2001年～2015年伊犁河谷草地植被覆盖度时空变化特征

闫俊杰， 黄 辉， 崔 东， 刘海军， 陈 晨

(1.伊犁师范学院 生物与地理科学学院， 新疆 伊宁 835000； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所， 乌鲁木齐 830001；3.中国科学院大学， 北京 100049； 4.伊犁哈萨克自治州气象局， 新疆 伊宁 835000)

2001年～2015年伊犁河谷草地植被覆盖度时空变化特征

闫俊杰1，2，3*， 黄 辉4， 崔 东1， 刘海军1， 陈 晨1

(1.伊犁师范学院 生物与地理科学学院， 新疆 伊宁 835000； 2.中国科学院新疆生态与地理研究所， 乌鲁木齐 830001；3.中国科学院大学， 北京 100049； 4.伊犁哈萨克自治州气象局， 新疆 伊宁 835000)

基于MODIS NDVI数据，利用像元二分模型反演植被覆盖度，结合DEM数据及差值分析方法对伊犁河谷2001年～2015年草地植被覆盖度的时空变化特征进行了研究.得出如下结论：1) 受持续畜牧超载及气候条件恶化影响，2001年～2015年伊犁河谷草地盖度持续降低，15 a内全区草地平均盖度降低11.09%， 90.04%草地的植被盖度出现不同程度的降低，但主要为降幅<0.10的轻度降低，1 000～2 250 m海拔范围平均降幅最大；2) 草地盖度变化主要表现在高覆盖草地持续减少，以及盖度降低草地的面积增大和降幅增高，并空间上逐步向高海拔区域延展.3) 得益于草地保护政策的实施，2010年～2015年植被盖度降低速度明显减慢，但其降低总趋势未有改变.

草地植被变化； 像元二分模型； MODIS NDVI； 伊犁河谷

植被是陆地生态的主体[1]，在维持区域及全球环境稳定与物质良性循环中扮演着重要角色[2-3]，陆地生态的动态变化必然会印证在植被的类型、数量或质量的改变上[4].植被覆盖度不仅可以表征植被的茂密程度，而且还代表了植物进行光合作用面积的大小[1]，是表征陆地植被动态与质量变化的重要参数[1，5]，获取地表植被覆盖及其变化信息，了解其对气候环境变化及人类活动的响应和反馈作用，对陆地生态保护、恢复与重建具有重要指导意义.

遥感技术是目前区域植被覆盖度提取的主要手段[6-7]，利用不同时间序列遥感数据，国内外学者对区域乃至全球的植被变化进行了广泛研究.Myneni的研究表明，北半球中高纬度地区受气候变暖影响植被活动显著增强[8]，方精云及李飞等人的研究也证明近20～30 a我国的植被活动也在增强[9-10].新疆位于我国西北干旱半干旱区，生态环境脆弱[11]，且对气候变化和人类活动反应敏感[12]，其植被动态历来被国内学者所关注，研究普遍认为新疆植被覆盖呈增加趋势[13].但新疆地形复杂，山地与盆地相间分布，发育有众多以山地-荒漠-绿洲系统为基本单元的地理景观，系统中山地、荒漠及绿洲子系统生态结构迥异，所受外界干扰也差异明显，其中绿洲植被以农作物为主，外界干扰主要来源于人类活动[14]，而荒漠和山地植被以林灌草为主，同时受到气候变化、冰川退缩、土地开垦、畜牧超载以及退耕还草(林)、围栏禁牧、生态补水等诸多自然和人为干扰影响[15-17]，植被响应区域差异显著[13].

伊犁河谷位于新疆西北，其东、北和南三面环山，西临国界线，构成一个相对封闭的独立地理单元.河谷内降水丰沛，草地植被发育，是河谷内的优势植被类型，且同时受自然和人为的多重复杂干扰影响[18-20]，是新疆天然植被的典型代表，然则，目前对其时空动态的研究鲜有报道，基于此，本文以伊犁河谷为研究区，利用2001年～2015年MODIS NDVI时间序列遥感数据，反演草地植被覆盖度，以草地植被覆盖度为评价指标，研究伊犁河谷草地植被动态特征及其空间分异，探讨其影响因素，以期为揭示新疆植被动态及其对外界干扰的响应提供参考.

1 研究区概况

伊犁河谷位于80°09′42″～84°56′50″E，42°14′16″～44°53′30″N 之间，地处欧亚大陆中心，地形复杂，河流纵横(图1)，受地形影响，河谷内降水丰沛，被称为西域湿岛.伊犁河谷气候类型属于温带大陆性气候，但高山气候特征明显[21]，平原与山区气候差异显著[22]，从平原到山区降水变幅达200～1 000 mm，气温变幅为9.2～2.8℃[21].复杂的地形以及水热条件的空间差异为植被多样性发育提供了有利条件，河谷内发育有荒漠、草原、草甸、森林和隐域植被五大植被类型，草甸植被发育良好，是新疆优质草场.然则，随着伊犁河谷经济的发展和人口的增加，人类活动对草地生态的干扰也不断增强，由此引发多种草地退化问题，主要表现在草地面积减小[22-23]、生产力降低及毒害草蔓延[24]等方面.

图1 研究区示意图Fig.1 Location of the study area

2 材料与方法

2.1 数据来源及预处理

本文用到的NDVI数据为MODIS MOD13Q1产品，空间分辨率为250 m，时间序列为2001年1月～2015年12月.DEM数据为美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合分布的SRTM数据，其空间分辨率为90 m.气象数据来自中国气象局气象数据中心，包括伊宁、昭苏和尼勒克3个国家气象站气温和降水的月合成数据.牲畜存栏数据来自《伊犁哈萨克自治州统计年鉴》和《新疆维吾尔自治区统计年鉴》.草地分布数据通过对研究区2015年6～9月Landsat 8 OLI影像解译获得，以2015年草地分布界线来界定研究范围，以规避草地转变为非草地后植被盖度变化对统计结果的影响.

对获得的遥感数据除进行了数据格式转换、镶嵌、投影转换及研究区提取等预处理处理外，为降低噪音信息对数据影响，还对NDVI数据进行了Savitzky-Golay滤波和MVC合成处理，获得代表植被生长最好状况的年NDVI数据.最后为保证多源遥感数据的匹配，将NDVI、DEM及草地分布栅格数据像元重采样为50 m×50 m.对牲畜存栏数据中的山羊、驴、牛和马数量分别按0.8、3、5和6的比例进行了折算，转换为标准绵羊单位.

2.2 研究方法

2.2.1 植被盖度反演与等级划分 像元二分模型是目前植被覆盖度反演的有效方法[26]，其计算公式如下：

(1)

式中，Fc为植被覆盖度，NDVIsoil为研究区纯裸土像元NDVI值，NDVIveg为纯植被像元NDVI值[26].参考前人经验，分别取研究区NDVI图像直方图的5%处和95%处NDVI值代表NDVIsoil值和NDVIveg值[26-27].为与百分数区分，本文中覆盖度值采用两位小数表示.

为削弱单个年份植被生长随机波动对草地动态分析的影响，本文将2001年～2015年的草地覆盖度时间序列数据分为2001年～2005年、2006年～2010年及2011年～2015年3个时间段，计算其平均值，以平均值代表各个时段植被覆盖水平，之后将各时段的草地按盖度分为低覆盖(<0.20)、中低覆盖(0.20～0.40)、中覆盖(0.40～0.60)、中高覆盖(0.60～0.80)和高覆盖(>0.80)5个盖度等级.

2.2.2 差值分析 为分析伊犁河谷草地植被覆盖度的时空变化，分别以2001年～2005年时段及2006年～2010年时段植被覆盖度为基准进行差值计算，获得2001年～2010年、2006年～2015年及2001年～2015年3个时期草地植被覆盖度的变化数据，对其划级和统计，分析其时空变化.详细等级划分及标准见表1.

表1 植被覆盖度变化等级、标准及代码

3 结果与分析

3.1 草地植被盖度的整体特征及其变化

借助于IDL8.5开发平台及Arcmap10.3分析软件，根据植被覆盖度反演方法及分级标准，制作了伊犁河谷3个时段及2001年～2015年15 a植被平均盖度空间分布图(图2)，统计计算各等级面积和比例(表2，表3).

图2 2001年～2015年3个时段草地植被盖度等级图Fig.2 Grades of grassland coverage in the three periods from 2001 to 2015

根据15 a的平均数据，伊犁河谷草地覆盖等级以高覆盖和中覆盖为主，两者的比例分别为43.32%和27.27%(表2).全区草地平均植被盖度为0.69(表3)，属于中高度覆盖水平.在空间上，受降水分布影响，河谷内中高和高覆盖草地总体分布在河谷北部、东部、西部以及河谷中部山脉的中山和高山地带，而中、中低和低覆盖草地则总体分布在喀什河、特克斯河和巩乃斯河下游以及伊犁河河谷两侧的河谷平原和低山区(图1，图2).

表2 不同盖度等级草地面积和比例统计表

2001年～2005年、2006年～2010年及2011年～2015年3个时段，伊犁河谷全区草地平均盖度分别为0.73、0.68及0.65，植被盖度逐步降低，15 a内共降低11.09%(表3).根据表2中统计结果，各等级类型中，高覆盖草地减少最多，面积由161.43 ×104hm2逐步减少到了109.27 ×104hm2，减少52.16×104hm2，减少比例达32.31%；中高覆盖草地则由72.07 ×104hm2增加到了98.48×104hm2，增加26.41 ×104hm2，增加比例为26.41%；低覆盖草地面积增加10.36 ×104hm2，但增加比例高达80.69%，中和中低覆盖草地面积分别增加6.33 ×104hm2和9.06 ×104hm2，增加了22.49%和23.91%.可见，近15 a年来伊犁河谷草地覆盖呈现以高覆盖草地面积减少及中高、中、中低和低覆盖草地面积增加为主的退化趋势，草地覆盖逐步向低覆盖等级转换.在空间上，河谷北部的科古琴山、阿吾拉勒山西端及昭苏盆地周围是高覆盖向中覆盖转换的集中区，而喀什河中游、特克斯河下游及伊犁河河谷两侧则是中覆盖向中低覆盖及中低覆盖向低覆盖转换的集中区.

表3 草地植被覆盖度均值及变化

3.2 草地植被盖度空间变化

图3为伊犁河谷2001年～2015年内3个时期草地植被盖度差值空间分布图，从图中可以看出，伊犁河谷草地植被盖度降低区域占据了绝对比例.根据统计结果(表4)，2001年～2010年时期，植被盖度降低区域面积占到草地总面积的82.71%，2001年～2015年时期植被盖度降低区比例增加到了90.04%，几乎覆盖了伊犁河谷整个草地分布区，植被盖度进一步降低.对比2001年～2010年及2006年～2015年两个时期，植被盖度未变化和增加的区域明显增多，其比例也由17.29%增加到了30.69%，表明在2010年～2015年时段，草地植被盖度减低的速度有所放缓，然则就图3中2001年～2015年的差值图来看，植被盖度持续降低的趋势并没有改变.

对于植被盖度变化的不同等级，盖度降幅<0.10的轻度降低的比例和分布区域最大(图3，表4),但降幅在0.10～0.30之间的中度减低的比例和范围却逐步增大，其比例由12.83%增加到了33.26%，增加了20.43%，增加将近1倍，其主体分布区域也由伊犁河北侧的山前丘陵区扩展到了特克斯河、喀什下游及巩乃斯河下游主要河流谷底两侧的平原、丘陵及低山区；未变化和增加区域的范围和比例虽然在2006年～2015年时期有大幅提高，但对2001年～2015年整个时期来讲，其比例却分别由10.05%和7.24%减少到了4.97%和4.99%，空间上也仅有零星分布.可见伊犁河谷草地植被盖度降低不仅分布区范围扩大，而且降低幅度也逐步增高.

图3 草地植被覆盖度差值空间分布图Fig.3 Spatial difference distribution of grassland vegetation coverage

等级2001年～2010年2006年～2015年2001年～2015年面积/(104hm2)比例/%面积/(104hm2)比例/%面积/(104hm2)比例/%重度降低007002007002056018中度降低400812831981634103883326轻度降低218206985196646295176805660未变化31401005455114571554497增加2263724503416121560499

3.3 草地植被盖度变化的海拔分异

伊犁河谷地形与海拔控制着降水和气温的分布，进而决定其植被分布呈现明显的垂直地域分异规律[28]，因次，有必要探讨草地植被覆盖度变化的海拔分异.借助IDL8.5开发平台，按50 m高差对伊犁河谷高程进行划带，计算各高程带内草地植被覆盖度差值的平均值，分析草地植被覆盖度变化随海拔变化规律(图4).

图4为3个时期草地植被盖度变化随海拔的变化曲线，从图中可以看出3条曲线的绝大部分位于植被盖度差值的0刻度线以下，尤其是2001年～2010年和2001年～2015年的曲线，表明绝大部分海拔带内的草地覆盖度变化以降低为主，与上述分析结果一致.同时还可以看出，3条曲线表现出一致的变化规律，先是在低海拔区迅速下降，之后逐步上升，可见随海拔高度的提升，草地盖度变化逐步在减小.

对3条曲线进行对比分析，2006年～2015年时期草地盖度降低幅度最小，该时期1 250～2 500 m海拔带内草地盖度降幅达最大，降幅度在0.04左右，草地盖度增高区域则主要分布在500～1 000 m的海拔内；2001年～2010年时期，750～1 000 m海拔带草地盖度降低幅度最大，海拔跨度很窄的，降幅在0.08～0.10之间，该时期大部分海拔区草地盖度的降低幅度位于0.03～0.06之间，3 000 m以上的高海拔区草地盖度降低幅度在0.02左右；2001年～2015年时期的曲线是2001年～2010年时期及2006年～2015年时期的累积，该时段1 000～3 750 m的海拔范围内曲线远低于前两个时期，表明植被盖度降低幅度大幅增大.此外降低幅度大于0.04的分布区扩展到了3 750 m左右的高海拔区，盖度降幅接近0.10的分布区域也扩展到了2 000 m 的海拔高度.上述分析表明，随时间的推移，伊犁河谷不仅各海拔的草地盖度的降低幅度逐步增加，而且降低幅度较高的草地的分布范围也逐步向高海拔区域延展.

图4 植被覆盖度差值随海拔高度变化曲线Fig.4 Plots of variation on grassland vegetation coverage along with the increase of altitude

3.4 影响因素

水热条件的年际变化是影响植被动态的重要因素.伊犁河谷平原与山地水热条件分异显著，植物生长的胁迫条件迥异.低海拔的平原区高温、干旱，水分是植物生长的主要限制因子，而高山区则正好相反.从图5中伊犁河谷气温和降水的变化曲线来看，相对于2001年～2005年时段，2006年～2010年时段气温升高而降水减少，河谷低海拔区草地植被生长水热胁迫加剧，在一定程度上成为河谷低海拔区草地盖度降低的重要原因；2010年～2015年时段降水进一步减少而温度也有所降低，水热条件进一步恶化，致使盖度降低面积进一步扩大；相对于2006年～2010年时段，2010年～2015年温度降低且降水减少，植被生长条件恶化，但该时期内草地植被盖度却大幅提高，可以推断人为因素的介入为草地植被的恢复提供了有利条件.

图5 2001年～2015年伊犁河谷气温和降水变化曲线图Fig.5 Variation curve of temperature and precipitation in Yili valley from 2001 to 2015

上述分析可见，不仅水热条件的恶化促使了伊犁河谷草地植被盖度的持续降低，人为因素也是其发生变化的重要原因.在草地退化的诸多人为影响的因素中畜牧超载的危害最为严重.据统计，2001年～2015年伊犁河谷牲畜存栏量由1 146.89 ×104个绵羊单位逐步增加到了1 369.77 ×104个，15 a内增加19.43%，草地畜牧承载在原有超载的状态下继续增加，成为导致伊犁河谷草地高低持续降低的主要原因.此外，自2011年起，国家在新疆等8个省(区)实施草原生态保护补助奖励的保护措施[29]，为草地植被恢复提供了有利条件，正是得益于此项政策的实施，2006年～2015年间伊犁河谷在水热条件恶化的情况下，草地植被盖度才有可能不降而增，而草地植被盖度降低的速度也才得以有所减缓.

4 结论

本文基于MODIS NDVI数据，利用像元二分模型反演植被覆盖度，对伊犁河谷2001年～2015年草地植被覆盖度的时空变化特征进行了研究.得出如下结论.

1) 2001年～2015年的15a内，伊犁河谷草地平均盖度由0.73减低到了0.65，降低11.09%，呈现以高覆盖草地面积减少及中高、中、中低和低覆盖草地面积增加为主的退化趋势，草地覆盖逐步向低覆盖等级转化.

2) 2001年～2015年伊犁河谷90.04%的草地的植被盖度发生不同程度降低，主要为植被盖度降幅<0.10的轻度降低，但降幅为0.10～0.30的中度降低的比例和范围却逐步增大，盖度降低区域面积增大，降幅增高.

3) 空间上草地植被盖度降幅随海拔升高而逐步降低，但各海拔的降幅随时间逐步增加，高降幅的分布范围逐步向高海拔区域延展，1 000～2 250 m海拔范围平均降幅最大.

4) 2010年～2015年盖度未变化或增加的草地分布范围和比例均大幅提高，虽然草地盖度降低趋势未有改变，但降低速度明显下降.

5) 长期畜牧超载及不断恶化的气候条件均为致使伊犁河谷草地盖度持续降低的重要原因，草地保护政策的实施为草地恢复提供了有利条件，减缓了草地植被盖度降低速度.

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SpatiotemporaldynamicsofgrasslandfractionalcoverageinYiliValleyofXinjiangfrom2001to2015

YAN Junjie1，2，3， HUANG Hui4， CUI Dong1， LIU Haijun1， CHEN Chen1

(1.College of Biology and Geography, Yili Normal University， Yining， Xinjiang 835000, China; 2.Xinjiang Institute of Ecology and Geography， CAS， Urumqi 830011, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049, China； 4.Yili Meteorological Bureau， Yining， Xinjiang 835000, China)

Based on data of MODIS NDVI and DEM， the fractional coverage of the grassland in Yili Valley of Xinjiangby was extracted using dimidiate pixel model， and its spatiotemporal variations during the 2001-2015 period were investigated. Results showed: 1) affected by persistent livestock overload and worsening of climatic conditions， grassland coverage in Yili Valley continued to decrease in 2001-2015， and the average coverage in the whole area decreased by 11.09% in 15 years. The percent of grassland with reduced coverage mounted to 90.04% while mainly slight decrease with the amplitude less than 0.10. Fractional coverage of grassland located among 1 000-2 250 m in altitude decreased the most on average. 2) The decrease of grassland coverage mainly manifested in the continuous decrease of the high coverage grassland area， and increase in the area as well as descending amplitude of grassland with reduced coverage which is also expanding towards high altitudes. 3) Benefiting from the implementation of grassland conservation policies， decrease rate of vegetation coverage of grassland in Yili Valley slowed down significantly during the period of 2010-2015， though the general downward trend did not change．

variation of grassland vegetation； dimidiate pixel model； MODIS NDVI； Yili Valley

2017-05-23.

伊犁师范学院校级科研项目资助(2017ysyy05).

*通讯联系人. E-mail: yan3550@sina.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.022

1000-1190(2017)06-0865-08

Q948.15

A