基于植被指数的昌吉州荒漠化时空变化监测与评价研究
2024-05-22马靖孙桂丽禹明柱冉亚军
马靖 孙桂丽 禹明柱 冉亚军
摘要：以新疆昌吉回族自治州荒漠化動态变化为研究对象，基于NDVI数据对植被动态变化、植被覆盖率年际变化，开展荒漠化动态变化评价，结果表明：⑴2000 -2019 年植被指数呈现增加趋势，昌吉州内低覆盖植被面积最大，占比均值为45.09 %；中覆盖植被和高覆盖植被面积占比分别为20.70 %和22.69 %；较高覆盖率植被面积占比为11.13 %；无植被面积占比均值最小，为0.39 %。⑵昌吉州轻度荒漠化面积在逐渐减少，中度荒漠化面积波动幅度较小，年度变化趋势并不明显；非荒漠化面积波动较大，年度变化呈现增长趋势。⑶ 2000-2019年，荒漠化总体上由中度向轻度荒漠化转移，轻度荒漠化向非荒漠化转移。⑷ 2010 -2015 年间重度荒漠化区域增加较为明显，主要集中在吉木萨尔县、奇台县、木垒哈萨克自治县北部平原区，从发生位置和时间来看，主要原因为2010 年开始的新疆准东经济技术开发区的建设和发展，2015年后随着荒漠化防治措施有效实施，重度荒漠化面积处于减少趋势。
关键词：昌吉州；荒漠化；植被；监测；评价
Monitoring and Evaluation of desertification change in Changji Prefecture based on Vegetation index
MA Jing1，3， SUN Guili1，2， YU Mingzhu1， RAN Yajun1
（1. College of Forestry and Horticulture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， Xinjiang， China; 2. Key Laboratory of Forestry Ecology and Industrial Technology in Arid Areas， Urumqi 830052， Xinjiang， China; 3. Changji Hui Autonomous Prefecture Forestry and Grassland Technology Extension Center， Changji 830001， Xinjiang， China）
Abstract：This study takes the dynamic change of desertification in Changji Hui Autonomous Prefecture of Xinjiang as the research object， combines the dynamic change of water resources over the years， and evaluates the dynamic change of desertification based on NDVI data to the dynamic change of vegetation and the interannual change of vegetation coverage. The results show that： （1） Vegetation growth showed a better trend from 2000 to 2019， and the area of low-cover vegetation in Changji prefecture was the largest， accounting for 45.09 % on average. The proportion of medium cover vegetation and high cover vegetation was 20.70% and 22.69%， respectively. The vegetation area with high coverage rate accounted for 11.13 %; The average proportion of non-vegetation area is the smallest， which is 0.39 %. （2） The area of mild desert area in Changji prefecture decreased gradually， while the area of moderate desertification area fluctuated less， and the annual change trend was not obvious. The area of non-desertification area fluctuates greatly and the annual change shows an increasing trend. （3） From 2000 to 2019， there was a shift from moderate desertification to mild desertification， and mild desertification to non-desertification. From 2010 to 2015， the areas of severe desertification increased significantly， mainly in Jimusar County， Qitai County， and the northern plain area of Mulei Kazakh Autonomous County. From the perspective of location and time， the main reason is the construction and development of Zhundong Economic and Technological Development Zone in Xinjiang since 2010. After 2015， with the effective implementation of desertification control measures， The area of severe desertification is decreasing.
Key words： Changji Hui Autonomous Prefecture; Desertification; Vegetation; monitoring; Evaluation;
荒漠化是一个世界性的生态环境问题，与人类社会发展可持续发展关系密切。气候发生改变和人为因素造成的各类干旱和半湿润地区的土地沙化现象称为荒漠化。多种因子联合作用造成荒漠化土地形成，荒漠化分析评价涉及多个因素，同一因子在分析过程中也有许多方法。荒漠化综合分析评价的因子主要有人为活动、动植物、自然资源、土地等，常用指标主要有土壤湿度、风沙、植被、生物量、降水利用率等[1]。由于研究区域面积较大，风沙指标、降水利用率测量难度较大[2]。本研究综合考虑昌吉州荒漠化及生态环境具体情况，采用植被指数分析和水资源变化情况，进而对荒漠化进行综合评价。荒漠化会破坏土壤的生产能力，破坏草场农田，对农牧业生产带来危害，缩小人类生存空间[3]。古尔班通古特沙漠横穿昌吉州东西，由于主风向作用，准噶尔盆地南缘活化沙丘每年以0.5-2.5m的速度向绿洲扩展，昌吉州荒漠化防治任务非常紧迫。近年来，对北部荒漠区的开发利用对生态环境造成影响是值得关注的问题。因此，对昌吉州荒漠化进行综合评价，有助于加深对昌吉州荒漠化发展态势认识，同时也可为昌吉州荒漠化防治和生态修复提供决策参考。
1 研究区概况
昌吉回族自治州地处新疆维吾尔自治区天山山脉北麓，准噶尔盆地东南部。昌吉州被新疆首府乌鲁木齐市从南、东、西三面环抱 [4]。
1.1 地形地貌
昌吉回族自治州地貌北低南高，由东南方向西北方偏斜，南面为天山山地，北面为准噶尔盆地和古尔班通古特沙漠，中间地域则位于天山山地和沙漠盆地之间，由地表径流冲积、洪积等组成，整体地貌相对平缓、水土环境比较良好。昌吉州东部可分为4 个地貌单元：天山山地、倾斜平原、沙漠盆地、北塔山山地。最高点位于南部天山山地，海拔5 022 m，最低点位于北部盆地中心丘河， 海拔241 m[5]。
1.2 气候
昌吉州为典型的大陆性干旱气候。具有冬季严峻、夏季酷暑、昼夜温差变化大的特点。往年平均气温为6.9 ℃，最高极端气温44.4 ℃，出现在7 月，极端最低气温-42.6 ℃，出现在1 月。1 月平均温度为-15.0 ℃，7 月平均温度为23.3 ℃。自然降水分布不均，年降水较少，在217.2 mm，主要集中在4-8 月。春夏季日照充足，多大风，气候干燥，年平均蒸发量为1 834.2 mm，年日照时数在2 550.6 h，无霜期为176 d。天山山区年平均气温2.3～5.7 ℃，年降水量344～572 mm。平原冬冷夏热，年平均气温5.5～8.0 ℃；年降水量154～238 mm，受季节影响，5 月、7 月份降水量为全年最多，占全年降水量的26～30 ％。年平均蒸发量1 607～2 162 mm，蒸发最大的6、7 月份在190～340 mm之间，12 月、1 月份最小，为6～28 mm。年日照时数2 342～2 680 h，日照时数以5～8 月份最多，月平均日照时数在300～320 h之间 [6]。
1.3 水文
昌吉州常年有水的河流共35 条，地表水资源量29.3×108m3，地表水资源可以利用量24.78×108m3，其中昌吉州属地表水资源可利用量19.567×108m3占79 %，兵团属地表水资源可利用量5.214×108m3占21 %，地域分布为西多东少；地下水补给量14.86×108m3，可开采量11.927×108m3，其中昌吉州属开采量9.14×108m3。根据昌吉回族自治州近年来国民经济和社会发展统计公报显示，2016 年、2017 年、2018 年、2019 年、2020 年实际用水量总量分别是30.46×108m3、28.83×108m3、27.73×108m3、26.22×108m3、25.48×108m3。2021 年全州水資源可利用量25.20×108m3，实际用水量达到25.28×108m3，其中用于人工生态环境补水的仅有0.74×108m3。全州建有水库92 座，总库容量为6.05×108m3，主要用于农业、工业和生活用水，生态用水主要依靠开采地下水[7]。
2 数据与方法
2.1 数据来源
研究区行政区划示意图和高程分布图使用到的资料下载自中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心：https：//www.resdc.cn。下载的数据用ARGIS软件进行裁切、投影后进行分析和制图表达。
鉴于研究区位于干旱地带，植被总体生长状况较差，本文选择了植物生长相对较好的第二季度作为代表时段，因此本文采用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年6至8 月NDVI最大值合成数据，空间分辨率为1 km。该数据下载自中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心：https：//www.resdc.cn。该产品为NDVI单波段数据，可直接用于研究分析和制图表达。
2.2 研究方法
2.2.1 植被动态变化
对于植被动态变化的研究方式有很多，其中比较常见的表示植被状况的有植被指数和植被覆盖率[8-10]，其中植被指数又可分为众多类型，其中，归一化差异植被指数（NDVI）使用最为普遍，它能较好地反映地表植被的生长发育情况，因此本文采用NDVI数据对研究区的植被变化进行研究。
归一化差异植被指数（NDVI）的计算公式如下：
NDVI值一般在-1到1之间，负值表示地表覆盖有云、水、雪等；0表示地表为岩石或裸土等；正值则表示有植被覆盖，且随数值增大而增大。一般情况下，NDVI值越高，则表示植被长势越好；NDVI指数越低，则表示植被长势越差。
2.2.2 植被变化趋势
本文利用一元线性回归趋势分析方法对研究区的植被变化趋势进行了分析。该方法是对研究时段（2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年的6至8 月）的NDVI均值求斜率，可以体现出每个栅格面积的变化趋势。该方法计算公式[11]为：
该方法相较于趋势图的不同在于它可以反映每个栅格面积的多年变化趋势，而不是将研究区作为一个整体，因此它可以反映研究区多年变化趋势的空间分布。
2.2.3 植被覆盖率的年际变化
植被覆盖率是指一定面积内植被的垂直投影面积与该区总面积的比值[12-22]。根据已有的NDVI值可以计算研究区的植被覆盖率（VCF），计算公式[23-24]如下：
公式中：NDVIS表示无植物覆盖像元的NDVI值，而NDVIv表示完全被植被覆盖像元的NDVI值。NDVIS和NDVIv会由于不同区域（土壤类型、植被类型等）和不同时期而产生改变，一般依据经验采用研究区域内NDVI的最小值和最大值。
通过公式（3）可以得到2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2019 年植被覆盖率的分布情况。本文参考张钰琦[25]的植被覆盖率区间划分标准，并依据研究区域的实际状况，按植被覆盖率分为无植被区（0～3%）、低覆盖植被区（＞3～20%）、中等覆盖植被区（＞20～40%）、较高覆盖植被区（＞40～60%）、高覆盖植被区（＞60～100%）。
2.2.4 荒漠化类型分区
荒漠化评价中植被通常为一项重要的指标，昌吉州地处大陆干旱区，干旱缺水，沙尘天气常见，本文使用植被覆盖率对昌吉州荒漠化类型进行分区。本文参考张钰琦的荒漠化分级指标体系，因研究范围为昌吉州全域，区域范围较大，且北部多分布稀疏灌木，结合昌吉州实际情况，制定了昌吉州荒漠化划分标准为重度荒漠化（植被覆盖度＜4%）、中度荒漠化（植被覆盖度4%～＜30%）、轻度荒漠化（30%～＜50%）、荒漠化（＞50%）。
2.2.5 荒漠化土地变化速率
计算荒漠化土地变化速率使用的公式[26]如下：
3 结果与分析
3.1 昌吉州植被多年动态变化
3.1.1 植被指数的年际变化
为了更好地反映研究区植被情况，本文选取了2000 年、2005 年、2010 年、2015年、2019 年共计5 年的NDVI数据。因为最新的NDVI6-8 月的数据目前只更新到2019 年，所以最后一个年度选取了2019 年。收集到的数据经ARCGIS裁切、投影和制图表达后制作如下分布图1。一般情况下，NDVI值越高，则表示植被生长状况越好，NDVI值越低，则表示植被生长状况越差。从图中可以看出，昌吉州北部植被生长相比南部较差，山区植被生长发育好且覆盖面积广，中部平原植被生长发育较好区域主要集中在农区。经调查和驗证，昌吉州北部为大面积戈壁荒漠，主要生长有梭梭、柽柳等耐旱型灌木。山区及山前平原主要生长有云杉、杨树等阔叶乔木和其他耐寒型植被。中部农区主要生长有农作物和阔叶乔木。另外，全州内也有零星分布的NDVI高值区，这些区域一般生长有芨芨草和碱蓬等喜水或耐盐碱植物。
昌吉州2000 年至2019 年NDVI变化趋势如图2。从图中可以看出，全州NDVI均值处于中等偏下水平，表明整体植被生长一般。2000 年NDVI均值最小，为0.27，2010 年NDVI均值最大，为0.37。虽然在20 年内全州NDVI均值有波动变化，虽然变化幅度较小，但总体处于上升趋势。为了更深入了解平原和山区的变化，使用DEM数据以1500 m为界分别对平原和山区NDVI取均值，得到了不同分区的NDVI均值年际变化趋势。
本文利用一元线性回归趋势分析方法对研究区的NDVI均值求斜率，当Slope＞0，表明该区域NDVI整体呈现增加趋势，植被长势变好；当Slope=0，表明NDVI值在20年内几乎没有变化，可认为植被状况保持不变；当Slope＜0，表明NDVI整体下降，植被长势变差。得到的结果如图3。
Slope值越高，表示植被长势越好，Slope值越低，表示植被长势越差。从图中可以看出，昌吉州内植被变化趋势呈现明显的地域分布，平原农区植被长势变好，幅度大；山区及山前平原植被总体也在变好，幅度较大；北部平原植被长势也在逐渐变好，幅度较小。此外，部分中原地区和山区也存在植被变差区域。经统计，研究区内30 %（21 858.77 km?）的区域Slope＞0，25 %的区域（18 844.96 km?）Slope＜0，45 %（33 210.93 km?）的区域Slope=0。从上述统计结果可以看出整个昌吉州植被长势变好的区域面积大于植被长势变差区域，且Slope最大值为0.2008，最小值为-0.1152，表明研究区域内植被长势变好的幅度大于长势变差的幅度。整体来看，昌吉州在2000 年至2019 年间植被长势整体变好。
3.2.2 植被覆盖率的年际变化
本文采用各个时段的研究区内植被NDVI的最小值和最大值为NDVIS和NDVIv。
通过公式（3）可以得到各年度植被覆盖率分布情况，结合昌吉州实际情况，按表2-2对植被覆盖率进行了划分，得到5 个年度的分布情况。如图4所示。
通过对不同覆盖率分区进行分析统计，结果见表1。可以看出，昌吉州内低覆盖植被面积最大，占比均值为45.09 %；中覆盖植被和高覆盖植被面积占比分别为20.70 %和22.69 %；较高覆盖率植被面积占比为11.13 %；无植被面积占比均值最小，为0.39 %。
从表1可以看出，2010 年无植被区和低覆盖率植被面积较其它年度最小，较高覆盖率植被面积和高覆盖率植被面积较其它年度最大，主要原因为昌吉州2010 年气候异常，全年降水量异常偏多，达到397.5 mm，属降水丰水年份。2010 年末全疆各类大中型水库蓄水总量78.31×108m3，比上年末增蓄16.38×108m3，增幅达26.4 %。这导致昌吉州南部的低覆盖度区域植被覆盖度明显增加。
无植被区面积在2010 年至2015 年期间有所增加，主要集中在吉木萨尔县、奇台县、木垒哈萨克自治县北部平原区，增加的主要原因有：
（1）新疆准东经济技术开发区建设。2010 年底自治区设立了自治区级新疆准东煤电煤化工产业园区，2012 年国家批准设立了国家级经济技术开发区。开发区横跨吉木萨尔县、奇台县和木垒哈萨克自治县，东西长约200 km，南北宽约60 km。工业设施建设、园区建设、煤炭开采、路网建设等使建设用地增加，植被覆盖度降低。
（2）2015 年至2021 年期间，昌吉州北部因缺水导致大量杨树和榆树死亡，同时在原有土地上补种了梭梭、柽柳等灌木。沙漠地区植被比较分散，只有少量可见光及近红外光反射，NDVI值变化不明显，因此2015 年左右NDVI数据不能明显反映出昌吉州北部平原植被生长状况。
（3）南部山区无植被区面积增加的主要原因为2010 年至2019 年昌吉州降雨量不断减少，导致南部山区草场不断退化。
将表3-1数据制成的柱状图如下（图5），从图中可以很明显看出每个年度各类植被区面积占比以及年度之间的变化趋势。
从表1可以看出，无植被区、低覆盖区和高覆盖区面积呈现增加趋势，中覆盖和较高覆盖区面积在逐年减少。经分析得知，较高覆盖植被区有一部分区域转化为高覆盖植被区、低覆盖植被区有一部分区域转化为无植被区、中覆蓋植被区一部分区域转化为低覆盖植被区。虽然各类型区域之间存在转换关系，但总体比较平稳。
3.3 基于植被指标的荒漠化分区
基于植被覆盖率的荒漠化分类标准对2000 年至2019 年的研究区进行荒漠化分级，结果如图5。
从图5中可以看出，重度荒漠化主要分布在昌吉州东北部；中度荒漠化主要分布在中部平原区；轻度及非荒漠化区域主要分布于山区、山前平原以及平原农区。
对各年荒漠化分区进行统计，结果见表2。中度荒漠化区域面积相对最大，维持在33 000-46 000 km?；占比46 %-63 %；非荒漠化区域面积维持在17 000-28 000 km?，占比22 %-38 %；轻度荒漠化区域面积变化不大，维持在7 000-11 000 km?，占比10 %-16 %；重度荒漠化区域面积波动较大，从18 km?到1 900 km?不等，占比0 %-0.03 %。2010 年重度荒漠化面积最小，仅为18.08 km?，非荒漠化面积最大，达28 315.17 km?，主要原因为2010 年降水量异常增多（图5），较2000 年、2005 年、2015 年、2019 年度丰沛，植被长势较好，荒漠化面积变小。
对比2010 年和2015 年数据，重度荒漠化区域面积呈现较大增幅，从18.08 km?增长至1 994.46 km?，增加的主要原因为自2010 年起，吉木萨尔县、奇台县、木垒哈萨克自治县北部区域呈现明显的工业建设活动。2012 年，国家正式批准并设立了新疆准东经济技术开发区。该开发区以煤炭、煤电、煤化工为主要能源产业。大量的煤炭开采导致该区域地下水位不断下降，再加上降雨量不能满足正常植物所需水分，导致土地沙化加重，地表植被面积不断减少。通过影像和NDVI数据比对发现，2015 年重度荒漠化增加区域与开发区位置高度重合，进一步证实了昌吉州北部重度荒漠化面积增加与开发区建设有直接关系。
对比2015 年和2019 年数据，轻度荒漠化区域面积减小，中度荒漠化区域面积增大，主要原因为气候干旱和地下水位下降，根据昌吉州林草管理部门2021 年6至9 月的實地调查数据显示，2015 年以来，昌吉州防护林因气候干旱、地下水位下降及林木管护措施不到位等原因，枯死面积达14.46 km2，昌吉州北部荒漠灌木林受到降水量减少（见图9）和地下水位下降等原因也发生了退化和死亡。重度荒漠化区域面积变化不大，均呈现轻微下降趋势，说明昌吉州为应对土地荒漠化制定和实施的封禁保护、荒漠化防治、专项整治等防沙治沙措施取得了积极有效的作用，在坚决遏制重度荒漠化的基础上，降低了重度荒漠化区域的面积。
由表2可以看出，重度荒漠区域面积波动相对较大，年度变化趋势非常明显；轻度荒漠区域面积在逐渐降低，中度荒漠化域面积波动幅度较小，年度变化趋势并不明显；非荒漠化区面积波动较大，年度变化呈现上升态势。从数据上分析，昌吉州大部分区域荒漠化程度在逐渐好转，北部平原地区荒漠化程度在2015 年后逐渐降低。
3.4 基于植被指标的荒漠化土地变化速率
本文以2000 年和2019 年为开始节点和终止节点，分析并计算荒漠化土地新增速率和转移速率，绘制了荒漠化土地的变化情况分布图（图6），统计并测算了荒漠化土地变化面积及变化速率（表3）。
从图6和表3可以看出，有3 981.80 km?其他类型土地转移至非荒漠化土地，并逐渐向山前平原、中部农区扩张；转移面积最大的为轻度荒漠化土地，为5 631.90 km?，主要转移至非荒漠化土地；中度荒漠化土地共转移面积3 880.46 km?，主要转移至轻度荒漠化土地和重度荒漠化土地。
由图6进一步可以看出，昌吉州荒漠化情况总体上由中度荒漠化向轻度荒漠化转移，轻度荒漠化向非荒漠化转移，说明昌吉州整体荒漠化程度这20 年间在逐渐好转。重度荒漠化土地虽然有新增，但通过植被覆盖率年际变化结果共和荒漠化分区结果可以得知，增加的时间主要集中在2010 年以后，增加的主要原因为新疆准东经济技术开发区的成立和发展建设，大量的基础设施建设和煤炭开采导致地下水位下降，地表植被面积减少，引起的结果就是重度荒漠化区域面积增加。
表3进一步表明了各类型土地的年均变化速率。非荒漠化土地面积新增和转移速率差值为0.86 %，相对于其他类型土地来说其保持相对稳定；轻度荒漠化和中度荒漠化土地面积年均变化速率分别为3.97 %和0.76 %。重度荒漠化土地面积年均变化速率虽然最高，达到35.02 %，但其一方面基数相对于其他类型土地要小很多，其次从2015 年后随着防沙治沙治理，重度荒漠化面积有逐渐减少的趋势。
4 结论
通过对昌吉州5 个年度NDVI数据进行分析，利用一元线性回归趋势分析方法对研究区的NDVI均值求斜率，并根据分析结果研究昌吉州2000 年至2019 年植被覆盖变化，发现昌吉州植被长势呈现变好的趋势。基于植被覆盖率的荒漠化划分标准，将昌吉州按照非荒漠化、轻度荒漠化、重度荒漠化、重度荒漠化进行区分，经过对各类数据分析得出，2015 年左右昌吉州北部荒漠化加剧，重度荒漠化面积增加，但在2015 年后随着防沙治沙措施有效实施，昌吉州重度荒漠化面积处于减少趋势。说明昌吉州实施的各项政策措施可行有效。
通过对2000 年和2019 年荒漠化土地数据进行叠加分析，得到各类型荒漠化土地的新增、转移和未变化范围，通过公式计算得到荒漠化土地新增速率和转移速率，通过对叠加结果和计算结果分析得知，昌吉州整体荒漠化程度在好转。2015 年至2019 年期间昌吉州重度荒漠化区域面积呈现下降趋势，从1 994.46 km?降至1 946.26 km?，说明昌吉州为应对土地荒漠化制定和实施的各项防沙治沙措施取得了积极有效的作用，在坚决遏制荒漠化的基础上，降低了重度荒漠化区域的面积。
通过对2000 年至2019 年降水趋势线来看，昌吉州年降水量在这20 年中总体呈现下降趋势。降水量的减少是昌吉州林地退化、荒漠化土地面积增加的主要因素之一。通过对用水量数据分析，昌吉州地下水超采严重，但随着昌吉州通过一系列水资源管理制度的实施，2014 年至2019 年昌吉州水资源开采总量特别是地下水开采量在逐年下降。
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