近10 a阿克苏流域植被覆盖时空演变特征及影响因素

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(1.塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 843000; 2.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉 430079)

近10 a阿克苏流域植被覆盖时空演变特征及影响因素

王志成1，刘新华1，贾付生2，聂艳2

(1.塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 843000; 2.华中师范大学 地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，武汉 430079)

植被覆盖度是指示地表植被分布及生态环境变化的重要指标。为深入了解阿克苏流域植被覆盖度的时空演变特征及驱动机理，基于Landsat TM和高分1号遥感影像，采用NDVI像元二分模型和差值运算方法,对阿克苏流域2005—2015年的植被覆盖动态变化进行了监测分析及评价。结果表明:近10 a来阿克苏流域植被覆盖整体呈良性发展趋势，8月份植被覆盖最丰富，植被覆盖度空间分布不均，差异较大；影响阿克苏流域植被覆盖的主要因素有降水、气象灾害、土地利用以及生态工程。阿克苏流域植被覆盖的时空演变研究结果能够为流域未来生态空间重构等提供重要的参考借鉴。

阿克苏流域；植被覆盖度；NDVI；像元二分模型；生态环境；时空演变

1 研究背景

植被覆盖度是全球环境变化分析中重要的生物物理参数，是动态监测区域生态系统状况的最佳指示因子，因此近年来动态监测植被状况和植被覆盖一直是生态环境领域研究的热点之一，其估算主要通过地面测量和遥感监测获取。高空间分辨率卫星数据具有分辨率高、植物覆盖信息丰富等特点，为大范围、实时监测地表尤其是生态环境脆弱区的植被变化提供了可能[1]。基于植被覆盖监测的需要，自20世纪60年代以来国内外学者已经提出了数十种植被指数作为指示指标，遥感数据源也包含MODIS，NOAA/AVHRR，GIMMS，Landsat等;除了系统研究区域植被覆盖的时空变化规律外，部分研究还进一步分析了植被覆盖与气候、地下水、地形条件等之间的影响关系[2-4]。阿克苏流域地处塔里木盆地西北部，该区地势平坦，光热资源丰富，是新疆农业发展较早和比较重要的地区。受气候限制和周边沙漠的地缘影响，加上一些不合理的人类活动，阿克苏绿洲的生态环境一直以来都十分脆弱，植被覆盖度也相对较低。从现有研究来看，鲜有学者借助高分遥感影像动态监控阿克苏流域植被覆盖变化及主要的驱动因子。本研究基于未来阿克苏流域生态系统健康的维护和建设需要，借助Landsat TM和高分1号遥感影像，在获取研究区不同时相NDVI的基础上，系统分析了2005—2015年度和2014—2015年季度的植被覆盖演变规律，为阿克苏流域农业结构调整和生态空间重构提供参考依据。

2 数据来源及研究方法

2.1 研究区概况

阿克苏流域位于新疆维吾尔自治区西部、天山中段南麓、塔里木盆地北缘，地势由西北向南倾斜，地理位置处于40°N—41°58′N,78°47′E—82°43′E。该区属于典型的大陆干旱性气候，常年气候干燥，蒸发量大，降雨稀少，年日照时数达到2 750～3 029 h，是全国太阳辐射量最大的地区之一，光热资源十分丰富，加上无霜期长、昼夜温差大等特点，使阿克苏流域具有得天独厚的农业发展条件。阿克苏流域绿洲是新疆主要的灌溉绿洲农业区和重要的粮食、棉花和瓜果生产基地之一，也是新疆的主要水稻产区，素有“塞外江南”、“鱼米之乡”的美誉[5]。研究区内包括乌什县、温宿县、阿克苏市、阿拉尔市、柯坪县和阿瓦提县6个县市38个乡镇，北起协合拉渠首、南至三河平原区、西起苏巴什河、东至台兰河洪水沟。阿克苏流域的植被类型包括平原农区植被、低山植被、人工防护林和天然林等。其中，平原农区植被是阿克苏流域最主要的植被类型，以棉花、小麦、玉米等农作物和果树为主，其植被覆盖度变化具有明显的季节性；低山植被包括放牧草场和旱生的灌木灌丛，以及各种沙生、盐生等荒漠植被；人工防护林以柯柯牙绿化工程为代表，种植经济林和防护林；天然林则以生态胡杨、沙枣、新疆杨等为主[6]。

2.2 数据来源及处理

2.2.1 数据来源

根据研究需要，选取了覆盖研究区的2005年8月份、2010年8月份、2014年与2015年3月份、6月份、8月份、10月份、12月份的遥感影像。其中2005年8月份和2010年8月份的遥感数据来源于Landsat5卫星TM影像，空间分辨率为30 m；2014年与2015年的遥感数据来源于国产高分1号卫星WFV影像，空间分辨率为16 m。此外，研究中还采用了塔里木河流域阿克苏管理局提供的流域内降水、干旱、温度等气象统计资料和阿克苏流域边界矢量图形。

2.2.2 数据处理

应用ENVI 5.1软件对获取的原始遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、影像镶嵌等预处理，并使用研究区边界矢量图裁剪获得覆盖研究区的不同时相遥感影像。由于高分1号WFV影像与Landsat5 TM影像空间分辨率不同，为了便于实现研究区不同时期植被覆盖度的差值运算，对比分析植被覆盖度的时空演变规律，本研究借助ENVI 5.1软件的Resize data工具对2014年、2015年高分1号WFV16 m影像进行重采样，使其分辨率降低为30 m，与2005年、2010年TM影像分辨率一致。最后，在ENVI 5.1中通过Bandmath工具分别计算获取研究区各时相遥感影像的归一化植被指数NDVI值。

2.3 研究方法

2.3.1 基于像元二分模型的植被覆盖度计算

像元二分模型是植物遥感中最常用的一种线性像元分解模型，其原理是假设遥感影像所表达的像元信息S只由纯植被覆盖信息Sv和无植被覆盖的裸地信息Ss两部分组成[7-8]，若植被覆盖度为Fc，则上述关系可以表示为

S=SvFc+Ss(1-Fc) 。

(1)

由式(1)可得植被覆盖度Fc的计算公式，即

Fc=(S-Sv)/(Sv-Ss) 。

(2)

根据式(2)可以看出，Ss和Sv是计算植被覆盖度Fc的2个关键参数。而由于归一化植被指数NDVI也是一种由遥感传感器所接收的地物光谱信息，根据像元二分模型原理,一个像元的NDVI值可以表达为由纯绿色植被部分所贡献的信息NDVIveg,和由无植被覆盖(裸土)部分所贡献的信息NDVIsoil两部分组成,因此将NDVI值代入式(2)，得到基于NDVI的植被覆盖度计算公式,即

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(3)

根据像元二分原理，NDVIsoil和NDVIveg的理论值应分别为0和1。由于受研究区植被类型、地表粗糙度、土壤类型和颜色以及空间和时间变化等诸多因素的影响，NDVIsoil和NDVIveg均不是一个固定的值[9]，因此大多数研究通过利用一定的置信度确定置信区间内的最小值和最大值来代替[10-12]。在本研究中，根据查阅文献并结合研究区NDVI的实际分布，设置置信度为5，即统计各遥感影像NDVI值的累计概率分布表，取累计百分比为5%处对应的NDVI值作为NDVIsoil的值，取累计百分比为95%处的NDVI值作为NDVIveg的值，然后运用式(3)分别计算研究区各时相的植被覆盖度。

2.3.2 植被覆盖度分级与影像差值运算

在基于像元二分模型计算出研究区2005—2015年各时相植被覆盖度的基础上，为了方便分析研究区植被覆盖的空间和时间变化特征，需要对植被覆盖度进行分级。对于植被覆盖度的分级标准和分级阈值，不同学者的研究中也往往不尽相同[9，13]。本文中，结合研究需要和阿克苏流域植被覆盖状况的实际特点，将研究区植被覆盖度划分为6个等级(见表1)：①无植被覆盖区(Fc=0，即流域内为裸地、戈壁及水体的区域)；②低植被覆盖区(0

表1 阿克苏流域植被覆盖度等级划分Table 1 Classification of vegetation cover inAksu River Basin

为了直观比较研究区2005年、2010年、2015年3个时期植被覆盖度的时空变化情况，将生成的各期植被覆盖度分级图导入ArcGIS10.1软件，通过栅格差值运算工具，对不同时期植被覆盖度分级图进行影像差值运算，并根据研究区植被覆盖度实际变化情况及野外调查验证，将植被覆盖度差值(Fct)划分为严重退化、中度退化、轻微退化、基本不变、轻微改善、中等改善、明显改善7个等级(表2)，形成研究区植被覆盖度差值对比图。

表2 阿克苏流域2005—2015年植被覆盖度差值划分Table 2 Classification of vegetation cover change inAksu River Basin from 2005 to 2015

图1 阿克苏流域2015年植被覆盖度空间分布Fig.1 Spatial distribution of vegetation cover in Aksu River Basin in 2015

3 结果分析与讨论

3.1 阿克苏流域植被覆盖时空分布特征

在空间上，从流域上游的托什干河、库玛拉克河到中游的阿克苏河和下游的塔里木河，植被覆盖区沿河流呈明显的“Z”字条带状分布。覆盖等级以中植被覆盖和高植被覆盖为主，主要分布于乌什县东部、温宿县南部、阿瓦提县北部和阿克苏市等地区(如图1)，土地覆盖对应为耕地、高盖度草地、林地和密灌木地。此外，流域内3大水库，即上游水库、多浪水库、胜利水库周围植被覆盖度也较高，且连片分布，主要为优质耕地。但在阿拉尔市以北和阿瓦提县南部等地植被覆盖度明显较低，大多是无植被覆盖区和低植被覆盖区，土地覆盖类型以裸地、戈壁和荒漠植被为主。总体上看，研究区植被覆盖度空间分布差异较大，两极分化现象严重，这一现象的主要原因是研究区地处内陆，气候干旱，水资源是植被生长最主要的限制因子，尤其对于流域内面积最大的农区人工植被，生长期完全依靠灌溉，因此河流沿岸和水库周围地区成为研究区内植被覆盖度较高的地区。而远离河流、水库的区域天然水量供给不足，且周围沙漠、戈壁广布，导致原有天然植被逐渐减少，次生植被和人工植被无法生长，植被覆盖度较低。

在时间上，通过对比分析研究区2014年和2015年3月份、6月份、8月份、10月份、12月份的植被覆盖状况，发现研究区植被覆盖度季节变化明显，6—9月份整体植被覆盖度较高，8月份是植被量最丰富的时期，冬春季节，植被覆盖度整体较低。如表3所示,研究区2014年8月份的平均植被覆盖度为0.358，2015年8月份的平均植被覆盖度为0.416，均为年内覆盖度最高的月份。因为这段时期研究区辐射量丰富，温度高，热量充足，冰山融雪较多，水光热组合条件较好。无论是人工栽植的田间植被、果林(苹果、香梨、核桃、红枣等)，还是天然植被的草地、林地、灌木林地和其他落叶植被，在8月份正处于生长繁盛期。而在冬春季的12月份到次年3月份，研究区落叶植被大面积减少，农作物已经收获，植被覆盖度非常低。

表3 阿克苏流域2014—2015年各季度植被覆盖度统计结果Table 3 Statistics of seasonal vegetation cover inAksu River Basin from 2014 to 2015

3.2 阿克苏流域植被覆盖年际变化特征

由图2综合分析可以得出：2005—2015年近10 a来研究区地表植被覆盖整体呈改善状态，主要表现为绿洲边缘荒漠、裸地区域缩减，植被覆盖区域明显扩张，同时部分低植被覆盖和中低植被覆盖区域植被覆盖度出现中度或明显改善，研究区高植被覆盖和中高植被覆盖地区面积增加。过去10 a里研究区植被覆盖的面积和覆盖质量均出现了明显提升。

2005—2010年间，研究区整体植被覆盖面积有所增加，但平均植被覆盖度却由2005年的0.298下降到了0.230，即研究区整体植被覆盖质量出现了下降。从图2(a)可以看出，虽然乌什县、温宿县、阿瓦提灌区等部分地区植被覆盖呈中度改善和轻微改善的变化，但阿拉尔市东部以及绿洲中部和边缘部分区域却出现了植被覆盖度大范围的中度和严重退化，从而导致研究区整体植被覆盖水平小幅降低。

2015年研究区植被覆盖与2010年相比呈现较为明显的好转，如图2(b)所示，可以看出研究区内不仅植被覆盖范围显著扩大，大部分区域植被覆盖等级也表现为改善状态。其中温宿县城区北部、阿瓦提灌区、阿克苏市中部和阿拉尔市东部地区出现了中度改善和明显改善，而植被覆盖度退化的区域较小，分布零散，主要在绿洲边缘和各县市城区，以轻微退化和中度退化为主。总体来看，2010—2015年，研究区植被覆盖度改善幅度高于退化幅度，从而使得植被覆盖度出现整体提升，平均植被覆盖度由0.230上升到了0.416。

图2 阿克苏流域2005—2010年和2010—2015年的植被覆盖度动态变化Fig.2 Dynamic change of vegetation cover inAksu River Basin in 2005-2010 and 2010-2015

hm2

3.3 阿克苏流域植被覆盖变化的影响因素分析

3.3.1 气候因素

气候是生态类型和生态特征的主要塑造者，气候因素尤其是降水在干旱半干旱地区的生态形成和发展中起着至关重要的作用[14]。

通过对研究区2005—2015年气候数据分析，发现2005—2015年研究区全年的平均降水量为86.52 mm，降水量波动很大，尤其是在2009年和2010年，均低于平均值，而2015年研究区全年平均降水量则达到了88.1 mm。由此可见，研究区2010年植被覆盖下降和2015年植被覆盖明显好转与降水有很强的相关性，降水及其所导致的径流变化是绿洲植被生长状况的主要影响因子。此外，根据查阅的阿克苏统计年鉴数据，2010年研究区气候灾害频发，4—5月份存在阶段性持续低温，棉花、林果等主要农作物生育期明显推迟，加上夏季多冰雹、秋季多局地性暴雨，导致研究区全年热量条件较差，因此气候灾害也是引起研究区2010年植被覆盖出现退化的原因之一。

3.3.2 土地利用结构变化

近10 a来，随着社会经济和农业的快速发展，阿克苏流域土地利用结构也在不断发生变化[15-16]。从2005年、2010年和2015年遥感影像的土地利用解译成果(表4)可以看出，2005年以来，除了草地和水域面积小幅缩减，研究区耕地、园地、林地及建设用地面积均出现了不同程度的增加。作为研究区内最重要的植被覆盖类型，耕地、园地等农用地以及林地是高植被和中高植被覆盖的主要区域，其变化会直接影响到区内的整体植被覆盖状况。

利用解译的2015年和2010年研究区土地利用现状图与图2(b)进行叠加，进一步分析发现，研究区植被覆盖发生扩张和改善的区域与耕地和园地重合度较高，尤其是新增耕地区域，植被覆盖度变化幅度以明显改善为主；植被覆盖出现缩减和退化的区域多与建设用地和绿洲边缘的退化草场重合。综上可以看出，2005—2015年期间，研究区植被覆盖的时空动态变化与区内土地利用结构的改变有着直接关系。

3.3.3 生态工程建设

为了阻挡风沙侵袭，改善生态和生活环境，阿克苏流域自20世纪90年代起就开始了以“柯柯牙绿化工程”为主体的生态工程建设，截止到2010年，柯柯牙绿化工程已经完成4期累计超过1.2万hm2的生态绿化。从图2可以明显看出，近10 a来，这一工程极大地改善了阿克苏市东部地区和温宿县城北部地区的植被覆盖状况。同时，在此期间研究区积极推行生态胡杨湿地公园生态工程建设，整体效果十分显著，尤其是阿克苏河下游3河交汇处和沿塔里木河方向两岸地区，2005年以来植被覆盖度一直处于改善状态，在很大程度上阻挡和减缓了塔克拉玛干沙漠的进一步扩张。在干旱半干旱地区，生态工程建设是直接改变土地覆被类型、调节生态系统的有效方式，因此生态工程建设是阿克苏流域植被覆盖变化的主要因素之一。

4 结 论

(1) 阿克苏流域植被覆盖受干旱气候的限制，高植被覆盖区和中高植被覆盖区集中于河流两岸，整体空间分布差异较大，植被覆盖等级两极分化严重；流域内的植被覆盖季节变化明显，夏秋季植被覆盖状况较好，8月份整体植被覆盖度最高，而冬春季节植被覆盖状况较差。

(2) 在2005—2015年，近10 a来研究区植被覆盖度总体呈改善趋势，植被覆盖区范围扩张，覆盖质量提高，但在流域边缘、下游部分地区以及各县市城区周围植被覆盖存在由高植被覆盖度向低植被覆盖度转移的退化现象。

(3)阿克苏流域植被覆盖时空变化受降水、气候灾害、土地利用结构变化和生态工程建设的共同影响。

(4) 基于高分辨率遥感影像NDVI像元二分模型的植被覆盖度能够精确描述流域植被覆盖的空间分布信息，通过影像差值运算可以准确获取流域植被覆盖度的时空变化特征，是干旱半干旱地区监测植被变化信息一种行之有效的方法。

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(编辑：姜小兰)

Vegetation Cover in Aksu River Basin over the Past Decade:Spatio-temporal Variation and Impact Factors

WANG Zhi-cheng1，LIU Xin-hua1，JIA Fu-sheng2, NIE Yan2
(1.Aksu Management Bureau of Tarim River Basin, Aksu 843000, China; 2.Hubei Provincial Key Laboratory for Geographical Process Analysis and Simulation, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

Vegetation cover is an important indicator of vegetation distribution on land surface and ecological changes in the environment. In this article, the temporal and spatial changes of vegetation cover in Aksu River Basin from 2005 to 2015 are obtained based on the NDVI dimidiate pixel model, and then the main causes of NDVI changes are analyzed based on Landsat TM and GF-1 WFV remote sensing images. Results indicate that vegetation cover in Aksu River Basin has showed a healthy tendency over the past decade. Vegetation cover is the richest in August,and the spatial distribution of vegetation cover is uneven with significant differences. Precipitation, meteorological disasters, land use and ecological construction project are main factors affecting the vegetation cover in Aksu River Basin. The results provide important reference for future eco-space construction in Aksu River Basin.

Aksu River Basin; vegetation cover index; NDVI; dimidiate pixel model; ecological environment; spatio-temporal variation

2016-11-28

国家自然科学基金项目(41271534)；塔里木河流域阿克苏管理局资助项目(TGJAKS-SKS-2015-001)

王志成(1963-)，男，山东海阳人，高级工程师，主要从事水资源管理研究，(电话)0997-6310202(电子信箱)32798350@qq.com。

10.11988/ckyyb.20161248

2017,34(9):24-28,35

P964

：A

：1001-5485(2017)09-0024-05