渭干河流域植被覆盖时空变化特征研究

2014-05-26徐婷等

科技创新导报 2014年3期

徐婷等

摘要：植被是联结土壤、大气和水分等要素的自然纽带，更是自然生态系统中最活跃的因子，植被变化可用来揭示环境的演化，并且能在全球变化研究中起到“指示器”的作用。本研究利用遥感影像获取NDVI数据，借助遥感与GIS等现代手段，运用多种方法对渭干河流域1989-2007年植被覆盖变化特征和发展趋势进行了定量研究，最终得出渭干河流域植被覆盖时空变化规律。

关键词：植被覆盖 NDVI 时空变化渭干河流域

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0222-04

Abstract：Vegetation is join ties of natural elements such as soil，air and water，is the most active factor of natural ecosystems，vegetation can be used to reveal the evolution of environment，and is able to play in the global change research “indicators”.The study of NDVI data obtained using remote sensing image，with the help of remote sensing and GIS， and other modern means，using various methods on the 1989-2007 area of weigan River basin vegetation change characteristics and development trends of quantitative research，came to the vegetation covers spatial and temporal changes of weigan River basin.

key words：Vegetation Cover；NDVI；Spatio-temporal Variation；Weigan River Basin

陆地表面分布着由许多植物组成的各种植物群落，如森林、草原、灌丛、荒漠、草甸、沼泽等，总称为该地区的植被。近几十年来，由于全球气候变化和人类活动的影响，不同区域的植被均发生了相应的变化。植被覆盖变化是生态环境变化的直接结果，它在很大程度上代表了生态环境总体状况[1]。遥感作为一种重要的对地观测技术，具有多时相、多光谱、周期性观测、经济成本低等优势。遥感技术和GIS在监测和模拟陆地表面条件及其变化上得到广泛应用，已经成为植被景观及其变化分析的基本手段[2]。

多年来，国内外学者利用NDVI数据在各种不同空间尺度上对植被覆盖变化进行了深入研究[3-6]，这些研究促进了遥感技术在植被生态领域中的应用。李秀花等利用GIMMS NDVI数据，发现我国西北地区NDVI呈现上升趋势，其中北疆地区1991—2001年比1981—1990年的NDVI均值增加了2.48%，南疆地区增幅为8.95%[7]。近年来研究表明，新疆植被总体呈现增加趋势且具有的明显空间差异性[8]，在全国来说是植被改善程度较大的地区[9，10]。本文通过对1989、2001和2007三年的遥感影像进行解译，利用NDVI数据、土地利用矢量数据和研究区近几十年的气温和降水数据，结合遥感与GIS等现代手段综合定量的分析了新疆渭干河流域1989—2007年植被覆盖的年际动态变化规律和趋势，并分析其植被覆盖变化的主要影响因素。这对解析引起变化的因素及预测植被的演化方向有着重要意义，同时为今后生态环境建设和相关科学研究提供有力支持。

1 研究区概况

渭干河流域位于天山南坡与塔里木盆地北缘之间，介于北纬39°30′N～42°40′N，

东经81°27′E～84°07′E。该地区在行政上隶属阿克苏地区管辖，主要包括三个县，即新和县、沙雅县和库车县，东接轮台县，西邻阿克苏、温宿两县。该地区南隔塔克拉玛干大沙漠与和田地区遥望，北以天山主脉与和静县分界，西北与拜城县接壤，在历史上即为富庶之地，是古丝绸之路上东西方文化交流的重要通道。

渭干河—库车河三角洲位于塔里木河冲积平原西部，包括渭干河冲积平原（库车部分）和库车河冲积平原。它是渭干河和库车河水系，携带天山南麓的冲积、洪积物，逐渐沉积形成的绿洲。渭干河—库车河三角洲绿洲属于大陆性温暖带干旱气候，在气候上表现为热量丰富，气候干燥，光照充足而降水稀少，夏季干热，冬季干冷，气温年较差大，风多沙大的特点。其年太阳总辐射量高于我国同纬度的华北、东北地区，属于干旱与极端干旱地区。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文采用研究区1989年9月25日的TM数据、2001年8月1日的ETM+数据以及2007年9月15日的ALOS数据作为主要的遥感监测数据。本研究选用资料时间跨度较长，能真实地反映渭干河流域植被覆盖的动态变化。首先对1989年、2001年及2007年三幅遥感影像进行几何校正并去除噪声，由遥感图像处理软件ENVI 4.5来实现。再通过不同的方法对数据进行处理分析，得出变化规律。

2.2 主要研究方法

2.2.1 归一化植被指数

归一化植被指数（NDVI）是反映植被所吸收的光合有效辐射比例的一个重要指数，由于NDVI对植被的生长势和生长量非常敏感，可以很好地反映地表植被的繁茂程度，常用来描述植被生长状况。其中，NIR为近红外波段反射值，如Landsat中TM4或MSS7；R为红光波段反射值，如Landsat中TM3或MSS5。同时-1≤NDVI≤1，负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等，NIR和R近似相等；正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。endprint

2.2.2 线性回归分析

利用ArcGIS的栅格计算器结合最小二乘法，对各像元年度NDVI平均值与时间做线性回归分析，以线性拟合斜率反映该像元的变化趋势。如果斜率大于零则说明随时间增加，像元年度NDVI平均值呈上升趋势，植被状况趋于好转；斜率小于零则说明随时间增加，像元年度NDVI平均值呈下降趋势，植被状况趋于恶化；斜率的大小反映上升或下降的速率。3 结果分析与讨论

3.1 NDVI的年际变化特征

该文利用1989年、2001年和2007年的遥感影像图计算出每年的NDVI数据，并进行处理统计，将整个流域的NDVI数据进行平均来代表当年平均植被覆盖状况，从而得到渭干河流域植被覆盖整体变化趋势（见图1）。

从（图1）中可以看出，渭干河流域植被覆盖总体上呈略微增加趋势，根据波状起伏变化，可得知：1989—2001年，植被覆盖呈下降趋势，即NDVI年均值从0.136104降至0.082052；而2001年—2007年，植被覆盖呈增加趋势，即NDVI年均值从0.082052增至0.217382。基于统计，渭干河流域的NDVI年均值约为0.1452，年均增长约率为0.21%。从整个时间段的变化趋势来看，渭干河流域的植被覆盖与我国西北地区、温带草原、黄土高原的变化趋势基本一致，都呈上升趋势。此外，通过对比1989年、2001年和2007年的NDVI灰度直方图也可以看出渭干河流域自1989年以来，植被覆盖发生了明显变化（见图2）。1989年该研究区的NDVI值集中在-0.1154—0.3841范围内，而2001年NDVI值集中分布在-0.1996—0.4308区间，到2007年NDVI值则集中于-0.1078—0.5677范围内，说明渭干河流域植被NDVI值明显增加。

3.2 NDVI的空间变化特征

通过比较渭干河流域1989年、2001年及2007年的NDVI图像（见图3、图4和图5），可以得出渭干河流域植被变化存在明显的空间差异。结合研究区的相关资料和土地利用数据，通过目视解译的方法分析图3-3可知，1989年渭干河流域东北部及中部部分地区为草地，林地集中分布于西南地区，耕地则主要分布于东北部、中部和南部部分地区。总体看来，1989—2007年研究区的中部地区NDVI变化最明显，西北部及南部部分地区NDVI也有不同程度的变化。

此外，该文在研究区选取了一百个样点进行统计，得出不同的植被覆盖类型各自的NDVI变化。耕地相对于其他类型年均NDVI较高，所占面积最大，林地次之，草地覆被则较低。1989—2007年耕地面积虽明显增加但NDVI值只是略微上升，NDVI年变化率约为1.4%；林地和草地面积相对减少，林地的NDVI略微增加而草地的NDVI明显增加，其NDVI年变化率分别为0.88%和50.81%（见图6）。

3.3 植被覆盖变化影响因素分析

植被与气候的关系是全球变化研究中的重要组成部分，植被作为陆地生态系统的主体，具有明显的年际变化和季节变化的特点，并且与一定的气候、地貌、土壤条件相适应。自然因素在大环境背景上控制着植被覆盖类型的变化，而人类活动则是在较短时间尺度上影响植被覆盖的主要因素[11]。

3.3.1 自然因素

渭干河—库车河三角洲绿洲属于大陆性温带干旱气候，气候干燥，光照充足而降水稀少。其年平均气温为10.7 ℃，无霜期151.0～194.5天，平原区多年平均降水量为46.5 mm，山区多年平均降水量为243.0 mm。流域北部山区地势较高，热量不足但降水丰富；平原北部相对而言，热量丰富，无霜期较长且降水少，但利于作物生长；而平原南部、塔里木河沿岸及草湖地区，地势低洼，又受沙漠影响，气候大陆性较强。因此渭干河流域北部平原及南部部分地区植被覆盖度较大，而东北部沙地植被覆盖度较小，植被变化存在明显的空间差异。

根据上述结果，该文对研究区1989年—2007年的降水和气温数据进行了统计分析（见图7，图8）。结果表明这18年来降水量总体上呈波动式下降，2001年较1989年年降水量减少了22.7mm，2007年较2001年年降水量又减少了40.8mm，而气温状况总体较为平稳。与降水量变化不同，2001年和2007年的年均气温分别为11.62℃和11.61℃，均比1989年高。由此得出，渭干河流域高温少雨的气候对植被的生长变化有一定的影响。在春季降水量较多，气温升高有利于植被生长，夏季与之相反，降水量减少较多，气温升高造成蒸发能力加强，地表及植被蒸散量的加大比降水增加的快，水分则成为植被生长的限制因素[12]。总体看来，虽然渭干河流域2007年较之前的降水量明显减少，但气温呈上升趋势，因此渭干河流域植被覆盖的增加受气温的影响大于降水的影响，即气温升高有利于植被的生长。

3.3.2 人文因素

除了自然因素的影响，植被变化与人类活动也密切相关。渭干河—库车河三角洲绿洲2007年有人口82.36万人，市镇人口52.33万人，农村人口30.03万人。人口密度达15.72人/km2，超过联合国教科文组织提出的干旱区人口临界指标（7人/km2），远远超出了干旱区环境资源承载能力。人口总数与1989年（总人口61.08万人）相比增加了34.84%，年增长率为1.94%；与2001年（总人口72.70万人）相比增加了13.29%，年增长率为2.21%。棉花的种植面积从1989年的25.73千公顷，增加为2001年的72.68千公顷，到2007年则增加为86.73千公顷。

对比渭干河流域1989年、2001年和2007年的NDVI图像不难发现，绿洲面积呈显著增长的趋势，耕地占土地利用的比重明显增加，这与新疆近几十年来大量开垦荒地有关。为了生存，土地利用程度不断增高，人们对土地资源掠夺式开发和不合理地利用，如过量施肥、滥垦滥伐等的土地利用方式，造成土地沙化和盐碱地，加剧了土地退化。不容置疑，人类活动是渭干河流域植被类型发生显著变化的重要因素。endprint

4 结语

20世纪90年代以来，全球变化研究开始受到人类的广泛关注，其主要目的是探讨人类活动引起的全球变化对陆地生态系统与人类生存环境的作用及其响应。本文利用多种方法对遥感影像数据分析处理，拟得出渭干河流域植被覆盖的时空变化规律，并分析了气候变化和人类活动对植被及其变化的影响。结果表明：（1）渭干河流域在1989—2007年植被覆盖呈微弱上升趋势，与我国其它地区一致，但增长速率大小不一样，其NDVI年均值约为0.1452，NDVI年均增长约率为0.21%；（2）渭干河流域植被覆盖存在明显的空间差异，北部、中部及南部部分地区NDVI较大，不同的植被覆盖类型表现为不同的变化趋势，其中耕地占土地利用的比重明显增加；（3）渭干河流域植被覆盖时空变化即受到自然环境的影响，也与人类活动密切相关。

通过分析可知，渭干河流域植被覆盖总体趋于增加，绿洲面积呈增长趋势尤其是耕地面积明显增大，植被及其变化与人口分布密度高度相关。总而言之，在气候变化和人类活动的双重影响下，渭干河流域整体环境正在向有利的方向发展。

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