許玉鳳，楊 井，陳亞寧，楊雅雪

（1.荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

植被覆蓋在很大程度上代表了生態(tài)環(huán)境總體狀況［1］。準(zhǔn)確獲取地表植被覆蓋信息，對(duì)揭示地表空間變化規(guī)律、探討變化驅(qū)動(dòng)因子和分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義［2－3］。在大尺度植被變化的研究中，遙感數(shù)據(jù)因其在時(shí)間和空間上的絕對(duì)優(yōu)勢成為主要的有效數(shù)據(jù)源［4］。歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被分布密度呈顯著線性相關(guān)［5］，可以定量地反映生態(tài)環(huán)境改善或者退化情況，是目前研究植被覆蓋廣泛使用的植被指數(shù)指標(biāo)［6－7］。利用遙感技術(shù)提取NDVI估算植被覆蓋度，可以不完全依賴于實(shí)測的植被覆蓋度數(shù)據(jù)［8－9］，是監(jiān)測地區(qū)或全球植被和生態(tài)環(huán)境變化的有效指標(biāo)［10］，是評(píng)估生態(tài)保護(hù)措施、環(huán)境管理政策的重要基礎(chǔ)［11］。MODIS／NDVI數(shù)據(jù)和AV HRR／NDVI數(shù)據(jù)是兩種主要的研究植被覆蓋變化的遙感數(shù)據(jù)源。

新疆維吾爾自治區(qū)位于我國干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候變化和氣候的短期振動(dòng)的敏感性較高［12］；區(qū)內(nèi)植被稀少、水土流失嚴(yán)重、荒漠化等一系列的生態(tài)環(huán)境問題亟待解決［13］，因此，深入研究其植被覆蓋變化對(duì)于揭示區(qū)域環(huán)境狀況的演變與變遷有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)新疆植被覆蓋狀況的研究有了大量成果。其中，利用AVHRR／NDVI數(shù)據(jù)的研究成果主要有：張生軍等［12］和趙霞等［14］研究了新疆不同植被類型NDVI的季節(jié)變化及其與溫度、降水的相關(guān)程度；李秀花等［15］研究了新疆地區(qū)的NDVI與年降水量、相對(duì)濕度、年均溫的相關(guān)程度；師慶東等［16］對(duì)新疆山地和平原的植被變化進(jìn)行了研究；王智等［17］研究了新疆山地－綠洲－荒漠系統(tǒng)植被覆變蓋化時(shí)空特征。利用MODIS／NDVI進(jìn)行研究的成果主要有：邢文淵等［18－19］研究了哈密綠洲植被遙感監(jiān)測和巴里坤草原面積的動(dòng)態(tài)變化；蒲云錦和韓春光［20］分析了MODIS NDVI數(shù)據(jù)對(duì)氣象因子的響應(yīng)；潘光耀等［21］基于MODIS數(shù)據(jù)研究了策勒綠洲－沙漠過渡帶的變化及其成因；李霞等［22］利用MODIS數(shù)據(jù)研究了北疆不同草地類型植被指數(shù)的時(shí)空變化。

以上研究主要利用一種數(shù)據(jù)源對(duì)新疆植被覆蓋進(jìn)行研究，但單一數(shù)據(jù)源時(shí)間跨度有限。利用GI MMS NDVI數(shù)據(jù)主要是研究1982－2006 年間的植被覆蓋狀況，利用MODIS 數(shù)據(jù)僅能研究近十幾年的植被覆蓋狀況。鑒于此，本研究對(duì)GI MMS NDVI和MOD13 A3 兩種數(shù)據(jù)源進(jìn)行擬合，獲得1982－2013年長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，采用趨勢分析、時(shí)空分析等方法研究新疆植被覆蓋的時(shí)空格局及其變化特征；而且由于新疆地域差異顯著，用整體狀況分析問題可在一定程度上說明問題，但也會(huì)忽略不同區(qū)域的具體狀況，利用植被重心理論揭示新疆全區(qū)和不同區(qū)域植被活動(dòng)的演變軌跡，以期為新疆生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于我國西北邊陲，歐亞大陸中部，面積1.66×106k m2。地貌輪廓為“三山夾兩盆”。北部阿勒泰山、中部天山、南部昆侖山發(fā)育有大面積的森林和草地植被，準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地分布有典型的溫帶荒漠植被，綠洲和城市主要分布在河谷平原區(qū)。

新疆屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，降水稀少且分布不均，北疆在150～200 mm，南疆不足100 mm，西部伊犁地區(qū)的降水量相當(dāng)于東部哈密地區(qū)的6倍。新疆是我國干旱區(qū)的主體，有典型的山地－綠洲－荒漠生態(tài)系統(tǒng)。綠洲是新疆生產(chǎn)生活的主要載體，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴灌溉，農(nóng)田灌溉面積占耕地面積的80%以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

GI MMS NDVI數(shù)據(jù)來源為“寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：／／west dc.westgis.ac.cn）”。其時(shí)間分辨率為15 d，空間分辨率為8 k m×8 k m，時(shí)間跨度為1982－2006年。采用最大值合成法得到1982－2006年逐月NDVI數(shù)據(jù)。

MODIS數(shù)據(jù)為美國NASA 提供的MODIS／Terra MOD13A 3月植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率為1 k m×1 k m，時(shí)間跨度為2001－2013年，投影格式為Sinusoidal（正弦曲線投影）。對(duì)下載影像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和拼接，然后利用Arc GIS等圖像處理工具對(duì)拼接好的圖像按照行政邊界進(jìn)行裁剪。對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到分辨率為8 k m×8 k m 的逐月NDVI研究圖像。

土地覆蓋分類數(shù)據(jù)來源于美國NASA 提供的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MCD12Q1），IGBP（Inter national Geosphere－Biosphere Pr ogramme）分類標(biāo)準(zhǔn)，每年一次，空間分辨率為500 m。已有研究表明，IGBP土地覆蓋分類數(shù)據(jù)在中國區(qū)域有較高的整體分類精度［23］。

圖1 2010年新疆農(nóng)田和草地分布圖Fig.1 The location of study area and spatial distribution of aver age NDVI from 1982 to 2013

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法 每年5－10月份的生長季NDVI數(shù)據(jù)利用通過最大值合成法MVC（Maximu m Val ue Co mposites）獲得，它可以進(jìn)一步消除云、大氣等干擾。生長季的NDVI最大值代表一年內(nèi)植被最茂盛時(shí)期的NDVI值，其變化可以反映氣候和人為因素導(dǎo)致的植被年際變化［24］。

1.3.2 GI MMS NDVI延長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的獲取 已有研究［25－26］表明，一元線性回歸模型擬合兩種遙感數(shù)據(jù)可以用于延長時(shí)間序列。本研究利用AV HRR－GI MMS 和MODIS兩種數(shù)據(jù)源重合階段（2001－2006年）的月數(shù)據(jù)，建立基于像元的一元線性回歸模型。利用獲得的2007－2013年擬合數(shù)據(jù)，對(duì)1982－2006 年GI MMS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行延長。兩種數(shù)據(jù)的一元線性回歸模型的結(jié)構(gòu)形式為：

式中，使用最小二乘法對(duì)參數(shù)a、b進(jìn)行估計(jì)，ε為隨機(jī)誤差。參數(shù)a、b擬合值表達(dá)式為：

1.3.3 植被覆蓋變化趨勢分析 利用1982－2013年間生長季NDVI的綠度變化率（即），分析年際間植被覆蓋變化狀況和時(shí)空變化特征，其計(jì)算公式為：

式中，k為生長季植被綠度變化率，n為研究期年數(shù)，Ci為第i年生長季的NDVI。k 為正表示植被生長狀態(tài)呈現(xiàn)改善趨勢，否則表示植被生長狀態(tài)呈現(xiàn)退化趨勢。

1.3.4 植被重心演變 重心，即加權(quán)平均中心，通過其變化揭示事物在空間上的不均衡分布規(guī)律［27］。利用NDVI值作為重心的加權(quán)系數(shù)，揭示新疆全區(qū)及其不同區(qū)域的植被活動(dòng)的演變軌跡［28］。其計(jì)算公式為：

式中，X，Y 為用經(jīng)緯度表示的某年植被分布的重心坐標(biāo)；Xi，Yi為某一像元中心的經(jīng)緯度，Wi為該像元的NDVI值。

2 結(jié)果與分析

2.1 GI MMS NDVI數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)

本研究對(duì)2001－2006 年GI MMS NDVI數(shù)據(jù)和應(yīng)用MODIS NDVI數(shù)據(jù)模擬獲取的擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)。首先基于全區(qū)的53個(gè)氣象站點(diǎn)提取兩種數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)像元的6年中每年生長季的ND－VI值（圖2A），兩種數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.944 3（P＜0.001）。然后基于研究區(qū)對(duì)6年中每年所有對(duì)應(yīng)像元差值大小統(tǒng)計(jì)分析，看出差值基本集中在±0.1以內(nèi)，相對(duì)差值均在10% 以內(nèi)（圖2B）。一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，基于一元線性回歸模型，應(yīng)用MODIS NDVI數(shù)據(jù)對(duì)GI MMS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列擬合，兩種數(shù)據(jù)擬合效果較好，說明2007－2013 年NDVI延長數(shù)據(jù)可用于1982－2006 年GI MMS NDVI數(shù)據(jù)的延長，建立的1982－2013年長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集可以進(jìn)行植被覆蓋變化研究。

2.2 植被覆蓋分布特征

2.2.1 植被覆蓋的時(shí)間變化特征 對(duì)新疆全區(qū)NDVI大于0.1的像元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到生長季NDVI數(shù)值在0.29～0.34。新疆植被覆蓋整體呈增長趨勢，增速為0.08·10a－1（圖3）。植被NDVI與年份變化之間的相關(guān)系數(shù)為0.514（P＜0.001）。從年際變化來看，20世紀(jì)80年代的總體變化呈上升趨勢，1986年以前增長較緩慢，1986年之后迅速增長，但在1989年有一個(gè)較大的下降；進(jìn)入90年代以后，除1991、2000年有大的下降外，其他年份NDVI值均較高，1996 年達(dá)到這一階段的最大值；與80年代相比，90 年代的波動(dòng)性較大，但波幅較小。進(jìn)入21世紀(jì)后，植被變化的波動(dòng)雖然較大，但NDVI增加趨勢明顯，2013年出現(xiàn)峰值。

圖2 GI MMS模擬NDVI與GI MMS NDVI像元一致性檢驗(yàn)Fig.2 Consistency check for constructed ti me series NDVI

圖3 1982－2013年新疆生長季NDVI變化Fig.3 Inter－annual variation of NDVI in growing season from 1982 to 2013

2.2.2 植被覆蓋變化的空間分布特征 利用1982－2013年的生長季NDVI平均值的空間分布來說明新疆植被覆蓋空間分布特征（圖4）。新疆生長季NDVI空間分布特征表現(xiàn)為西部和西北部高、東部和東南部低。西部和西北部的山地森林、草地分布區(qū)以及天山北坡綠洲的農(nóng)作物、草地等屬于NDVI高值區(qū)；東南部和東部主要為塔克拉瑪干沙漠、庫姆塔格沙漠和戈壁，植被分布稀少，NDVI值很低，只有沙漠邊緣的綠洲有農(nóng)作物、草地和林地分布，NDVI值較高。NDVI值小于0.1 的區(qū)域是沙漠、戈壁、水體等無植被區(qū)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，植被覆蓋區(qū)域占新疆總面積的40.57%，無植被區(qū)域占59.43%。其中，低值區(qū)域（NDVI值在0.1～0.4）占總面積的31.61%，NDVI值在0.4～0.5的區(qū)域占4.16%，NDVI值在0.5～0.6的區(qū)域占3.14%，NDVI值大于0.6 的區(qū)域占1.66%。

圖4 1982－2013年新疆生長季NDVI平均值空間分布Fig.4 The distribution of mean growing season NDVI in Xinjiang from 1982 to 2013

圖5 1982－2013年新疆生長季NDVI綠度變化率分布Fig.5 The greenness rate of change of inter－annual NDVI from 1982 to 2013

2.2.3 植被覆蓋變化趨勢分析 為了反映1982－2013年新疆生長季NDVI變化的空間特征（圖5），將－0.001＜k＜0.001規(guī)定為基本不變的區(qū)域，占全區(qū)總 面積的67.71%；k＜－0.001的區(qū)域?yàn)橥嘶瘏^(qū)域，占全區(qū)總面積的21.12%；k＞0.001的區(qū)域?yàn)楦纳茀^(qū)域，占全區(qū)總面積的11.16%?；静蛔兊膮^(qū)域主要分布在塔里木盆地中部、準(zhǔn)噶爾盆地的北部和東部、新疆東部等廣大的沙漠戈壁區(qū)；趨于改善的區(qū)域主要分布在塔里木盆地西部綠洲和南部山地的北坡、準(zhǔn)噶爾盆地中部和南部、伊犁河沿岸等區(qū)域，主要為農(nóng)作物種植區(qū)。植被退化區(qū)域主要分布在伊犁河谷、塔城地區(qū)、阿爾泰地區(qū)、天山大部分地區(qū)和南部山地的草原分布區(qū)。1982－2013 年新疆地表植被覆蓋改善的區(qū)域大于植被退化的區(qū)域。

2.3 植被活動(dòng)的重心演變軌跡

近幾十年來，受氣候變化、人類活動(dòng)的影響，新疆植被生長條件發(fā)生變化，使得新疆植被生長活動(dòng)的重心位置有所改變。植被生長重心在32年內(nèi)有明顯的由北向南移動(dòng)的總體趨勢（圖6A）。1982－2013年間，重心移動(dòng)距離達(dá)到56.97 k m。按照重心轉(zhuǎn)移幅度將研究時(shí)期分為3個(gè)階段，即1982－1990年和2000－2013年重心移動(dòng)幅度較大，尤其2009年東移距離較大，1991－2000年重心移動(dòng)距離較小。

圖6 新疆植被覆蓋重心演變軌跡Fig.6 The evolution path of gravity center of vegetation in Xinjiang

新疆植被重心的這種現(xiàn)象是南疆和北疆的自然、經(jīng)濟(jì)條件差異的綜合體現(xiàn)，其重心變化趨勢是兩者共同作用的結(jié)果。北疆植被重心表現(xiàn)為西南－東北方向移動(dòng)（圖6B），1982－1990年期間向東北方向的移動(dòng)幅度較大，其中1988 年移動(dòng)幅度較大；1991－2006年向西南方向移動(dòng)，2006年移動(dòng)幅度最大；2007－2013年期間開始迂回向東北方向移動(dòng)。

南疆植被重心表現(xiàn)為近似東西方向移動(dòng)（圖6）。1982－1991年期間表現(xiàn)為向西南方向移動(dòng)，主要是塔里木河上游的植被得到顯著改善。1991－2000年期間，開始向東移動(dòng)，2000－2009年期間向東移動(dòng)幅度較大，尤其是2009年達(dá)到歷年最東部的位置。2010之后開始迂回向西南移動(dòng)。

3 討論

此前許多學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)新疆植被生長變化進(jìn)行了研究。師慶東等［16］利用NOAA／GI MMS NDVI數(shù)據(jù)研究表明，1982－2000年新疆的山地和平原的森林、綠洲等植被均有改善；王智等［17］利用NOAA／GI MMS NDVI數(shù)據(jù)研究了1982－2006年新疆山地－綠洲－荒漠系統(tǒng)植被覆蓋變化時(shí)空特征，發(fā)現(xiàn)新疆植被覆蓋總體呈顯著上升趨勢，區(qū)域差異顯著；張生軍等［29］利用1982－2003 年GI MMS NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)22年間新疆植被NDVI年際變化總體上呈顯著增長趨勢，且NDVI顯著增加的區(qū)域在準(zhǔn)噶爾盆地南緣和塔里木盆地西南緣；郭鵬和徐麗萍［30］利用1982－2006年GI MMS NDVI數(shù)據(jù)研究了新疆植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化情況，認(rèn)為研究期間植被覆蓋主要呈現(xiàn)波浪式上升的良好增長趨勢，而且顯著增長區(qū)域主要在天山北坡中部和塔里木河流域；李聰?shù)龋?1］利用2004－2008年的MODIS數(shù)據(jù)研究表明，全疆植被覆蓋度呈上升趨勢，南疆地區(qū)低中覆蓋區(qū)植被有所增加，北疆伊犁地區(qū)高覆蓋區(qū)植被明顯減少，阿爾泰地區(qū)中覆蓋區(qū)有所減少；王桂鋼等［32］利用SPOT－VGT 數(shù)據(jù)研究新疆植被覆蓋變化，認(rèn)為1999－2008年間新疆植被總體呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢且具有明顯的空間差異性。本研究結(jié)論與以上研究一致。董印等［33］利用1998－2007 年SPOT－VGT 數(shù)據(jù)研究新疆植被覆蓋變化，認(rèn)為研究階段的新疆植被覆蓋狀況略有下降，植被改善面積小于退化面積，改善幅度較大的主要為綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，退化明顯的主要為森林、草地分布的山區(qū)，這一結(jié)論與本研究不一致，這可能與選取的研究階段有直接的關(guān)系，但明顯改善和退化的區(qū)域與本研究基本一致，說明區(qū)域總體變化趨勢還是一致的。

利用最近十幾年的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的成果，主要是關(guān)于新疆局部區(qū)域的植被覆蓋變化。刑文淵等［19］利用2003－2012年的MODIS數(shù)據(jù)研究了新疆巴里坤草原面積變化，認(rèn)為高草覆蓋草地面積保持相對(duì)穩(wěn)定；中覆蓋草地面積年際間變幅較大；低覆蓋草地與荒漠化草地在面積上呈現(xiàn)明顯的此升彼降的關(guān)系。潘光耀等［21］利用2001－2010 年MODIS數(shù)據(jù)研究了新疆策勒綠洲－沙漠過渡帶，認(rèn)為過渡帶的植被略有改善，基本保持其自身的穩(wěn)定。閆俊杰等［34］利用2000－2010年MODIS數(shù)據(jù)對(duì)新疆伊犁河谷植被覆蓋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)伊犁河谷內(nèi)植被覆蓋減小的區(qū)域大于增加的區(qū)域，增加的區(qū)域主要位于伊犁河兩岸，減小的區(qū)域主要是在烏孫山兩端以及伊犁河谷周圍海拔2 000 m 左右的低山區(qū)域。這一結(jié)論與本研究關(guān)于這一區(qū)域的恢復(fù)和退化區(qū)域的分布一致。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國家實(shí)施的退耕還林還草等一系列生態(tài)恢復(fù)工程，對(duì)新疆植被的影響較大。與許多研究結(jié)果類似［16，29－31］，本研究發(fā)現(xiàn)新疆的總體植被狀況呈持續(xù)好轉(zhuǎn)狀態(tài)，尤其是2000－2013年的顯著增加，是植樹種草、退耕還林等一系列生態(tài)建設(shè)措施發(fā)揮了重要作用。張保慶等［35］對(duì)黃土高原植被覆蓋的時(shí)空變化研究有類似的研究結(jié)果，其研究發(fā)現(xiàn)，1999－2009年黃土高原NDVI年均值顯著增加，是大規(guī)模植被建設(shè)的實(shí)施促進(jìn)該區(qū)域植被生長。穆少杰等［36］對(duì)內(nèi)蒙古植被覆蓋變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)2001－2010年間內(nèi)蒙古地區(qū)一些主要的沙塵地由于植樹種草、禁牧輪牧和防沙治沙生態(tài)恢復(fù)措施的廣泛實(shí)施，植被呈持續(xù)好轉(zhuǎn)狀態(tài)；但是2000年之后植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢是由于年牲畜總頭數(shù)急劇上升，不斷增加的放牧壓力造成的。

本研究從總體上對(duì)新疆植被覆蓋狀況進(jìn)行了研究，對(duì)生態(tài)保護(hù)措施的制定提供了科學(xué)依據(jù)。但沒有對(duì)研究區(qū)植被改善和退化的原因進(jìn)行分析，對(duì)新疆全區(qū)及分區(qū)的植被重心移動(dòng)只是從現(xiàn)象上進(jìn)行了描述，對(duì)導(dǎo)致植被變化和植被重心轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力的確定有待于進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

本研究利用一元線性回歸模型對(duì)兩種遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，結(jié)合綠度變化率分析新疆地區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化分布特征。

研究結(jié)果顯示，近32年新疆生態(tài)環(huán)境總體呈現(xiàn)良性發(fā)展態(tài)勢，但階段性變化明顯。從空間分布來看，西部和西北部植被NDVI值較高，東部和東南部植被NDVI值較低。從地形條件來看，北部和中部山地植被NDVI值較高，塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地周圍的綠洲NDVI值較高，盆地中部的荒漠地帶植被NDVI值較低。從植被綠度變化率來看，植被覆蓋趨于改善的區(qū)域大于退化的區(qū)域；改善區(qū)域主要分布在農(nóng)作物種植業(yè)較發(fā)達(dá)的綠洲區(qū)，退化區(qū)域主要分布在草原分布區(qū)。從植被重心演變軌跡來看，整個(gè)研究區(qū)的植被移動(dòng)軌跡有由北向南移動(dòng)的趨勢；北疆植被重心轉(zhuǎn)移軌跡有由西南－東北方向移動(dòng)的軌跡；南疆植被重心移動(dòng)軌跡有由西向東移動(dòng)的趨勢。

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