近30 年莫索湾垦区150团植被覆盖度时空变化及现状评价

尚白军，朱家龙，周智彬，宋春武，吴书普

(1. 中国科学院 新疆生态与地理研究所，国家荒漠-绿洲生态建设工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院 新疆生态与地理研究所 莫索湾沙漠研究站，新疆 石河子 832000；3. 中国科学院 新疆生态与地理研究所 塔克拉玛干沙漠研究站，新疆 库尔勒 841000；4. 中国科学院大学，北京 100049)

沙漠-绿洲过渡带是绿洲与沙漠生态系统的接壤地带，其生态环境脆弱、不稳定[1]，是二者物质循环、能量流动的中间地带[2-3]. 防护林网作为干旱区重要的防护屏障[4]，其防风固沙、改善农田微气候、涵养水源的功能对干旱区绿洲生态安全、经济发展有着重要作用[5]. 植被指数常作为植被生长状况的最佳指示因子[6]，基于植被指数计算出来的植被覆盖度则是评判干旱半干旱地区荒漠化的重要指标[7-8]，也是很多陆面过程的控制因子[9]，是描述生态环境变化趋势的基础数据[10]. 计算植被覆盖度的方法有很多，如决策树[11]、人工神经网络[12]等，像元二分模型被认为是最简单的线性光谱混合分析模型[13]. 肖强等[14]用像元二分模型研究了黄土高原2000—2010年植被覆盖度的动态变化，得出黄土高原植被覆盖度呈现由东南向西北递减的趋势；张永等[15]用像元二分模型研究了石羊河中游生长季植被覆盖度与气候的关系，得出生长季植被覆盖度的变化与同期降水量关系密切；郭紫晨等[16]用像元二分模型研究了毛乌素沙区2000—2015年植被覆盖度的变化趋势，得出毛乌素沙区植被覆盖度呈增加趋势. 已有的研究大多用MODIS数据，数据分辨率较低，在林斑较小的区域并不能准确反映植被覆盖度的变化，并且研究的时间序列大多在20 a以内，未能探究植被长时间序列的动态变化. 此外，已有关于植被覆盖度的研究，在使用像元二分模型时，并未考虑研究区土地利用类型对植被覆盖度的影响. 不同土地利用类型归一化植被指数（NDVI）的最大值和最小值有明显差异，用整个研究区NDVI的最大值和最小值区代替不同土地利用类型时，计算出的植被覆盖度存在很大偏差，因此也不能准确地反映出研究区植被覆盖度的变化趋势.

莫索湾垦区150团深入沙漠腹地，生态环境脆弱，防护林的建设与保护对团场生态安全至关重要. 良好的生态环境是团场进行农业生产、经济发展的基础. 本文利用研究区土地利用类型做掩膜文件，分别计算出不同土地利用类型的NDVI最大值和最小值，之后利用改进的像元二分模型计算不同时期的植被覆盖度，能够提高研究区植被覆盖度计算的准确性. 此外，用防护林种植密度、郁闭度、疏透度和成活率对植被现状作了评价，不仅可以了解研究区近30 a植被覆盖度的变化情况，也能为150团生态屏障建设、防护林构建提供科学指导.

1 材料与方法

1.1 研究区概况150团地处天山北麓，位于准噶尔盆地南部，场区南北长33.57 km，东西宽17.66 km.团场中部是带状分布的湖积洼地，地势平坦，西部和北部深入大沙漠，沙丘、沙垄纵横绵延，故有“沙海半岛”之称. 由于地势闭塞，在西北风的作用下，团场边缘新月形沙丘间为典型的风积地貌. 全团森林覆盖率为38%，年平均日照时数2 765.9 h，无霜期166 d，年均冻土深度为0.96 m，年平均风速2.4 m/s，年平均降水量117 mm，年平均蒸发量1 945 mm，属于典型的干旱半干旱大陆性气候. 团场海拔高度346.0～358.8 m，土壤以灰漠土为主，天然植物以沙拐枣（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、柽柳（Tamarix chinensis）、骆驼刺（Alhagi sparsifolia）等荒漠植物为主.

1.2 归一化植被指数健康的植被吸收大多数可见光，反射很大比例的近红外光，而不健康的植被反射更多的可见光和较少的近红外光，因此归一化植被指数（NDVI）的大小能够反映植被的生长状况. 从地理空间数据云下载1989、1998、2009年和2018年的遥感影像，空间分辨率为30 m×30 m，通过图像配准、辐射定标、大气校正等预处理后，用近红外波段反射率和可见光中红波段反射率计算出NDVI值.

式中：NDVI表示归一化植被指数，NIR表示近红外波段反射率、VIS表示可见光中红波段反射率.

1.3 植被覆盖度计算由于使用的遥感影像分辨率是30 m×30 m，因此一个像元全是植被的概率较低. 一般像元由植被和非植被组成，因此本文使用改进的像元二分模型计算植被覆盖度[17].

式中：NDVIveg为植被NDVI值，NDVIsoil为裸土NDVI值，该值与研究区土地利用类型有关，VFCmax为植被覆盖度的最大值，VFCmin为植被覆盖度的最小值.

当研究区中可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0时，上述公式可简化为：

当研究区中无法取VFCmax=100%，VFCmin=0时，在有实测数据的情况下，用实测数据中的VFCmax和VFCmin；当无实测数据时，VFCmax和VFCmin用遥感模型估算.

1.4 植被现状评价指标本文在实地调查、统计资料的基础上选用林带种植密度、林带成活率、郁闭度和疏透度4个指标对150团植被现状进行评价. 林带种植密度用每公顷种植株数量化；成活率为林带成活株数占林带总种植株数的百分比；郁闭度为林带树冠在地面的投影面积（冠幅）与林带总面积的比值. 有研究表明疏透度在0.25～0.40时防护效益最大[18]，它也是判断林带结构优劣的指标之一[19]，疏透度计算公式如下：

式中：S为疏透度，S′为树冠疏透度，S′′为树干疏透度，pguan为林带冠层填充像元数，pguanzong为林冠总的像元数，pgan为林干填充的像元数，pganzong为林干总的像元数，H为林带平均树高，h为平均枝下高.

1.5 数据处理在ENVI 5.2中对150团1989、1998、2009年和2018年遥感影像进行图像配准、辐射定标、大气校正等预处理后，进行镶嵌裁剪，再利用波段反射率计算出NDVI值，再利用NDVI值计算覆盖率；在Arcgis 10.2中完成相关作图；用SPSS 21对数据进行正态检验和描述性统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同时期150团植被覆盖度分布特征将150团1989、1998、2009年和2018年的遥感影像进行辐射定标和大气校正，之后利用土地利用分类图做掩膜文件，分别统计各类用地植被归一化指数（NDVI）的最大值（累计百分比95%）和最小值（累计百分比5%），并进行异常值去除，再用改进的像元二分模型进行植被覆盖率（VFC）计算，并将植被覆盖度进行划分，0～0.3的为低覆盖率，0.3～0.6为中覆盖率，0.6～1为高覆盖率[20]，结果如图1所示. 将各时期每个等级的像元个数、所占比例进行统计（表1）. 由表1、图1可知，1998年研究区低植被覆盖率占78.02%，中高植被覆盖率分别占7.44%和14.54%. 10 a以后（1998年），研究区低中植被覆盖率逐渐减少，分别为71.78%和4.58%，高植被覆盖率大幅度增加为23.64%. 至2009年，高植被覆盖率所占比例与1998年相差无几，为21.78%；低植被覆盖率所占比例大幅减少，为62.55%；中植被覆盖率所占比例大幅增加，为15.67%. 至2018年，中植被覆盖率所占比例变化不大，为14.91%；低植被覆盖率大幅减少，为52.61%；高植被覆盖率所占比例大幅增加，高达32.47%，表明团场植被向良性趋势发展.

图1 不同时期150团植被覆盖度分布示意图Fig. 1 FVC distribution characteristics of 150 Regiment in different periods

表1 不同时期150团植被覆盖度特征Tab. 1 Vegetation coverage characteristics of 150 Regiment in different periods

2.2 近30 a 150团植被覆盖度空间变化在植被覆盖度时空变化的基础上，用差值法分析近30 a 150团植被退化和改善情况，将植被覆盖度减少50%以上的区域划分为重度退化区；植被覆盖度减少50%以下的区域划分为轻度退化区；将植被覆盖度增加50%以上的区域定义为高度改善区；增加50%以内的区域定义为低度改善区. 由表2可知，近30 a 150团植被重度退化区域仅为0.81%，轻度退化区域占31.58%，基本未变化区域占1.63%，低度改善区域占比最高，高达51.28%，高度改善区域占14.69%. 可以看出，改善区域占比较退化区域多，说明近30 a 150团植被整体呈良性发展. 由图2可知，150团南部地区植被改善较为明显，北部地区植被退化较为严重，可能的原因是150团深居沙漠腹地，北部地区植被受风沙侵害较为严重，加之北部地区外围防护林多为免灌林，自然降水和土壤含水量不能满足防护林水分需求，防护林长期处于干旱胁迫状态，因此植被退化较为严重. 南部地区防护林距沙漠较远，受风沙危害较北部轻，且距人类居住地较北部近，因此防护林能够得到有效保护，故防护林呈现良性发展趋势.

表2 1989—2018年间150团植被变化Tab. 2 Vegetation changes of 150 Regiment from 1989 to 2018

2.3 150团植被现状评价为进一步说明150团植被生长状况，选用林带种植密度、林带郁闭度、林带疏透度和林带成活率4个指标对植被现状进行评价. 由图3（a）可知，150团防护林整体种植密度较低，南部地区部分林带密度过高，说明团场防护林种植较为合理. 合理的种植密度不会引起防护林树种生态位的重叠，能够保证防护林树种有足够的生存空间和生存资源. 由图3（b）可知，150团防护林带以中、高郁闭度为主，北部地区低郁闭度林带较多，中、高郁闭度林带主要分布在南部地区.郁闭度大小取决于防护林树种冠幅大小，冠幅大小能反映植被生长状况. 150团中、高郁闭度林带主要分布在南部地区，北部地区以低郁闭度林带为主. 说明团场南部地区植被生长较北部良好，可能的原因是南部地区受到的风沙危害较北部地区弱，且南部地区人口较为集中，防护林带距离人类居住地较近，林带在一定程度上能得到城市中水的补给，故在相同自然条件下，南部地区植被比北部地区生长良好，这与植被覆盖度得出的结论一致. 由图3（c）可知，150团植被整体成活率相对较低，成活率较高的林带主要分布在南部地区，说明南部地区植被生长状况较北部良好. 由图3（d）可知，150团防护林带疏透度在0.25～0.40之间的占比较低，说明团场植被防护效益还可以进一步提高，这可能与防护林种植密度较低有关.

图2 1989—2018年150团植被覆盖度空间变化Fig. 2 Spatial change of vegetation coverage of 150 Regiment from 1989 to 2018

3 讨论

150团位于莫索湾北端风积沙漠与荒漠交错地带，深入古尔班通古特沙漠70 km，沙漠化土地面积占团场可利用土地面积的12.0%. 团场内部地势平坦、坡向、坡度差异不大，海拔高度基本在346.0～358.8 m之间，因此地形因素对防护林产生的影响较小. 近30 a 150团植被覆盖度改善部分占65.97%，退化部分占32.39%，表明植被在向良性发展. 由图2可知，北部地区出现大面积的退化，南部地区得到了改善，可能的原因是北部地区较南部深入沙漠，植被受风沙侵害较南部严重. 此外，通过野外调查发现部分防护林种植密度过高，部分地区基干林出现死亡，不合理的种植密度、风沙危害和有限的水分补给可能是北部地区植被出现退化的主要因素.团场南部地区植被覆盖度得到显著改善，可能的原因是南部地区防护林带种植密度略小于北部地区，同时受到的风沙危害也较北部地区较弱，且南部地区人口较为集中，防护林带距离人类居住地较近，林带在一定程度上能得到城市中水的补给，故在相同自然条件下，南部地区植被比北部地区生长良好.

此外，150团注重生态环境保护和生态环境建设，采取“四禁一封育”的措施（禁牧、禁采、禁猎、禁伐和护栏围育），在巩固防风固沙基干林、农田防护林的基础上，针对沙漠植被稀疏的问题，在对沙漠边缘进行严格封育保护的同时，对农田周边3 km范围内的荒漠进行人工补植梭梭，建设荒漠防风固沙林，从根本上阻止了流沙的移动，最终形成了以荒漠防风固沙林、防风固沙基干林、农田防护林、人居绿化防护林四级生态保护体系. 除了良好的生态政策以外，团场“十三五”植树造林总投资高达2 870万元，计划在2016—2020年间造林765.84 hm2（表3）. 良好的生态保护政策、生态建设投入是团场近30 a植被向良性发展的主要因素之一. 本文虽然在野外调查的基础上，对150团1989—2018年的植被覆盖度的时空变化进行了分析，用防护林种植密度、防护林成活率、防护林郁闭度和防护林疏透度对研究区植被现状作了评价，得出150团植被整体种植密度较为合理，南部地区植被较北部地区生长良好，但是植被的成活率不高. 可能的原因是研究区自然禀赋不足，植被受风沙侵蚀、干旱胁迫较强烈. 也可能是防护林构建时，抗旱、抗盐碱的乡土树种较少. 因此，未来的研究应集中探究影响研究区植被成活率的主导因子，并提出合理的防护林构建模式，为研究区生态环境保护、防护林构建、植被长效可持续性提供科学指导.

表3 150团2016—2020年间植树造林规划Tab. 3 Afforestation plan of the 150 Regiment for the period 2016—2020

4 结论

（1）近30 a 150团低植被覆盖率面积减少了25.41%，中植被覆盖率面积增加了7.47%，高植被覆盖率面积增加了17.93%. 重度退化的面积占0.81%，轻度退化的面积占31.58%，未发生变化的面积为1.63%，低度改善的面积占51.28%，高度改善的面积占14.69%.

（2）近30 a 150团植被整体向良性趋势发展，团场北部地区植被出现退化，南部地区植被得到明显改善. 可能的原因是南部地区防护林带种植密度略小于北部地区，同时受到的风沙危害也较北部地区较弱，且南部地区人口较为集中，植被距人类居住地较近，林带在一定程度上能得到城市中水的补给，故在相同自然条件下，南部地区植被比北部地区生长良好.