瑪麗艷姑麗·阿西穆，塔西甫拉提·特依拜，買買提·沙吾提，張 飛

（1．新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2．新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊830046）

植被是干旱區(qū)生態(tài)建設(shè)中的重要部分，而覆蓋度是評判生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)。植被覆蓋度不僅與區(qū)域水土流失、水資源儲備有關(guān)，還與水環(huán)境質(zhì)量，空氣質(zhì)量等密切相關(guān)［1－3］。植被狀況和植被覆蓋的變化從一定程度上反映了氣候變化的趨勢，是生態(tài)環(huán)境研究的熱點之一［4－5］。遙感技術(shù)以其信息量大、觀測范圍廣、精度高、速度快以及實時性和動態(tài)性等特點為開展植被監(jiān)測和評估提供了有效的手段［6－8］。國內(nèi)外利用遙感技術(shù)，監(jiān)測植被動態(tài)變化并制圖及用Markov模型預(yù)測方面，已作了大量的研究工作［9－13］。

渭干河—庫車河流域生態(tài)環(huán)境極其脆弱，具有農(nóng)牧交錯帶、森林邊緣帶以及沙漠邊緣帶等多種生態(tài)環(huán)境脆弱帶特征，是新疆最典型的荒漠綠洲區(qū)。近50a來，渭干河—庫車河三角洲天然綠洲面積逐年減小，鹽生、沙生植被死亡，植被稀疏等問題引起了一系列水文和生態(tài)環(huán)境變化，這些變化已嚴(yán)重制約了綠洲的可持續(xù)發(fā)展和人居環(huán)境的可持續(xù)改善。本文利用3期遙感影像數(shù)據(jù)，定量分析渭干河—庫車河流域植被覆蓋度的多年變化，并且應(yīng)用Markov測模型預(yù)測未來25a的植被覆蓋度變化情況，揭示渭干河—庫車河流域多年來植被覆蓋的數(shù)量變化和空間變化特征，明確其變化的方向，對正確評價植被變化的發(fā)展過程和狀態(tài)，對綠洲的水土資源管理和可持續(xù)利用決策及生態(tài)環(huán)境保護具有科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

1．1 研究區(qū)概況

渭干河—庫車河三角洲（以下簡稱渭庫綠洲）位于天山中部南麓，塔里木盆地北緣，包括庫車縣，新河縣和沙雅縣3個縣區(qū)，是一個典型而完整的扇形平原綠洲。研究區(qū)內(nèi)的植被為多汁肉質(zhì)鹽生灌叢和泌鹽植物，主要有鹽穗木（Halostachyscaspica），鹽節(jié)木（Halocnemumstrobilaceum），鹽爪爪 （Kalidium Foliatum），駱 駝 刺 （Alagipseudoalhagi）、檉 柳（Tamarixchinensis）及 胡 楊 （EuphratesPoplar）。渭庫綠洲氣候干旱，蒸發(fā)強烈，為典型的綠洲農(nóng)業(yè)，農(nóng)作物生長全靠灌溉［14－15］。

1．2 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本文所采用的數(shù)據(jù)為3個時期的遙感影像，包括1989年9月25日，和2011年9月6日Landsat 5的TM影像和2001年8月1日Landsat 7的ETM＋影像，選用的遙感影像質(zhì)量良好，均攝于農(nóng)作物、天然植被以及人工植被生長較好的時期，不同時期的植被狀況具有可比性，對研究區(qū)的植被生長狀況具有一定的代表性。利用遙感影像處理軟件ENVI 4．5將這些影像的分辨率轉(zhuǎn)換為30m后，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、幾何校正、大氣校正、圖像增強等圖像預(yù)處理操作。另外，實地調(diào)查數(shù)據(jù)為2007—2011年間在渭庫綠洲進(jìn)行6次相同標(biāo)準(zhǔn)的野外考察的植被類型、植被覆蓋度等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

本文利用3個時期Landsat TM／ETM＋數(shù)據(jù)定量分析研究區(qū)域的植被覆蓋度變化情況，最后利用Markov模型對研究區(qū)未來25a內(nèi)的植被覆蓋度動態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測。

2．1 Markov模型原理

Markov分析是利用某一系統(tǒng)的現(xiàn)在狀況及其發(fā)展動向，預(yù)測該系統(tǒng)未來狀況的一種概率預(yù)測分析方法與技術(shù)［16］。Markov過程的基本假定條件為：系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣不隨時間變化而變化，狀態(tài)轉(zhuǎn)移僅受前一狀態(tài)影響，即無后效性，在Markov鏈中，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移可用概率矩陣P表示：

系統(tǒng)從t到t＋1時刻，狀態(tài)Ei轉(zhuǎn)移為Ej的頻數(shù)nij之比，則為其轉(zhuǎn)移概率：

Markow預(yù)測模型可以根據(jù)初始時刻各種狀態(tài)的概率，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，預(yù)測以后任一時刻的狀態(tài)概率［17］。

2．2 Markov模型預(yù)測植被覆蓋度

2．2．1 歸一化植被指數(shù)（NDVI）的計算及其與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換 NDVI（normalized difference vegetation index，歸一化植被指數(shù)）是植物生長、覆蓋、生物量和植被種類情況等的綜合反映，與植被分布密度呈線性相關(guān)［18－19］。本文利用植被覆蓋度計算公式［20］：

Vc＝（NDVI－NDVImin）／（NDVImax－NDVImin）式中：Vc——植被覆蓋度；NDVImax——歸一化植被指數(shù)（NDVI）最大值；NDVImin——歸一化植被指數(shù)（NDVI）最小值?？紤]到影像存在噪聲，在NDVI頻率累計表上取頻率為0．5%的值為NDVImin，取頻率為99．5%的值為NDVImax。

2．2．2 植被覆蓋度分級 參考前人的植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)［9，17，21］，結(jié)合野外植被調(diào)查資料，制定渭庫綠洲植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)（表1）。根據(jù)植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)，得到覆蓋度等級圖（圖1），然后計算得到植被覆蓋面積及覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣（表2）。

表1 渭庫綠洲植被覆蓋度分級

圖1 渭庫洲綠洲植被覆蓋度等級

表2 渭庫綠洲在1989－2001年間不同覆蓋度等級植被的面積變化

表2說明，1989—2001年12a間，除了高覆蓋度植被（Ⅰ級）負(fù)增加以外，中覆蓋度（Ⅱ級）、低覆蓋度（Ⅲ級）、極低覆蓋度（Ⅳ級）植被面積均呈現(xiàn)正增加，其增加面積分別為－0．086萬 hm2，0．070 6萬 hm2，0．064 1萬 hm2，0．894 8萬 hm2。從年均增減量來看，高覆蓋度植被（Ⅰ級）增加面積（負(fù)增加）最大，中覆蓋度植被（Ⅱ級）最小。可見在1989—2001年時間段內(nèi)渭庫綠洲植被退化較嚴(yán)重。

表3 渭庫綠洲在2001－2011年間不同覆蓋度等級植被的面積變化

由表3中可知，2001—2011年10a間，除了極低覆蓋度植被（Ⅳ級）負(fù)增加以外，高覆蓋度植被（Ⅰ級），中覆蓋度植被（Ⅱ級），低覆蓋度植被（Ⅲ級）面積均呈現(xiàn)正增加，其增加面積分別為－0．638 2萬hm2，0．104 2萬 hm2，0．070 6 萬 hm2，0．466 4 萬hm2。從年均增減量來看，極低覆蓋度植被（Ⅳ級）增加面積（負(fù)增加）最大，中覆蓋度（Ⅱ級）最小?？梢娫?001—2011年時間段渭庫綠洲植被有一定的恢復(fù)，說明本地區(qū)生態(tài)保護措施起了一定的作用。

2．2．3 轉(zhuǎn)移概率的確定及模型檢驗 選用2001—2011年間的轉(zhuǎn)移狀況及轉(zhuǎn)移概率，利用Markov模型預(yù)測2001年和2011年植被覆蓋（表4），將2001年的遙感影像圖的分類結(jié)果設(shè)為初始狀態(tài)，2011年的遙感影像圖的分類結(jié)果設(shè)為最終狀態(tài)，分別計算植被覆蓋類型轉(zhuǎn)化的像元數(shù)，得到2001—2011年間渭庫綠洲植被轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣（表5）。根據(jù)公式計算出2001—2011年間渭庫綠洲植被轉(zhuǎn)移狀況矩陣，最后將10a間的轉(zhuǎn)移概率進(jìn)行平均化，得到年均轉(zhuǎn)移概率矩陣（表6）。根據(jù)Markov模型的獨立假設(shè)檢驗公式，可以計算出－2lnλ＝15218789。再根據(jù)表1，將植被覆蓋度分為4個等級，序列自由度為λ＝9，選擇置信水平σ＝0．005時，查χ2分布表得23．589，顯然15218789＞23．589可以拒絕獨立假設(shè)，說明不同年份植被覆蓋度之間存在相關(guān)性，即狀態(tài)之間有關(guān)聯(lián)。

表4 2001－2011年的植被覆蓋度統(tǒng)計

表5 2001－2011年間渭庫綠洲植被類型轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣

表6 2001－2011年間渭庫綠洲植被類型轉(zhuǎn)移概率矩陣

2．3 預(yù)測結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)測模型，獲得未來25a的植被覆蓋度面積（表7）。預(yù)測結(jié)果表明：若植被覆蓋度平均轉(zhuǎn)移概率保持不變，在未來25a內(nèi)，在植被覆蓋總面積為92．404 8萬hm2情況下高覆蓋度植被2015年為28．543 8萬hm2占總面積的30．89%，低覆蓋度植被為28．941 2萬 hm2，占總面積的31．32%，極低覆蓋植被7．207 6萬 hm2，占總面積的7．80%；而到2030年為高覆蓋度植被面積是17．593 9萬hm2占總面積的19．04%，低覆蓋度植被面積是36．758 6萬hm2，占總面積的39．78%，極低蓋度植被面積為7．392 4萬hm2，占總面積的8．00%，這期間，變化幅度最大的為高覆蓋度植被，減少了11．86%，次之是低覆蓋度植被增加了8．64%。表明渭庫河綠洲的植被覆蓋度將有一定的減少趨勢，生態(tài)環(huán)境將會有一定的惡化。造成上述植被覆蓋度變化的主要驅(qū)動因素為自然因素、人為因素以及經(jīng)濟利益和政策［21］。

表7 渭庫綠洲植被覆蓋度變化預(yù)測

3 結(jié)論與討論

本文利用3期遙感圖像數(shù)據(jù)，定量分析評價了植被覆蓋度的多年變化，并且應(yīng)用Markov模型預(yù)測未來25a內(nèi)渭庫綠洲植被覆蓋度變化情況。研究顯示：在1989—2001年12a間，高覆蓋度植被（Ⅰ級）呈現(xiàn)減小趨勢，中覆蓋度植被（Ⅱ級）、低覆蓋度植被（Ⅲ級）和極低覆蓋度植被（Ⅳ級）均呈增加趨勢，植被退化比較嚴(yán)重；而2001—2011年的10a間，高覆蓋度植被（Ⅰ級）從負(fù)增長逐漸變?yōu)檎鲩L，中覆蓋度植被（Ⅱ級）、低覆蓋度植被（Ⅲ級）均增加，而極低覆蓋度植被（Ⅳ級）從正增長逐漸變?yōu)樨?fù)正增長，在此期間本研究區(qū)植被恢復(fù)比較好。1989—2011年的21a間，總體而言，高覆蓋度植被（Ⅰ級）總體減小，減少面積為0．929 3萬hm2，中覆蓋度植被（Ⅱ級）、低覆蓋度植被（Ⅲ級）、極低覆蓋度植被（Ⅳ級）面積均增加，增加面積分別為0．141 2萬hm2，0．530 5萬hm2，0．257 0萬hm2。

25a內(nèi)高覆蓋度植被面積會減少，而中覆蓋度植被、低覆蓋度植被、極低覆蓋度植被面積均有增加趨勢，其中低植被覆蓋度的增加趨勢比較明顯。這些變化表明，雖然局部生態(tài)環(huán)境有一定改善，但整體生態(tài)環(huán)境仍呈惡化趨勢。對于綠洲植被這種變化就暴露出了這樣一個問題：當(dāng)?shù)厝嗣耠m然很重視治沙，在過渡帶和沙漠的交接處植樹造林，提高植被覆蓋度［22］，但是沒有保護好原有的綠洲，不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致了植被蓋度非常好的綠洲退化，形成了潛在的沙漠化地帶，使整個綠洲的環(huán)境質(zhì)量下降，生態(tài)環(huán)境也進(jìn)一步惡化，加之對流域開發(fā)和水資源利用缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。有資料表明，該地區(qū)由于人口和耕地的急劇增長，兼之極不合理的利用水資源，給本已有限的水資源帶來了巨大的壓力。以塔里木河為例，上中游大量引水，導(dǎo)致水質(zhì)咸化，河道流程縮短，造成水量極大浪費，1995年流水河道縮短了320km，下游水量銳減甚至斷流，以至下游地區(qū)湖泊干涸，植被枯死，引起風(fēng)蝕與流沙的擴展，因此，綠洲地下水過量開采，導(dǎo)致沙漠邊緣植被用水無法保證，出現(xiàn)植被生長衰退的現(xiàn)象［23］。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對環(huán)境保護，生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識的不斷提高，今后本地區(qū)應(yīng)該堅持大搞農(nóng)田基本建設(shè)，開展各種造林活動，使本地區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境得到改良、恢復(fù)，呈現(xiàn)新的發(fā)展。

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