崔 燦,郭 英,沈彥俊

荒漠植被是干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,在防風(fēng)固沙、水土保持、涵養(yǎng)水源、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡及保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮著重要且不可替代的作用[1-2]。植被的變化情況是生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)一個(gè)重要的參量,同時(shí)也是指示土地退化和沙漠化的一個(gè)敏感指標(biāo),對(duì)荒漠植被的時(shí)空分布變化進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),對(duì)資源可持續(xù)利用及生態(tài)恢復(fù)具有重要應(yīng)用價(jià)值[3]。

傳統(tǒng)的野外監(jiān)測(cè)方式,耗費(fèi)大量的人力與時(shí)間,效率低下,不適合長(zhǎng)時(shí)間序列與大范圍荒漠植被監(jiān)測(cè); 基于無(wú)人機(jī)獲取研究區(qū)影像,通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光波段提取植被指數(shù)確認(rèn)荒漠植被范圍的方法精度較高,但該方法更適用于較小范圍的監(jiān)測(cè)和高精度荒漠植被的提取[4-5]; 近些年遙感技術(shù)已成為研究地表植被的有力工具,高光譜微分遙感方法通過(guò)對(duì)研究區(qū)荒漠化草原指示植物提取相關(guān)特征參數(shù),對(duì)其進(jìn)行光譜特征分析,從而達(dá)到植被類型的識(shí)別和提取,但該方法需要先利用高光譜儀對(duì)指示作物進(jìn)行實(shí)地的光譜數(shù)據(jù)采集[6-7]; 基于旋轉(zhuǎn)森林算法的植被信息提取,是通過(guò)結(jié)合多光譜遙感影像和地形數(shù)據(jù),計(jì)算得到光譜特征、紋理特征和地形特征完成植被提取,該方法受樣本精度影響大,同時(shí)在精度驗(yàn)證時(shí)受主觀因素影響較大[8]; 在長(zhǎng)時(shí)間序列和大范圍的遙感估測(cè)植被的方法中,像元二分模型法在分析植物光譜的基礎(chǔ)上,利用植被指數(shù)區(qū)分植被信息和非植被信息以間接估算植被覆蓋度,通過(guò)設(shè)定閾值提取荒漠植被的面積。該方法模型參數(shù)簡(jiǎn)單、計(jì)算便捷,同時(shí)能夠在一定程度上消除土壤等背景因素的影響,在不同區(qū)域的應(yīng)用中也表現(xiàn)出較高的精度和穩(wěn)定性,應(yīng)用廣泛并具有一定的科學(xué)性[9-12]。

新疆位于我國(guó)的西北干旱區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱且不穩(wěn)定,氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致一系列生態(tài)問(wèn)題,例如荒漠面積擴(kuò)大、荒漠植被稀疏不均、森林破壞、草地退化、河流斷流、綠洲退化等。近幾十年來(lái)國(guó)家對(duì)新疆的生態(tài)問(wèn)題十分重視,從20世紀(jì)50年代國(guó)內(nèi)便出臺(tái)一系列項(xiàng)目政策致力于荒漠化的治理與生態(tài)的恢復(fù),其效果也十分顯著[13-14]。目前基于新疆荒漠植被的研究多集中于個(gè)別流域、地形區(qū)或者人為劃定的范圍,研究尺度較小,較少對(duì)全疆域尺度的荒漠植被進(jìn)行整體系統(tǒng)的研究,同時(shí)也存在時(shí)間尺度較短的問(wèn)題,缺乏近幾十年的長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化研究。研究該區(qū)域荒漠植被的時(shí)空變化,精確地獲取研究區(qū)不同時(shí)段的荒漠植被情況,對(duì)維護(hù)新疆生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、提高局部氣候調(diào)節(jié)能力等具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

本研究以新疆為研究區(qū),基于AVHRR-NDVI和MODIS-NDNI數(shù)據(jù)集,利用改進(jìn)的像元二分模型估算新疆荒漠植被的面積,分析新疆1989-2017年荒漠植被面積的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其演變轉(zhuǎn)化規(guī)律,并探究驅(qū)動(dòng)性因素對(duì)荒漠植被面積的影響情況,以期為新疆植被資源和生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處亞歐大陸中心,位于中國(guó)西北部(73°40＇～96°18＇E,34°25＇～48°10＇N)。全區(qū)面積166萬(wàn)km2?！叭綂A二盆”是新疆獨(dú)特的地形特征,“三山”從北向南依次為阿爾泰山、天山和昆侖山,“兩盆”分別是北部的準(zhǔn)噶爾盆地和南部的塔里木盆地(圖1)。新疆遠(yuǎn)離海洋,深居內(nèi)陸,四周高山阻隔,海洋氣流不易到達(dá),形成了典型的溫帶大陸性氣候。集中表現(xiàn)為降水量少,蒸發(fā)量大,新疆年平均降水量為150 mm,年平均蒸發(fā)量800～3200 mm[15]; 氣候干燥,溫差較大,最冷月(1月)平均氣溫在-20 ℃以下,最熱月(7月)平均氣溫在33 ℃以上。新疆為典型的山地-綠洲-荒漠系統(tǒng),本研究以海拔2000 m為界,將新疆劃分為山地和平原區(qū); 其中平原地區(qū)為荒漠戈壁區(qū),荒漠植被多分布于此[16]。新疆荒漠主要分布于干旱程度較高的南疆和東部吐魯番及哈密地區(qū)[17]。這些地區(qū)植被覆蓋度低,大部分植被低矮稀疏且分布不均勻,荒漠植被類型主要是喬木、灌木、草本和短命植物; 河流沿岸及降水量較多的山區(qū)、盆地植被覆蓋度較高,多綠洲、森林和高植被覆蓋度草地分布[18]。

鑒于地域廣闊和地形復(fù)雜,本研究對(duì)影響荒漠植被變化因素的研究選取了新疆的3個(gè)典型流域,流域內(nèi)荒漠植被面積均較大且植被類型間轉(zhuǎn)變較劇烈。北部烏倫古河流域面積2.66萬(wàn)km2,多年平均氣溫3.51 ℃,多年平均降水量163.70 mm; 中部阿克蘇河流域面積5.08萬(wàn)km2,多年平均氣溫11.15 ℃,多年平均降水量84.79 mm; 南部葉爾羌河流域面積8.60萬(wàn)km2,多年平均氣溫12.28 ℃,多年平均降水量69.05 mm。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的1989-1999年遙感數(shù)據(jù)取自全球總量監(jiān)測(cè)和模擬研究組(GIMMS)所收集處理的AVHRRNDVI數(shù)據(jù)集,空間分辨率為8 km×8 km,時(shí)間分辨率為15 d; 2000-2017年的遙感數(shù)據(jù)為MOD13A2-NDVI數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1 km×1 km,時(shí)間分辨率為16 d。將AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行重采樣,空間分辨率統(tǒng)一至1 km。

降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)新疆地區(qū)1989-2017年103個(gè)氣象站的逐日降水量與氣溫?cái)?shù)據(jù)資料。各流域徑流量數(shù)據(jù)為查閱文獻(xiàn)[19-21]提取的數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

選用植被生長(zhǎng)季各月的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算植被覆蓋度,新疆植被生長(zhǎng)季定為每年的4-10月。通過(guò)最大值合成法(MVC)分別得到1989-2017年每年NDVI最大值序列數(shù)據(jù)。并利用SPSS軟件對(duì)荒漠植被面積、氣溫、降水及徑流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.1 提取荒漠植被區(qū)

根據(jù)改進(jìn)的像元二分模型計(jì)算新疆各年的植被覆蓋度(fc),計(jì)算公式可表示為:

式中:NDVI為影像中各像元的NDVI,NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)的NDVI,NDVIveg為完全由植被覆蓋像元的NDVI。本次選取各年累計(jì)頻率5%的NDVI值為NDVIsoil,累計(jì)頻率95%的NDVI值為NDVIveg。本文閾值劃分參考周丹等[9]西北荒漠區(qū)荒漠植被劃分閾值:0.1≤fc≤0.35的像元為荒漠植被,其中,0.1≤fc＜0.25為低覆蓋度荒漠植被(下文簡(jiǎn)稱為“低荒漠植被”),0.25≤fc≤0.35為高覆蓋度荒漠(下文簡(jiǎn)稱為“高荒漠植被”);fc＞0.35的像元為非荒漠植被(植被類型主要是高植被覆蓋度的林地、草地和農(nóng)田);fc＜0.1的像元為裸地或其他用地。

2.2.2 面積變化

荒漠植被面積在一定時(shí)期內(nèi)的變化量計(jì)算公式為:

式中:ΔU表示研究時(shí)段內(nèi)某植被覆蓋度等級(jí)面積變化量,Ub和Ua分別表示研究末期和初期該植被覆蓋度的面積。

2.2.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表示研究時(shí)間范圍內(nèi)各地類之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換方向,可以定量反映地類間的轉(zhuǎn)換情況。本研究使用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算不同植被類型之間的相互轉(zhuǎn)換情況。轉(zhuǎn)移矩陣可以表達(dá)為:

式中:P為地類轉(zhuǎn)換的面積,n為地類數(shù)量。利用Arc-GIS空間分析中的合并功能將各年份的植被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,統(tǒng)計(jì)各植被類型間的轉(zhuǎn)換面積,得到研究區(qū)各植被類型間的轉(zhuǎn)換情況。

2.2.4 相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。使用相關(guān)性分析基于像元尺度進(jìn)行植被覆蓋度(fc)與主要影響因素(如氣溫、降水)的相關(guān)分析研究。其計(jì)算公式表示為:

式中:n為年數(shù),R為x和y兩個(gè)因子的線性相關(guān)系數(shù),xi和yi分別是x、y兩個(gè)因子在第i年的值,和分別為兩個(gè)因子n年平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 荒漠植被的面積變化與時(shí)空分布

1989-2017年新疆荒漠植被總面積呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率為3.09萬(wàn)hm2·a-1(圖2a)。研究時(shí)段內(nèi)新疆荒漠植被處于持續(xù)擴(kuò)張的狀態(tài),近30年增長(zhǎng)近200萬(wàn)hm2,多年平均值為(623.18±10.04)萬(wàn)hm2。其中,低荒漠植被約占荒漠植被總面積的67%,呈顯著增加趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率為3.22萬(wàn)hm2·a-1,多年平均值為(414.47±8.76)萬(wàn)hm2; 高荒漠植被約占整個(gè)新疆荒漠植被總面積的33%,整體保持穩(wěn)定狀態(tài),多年平均值為(208.71±2.59)萬(wàn)hm2。1989年、2000年、2010年和2017年新疆荒漠植被的空間分布顯示(圖3),荒漠植被呈現(xiàn)北部多于南部、西部大于東部的空間分布特征。北部的荒漠植被集中分布在準(zhǔn)噶爾盆地,南部則主要分布在塔里木盆地綠洲的外緣。1989-2019年新疆荒漠植被變化區(qū)集中在準(zhǔn)噶爾盆地,以低荒漠植被面積的增加為主。

荒漠植被的空間分布與地理環(huán)境有緊密聯(lián)系[22],考慮新疆的地形與氣候等因素,本研究分南疆和北疆進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2b,2c)。南疆荒漠植被同樣以低荒漠植被為主,低、高荒漠植被面積均呈顯著的增加趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率分別為1.27萬(wàn)hm2·a-1和0.98萬(wàn)hm2·a-1,多年平均值分別為(131.01±3.29)萬(wàn)hm2和(70.52±2.42)萬(wàn)hm2。南疆荒漠植被約占荒漠植被總面積的33%,呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率2.25萬(wàn)hm2·a-1,多年平均值為(201.52±5.72)萬(wàn)hm2。北疆荒漠植被約占荒漠植被總面積的67%,整體呈小幅擴(kuò)張態(tài)勢(shì),多年平均值為(421.66±8.96)萬(wàn)hm2。以低荒漠植被為主,呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率1.95萬(wàn)hm2·a-1,近30年增加110.28萬(wàn)hm2,多年平均值為(283.46±6.43)萬(wàn)hm2; 高荒漠植被呈顯著下降趨勢(shì)(P＜0.01),線性增長(zhǎng)率-1.11萬(wàn)hm2·a-1,多年平均值為(138.19±2.53)萬(wàn)hm2。綜上所述,1989-2017年北疆荒漠植被面積的擴(kuò)張以低覆蓋度荒漠植被面積的增加為主,南疆低、高荒漠植被面積均呈增加趨勢(shì)。

3.2 荒漠植被的演變轉(zhuǎn)化

荒漠植被的演變轉(zhuǎn)化主要分為2部分:一是荒漠植被內(nèi)部間的轉(zhuǎn)化,即高荒漠植被與低荒漠植被間的變化; 二是荒漠植被與非荒漠植被間的轉(zhuǎn)化[23],即荒漠植被的擴(kuò)張和縮減。本文將1989-2017年新疆植被轉(zhuǎn)化分為16種類型計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣(表1),探究近30年新疆荒漠植被的演變轉(zhuǎn)化情況。圖4展示了不同轉(zhuǎn)化類型的空間分布情況。

表1 1989-2017年新疆不同植被類型間轉(zhuǎn)化情況Table 1 Conversion among different vegetation types in Xinjiang from 1989 to 2017 104 hm2

從表1和圖4可知,與1989年相比,2017年新疆242.84萬(wàn)hm2的低荒漠植被未發(fā)生轉(zhuǎn)化,主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地中部及河流沿岸地區(qū); 90.16萬(wàn)hm2的高荒漠植被未發(fā)生轉(zhuǎn)化,主要分布在塔里木河綠洲區(qū)外緣環(huán)狀過(guò)渡帶。高、低荒漠植被間的轉(zhuǎn)化中,25.95萬(wàn)hm2的低荒漠植被轉(zhuǎn)化為高荒漠植被,24.90萬(wàn)hm2的高覆蓋度荒漠植被轉(zhuǎn)化為低覆蓋度荒漠植被,主要呈斑塊狀分布在天山北麓和半環(huán)狀分布在塔里木河綠洲區(qū)的外緣?；哪脖慌c非荒漠植被和裸地間的轉(zhuǎn)化中,24.02萬(wàn)hm2和66.86萬(wàn)hm2的非荒漠植被分別轉(zhuǎn)化為低荒漠植被和高荒漠植被,呈斑塊狀分布于額爾齊斯河綠洲、艾比湖綠洲外緣以及河流沿岸帶; 210.25萬(wàn)hm2和40.11萬(wàn)hm2的裸地分別轉(zhuǎn)化為低荒漠植被和高荒漠植被,主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地的中部及塔里木河綠洲區(qū)與荒漠過(guò)渡帶。此外,36.11萬(wàn)hm2的低荒漠植被和58.97萬(wàn)hm2的高荒漠植被變遷為非荒漠植被,41.41萬(wàn)hm2的低荒漠植被和54.76萬(wàn)hm2的高荒漠植被變遷為裸地。

新疆位于西北干旱內(nèi)陸區(qū),生態(tài)環(huán)境敏感且脆弱?？傮w來(lái)說(shuō),1989-2017年新疆荒漠植被面積總計(jì)增加167.14萬(wàn)hm2,其中低荒漠植被面積增加156.32萬(wàn)hm2,高荒漠植被增加10.82萬(wàn)hm2,增加的地區(qū)主要分布在準(zhǔn)格爾盆地中部、塔里木河流域綠洲區(qū)外緣及河流沿岸區(qū)。

3.3 荒漠植被變化的驅(qū)動(dòng)因素分析

3.3.1 典型流域荒漠植被變化特征

新疆地域廣闊且地形復(fù)雜,不同區(qū)域內(nèi)影響荒漠植被面積變化的因素各不相同。烏倫古河流域、阿克蘇河流域、葉爾羌河流域分別位于新疆的北、中、南部,3個(gè)流域荒漠植被面積均較大且植被類型間轉(zhuǎn)變較劇烈,因此本研究選用該3個(gè)流域作為典型流域進(jìn)一步探究影響荒漠植被面積變化的驅(qū)動(dòng)因素(圖1)。

1989-2017年烏倫古河流域、阿克蘇河流域、葉爾羌河流域的荒漠植被總面積均呈顯著減少趨勢(shì)(P＜0.05)(圖5)。烏倫古河流域荒漠植被面積明顯大于葉爾羌河流域和阿克蘇河流域。烏倫古河流域荒漠植被面積年際波動(dòng)較大,變化范圍在12.23萬(wàn)～36.21萬(wàn)hm2,年際最高值與最低值之差達(dá)23.98萬(wàn)hm2。葉爾羌河流域在1990年和1998年荒漠植被面積有所增加,阿克蘇河流域在1990年、1998年和2010年有所增加?？傮w上,在近30年兩個(gè)流域均呈現(xiàn)減少趨勢(shì),線性變化率分別為-0.39萬(wàn)hm2·a-1和-0.37萬(wàn)hm2·a-1。

3.3.2 荒漠植被變化的氣象因素

氣溫與降水是決定植被生長(zhǎng)最重要的氣候因子,特別是對(duì)于氣候常年干旱且大部分地區(qū)降水稀少的新疆地區(qū)[18,24-25]。本研究利用氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)氣溫與降水進(jìn)行空間插值,分別計(jì)算了網(wǎng)格尺度的植被覆蓋度與氣溫和降水的Pearson相關(guān)系數(shù)(圖6)。從圖6發(fā)現(xiàn),烏倫古河流域、阿克蘇河流域和葉爾羌河流域分別有50.33%、54.42%和53.69%面積的荒漠植被與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系,49.67%、45.58%和46.31%面積的荒漠植被與氣溫呈負(fù)相關(guān),呈現(xiàn)與溫度正負(fù)共存的相關(guān)關(guān)系。流域內(nèi)與氣溫呈正相關(guān)的荒漠植被區(qū)域,靠近河流農(nóng)業(yè)灌溉水分較充足,隨溫度升高積溫增加,促進(jìn)植被生長(zhǎng)增加植被覆蓋度。流域內(nèi)植被覆蓋度與氣溫呈負(fù)相關(guān)的荒漠植被區(qū)域多分布于綠洲區(qū)的最外緣,隨著距離的增加,灌溉水補(bǔ)給逐漸消失,土壤含水量下降,氣溫升高加快土壤水分蒸發(fā),導(dǎo)致植被覆蓋度下降,植被退化。

烏倫古河流域64.98%面積的荒漠植被與降水量呈正相關(guān)關(guān)系,35.02%面積的荒漠植被與降水量呈微弱負(fù)相關(guān),其負(fù)相關(guān)部分主要分布在流域海拔較高的東部,該區(qū)域有大片林地與高覆蓋度草地,受冰雪融水、高山積雪融水影響大,受短期降水波動(dòng)影響較小[26-27]。阿克蘇河流域和葉爾羌河流域分別有78.49%和80.66%面積的荒漠植被與降水量呈正相關(guān)關(guān)系,主要原因是干旱半干旱區(qū)土壤水分等條件導(dǎo)致植被生長(zhǎng)發(fā)育受限,降水增多會(huì)促進(jìn)植被生長(zhǎng);21.51%和19.34%的荒漠植被與降水量呈微弱負(fù)相關(guān),該部分主要分布在河流沿岸的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū),受農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)節(jié)影響與自然降水關(guān)系不大。

結(jié)果表明,氣溫對(duì)荒漠植被面積的影響具有區(qū)域性差異?？拷虻幕哪脖粎^(qū)域氣溫與植被覆蓋度呈正相關(guān),距離水域較遠(yuǎn)的荒漠植被區(qū)呈負(fù)相關(guān)。3個(gè)流域中均有超過(guò)2/3的荒漠植被區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度與降水量呈正相關(guān)關(guān)系,這表明降水量的變化會(huì)對(duì)荒漠植被面積的縮減與擴(kuò)張產(chǎn)生較大影響?？傮w來(lái)說(shuō),在空間尺度上降水的相關(guān)性高于氣溫,是影響荒漠植被面積變化的主要影響因素。

3.3.3 荒漠植被變化的水資源因素

新疆大部分地區(qū)降水稀少,荒漠植被生長(zhǎng)主要依靠地表水與地下水資源[15]。從圖7可知,阿克蘇河流域徑流量波動(dòng)較大,且無(wú)顯著變化趨勢(shì),徑流量明顯高于另外兩個(gè)流域,多年平均值為84.66億m3; 葉爾羌河流域徑流量呈小幅的逐年增加趨勢(shì),線性增長(zhǎng)率為0.55 mm·a-1,多年平均值為65.28億m3; 烏倫古河流域徑流量除1993年和2010年較大,其他年份保持穩(wěn)定,多年平均值為9.96億m3。

為探究各個(gè)流域徑流量與荒漠植被面積間的關(guān)系,本文利用相關(guān)性分析定量評(píng)估流域徑流量與荒漠植被面積的關(guān)系,研究結(jié)果表明,烏倫古河流域、阿克蘇河流域及葉爾羌河流域徑流量與荒漠植被面積的相關(guān)系數(shù)R分別為0.39(P＜0.05)、0.46(P＞0.05)和-0.27(P＞0.05)?？傮w來(lái)說(shuō),烏倫古河流域徑流量與荒漠植被面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系,水資源量是該流域內(nèi)影響荒漠植被面積變化的主要因素之一; 阿克蘇河流域內(nèi)徑流量與荒漠植被面積相關(guān)關(guān)系不顯著; 葉爾羌河流域內(nèi)徑流量與荒漠植被面積呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系,主要是由于該流域荒漠植被主要分布于農(nóng)耕區(qū)的最外緣,隨距離增加河流水補(bǔ)給逐漸消失,植被受徑流變化影響小[28-29]。

3.3.4 政策因素

植被的退化與恢復(fù)除了受自然因素的影響外,很大程度上受人類活動(dòng)的影響。人為的干擾控制在一定程度上承擔(dān)了主導(dǎo)性作用。人為因素在自然因素的基礎(chǔ)上加速或減緩生態(tài)系統(tǒng)受損或恢復(fù)進(jìn)程。在短時(shí)間內(nèi),政策因素能夠顯著地改變生態(tài)環(huán)境。針對(duì)新疆的生態(tài)問(wèn)題,國(guó)家開(kāi)展了一系列植被保護(hù)及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的項(xiàng)目,取得了顯著成果[13-14]。2000年起新疆通過(guò)實(shí)施退耕還林工程,人工種植構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)層次,恢復(fù)和改善生態(tài)系統(tǒng),并對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)的沙漠草地和沙化草地以及退化嚴(yán)重的草地實(shí)行禁牧制、退化草場(chǎng)休牧制、基本草原劃區(qū)輪牧制等的退牧還草工程。并與三北防護(hù)林同步建設(shè),截至2018年全疆森林覆蓋率增加0.7個(gè)百分點(diǎn),累計(jì)完成退耕還林任務(wù)177.46萬(wàn)hm2,整個(gè)工程實(shí)施涉及全疆90個(gè)縣市區(qū)?！笆濉币詠?lái),截至2020年6月,新疆依托三北防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林還草、防沙治沙等國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程,共治理沙化土地1980萬(wàn)hm2[30]。本研究結(jié)果也顯示,自21世紀(jì)以來(lái),新疆總的荒漠植被面積呈顯著增加趨勢(shì),線性增長(zhǎng)率為6.94萬(wàn)hm2·a-1,從2000年的582.38萬(wàn)hm2增長(zhǎng)至2017年的729.51萬(wàn)hm2,荒漠植被面積增加213.40萬(wàn)hm2。2001年國(guó)家對(duì)塔里木河流域進(jìn)行綜合治理,持續(xù)啟動(dòng)塔里木河下游生態(tài)輸水計(jì)劃,結(jié)束塔里木河下游斷流歷史,植被面積顯著增加,本文估算結(jié)果顯示,2000-2017年南疆荒漠植被面積呈現(xiàn)穩(wěn)健且顯著的增加趨勢(shì),線性增長(zhǎng)率為4.85萬(wàn)hm2·a-1,從2000年的200.41萬(wàn)hm2增長(zhǎng)至2017年的260.97萬(wàn)hm2,荒漠植被面積增加60.56萬(wàn)hm2,塔里木河流域生態(tài)環(huán)境得到有效恢復(fù)。2018年制定通過(guò)的新疆維吾爾自治區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線劃定方案,將生態(tài)安全的重要生態(tài)區(qū)域統(tǒng)一納入一條紅線管控之中,因地制宜建立最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度和監(jiān)管制度,高度重視生態(tài)安全,致力于新疆生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與發(fā)展[31]。雖然這些積極的人類活動(dòng)以及科學(xué)措施實(shí)施時(shí)間并不長(zhǎng),但其生態(tài)效益已較為顯著,已初步改善了新疆脆弱的區(qū)域環(huán)境,增加了林草植被覆蓋度,減少了自然災(zāi)害,對(duì)于植被生產(chǎn)力以及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)起到積極的推進(jìn)作用。

4 結(jié)論與討論

新疆生態(tài)系統(tǒng)脆弱且不穩(wěn)定,荒漠植被作為新疆生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的組成部分對(duì)生態(tài)平衡和環(huán)境恢復(fù)、氣候調(diào)節(jié)等具有重要的意義。因此本研究基于NDVI數(shù)據(jù)集,利用像元二分模型法計(jì)算植被覆蓋度(fc),根據(jù)設(shè)定fc閾值提取新疆荒漠植被面積。該方法參數(shù)簡(jiǎn)單、計(jì)算便捷,在一定程度上能消除背景因素的影響,具有較高的精度和穩(wěn)定性。本文的提取方法及結(jié)果在其他學(xué)者的研究中也得到驗(yàn)證:古麗·加帕爾等[32]通過(guò)多種模型提取塔里木河干流中下游地區(qū)荒漠稀疏植被面積并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,確定荒漠區(qū)實(shí)際植被覆蓋度低于30%,其設(shè)置閾值范圍與本研究接近; 周丹等[9]利用生長(zhǎng)季植被覆蓋度指數(shù)劃分閾值提取1982-2010年西北干旱區(qū)荒漠植被面積,南、北疆荒漠植被多年平均值分別為187.3萬(wàn)hm2和422.6萬(wàn)hm2,與本文提取結(jié)果基本一致; 李向婷等[33]通過(guò)對(duì)新疆稀疏荒漠植被的提取,發(fā)現(xiàn)全疆、南疆和北疆的植被覆蓋度指數(shù)分別為5.7%、2.8% 和12.9%,且新疆81%的區(qū)域植被覆蓋度在15%以下,與本文研究結(jié)果較為一致(77.2%)。植被的生長(zhǎng)發(fā)育與水熱條件密切相關(guān)[34],本文基于提取的荒漠植被探究其與氣溫、降水、水資源的關(guān)系。王濤等[35]和馬有絢[36]在對(duì)新疆及干旱半干旱地區(qū)氣候因素與NDVI之間的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn),降水是主要的自然驅(qū)動(dòng)因子,本研究得出相同的結(jié)論。除氣候因素外,政策因素也是影響新疆荒漠植被面積的重要因素之一,積極的人類活動(dòng)及科學(xué)措施的生態(tài)效益顯著,已對(duì)新疆生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)起到積極的推進(jìn)作用[30-31]。

本研究基于NDVI數(shù)據(jù),利用像元二分模型法提取新疆1989-2017年荒漠植被面積,分析其時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素。得到以下結(jié)論:

1)1989-2017年新疆荒漠植被規(guī)模處于持續(xù)擴(kuò)張狀態(tài),總面積呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),主要為低荒漠植被面積的增加。低荒漠植被占荒漠植被總面積的67%,集中分布在準(zhǔn)噶爾盆地及非荒漠植被區(qū)外緣; 高荒漠植被面積基本不變,主要分布在綠洲外緣地區(qū)及河流沿岸地區(qū)。

2)北疆荒漠植被的面積占荒漠植被總面積的67%,其面積呈小幅增加趨勢(shì),主要為低荒漠面積的增加。南疆荒漠植被的面積約占荒漠植被總面積的33%,其面積呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),為低、高荒漠植被面積的同時(shí)增加。

3)1989-2017年的植被類型演變轉(zhuǎn)化中,高、低荒漠植被間的轉(zhuǎn)化為50.85萬(wàn)hm2; 90.88萬(wàn)hm2的非荒漠植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、低荒漠植?250.36萬(wàn)hm2的裸地轉(zhuǎn)變?yōu)楦摺⒌突哪脖?95.08萬(wàn)hm2的高、低荒漠植被轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔哪脖?96.17萬(wàn)hm2的高、低荒漠植被轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕亍?/p>

4)氣溫、降水量、徑流量及政策因素均會(huì)對(duì)荒漠植被的面積產(chǎn)生相應(yīng)的影響。本文選取的3個(gè)典型流域內(nèi),影響荒漠植被演變的主要因素是降水,其次是徑流量及政策因素,氣溫對(duì)荒漠植被的影響存在區(qū)域性差異。

以上結(jié)論可知,1989-2017年,29年新疆荒漠植被面積的提取結(jié)果可靠,驅(qū)動(dòng)因素分析具有合理性。但像元二分法的精度會(huì)受到影像上其他作物信息的影響,較難提取純荒漠植被像元[31],因此在下一階段的工作中需進(jìn)一步完善,提高提取精度。同時(shí),荒漠植被的面積變化除受氣溫、降水、水資源、政策因素影響外,還受到太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、日照等其他自然因素和其他人類活動(dòng)的共同影響,未來(lái)針對(duì)荒漠植被的驅(qū)動(dòng)因素分析有待進(jìn)一步深入。