2000—2020年甘家湖自然保护区植被覆盖度时空变化及热点分析

海 洋，蔺 卿，龙爱华，田昊玮

(1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

甘家湖地处新疆维吾尔族自治区西部艾比湖流域内，为国家级自然保护区，保护区位于古尔班通古特沙漠的西部边缘，自北向南贯穿沙漠，形成一条生态通道，西通艾比湖，研究区如图1所示。区内古尔图河、四棵树河及奎屯河均属于艾比湖水系，曾经是艾比湖重要入湖水源[1]。甘家湖保护区内广泛分布着梭梭、胡杨、柽柳等多种荒漠植被，是国家重要的荒漠生态系统和荒漠物种基因宝库[2]。恶劣的自然条件一直以来都是区域生态安全面临的主要挑战，河流断流、沙进林退现象屡见不鲜，生态环境脆弱，修复难度高。20世纪50年代以来，不合理的水土资源开发成为区域生态恶化的另一诱因，一方面挤占生态用水，导致保护区主要河流下泄水量持续减少，植被生态需水难以保障；另一方面伴随的围垦、过牧等不合理农业活动也直接造成保护区内湿地萎缩，植被退化等后果[3]。保护区生态环境退化，生态功能严重受损，同时也加剧了周边地区荒漠化及水资源供给安全风险[4- 5]。

植被覆盖度是植被覆盖地面的密实程度，一般用植被垂直向下投影后在地表形成的阴影面积占观测范围总面积的比例(一般用百分比)表示[6- 9]。为了明晰甘家湖保护区内植被生长情况时空变化，识别植被退化的主要区域及退化程度，本文选取植被覆盖度为评价指标，基于2000—2020年共5期植被覆盖度遥感数据，采用Arcgis地理分析工具，对甘家湖保护区植被覆盖度时空演变特征及其集聚效应进行分析，以期对区域生态环境治理、生态保护工程布局提供针对性的参考依据。

2 数据与方法

研究区植被覆盖度数据截取自NASA发布的EOS/MODIS MOD44Bv006植被覆盖度产品。产品共包括3个图层，分别是林木植被覆盖度、灌丛草本植被覆盖度和非植被覆盖度，产品分辨率为250m。本文选取甘家湖保护区内以2000年为起点，每5年一期共5期MOD44B产品数据开展植被覆盖度的变化分析[10]。

热点分析作为一种常见的空间聚集特征分析方法，可以有效识别出在不同置信区间内统计特征显著的空间集聚区，并根据数据值大小区分冷、热点，其中较高值集聚范围为热点，反之较低值集聚范围为冷点[12- 14]。本研究选取(Getis-Ord Gi*)指数分析甘家湖保护区植被覆盖度变化数值中满足显著性要求的热、冷点在研究区内的分布特点，用以表征甘家湖保护区植被生长状况改善或退化的集中区域。目前热点分析可基于Arcgis10.2中的地理分析工具直接实现[15]，得出不同置信区间的高值及低值集聚区，且置信水平越高，表明集聚特征越显著[17- 18]。

图1 研究区示意图

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度时间变化分析

根据甘家湖植被生长质量的总体特点，研究把区域内植被覆盖度分为高、中、低三个层级，分别对应的植被覆盖度范围是：0～30%、30%～60%、60%～100%。甘家湖地区近20年(2000—2020)年植被覆盖度变化特征分析成果如图2(a)所示，由图可知：甘家湖保护区年平均植被覆盖度基本在20%～35%之间上下浮动，总体上处于低植被覆盖度水平或中覆盖度范围内的较低水平，近20年区域高、中、低覆盖度植被平均面积分别为47.6km2、191.5km2、347.9km2，占比8.1%、32.6%、59.3%；2000年平均植被覆盖度最低，仅为23.4%，此后经历先上升后下降的变化趋势，2005、2010年区域平均植被覆盖度维持在33%以上，达到中级水平，2015年后回降至约27%。从不同植被覆盖度面积变化趋势来看，高覆盖度植被面积始终维持在50km2左右，近20年未产生显著变化；低、中覆盖度植被盖度发生变化的面积较大，其中低覆盖度植被范围先缩小后增大，反之，中覆盖度植被范围先增大后减小；保护区植被质量变化趋势总体表现为先改善后退化，且以中、低覆盖度植被间的相互转化为主要特征。

根据保护区内植被变化趋势划分植被覆盖度增长、降低及稳定面积，如图2(b)所示，2000—2020年间保护区内植被覆盖度增长面积、覆盖度降低面积、覆盖度稳定面积分别为330.8km2、198.1km2、58.1km2，占比为56.3%、33.8%、9.9%，增长面积最大，稳定面积最小，植被质量总体向好。但从不同面积变化过程来看，仅2000—2005年覆盖度增长面积显著高于覆盖度降低面积，这一阶段是区域植被质量的显著改善期；2005—2010年、2015—2020年两阶段内覆盖度增长、降低面积较为接近，植被质量总体保持稳定；而2010—2015年间植被覆盖度减小的范围面积显著大于覆盖度上升的范围面积，植被退化明显。

3.2 植被覆盖度变化空间特征分析

如图3所示，研究区内可见3个较显著的高盖度植被集中区域，其一是保护区西侧两条沿古尔图河及四棵树河(后简称两河)两岸生长、自南向北分布的生态廊道；其二是保护区北侧自东向西沿奎屯河下游两侧分布的生态廊道，保护区内高覆盖度植被基本都分布在3条生态廊道范围内；其三是保护区中部地区，植被成片分布，但大多数为中、低覆盖度的植被，区域高清卫星影像显示，古尔图河在流进保护区约10km后向干流西侧形成数条河汊，水流经过该片区域，为区域植被生长提供水源。由此可见，甘家湖保护区植被生长严重依赖河川径流，古尔图河、四棵树河、奎屯河下游下泄水量是甘家湖维持生态的主要水源。除上述3个植被分布区外，保护区内其余大部分面积植被覆盖度不足10%，地表覆被类型以裸地、荒漠占主导，生态环境十分脆弱。

图2 2000—2020年甘家湖保护区植被覆盖度变化特征

图3 2000—2020年甘家湖保护区植被覆盖度空间特征

从保护区植被覆盖度演变的空间特征，如图4所示，起始5年内保护区除少数较分散区域外植被覆盖度全面上升，上升幅度为近20年内最大，覆盖度提升20%以上的面积为155.7km2，占比26.5%，覆盖度上升30%以上面积为18.6km2，占比3.2%；2010—2015年为植被覆盖度下降最明显，范围最大的阶段，植被覆盖度下降20%以上面积为111.6km2，占比19.0%；覆盖度下降30%以上面积为17.9km2，占比3.0%，且以保护区北部，奎屯河下游区域植被覆盖度下降最为显著。2005—2010年、2015—2020年两阶段内保护区植被覆盖度有增有减，增长区和下降区相互交错，空间特征并不显著。从近20年综合变化特征来看(2000—2020年)，总体上覆盖度上升范围更大，且在保护区西北部，四棵树河下游区域及古尔图河河汊区域出现集聚性的植被覆盖度上升范围，2000—2020年保护区内植被覆盖度上升20%以上面积为73.8km2，占比12.6%；上升30%以上的面积为11.4km2，占比1.9%；覆盖度下降20%以上的面积为20.1km2，占比3.4%；下降30%以上的面积为5.6km2，占比0.9%。

图4 2000—2020年甘家湖保护区植被覆盖度变化空间特征

3.3 植被覆盖度变化热点分析

为进一步明晰区域植被覆盖度变化的集聚特征，识别主要的退化区及改善区，本文利用arcgis10.2软件，分别对甘家湖保护区不同时期植被覆盖度变化进行热点探测，得到区域植被覆盖度变化的热点地区分布图，如图5所示，其中热点为盖度集聚性上升的区域，冷点为盖度集聚性下降的区域。若某一区域长期处于冷点区，说明区域植被覆盖度持续下降，生态退化势头最为严重；若长期处于热点区则表明区域植被覆盖度持续上升，生态处于改善阶段；若不断发生冷、热点交替的现象，则区域环境变化较为复杂，或生态敏感性较高，抗干扰能力差，为生态退化的高风险区域。

从图5可以看出，不同时间段内保护区植被覆盖度变化冷、热点分布格局差异明显。2000—2005年保护区内以热点区域为主导，具体表现为热点区域范围较大，显著性较高，空间上在东北、东南部分布大范围热点区，均位于两河下游附近范围内；2005—2010年保护区北部，奎屯河下游为主要热点区，保护区中部古尔图河河汊区域及古尔图河干流两岸为主要冷点区；2010—2015年冷、热点分布格局与前一阶段相反，保护区北部特别是东北部低值显著聚集，保护区西南部为主要高值聚集范围；2015—2020年植被覆盖度集聚效应与前几阶段相比较弱，古尔图河下游两岸为主要冷点区；综合近20年保护区植被覆盖度变化，冷点主要聚集在古尔图河下游两岸，热点区位于古尔图河河汊附近区域。

图5 2000—2020年甘家湖保护区植被覆盖度变化热点区空间分布格局

从研究区植被覆盖度演变的冷、热点空间特征随时间的变化情况来看，奎屯河下游(含两河与奎屯河汇流区)植被覆盖度变化冷、热点交替分布，植被生态稳定性差，生态质量易随环境干扰发生变化，属于生态安全风险较高的区域；古尔图河下游河道两侧在不同时间段内均出现冷点区，区域植被覆盖度持续降低，为主要的生态退化区域。

4 讨论

以2000年为起点，甘家湖保护区内植被的覆盖度呈现先增后降的演变趋势，而根据陈瑜等[19]对艾比湖流域植被覆盖度变化及其气候响应的研究成果，2000年为艾比湖流域的主要枯水年份，植被覆盖度较平水年份明显较低。在对比分析中，2005年、2010年、2015年气候条件更具普遍性，以2005年为起始，则此后15年甘家湖植被年均覆盖度总体上经历了持续性的下降过程。根据以往研究成果，甘家湖地区生态退化可以追溯到20世纪50年代[20]，由于管理不善以及当地群众无序垦荒、乱采滥伐，仅到20世纪70年代末就导致2000km2以上林地被毁。但进入21世纪以来，生态环境保护逐渐成为区域协调发展的重点内容，2001年甘家湖保护区晋升为国家级自然保护区[1]，乌苏市也将甘家湖林区的保护及修复工程作为重点规划的发展项目之一。此后，人为毁林现象基本被遏制，保护区水热条件成为影响绿地面积及质量变化的主导因素。随着古尔图河、四棵树河、奎屯河上游农业开发，农业灌溉用水逐年上升，下游进入甘家湖区的水量大大减少[21]，区域地下水位逐年下降，严重影响天然绿洲生态需水保障程度，植被无水可用，沙进林退，绿地面积持续萎缩，生态持续退化[22]。古尔图河两岸出现大面积植被覆盖度变化冷点区域，正是由河道断流，两岸河岸林生态需水难以保障导致的。邢坤等对古尔图河气候变化条件下的径流演变过程研究表明，从20世纪90年代以来，古尔图河、奎屯河都进入丰水期并一直延续至今，一旦丰水期结束，下游生态可用水量将进一步减少，甘家湖生态安全将面临更大风险。综上所述，随着甘家湖近年来一系列生态修复工程的开展，人为开荒毁林等现象基本被遏制，水资源成为影响区域天然生态安全的最不稳定、最敏感、最具风险的要素。保障三河下泄水量，提升下游地下水位，满足甘家湖植被生态需水成为当前最必要、最迫切、难度最大的重要举措。

5 结论

(1)本研究分析了新疆甘家湖自然保护区2000—2020年植被覆盖度变化的时空特征，在此基础上识别区域主要生态敏感区及生态退化区，对保护区生态治理方案设计及工程布局具有指导意义。

(2)植被覆盖度是表征植被生长密度的综合性指标，可结合植被类型遥感解译、样方考察等方法，进一步研究调查区域植被类型、物种丰富度等关键指标，完善区域生态安全指标体系，提升评价结果的综合性和针对性。

(3)水热条件变化是近20年研究区植被覆盖度演变的主要原因，由于研究区缺乏径流、地下水位等实测资料，难以区分降雨、径流及地下水位等对区域植被盖度变化的贡献率，建议在研究区内增设气象、径流及地下水位观测站点，为后续研究提供数据支持。