新疆植被覆盖度动态变化特征研究

2020-12-21蔡朝朝白涛谢岚李湘

农村经济与科技 2020年19期

关键词：新疆

蔡朝朝白涛谢岚李湘

[摘要]选用MODIS NDVI数据，运用像元二分模型提取植被覆盖度，采用均值、时间序列和线性回归等分析方法，对新疆2000-2015年植被覆盖动态变化特征进行研究，、结果显示，2000-2015年新疆总体植被覆盖度较低，南北疆植被覆盖差异较大;近16年新疆植被覆盖经历了“增加一减少一增加”的过程，但总体呈增长趋势，南疆植被改善明显，北疆部分地区植被有所退化。

[关键词]新疆;NDVI;植被覆盖度;像元二分模型

[中图分类号]Q948

[文献标识码]A

新疆位于我国西部干旱区，是全国生态系统的重要组成部分。研究表明新疆植被状况北疆优于南疆，西北优于东南;不同类型植被的覆盖度也存在着显著差异;近年来植被总体呈现增加趋势，但生长季存在明显阶段性;北疆平原地区、南疆平原地区和南疆山区的植被呈显著增长趋势，北疆山区的植被呈下降趋势，总体上植被改善面积大于退化面积。

本文基于新疆2000-2015年长时间序列NDVI数据，参考前人研究成果，选取适合新疆的生长季月份，构建NDVI时间序列数据集，采用像元二分模型提取植被覆蓋度、均值分析、时间序列分析、线性回归分析和差值分析等方法，探讨了研究时段内新疆植被覆盖空间分布及动态变化特征，以期为新疆的生态环境保护和可持续发展提供参考依据。

1材料和方法

1.1研究区概况和数据预处理

新疆位于亚欧大陆腹地，自然植被覆盖面积广、类型丰富，既是我国第三大草原区，又是西部干旱地区主要的天然林区;但由于特殊的地形地貌和干旱的气候条件，植被总体覆盖度较低，生态系统较脆弱。

研究所用NDVI数据来源于美国航空航天局地球观测组织提供的月合成NDVI数据集（https：//neo.sci.gsfc.nasa.gov），空间分辨率0.1°，时间序列为2000年1月至2015年12月。利用与NDVI数据统一后的新疆区域边界Shapefile矢量图对各期NDVI数据进行研究区域裁剪，提取新疆范围内2000-2015年的NDVI月数据。为了真实反应研究区植被覆盖在空间上的整体变化特征，在月合成最大值NDVI数据的基础上，采用平均值法计算年内生长季的NDVI均值，以代表当年的年均NDVI值。在完成数据的预处理后，利用2000-2015年的生长季年NDVI均值进一步开展植被覆盖度的研究工作。

1.2研究方法

NDVI与植被覆盖度有显著的正相关关系，像元二分模型是基于线性混合像元分解模型中简单实用的模型，因此将NDVI与像元二分模型结合反演植被覆盖度精度较高。研究根据像元二分模型原理，结合数据特点并参考已有研究，计算基于像元的植被覆盖度，通过统计得到2000-2015年平均植被覆盖度，从而分析研究区16a的植被覆盖空间特征。

植被覆盖度的值介于[0，1]之间，根据已有研究，并结合研究区植被覆盖实际情况，将研究区植被覆盖度分为5个等级：①覆盖度小于0.1为极低覆盖植被区（强度沙化土地、裸地等）;②覆盖度介于0.1到0.3之间为低覆盖植被区（零星植被、稀疏林地等）;③覆盖度介于0.3到0.5之间为中覆盖植被区（中等郁闭灌木林地、中产草地等）;④覆盖度介于0.5到0.8之间为中高覆盖植被区（灌木林地、中高产草地等）;⑤覆盖度大于0.8为高覆盖植被区（密灌木地、密林地、高产草地、耕地等）。

利用时间序列分析法将研究时段内新疆生长季植被覆盖度按时间排列，形成植被覆盖度动态变化轨迹，并通过曲线拟合和参数估计来建立回归模型。采用差值法量化各个年份间植被覆盖度的动态变化，用后一时期的植被覆盖度等级值减去前一时期的植被覆盖度等级值衡量植被变化。差值为负数表示植被有所退化;差值为0表示植被未变化;差值为正数表示植被有所改善。

2结果与分析

2.1新疆植被覆盖空间分布特征

研究得到新疆植被覆盖度特征图，再按照等级指标进行密度分割得到新疆植被覆盖等级空间格局（见图1），并对各等级植被面积进行统计。

新疆植被覆盖度特征分析统计结果表明，新疆植被覆盖度总体水平较低，极低覆盖植被区域占总面积的33.61%，低覆盖植被区占总面积的39.46%，中覆盖植被区占总面积的11.69%，中高覆盖植被区占总面积的9.76%，而高覆盖植被区仅占总面积的5.48%。同时，植被覆盖南北差异性较大，表现为北疆植被覆盖度明显优于南疆，西部和西北部植被覆盖度优于南部和东南部。

2.2新疆植被覆盖时间变化特征

图2是利用像元二分模型反演得到的2000-2015年新疆生长季植被覆盖度时间序列，由图2可以看出，2000-2015年新疆植被覆盖变化表现出明显的阶段性，经历了“先增加，再下降，又增加”的过程，2005年和2009年是明显的转折点，但总体上植被覆盖度以0.013·10 a-1变化率呈增长趋势。16年间新疆植被覆盖度的平均值为0.251，年平均值在0.235到0.271之间波动，最低和最高值分别出现在2001和2012年。

16年间中、中高、高覆盖植被区总体变化不大，这3种等级所覆盖的区域占全疆总面积的比例从2000年的25%增加到2015年的近30%，但期间也有波动;16年间极低、低覆盖植被区面积变化明显，极低覆盖植被区以0.05·10a-1速率下降，而低覆盖植被区以0.04·10a-1速率增加，2种等级覆盖面积相互转换，总面积略有减少（见图3）。

2.3新疆植被覆盖空间变化特征

利用植被覆盖度等级的差值量化2000-2015年新疆植被覆盖空间变化特征，揭示了新疆植被覆盖变化情况，并以2005年和2009年两个转折点对植被覆盖度变化的面积和比例变化进行统计（见图2和表1）。与时间变化特征一致，2000-2005年全疆植被覆盖以改善为主，18.81%的植被得到改善，1.72%的植被有所退化;2005-2009年植被生长状况趋于下降，有20.23%的植被有不同程度的退化;2009-2015年植被覆盖有所恢复，16.95%的植被增长显著，少数地区植被有所退化，植被覆盖状况总体呈改善趋势（见图4）。其中，中高、高覆盖植被区增加明显，除极低覆盖植被区外其他等级植被都有向其转移。同时，中覆盖植被区转移较为明显，有11.36%退化为低植被覆盖区，19.715%转移为中高、高植被覆盖区。

16年间全疆80.79%的地区植被覆盖没有发生明显变化，植被覆盖改善地区的面积明显大于降低地区的面积，说明新疆总体植被状况得到改善，呈现良好的发展趋势，尤其是南疆植被改善面积较大，而北疆部分地区植被有所退化。2000-2015年植被退化面积占新疆总面积的2.89%，并均为轻度退化。北疆植被退化区域主要集中在乌鲁木齐市至昌吉州以北、古尔班通古特沙漠腹地至乌伦古湖一带，以及乌鲁木齐市至奎屯天山北麓;南疆和田西南昆仑山区的植被有所退化。植被总体改善面积要比植被退化面积多出13.43%，其中大部分地区为轻度改善，只有0.27%为中度改善和0.02%为极度改善。2015年与2000年相比，北疆的古尔班通古特沙漠及周边荒漠戈壁植被有所退化，而南疆的塔克拉瑪干沙漠周边植被覆盖好转。

3结论

（1）新疆植被覆盖水平整体较低，2000-2015年的16年间植被覆盖度平均值为0.251，极低、低覆盖植被区占全疆总面积的七成。南北疆植被覆盖差异较大，表现为北疆植被覆盖优于南疆，高、中高覆盖植被区主要集中在北疆西部和西北部。

（2）2000-2015年新疆植被覆盖虽然总体上呈现增加趋势，但存在着明显的阶段变化，以2005年和2009年为转折点先后经历了“增加一减少一增加”的过程。16年间，2001年植被覆盖度最低，2012年植被覆盖度最高。中、中高、高覆盖植被区总体变化不大，低覆盖植被区面积有所增加，极低覆盖植被区面积呈逐年减少趋势。

（3）2000-2015年新疆植被覆盖总体以改善为主，植被恢复改善面积大于植被退化面积。但不同地区植被覆盖度等级表现出不同的变化特征，南疆植被状况改善明显，北疆荒漠和天山北麓部分植被有所退化。

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