基于Landsat数据的新疆和田地区绿洲覆盖变化研究

2016-12-13李引湣马尚红

和田师范专科学校学报 2016年5期

关键词：和田地区荒漠绿洲

李引湣马尚红

(和田师范专科学校，新疆和田 848000)

基于Landsat数据的新疆和田地区绿洲覆盖变化研究

李引湣马尚红

(和田师范专科学校，新疆和田 848000)

利用Iandsat遥感影像数据 (TM、ETM+)，结合气象数据，通过土地利用类型转移矩阵，对和田地区该区域绿洲植被覆盖面积和时空格局变化进行分析，并结合和田地区政策、人口等因素对其驱动因子进行研究。结果表明：和田地区绿洲内的林地、耕地和水域面积呈现先减少，后缓慢增加的趋势，受雪山融水供给的影响，该地区水域变迁幅度较剧烈；受全球大气候与昆仑山南麓局地小气候的影响，该地区气温呈现稳定增加的趋势，而降水呈现先增加，后减少的趋势。

Landsat遥感影像；荒漠绿洲交借带；植被覆盖与气候变化

土地利用和地表覆盖被普遍认为是未来三十年来最能影响陆地生态系统结构和功能的全球变化。[1]绿洲覆盖率在很大比例上取决于地表植被覆盖程度。和田地区局域山地沙漠环境的变化必将影响到土地覆盖，从而影响到地表植被分布，最终导致该地区水分地空循环和热量扩散的改变。绿洲覆盖的变化也反馈于局域小气候循环冷热系统，对于气候的反馈作用可能减缓或加快和田局域气候的变化。[2]和田荒漠一绿洲交错区是新疆干旱区、半干旱区生态系统中绿洲化和荒漠化交替发生变化最明显的地区，也是人为干扰和外界环境对绿洲生态环境影响反馈最频繁的地区，有着预警和指示的重要作用。[3]国外对荒漠一绿洲区域的研究主要集中在盐渍荒漠化、水资源、绿洲生态系统、植被覆盖度、沙漠中尺度环流等方面主要通过遥感的手段进行监测等。[4]国内对干旱区域荒漠一绿洲交错地带主要研究方向为景观空间格局分布以及其受自然环境、人为环境条件的影响、荒漠化特征、生态安全变化趋势等方面[5]。而新疆和田地区位于昆仑山北麓、塔克拉玛干沙漠南缘，属于典型的荒漠一绿洲交错廊道区域。本文利用MODIS 数据，通过NDVI的计算研究 2001～2015年新疆和田地区荒漠与植被覆盖度之间相互变化。国内部分学者对和田地区土地利用主要是利用实地调查和时空覆盖较小的遥感数据进行非监督分类研究[6]，从信息的接收和处理以及遥感图像的判读和应用均有待于进一步深究[7]。国内的荒漠一绿洲交错带研究中，利用多时段的陆地资源卫星光谱灵敏度数据进行植被覆盖变化研究还很少，本文利用和田气象局近 30 年的气象观测数据，结合三期 Iandsat卫星遥感MODIS影像，将遥感信息(波段或植被指数)分解,建立像元分解模型,并利用此模型估算植被覆盖度结合和田地区近四十年气候变化影响因子来讨论和田地区土地开发和绿洲覆盖度变化趋势及其驱动力。

1 研究区域

和田地区位于新疆南部，35.70～39.40 N，78.70～83.40E，绿洲面积 9730．0 km2(图1)。和田地区地处塔克拉玛干大沙漠的南缘,人口169.15万,土地面积24.78万平方公里,其中绿洲面积仅占3.48%。和田地区陷入“人口增长——环境破坏——经济贫困”的恶性循环之中偏离原有的平衡;尤其是和田处于干旱荒漠边缘地区,绿洲人口密度已达195人/平方公里,人均耕地占有量为1.5亩,对水土资源开发利用以及生态环境造成了长期恶劣影响。和田绿洲以北是绵延起伏的沙丘，其中流动沙丘占80%，年降水量仅为32.6毫米，且主要集中在5月和7月；而年蒸发量高达2450～2824毫米，蒸发量远大于降水量，年浮尘和沙暴天气150～250天。

图1：研究区地理位置及水洗分布概况

2 数据来源与研究方法

2．1 数据来源研究数据主要以覆盖和田地区的 Iandsat遥感影像数据(1973年5月、1990年6月和 20O0年6月三个时段的MSS、RIM、 ETM+)为基本数据，结合 1984～2003年和田地区温度和降水量气象数据。另有和田地区土地利用图(1：50000)及其矢量化数据，图像处理软件为ENVI、ERDAS9．6。

2．2 数据处理根据内陆干旱区绿洲近红外波段NIR(0.7～1.1Lm)与可见光红波段RED(0.4～0.7Lm)的光谱特征，参考《土地利用现状调查技术规程》中的土地利用/覆盖分类体系，主要分类为林地(原生林、防护林等)、水域(河流、河滩、水库等)和未能开发利用地(沙漠、戈壁、山脉等)。利用 ERDAS遥感图像处理软件，分别对和田地区土地绿洲覆盖三个时期的 Landsat数据进行了云处理、几何校正、彩色合成、亮度变换、直方图变换、亮度颠倒、图像间运算。分类方法采用监督分类法，以减少遥感图像相元点误差，分类结果如图2所示。

图2：和田地区的ERDAS遥感图

2．3 土地利用变化强度指数

土地利用变化强度指数是指某一区域内，在错综复杂的自然因素和社会经济因素的合力作用下，单位面积上土地利用类型从n时期到b时期发生的改变成不同土地类型斑块有不同的空间图形特征的数值。土地利用变化强度指数的计算公式如下[8]：

公式中：LTIi为某土地覆被类型在研究时段内的变化强度指数；Aj．b、Aj．a分别为某土地覆盖类型在研究初期。a及末期 b 的面积；LAi 为研究区总面积；T为研究末期与初期的时段 (年)。

3 结果与分析

3．1 和田地区土地覆被的数量结构变化从所研究的两个时段来看，和田地区的绿洲斑块数量结构变化总体呈先下降后上升的趋势接着再持续下降。由表1可见，1973～1990年期间，绿洲斑块面积均有不同程度的减少，破碎化程度加剧，其中，绿洲的减少量约为沙地减少量的 1.3倍，水资源面积也减少了27．1%；而在 1990～2015年期间，绿洲面积均有不同进度的增多。其中和田南边地区绿洲斑块面积增加最多，约占1990年绿地总面积的指26．5% ，而水域面积维持原样，与1990年相差不大。到和田整体陆地区域内，单位面积上土地利用类型从n时期到b时2015年，绿地面积与研究初期相比减少了 16．6%，相应地荒漠化面积发生了改变。土地利用变化强度指数的计算公式如地面积增加了41．6%，而水域面积仍保持在2000年的水平。

3．2 土地利用类型的分形及稳定性，利用 ERDAS统计土地利用分类模块中像元数量，得到三个时期绿洲、沙漠、水域面积数量结构转移矩阵 (表1～3)。同时考虑到荒漠一绿洲交错带的地域性、相似性、区域性，本文利用20世纪70年代至21世纪10年代时期内，某一种类土地利用类型发生的年变化面积和强度指数来分析该类型景观斑块的变化情况。

表1：1973-2015年休假和田地区土地覆被数量结构

土地覆被类型1973年1990年2015年1973-1990年变化面积/km21990-2015年变化面积/km21973-1990年变化强度指数/%199-2015年变化强度指数/%绿洲3831.13558.94468.4-272909.3-0.0070.0398沙漠13250.712700.118900.3-5500.562000.2-0.0014-0.0272水域817.6587.3584.7230.2-2.6-0.0069-0.0001

注：其他土地面积未列入土地覆被数量结构以内。

3．2．1 1973～2015年间土地利用与覆被的时空变化。

3．2．1．1 绿洲。

表2：1973-1990年和田地区土地覆转换矩阵

土地覆被类型绿洲荒漠水域其他未利用土地绿洲788.22540.5217.9132.2荒漠2516.680987.1442.64223.7水域139.6854.27.216.5其他未利用土地22.894377652

图3:1973-1990和田地区土地覆被转换矩阵

由表2可见，土地覆盖类型转化中绿洲向耕地和林地转化斑块面积较小。绿洲向荒漠转化面积为2516．6km2，同时其他未利用土地向荒漠转化为943．0km2。绿洲与水域间相互转化的面积分别为 217．9 km2。在该时期，总体绿洲面积逐渐程减少趋势，原因由于该时段为沿水源地毁林开荒的时期，期间各种绿洲特别是天然林地斑块转化为荒漠和耕地斑块。

3．2．1．2 水域。水体在维系绿洲与荒漠化中起关键性作用一直维持绿洲区域内生态平衡。1973～1990年，水从遥感影像观测分析水域面积急剧减少至28．2%。水域向荒漠地、草地等类型间的相互转化作用显著，其中，主要为水域向荒漠地斑块面积之间的转化，面积为854．2 km2；其次是转化为林地，面积为 106．7 km2。这种相互转化的主要原因是受和田地区昆仑山南麓雪山季节性融水供给河流的枯水期影响导致。

3．2．1．3 耕地。在1973～1990年期间，耕地的面积基本保持平衡。虽然耕地的地域变迁幅度很大，但是大量开垦新土地弥补了原有退化土地的面积。其中，荒漠和其他未利用土地向耕地转化的面积最大，根据和田地区统计年鉴记载为855．4 km2。在这一时期，由于大力开垦荒地，增加耕地面积，荒地的开发利用达到最大，主要是向着绿洲转化。

3．2．2 1990～2000年间土地利用与覆盖的时空变化(表3、图4)。

表3：1990-2015年和田地区土地覆转换矩阵

土地覆被类型绿洲荒漠水域其他未利用土地绿洲1513.22164.290.49.8荒漠2955.95120308.1223.24223.7水域105.3576.320.64.5其他未利用土地101.72819.132.510526.9

图4：1990-2015年和田地区土地覆转换矩阵

3．2．2．1 绿洲。在 1990～2015年期间，绿洲和沙漠之间的相互转化趋势最明显。有 2164．2 km2的林也变成荒漠，主要原因是和田地区沙尘暴天气频发，同时又有荒漠2955.95km2向绿洲地转化，绿洲的总面积有所增加，可见在覆被消退的同时植树造林绿化工程也在进行。

3．2．2．2 水域。在1990～2000年间，水域面积得到基本恢复70年代前状态。到2000年和田地区水域面积达755．4 km，呈明显增长趋势。同时也与绿洲斑块增多表现一致。在绿洲荒漠交错廊道区域带，水分利用与绿洲面积变化的相互依存表现很突出。和田河、喀拉喀什河、玉龙喀什河为季节性河流(图1)，均属于降水、积雪融水和冰川融水综合补给性河流。在这一时期，水体向林地、耕地和荒漠的转化面积分别为 105.3、48.6和 576.3km，主要是与荒漠之间的转化，与和田地区的河流为季节性供水性质有关，表现为季节性的河流供水量落差大。

3．2．2．3 耕地。1990～2000年间耕地的面积有所增加，其中荒漠向耕地转化面积最多，为 903．5 km2。同时，耕地的不稳定性继续增加，荒漠变成耕地占了总面积的 47．8% ，其次是林地对耕地的转换面积为 26．6%。自20世纪90年代以来，植被和水域面积呈增加趋势，这说明相比 1973～1990年这一时期，该地区的荒漠化趋势已经减缓，并且植树造林的效应已经开始突显。和田地区林业局介绍，近30年来，和田地区被流沙吞没的农田达46万亩，沙漠化土地和草场退化面积达3万平方公里，年平均降尘浓度为104.88吨/平方公里。

4 结论与讨论

4．1 全球气候变化以及昆仑山区局地气候对和田地区荒漠一绿洲交错带廊道的影响和田地区气候不可避免地会受到全球气候变暖趋势的影响。气候的变化必然导致和田地区水循环时空的变化[47]。该研究的研究时间段为 1970～2015年，和田地区的气候变化主要体现在随着温度的缓慢上升，该地区的降水量呈现先增加后缓慢减少的趋势(图5)。

图5：和田地区1970-2015年温度与降水量对比图

4．2 和田地区植被覆盖变化及其驱动力分析从以上研究结果可以看出，在20世纪 70年代初期到 90年代末，和田地区的绿洲斑块破碎度增加，沙漠斑块面积迅速增加，反映出和田地区的生态环境破坏。原因为80年代政府禁止乱砍滥伐政策的调整后和田地区的植被不仅得到快速的恢复，并且绿洲斑块面积大量增加。植树造林工程以及耕地面积也迅速增加，到2015年，该地区的绿洲斑块覆盖面积有了大幅度的增加，呈现逐渐恢复 (图6)。

图6：和田地区土地覆盖与利用趋势

4．2．1 气候因子。气候因子尤其是降水对植物分布和生长起到决定性作用[9]。根据近 50年的气候变化曲线可见(图3)，总体上，温度线一至呈现出曲线上升趋势，降水量呈现1970年呈现其气温不断升高，同时降水量也不断增加，出现同高双峰型，而至2000年弧形曲线减少的趋势。温水同期这一变化过程对和田地区自然地理环境整体性类型的影响非常显著。从图3可以看出，降水变化与植被覆盖变化前期同步后期不一致。20世纪70年代前降水量最少，1900～2000年随着城市化进程这一时期绿洲斑块面积减少较明显，南部昆仑山区沙化面积有所增加。80年代后期，开始年平均降水量都超过了多年平均降水量(图3)，为丰水期，绿洲面积是随着气候环境的变化而变化，但绿洲板块面积并没有随之而增加，反而呈缓慢下降趋势，但该时期土地荒漠化面积均为历史最多。90年代平均降水量任然高出多年平均降水量，土壤水分状况虽然得到改善，但湖泊、河流径流量减少使水域面积逐年缩小，从而沙漠稳定性增强，绿洲不稳定性增加。，这对该时期植被覆盖面积显著增加有一定的影响，该时期的绿洲面积均有不同程度的减少，水域面积也呈缓慢缩减趋势，气候因子对植被覆盖影响是相对的。[10]

4．2．2 人为因素。随着城市化进程的加快过度开发以及不合理的水资源利用引起大面积胡杨、红柳等荒漠植被绿洲斑块向和田地区南缘渐退，和田河、喀拉喀什河、玉龙喀什河沿岸的植被走廊一荒漠固定沙包带逐渐变成流动性沙丘，导致的直接后果就是绿洲破碎化加快，加速土地荒漠化进程的速度。根据新疆维吾尔自治区和田地区统计年鉴 (1949～2004)的耕地、人口数据分析可以看出(图7)，建国后和田绿洲人口增长一直呈逐年上升趋势[11]。随着人口数量的逐年增加，绿洲斑块面积呈现减少趋势。这与人为的过度开发、自然调节气候失衡促使绿洲板块的减少有关。

图7：1949-2004年和田地区耕地与人口关系

人口的逐年快速增长对自然环境的破坏力度加大表现在对天然红柳、胡杨林、灌木的过度采伐，加剧了绿洲地面积的减少。此外，过度蓄养牧业、大面积灌溉农田也将减少绿洲面积，是植被覆盖面积减少的人为因素。

4．2．3 政策因素。国家政策是决定土地利用和覆盖变化的又一主要因素。经卫星遥感图片绿洲相元点计算1973～1990年和田地区绿洲面积下降约为327．5 km2，与当时政府号召大力拓荒，大面积开垦耕地的规划政策有关。在这一时期，当地政府(包括农十四师、二二四团)大力支持垦荒，新开荒土地造成整个区域水土资源失衡，植被破坏，沙尘天气增多，土地荒漠化加速等一系列恶性循环。人工绿洲内部修建大面积水库水利设施、耕地渠网，造成该区域内河流下游水量锐减，甚至断流，绿洲边缘地下水位失去补给，植被覆盖度明显下降，[12]大量耕地由于水资源丧失促使盐碱化而弃耕，荒漠化斑块增多。随着绿洲农业的发展，坚持维护生态平衡与提高经济效益相结合，治水、治碱(盐碱)、治沙相结合，大面积交错带的荒漠地被开垦为农用地，使人工绿洲的面积迅速增大。但是由于处于西风带，但远离水汽源地，降水稀少。这是一个半荒漠向荒漠过渡的地带，是一个生态环境比较脆弱的地区，其自然地理状况必定是寒冷、干旱、大风、沙尘暴，反而加剧了该地区绿洲斑块景观破碎度。[13]自20世纪90年代中期国家逐步推广实施退耕还林还湖政策以来，和田地区政府禁止过度放牧、乱砍滥伐，耕地及周围的防风林，组成了绿洲特有格子状景观斑块。在这一时期和田地区的林地面积大增，主要是农田防护林地的增加。因此在研究后期，和田地区的绿洲斑块面积总体数量上大幅度的增加。

4．3和田地区绿洲一荒漠交错带管理措施及建议随着国家二胎政策特别是当地少数名族三胎政策促使人口增长会给环境承载量带来过大压力。[14]从上面的分析可知，如果和田地区人口增长速度不能得到很好的控制，未来可能该地区的土地利用/土地覆盖将朝着加剧沙漠化的方向发展。[15]此外，做出相应的应对措施，如调整产业结构增加服务业和城市化就业率，土地增加经济林(石榴、大枣、核桃等)种植面积；优化绿洲—荒漠结构和比例，走可持续发展的道路；[16]在绿洲一荒漠交错带生态环境脆弱，在其附近的绿洲区过量开采地下水会使交错带生态环境退化，形成“生态裂谷”，改善和治理该地区的绿洲面积，是一项长期而艰巨的工程，只有运用环境生态学和绿洲沙漠学等多学科相结合，才能由非平衡特性向平衡性发展以及使沙漠绿洲环境与人类活动可持续性发展。

4．4研究展望该研究利用3个时期的Iandsat遥感数据，结合相应时期的气象资料，分析了近 30年和田地区植被覆盖变化规律及其驱动力。从研究结果可见，在干旱区域绿洲覆盖面积和环境因子之间有空间相对的一致性，说明和田区域发展的同质性、同构性，环境条件的改变必然会引起绿洲植被发展演化、绿洲荒漠过渡带、覆盖度的变化，同时，植被的增加或减少也会影响自然环境条件与刺激长期持续地的发展。但是由于受到人为因素等影响，基于TM/ETM遥感数据和FCD模型植被覆盖度反映出和田干旱荒漠地区的绿洲覆盖变化与气候因子的关系以及植被覆盖度的空间格局和时空变化规律是非线性、不可预知的。需要得到和田地区植被覆盖变化趋势就需要长时期、多因子、景观格局的多尺度变化特征的研究。在该研究中发现气候变化是于旱区域绿洲变化的指示器其最主要影响是气温，随着全球变暖和田地区的气温呈缓慢曲线上升趋势，气温的波动变化进而影响降水量和蒸发量的波动性变化，决定着绿洲斑块面积大小状况。

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