西北干旱区玛纳斯河流域植被时空变化特征及其与地形因子的空间关系

2021-01-05覃金兰薛联青

生态环境学报 2020年11期

覃金兰，薛联青

河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098

植被是陆地生态系统的重要组成部分，植被在不同时空尺度上显著影响全球物质和能量流动以及碳平衡，人类活动、气候因素和二氧化碳水平对生态系统和植被结构有不同的影响。植被的动态变化也受到地理地形，特别是海拔高度的影响，研究植被的动态变化已成为全球气候变化的关键问题之一（高志海，2003）。为了更好地预测陆地生态系统功能，评估植被分布和动态变化对不同环境条件的响应已经变得越来越重要（蔡宏等，2014）。然而，这些努力受到空间和时间尺度上有限的植被资料的严重阻碍。遥感技术的迅速发展解决了这一难题，很好地揭示了归一化植被指数（NDVI）与植被生物量和动态变化之间存在一致的相关关系。因此，NDVI是全球生态研究中使用最广泛的植被指数（程红芳等，2008；张绪财，2019）。

由于干旱地区生态系统脆弱，是全球变化最敏感、最重要的地区之一，西北地区植被变化一直是人们关注的焦点（张号等，2015；张斯琦，2019）。中国西北干旱区对气候变化较为敏感，其植被分布存在明显的时空差异，学者们围绕西北地区植被覆盖变化的时空分布规律及其与气温降水的相关性做了大量的研究工作。轩俊伟等（2018）利用线性趋势、相关性分析等方法对新疆玛纳斯河流域NDVI时空变化格局和驱动因素进行了研究；潘黄儒等（2019）基于MODIS NDVI影像数据分析西北五省 2002—2012年之间的植被覆盖时空演变与动态变化规律。然而，对西北干旱地区植被变化速率及其地形因素的空间分析仍然缺乏（同琳静等，2019），很少有研究强调高程、坡度及坡向的影响对植被变化趋势的影响（刘尧文等，2016；代建军，2019）。植被覆盖不仅受温度和降雨自然因素的限制，地形因子（高程、坡度及坡向）对其的影响也不可忽视。本研究以2000—2018年NDVI数据为基础，结合高程数字模型DEM数据，利用GIS和RS技术并综合分布指数，研究玛纳斯河流域近19年来植被覆盖的时空变化特征，分析其与地形因子的空间分布关系，旨在为流域植被生长及生态修复建设提供理论依据和科学基础。

1 研究区概况

新疆玛纳斯河流域位于中国西北部，面积3.4×104km2，处于 84°70′—86°67′E 和 43°07′—45°98′N 之间。流域内的水系由一系列间隙性小河组成，主要包括玛纳斯河及位于东边的塔西河、西边的巴音沟河、大小南沟河、金沟河、宁家河、沙湾河等。玛纳斯河流域地处干旱区内部，远离海洋，流域内干旱且少雨，年蒸发量大，荒漠面积广，属于典型的大陆性干旱气候区。玛纳斯流域是典型的耗散性内陆河，其源头海拔3900 m以上的山地带通常被冰雪覆盖，是玛纳斯河流域的主要水资源，玛纳斯河流域主要地理特征为南北向的山地-绿洲-沙漠系统。作为我国典型的生态脆弱区，地处天山北麓经济核心区，是新疆最大的绿洲农耕区，成为著名的棉花和粮食产地，近年来，绿洲扩张速度迅速，地表植被演变格局日益剧烈，受地形地貌，水文条件的影响，流域植被呈现出明显的垂直地带性特征，受地形因子影响显著。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本论文采用的是来自中国科学院资源环境科学数据中心的 2000—2018年 NDVI月合成产品MODND1D（http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx），该数据产品时间分辨率为1个月，空间分辨率为500 m，对影像采用国际通用的MVC（Maximum Value Composites）进行最大值合成，MVC方法是目前业务上使用的主要方法，这个方法减少了云和多气溶胶的像元的选择。DEM数据来源美国联邦地质调查局（http://edc.usgs.gov/products/elevation/gtopo30/hydro/index.html），分辨率为 90 m（曾超等，2011）。

2.2 植被覆盖的地形分异特征

图1 研究区的高程、坡度和坡向分布图Fig. 1 Distribution map of elevation，slope and aspect of the study area

根据DEM数据提取得到该流域地形因子（高程、坡度、坡向）的专题图（王妍，2006；李晶晶，2019）（图1）。该流域海拔高度为244—5095 m，将流域海拔高度以500 m为间隔分为10个高程带：244—500，500—1000，1000—1500，1500—2000，2000—2500，2500—3000，3000—3500，3500—4000，4000—4500，4500—5095 m。流域坡度根据临界坡度分级标准（何丙辉，2003），将坡度分为 0°—5°，5°—8°，8°—15°，15°—25°，＞25°共 5个坡度带。将坡向以22.5°为间隔分为10个坡向带：−1°（平地），0°—22.5°，22.5°—67.5°，67.5°—112.5°，112.5°—157.5°，157.5°—202.5°，202.5°—247.5°，247.5°—292.5°，292.5°—337.5°，337.5°—360°。通常将 0°—22.5°（北坡），22.5°—67.5°（东北坡），337.5°—360°（北坡）称为阴坡；67.5°—112.5°（东坡），292.5°—337.5°（西北坡）称为半阴坡；将157.5°—247.5°（南坡）称为阳坡；将 112.5°—157.5°（东南坡），247.5°—292.5°（西坡）称为半阳坡。

将植被覆盖图分别与流域高程，坡度与坡向专题图进行叠加分析，统计高程，坡度及坡向不同分级上对应的植被覆盖变化速率的面积比以及 NDVI均值大小，生成折线条形直方图，解析植被覆盖变化速率随不同分级地形因子变化的规律（许翔驰，2019）。

2.3 分布指数

分布指数能够反映出NDVI在地形分级上的分布变化，从而揭示流域NDVI与高程、坡度及坡向3种地形因子组合的空间定量关系。为了消除地形因子面积的分布差异，描述NDVI在不同地形因子上的空间分布状况，研究引入分布指数（王毅等，2018），其公式为：

式中：Sie为第i种植被覆盖在第e种地形组合（海拔、坡度、坡向不同分级的组合）的面积，i分别为低中高植被覆盖，e∈(1，300)；Si为第i种植被覆盖的总面积，i分别为低中高植被覆盖；Se为全流域内第e种地形组合（海拔、坡度、坡向不同分级的组合）的总面积，e∈(1，300)；S为流域土地的总面积。当p=0时，表明在该地形上无植被覆盖；当p＜1时，表明某植被覆盖在某地形组合上的比例小于某植被覆盖在全流域上该地形组合总面积的比重；当p＞1时，表明某植被覆盖在某地形组合上的比例大于某植被覆盖在全流域上该地形组合总面积的比重，说明该地形组合是植被覆盖空间分布的优势地形，优势地形就是在该地形上植被生长状况更好。该数值越大，优势程度越显著。即使该数值不大于 1，我们也可以通过控制两个地形因子相同去比较某植被覆盖在另一个地形因子上哪一种生长情况相对更优。

3 结果与分析

3.1 玛纳斯河流域生长季NDVI时空变化特征

3.1.1 NDVI时间变化

图2 研究区2000—2018年生长季NDVI年内变化Fig. 2 Internal variation of NDVI in 2000-2018 growing season in the study area

玛纳斯河流域 2000—2018年生长季各个月份的植被覆盖变化如图2所示，植被覆盖从4月开始呈现显著增加趋势，在7月达到峰值0.381，此后植被缓慢生长。通过趋势线可以看出在时间序列上，年内生长季NDVI值呈现二次方程抛物线趋势，先上升后下降，拟合程度较高，R2为0.930。

为了解研究区生长季NDVI在时间序列中的年际变化特点，提取 2000—2018年每年生长季的年均NDVI值，代表当年生长季植被覆盖状况（图3）。玛纳斯河流域近 19年来生长季植被覆盖呈上升趋势，其中8月增长趋势最明显，可以看出流域植被覆盖在年际变化上8月的趋势和生长季趋势大致一样。在2001—2002、2009—2010、2015—2016年生长季的NDVI均值呈显著增加趋势，在2001年出现NDVI最小值（0.224）。

图3 研究区2000—2018年生长季和8月NDVI年际变化Fig. 3 The interannual variation of NDVI in the 2000-2018 growing season and August in the study area

3.1.2 NDVI空间变化

图4 2000—2018年研究区植被覆盖空间分布Fig. 4 Spatial distribution of vegetation cover in the study area from 2000 to 2018

空间尺度上，将玛纳斯河流域NDVI分为4个等级，NDVI＜0.1 为无植被覆盖，0.1≤NDVI＜0.4 为低植被覆盖，0.4≤NDVI＜0.6为中植被覆盖，NDVI≥0.6为高植被覆盖（余玉洋，2018）。从图4可直观看出玛纳斯河流域年均NDVI值在空间分布上大多在0.1—0.4范围内，低植被覆盖占总面积的62.74%，其分布范围较广，主要集中在下游的荒漠区及流域上游的林草混合带，部分穿插在中游人工绿洲区；中植被覆盖区主要分布在山前平原带和流域中部，占总面积的21.83%；高植被覆盖区所占面积比例较小，主要在靠近上游中植被覆盖区域的周围零星分布，占总面积的1.53%；无植被覆盖区主要分布在最北部和最南部，主要是水域，高山冰雪区和沙漠。

3.1.3 植被演变趋势分析

依据NDVI实际情况，将β＞0视为上升趋势，β＜0视为下降趋势，根据显著性结果分析又分别得到轻微改善，轻微退化，显著改善，显著退化这 4种植被速率变化程度，不同植被变化率所占的面积百分比见表1。基于Sen+Mann-Kendall方法，像元尺度的NDVI趋势变化及趋势显著性分析结果如图5所示。

玛纳斯河流域在 2000—2018年间植被覆盖变化趋势在空间上呈现空间异质性。根据2000—2018年变化趋势空间分布图可得，植被覆盖在流域大部分区域变化斜率为正数，说明整体上植被覆盖呈现不同程度的上升，占研究区总面积的83.83%。植被在流域低山区及绿洲与沙漠交界处轻微改善，占总面积的42.95%；植被显著改善部位主要在中部平原地带，占总面积的40.88%。轻微退化和显著退化区域所占的面积极少，二者共占总面积的16.17%，主要分布在上游高山冰雪区及下游荒漠区。

表1 不同植被覆盖变化速率所占的面积百分比Table 1 The percentage of area covered by different rates of vegetation cover

图5 2000—2018年研究区植被覆盖趋势空间演变及显著性结果Fig. 5 Spatial evolution and significant results of vegetation cover trend in the study area from 2000 to 2018

3.2 NDVI空间分布特征

3.2.1 地形分布特征

对3个地形因子进行空间分析，先将该流域各地形因子进行重分类并分级，再统计其分布情况，结果如表2所示（熊巧利等，2019）。综合地形专题图及统计结果来看，流域的地形因子有以下特征和规律：

（1）玛纳斯河流域最高海拔为5095 m，最低海拔为244 m，由南向北海拔逐渐降低。流域属于山盆系统格局，分为上游山区（高山带、中山带、低山带）、下游平原区（山前倾斜平原带、冲洪积平原带）以及荒漠区三部分，山区位于海拔大于1000 m的区域，平原区和荒漠区位于海拔低于 1000 m的区域，海拔处于 244—500 m的地区所占面积最大，其面积在流域占比达60.9%，流域海拔高度绝大部分在 4000 m以下，其面积在流域占比高达89.8%，其中位于2000—2500 m的地区NDVI均值最大。

（2）整个流域坡度北缓南陡，下游平原区、北部的荒漠区及南部的大部分山前倾斜平原带位于坡度0°—5°的地区，绝大部分山地地区及极少部分山前倾斜平原带位于坡度大于5°的地区，坡度小于5°的地区面积占比最大，其面积在流域占比达77.5%，坡度大于25°的土地面积占比最小，其面积在流域占比达0.7%；各个坡度间的NDVI均值相差不大。

（3）玛纳斯流域阴坡及半阴坡在整个研究区上空间分布比较均匀，阳坡及半阳坡大部分集中在上游山区及下游荒漠区，中游平原灌区的坡向主要为阴坡及半阴坡，极少面积的平坡位于平原区以北的荒漠区的边界。各个坡向（除了平地）的面积大小有细微差别但分布接近相等，阴坡（北、东北）、半阴坡（东、西北）坡向面积占比较大，这是研究区地势南高北低的总体表现。各个坡向间的 NDVI均值相差不大。

3.2.2 NDVI随海拔高度变化的特征

如下图6可得，流域NDVI均值随海拔的升高呈先缓慢增加再缓慢下降后急剧下降的趋势，在海拔≤4000 m区域内，各高程带NDVI均值达0.264以上，在500—2000 m达到最大值0.383。变化率为显著退化和轻微退化的植被面积所占比例随海拔的增加先下降后升高，在海拔大于4000 m的地区植被几乎无退化趋势，显著退化的面积在2000—4000 m最大，占比0.43%，轻微退化的面积在＜500 m达到最大，面积占比为8.92%；变化率为显著改善和轻微改善的植被覆盖区面积均在 244—500 m达到最大值，面积占比分别为32.25%和19.54%。

图6 研究区不同高程NDVI变化分布及变化趋势面积百分比Fig. 6 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI at different elevations in the study area

表2 地形分布面积统计及各地形上的NDVI均值Table 2 Statistics of terrain distribution area and mean value of NDVI on each terrain

3.2.3 NDVI随坡度变化的特征

地形表面的倾斜程度表示为坡度，其为影响地表能量转换与物质流动的重要因素，在很大程度上能影响植被的分布态势。由（程圣东等，2011）的研究结论可得，地表坡度会在一定程度上影响着水热因素的分布。由图7可得，随着坡度的增大流域植被覆盖均值呈先增加后减小的趋势，在5°—8°均值达到最大值 0.303。植被覆盖 4种变化速率的面积百分比数值都是先减小后增加再减小，在＞35°的区域，植被变化速率基本没有显著退化和显著改善，轻微退化和轻微改善也只占很微小的比例；在5°—8°、8°—15°、15°—25°区域每种变化速率相差不大，各个变化速率对应的最大值都在＜5°区域出现，其中植被覆盖显著改善所占的面积比例是最大的，数值为36.7%；在坡度值＞35°上，4种变化速率几乎没有面积占比。

图7 研究区不同坡度NDVI变化分布及变化趋势面积百分比Fig. 7 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI of different slopes in the study area

3.2.4 NDVI随坡向变化的特征

每个栅格高程改变差值变化的方向称为坡向。不同的坡面朝向，各种物质能量存在着明显的差异，而这会影响植被分布（斯钧浪等，2009）。由图8可见，不同坡向上的植被覆盖差异不明显，植被覆盖均值在阴坡达到最大值 0.327，在阳坡达到最小值0.211。各个坡向上的植被覆盖均值数值大小表现为阴坡 (北、东北坡)＞半阴坡 (东、西北坡)＞平坡＞半阳坡 (东南、西坡)＞阳坡 (南、西南坡)。植被覆盖变化速率所占面积大小表现为阴坡 (北、东北坡)＞半阴坡 (东、西北坡)＞半阳坡 (东南、西坡)＞阳坡 (南、西南坡)＞平坡，不同坡向上，植被变化速率主要以显著改善和轻微改善为主要类型。

3.3 NDVI分布的优势地形

植被覆盖的分布指数如表3所示，其中的数值代表植被覆盖在某种地形组合下分布指数的大小，其中数值为0表示在某地形组合下无植被覆盖，数值为 N表示在某地形组合下不仅某植被覆盖不存在而且某地形组合也不存在。分布指数数值通过色阶显示出不同的颜色，在固定的海拔区间里，数值相似的属于同一个颜色，表明植被在这些地形上生长状况相似。红色越红代表该值越大，该地形植被生长优势更显著，绿色越深代表该值越小，该地形越不适合植被生长，黄色和橙色为过渡数值。

图8 研究区不同坡向NDVI变化分布及变化趋势面积百分比Fig. 8 Variation distribution and variation trend area percentage of NDVI in different slope direction in the study area

表3 研究区植被覆盖在地形组合上的分布指数Table 3 The distribution index of vegetation cover in the study area on topographic assemblage

总体而言，红色最大的区域集中在海拔 500—2000 m，该海拔区间除了坡向没有平地方向以及坡度大于 25°和阴坡的地形组合不存在以外，其他坡向和坡度的组合都存在，植被覆盖生长状况良好。已知海拔在500—2000 m情形下，低植被的最优地形为坡度0°—5°且坡向为阳坡，中植被覆盖的优势地形为坡度＞25°且坡向为阳坡或者半阳坡，分布指数在海拔500—2000 m，坡度15°—25°的阴坡方向上达到最大值30.899，即它为全流域上的最优优势地形。在固定高程分级后，针对低中高植被覆盖单独来说，坡度和坡向的25种地形组合中，在全流域范围内，低植被覆盖的最优优势地形为海拔2000—4000 m、坡度＞25°且坡向为阳坡；中植被覆盖的最优优势地形为海拔500—2000 m、坡度＞25°且坡向为阳坡或者半阳坡；高植被覆盖的最优优势地形为海拔500—2000 m、坡度15°—25°且坡向为阴坡。

在海拔244—500 m的区间上，坡度区间只在0°—5°的范围内，在这种特定地形因子的组合下，相对而言，低植被覆盖比中高等植被覆盖生长更有优势，其在阳坡和半阳坡的生长状况又比其在阴坡和半阴坡上更好一些，中植被覆盖的生长状况却是阴坡和半阴坡方向强于阳坡和半阳坡方向，在这个区域高植被覆盖甚少。在海拔500—2000 m的区间上，低植被覆盖在坡度0°—5°上生长状况相对更优，各个坡向的状况相差无几，这个坡度与各个坡向的组合地形皆为低植被的优势地形。中植被覆盖在坡度＞25°且坡向朝阳的方向上生长更好，对整个流域而言，中植被覆盖和高植被覆盖在该海拔区间的各地形因子组合中生长情况是相对最好的。在海拔2000—4000 m的区间上，低植被覆盖生长状况在各个坡度区间和坡向上都很好。在海拔＞4000 m的区间上，几乎无中植被覆盖和高植被覆盖生长，低植被也是全流域范围内生长状态最差的。

4 讨论

研究区生长季6—9月NDVI值相对较大，各类植被均处于生长旺盛阶段，这是因为夏季光照充足，降雨充沛，温度升高，冰雪消融，所以植被生长状况良好。总体上玛纳斯流域NDVI增加，这和西北地区近几年推进生态恢复有很大关联，但是生长季植被覆盖在部分年份（2001、2005、2010年）仍有轻微起伏，说明生态环境仍然易受到气候和人为活动的干扰（张诗羽等，2018；余东洋，2019）。中植被覆盖区主要分布在山前平原带和流域中部，这与中游平原依靠发达的农耕技术开发出了大片的人工绿洲区有关。随着海拔的增高，更靠近上游水源区，山区冰雪消融主要汇聚于此，热量和水分都适合植被生长，地表植被主要为生长茂密的草地和林地。植被显著改善部位主要在中部平原地带，这种增加得益于生态保护和耕地扩张，尤其是流域中部的人工绿洲区，最大 NDVI增加速率达到了0.0027/(10 a)。地形在0°—5°范围内，地势较平坦，人类活动频繁，城市化建设及人工绿洲等一系类活动导致该区域植被覆盖改善状况良好。

玛纳斯河流域是典型的西北干旱内陆流域，上游山地是流域的的水源涵养地、物种以及植被碳储量最丰富的地区，但是该区域生态环境相对脆弱，仍有一部分源区植被发生退化现象。山区植被退化的海拔区间为2500—4000 m，坡度为15°—25°且主要集中在阳坡，年均温度在0—2 ℃，高山区年均降雨量达400 mm以上，山地针叶林作为其优势群落，被过度砍伐从而造成资源枯竭和植被退化，已有 40%的针叶林被过采破坏，严重威胁了山区林地的自然再生产。中游平原的石河子市植被发生退化，随着人工绿洲急剧的扩大，修建水渠，转林地为耕地，破坏了原始景观生态，河岸原生树木所剩无几，水土流失严重，植被自身修复能力差。流域下游的玛纳斯湖逐渐干涸，其湖面面积逐年减小导致周围植被呈现显著退化。虽然植被退化的面积比例并未在流域内形成主导，但该问题依然不容忽视。

植被的生长和空间位置分配与地理环境密切相关，各地形因子对植被覆盖的影响是一个复杂的综合过程。高程和坡度是决定流域植被分布的主要因素，因为高程和坡度影响着水热分布（何云玲等，2018）。玛纳斯流域坡度在＞25°范围内，地势变得不再平坦，降雨不易储蓄且土壤养分和水分也容易流失，导致植被的适应性较为脆弱，既容易恢复原貌，也容易产生退化，这在日后的环境生态治理工作中需要着重注意（贺忠华等，2020）。对于优势地形来说，针对低中高植被覆盖，其对应的优势地形是不一样的，在日后的植被恢复当中，应该利用好优势地形进行生态修复。尽管将植被生长对地形因子的响应进行了研究，但对于NDVI趋势与高程、坡度、坡向之间的相关关系并没有得到有效的探讨，这对西北干旱区的生态环境的改良具有重要意义，在今后的工作中还需要进一步加强相关研究。