基于时间序列的新疆某流域植被覆盖度动态变化研究

李潇然,任 璇*,唐梦迎,夏倩柔,陈 丽,常梦迪

(1.新疆环境保护科学研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆乌鲁木齐 830011；3.新疆清洁生产工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830011；4.国家环境准噶尔荒漠绿洲交错区科学观测研究站，新疆乌鲁木齐 830011)

植被是土壤和气候条件共同作用的产物，同时又能通过光合作用反作用于气候，对调节气候有重要意义。陆地生态质量的变化必然会反映在植被类型、数量及质量的变化上，而植被覆盖度指数是目前既能表征植被的茂密程度，又代表植物进行光合作用面积较为准确的计量手段,是衡量生态系统质量变化的重要因子之一。

近年来国内外学者对植被覆盖度的相关内容开展了大量的研究，如马琳雅等对甘南草地类型基于MODIS数据对2001—2011年植被覆盖度进行动态变化分析，结果表明，甘南草地植被覆盖度水平升高；白庆坤等从植被覆盖度的角度分析了盖度变化对蒙古高原干旱的响应；焦世文等研究了NDVI的时空变化特征及其与环境因子的关系。笔者基于GIS与遥感手段，以MODIS NDVI数据为数据源，分析了2011—2020年研究区天然植被覆盖度的时空变化特征，并引入地形位指数，综合考虑海拔与坡度对植被覆盖度的影响程度，以期为研究区生态质量评估提供科学依据。

1 资料与方法

研究区位于新疆维吾尔自治区最西端的天山山脉腹地，北部以科古琴为界，西以阿拉爱格尔山口与哈萨克斯坦共和国接壤，南部以天山山脉为界，东以那拉提山为分水岭、与开都河流域相隔。研究区为我国北方防沙带生态保护和修复重点工程布局的关键区域之一，是我国35个生物多样性保护优先区之一，同时也是我国西北区域最重要的生态安全屏障，对维护国家重要生态功能区具有重要意义。

该研究所使用的NDVI数据来自2015—2020年新疆生态状况变化遥感调查评估项目和生态环境部卫星环境应用中心，DEM数据来自地理空间数据云，其空间分辨率为30 m，生态系统类型数据来自中国科学院新疆生态与地理研究所。

植被覆盖度的反演目前有效方法为像元二分模型，该模型是通过遥感卫星传感器所获取的信息可以分为绿色植物所提供的信息和裸土所提供的信息2个部分，植被覆盖度计算公式如下:

FVC=(NDVI-NDVI)/(NDVI-NDVI)

(1)

式中，FVC为植被覆盖度，NDVI和NDVI分别为纯裸土和纯植被情况下NDVI像元值。

该研究以流域范围去除农田、城镇、湿地及永久冰川积雪外的自然生态系统植被覆盖度为研究区，以2011—2020年为研究时段，为削弱单年份气温、降水等因素对植物生长的影响，以2014—2016年各年度植物生长季植被覆盖度平均值作为2015年植被盖度水平值，以2018—2020年各年度植物生长季平均值作为2020年植被盖度水平值。根据前人研究基础，将植被覆盖度分为低覆盖度(0～0.2)、较低覆盖度(>0.2～0.4)、中覆盖度(>0.4～0.6)、较高覆盖度(>0.6～0.8)、高覆盖度(>0.8～1.0)5个等级。分析2015—2020年植被覆盖度变化，将这5年植被覆盖度变化情况共分为9级，分级标准见表1。

表1 植被覆盖度变化分级标准Table 1 Grading standards of vegetation coverage change

同时，引入地形位指数因子，从高程、坡度等地形因素综合分析植被覆盖度高低及变化特征。详见公式(2)。

(2)

2 结果与分析

借助ArgGIS 10.2软件，计算得到研究区内2011—2020年各年度植被覆盖度最大值及均值。从图1可以看出，研究区植被覆盖度这10年间呈略微改善的趋势，10年间植被盖度最大值的最低值出现在2014年，为0.824 2；植被盖度最大值的最高值出现在2015年，为0.863 8。其中2013—2017年植被盖度最大值出现转折，呈现“降—增—降—增”的变化趋势，在2017年后趋于稳定。研究区内植被覆盖度均值在0.429 3～0.529 2，2014年均值较2013年变化率为-14.92%,2015年均值较2014年变化率为19.05%，其他各年度较前一年变化率均在正负8%以内，变化不大。

图1 2011—2020年植被覆盖度年变化Fig.1 Annual changes in vegetation coverage from 2011 to 2020

分年度统计研究区各等级植被盖度面积占比情况，结果如表2所示。从表2可以看出，研究区植被盖度以较高覆盖度和中覆盖度为主，且较高覆盖度除2014年外，其他各年份占比均接近50%；高覆盖度占比普遍较低，研究区植被高覆盖度区域分布较少，高覆盖度区域各年度面积占比均在5%以下。

表2 植被覆盖度各等级面积占比Table 2 The area percentage of vegetation coverage at different grades %

根据研究区各年度植被覆盖度(图1)，计算得到2015—2020年植被覆盖度变化情况(表3)。由表3可知，研究区内植被盖度以基本稳定为主并呈改善趋势，改善程度以轻微改善为主，占评价区总面积的24.66%；其次为中度改善，占研究区总面积的8.70%。轻微及中度改善区域主要分布在依连哈比尔尕山及哈尔克他乌山前山带，流域内平原区零散分布，显著改善区域集中分布在南部荒漠区域内。

退化区域面积较小，占研究区总面积的5.45%，且以轻度退化和中度退化为主。轻度与中度退化相交分布，主要集中在研究区西北部博罗科努山南脉前山带及中部平原区的农田绿洲外围。轻度和中度退化区域生态系统类型以荒漠和草地为主。研究区内存在零星极重度退化区域，主要分布在高山区，极重度退化区域生态系统类型以裸土、裸岩为主，初步考虑为稀疏草地退化为裸土、裸岩等生态系统。

植被覆盖度基本稳定区为退化与改善程度均在10%以内的区域，其面积占研究区总面积的56.95%，该区域分布较广，研究区前山带及谷地内平原区均有分布。

地形位指数综合考虑坡度和海拔因子对植被覆盖度变化的影响，研究区地形位指数在0.095 98～1.344 43，基于ArcGIS空间分析功能，将研究区地形位指数通过自然间断点分级法分为5级，其中Ⅰ级(0.095 981～0.296 711)、Ⅱ级(>0.296 711～0.482 754)、Ⅲ级(>0.482 754～0.668 797)、Ⅳ级(>0.668 797～0.848 048)、Ⅴ级(>0.848 048～1.344 426)。不同地形梯度内植被覆盖度变化情况如表4～5所示。

研究区内不同地形梯度中，Ⅰ 梯度仅占评价区总面积的7.78%，该梯度内植被覆盖度变化以基本稳定为主；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ梯度分别占评价区总面积的22.06%、26.06%和26.92%，且植被覆盖度变化均以基本稳定为主；V梯度内植被覆盖度变化以改善为主，改善区域面积占研究区总面积的9.72%。基本稳定和改善区域在Ⅰ～Ⅳ梯度时随着地形位指数增加，分布面积逐渐增加，在V梯度时面积占比出现下降。退化区域在Ⅱ梯度占比最大、基本稳定区域在Ⅲ梯度占比最大、改善区域在Ⅳ梯度占比最大。

表3 2015—2020年植被覆盖度变化统计Table 3 Statistics of vegetation coverage change from 2015 to 2020

表4 不同地形梯度植被覆盖度变化面积Table 4 Area of vegetation coverage change in different topographic gradients km2

表5 不同地形梯度植被覆盖度变化情况汇总Table 5 Summary of vegetation coverage change in different topographic gradients

3 结论与讨论

该研究基于NDVI数据，采用像元二分模型模拟研究区植被覆盖度，为准确计算天然的植被覆盖度，将农田、城镇、湿地、冰川永久积雪等生态系统类型作为非评价区，对2011—2020年天然植被覆盖度的时空变化特征进行了研究。结果表明，2011—2020年研究区内盖度平均值由0.429 3增长到0.529 2，增长率为23.27%，呈现以较高覆盖度和中覆盖度为主的分布趋势，天然植被盖度逐步向较高覆盖度等级转化。研究时段内，植被覆盖度变化以基本稳定为主，部分区域发生不同程度的改善，改善程度主要以轻微改善和中度改善为主；盖度退化的以轻度退化为主。随着地形位指数的增加，植被覆盖度基本稳定和改善的面积占比均呈现先增后减的变化趋势，说明随着地势复杂程度的增加，植被盖度变化先出现好转，当地势复杂程度高于某一阈值时，植被盖度出现下降。

该研究分析了近10年来研究区植被覆盖度现状和变化情况以及植被覆盖度与地形地势之间的耦合关系，虽然通过多年平均来消除某一年因气象或其他因素对植被覆盖度的影响，但对于2014年出现植被覆盖度均值降低的原因未进行具体研究说明。初步考虑是与2014年降雨量下降有关。下一步将对植被覆盖度与气象因子、人为因素以及保护政策的关系进行持续深入研究。