和图8e 可以看出，近20 a 阿克苏地区的VEQI变化的主导因素为人类活动。其次，从图8f中也可以看出，阿克苏绝大部分地区的VEQI 变化的主导因素为人类活动，而仅在温宿县北部等小部分区域，气候变化主导了VEQI的变化。

图8 VEQI真实趋势（a）、残差趋势（b）、模拟趋势（c）、人类活动贡献度（d）、气候因子贡献度（e）以及VEQI变化主要驱动因子（f）空间分布Fig.8 Spatial distribution of real trend(a),residual trend(b),simulated trend(c),contribution of human activities(d),contribution of climate factors(e)and main driving factors(f)of VEQI change

2002年国家启动退牧还草工程项目后，阿克苏地区在国家和自治区的大力支持下积极实施生态修复治理工程，在“两山”理论的引领下大力推进生态文明建设，走出了一条具有阿克苏特色、生态优先、绿色发展的创新之路，其中最具代表性的就是被联合国列入“全球500 佳境”之一“柯柯牙绿化工程”。通过2000 年和2021 年柯柯牙地区Landsat 系列卫星（30 m）影像显示（图9），2000 年以来柯柯牙工程区及周边区域植被面积明显增加，地区“绿度”显著提升。本文基于MODIS 卫星遥感数据和气象观测资料，对2000—2021年阿克苏地区植被生态质量进行了综合评估，后续研究将利用更高分辨率卫星影像资料开展更加精细化植被生态监测分析研究，为阿克苏地区乃至整个中国西北部的生态保护提供数据基础和技术支撑。

图9 2000年和2021年柯柯牙地区Landsat系列卫星真彩色对比Fig.9 True color map of Landsat satellite in Kokyar area in 2000 and 2021

5 结论

气候变化和人类活动双重作用下，阿克苏地区植被生态质量正在发生变化，基于多源遥感数据以及站点观测数据，分析了阿克苏地区2000—2021年生长季5—9 月植被覆盖度、NPP、VEQI 等关键特征量的时空分布特征及驱动因素，主要得出如下结论：

（1）2000—2021年阿克苏地区大部分区域的年际植被NDVI（约92%面积）、植被覆盖度（约79%面积）呈增长趋势。其中植被NDVI 以0.024·(10a)-1的速率增长，植被覆盖度以0.25%·a-1的速率增长，并在空间上表现为绿洲边缘荒漠、裸地区域缩减，植被覆盖区域明显扩张。

（2）近22 a 阿克苏地区大部分区域（约95%面积）植被NPP 呈上升趋势，平均每年增长约0.62 g·m-2，与此同时植被释氧量同样呈现持续增长的态势。增长显著区域主要位于阿拉尔市、乌什县中东部、阿瓦提县北部、温宿县南部、拜城县南部以及新和、库车和沙雅三县交界处。

（3）近22 a在人类活动与气候变化的双重作用下，阿克苏地区大部分区域（约94%的面积）植被生态质量呈现出稳步上升趋势，平均每年增长0.17。且阿克苏地区绝大部分区域（约98%的面积）的人类活动贡献度大于气候变化的贡献度，表明阿克苏绝大部分地区的VEQI 变化的主导因素为人类活动。