干旱区绿洲植被动态变化研究与分析

王 宏，范英霞

（1.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第一区域地质调查大队,新疆 乌鲁木齐 830013）

绿洲是西部干旱区特有的一种自然地理状态，其分布格局基本为山地—绿洲—荒漠。同时绿洲是维系干旱地区人民生存、活动与发展的基本场所，是干旱区人民赖以生存的基石，因此绿洲的稳定性是维系绿洲人民生活、生产的重要前提[1-3]。而绿洲植被是反映绿洲稳定性的重要指标之一，绿洲植被的覆盖状况及变化是绿洲生态环境脆弱程度的重要体现和表征[4-7]。本文选择受大陆性干旱气候和山盆相间地貌格局影响，发育典型干旱区绿洲的拜城盆地作为研究对象，运用RS、GPS、GIS技术，定量研究该典型绿洲生态植被的动态变化，从而分析绿洲生态植被的变化趋势及其影响因素，对今后如何保持绿洲自然植被生产力稳定提供一定的科学依据。

1 研究区概况

拜城盆地位于 80°44′～83°17′E、41°26′～42°20′N。该绿洲盆地地处新疆天山中段南麓地带，却勒塔格山北缘的山间盆地，渭干河上游，总的地势是呈四周高、中部低，海拔1 190～2 600 m。本区长年水系发育，源于山区并依靠冰雪融化供水。较大水系有木扎尔特河、喀普斯浪河、喀拉苏河、克孜勒河、台勒维丘克河等水系。本区属大陆性气候，具有沙漠、阶地及山间河谷的气候特征。夏、秋两季是多雨月份。冬季雪薄，仅山区常年积雪，年均气温7.9℃；年降水量120.6 mm，年蒸发量1 364.9 mm，年无霜期168 d。研究区地理位置见1。

图1 研究区地理位置示意图

2 数据源及方法

2.1 数据来源

根据研究需要，选取了遥感数据及相关地面资料，基本数据包括：①研究区2000-05-10月的ETM+15 m分辨率影像、2016-05-10高分一号8 m分辨率影像；②1∶10万地形图及其矢量化数据；③土地利用图；④研究区历年的气象、水文地质、土壤、人口、社会经济等统计资料；⑤野外考察资料和与GPS点相对应的实地景观照片数据库等。

2.2 数据处理[8]

首先对图像作几何精校正，在1∶10万地形图上选取控制点进行几何精校正。为使图像与地理底图精确叠合，控制点对应分布尽量均匀，中误差在1个像元内。利用RPC文件对高分1号多光谱影像进行正射校正之后，再与较低分辨率的多光谱图像进行配准，实现图像的纠正配准。利用图像处理软件的连接和分层交互显示功能，目视检查图像配准精度，主要特征位移小于1个像素即为合格。然后对不同空间分辨率的遥感图像进行数据融合，使处理后的遥感图像既具有较好的空间分辨率，又具有多光谱特征，从而达到图像增强的目的，最后进行数据镶嵌和数据拉伸。

2.3 研究方法

2.3.1 土地利用类型动态度

土地利用类型动态度是指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为[9]：

式中，Ua、Ub分别表示a时刻和b时刻土地利用的面积（km2）；T为a时刻到b时刻的研究时段长（年）；值表示增加，负值表示减少。

2.3.2 绿洲植被空间动态变化检测

波段运算是对两种或两种以上的图像波段进行算术运算或逻辑运算的方法[10]。通过波段运算的方法，对波段间对应像元以像元亮度值进行逐像元运算，可以发现两幅图象的差异，最终提取变化区域。

3 结果与分析

3.1 遥感影像信息提取

研究区绿洲区分布在山前新老洪、冲积扇平原上，地形平坦，植被紧缩于主河道两岸狭长的区域。绿洲植被主要依靠河流为水源，因此河流成为这一地区生态系统中最重要的一部分。荒漠区分布于盆地中部及周围地区，包括沙地、盐碱地、戈壁、沙砾石裸地。针对研究区的具体情况，按照《土地利用现状调查技术规程》的要求，结合遥感数据解译的具体分析情况确定研究区遥感数据分类系统如表1所示，对不同地物按照精度要求和遥感图像解译标志进行人机交互判读或监督分类，得到研究区分类结果图。

表1 研究区土地利用/覆盖分类系统

3.2 绿洲植被动态变化分析

3.2.1 研究区土地利用/覆被面积统计及分析

表2 2000～2016年研究区土地利用/土地覆被面积统计表

从统计数据表2可以看出，研究区耕地面积从2000年的1 360.33 km2增加到1 516.27 km2，面积增加了155.94 km2，年增加率为0.72%。耕地面积的增加直接反映了人类活动对绿洲的影响。在研究区内面积减少较为明显的是灌木林地和沼泽湿地。灌木林地面积减少了11.15 km2，沼泽湿地面积减少了14.89 km2。灌木林地和沼泽湿地在干旱区绿洲属于天然生长的植被，是指示干旱区生态环境的重要表征植被。这两种植被面积的减少表明拜城盆地天然生态环境质量有所下降。密林地在研究期内面积没有明显的变化，较为稳定。研究区水域面积整体有所减少，16 a间面积减少了12.82 km²。水资源量的下降是干旱区绿洲普遍面临的生态问题，因此合理利用水资源、减少水资源的污染和浪费也是干旱区绿洲亟待解决的问题。居民点及工矿用地的面积增加明显，说明拜城盆地近16 a来绿洲人口也有明显的增加。未利用地属于研究区的荒漠地带，近16 a间面积减少了153.80 km2。从统计表中发现，该绿洲盆地耕地和未利用地存在着此消彼长的状态。

3.2.2 研究区绿洲植被面积统计及分析

通过波段运算得到拜城盆地绿洲植被2000～2016年动态变化图，对研究区耕地、密林地、灌木林地及沼泽湿地动态变化面积进行统计（图2、表3）。

图2 研究区绿洲植被2000～2016年动态变化图

表3 研究区2000～2016年绿洲植被类型面积动态变化表

从表3和图2发现，调查区内耕地面积未发生变化的是1 100.29 km2，增加的面积是206.51 km2，减少的面积是50.23 km2，增加的面积大部分为新开垦的农田，主要分布在绿洲边缘及绿洲内的未利用地内，部分新增耕地分布在河流两边，主要在木扎尔特河中下游，原有的湿地变成耕地。减少的耕地主要分布在拜城县西北角，将县城边原有的耕地变成了工业园区。密林地面积未发生变化的面积为2.72 km2，增加的面积为3.99 km2，减少的面积为2.65 km2。密林地主要分布在耕地与湿地的交界处，多以杨树、榆树为主。灌木林多为红柳、梭梭、骆驼刺等，在遥感影像上呈棕褐色、浅绿色色彩。其面积未发生变化的为18.10 km2，增加的面积为5.36 km2，减少的面积为10.52 km2，减少的面积多于增加的面积。主要原因是受经济利益的驱使，在木扎尔特河中下游开垦耕地、乱开鱼塘，乱砍河滩灌木林致使灌木林地面积减少。在干旱、半干旱地区，由于水资源的短缺，湿地生态系统的服务功能尤为重要，它不但为鸟类和鱼类提供栖息地和食物、固定土壤有机质等，还能够调节区域气候、蓄水防洪、降解陆源污染物等。而且干旱区湿地在分布上呈明显的不连续性，面积相对不大，与荒漠机制有着密切的生态过程联系。湿地作为绿洲生态环境演变的重要标志之一，利用遥感技术及时准确地掌握和研究湿地资源的现状及动态变化过程，对于绿洲湿地的合理开发、保护和可持续发展有着重要的意义[11,12]。调查区内的湿地主要分布在木扎尔特河湿地保护区内和黑英山乡附近。黑英山乡所处的小片绿洲流经克其克果勒河、琼果勒河、博孜克日格河，这3条小河最后汇集流入克孜勒河。该乡地势较低，海拔在1 800 m以下，水资源丰富，该区地下水埋深大部分小于1 m，沼泽湿地发育，大小不等的湿地近20余处。近16 a来，整个调查区湿地面积有34.12 km2没有发生变化，面积增加了20.07 km2，减少了34.85 km2，湿地内多为芦苇、芨芨草等植被。从统计数据可以看出湿地面积呈下降的趋势，主要原因是近几年围湿造田，将湿地改造成鱼塘，使原有湿地萎缩，造成湿地面积以年1.34%的速率逐年下降，且减少面积主要分布在木扎尔特河中下游及喀普斯浪河下游与木扎尔特河交汇的地区。同时湿地植被破坏也较为严重，植物的多样性也在锐减。

4 结 语

1）耕地面积的增加直接反映了人类活动对绿洲的影响。2000～2016年拜城盆地耕地面积从1 360.33 km2增加到1 516.27 km2，面积增加了1 55.94 km2，年增加率为0.72%。增加的面积大部分为新开垦的农田，主要分布在绿洲边缘及绿洲内的未利用地内，部分新增耕地分布在河流两边，主要在木扎尔特河中下游，原有的湿地变成耕地。而减少的耕地主要分布在拜城县西北角，将县城边原有的耕地变成了工业园区。灌木林地和沼泽湿地在干旱区绿洲属于天然生长的植被，是指示干旱区生态环境的重要表征植被。这两种天然植被在研究的16 a间面积分布减少了11.15 km2和14.89 km2。密林地主要分布在耕地与湿地的交界处，多以杨树、榆树为主，在研究期内面积没有明显的变化，较为稳定。

2）研究区天然植被减少的主要原因是受经济利益的驱使，在木扎尔特河中下游开垦耕地、乱开鱼塘，乱砍河滩灌木林致使灌木林地面积减少。湿地面积的减少主要原因是近几年围湿造田，将湿地改造成鱼塘，使原有湿地萎缩，造成湿地面积以1.34%的速率逐年下降，且减少面积主要分布在木扎尔特河中下游及喀普斯浪河下游。建议应结合木扎尔特河流域不同区段的实际情况，因地制宜地采取不同的保护和恢复措施，保护和恢复木扎尔特河流域的天然植被资源，保持绿洲自然植被生产力的稳定性。