石 玉，肖继东，李 聪，曹孟磊

(新疆气象局遥感中心，乌鲁木齐 830002)

植被作为生态系统的主要组成部分，是生态系统存在的基础，也是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”，是能够影响能量平衡、气候、水文以及生物地球化学平衡的敏感变量[1-2]。在一定尺度气候背景条件下，地表的植被覆盖对调节绿洲区域气候有着积极作用，可增加局部地区的降水[3]；因此植被的变化可直接反映生态环境的变化。西部干旱区的植被受气候变化和人类活动的影响波动较大，认识这些变化情况并分析其成因，对于了解影响植被变化的因素，预测植被变化的状况都有着重要的意义[4]。利用2006—2017年的MODIS的归一化植被指数(normallized different vegetation index，NDVI)数据，系统地研究博尔塔拉蒙古自治州(简称博州)地区植被指数的时空变化规律，分析气象因子、载畜量等驱动因子对植被退化的影响，从而弄清气象因子和人类活动对植被生态的影响程度，旨在为博州地区草地生态的可持续发展提供科学有效的决策依据。

1 区域概况

博州位于新疆维吾尔自治区西北部，天山西段以北，地处中纬度内陆，属大陆性温带干旱气候区。由于博州西、北、南三面环山，地势西高东低，中部是喇叭状的谷地平原，地形地貌和下垫面状况复杂多样。天然草地作为博州生态系统的重要组成部分，具有维护生态环境和促进经济发展的双重功能，对博州整个生态环境的改善具有举足轻重的作用。近年来，在气候变化的影响下，博州增暖增湿现象较明显，极端天气气候事件发生的频次不断增多，春夏季气象干旱强度增大，造成的影响也更为严重。天山西段乃至整个新疆依旧处于生态脆弱带，干湿波动对区域草地生产力的变化影响极大。草地生产力的变化，也严重影响牧区经济的发展和人们的生存环境。草地资源是发展畜牧业的重要经济资源,是我国牧区、半牧区人们赖以生存的基础。草地资源的可持续利用事关生态问题和少数民族地区的发展问题。

2 遥感数据处理

2.1 NDVI的提取

植被指数是利用卫星探测数据的线性或非线性组合而形成的能够反映绿色植被生长状况和分布的特征指数。目前国内外学者已经建立了几十种植被指数模型，其中NDVI是应用最为广泛的植被指数之一。采用对地观测卫星EOS的MODIS传感器采集的遥感数据，利用MODIS资料的2个空间分辨率为250 m的通道(第一波段是红光波段反射率Xred，第二波段是近红外波段反射率Xnir)，计算NDVI，计算公式[5]为

(1)

MODIS资料与以往的卫星遥感资料相比，改善了许多性能。改进了AVHRR数据的空间分辨率，将其最大分辨率提高到250 m。比SPOT、TM和AVHRR有更高的光谱分辨率，达到了36个波段。MODIS的波段较窄，使得近红外波段的水汽吸收区被剔除，而红外波段对叶绿素更敏感，这将大大改进NDVI的质量[6]。由于单个时次的数据很难排除云或雾的影响，为了尽可能消除云雾对植被指数的影响，对每月的NDVI做最大值合成，以此作为该月的NDVI数据。

2.2 植被绿度的计算

为了分析NDVI的逐年变化情况，利用一元线性回归方法拟合每个栅格点的NDVI变化趋势，并分析其显著性。采用最小二乘法拟合NDVI和年份的线性回归系数，得到植被绿度变化率，反应NDVI逐年的变化方向和速率[7]，计算公式为

(2)

式中GRC为植被绿度变化率；变量i为年序号，取值范围为1～12；n为研究的时间序列长度，n=12；Indvi为第i年的年最大NDVI值。GRC>0，说明NDVI在n年间的变化趋势是增加的，即植被是改善的；反之则减小。

3 结果分析

3.1 植被时空变化

提取2006—2017年植被生长季5—9月的NDVI月最大合成值，进行年度均值统计分析(图1)。从图1可以看出，博州2006—2017年植被指数呈波动上升的趋势，12 a间植被指数平均值0.146。其中2006年植被指数最低，只有0.125；2016年植被指数最高，为0.162。植被指数超过累年均值的年份有6 a，近3 a的植被指数连续超过累年均值，说明近3 a博州的整体植被有向好的趋势。

图1 2006—2017年博州地区5—9月植被指数年际变化趋势

利用反映NDVI的变化方向和速率的指标——植被绿度变化率来体现其空间上的变化。采用ArcGIS的栅格计算器逐像元计算得到植被绿度变化率空间分布图，并采用自然断点法，将植被绿度变化率分为5个等级，分别为：中度退化、轻度退化、无变化、轻度改善和中度改善。计算2006—2017年博州地区每个栅格点的植被绿度变化率(图2，图见第62页)，发现2006—2017年博州植被变化仍然是以退化为主，局部改善。其中轻度退化面积占总面积的19.6%，中度退化面积占1.3%，无变化区占65.6%，轻度改善面积占6.4%，中度改善占7.1%。植被退化以轻度退化为主，主要集中在天山山脉以及浅山带,大多为天然草地植被；而植被改善则以中度改善为主，改善的区域主要集中在平原农作物种植区，其中博乐市、精河县中部存在大面积植被中度改善区。

从植被指数的时空分析来看，虽然植被指数整体呈上升趋势，但是博州地区的草地植被却呈现退化的趋势，而植被改善的区域主要在平原农区，这与新开垦耕地有较大的关系。

3.2 气象要素对草地植被退化的影响

气象因素是植被变化的重要原因[8],博州地区生长季平均气温和降水量在2006—2017年均呈上升趋势(图3)，累年平均气温为21.3 ℃。其中2008年最高，为22.1 ℃；2009年最低，为20.1 ℃。12 a超过累年平均气温的年份有7 a，低于累年平均气温以下的年份有5 a。近4 a的平均气温均超过累年平均气温，气温上升趋势明显。气温升高可以延长植被的生长季,对于植被的影响是正面的[9]。然而对于干旱半干旱地区的草地植被，气温升高会加重干旱程度，对于草地植被的影响是负面的[10-11]。

图3 2006—2017年博州地区5—9月平均气温及降水量

博州地区近12 a的降水量也是呈上升的趋势，累年平均降水量为116.7 mm。其中2016年最多，达到182.3 mm；2014年最少，只有81.7 mm。但是超过累年平均降水量的年份只有5 a，少于累年平均降水量的年份有7 a。植被指数与降水量有显著的正相关[10-11]。虽然博州地区植被生长季的降水量呈上升趋势，但是大多数年份的降水量未达到累年均值；因此，干旱的年份偏多。其次降水对植被指数的影响有滞后性，因而近12 a博州地区的植被指数与降水相关性不明显。

3.3 载畜量对植被退化的影响

除去自然因素，博州草地植被变化也需要考虑人为因素的影响。根据新疆自治区统计年鉴的数据，博州2008—2017年年末牲畜的存栏头数呈上升趋势(图4)。2006年博州牲畜的存栏头数为249.5万只羊单位；2007年由于政策原因，草地生态环境受到关注，牲畜存栏头数陡降；2008年牲畜的存栏头数达到最低值。从2008年开始到2016年博州地区的牲畜存栏头数又呈现缓慢上升的态势。2008—2012年牲畜的存栏头数维持在130万只羊单位左右；2013年—2015年间，上升速度明显加快，上升速率达到每年10万只羊单位；2016年达到近10 a最高值，为163万只羊单位；2017年又略有下降。虽然近10 a博州地区的载畜量较前期大为减少，但还是呈缓慢上升的态势，且超载仍然严重。由于长期过渡放牧，使原本脆弱的草地植被持续退化，草畜矛盾更加突显。虽然生态环境问题越来越受到关注与重视，但经济民生问题与生态环境的保护如何协调发展仍然是今后要继续探索的。

图4 博州2006—2017年年末牲畜存栏头数变化

4 结论

(1)2006—2017年间，博州地区的植被总体上呈轻度退化的趋势，尤其是天山山区及浅山带的草地植被呈轻度退化的态势，而平原农区的植被指数则呈明显改善的趋势。

(2)气温升高是博州草地植被退化的原因之一，夏季气温升高加剧了干旱对草地植被的负面影响。

(3)降水虽然呈上升趋势，但丰水年不足，干旱的年份多于丰水年份，导致了博州地区草地植被在近12 a呈退化趋势。

(4)载畜量的逐年上升加剧了自然草场的退化，尤其是近几年存栏头数的急剧增加使得草畜矛盾加剧，使原本脆弱的天然草场退化加剧。

(5)为实现博州生态可持续发展，应加强草地合理利用，以提高其适应气候变化的能力。天然草场应适度放牧，保护湿地、草原和森林,在脆弱区域实施退耕还湿、退耕还林、退林还草,保护生物多样性,从而维护良好生态环境。