张艳娇,李 巧,宿彦鹏,陶洪飞,姜有为,马合木江·艾合买提,魏建群,杨文新

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业大学 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室,乌鲁木齐 830052; 3.甘肃省临夏回族自治州广河县水务局,甘肃 临夏 731300 )

1 研究背景

植被是人类赖以生存发展的物质基础[1-2],是陆地生态系统的重要组成部分[3],对生态系统中的能量流动、物质循环和信息传递起着先导的作用。植被与周围环境密切相关,对生态环境的变化反应十分敏感[4],人们常根据植被生长状况推测区域生态环境的变化情况,因而从时间及空间尺度上监测植被的变化情况对于揭示生态环境变化、评价区域生态质量具有重要的意义[5-6]。随着科技的进步,覆盖范围广、时间有效性强且易获取[7]的遥感监测技术成为大范围内植被监测的主要手段。

目前基于遥感反演手段的植被覆盖度估算方法有很多,如植被指数法、像元分解法、经验模型法等[8],其中通过提取归一化植被指数计算植被覆盖度最为常用[9-10]。 Neinavaz等[11]通过收集和评述利用热红外遥感数据获取的叶和冠层水平陆地植被最相关的信息,讨论了在热红外区域植被研究中利用遥感的效果,结果表明植被热红外遥感是其他遥感数据源的补充,融合来自光谱不同部分的数据具有很高的潜力。 Zhang等[12]利用归一化植被指数(NDVI )数据分析2000—2019年洞庭湖湿地植被变化的时空格局和驱动因素。结果表明人类活动有利于湿地植被恢复,气候变化威胁湿地植被。田智慧等[13]以NDVI作为植被覆盖及生长状况指标,研究了2000—2020年黄河流域植被时空演化驱动机制。得出研究区降水对植被的影响高于气温,人类活动和气候变化对黄河流域植被变化贡献度分别为72%和28%。

新疆属于典型的干旱地区,对生态环境变化反应十分敏感,具有气候干燥、降水量少且分布不均、蒸发性强、水资源匮乏、水土流失、植被退化等自然属性及生态环境问题[14-15],因此新疆的植被覆盖变化情况一直以来备受学者的关注[16-17]。同时,新疆作为中国面积最大的省级行政区,具有很大的发展空间,三屯河流域位于新疆天山北坡经济带的中部,是以农业为传统经济基础的昌吉市的经济保证[18]。因此研究三屯河流域长时间序列的植被覆盖变化对掌握三屯河流域环境的发展变化规律、生态环境保护及促进经济发展具有重要意义。目前三屯河流域长时间尺度植被覆盖变化方面的研究还处于空白阶段,本研究以三屯河流域为研究区,以Landsat TM/ETM+/OLI卫星遥感数据、像元二分模型为基础,通过图像差值法、变异系数、转移矩阵等手段,探讨自然因素与人类因素对三屯河流域植被覆盖的影响,分析三屯河流域植被覆盖时空变化特征,为促进三屯河流域生态恢复、经济发展提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

三屯流域发源于天山北坡中段的天格尔峰,由大气降水和冰雪融水进行补给,冰川补给是三屯河径流较稳定的补给来源之一[19]。三屯河流域面积为4 466 km2,流域整体呈条带状,其地理位置在86°20′E—86°58′E、43°08′N—44°44′N[20]之间,是典型的内陆半干旱地区[21]。三屯河流域位于新疆天山北坡经济带的中部,承担着供应昌吉市生产生活用水任务[22],是昌吉市的经济保证。三屯河流域的东西南北4个方向上分别对应以头屯河、呼图壁河、阿斯克达、古尔班通古特沙漠作为边界[23]。三屯河自发源地起始流经南部山区、中部平原,消失于北部沙漠[24],呈现出南高北低,由西南向东北倾斜的地势。三屯河流域生态环境较为脆弱,整个流域自上游至下游以天然林、干草原、半荒漠、平原、荒漠的生态环境进行过渡,三屯河流域年平均降水量为193.75 mm,年平均气温为6.87 ℃,属中温带大陆性半荒漠干旱气候,具有降雨量小、蒸发量大等特点[25]。

2.2 数据来源及数据处理

综合考虑三屯河流域的农作物[26]、自然植被生长期、沙尘暴、云量对植被覆盖度的影响,本次研究选用2000年9月17日、2004年9月4日、2008年8月6日、2012年8月17日、2015年8月18日及2020年8月31日6期、12景分辨率为30 m的遥感影像图,遥感数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)及美国地质勘探局USGS(http:∥glovis.usgs.gov)。研究所用到的用于绘制三屯河流域边界的30 m分辨率数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)高程数据也来源于地理空间数据云。气象数据来自国家气象信息中心(http:∥data.cma.cn/),采用2000年、2004年、2008年、2012年及2020年的年均气温及降水量数据。土地利用数据来自资源环境科学与数据中心(https:∥www.resdc.cn/),采用2000年及2020年的土地利用类型数据,分辨率为1 km。

首先在ArcGIS 10.6软件中通过提取河网、分水岭等操作将三屯河流域边界图绘制出来,然后运用ENVI 5.3软件对本研究用到的遥感影像依次去条带、辐射定标、大气校正、镶嵌及裁剪和掩膜等处理,得到三屯河流域遥感影像图。运用ArcGIS 10.6软件处理已下载的土地利用卫星数据得到三屯河流域土地利用变化情况。

2.3 研究方法

2.3.1 NDVI计算

NDVI是所有植被指数中应用最为广泛的一种,其能够涵盖90%以上的植被信息[27-28],对植被生长、覆盖变化等反应十分灵敏,因此常用于植被监测。NDVI的计算公式为

(1)

式中:NIR表示近红外波段的反射值;RED表示红外波段的反射值。Landsat TM/ETM+的NIR对应的是Band4,RED对应的是Band3;Landsat OLI的NIR对应的是Band5,RED对应的是Band4。

不同研究区域的置信区间的取值范围也不尽相同,常见的置信区间取值范围有1%～99%、2%～98%、5%～95%[29-32]。研究处理得到的NDVI像元数据在2%左右时有递增的变化趋势,故本次研究取2%～98%为置信区间,即取频次为98%的NDVI作为NDVIv的值,取频次为2%的NDVI作为NDVIs的值。为保证NDVI最大值与最小值的准确性,在ENVI 5.3软件中利用波段运算掩膜去除NDVI>1与NDVI<-1的异常值。

根据半干旱地区植被特征并结合《土地利用现状调查技术规程》《草场资源调查技术规程》《土壤侵蚀分类分级标准》等标准规范,将研究区植被覆盖度VFC划分为4个等级:裸地或极低(0≤VFC<0.2)、低(0.2≤VFC<0.3)、中(0.3≤VFC<0.6)、高(0.6≤VFC<1)。

2.3.2 植被覆盖度估算

利用像元二分模型提取植被覆盖度是常用的植被覆盖度评估方法,其在解译过程中能够减少大气、水体、土壤背景对遥感影像的影响[33]。像元二分模型是将传感器监测到的光谱信息一分为二,即植被覆盖的像元信息和没有植被覆盖的像元信息。像元二分模型的计算公式为

(2)

式中:S表示混合像元信息;Ss表示无植被覆盖像元信息;Sv表示植被覆盖像元信息。

由于NDVI对植被生长状态和植被覆盖等信息非常灵敏,且能够减少部分因辐射引起的误差且其与植被覆盖度具有强相关性[34],故在像元二分模型解析光谱波段和植被指数信息进行遥感提取时,常选取NDVI进行估测。用NDVI替换像元信息,将NDVI也分为两部分即有植被覆盖的NDVIv和无植被覆盖的NDVIs,得到如下植被覆盖度的计算公式为

(3)

基于研究区2000—2020年20 a间6期12景遥感影像,通过ENVI 5.3软件对数据进行处理,分别得到2000年、2004年、2008年、2012年、2015年及2020年6组年均植被覆盖度数据用于分析20 a间三屯河流域植被覆盖的变化趋势。

2.3.3 图像差值比较法

图像差值法是基于遥感影像灰度值的差值原理而产生的一种差值比较法,可以反映研究区植被的空间动态变化,差值为正时表示研究区植被增加,差值为负时表示研究区植被减少,差值为0时表示植被覆盖状态未发生改变。图像差值法计算公式为

ΔVFC=VFCyear2-VFCyear1。

(4)

式中:ΔVFC表示植被覆盖的变化量;VFCyear1表示前一个时相的植被覆盖数据;VFCyear2表示后一个时相的植被覆盖数据。

图像差值法能够很好地反映研究区植被覆盖的变化情况,根据图像差值法将三屯河流域2000年与2020年的植被覆盖度进行比较,分析三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化。

根据传统标准差值,将三屯河流域研究区植被覆盖空间动态变化分为7个等级[35]:极度改善(0.67≤ΔVFC<1)、中度改善低(0.33≤ΔVFC<0.67)、轻微改善(0≤ΔVFC<0.33)、未改变(ΔVFC=0)、轻微衰退(-0.33≤ΔVFC<0)、中度衰退(-0.67≤ΔVFC<-0.33)、极度衰退(-1≤ΔVFC<-0.67)。

2.3.4 植被覆盖度稳定性

变异系数(Coefficient of Variation,CV)是一种能够客观反映数据评价结果的方法,计算结果均来自数据本身所包含的各种信息,不受主观因素影响,与德尔菲法等相比,能更好、更客观地反映数据的评价结果[36]。变异系数可以反映数据的波动程度,可以用来表达植被变化的稳定性[37]。变异系数的计算公式为

(5)

(6)

植被覆盖的波动性与变异系数呈正比,变异系数值越大,植被覆盖越敏感[38]。在ArcGIS软件中选择地图代数模块,通过栅格计算器计算2000—2020年植被覆盖度的变异系数,得到三屯河流域植被覆盖的稳定性状况。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度时空变化特征

3.1.1 植被覆盖时间分布特征

三屯河流域20 a间植被覆盖变化趋势如图1所示,2000—2020年,三屯河流域年均植被覆盖度总体上呈现逐年增长的趋势,在0.30～0.50之间变化,年均增长速度为4.93%/(10 a),植被覆盖度最高的年份出现在2020年,植被覆盖度为0.470 2;植被覆盖度最低年份出现在2000年,植被覆盖度为0.371 7。2012年的植被覆盖度出现了轻微的下降趋势,除2012年外,其余年份植被覆盖较前一期相比均为上升趋势,且2012—2015年植被覆盖度的增长速度最快,年均增长速度为18.00%/(10 a)。

图1 植被覆盖度年际变化Fig.1 Interannual change of vegetation coverage

通过查阅相关资料发现2012年前后,三屯河流域内并未发生大规模自然灾害,结合研究区气温降水资料,2012年气温为6.38 ℃,降水量为179.80 mm,2000年、2004年、2008年、2015年及2020年的气温分别为6.05、6.79、7.21、7.48、7.14 ℃,相应的降水量分别为198.30、259.20、174.50、218.00、77.70 mm。

发现6个时相中2012年的气温与降水量与其他年份相比处于较为低下水平,这可能是造成2012年植被覆盖度出现下降的原因。

3.1.2 植被覆盖空间动态变化特征

通过对三屯河流域2000年、2004年、2008年、2012年、2015年及2020年6期植被覆盖度分级图(图2)分析,发现研究区各年份植被覆盖度分布表现出一定的规律性,即三屯河流域植被覆盖总体表现为流域内两端高、中间低的大面积片状分布,上下游地区植被覆盖度高,中游地区植被覆盖度低,中、低植覆盖区域被包裹着高植被覆盖区域生长。以高植被覆盖区域为中心向外发散,植被覆盖等级逐步降低。

图2 三屯河流域6期植被覆盖度分级Fig.2 Rating of vegetation coverage in Santun River Basin in six periods

3.2 植被覆盖度变化趋势及稳定性分析

3.2.1 植被覆盖度变化趋势分析

2000—2020年三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化分布如图3所示,三屯河流域植被覆盖情况整体呈现出改善的趋势,植被覆盖表现为改善的区域占比39.58%,其中极度改善的区域占比3.49%,主要以斑块的形式分布于下游多处,中游少量区域及上游周边区域;中度改善的区域占比7.35%,主要分布在极度改善周围,上、中、下游均有分布;轻微改善的区域占比28.74%,遍布整个三屯河流域,其中以上游与中游地区分布最为广泛。植被覆盖表现为衰退的区域占比11.80%,其中极度衰退的区域占比1.16%,主要分布在下游区域,呈大面积斑块状;中度衰退的区域占比2.52%,仍主要分布的下游地区,上游地区也存在零星分布;轻微衰退的区域占比8.12%,分布在上游流域边界周围,呈半包围状包围上游,于中下游交接处大面积片状分布;植被覆盖未改变区域站总区域的48.62%,可见改善大于衰退,三屯河流域植被覆盖呈改善变化趋势。

图3 三屯河流域植被覆盖度绝对空间变化分布Fig.3 Distribution of absolute spatial change of vegetation coverage in Santun River Basin

3.2.2 植被覆盖度稳定性分析

为分析研究区2000—2020年植被覆盖的的稳定性,绘制三屯河流域植被覆盖稳定性图(图4),经统计分析发现在三屯河流域内大部分地区的植被覆盖度处于弱变异与中等变异,只有零星少部分地区处于强变异。弱变异地区主要分布在上游地区,中等变异近乎涵盖整个流域,强变异主要散乱分布在上游高海拔流域边界处与下游居民居住地。由此可见,三屯河流域植被覆盖整体相对稳定,植被覆盖表现为强变异,除了受到自然因素的影响,还受到人为因素的影响。

图4 三屯河流域植被覆盖稳定性分析Fig.4 Stability of vegetation coverage in Santun River Basin

4 植被覆盖变化影响因素的讨论

三屯河流域是典型的半干旱地区,其植被覆盖变化受到自然因素与人类活动因素的共同的影响。

4.1 自然因素影响

三屯河流域属中温带大陆性半荒漠干旱气候,是典型的内陆半干旱地区。如图5所示,2000—2020年20 a间降水与气温均呈波动变化,降水量整体趋势表现为轻微下降,气温整体趋势呈上升状态;20 a间三屯河流域植被覆盖度呈上升趋势。据前人研究结果可知,气温的增高和降水的增加对新疆干旱区植被覆盖具有正向的促进作用[39-40],三屯河流域的主要补给方式是大气降水和冰川融水,气温升高导致的冰川消融对三屯河流域水资源的补给贡献了一定力量,同时,2011年中央一号文件提出的水资源政策有效控制了地下水的过度开采,也为区域植被的增加提供了水资源保障。

图5 三屯河流域气温、降水及植被覆盖变化趋势Fig.5 Changes in temperature,precipitation and vegetation coverage in the Santun River Basin

4.2 人类活动因素影响

人类因素对植被覆盖的影响主要表现在土地利用类型的改变上。为分析研究区20 a间土地利用的变化情况,对2000年与2020年土地利用数据进行处理,得到2000—2020年土地利用类型面积转移矩阵(表1),用以分析三屯河流域2000—2020年20 a间不同地类之间的面积转换情况。如表1所示,2020年较2000年相比,经过转入转出换算后可知,草地面积增加141.88 km2,城乡工矿面积增加34.97 km2,耕地面积增加36.98 km2,林地面积减少166.87 km2,水域面积减少118.90 km2,未利用土地面积增加71.93 km2。根据转移矩阵的计算结果可知,转入为草地的各类土地中,林地的贡献率最大,高达59.95%,通过查阅资料可知20 a间三屯河流域未发生大面积森林火灾,故林地林地向草地的转入可认定为人为因素对植被覆盖的逆向影响。随着城市化的发展,由草地和耕地的转入导致城乡工矿面积的增加也可视为人为因素对植被覆盖的逆向影响。20 a间林地转入面积全部来自草地转入,转入为耕地的各类型土地中,草地的贡献率高达64.06%,而研究区主要的种植作物包括玉米、籽用葫芦及葡萄,单位面积植被覆盖度明显高于草地,这表明在人为因素对植被覆盖情况具有正向影响。未利用土地向耕地的转移可以视为人为因素对植被覆盖的正向影响。总体上看,各类型的土地类型的转移是交替进行的,但这种转移对植被覆盖的正向影响大于逆向影响,故研究区植被覆盖呈增长趋势。因此除了自然因素影响下植被短期的变化外,人类活动也是影响植被覆盖长期演化趋势的一个重要因素。

表1 2000—2020年土地利用类型面积转移矩阵Table 1 Transfer matrix of land use type area in 2000-2020

5 结 论

本文定量分析了三屯河流域2000—2020年20 a间植被覆盖的时空变化特征,并对其变化趋势与稳定性进行了分析,得到如下结论:

(1)时间上,三屯河流域植被覆盖度呈现出逐年增长趋势,特别是2012—2015年的年均增长速度为4.93%/(10 a),除2012年外,其余年份植被覆盖较前一期相比均为上升趋势,2012年植被覆盖出现下降趋势可能是受到降水与气温的影响;空间上,三屯河流域各年份植被覆盖度分布表现出一定的规律性,流域内植被覆盖两端高、中间低,呈大面积片状分布,低植被覆盖包裹着高植被覆盖生长。

(2)三屯河流域植被覆盖整体的变化趋势为改善的趋势,改善区域占比39.58%,衰退区域占比11.80%,未改变区域占比48.62%;三屯河流域内植被覆盖整体相对稳定,弱变异与中等变异分布于流域内大部分地区,强变异零星分布在上游边界处与下游居住地。研究区植被覆盖表现为衰退的区域面积虽然较小,但应引起研究者及相关部门的关注。

(3)气温和降水对三屯河流域植被覆盖变化在短期内有一定的影响,但人类活动因素对研究区植被覆盖长期演化及趋势的影响更为直接,主要体现在土地利用类型的改变上。城市化的扩大及经济的发展造成部分林地植被退化是人类活动对三屯河流域植被覆盖的逆向影响;耕地的开垦扩张、林地种植是人类活动对三屯河流域植被覆盖的正向影响。总体上看,人类活动对三屯河流域植被覆盖的正向影响大于逆向影响,研究区植被覆盖呈增长趋势。研究区植被覆盖的增加有一部分贡献于由开垦草地导致的耕地的增加,但开垦会降低区域生态环境平衡,长期来说不利于区域植被稳定性及生态环境的长期可持续发展。