閆俊杰， 黃 輝， 崔 東， 劉海軍， 陳 晨

(1.伊犁師范學院 生物與地理科學學院， 新疆 伊寧 835000； 2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所， 烏魯木齊 830001；3.中國科學院大學， 北京 100049； 4.伊犁哈薩克自治州氣象局， 新疆 伊寧 835000)

2001年～2015年伊犁河谷草地植被覆蓋度時空變化特征

閆俊杰1，2，3*， 黃 輝4， 崔 東1， 劉海軍1， 陳 晨1

(1.伊犁師范學院 生物與地理科學學院， 新疆 伊寧 835000； 2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所， 烏魯木齊 830001；3.中國科學院大學， 北京 100049； 4.伊犁哈薩克自治州氣象局， 新疆 伊寧 835000)

基于MODIS NDVI數據，利用像元二分模型反演植被覆蓋度，結合DEM數據及差值分析方法對伊犁河谷2001年～2015年草地植被覆蓋度的時空變化特征進行了研究.得出如下結論：1) 受持續(xù)畜牧超載及氣候條件惡化影響，2001年～2015年伊犁河谷草地蓋度持續(xù)降低，15 a內全區(qū)草地平均蓋度降低11.09%， 90.04%草地的植被蓋度出現不同程度的降低，但主要為降幅<0.10的輕度降低，1 000～2 250 m海拔范圍平均降幅最大；2) 草地蓋度變化主要表現在高覆蓋草地持續(xù)減少，以及蓋度降低草地的面積增大和降幅增高，并空間上逐步向高海拔區(qū)域延展.3) 得益于草地保護政策的實施，2010年～2015年植被蓋度降低速度明顯減慢，但其降低總趨勢未有改變.

草地植被變化； 像元二分模型； MODIS NDVI； 伊犁河谷

植被是陸地生態(tài)的主體[1]，在維持區(qū)域及全球環(huán)境穩(wěn)定與物質良性循環(huán)中扮演著重要角色[2-3]，陸地生態(tài)的動態(tài)變化必然會印證在植被的類型、數量或質量的改變上[4].植被覆蓋度不僅可以表征植被的茂密程度，而且還代表了植物進行光合作用面積的大小[1]，是表征陸地植被動態(tài)與質量變化的重要參數[1，5]，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，了解其對氣候環(huán)境變化及人類活動的響應和反饋作用，對陸地生態(tài)保護、恢復與重建具有重要指導意義.

遙感技術是目前區(qū)域植被覆蓋度提取的主要手段[6-7]，利用不同時間序列遙感數據，國內外學者對區(qū)域乃至全球的植被變化進行了廣泛研究.Myneni的研究表明，北半球中高緯度地區(qū)受氣候變暖影響植被活動顯著增強[8]，方精云及李飛等人的研究也證明近20～30 a我國的植被活動也在增強[9-10].新疆位于我國西北干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[11]，且對氣候變化和人類活動反應敏感[12]，其植被動態(tài)歷來被國內學者所關注，研究普遍認為新疆植被覆蓋呈增加趨勢[13].但新疆地形復雜，山地與盆地相間分布，發(fā)育有眾多以山地-荒漠-綠洲系統(tǒng)為基本單元的地理景觀，系統(tǒng)中山地、荒漠及綠洲子系統(tǒng)生態(tài)結構迥異，所受外界干擾也差異明顯，其中綠洲植被以農作物為主，外界干擾主要來源于人類活動[14]，而荒漠和山地植被以林灌草為主，同時受到氣候變化、冰川退縮、土地開墾、畜牧超載以及退耕還草(林)、圍欄禁牧、生態(tài)補水等諸多自然和人為干擾影響[15-17]，植被響應區(qū)域差異顯著[13].

伊犁河谷位于新疆西北，其東、北和南三面環(huán)山，西臨國界線，構成一個相對封閉的獨立地理單元.河谷內降水豐沛，草地植被發(fā)育，是河谷內的優(yōu)勢植被類型，且同時受自然和人為的多重復雜干擾影響[18-20]，是新疆天然植被的典型代表，然則，目前對其時空動態(tài)的研究鮮有報道，基于此，本文以伊犁河谷為研究區(qū)，利用2001年～2015年MODIS NDVI時間序列遙感數據，反演草地植被覆蓋度，以草地植被覆蓋度為評價指標，研究伊犁河谷草地植被動態(tài)特征及其空間分異，探討其影響因素，以期為揭示新疆植被動態(tài)及其對外界干擾的響應提供參考.

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于80°09′42″～84°56′50″E，42°14′16″～44°53′30″N 之間，地處歐亞大陸中心，地形復雜，河流縱橫(圖1)，受地形影響，河谷內降水豐沛，被稱為西域濕島.伊犁河谷氣候類型屬于溫帶大陸性氣候，但高山氣候特征明顯[21]，平原與山區(qū)氣候差異顯著[22]，從平原到山區(qū)降水變幅達200～1 000 mm，氣溫變幅為9.2～2.8℃[21].復雜的地形以及水熱條件的空間差異為植被多樣性發(fā)育提供了有利條件，河谷內發(fā)育有荒漠、草原、草甸、森林和隱域植被五大植被類型，草甸植被發(fā)育良好，是新疆優(yōu)質草場.然則，隨著伊犁河谷經濟的發(fā)展和人口的增加，人類活動對草地生態(tài)的干擾也不斷增強，由此引發(fā)多種草地退化問題，主要表現在草地面積減小[22-23]、生產力降低及毒害草蔓延[24]等方面.

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study area

2 材料與方法

2.1 數據來源及預處理

本文用到的NDVI數據為MODIS MOD13Q1產品，空間分辨率為250 m，時間序列為2001年1月～2015年12月.DEM數據為美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合分布的SRTM數據，其空間分辨率為90 m.氣象數據來自中國氣象局氣象數據中心，包括伊寧、昭蘇和尼勒克3個國家氣象站氣溫和降水的月合成數據.牲畜存欄數據來自《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計年鑒》和《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒》.草地分布數據通過對研究區(qū)2015年6～9月Landsat 8 OLI影像解譯獲得，以2015年草地分布界線來界定研究范圍，以規(guī)避草地轉變?yōu)榉遣莸睾笾脖簧w度變化對統(tǒng)計結果的影響.

對獲得的遙感數據除進行了數據格式轉換、鑲嵌、投影轉換及研究區(qū)提取等預處理處理外，為降低噪音信息對數據影響，還對NDVI數據進行了Savitzky-Golay濾波和MVC合成處理，獲得代表植被生長最好狀況的年NDVI數據.最后為保證多源遙感數據的匹配，將NDVI、DEM及草地分布柵格數據像元重采樣為50 m×50 m.對牲畜存欄數據中的山羊、驢、牛和馬數量分別按0.8、3、5和6的比例進行了折算，轉換為標準綿羊單位.

2.2 研究方法

2.2.1 植被蓋度反演與等級劃分 像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法[26]，其計算公式如下：

(1)

式中，Fc為植被覆蓋度，NDVIsoil為研究區(qū)純裸土像元NDVI值，NDVIveg為純植被像元NDVI值[26].參考前人經驗，分別取研究區(qū)NDVI圖像直方圖的5%處和95%處NDVI值代表NDVIsoil值和NDVIveg值[26-27].為與百分數區(qū)分，本文中覆蓋度值采用兩位小數表示.

為削弱單個年份植被生長隨機波動對草地動態(tài)分析的影響，本文將2001年～2015年的草地覆蓋度時間序列數據分為2001年～2005年、2006年～2010年及2011年～2015年3個時間段，計算其平均值，以平均值代表各個時段植被覆蓋水平，之后將各時段的草地按蓋度分為低覆蓋(<0.20)、中低覆蓋(0.20～0.40)、中覆蓋(0.40～0.60)、中高覆蓋(0.60～0.80)和高覆蓋(>0.80)5個蓋度等級.

2.2.2 差值分析 為分析伊犁河谷草地植被覆蓋度的時空變化，分別以2001年～2005年時段及2006年～2010年時段植被覆蓋度為基準進行差值計算，獲得2001年～2010年、2006年～2015年及2001年～2015年3個時期草地植被覆蓋度的變化數據，對其劃級和統(tǒng)計，分析其時空變化.詳細等級劃分及標準見表1.

表1 植被覆蓋度變化等級、標準及代碼

3 結果與分析

3.1 草地植被蓋度的整體特征及其變化

借助于IDL8.5開發(fā)平臺及Arcmap10.3分析軟件，根據植被覆蓋度反演方法及分級標準，制作了伊犁河谷3個時段及2001年～2015年15 a植被平均蓋度空間分布圖(圖2)，統(tǒng)計計算各等級面積和比例(表2，表3).

圖2 2001年～2015年3個時段草地植被蓋度等級圖Fig.2 Grades of grassland coverage in the three periods from 2001 to 2015

根據15 a的平均數據，伊犁河谷草地覆蓋等級以高覆蓋和中覆蓋為主，兩者的比例分別為43.32%和27.27%(表2).全區(qū)草地平均植被蓋度為0.69(表3)，屬于中高度覆蓋水平.在空間上，受降水分布影響，河谷內中高和高覆蓋草地總體分布在河谷北部、東部、西部以及河谷中部山脈的中山和高山地帶，而中、中低和低覆蓋草地則總體分布在喀什河、特克斯河和鞏乃斯河下游以及伊犁河河谷兩側的河谷平原和低山區(qū)(圖1，圖2).

表2 不同蓋度等級草地面積和比例統(tǒng)計表

2001年～2005年、2006年～2010年及2011年～2015年3個時段，伊犁河谷全區(qū)草地平均蓋度分別為0.73、0.68及0.65，植被蓋度逐步降低，15 a內共降低11.09%(表3).根據表2中統(tǒng)計結果，各等級類型中，高覆蓋草地減少最多，面積由161.43 ×104hm2逐步減少到了109.27 ×104hm2，減少52.16×104hm2，減少比例達32.31%；中高覆蓋草地則由72.07 ×104hm2增加到了98.48×104hm2，增加26.41 ×104hm2，增加比例為26.41%；低覆蓋草地面積增加10.36 ×104hm2，但增加比例高達80.69%，中和中低覆蓋草地面積分別增加6.33 ×104hm2和9.06 ×104hm2，增加了22.49%和23.91%.可見，近15 a年來伊犁河谷草地覆蓋呈現以高覆蓋草地面積減少及中高、中、中低和低覆蓋草地面積增加為主的退化趨勢，草地覆蓋逐步向低覆蓋等級轉換.在空間上，河谷北部的科古琴山、阿吾拉勒山西端及昭蘇盆地周圍是高覆蓋向中覆蓋轉換的集中區(qū)，而喀什河中游、特克斯河下游及伊犁河河谷兩側則是中覆蓋向中低覆蓋及中低覆蓋向低覆蓋轉換的集中區(qū).

表3 草地植被覆蓋度均值及變化

3.2 草地植被蓋度空間變化

圖3為伊犁河谷2001年～2015年內3個時期草地植被蓋度差值空間分布圖，從圖中可以看出，伊犁河谷草地植被蓋度降低區(qū)域占據了絕對比例.根據統(tǒng)計結果(表4)，2001年～2010年時期，植被蓋度降低區(qū)域面積占到草地總面積的82.71%，2001年～2015年時期植被蓋度降低區(qū)比例增加到了90.04%，幾乎覆蓋了伊犁河谷整個草地分布區(qū)，植被蓋度進一步降低.對比2001年～2010年及2006年～2015年兩個時期，植被蓋度未變化和增加的區(qū)域明顯增多，其比例也由17.29%增加到了30.69%，表明在2010年～2015年時段，草地植被蓋度減低的速度有所放緩，然則就圖3中2001年～2015年的差值圖來看，植被蓋度持續(xù)降低的趨勢并沒有改變.

對于植被蓋度變化的不同等級，蓋度降幅<0.10的輕度降低的比例和分布區(qū)域最大(圖3，表4),但降幅在0.10～0.30之間的中度減低的比例和范圍卻逐步增大，其比例由12.83%增加到了33.26%，增加了20.43%，增加將近1倍，其主體分布區(qū)域也由伊犁河北側的山前丘陵區(qū)擴展到了特克斯河、喀什下游及鞏乃斯河下游主要河流谷底兩側的平原、丘陵及低山區(qū)；未變化和增加區(qū)域的范圍和比例雖然在2006年～2015年時期有大幅提高，但對2001年～2015年整個時期來講，其比例卻分別由10.05%和7.24%減少到了4.97%和4.99%，空間上也僅有零星分布.可見伊犁河谷草地植被蓋度降低不僅分布區(qū)范圍擴大，而且降低幅度也逐步增高.

圖3 草地植被覆蓋度差值空間分布圖Fig.3 Spatial difference distribution of grassland vegetation coverage

等級2001年～2010年2006年～2015年2001年～2015年面積/(104hm2)比例/%面積/(104hm2)比例/%面積/(104hm2)比例/%重度降低007002007002056018中度降低400812831981634103883326輕度降低218206985196646295176805660未變化31401005455114571554497增加2263724503416121560499

3.3 草地植被蓋度變化的海拔分異

伊犁河谷地形與海拔控制著降水和氣溫的分布，進而決定其植被分布呈現明顯的垂直地域分異規(guī)律[28]，因次，有必要探討草地植被覆蓋度變化的海拔分異.借助IDL8.5開發(fā)平臺，按50 m高差對伊犁河谷高程進行劃帶，計算各高程帶內草地植被覆蓋度差值的平均值，分析草地植被覆蓋度變化隨海拔變化規(guī)律(圖4).

圖4為3個時期草地植被蓋度變化隨海拔的變化曲線，從圖中可以看出3條曲線的絕大部分位于植被蓋度差值的0刻度線以下，尤其是2001年～2010年和2001年～2015年的曲線，表明絕大部分海拔帶內的草地覆蓋度變化以降低為主，與上述分析結果一致.同時還可以看出，3條曲線表現出一致的變化規(guī)律，先是在低海拔區(qū)迅速下降，之后逐步上升，可見隨海拔高度的提升，草地蓋度變化逐步在減小.

對3條曲線進行對比分析，2006年～2015年時期草地蓋度降低幅度最小，該時期1 250～2 500 m海拔帶內草地蓋度降幅達最大，降幅度在0.04左右，草地蓋度增高區(qū)域則主要分布在500～1 000 m的海拔內；2001年～2010年時期，750～1 000 m海拔帶草地蓋度降低幅度最大，海拔跨度很窄的，降幅在0.08～0.10之間，該時期大部分海拔區(qū)草地蓋度的降低幅度位于0.03～0.06之間，3 000 m以上的高海拔區(qū)草地蓋度降低幅度在0.02左右；2001年～2015年時期的曲線是2001年～2010年時期及2006年～2015年時期的累積，該時段1 000～3 750 m的海拔范圍內曲線遠低于前兩個時期，表明植被蓋度降低幅度大幅增大.此外降低幅度大于0.04的分布區(qū)擴展到了3 750 m左右的高海拔區(qū)，蓋度降幅接近0.10的分布區(qū)域也擴展到了2 000 m 的海拔高度.上述分析表明，隨時間的推移，伊犁河谷不僅各海拔的草地蓋度的降低幅度逐步增加，而且降低幅度較高的草地的分布范圍也逐步向高海拔區(qū)域延展.

圖4 植被覆蓋度差值隨海拔高度變化曲線Fig.4 Plots of variation on grassland vegetation coverage along with the increase of altitude

3.4 影響因素

水熱條件的年際變化是影響植被動態(tài)的重要因素.伊犁河谷平原與山地水熱條件分異顯著，植物生長的脅迫條件迥異.低海拔的平原區(qū)高溫、干旱，水分是植物生長的主要限制因子，而高山區(qū)則正好相反.從圖5中伊犁河谷氣溫和降水的變化曲線來看，相對于2001年～2005年時段，2006年～2010年時段氣溫升高而降水減少，河谷低海拔區(qū)草地植被生長水熱脅迫加劇，在一定程度上成為河谷低海拔區(qū)草地蓋度降低的重要原因；2010年～2015年時段降水進一步減少而溫度也有所降低，水熱條件進一步惡化，致使蓋度降低面積進一步擴大；相對于2006年～2010年時段，2010年～2015年溫度降低且降水減少，植被生長條件惡化，但該時期內草地植被蓋度卻大幅提高，可以推斷人為因素的介入為草地植被的恢復提供了有利條件.

圖5 2001年～2015年伊犁河谷氣溫和降水變化曲線圖Fig.5 Variation curve of temperature and precipitation in Yili valley from 2001 to 2015

上述分析可見，不僅水熱條件的惡化促使了伊犁河谷草地植被蓋度的持續(xù)降低，人為因素也是其發(fā)生變化的重要原因.在草地退化的諸多人為影響的因素中畜牧超載的危害最為嚴重.據統(tǒng)計，2001年～2015年伊犁河谷牲畜存欄量由1 146.89 ×104個綿羊單位逐步增加到了1 369.77 ×104個，15 a內增加19.43%，草地畜牧承載在原有超載的狀態(tài)下繼續(xù)增加，成為導致伊犁河谷草地高低持續(xù)降低的主要原因.此外，自2011年起，國家在新疆等8個省(區(qū))實施草原生態(tài)保護補助獎勵的保護措施[29]，為草地植被恢復提供了有利條件，正是得益于此項政策的實施，2006年～2015年間伊犁河谷在水熱條件惡化的情況下，草地植被蓋度才有可能不降而增，而草地植被蓋度降低的速度也才得以有所減緩.

4 結論

本文基于MODIS NDVI數據，利用像元二分模型反演植被覆蓋度，對伊犁河谷2001年～2015年草地植被覆蓋度的時空變化特征進行了研究.得出如下結論.

1) 2001年～2015年的15a內，伊犁河谷草地平均蓋度由0.73減低到了0.65，降低11.09%，呈現以高覆蓋草地面積減少及中高、中、中低和低覆蓋草地面積增加為主的退化趨勢，草地覆蓋逐步向低覆蓋等級轉化.

2) 2001年～2015年伊犁河谷90.04%的草地的植被蓋度發(fā)生不同程度降低，主要為植被蓋度降幅<0.10的輕度降低，但降幅為0.10～0.30的中度降低的比例和范圍卻逐步增大，蓋度降低區(qū)域面積增大，降幅增高.

3) 空間上草地植被蓋度降幅隨海拔升高而逐步降低，但各海拔的降幅隨時間逐步增加，高降幅的分布范圍逐步向高海拔區(qū)域延展，1 000～2 250 m海拔范圍平均降幅最大.

4) 2010年～2015年蓋度未變化或增加的草地分布范圍和比例均大幅提高，雖然草地蓋度降低趨勢未有改變，但降低速度明顯下降.

5) 長期畜牧超載及不斷惡化的氣候條件均為致使伊犁河谷草地蓋度持續(xù)降低的重要原因，草地保護政策的實施為草地恢復提供了有利條件，減緩了草地植被蓋度降低速度.

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SpatiotemporaldynamicsofgrasslandfractionalcoverageinYiliValleyofXinjiangfrom2001to2015

YAN Junjie1，2，3， HUANG Hui4， CUI Dong1， LIU Haijun1， CHEN Chen1

(1.College of Biology and Geography, Yili Normal University， Yining， Xinjiang 835000, China; 2.Xinjiang Institute of Ecology and Geography， CAS， Urumqi 830011, China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049, China； 4.Yili Meteorological Bureau， Yining， Xinjiang 835000, China)

Based on data of MODIS NDVI and DEM， the fractional coverage of the grassland in Yili Valley of Xinjiangby was extracted using dimidiate pixel model， and its spatiotemporal variations during the 2001-2015 period were investigated. Results showed: 1) affected by persistent livestock overload and worsening of climatic conditions， grassland coverage in Yili Valley continued to decrease in 2001-2015， and the average coverage in the whole area decreased by 11.09% in 15 years. The percent of grassland with reduced coverage mounted to 90.04% while mainly slight decrease with the amplitude less than 0.10. Fractional coverage of grassland located among 1 000-2 250 m in altitude decreased the most on average. 2) The decrease of grassland coverage mainly manifested in the continuous decrease of the high coverage grassland area， and increase in the area as well as descending amplitude of grassland with reduced coverage which is also expanding towards high altitudes. 3) Benefiting from the implementation of grassland conservation policies， decrease rate of vegetation coverage of grassland in Yili Valley slowed down significantly during the period of 2010-2015， though the general downward trend did not change．

variation of grassland vegetation； dimidiate pixel model； MODIS NDVI； Yili Valley

2017-05-23.

伊犁師范學院校級科研項目資助(2017ysyy05).

*通訊聯系人. E-mail: yan3550@sina.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.022

1000-1190(2017)06-0865-08

Q948.15

A