新疆植被覆蓋度動態(tài)變化特征研究

蔡朝朝 白濤 謝嵐 李湘

[摘要]選用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，運用像元二分模型提取植被覆蓋度，采用均值、時間序列和線性回歸等分析方法，對新疆2000-2015年植被覆蓋動態(tài)變化特征進行研究，、結(jié)果顯示，2000-2015年新疆總體植被覆蓋度較低，南北疆植被覆蓋差異較大;近16年新疆植被覆蓋經(jīng)歷了“增加一減少一增加”的過程，但總體呈增長趨勢，南疆植被改善明顯，北疆部分地區(qū)植被有所退化。

[關(guān)鍵詞]新疆;NDVI;植被覆蓋度;像元二分模型

[中圖分類號]Q948

[文獻標識碼]A

新疆位于我國西部干旱區(qū)，是全國生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。研究表明新疆植被狀況北疆優(yōu)于南疆，西北優(yōu)于東南;不同類型植被的覆蓋度也存在著顯著差異;近年來植被總體呈現(xiàn)增加趨勢，但生長季存在明顯階段性;北疆平原地區(qū)、南疆平原地區(qū)和南疆山區(qū)的植被呈顯著增長趨勢，北疆山區(qū)的植被呈下降趨勢，總體上植被改善面積大于退化面積。

本文基于新疆2000-2015年長時間序列NDVI數(shù)據(jù)，參考前人研究成果，選取適合新疆的生長季月份，構(gòu)建NDVI時間序列數(shù)據(jù)集，采用像元二分模型提取植被覆蓋度、均值分析、時間序列分析、線性回歸分析和差值分析等方法，探討了研究時段內(nèi)新疆植被覆蓋空間分布及動態(tài)變化特征，以期為新疆的生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)預(yù)處理

新疆位于亞歐大陸腹地，自然植被覆蓋面積廣、類型豐富，既是我國第三大草原區(qū)，又是西部干旱地區(qū)主要的天然林區(qū);但由于特殊的地形地貌和干旱的氣候條件，植被總體覆蓋度較低，生態(tài)系統(tǒng)較脆弱。

研究所用NDVI數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局地球觀測組織提供的月合成NDVI數(shù)據(jù)集（https：//neo.sci.gsfc.nasa.gov），空間分辨率0.1°，時間序列為2000年1月至2015年12月。利用與NDVI數(shù)據(jù)統(tǒng)一后的新疆區(qū)域邊界Shapefile矢量圖對各期NDVI數(shù)據(jù)進行研究區(qū)域裁剪，提取新疆范圍內(nèi)2000-2015年的NDVI月數(shù)據(jù)。為了真實反應(yīng)研究區(qū)植被覆蓋在空間上的整體變化特征，在月合成最大值NDVI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用平均值法計算年內(nèi)生長季的NDVI均值，以代表當年的年均NDVI值。在完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，利用2000-2015年的生長季年NDVI均值進一步開展植被覆蓋度的研究工作。

1.2研究方法

NDVI與植被覆蓋度有顯著的正相關(guān)關(guān)系，像元二分模型是基于線性混合像元分解模型中簡單實用的模型，因此將NDVI與像元二分模型結(jié)合反演植被覆蓋度精度較高。研究根據(jù)像元二分模型原理，結(jié)合數(shù)據(jù)特點并參考已有研究，計算基于像元的植被覆蓋度，通過統(tǒng)計得到2000-2015年平均植被覆蓋度，從而分析研究區(qū)16a的植被覆蓋空間特征。

植被覆蓋度的值介于[0，1]之間，根據(jù)已有研究，并結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋實際情況，將研究區(qū)植被覆蓋度分為5個等級：①覆蓋度小于0.1為極低覆蓋植被區(qū)（強度沙化土地、裸地等）;②覆蓋度介于0.1到0.3之間為低覆蓋植被區(qū)（零星植被、稀疏林地等）;③覆蓋度介于0.3到0.5之間為中覆蓋植被區(qū)（中等郁閉灌木林地、中產(chǎn)草地等）;④覆蓋度介于0.5到0.8之間為中高覆蓋植被區(qū)（灌木林地、中高產(chǎn)草地等）;⑤覆蓋度大于0.8為高覆蓋植被區(qū)（密灌木地、密林地、高產(chǎn)草地、耕地等）。

利用時間序列分析法將研究時段內(nèi)新疆生長季植被覆蓋度按時間排列，形成植被覆蓋度動態(tài)變化軌跡，并通過曲線擬合和參數(shù)估計來建立回歸模型。采用差值法量化各個年份間植被覆蓋度的動態(tài)變化，用后一時期的植被覆蓋度等級值減去前一時期的植被覆蓋度等級值衡量植被變化。差值為負數(shù)表示植被有所退化;差值為0表示植被未變化;差值為正數(shù)表示植被有所改善。

2結(jié)果與分析

2.1新疆植被覆蓋空間分布特征

研究得到新疆植被覆蓋度特征圖，再按照等級指標進行密度分割得到新疆植被覆蓋等級空間格局（見圖1），并對各等級植被面積進行統(tǒng)計。

新疆植被覆蓋度特征分析統(tǒng)計結(jié)果表明，新疆植被覆蓋度總體水平較低，極低覆蓋植被區(qū)域占總面積的33.61%，低覆蓋植被區(qū)占總面積的39.46%，中覆蓋植被區(qū)占總面積的11.69%，中高覆蓋植被區(qū)占總面積的9.76%，而高覆蓋植被區(qū)僅占總面積的5.48%。同時，植被覆蓋南北差異性較大，表現(xiàn)為北疆植被覆蓋度明顯優(yōu)于南疆，西部和西北部植被覆蓋度優(yōu)于南部和東南部。

2.2新疆植被覆蓋時間變化特征

圖2是利用像元二分模型反演得到的2000-2015年新疆生長季植被覆蓋度時間序列，由圖2可以看出，2000-2015年新疆植被覆蓋變化表現(xiàn)出明顯的階段性，經(jīng)歷了“先增加，再下降，又增加”的過程，2005年和2009年是明顯的轉(zhuǎn)折點，但總體上植被覆蓋度以0.013·10 a-1變化率呈增長趨勢。16年間新疆植被覆蓋度的平均值為0.251，年平均值在0.235到0.271之間波動，最低和最高值分別出現(xiàn)在2001和2012年。

16年間中、中高、高覆蓋植被區(qū)總體變化不大，這3種等級所覆蓋的區(qū)域占全疆總面積的比例從2000年的25%增加到2015年的近30%，但期間也有波動;16年間極低、低覆蓋植被區(qū)面積變化明顯，極低覆蓋植被區(qū)以0.05·10a-1速率下降，而低覆蓋植被區(qū)以0.04·10a-1速率增加，2種等級覆蓋面積相互轉(zhuǎn)換，總面積略有減少（見圖3）。

2.3新疆植被覆蓋空間變化特征

利用植被覆蓋度等級的差值量化2000-2015年新疆植被覆蓋空間變化特征，揭示了新疆植被覆蓋變化情況，并以2005年和2009年兩個轉(zhuǎn)折點對植被覆蓋度變化的面積和比例變化進行統(tǒng)計（見圖2和表1）。與時間變化特征一致，2000-2005年全疆植被覆蓋以改善為主，18.81%的植被得到改善，1.72%的植被有所退化;2005-2009年植被生長狀況趨于下降，有20.23%的植被有不同程度的退化;2009-2015年植被覆蓋有所恢復(fù)，16.95%的植被增長顯著，少數(shù)地區(qū)植被有所退化，植被覆蓋狀況總體呈改善趨勢（見圖4）。其中，中高、高覆蓋植被區(qū)增加明顯，除極低覆蓋植被區(qū)外其他等級植被都有向其轉(zhuǎn)移。同時，中覆蓋植被區(qū)轉(zhuǎn)移較為明顯，有11.36%退化為低植被覆蓋區(qū)，19.715%轉(zhuǎn)移為中高、高植被覆蓋區(qū)。

16年間全疆80.79%的地區(qū)植被覆蓋沒有發(fā)生明顯變化，植被覆蓋改善地區(qū)的面積明顯大于降低地區(qū)的面積，說明新疆總體植被狀況得到改善，呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢，尤其是南疆植被改善面積較大，而北疆部分地區(qū)植被有所退化。2000-2015年植被退化面積占新疆總面積的2.89%，并均為輕度退化。北疆植被退化區(qū)域主要集中在烏魯木齊市至昌吉州以北、古爾班通古特沙漠腹地至烏倫古湖一帶，以及烏魯木齊市至奎屯天山北麓;南疆和田西南昆侖山區(qū)的植被有所退化。植被總體改善面積要比植被退化面積多出13.43%，其中大部分地區(qū)為輕度改善，只有0.27%為中度改善和0.02%為極度改善。2015年與2000年相比，北疆的古爾班通古特沙漠及周邊荒漠戈壁植被有所退化，而南疆的塔克拉瑪干沙漠周邊植被覆蓋好轉(zhuǎn)。

3結(jié)論

（1）新疆植被覆蓋水平整體較低，2000-2015年的16年間植被覆蓋度平均值為0.251，極低、低覆蓋植被區(qū)占全疆總面積的七成。南北疆植被覆蓋差異較大，表現(xiàn)為北疆植被覆蓋優(yōu)于南疆，高、中高覆蓋植被區(qū)主要集中在北疆西部和西北部。

（2）2000-2015年新疆植被覆蓋雖然總體上呈現(xiàn)增加趨勢，但存在著明顯的階段變化，以2005年和2009年為轉(zhuǎn)折點先后經(jīng)歷了“增加一減少一增加”的過程。16年間，2001年植被覆蓋度最低，2012年植被覆蓋度最高。中、中高、高覆蓋植被區(qū)總體變化不大，低覆蓋植被區(qū)面積有所增加，極低覆蓋植被區(qū)面積呈逐年減少趨勢。

（3）2000-2015年新疆植被覆蓋總體以改善為主，植被恢復(fù)改善面積大于植被退化面積。但不同地區(qū)植被覆蓋度等級表現(xiàn)出不同的變化特征，南疆植被狀況改善明顯，北疆荒漠和天山北麓部分植被有所退化。

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[收稿日期]2020-08-09

[作者簡介]蔡朝朝（1978-），女，福建閩侯人，講師，博士，研究方向：林業(yè)信息化、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。