劉兆旭,劉晶,鄭國(guó)宏,李建剛
(1新疆維吾爾自治區(qū)防雷減災(zāi)中心,烏魯木齊 830002;2中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)
隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,土地利用/覆蓋類型也在發(fā)生明顯變化,土地利用/土地覆被變化研究是當(dāng)前全球環(huán)境變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和核心內(nèi)容之一[1-4],其對(duì)物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)具有非常重要的影響[5-6]。而植被覆蓋的變化一定程度上制約著干旱區(qū)荒漠化的進(jìn)程[7-8]。
應(yīng)用遙感技術(shù)可以通過計(jì)算植被指數(shù)(Vegetation Index,VI)獲得植被蓋度的情況。植被覆蓋度,即垂直投影在統(tǒng)計(jì)區(qū)中的占比[9-11]。植被為生態(tài)體系的核心構(gòu)成,是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[12],也是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分的自然“紐帶”,是能夠影響能量平衡、氣候、水文以生物地球化學(xué)平衡的敏感變量,所以植被變化可用于判斷生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變[13-18]。對(duì)一段時(shí)期植被覆蓋度變化趨勢(shì)進(jìn)行研究評(píng)估,從而正確把握植被的時(shí)空變化趨勢(shì)與人類活動(dòng)的相關(guān)性。
博州地區(qū)處于準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣,是西北荒漠區(qū)的典型代表,是大風(fēng)的主風(fēng)道,是重要的風(fēng)沙策源地,生態(tài)比較脆弱,研究該地區(qū)土地利用/覆蓋類型對(duì)生態(tài)環(huán)境意義重大。目前針對(duì)博爾塔拉蒙古自治州地區(qū)土地利用/覆蓋分布特征及植被變化的研究較少。因此圍繞該地區(qū)土地利用/覆蓋和植被覆蓋的變動(dòng)數(shù)據(jù)開展分析,對(duì)于可持續(xù)開發(fā)以及生態(tài)恢復(fù)等有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值[19]。筆者利用2005—2020 年的Landsat 遙感數(shù)據(jù),系統(tǒng)研究了博爾塔拉蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱博州)地區(qū)植被覆蓋度及驅(qū)動(dòng)因素、土地利用變化趨勢(shì),結(jié)合土地利用信息,詳細(xì)分析不同地類的植被變化情況,旨在為博州地區(qū)植被生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。
博州位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部,準(zhǔn)噶爾盆地西南邊緣,歐亞大陸橋橫穿而過,國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)——新疆艾比湖濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)坐落于此(圖1)。博州是西北荒漠區(qū)的典型代表,不僅荒漠物種種群多樣,而且種群分布集中。研究區(qū)西北部是著名的阿拉山口,是大風(fēng)的主風(fēng)道,是重要的風(fēng)沙策源地。近年來,在氣候變化的影響下,博州增暖增濕現(xiàn)象較明顯,極端天氣氣候事件發(fā)生的頻次不斷增多,春夏季氣象干旱強(qiáng)度增大,造成的影響也更為嚴(yán)重。特殊的地理位置決定了博州特殊的生態(tài)地位。植被作為博州生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有維護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙重功能,對(duì)博州整個(gè)生態(tài)環(huán)境的改善具有舉足輕重的作用。
圖1 研究區(qū)位圖
研究數(shù)據(jù)包括2005、2010年7—9月的Landsat5 TM數(shù)據(jù),2015、2020年7—9月的Landsat8 OLI數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m×30 m,進(jìn)行圖像拼接和投影變換,轉(zhuǎn)換為等經(jīng)緯度坐標(biāo)投影,基準(zhǔn)面為CGS_WGS_1984_UTM 坐標(biāo)系?;诘乩砜臻g數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取DEM數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。氣象數(shù)據(jù)來源于博爾塔拉蒙古自治州氣象觀測(cè)站點(diǎn),從中選取降水量、氣溫等數(shù)據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本研究選擇數(shù)據(jù)時(shí)間為2005、2010、2015、2020年,土地利用類型分為8類(表1)。
表1 博爾塔拉蒙古自治州土地利用類型及其面積占比(2020年)
1.3.1 植被覆蓋度計(jì)算方法像元二分模型[20],是最為多見的計(jì)算覆蓋度的方法,計(jì)算如式(1)所示。
式中,F(xiàn)vc為植被覆蓋度,NDVI為歸一化差異植被指數(shù),NDVIs為完全裸土或無植被位置的NDVI值,NDVIv為純植被像元的NDVI值。
1.3.2 土地覆蓋類型的動(dòng)態(tài)度分析動(dòng)態(tài)度能夠表達(dá)利用類型的變化速度[21]。為確認(rèn)利用類型的變化,運(yùn)用動(dòng)態(tài)度來表達(dá)3個(gè)階段的變化率,如式(2)所示。
式中,EUa為研究期初某類土地的面積;EUb為研究期末某類土地的面積,T為研究時(shí)段,Ev為研究時(shí)段利用類型的年變化率。
1.3.3 地理探測(cè)器原理地理探測(cè)器是由王勁峰等[22]提出的一種統(tǒng)計(jì)的方法,可定量確認(rèn)空間分異性與闡述其中的驅(qū)動(dòng)力。本研究選取土地利用、道路、GDP、降水、溫度、人口密度、水系、坡度8個(gè)因子分析博州地區(qū)植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子[23]。地理探測(cè)器有4 種類別,本研究選定分異及因子探測(cè)、交互作用探測(cè)。
2005—2020年博州分布最大的地類是沙地、草地和耕地(表2)。其中,2005、2010、2015、2020年沙地占比都是最大的,分別為32.3%、27.6%、37.6%、38%,主要分布在精河縣、阿拉山口市和博樂市邊緣(圖2)。草地面積占比從2005 年的28.7%下降到2020 年的22.2%,主要分布在溫泉縣、博樂市和博爾塔拉蒙古自治州北部的邊緣地帶。2020 年的耕地面積從9.7%增加到了2020 年的10.7%,主要分布在博爾塔拉蒙古自治州的中部地帶。水域面積呈現(xiàn)了微弱的增加趨勢(shì),面積占比7%。建設(shè)用地占比呈下降趨勢(shì),分別為2.3%、1%、1%和1.3%。
表2 博爾塔拉蒙古自治州2000、2010、2015、2020年土地利用類型的面積及其所占的比例
圖2 博州2005、2010、2015、2020年土地利用類型的空間分布
由表3 可以看出,博州2005—2010 年土地利用類型變化較為顯著。2005—2010 年間裸地面積增加了1678.2 km2,林地次之,增加1073.7 km2,變化率分別為6.74%和4.31%;耕地面積增加了554.2 km2,變化率為2.22%;沙地顯著減少,減少面積1145.4 km2,變化率為-4.6%。
表3 博州2005—2020年土地利用變化面積和變化率
2010—2015 年沙地變化最為顯著,面積增加了2491.5 km2,變化率為10%,冰川及永久性積雪也增加了1191.3 km2,變化率為4.78%,水域和建設(shè)用地變化較小,分別增加了360、124.1 km2,變化率為1.45%、0.5%;裸地、草地、林地、耕地的面積分別減少了2012.5、969.7、829、355.6 km2,變化率分別為-8.08%、-3.89%、-3.33%、-1.43%。
2015—2020 年博州地區(qū)冰川及永久性積雪的減少是最多的,減少的面積為732.3 km2,變化率為-2.94%,主要集中分布在精河縣的東部,其次為林地;草地的增加趨勢(shì)相對(duì)最大,增加面積為455.8 km2,增長(zhǎng)率為1.83%;其次為裸地,增加面積383.6 km2,變化率為1.54%,水域的增加不大,增長(zhǎng)率不到1%。
2005—2010 年博州地區(qū)有6786.31 km2土地類型發(fā)生改變(表4)。其中沙地的轉(zhuǎn)入面積最大,為2035.23 km2,主要來自于草地和裸地,共占沙地轉(zhuǎn)入面積的69.1%,有877 km2的草地轉(zhuǎn)為林地;草地主要轉(zhuǎn)為林地和沙地,占76.4%。轉(zhuǎn)出面積最大的為沙地,共轉(zhuǎn)出2135.99 km2,其中716.2 km2轉(zhuǎn)為草地,占沙地轉(zhuǎn)出面積的33.5%。
表4 博州2005—2010年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移
2010—2015 年共有6624 km2的土地利用類型發(fā)生變化(表5),其中裸地?cái)U(kuò)張面積最大,主要由沙地、冰川及永久性積雪、草地轉(zhuǎn)化而來,轉(zhuǎn)化面積分別為1948、283、241 km2;草地面積擴(kuò)張也較明顯,共擴(kuò)張了2434.4 km2,主要由沙地、林地和冰川及永久性積雪轉(zhuǎn)化而來,轉(zhuǎn)化比例依次為52.8%、16.3%和12.7%,這可能是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)一直是博州地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)來源,博州的牧業(yè)在總產(chǎn)量中占了很大的比重,草地的擴(kuò)張速度較快。
表5 博州2010—2015年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移
2015—2020年博州地區(qū)共有7641.1 km2土地類型發(fā)生改變(表6),變化幅度在增強(qiáng)。轉(zhuǎn)出面積最大的為裸地,轉(zhuǎn)出面積達(dá)2185.9 km2,其中1541.6 km2裸地轉(zhuǎn)為沙地、457.4 km2裸地轉(zhuǎn)為草地。轉(zhuǎn)入面積最多的是草地,為2587.6 km2,草地的擴(kuò)張主要由林地、沙地、裸地貢獻(xiàn)。水域也有了明顯的擴(kuò)張,主要由沙地轉(zhuǎn)化而來。
表6 博州2015—2020年土地利用矩陣轉(zhuǎn)移
2005—2020 年土地利用變化有著顯著的變動(dòng)。有大量的沙地、林地、耕地轉(zhuǎn)為草地,這主要是因?yàn)槟翗I(yè)是博州重要的產(chǎn)業(yè)。建設(shè)用地同樣有小幅度的增長(zhǎng),其核心原因是人口規(guī)模的增長(zhǎng)。沙地的面積在顯著增加,這可能是開發(fā)利用土地資源過程中對(duì)生態(tài)保護(hù)不夠重視,導(dǎo)致的土地鹽漬化和沙化。
利用4期遙感影像計(jì)算出博州地區(qū)15年植被覆蓋度空間變化(圖3),并對(duì)博州地區(qū)的植被覆蓋度面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表7),4個(gè)時(shí)間段內(nèi)低植被覆蓋度面積占比均較高,基本都在60%以上,而較低的植被覆蓋度占比都在10%左右,說明博州地區(qū)植被覆蓋度比較低的植被占了很大的份額,中覆蓋度植被呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),而較高和高覆蓋度的植被呈現(xiàn)了先大幅增加后緩慢減少的總體趨勢(shì)。
表7 博州植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)
圖3 博州植被覆蓋度時(shí)空變化
2005—2010年低覆蓋度植被減少了1096.8 km2,而較低覆蓋度植被面積從2683.4 km2增加到2961.7 km2,增加了9.39%;中覆蓋度植被、較高覆蓋度植被及高覆蓋度植被面積占比分別增加了6.4%、31.7%和71.4%。從圖3a可以看出,面積最大的低覆蓋度植被主要集中在精河縣的東部偏北、西南大部地區(qū)和阿拉山口大部地區(qū),而且中覆蓋度、較高覆蓋度及高覆蓋度的植被主要在博州中部形成條帶狀分布。從圖3b 可以看出2010年中度和較高植被覆蓋度的分布變化較小,而高覆蓋度植被的變化區(qū)域主要由博州的西南部轉(zhuǎn)移至博州的中部地區(qū)。
2010—2015年低覆蓋度植被變化仍較明顯,面積從17477.2 km2減少到14917.2 km2,減少了2560 km2,降幅達(dá)到了17.1%。較低覆蓋度植被的變化不大,中覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度植被面積分別增加了251.1、1004.9、1618.3 km2。在這5年中,高覆蓋度植被的變化最大,從2015 年植被覆蓋度可以看出(圖3c),博州的中部博樂市和精河縣中部新增了大片的高覆蓋度植被。
2015—2020 年低覆蓋度和較低覆蓋度植被在增加,5 年中分別增加了915.3、588.7 km2。中覆蓋度、較高覆蓋度和高覆蓋度植被面積分別減少了49.8、530.8、959.4 km2,而這3 個(gè)覆蓋度的植被都是首次出現(xiàn)下降,特別是高覆蓋度植被降幅達(dá)到了29.8%。從圖3d 可以看出,各等級(jí)的植被覆蓋度變動(dòng)較大,低覆蓋度和較低覆蓋度植被是在原有的基礎(chǔ)上小范圍變動(dòng),高覆蓋度植被向博樂市方向移動(dòng)、面積在縮小,說明博州植被覆蓋度變動(dòng)比較穩(wěn)定,變動(dòng)也僅從高植被覆蓋度向較低的區(qū)域移動(dòng)。
參照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》得到博州坡度分級(jí)圖(圖4)。根據(jù)表8可以看出,植被覆蓋度隨坡度的不斷升高,呈現(xiàn)了先減小后增加再減小的趨勢(shì)。研究區(qū)內(nèi)坡度<5°基本為裸地、沙地和水域,地勢(shì)也比較平緩,而植被的覆蓋度比較容易受自然降水和人類活動(dòng)的影響。坡度5°—15°主要是山地生態(tài)系統(tǒng),地表起伏比較大,植被覆蓋度比較高。坡度15°—45°的植被覆蓋度隨著坡度等級(jí)的提升緩慢提升。坡度大于45°主要是一些永久性冰川和裸地,自然條件惡劣,植被覆蓋度最小。
表8 植被覆蓋度與坡度的關(guān)系
圖4 博州坡度分級(jí)
根據(jù)博州的因子探測(cè)的結(jié)果(表9),所有生態(tài)因子均已通過顯著性檢驗(yàn)。q值從大到小為土地利用>道路>GDP>降水>溫度>人口密度>水系>坡度。土地利用變化是引起植被覆蓋度變化的首要影響因子,其次是道路和GDP,再次是降水和溫度,最后是人口密度、水系和坡度。土地利用類型是影響博州植被覆蓋度的首要因素,也受自然因素的影響(如溫度、降水等),人類活動(dòng)也對(duì)植被覆蓋度有著較為深遠(yuǎn)的影響,在博州的發(fā)展進(jìn)程中受到了建設(shè)施工、人口密度、道路變化的影響。通過表9 可以看出,GDP 和道路的影響明顯高于降水和溫度的影響,表明人為的影響因素明顯高于自然條件的影響。隨著博州城鎮(zhèn)的發(fā)展變化,經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)博州植被覆蓋度的變化造成了很大影響。
表9 博爾塔拉蒙古自治州因子探測(cè)結(jié)果
從博州植被覆蓋度的交互探測(cè)與生態(tài)探測(cè)交互探測(cè)(表10)可知,坡度∩GDP(0.082)、坡度∩降水(0.082)、坡度∩道路(0.171)、坡度∩人口密度(0.082)、坡度∩溫度(0.082)、坡度∩水系(0.109)、坡度∩土地利用(0.817)、水系∩GDP (0.109)、水系∩降水(0.216)、水系∩道路(0.263)、水系∩人口密度(0.216)、水系∩溫度(0.216)為非線性增強(qiáng)(帶*),其余為雙因子增強(qiáng)。而在因子探測(cè)中坡度(0.008)與水系(0.052)的解釋力最低,說明經(jīng)過交互探測(cè),坡度與水系對(duì)于博州的植被覆蓋度的解釋力有大幅提升。其他雙因子增強(qiáng)按解釋力排序?yàn)橥恋乩谩善露?0.817)>土地利用∩水系(0.809)>土地利用∩GDP(0.806)>土地利用∩道路(0.794)>土地利用∩降水(0.086)/土地利用∩人口密度(0.086)/土地利用∩溫度(0.086),其他因子交互探測(cè)值分別為GDP(0.057)、降水(0.057)、道路(0.111)、人口密度(0.057)、溫度(0.057)。土地利用與其他因子交互探測(cè)后解釋力均大于原來單因子探測(cè)的結(jié)果,同時(shí)土地利用對(duì)于博州植被覆蓋度有極其重要的意義。
表10 博州植被覆蓋度的交互探測(cè)與生態(tài)探測(cè)結(jié)果
以上分析說明不同類型的土地利用方式直接決定了植被覆蓋度,當(dāng)然其他自然因素和人類活動(dòng)對(duì)博州植被覆蓋度也有間接影響。由生態(tài)探測(cè)表可以看出,土地利用與坡度、GDP、降水、道路、人口密度、溫度、水系表現(xiàn)出顯著差異,而其他因子之間的生態(tài)探測(cè)為無顯著差異。
筆者分析了2005—2020 年新疆博州地區(qū)的土地利用變化以及植被覆蓋度的變化,發(fā)現(xiàn)博州地區(qū)土地利用類型以沙地、草地、耕地和裸地為主,2020年分別占總面積的37.99%、22.19%、10.71%和10.15%。建設(shè)用地和冰川及永久性積雪占比例較小,分別占比1.19%和3.19%。2005—2010年草、沙地的面積降幅最為顯著,減少面積分別為1123.4、1145.4 km2,變化率分別為-4.51%、-4.60%,增加最顯著的為裸地,增加面積為1678.2 km2,變化率為6.74%。2010—2015年博州地區(qū)由于受人類活動(dòng)影響,沙地變化最為顯著,面積增加了2491.5 km2,變化率為10%,冰川及永久性積雪也增加了1191.3 km2,變化率為4.78%,2015—2020 年博州地區(qū)冰川及永久性積雪的減少是最多的,減少的面積為732.3 km2,變化率為-2.94%,主要集中分布在精河縣的東部。2005—2020 年土地類型產(chǎn)生了顯著的變化。有大量的沙地、林地、耕地轉(zhuǎn)為草地,這主要是因?yàn)槟翗I(yè)是博州重要的產(chǎn)業(yè)。建設(shè)用地也在微弱的增加,這主要是由人口的增加引起的。沙地的面積在顯著增加,這可能是在開發(fā)利用土地資源的過程中對(duì)生態(tài)保護(hù)不夠重視,導(dǎo)致的土地鹽漬化和沙化。
根據(jù)博州地區(qū)近15 年植被覆蓋度空間變化可以看出,低植被覆蓋度面積占比均較高,基本上都在60%以上,而較低的植被覆蓋度占比都在10%左右,說明了博州地區(qū)植被覆蓋度上,比較低的植被占了很大的份額;中覆蓋度植被呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),而較高和高覆蓋度的植被呈現(xiàn)了先大幅增加后緩慢減少的總體趨勢(shì)。
近年來,氣候變暖、極端氣候事件增加等加劇了干旱對(duì)農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)的危害程度,過度放牧使得草地承載能力不斷下降。為實(shí)現(xiàn)博州生態(tài)可持續(xù)發(fā)展,應(yīng)加強(qiáng)草地合理利用以提高其適應(yīng)氣候變化的能力。天然草場(chǎng)應(yīng)適度放牧保護(hù)草原和森林。在脆弱區(qū)域?qū)嵤┩烁€濕、退耕還林、退林還草,保護(hù)生物多樣性,從而維護(hù)良好生態(tài)環(huán)境。