基于時間序列的新疆某流域植被覆蓋度動態(tài)變化研究

李瀟然,任 璇*,唐夢迎,夏倩柔,陳 麗,常夢迪

(1.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011；3.新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，新疆烏魯木齊 830011；4.國家環(huán)境準(zhǔn)噶爾荒漠綠洲交錯區(qū)科學(xué)觀測研究站，新疆烏魯木齊 830011)

植被是土壤和氣候條件共同作用的產(chǎn)物，同時又能通過光合作用反作用于氣候，對調(diào)節(jié)氣候有重要意義。陸地生態(tài)質(zhì)量的變化必然會反映在植被類型、數(shù)量及質(zhì)量的變化上，而植被覆蓋度指數(shù)是目前既能表征植被的茂密程度，又代表植物進(jìn)行光合作用面積較為準(zhǔn)確的計量手段,是衡量生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要因子之一。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對植被覆蓋度的相關(guān)內(nèi)容開展了大量的研究，如馬琳雅等對甘南草地類型基于MODIS數(shù)據(jù)對2001—2011年植被覆蓋度進(jìn)行動態(tài)變化分析，結(jié)果表明，甘南草地植被覆蓋度水平升高；白慶坤等從植被覆蓋度的角度分析了蓋度變化對蒙古高原干旱的響應(yīng)；焦世文等研究了NDVI的時空變化特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系。筆者基于GIS與遙感手段，以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，分析了2011—2020年研究區(qū)天然植被覆蓋度的時空變化特征，并引入地形位指數(shù)，綜合考慮海拔與坡度對植被覆蓋度的影響程度，以期為研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)最西端的天山山脈腹地，北部以科古琴為界，西以阿拉愛格爾山口與哈薩克斯坦共和國接壤，南部以天山山脈為界，東以那拉提山為分水嶺、與開都河流域相隔。研究區(qū)為我國北方防沙帶生態(tài)保護(hù)和修復(fù)重點工程布局的關(guān)鍵區(qū)域之一，是我國35個生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)之一，同時也是我國西北區(qū)域最重要的生態(tài)安全屏障，對維護(hù)國家重要生態(tài)功能區(qū)具有重要意義。

該研究所使用的NDVI數(shù)據(jù)來自2015—2020年新疆生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評估項目和生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云，其空間分辨率為30 m，生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所。

植被覆蓋度的反演目前有效方法為像元二分模型，該模型是通過遙感衛(wèi)星傳感器所獲取的信息可以分為綠色植物所提供的信息和裸土所提供的信息2個部分，植被覆蓋度計算公式如下:

FVC=(NDVI-NDVI)/(NDVI-NDVI)

(1)

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI和NDVI分別為純裸土和純植被情況下NDVI像元值。

該研究以流域范圍去除農(nóng)田、城鎮(zhèn)、濕地及永久冰川積雪外的自然生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度為研究區(qū)，以2011—2020年為研究時段，為削弱單年份氣溫、降水等因素對植物生長的影響，以2014—2016年各年度植物生長季植被覆蓋度平均值作為2015年植被蓋度水平值，以2018—2020年各年度植物生長季平均值作為2020年植被蓋度水平值。根據(jù)前人研究基礎(chǔ)，將植被覆蓋度分為低覆蓋度(0～0.2)、較低覆蓋度(>0.2～0.4)、中覆蓋度(>0.4～0.6)、較高覆蓋度(>0.6～0.8)、高覆蓋度(>0.8～1.0)5個等級。分析2015—2020年植被覆蓋度變化，將這5年植被覆蓋度變化情況共分為9級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 植被覆蓋度變化分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standards of vegetation coverage change

同時，引入地形位指數(shù)因子，從高程、坡度等地形因素綜合分析植被覆蓋度高低及變化特征。詳見公式(2)。

(2)

2 結(jié)果與分析

借助ArgGIS 10.2軟件，計算得到研究區(qū)內(nèi)2011—2020年各年度植被覆蓋度最大值及均值。從圖1可以看出，研究區(qū)植被覆蓋度這10年間呈略微改善的趨勢，10年間植被蓋度最大值的最低值出現(xiàn)在2014年，為0.824 2；植被蓋度最大值的最高值出現(xiàn)在2015年，為0.863 8。其中2013—2017年植被蓋度最大值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)“降—增—降—增”的變化趨勢，在2017年后趨于穩(wěn)定。研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度均值在0.429 3～0.529 2，2014年均值較2013年變化率為-14.92%,2015年均值較2014年變化率為19.05%，其他各年度較前一年變化率均在正負(fù)8%以內(nèi)，變化不大。

圖1 2011—2020年植被覆蓋度年變化Fig.1 Annual changes in vegetation coverage from 2011 to 2020

分年度統(tǒng)計研究區(qū)各等級植被蓋度面積占比情況，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，研究區(qū)植被蓋度以較高覆蓋度和中覆蓋度為主，且較高覆蓋度除2014年外，其他各年份占比均接近50%；高覆蓋度占比普遍較低，研究區(qū)植被高覆蓋度區(qū)域分布較少，高覆蓋度區(qū)域各年度面積占比均在5%以下。

表2 植被覆蓋度各等級面積占比Table 2 The area percentage of vegetation coverage at different grades %

根據(jù)研究區(qū)各年度植被覆蓋度(圖1)，計算得到2015—2020年植被覆蓋度變化情況(表3)。由表3可知，研究區(qū)內(nèi)植被蓋度以基本穩(wěn)定為主并呈改善趨勢，改善程度以輕微改善為主，占評價區(qū)總面積的24.66%；其次為中度改善，占研究區(qū)總面積的8.70%。輕微及中度改善區(qū)域主要分布在依連哈比爾尕山及哈爾克他烏山前山帶，流域內(nèi)平原區(qū)零散分布，顯著改善區(qū)域集中分布在南部荒漠區(qū)域內(nèi)。

退化區(qū)域面積較小，占研究區(qū)總面積的5.45%，且以輕度退化和中度退化為主。輕度與中度退化相交分布，主要集中在研究區(qū)西北部博羅科努山南脈前山帶及中部平原區(qū)的農(nóng)田綠洲外圍。輕度和中度退化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型以荒漠和草地為主。研究區(qū)內(nèi)存在零星極重度退化區(qū)域，主要分布在高山區(qū)，極重度退化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型以裸土、裸巖為主，初步考慮為稀疏草地退化為裸土、裸巖等生態(tài)系統(tǒng)。

植被覆蓋度基本穩(wěn)定區(qū)為退化與改善程度均在10%以內(nèi)的區(qū)域，其面積占研究區(qū)總面積的56.95%，該區(qū)域分布較廣，研究區(qū)前山帶及谷地內(nèi)平原區(qū)均有分布。

地形位指數(shù)綜合考慮坡度和海拔因子對植被覆蓋度變化的影響，研究區(qū)地形位指數(shù)在0.095 98～1.344 43，基于ArcGIS空間分析功能，將研究區(qū)地形位指數(shù)通過自然間斷點分級法分為5級，其中Ⅰ級(0.095 981～0.296 711)、Ⅱ級(>0.296 711～0.482 754)、Ⅲ級(>0.482 754～0.668 797)、Ⅳ級(>0.668 797～0.848 048)、Ⅴ級(>0.848 048～1.344 426)。不同地形梯度內(nèi)植被覆蓋度變化情況如表4～5所示。

研究區(qū)內(nèi)不同地形梯度中，Ⅰ 梯度僅占評價區(qū)總面積的7.78%，該梯度內(nèi)植被覆蓋度變化以基本穩(wěn)定為主；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ梯度分別占評價區(qū)總面積的22.06%、26.06%和26.92%，且植被覆蓋度變化均以基本穩(wěn)定為主；V梯度內(nèi)植被覆蓋度變化以改善為主，改善區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的9.72%。基本穩(wěn)定和改善區(qū)域在Ⅰ～Ⅳ梯度時隨著地形位指數(shù)增加，分布面積逐漸增加，在V梯度時面積占比出現(xiàn)下降。退化區(qū)域在Ⅱ梯度占比最大、基本穩(wěn)定區(qū)域在Ⅲ梯度占比最大、改善區(qū)域在Ⅳ梯度占比最大。

表3 2015—2020年植被覆蓋度變化統(tǒng)計Table 3 Statistics of vegetation coverage change from 2015 to 2020

表4 不同地形梯度植被覆蓋度變化面積Table 4 Area of vegetation coverage change in different topographic gradients km2

表5 不同地形梯度植被覆蓋度變化情況匯總Table 5 Summary of vegetation coverage change in different topographic gradients

3 結(jié)論與討論

該研究基于NDVI數(shù)據(jù)，采用像元二分模型模擬研究區(qū)植被覆蓋度，為準(zhǔn)確計算天然的植被覆蓋度，將農(nóng)田、城鎮(zhèn)、濕地、冰川永久積雪等生態(tài)系統(tǒng)類型作為非評價區(qū)，對2011—2020年天然植被覆蓋度的時空變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，2011—2020年研究區(qū)內(nèi)蓋度平均值由0.429 3增長到0.529 2，增長率為23.27%，呈現(xiàn)以較高覆蓋度和中覆蓋度為主的分布趨勢，天然植被蓋度逐步向較高覆蓋度等級轉(zhuǎn)化。研究時段內(nèi)，植被覆蓋度變化以基本穩(wěn)定為主，部分區(qū)域發(fā)生不同程度的改善，改善程度主要以輕微改善和中度改善為主；蓋度退化的以輕度退化為主。隨著地形位指數(shù)的增加，植被覆蓋度基本穩(wěn)定和改善的面積占比均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，說明隨著地勢復(fù)雜程度的增加，植被蓋度變化先出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)貏輳?fù)雜程度高于某一閾值時，植被蓋度出現(xiàn)下降。

該研究分析了近10年來研究區(qū)植被覆蓋度現(xiàn)狀和變化情況以及植被覆蓋度與地形地勢之間的耦合關(guān)系，雖然通過多年平均來消除某一年因氣象或其他因素對植被覆蓋度的影響，但對于2014年出現(xiàn)植被覆蓋度均值降低的原因未進(jìn)行具體研究說明。初步考慮是與2014年降雨量下降有關(guān)。下一步將對植被覆蓋度與氣象因子、人為因素以及保護(hù)政策的關(guān)系進(jìn)行持續(xù)深入研究。