1990—2020 年麦盖提绿洲植被覆盖度时空演变特征及影响因素分析

邓 江

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

植被带是隔着绿洲与沙漠两种生态环境的交错带，是生态平衡点及稳定性最脆弱的地带［1］，极小的人为因素、自然因素的变化就会带来一定的植被改善或退化，直接影响两种环境的互相演变特征及变化过程［2，3］，因而计算植被覆盖变化状况对评估绿洲生态稳定性及演变特征具有一定的意义。目前，科学界利用归一化植被指数（NDVI）像元二分模型及其他数学分析法监测植被覆盖演变特征及驱动力的研究较多。王建国等［4］基于2000—2019 年MODIS/EVI 数据，利用像元二分模型监测新疆植被时空变化发现，全疆植被覆盖度呈明显上升趋势；金凯等［5］基于近34 年GIMMS NDVI 3G 数据，利用变化趋势、多元回归残差法研究气候与人类因素对全国植被NDVI变化特征的影响发现，气候和人类因素对植被NDVI 增加的贡献率分别为40%和60%；吴霞等［6］基于宁夏2000—2015 年MODIS 数据，采用趋势分析法研究宁夏植被覆盖状况发现，NDVI整体呈缓慢增长趋势（0.008/10 年）。麦盖提绿洲是典型的绿洲，属温带大陆性沙漠干旱气候景观，生态环境稳定性低，修复能力脆弱，极小的气候因素变化就会使沙漠绿洲发生变化。本研究利用NDVI 像元二分模型计算得到麦盖提绿洲1990—2020 年植被覆盖度空间分布解译数据及演变规律，同时分析了绿洲植心迁徙特征、气候和人为因素对绿洲植被覆盖度的影响，以期为麦盖提绿洲自然生态环境保护及生态修复政策的调节优化提供参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

麦盖提县位于新疆喀什地区中东部，又称刀郎舞之乡、刀郎羊之乡，地处叶尔羌河流域中游，西部、北部分别被巴楚县与莎车县围绕，南部、东部与世界第二流动沙漠——塔克拉玛干大沙漠衔接，地跨77°27′14″—79°23′12″E、38°22′30″—39°24′52″N，行政面积为10 895.1 km2，行政周长为543.47 km，从西到东最长距离为166.23 km，从北到南最宽距离为115.86 km，地形南部高、北部低，海拔在1 050~1 317 m，平均海拔为1 128 m。麦盖提县辖2 个镇、8 个乡、2 个团、2 个林场、1 个水库管理处，常住人口与人口密度分别为23.90 万人与21.94 人/km2，主要流域分别为叶尔羌河、提孜那甫河，属叶尔羌河流域和提孜那甫河冲积平原与温带大陆性干燥沙漠气候，1990—2020 年年平均气温与年均累计降水量分别为12.27 ℃与62.91 mm，水资源只分布在西部叶尔羌河流域和提孜那甫河周围，生态系统与自然环境自行修复能力脆弱，适合人类生存的绿洲面积约占总行政面积的1/4，其余3/4 面积属塔克拉玛干大沙漠的，本研究仅分析麦盖提绿洲区域。

1.2 数据来源及预处理

以1990—2020 年8 月1—20 日（植被繁盛期）每10 年间隔1 期的4 个时期的少云、高质的Landsat 系数据作为本研究的主影像数据源（www.gscloud.cn/search/），其中1990 年是Landsat 5 数据，2000 年与2010 年是Landsat 7 数据，2020 年是Landsat 8 数据，path/ row（轨道行带号）为148/33。采用ENVI 5.6、ArcGIS 10.8、Omap 地理系统软件以及其他Office 子软件进行计算与分析。与Landsat 系数据同期的1990—2020 年4 期土地利用和近31 年的麦盖提县站的降水量与气温数据从中国科学院官网（www.resdc.cn/）获取。

2 研究方法与模型

2.1 NDVI像元二分模型

利用对植被最敏锐的NDVI像元二分模型估算麦盖提绿洲的植被覆盖度［7-9］，公式如式（1）与（2）所示。

式中，VFC为植被覆盖度；fNDVI为浮点后的NDVI值；fNDVIs与fNDVIv分别为浮点后的裸地与全部覆盖植被的NDVI 值；Bfr与Bfn分别为浮点后的红外与近红外像元亮度。全面分析与考察麦盖提绿洲的植被分布、生长以及自然气候等特征，本研究以NDVI 置信度的1%作为fNDVIs、99%作为fNDVIv。按照麦盖提绿洲植被生长状况与业界人士的研究经验以及相关土壤侵蚀与植被分类分级标准，将麦盖提绿洲植被覆盖度分为一级（高）、二级（中）、三级（低）与四级（裸地）覆盖，对应NDVI 取值范围分别为（0.75~1.00］、（0.50~0.75］、（0.25~0.50］、［0~0.25］［10］。

2.2 植被平均覆盖度

植被平均覆盖度按照加权平均法的数学计算方法进行计算，进一步反映不同覆盖等级的演变状况。其中一级、二级、三级与四级覆盖等级分别赋值为4、3、2 与1［11］。其计算公式如（3）所示。

2.3 影像相减对比法

为进一步全面分析麦盖提绿洲植被覆盖的空间动态演变状况与特征，利用影像相减对比法计算1990—2020 年植被覆盖度的变化量，计算结果为［-1，1］，结果正数、负数与0 分别代表改善、退化与未变化［12］。其公式如式（4）所示。

式中，ΔVFC、VFC_Y2、VFC_Y1分别为VFC变化量、下一期VFC与上一期VFC。依据ΔVFC将植被覆盖分为一级改善（0.66~1.00］、二级改善（0.33~0.66］、三级改善（0~0.33］、未变化（0）、三级退化［-0.33~0）、二级退化［-0.66~-0.33）、一级退化［-1.00~-0.66）7 个等级。

2.4 植心迁徙模型

植心（植被覆盖度中心缩写）是不同覆盖等级及不规则植被平面展布的中心，迁徙轨迹和变化方向可以描述并反映绿洲植被覆盖的未来变化趋向［13］。其公式如式（5）、式（6）所示。

式中，VFC_E为某植被覆盖等级的植心经度；VFC_N为某植被覆盖等级的植心纬度；Xn与Yn分别为某等级VFC第n个像元的中心坐标；Sn为某植被覆盖等级第n个像元的面积。

2.5 植被覆盖强度与速度

利用定量评价的数学方法进一步分析绿洲植被覆盖强度与速度，这两个指数可以反映不同时段的覆盖面积增长率与速率［14］，本研究以二者的绝对值进行分析，计算公式如式（7）、式（8）所示。

式中，qFC、vFC分别为绝对植被覆盖强度与速度；SFC_n与SFC_n-i分别为第n年和第n-i年的绿洲总植被覆盖面积（一、二、三等级覆盖面积之和）；Ti是时间间隔；ΔSFC_n-j为第i年到第j年的总覆盖面积变化量。

2.6 自然因素相关分析

绿洲植被覆盖度变化与自然因素具有密切的间接或直接关系，为了全面分析自然因素对绿洲植被覆盖度变化量影响及相关度，利用数学统计分析法分析绿洲植被覆盖度与自然因素之间的相关性［15］，其计算公式如式（9）所示。

式中，r为植被覆盖度与自然因素之间的相关系数；VFC_i与分别为第i年的VFC影像值与研究期间的VFC平均值；Ni与分别为第i年的自然因素值与研究期间自然因素的平均值。r为正数表示二者呈正相关，反之为负相关；r越大，相关性越强，反之越弱。采用F检验法对相关系数进行显著性检验。

3 结果与分析

3.1 绿洲植被覆盖的时空分布特征

3.1.1 绿洲植被覆盖度空间分布特征及演变趋势由图1 可知，麦盖提绿洲植被总体靠着叶尔羌河与提孜那甫河，绿洲内部到外侧从一级覆盖到三级覆盖展布，绿洲西部四级覆盖大面积片状分布。

由图2 可知，麦盖提绿洲近31 年总植被覆盖面积、NDVI年均值与植被平均覆盖度整体均呈上升趋势，三者线性拟合优度R2分别为0.764 2、0.843 1、0.940 5，其中植被平均覆盖度拟合优度R2最大。近31 年NDVI 年均值与植被平均覆盖度分别提升0.044 1 与0.101 7，增幅分别为91.7%与7.6%，其中NDVI 年均值提升近1 倍；总植被覆盖面积变化存在较小的波动，2000 年最小（1 573.4 km2），2020 年最大（1 830.3 km2），增加了256.9 km2，增幅为16.3%。从不同时段总植被覆盖面积统计结果分析可知，2000—2010 年麦盖提绿洲总植被覆盖面积增加最显著，增加了162.0 km2，增幅为10.3%，1990—2000 年和2010—2020 年的增幅为分别为-3.5%和5.5%；1990—2020 年共增加了199.8 km2，增幅为12.3%。

图2 1990—2020 年麦盖提绿洲总植被覆盖面积、NDVI年均值与植被平均覆盖度变化

从图3 可以看出，一级和二级覆盖面积整体均呈增加趋势，三级和四级覆盖面积整体均呈减小趋势。一级覆盖面积的增加量较明显（R2=0.819 8），由1990 年的443.5 km2增加至2020 年的695.1 km2，增加量为251.6 km2，增长了56.7%。二级植被覆盖面积波动相对较小（R2=0.790 1），2020 年比1990 年覆盖面积增加了176.3 km2，增幅为52.9%。三级植被覆盖面积呈连续减小趋势，2020 年比1990 年覆盖面积减小了228.1 km2，降幅为26.7%。四级植被覆盖面积变化较小，与1990 年相比，2020 年减少了175.5 km2，降幅为2.5%。不同等级互相对比发现，三级植被覆盖面积占绿洲总植被覆盖面积比重较大，但是比重呈逐年减小趋势。2020 年一级植被覆盖面积占绿洲总植被覆盖面积的比重最大，为38.0%。

图3 1990—2020 年麦盖提绿洲不同等级植被覆盖面积变化

3.1.2 绿洲植被覆盖的绝对空间变化特征 由图4可知，麦盖提绿洲植被覆盖变化呈绿洲内部基本相对稳定、周围沙漠衔接处及乡镇中心变化较明显。结合麦盖提绿洲植被覆盖度空间分布发现，整体上未变化区主要是以一级、四级覆盖为主，变化区主要是二级、三级覆盖。1990—2000 年，除了兵团四十五团西北沙漠衔接开垦区和库尔玛乡东北处明显改善外，其余区碎片式大面积退化，其中改善区以一级改善为主，退化区以三级退化为主（表1）；2000—2010 年，改善区面积是退化区面积的1.5 倍，其中一级改善区面积比退化区合计面积大，昂格特勒克乡、央塔克乡、胡杨林场、尕孜库勒乡及兵团四十五团开垦区较明显；2010—2020 年，昂格特勒克乡、巴扎结米乡中部呈片状式退化趋势，库尔玛乡、兵团四十六团南区、兵团农三师前进水库管理处大面积改善，其余区同时存在碎片式改善与退化，但是改善区面积大于退化区面积。总体来看，1990—2020 年麦盖提绿洲整体以大规模改善为主，其中兵团四十五团开垦区和库尔玛乡东北部最为典型；退化区除各乡镇碎片式展布退化外，麦盖提镇四周大面积退化也较为明显。总结以上分析发现，麦盖提绿洲植被覆盖空间变化具有单独与共同存在时段性、区域性差异特征。

图4 1990—2020 年麦盖提绿洲植被覆盖度空间变化

为进一步分析麦盖提绿洲的植被覆盖变化，对1990 年和2020 年不同等级植被覆盖面积进行状态转移矩阵计算，结果如表2 所示。麦盖提绿洲主要以四级覆盖向三级和一级覆盖转移、三级覆盖向二级和一级覆盖转移、二级覆盖向一级覆盖转移、一级覆盖向二级覆盖转移为主。其中，四级覆盖向三级覆盖转移的面积为162.2 km2，占四级覆盖转移面积的2.4%；四级覆盖向一级覆盖转移的面积为120.4 km2，占四级覆盖转移面积的1.7%；三级覆盖向二级覆盖转移的面积为183.4 km2，占三级覆盖转移面积的21.6%；三级覆盖向一级覆盖转移的面积为236.9 km2，占三级覆盖转移面积的28.0%；二级覆盖向一级覆盖转移的面积为123.1 km2，占二级覆盖转移面积的37.1%；一级覆盖向二级覆盖转移的面积为139.1 km2，占一级覆盖转移面积的31.4%。四级、三级、二级、一级覆盖变化量分别为-175.5、-228.1、176.3、251.6 km2，四级和三级覆盖面积都减小，一级和二级覆盖面积增加。

表2 1990—2020 年麦盖提绿洲各植被覆盖面积等级转移矩阵

3.1.3 绝对植被覆盖强度与速度 按定量评价数学方法计算得到麦盖提绿洲1990—2020 年绝对植被覆盖强度与速度，结果如图5 所示。1990—2000 年、2000—2010年、2010—2020 年和1990—2020 年绝对植被覆盖强度与速度分别为0.3%/年与5.2 km2/年、0.9%/年与14.7 km2/年、0.5%/年与8.6 km2/年、0.4%/年与6.4 km2/年；绝对植被覆盖强度与速度4 个时段变化趋势一致，2000—2010 年二者都达到最大值，1990—2000 年最小。

图5 1990—2020 年麦盖提绿洲绝对植被覆盖强度与覆盖速度

3.1.4 植心迁徙分析 植心位置的变化与植心迁徙轨迹空间上可以反映出绿洲植被覆盖度分布的时空演变趋势及特征，计算结果如图6 所示。近31 年麦盖提绿洲植被覆盖除四级覆盖整体向东南方向迁徙（1.13 km）外，总植被覆盖、一级覆盖、二级覆盖、三级覆盖整体都向东北方向迁徙，直线迁徙距离分别为3.72、4.48、3.48、6.05 km。不同时段分析发现，2000—2010 年总植被覆盖与三级覆盖迁徙距离较突出（分别为1.74 km 和4.33 km），1990—2000 年二级覆盖迁徙距离最大（1.65 km），2010—2020 年一级覆盖迁徙变化明显（2.55 km）。这个主要是因为麦盖提镇及周围乡镇中心建设规模变大及不断向外扩展，库尔玛乡与45 团开垦区耕地面积的增加，致使麦盖提绿洲的植被覆盖迅速增加，植心大幅度向东北方向迁徙。

图6 1990—2020 年麦盖提绿洲不同等级植被覆盖植心迁徙

3.2 植被覆盖与自然因素和人文因素的关系

麦盖提绿洲属于典型的温带大陆性沙漠干旱气候，降水量、气温等气候因素变化和短期的人为因素都会给绿洲植被覆盖带来较大影响，但是短期内的为了社会、农业、经济发展等人类因素对绿洲植被覆盖变化带来的影响更明显且更直接。本研究分析了气候因素与麦盖提绿洲植被覆盖度的相关性、人为因素对麦盖提绿洲植被覆盖度变化的影响。

3.2.1 植被覆盖与气候因素的相关性 麦盖提绿洲年降水量、年均气温及其与绿洲总植被覆盖面积、一级覆盖面积、植被平均覆盖度与NDVI 年均值的线性变化趋势关系如图7 所示。从图7 可以看出，近31 年随着年均气温的上升，年降水量也整体呈增加趋势，绿洲总植被覆盖面积、一级覆盖面积、植被平均覆盖度和NDVI 年均值与2 个气候因素整体呈正相关。阿孜古力·斯买提［16，17］、张雪琪等［18］、王翠等［19］的研究发现，近60 年叶尔羌河平原绿洲降水量、气温都呈逐渐增加趋势，致使帕米尔冰雪高山、低中山带、平原区及全流域降水量增加，并加快了冰雪融化和增加以冰雪融水补给为主的叶尔羌河与提孜那甫河流域径流量，因此气候变化对麦盖提绿洲植被覆盖的影响间接表现在降水量与流域径流量的增加。麦盖提绿洲近31 年的年均气温与年降水量分别以0.053 9 ℃/年与0.849 9 mm/年的速度增加，这给依靠及依赖高雪山、冰山及中低山带融水补给的叶尔羌河与提孜那甫河流域带来了极大的水资源量，直接影响绿洲一级、二级、三级覆盖度，并为绿洲与沙漠衔接处的稀疏植物、低等沙漠植被提供了相应的水资源，同时对绿洲生态环境及防止沙漠的扩展带来巨大的贡献，致使麦盖提绿洲植被向沙漠方向大面积覆盖，总植被覆盖面积大幅度增加，防止沙漠侵袭绿洲。

图7 1990—2020 年麦盖提绿洲各植被覆盖因素与年降水量、年均气温的变化趋势关系

麦盖提绿洲植被覆盖度与降水量、气温等气候因素相关性都以正相关为主，绿洲东部沙漠区域以负相关为主（图8）。麦盖提绿洲植被覆盖度与降水量相关系数为-0.999 2~0.998 1，其中正相关区域占22.6%，主要以一级、二级、三级覆盖为主，负相关区域占77.4%，主要以四级覆盖为主。麦盖提绿洲植被覆盖度与气温相关系数为-0.998 7~0.999 9，其中正相关区域占24.9%，主要位于一级、二级、三级覆盖的区域，负相关区域占75.1%，主要位于四级覆盖的区域。

图8 1990—2020 年麦盖提绿洲植被覆盖度与降水量（a）和年均气温（b）的相关性

3.2.2 绿洲植被覆盖度与人为因素的关系 短期内的人为因素如建设、开发、城市规模扩大及其他人类活动对绿洲总植被覆盖带来的影响更明显且更直接。图9 为与麦盖提绿洲总植被覆盖同时段、同期的中国科学院影像数据进行矢量数据裁剪得到1990—2020 年的4 期六大类土地利用分布。由图9可知，草地主要在绿洲与沙漠的衔接处呈大面积片状分布，农田主要分布在绿洲内部，林地主要在绿洲内部呈碎散式及河流两岸分布，水域与研究区概况水系分布基本相似，城市建设用地分布在麦盖提镇周围，裸地（沙漠）在绿洲东部大规模片状分布，绿洲东部塔克拉玛干沙漠中间林地、草地到2010 年逐渐消失。

从麦盖提绿洲1990—2020 年4 期六大类土地利用类型统计结果（表3）可知，绿洲农田规模呈连续增加趋势，由1990 年的702.26 km2增加至2020 年的1 351.83 km2，增加了649.57 km2，增幅为92.50%；1990—2020 年林地规模减小了184.76 km2，降幅为77.41%；草地面积整体呈波动变化趋势，2000 年规模最小，2010 年达最大，1990—2020 年整体减小了75.29 km2，降幅为4.45%；水域面积2000 年达最大，1990—2020年整体减小了28.67 km2，降幅为21.74%；城市建设用地规模不断扩大，近31 年面积增加了28.39 km2，增幅为169.90%；裸地（沙漠）面积变化相对自身较小，但对比其他土地类型面积变化明显，整体减小了387.67 km2，降幅为6.66%。农田与城市建设用地规模的变大及扩展促进了绿洲社会经济和农业的发展。但是，对于水资源紧缺的沙漠绿洲而言，挤占沙漠绿洲生态灌水，且将易于开发的草地、林地转换为耕地和城市建设用地，导致草地、林地规模的变小及退化，对沙漠绿洲产生破坏，严重影响了沙漠绿洲的生态修复。沙漠植被及沙漠与绿洲边缘植被作为防沙治沙的重要手段及保护生态环境稳定的屏障，会引起沙漠化、荒漠化的加快及加剧，最终对绿洲未来各方面发展与叶尔羌河流域生态可持续安全带来一定的威胁。

表3 1990—2020 年麦盖提绿洲土地利用类型面积及占比

4 小结

1）1990—2020 年，麦盖提绿洲总植被覆盖面积不断提高的同时，绿洲NDVI 年均值及植被平均覆盖度也呈明显升高趋势。1990—2020 年绿洲总植被覆盖面积增加了199.8 km2，增幅为12.3%。从不同等级植被覆盖面积变化看，一级和二级植被覆盖面积整体均呈增加趋势，三级和四级植被覆盖面积整体均呈减小趋势。其中近31 年一级和二级覆盖面积分别增加了251.6、176.3 km2，增幅分别为56.7%、52.9%；三级和四级覆盖面积分别减少了288.1、175.5 km2，降幅分别为26.7%、2.5%。

2）麦盖提绿洲植被覆盖存在时段性、区域性差异特征。2010—2020 年绿洲植被覆盖一级改善区面积增加最显著，属于典型的时段性变化；绿洲兵团四十五团开垦区和库尔玛乡东北部改善最明显，麦盖提镇四周大面积退化也较为明显，属于典型的区域性变化。整体主要以四级覆盖向三级和一级覆盖转移、三级覆盖向二级和一级覆盖转移、二级覆盖向一级覆盖转移、一级覆盖向二级覆盖转移为主。

3）1990—2020 年，麦盖提绿洲绝对植被覆盖强度与速度分别为0.4%/年与6.4 km2/年，二者4 个时段变化趋势一致。麦盖提绿洲31 年植被覆盖除四级覆盖整体向东南方向迁徙外，总植被覆盖、一级覆盖、二级覆盖、三级覆盖整体都向东北方向迁徙。

4）极小的气候因素变化都会让沙漠绿洲发生植被改善或退化，但是短期内的人为因素影响更明显且更直接。麦盖提绿洲植被覆盖度增加主要原因是耕地开垦，而开垦的主要来源是天然林地、草地及其他灌木地，但以耕地面积增加挤占了沙漠绿洲天然植物生态灌水水资源，导致天然植被退化，严重影响了防沙治沙，威胁绿洲生态和谐平衡。