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近30 年莫索灣墾區(qū)150團(tuán)植被覆蓋度時(shí)空變化及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

2021-03-30 07:21:48尚白軍朱家龍周智彬宋春武吳書(shū)普
關(guān)鍵詞:林帶郁閉度防護(hù)林

尚白軍,朱家龍,周智彬,宋春武,吳書(shū)普

(1. 中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,國(guó)家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心,新疆 烏魯木齊 830011;2. 中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 莫索灣沙漠研究站,新疆 石河子 832000;3. 中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 塔克拉瑪干沙漠研究站,新疆 庫(kù)爾勒 841000;4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

沙漠-綠洲過(guò)渡帶是綠洲與沙漠生態(tài)系統(tǒng)的接壤地帶,其生態(tài)環(huán)境脆弱、不穩(wěn)定[1],是二者物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)的中間地帶[2-3]. 防護(hù)林網(wǎng)作為干旱區(qū)重要的防護(hù)屏障[4],其防風(fēng)固沙、改善農(nóng)田微氣候、涵養(yǎng)水源的功能對(duì)干旱區(qū)綠洲生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用[5]. 植被指數(shù)常作為植被生長(zhǎng)狀況的最佳指示因子[6],基于植被指數(shù)計(jì)算出來(lái)的植被覆蓋度則是評(píng)判干旱半干旱地區(qū)荒漠化的重要指標(biāo)[7-8],也是很多陸面過(guò)程的控制因子[9],是描述生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10]. 計(jì)算植被覆蓋度的方法有很多,如決策樹(shù)[11]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]等,像元二分模型被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的線性光譜混合分析模型[13]. 肖強(qiáng)等[14]用像元二分模型研究了黃土高原2000—2010年植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化,得出黃土高原植被覆蓋度呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì);張永等[15]用像元二分模型研究了石羊河中游生長(zhǎng)季植被覆蓋度與氣候的關(guān)系,得出生長(zhǎng)季植被覆蓋度的變化與同期降水量關(guān)系密切;郭紫晨等[16]用像元二分模型研究了毛烏素沙區(qū)2000—2015年植被覆蓋度的變化趨勢(shì),得出毛烏素沙區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢(shì). 已有的研究大多用MODIS數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分辨率較低,在林斑較小的區(qū)域并不能準(zhǔn)確反映植被覆蓋度的變化,并且研究的時(shí)間序列大多在20 a以?xún)?nèi),未能探究植被長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化. 此外,已有關(guān)于植被覆蓋度的研究,在使用像元二分模型時(shí),并未考慮研究區(qū)土地利用類(lèi)型對(duì)植被覆蓋度的影響. 不同土地利用類(lèi)型歸一化植被指數(shù)(NDVI)的最大值和最小值有明顯差異,用整個(gè)研究區(qū)NDVI的最大值和最小值區(qū)代替不同土地利用類(lèi)型時(shí),計(jì)算出的植被覆蓋度存在很大偏差,因此也不能準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢(shì).

莫索灣墾區(qū)150團(tuán)深入沙漠腹地,生態(tài)環(huán)境脆弱,防護(hù)林的建設(shè)與保護(hù)對(duì)團(tuán)場(chǎng)生態(tài)安全至關(guān)重要. 良好的生態(tài)環(huán)境是團(tuán)場(chǎng)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ). 本文利用研究區(qū)土地利用類(lèi)型做掩膜文件,分別計(jì)算出不同土地利用類(lèi)型的NDVI最大值和最小值,之后利用改進(jìn)的像元二分模型計(jì)算不同時(shí)期的植被覆蓋度,能夠提高研究區(qū)植被覆蓋度計(jì)算的準(zhǔn)確性. 此外,用防護(hù)林種植密度、郁閉度、疏透度和成活率對(duì)植被現(xiàn)狀作了評(píng)價(jià),不僅可以了解研究區(qū)近30 a植被覆蓋度的變化情況,也能為150團(tuán)生態(tài)屏障建設(shè)、防護(hù)林構(gòu)建提供科學(xué)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況150團(tuán)地處天山北麓,位于準(zhǔn)噶爾盆地南部,場(chǎng)區(qū)南北長(zhǎng)33.57 km,東西寬17.66 km.團(tuán)場(chǎng)中部是帶狀分布的湖積洼地,地勢(shì)平坦,西部和北部深入大沙漠,沙丘、沙壟縱橫綿延,故有“沙海半島”之稱(chēng). 由于地勢(shì)閉塞,在西北風(fēng)的作用下,團(tuán)場(chǎng)邊緣新月形沙丘間為典型的風(fēng)積地貌. 全團(tuán)森林覆蓋率為38%,年平均日照時(shí)數(shù)2 765.9 h,無(wú)霜期166 d,年均凍土深度為0.96 m,年平均風(fēng)速2.4 m/s,年平均降水量117 mm,年平均蒸發(fā)量1 945 mm,屬于典型的干旱半干旱大陸性氣候. 團(tuán)場(chǎng)海拔高度346.0~358.8 m,土壤以灰漠土為主,天然植物以沙拐棗(Calligonum mongolicum)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、檉柳(Tamarix chinensis)、駱駝刺(Alhagi sparsifolia)等荒漠植物為主.

1.2 歸一化植被指數(shù)健康的植被吸收大多數(shù)可見(jiàn)光,反射很大比例的近紅外光,而不健康的植被反射更多的可見(jiàn)光和較少的近紅外光,因此歸一化植被指數(shù)(NDVI)的大小能夠反映植被的生長(zhǎng)狀況. 從地理空間數(shù)據(jù)云下載1989、1998、2009年和2018年的遙感影像,空間分辨率為30 m×30 m,通過(guò)圖像配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后,用近紅外波段反射率和可見(jiàn)光中紅波段反射率計(jì)算出NDVI值.

式中:NDVI表示歸一化植被指數(shù),NIR表示近紅外波段反射率、VIS表示可見(jiàn)光中紅波段反射率.

1.3 植被覆蓋度計(jì)算由于使用的遙感影像分辨率是30 m×30 m,因此一個(gè)像元全是植被的概率較低. 一般像元由植被和非植被組成,因此本文使用改進(jìn)的像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度[17].

式中:NDVIveg為植被NDVI值,NDVIsoil為裸土NDVI值,該值與研究區(qū)土地利用類(lèi)型有關(guān),VFCmax為植被覆蓋度的最大值,VFCmin為植被覆蓋度的最小值.

當(dāng)研究區(qū)中可以近似取VFCmax=100%,VFCmin=0時(shí),上述公式可簡(jiǎn)化為:

當(dāng)研究區(qū)中無(wú)法取VFCmax=100%,VFCmin=0時(shí),在有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下,用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的VFCmax和VFCmin;當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),VFCmax和VFCmin用遙感模型估算.

1.4 植被現(xiàn)狀評(píng)價(jià)指標(biāo)本文在實(shí)地調(diào)查、統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上選用林帶種植密度、林帶成活率、郁閉度和疏透度4個(gè)指標(biāo)對(duì)150團(tuán)植被現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià). 林帶種植密度用每公頃種植株數(shù)量化;成活率為林帶成活株數(shù)占林帶總種植株數(shù)的百分比;郁閉度為林帶樹(shù)冠在地面的投影面積(冠幅)與林帶總面積的比值. 有研究表明疏透度在0.25~0.40時(shí)防護(hù)效益最大[18],它也是判斷林帶結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一[19],疏透度計(jì)算公式如下:

式中:S為疏透度,S′為樹(shù)冠疏透度,S′′為樹(shù)干疏透度,pguan為林帶冠層填充像元數(shù),pguanzong為林冠總的像元數(shù),pgan為林干填充的像元數(shù),pganzong為林干總的像元數(shù),H為林帶平均樹(shù)高,h為平均枝下高.

1.5 數(shù)據(jù)處理在ENVI 5.2中對(duì)150團(tuán)1989、1998、2009年和2018年遙感影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理后,進(jìn)行鑲嵌裁剪,再利用波段反射率計(jì)算出NDVI值,再利用NDVI值計(jì)算覆蓋率;在Arcgis 10.2中完成相關(guān)作圖;用SPSS 21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)和描述性統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度分布特征將150團(tuán)1989、1998、2009年和2018年的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正,之后利用土地利用分類(lèi)圖做掩膜文件,分別統(tǒng)計(jì)各類(lèi)用地植被歸一化指數(shù)(NDVI)的最大值(累計(jì)百分比95%)和最小值(累計(jì)百分比5%),并進(jìn)行異常值去除,再用改進(jìn)的像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋率(VFC)計(jì)算,并將植被覆蓋度進(jìn)行劃分,0~0.3的為低覆蓋率,0.3~0.6為中覆蓋率,0.6~1為高覆蓋率[20],結(jié)果如圖1所示. 將各時(shí)期每個(gè)等級(jí)的像元個(gè)數(shù)、所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1). 由表1、圖1可知,1998年研究區(qū)低植被覆蓋率占78.02%,中高植被覆蓋率分別占7.44%和14.54%. 10 a以后(1998年),研究區(qū)低中植被覆蓋率逐漸減少,分別為71.78%和4.58%,高植被覆蓋率大幅度增加為23.64%. 至2009年,高植被覆蓋率所占比例與1998年相差無(wú)幾,為21.78%;低植被覆蓋率所占比例大幅減少,為62.55%;中植被覆蓋率所占比例大幅增加,為15.67%. 至2018年,中植被覆蓋率所占比例變化不大,為14.91%;低植被覆蓋率大幅減少,為52.61%;高植被覆蓋率所占比例大幅增加,高達(dá)32.47%,表明團(tuán)場(chǎng)植被向良性趨勢(shì)發(fā)展.

圖1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度分布示意圖Fig. 1 FVC distribution characteristics of 150 Regiment in different periods

表1 不同時(shí)期150團(tuán)植被覆蓋度特征Tab. 1 Vegetation coverage characteristics of 150 Regiment in different periods

2.2 近30 a 150團(tuán)植被覆蓋度空間變化在植被覆蓋度時(shí)空變化的基礎(chǔ)上,用差值法分析近30 a 150團(tuán)植被退化和改善情況,將植被覆蓋度減少50%以上的區(qū)域劃分為重度退化區(qū);植被覆蓋度減少50%以下的區(qū)域劃分為輕度退化區(qū);將植被覆蓋度增加50%以上的區(qū)域定義為高度改善區(qū);增加50%以?xún)?nèi)的區(qū)域定義為低度改善區(qū). 由表2可知,近30 a 150團(tuán)植被重度退化區(qū)域僅為0.81%,輕度退化區(qū)域占31.58%,基本未變化區(qū)域占1.63%,低度改善區(qū)域占比最高,高達(dá)51.28%,高度改善區(qū)域占14.69%. 可以看出,改善區(qū)域占比較退化區(qū)域多,說(shuō)明近30 a 150團(tuán)植被整體呈良性發(fā)展. 由圖2可知,150團(tuán)南部地區(qū)植被改善較為明顯,北部地區(qū)植被退化較為嚴(yán)重,可能的原因是150團(tuán)深居沙漠腹地,北部地區(qū)植被受風(fēng)沙侵害較為嚴(yán)重,加之北部地區(qū)外圍防護(hù)林多為免灌林,自然降水和土壤含水量不能滿(mǎn)足防護(hù)林水分需求,防護(hù)林長(zhǎng)期處于干旱脅迫狀態(tài),因此植被退化較為嚴(yán)重. 南部地區(qū)防護(hù)林距沙漠較遠(yuǎn),受風(fēng)沙危害較北部輕,且距人類(lèi)居住地較北部近,因此防護(hù)林能夠得到有效保護(hù),故防護(hù)林呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢(shì).

表2 1989—2018年間150團(tuán)植被變化Tab. 2 Vegetation changes of 150 Regiment from 1989 to 2018

2.3 150團(tuán)植被現(xiàn)狀評(píng)價(jià)為進(jìn)一步說(shuō)明150團(tuán)植被生長(zhǎng)狀況,選用林帶種植密度、林帶郁閉度、林帶疏透度和林帶成活率4個(gè)指標(biāo)對(duì)植被現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià). 由圖3(a)可知,150團(tuán)防護(hù)林整體種植密度較低,南部地區(qū)部分林帶密度過(guò)高,說(shuō)明團(tuán)場(chǎng)防護(hù)林種植較為合理. 合理的種植密度不會(huì)引起防護(hù)林樹(shù)種生態(tài)位的重疊,能夠保證防護(hù)林樹(shù)種有足夠的生存空間和生存資源. 由圖3(b)可知,150團(tuán)防護(hù)林帶以中、高郁閉度為主,北部地區(qū)低郁閉度林帶較多,中、高郁閉度林帶主要分布在南部地區(qū).郁閉度大小取決于防護(hù)林樹(shù)種冠幅大小,冠幅大小能反映植被生長(zhǎng)狀況. 150團(tuán)中、高郁閉度林帶主要分布在南部地區(qū),北部地區(qū)以低郁閉度林帶為主. 說(shuō)明團(tuán)場(chǎng)南部地區(qū)植被生長(zhǎng)較北部良好,可能的原因是南部地區(qū)受到的風(fēng)沙危害較北部地區(qū)弱,且南部地區(qū)人口較為集中,防護(hù)林帶距離人類(lèi)居住地較近,林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給,故在相同自然條件下,南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長(zhǎng)良好,這與植被覆蓋度得出的結(jié)論一致. 由圖3(c)可知,150團(tuán)植被整體成活率相對(duì)較低,成活率較高的林帶主要分布在南部地區(qū),說(shuō)明南部地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況較北部良好. 由圖3(d)可知,150團(tuán)防護(hù)林帶疏透度在0.25~0.40之間的占比較低,說(shuō)明團(tuán)場(chǎng)植被防護(hù)效益還可以進(jìn)一步提高,這可能與防護(hù)林種植密度較低有關(guān).

圖2 1989—2018年150團(tuán)植被覆蓋度空間變化Fig. 2 Spatial change of vegetation coverage of 150 Regiment from 1989 to 2018

3 討論

150團(tuán)位于莫索灣北端風(fēng)積沙漠與荒漠交錯(cuò)地帶,深入古爾班通古特沙漠70 km,沙漠化土地面積占團(tuán)場(chǎng)可利用土地面積的12.0%. 團(tuán)場(chǎng)內(nèi)部地勢(shì)平坦、坡向、坡度差異不大,海拔高度基本在346.0~358.8 m之間,因此地形因素對(duì)防護(hù)林產(chǎn)生的影響較小. 近30 a 150團(tuán)植被覆蓋度改善部分占65.97%,退化部分占32.39%,表明植被在向良性發(fā)展. 由圖2可知,北部地區(qū)出現(xiàn)大面積的退化,南部地區(qū)得到了改善,可能的原因是北部地區(qū)較南部深入沙漠,植被受風(fēng)沙侵害較南部嚴(yán)重. 此外,通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分防護(hù)林種植密度過(guò)高,部分地區(qū)基干林出現(xiàn)死亡,不合理的種植密度、風(fēng)沙危害和有限的水分補(bǔ)給可能是北部地區(qū)植被出現(xiàn)退化的主要因素.團(tuán)場(chǎng)南部地區(qū)植被覆蓋度得到顯著改善,可能的原因是南部地區(qū)防護(hù)林帶種植密度略小于北部地區(qū),同時(shí)受到的風(fēng)沙危害也較北部地區(qū)較弱,且南部地區(qū)人口較為集中,防護(hù)林帶距離人類(lèi)居住地較近,林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給,故在相同自然條件下,南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長(zhǎng)良好.

此外,150團(tuán)注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè),采取“四禁一封育”的措施(禁牧、禁采、禁獵、禁伐和護(hù)欄圍育),在鞏固防風(fēng)固沙基干林、農(nóng)田防護(hù)林的基礎(chǔ)上,針對(duì)沙漠植被稀疏的問(wèn)題,在對(duì)沙漠邊緣進(jìn)行嚴(yán)格封育保護(hù)的同時(shí),對(duì)農(nóng)田周邊3 km范圍內(nèi)的荒漠進(jìn)行人工補(bǔ)植梭梭,建設(shè)荒漠防風(fēng)固沙林,從根本上阻止了流沙的移動(dòng),最終形成了以荒漠防風(fēng)固沙林、防風(fēng)固沙基干林、農(nóng)田防護(hù)林、人居綠化防護(hù)林四級(jí)生態(tài)保護(hù)體系. 除了良好的生態(tài)政策以外,團(tuán)場(chǎng)“十三五”植樹(shù)造林總投資高達(dá)2 870萬(wàn)元,計(jì)劃在2016—2020年間造林765.84 hm2(表3). 良好的生態(tài)保護(hù)政策、生態(tài)建設(shè)投入是團(tuán)場(chǎng)近30 a植被向良性發(fā)展的主要因素之一. 本文雖然在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)150團(tuán)1989—2018年的植被覆蓋度的時(shí)空變化進(jìn)行了分析,用防護(hù)林種植密度、防護(hù)林成活率、防護(hù)林郁閉度和防護(hù)林疏透度對(duì)研究區(qū)植被現(xiàn)狀作了評(píng)價(jià),得出150團(tuán)植被整體種植密度較為合理,南部地區(qū)植被較北部地區(qū)生長(zhǎng)良好,但是植被的成活率不高. 可能的原因是研究區(qū)自然稟賦不足,植被受風(fēng)沙侵蝕、干旱脅迫較強(qiáng)烈. 也可能是防護(hù)林構(gòu)建時(shí),抗旱、抗鹽堿的鄉(xiāng)土樹(shù)種較少. 因此,未來(lái)的研究應(yīng)集中探究影響研究區(qū)植被成活率的主導(dǎo)因子,并提出合理的防護(hù)林構(gòu)建模式,為研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防護(hù)林構(gòu)建、植被長(zhǎng)效可持續(xù)性提供科學(xué)指導(dǎo).

表3 150團(tuán)2016—2020年間植樹(shù)造林規(guī)劃Tab. 3 Afforestation plan of the 150 Regiment for the period 2016—2020

4 結(jié)論

(1)近30 a 150團(tuán)低植被覆蓋率面積減少了25.41%,中植被覆蓋率面積增加了7.47%,高植被覆蓋率面積增加了17.93%. 重度退化的面積占0.81%,輕度退化的面積占31.58%,未發(fā)生變化的面積為1.63%,低度改善的面積占51.28%,高度改善的面積占14.69%.

(2)近30 a 150團(tuán)植被整體向良性趨勢(shì)發(fā)展,團(tuán)場(chǎng)北部地區(qū)植被出現(xiàn)退化,南部地區(qū)植被得到明顯改善. 可能的原因是南部地區(qū)防護(hù)林帶種植密度略小于北部地區(qū),同時(shí)受到的風(fēng)沙危害也較北部地區(qū)較弱,且南部地區(qū)人口較為集中,植被距人類(lèi)居住地較近,林帶在一定程度上能得到城市中水的補(bǔ)給,故在相同自然條件下,南部地區(qū)植被比北部地區(qū)生長(zhǎng)良好.

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