范君 顏安 李靖言 盧前成 孫萌

范 君，顏 安，李靖言，等. 2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度和草地退化時(shí)空變化特征［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（2）：178-188．

摘要：以2000—2020年Landsat NDVI序列數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用時(shí)空分析及統(tǒng)計(jì)分析的方法，探討了北疆地區(qū)草地植被覆蓋度時(shí)空變化特征、草地退化時(shí)空變化特征，并從氣候和人類活動(dòng)2方面對(duì)北疆地區(qū)草地退化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，從草地植被覆蓋度時(shí)空變化看，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度整體呈增加趨勢(shì)；北疆地區(qū)北部生態(tài)系統(tǒng)更脆弱，易受氣候變化和人類活動(dòng)的影響；北疆地區(qū)草地在陽坡草地植被覆蓋度相對(duì)較高，草地植被覆蓋度較高的區(qū)域主要位于地形位置指數(shù)較高、水熱條件相對(duì)較好的山地，草地植被覆蓋度較低的區(qū)域主要位于相對(duì)缺水、干旱的沙漠邊緣等地區(qū)。從草地退化時(shí)空變化特征看，2000—2020年北疆地區(qū)各草地退化等級(jí)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移，主要表現(xiàn)為輕度退化、中度退化向未退化草地的轉(zhuǎn)移及重度退化向輕度退化轉(zhuǎn)移，表明北疆地區(qū)草地退化現(xiàn)象進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。北疆地區(qū)草地退化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，其中降水量是主要?dú)夂蛞蛩亍?/p>

關(guān)鍵詞：Landsat NDVI；草地植被覆蓋度；草地退化；時(shí)空變化；北疆地區(qū)

中圖分類號(hào)：S812? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）02-0178-11

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.028 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The spatiotemporal variation characteristics of grassland vegetation coverage and grassland degradation in northern Xinjiang from 2000 to 2020

FAN Jun， YAN An， LI Jing-yan， LU Qian-cheng， SUN Meng

（College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi? 830052， China）

Abstract： Using Landsat NDVI sequence data from 2000 to 2020 as the data source， this paper used spatiotemporal and statistical analysis methods to explore the spatiotemporal variation characteristics of grassland vegetation coverage and grassland degradation in northern Xinjiang. The driving forces of grassland degradation in Northern Xinjiang were analyzed from two aspects： climate and human activities. The results showed that from the spatiotemporal changes of grassland vegetation coverage， the overall trend of grassland vegetation coverage in Northern Xinjiang from 2000 to 2020 was increasing；the ecosystem in the Northern part of Xinjiang was more fragile and susceptible to the impacts of climate change and human activities；the grassland in the Northern Xinjiang region had a relatively high grassland vegetation coverage on the sunny slope. The areas with a high grassland vegetation coverage were mainly located in mountainous areas with high terrain index and relatively good water and thermal conditions. The areas with a low grassland vegetation coverage were mainly located in areas such as relatively water scarce and arid desert edges. From the spatiotemporal variation characteristics of grassland degradation， there was a significant shift in the levels of grassland degradation in Northern Xinjiang from 2000 to 2020， mainly manifested as the transition from mild and moderate degradation to non degraded grassland， and from severe degradation to mild degradation， indicating that the phenomenon of grassland degradation in Northern Xinjiang had further improved. Grassland degradation in Northern Xinjiang was the result of the combined effects of climate change and human activities， with precipitation being the main climate factor.

Key words： Landsat NDVI； grassland vegetation coverage； grassland degradation； spatiotemporal variation； Northern Xinjiang

新疆地處中國西北邊陲，是中國五大牧區(qū)之一，擁有豐富的草地資源^［1，2］，草地面積為5.6×10⁷hm²，占全國總草地面積的14.6%，位居全國第三，生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。中國是草地退化最嚴(yán)重的國家之一，約有90%的草地發(fā)生了不同程度的退化^{［3，4］}。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國草地退化面積以每年2.00×10⁴km²的速度增加，退化的草地主要分布在西北和北方干旱、半干旱草原區(qū)和高原草原區(qū)^［5］。通過遙感技術(shù)得到草地退化植被序列數(shù)據(jù)，對(duì)植被的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并計(jì)算相關(guān)指標(biāo)來反映和評(píng)價(jià)區(qū)域草地退化的程度^［6］。如何從根本上控制草地生態(tài)系統(tǒng)惡化已成為草地恢復(fù)和持續(xù)利用的關(guān)鍵，鑒于此，本研究分析北疆地區(qū)草地退化情況，定量分析草地退化驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于北疆地區(qū)合理利用和保護(hù)草地資源、促進(jìn)草地生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于天山北部，地處43°23′—49°10′N，79°57′—91°32′E（圖1），包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、石河子市、北屯市、昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、博爾塔拉蒙古自治州等地區(qū)^［7］。北疆以準(zhǔn)噶爾盆地為中心，北部為阿爾泰山，南部為天山，地勢(shì)西高東低。北疆是新疆草地的主要分布區(qū)，從平原到高山，地貌、土壤和氣候條件都大不相同，因此形成了多種草地類型，根據(jù)植被群落特征劃分為荒漠、草原、草甸、沼澤，類型豐富度全國第一，境內(nèi)高山的強(qiáng)烈隆升作用造就了北疆草地類型的垂直地帶性特征，也決定了北疆草地資源的利用和開發(fā)具有顯著的地帶性^{［8，9］}。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2000—2020年Landsat NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)來源于谷歌地球引擎云平臺(tái)（https：//code.earthengine.google.com/），該數(shù)據(jù)以Landsat TM/OLI影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m×30 m，并且經(jīng)過了大氣校正、輻射校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（United states geological survey，USGS）介紹，所有一級(jí)Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有一致性，可以用于時(shí)間序列分析。由于年最大合成植被指數(shù)能很好地反映當(dāng)年植被覆蓋狀況，因此本研究采用最大合成法得到北疆地區(qū)每年最大NDVI，用于分析北疆地區(qū)21年來草地植被覆蓋度的年際變化。將下載的影像在ArcGIS Pro中進(jìn)行裁剪，得到2000—2020年北疆地區(qū)每年的最大合成NDVI數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn/），對(duì)所有年份氣象柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、重投影等操作進(jìn)行行列號(hào)的對(duì)齊與坐標(biāo)系對(duì)齊，最后利用北疆地區(qū)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到北疆地區(qū)年降水量、年均溫度的空間分布數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的植被類型分布圖。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2000—2020年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型 從北疆遙感圖像（Landsat）中提取NDVI（像元二分法）計(jì)算植被覆蓋度（FVC）。植被覆蓋度是反映草地資源是否發(fā)生退化的直接指標(biāo)^［10］，由于植被覆蓋度與NDVI存在極顯著線性相關(guān)關(guān)系，因此利用最大合成NDVI數(shù)據(jù)，采用像元二分模型估算植被覆蓋度^［11］。根據(jù)像元二分模型，1個(gè)像元NDVI的信息一般由綠色植被所貢獻(xiàn)的信息和裸地覆蓋所貢獻(xiàn)的信息2部分組成，計(jì)算公式如下^［12］：

式中，F(xiàn)VC表示植被覆蓋度；NDVI_soil表示裸地覆蓋的NDVI；NDVI_veg表示綠色植被覆蓋的NDVI。將研究區(qū)的年均植被覆蓋度分為低、中低、中、中高、高5級(jí)^［13］，對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度分別為0%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%^［14］。

1.3.2 草地退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 將北疆草地植被覆蓋度情況分為2000—2007年、2008—2016年、2017—2020年3個(gè)階段，按照草地退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將各期草地分為未退化、輕度退化、中度退化、重度退化。再將3期草地退化數(shù)據(jù)進(jìn)行退化等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣操作，共2個(gè)階段，通過正逆向轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，對(duì)北疆草地退化空間轉(zhuǎn)移趨勢(shì)進(jìn)行分析，研究北疆草地退化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

遙感監(jiān)測草地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取既要考慮遙感原理和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，也要堅(jiān)持科學(xué)性、可行性、針對(duì)性的原則^［10］。本研究參照中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1977—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》^［15］，將研究初期同區(qū)域同類型草地的未退化草地植被特征作為草地退化評(píng)定基準(zhǔn)^［5］，旨在研究進(jìn)入21世紀(jì)后北疆草地變化，將2000年北疆地區(qū)草地植被特征作為未退化草地的基準(zhǔn)。以草地植被覆蓋度作為草地退化分級(jí)指標(biāo)^［16］，利用相對(duì)減少率（V）進(jìn)行草地退化等級(jí)的劃分。計(jì)算公式如下^［17］：

式中，X_i表示草地植被覆蓋度在i時(shí)期的監(jiān)測值；X_a表示草地植被覆蓋度退化評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。其退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，選用草地退化指數(shù)（Grassland degradation index，GDI）判斷并監(jiān)測北疆地區(qū)整體的草地退化情況，計(jì)算公式如下^［16］：

式中，GDI為草地退化指數(shù)；D_i為草地退化等級(jí)i的評(píng)分；A_i為草地退化等級(jí)i的分布面積；A為研究區(qū)草地總面積^［18］。其草地退化評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

1.3.3 偏相關(guān)分析 相關(guān)分析是地理要素之間關(guān)系密切程度研究的常用方法^［19］，用來衡量2個(gè)要素之間的相關(guān)程度，而地理系統(tǒng)是多要素相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，1個(gè)要素的變化必然會(huì)引起其他要素的變化，因此在研究2個(gè)要素之間的相關(guān)程度時(shí)^［20］，需要控制其他要素的影響，可以采用偏相關(guān)分析的方法進(jìn)行分析。偏相關(guān)分析是指當(dāng)2個(gè)變量同時(shí)與第三個(gè)變量相關(guān)時(shí)，剔除第三個(gè)變量的影響，只分析這2個(gè)變量間相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)方法^［21］。本研究采用偏相關(guān)分析法研究年均氣溫、年降水量與草地植被覆蓋度的關(guān)系，計(jì)算公式如下^［21］：

式中，R_xy?s表示固定自變量s后自變量x與因變量y的偏相關(guān)系數(shù)；R_xy、R_xs、R_ys分別為x與y、x與s、y與s之間的相關(guān)系數(shù)，其中R_xy的計(jì)算公式如下：

1.3.4 多元回歸殘差分析 殘差分析常用于分離氣候因素和人類活動(dòng)對(duì)植被生長影響的綜合影響率。為了區(qū)分人類活動(dòng)和氣候因素對(duì)北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變化的影響，本研究采用多元回歸殘差分析方法研究人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)草地植被覆蓋度變化的影響及相對(duì)貢獻(xiàn)。該方法主要有以下3個(gè)步驟：①基于草地植被覆蓋度、氣溫和降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以FVC為因變量、以氣溫和降水量為自變量，建立二元線性回歸模型，計(jì)算模型中的各項(xiàng)參數(shù)；②基于氣溫和降水量數(shù)據(jù)及回歸模型的參數(shù)，計(jì)算得到FVC的預(yù)測值（FVC_CC），用來表示氣候因素對(duì)草地植被覆蓋度的影響；③計(jì)算FVC觀測值（FVC_obs）與FVC_CC之間的差值，即FVC殘差（FVC_HA），用來表示人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋度的影響。計(jì)算公式如下^［22］：

FVC_CC=a×T+b×P+c? ? ? ? ? （6）

FVC_HA=FVC_obs-FVC_CC（6）

式中，F(xiàn)VC_CC和FVC_obs分別表示基于回歸模型的FVC預(yù)測值和基于遙感影像的FVC觀測值；a、b和c為模型參數(shù)；T和P分別指生長季平均氣溫和累計(jì)降水量，單位分別為℃和mm；FVC_HA為殘差。

通過殘差年際趨勢(shì)變化可以得到人類活動(dòng)對(duì)草地覆蓋變化的相對(duì)作用，若殘差年際變化趨勢(shì)大于0，表明人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋度變化產(chǎn)生積極作用，人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋度變化正作用增強(qiáng)；如果年際變化趨勢(shì)小于0，則產(chǎn)生消極作用，人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋度變化負(fù)作用增強(qiáng)。若殘差隨時(shí)間序列無明顯變化，則認(rèn)為觀測到的草地植被覆蓋度變化是由于氣候因素造成的；若殘差趨勢(shì)變化顯著，則認(rèn)為人類活動(dòng)造成草地植被覆蓋度變化^［15］，并采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.5 變異系數(shù)分析 變異系數(shù)可以顯示草地變化的波動(dòng)程度。變異系數(shù)越小，表明波動(dòng)越小，穩(wěn)定程度越高；變異系數(shù)越大，穩(wěn)定程度越低^［23］，計(jì)算公式如下^［14］：

式中，c為變異系數(shù)；d_i為第i年的草地植被覆蓋度；d為2000—2020年草地植被覆蓋度均值；n為年數(shù)。

1.3.6 趨勢(shì)線分析 趨勢(shì)線分析可以對(duì)每個(gè)像元的變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬，反映不同時(shí)期地理要素變化趨勢(shì)的空間特征。該方法與差值法相比，消除了研究時(shí)期內(nèi)端點(diǎn)年份偶發(fā)異常因素的影響，在長時(shí)間序列植被覆蓋的演化趨勢(shì)上更科學(xué)^［24］。本研究利用趨勢(shì)線分析法來模擬北疆地區(qū)2000—2020年草地植被覆蓋度變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下^［5］：

式中，n為研究時(shí)段的累計(jì)年數(shù)；i為年序號(hào)，取值范圍為1～20；C_i為第i年草地年最大合成NDVI后計(jì)算的草地植被覆蓋度；slope是趨勢(shì)線的斜率，如果slope>0，表明草地植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，數(shù)值越大，增加趨勢(shì)越明顯，slope越小，降低趨勢(shì)越明顯。本研究采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果將變化趨勢(shì)分為顯著上升（slope>0，P≤0.05）、無顯著變化（slope>0，P≥0.05；slope<0，P≥0.05）；顯著下降（slope<0，P≤0.05）3種類型。

1.3.7 地形位置指數(shù) 地形是重要的自然因子之一，對(duì)氣溫、降水等均會(huì)造成影響，地表景觀分布、土地利用變化等往往與地形存在一定的相關(guān)關(guān)系。本研究使用地形位置指數(shù)（Topographic position index，TPI）來對(duì)植被、土地利用類型等的影響進(jìn)行定量研究，計(jì)算公式如下^［25］：

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，高海拔、陡坡度的地形位置指數(shù)高，低海拔、緩坡度的地形位置指數(shù)小。高海拔、緩坡度或者低海拔、陡坡度的地形位置指數(shù)中等。因此可以使用地形位置指數(shù)綜合分析海拔、坡度對(duì)植被的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地植被覆蓋度空間分布及變化

2.1.1 草地植被覆蓋度時(shí)間變化特征 草地植被覆蓋度變化能直觀反映區(qū)域草地植被生長狀況的變化^［26］。因此本研究基于2000—2020年北疆地區(qū)草地NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分模型計(jì)算北疆地區(qū)逐年草地植被覆蓋度。北疆地區(qū)年均草地植被覆蓋度的時(shí)間變化如圖2所示，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，多年草地植被覆蓋度平均值為45.21%，草地植被覆蓋度最大值出現(xiàn)在2016年，為52.57%，草地植被覆蓋度最小值出現(xiàn)在2008年，為40.12%。在21年間北疆地區(qū)草地植被覆蓋度出現(xiàn)3個(gè)明顯的變化階段，2000—2007年草地植被覆蓋度呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，出現(xiàn)2個(gè)波峰和1個(gè)波谷，2002、2007年為較大值年份，而2006年為較小值年份；2008—2016年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，草地植被覆蓋度為40.12%～52.57%。2017—2020年北疆地區(qū)的草地植被覆蓋度呈快速減少趨勢(shì)，草地植被覆蓋度為44.31%～50.21%。

2.1.2 草地植被覆蓋度空間分布特征 由圖3可知，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度分布具有明顯的空間分異特征，整體呈四周高中間低的分布特征。草地植被覆蓋度高值區(qū)主要分布于阿爾泰山、天山北坡及伊犁河谷兩側(cè)，該地區(qū)受山地迎風(fēng)坡影響，降水量較多，水熱條件較好，草地植被覆蓋度較高；草地植被覆蓋度低值區(qū)主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地邊緣，該地區(qū)受水熱條件影響，草地植被生長較差，以荒漠草原為主。將2000—2020年北疆草地植被覆蓋度進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果顯示，草地植被覆蓋度在0%～20%的低覆蓋面積占草地總面積的14%，主要位于準(zhǔn)噶爾盆地邊緣及毗鄰東疆的地區(qū)；草地植被覆蓋度在20%～40%的中低覆蓋區(qū)面積占草地總面積的31%，主要位于盆地邊緣向草原地區(qū)過渡位置；草地植被覆蓋度在40%～60%的中覆蓋區(qū)面積占草地總面積的21%，主要位于天山山麓與準(zhǔn)噶爾盆地毗鄰處及艾比湖、伊犁河四周；草地植被覆蓋度在60%～80%的中高覆蓋區(qū)面積占草地總面積的18%，草地植被覆蓋度在80%～100%的高覆蓋區(qū)面積占草地總面積的16%，主要位于阿爾泰山和天山山麓一帶。

2.1.3 草地植被覆蓋度空間變化特征 北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變化趨勢(shì)空間分布如圖4所示，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變化趨勢(shì)整體不顯著，局部地區(qū)草地變化趨勢(shì)顯著。草地植被覆蓋度變化趨勢(shì)顯著上升的區(qū)域主要分布于北疆地區(qū)的西南部；西部和北部局部地區(qū)草地植被覆蓋度呈顯著下降趨勢(shì)。總體來看，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度呈整體改善、局部退化的變化特征，可能是由于中國政府決定從2011年開始在新疆等8個(gè)?。▍^(qū)）實(shí)施5年1個(gè)周期的草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，對(duì)草畜平衡、草原禁牧和牧民生產(chǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)和補(bǔ)助^［12］。

對(duì)北疆地區(qū)草地植被覆蓋度不同變化趨勢(shì)的區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3），北疆地區(qū)草地植被覆蓋度呈顯著上升的區(qū)域面積為35 953.33 km²，占北疆地區(qū)草地總面積的10.38%；無顯著變化的區(qū)域面積為277 681.70 km²，占北疆地區(qū)草地總面積的80.13%，顯著下降的區(qū)域面積為32 902.54 km²，占北疆地區(qū)草地總面積的9.49%；總體來看，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度呈顯著上升的區(qū)域明顯大于顯著下降的區(qū)域，草地植被生長狀況有所改善。

北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變異系數(shù)的空間分布如圖5所示，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變異系數(shù)年際波動(dòng)程度空間分布差異明顯。極穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)域面積占草地總面積的87.18%，不穩(wěn)定區(qū)域面積占草地總面積的12.82%；總體來看，北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變異系數(shù)多為0～0.5，整體比較穩(wěn)定，表明草地生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。與草地植被覆蓋度空間分布相比，變異較小的區(qū)域主要位于北疆地區(qū)草地植被生長狀況較好的山脈，而變異較大的區(qū)域主要分布于北疆地區(qū)草地植被生長較差的準(zhǔn)噶爾盆地周邊地區(qū)，表明草地植被覆蓋度越高的地區(qū)變異越小，穩(wěn)定性越強(qiáng)，反之草地植被覆蓋度越低的地區(qū)變異越大，穩(wěn)定性弱，生態(tài)系統(tǒng)較脆弱，易受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和環(huán)境保護(hù)。

2.1.4 不同地形下的草地植被覆蓋度分布情況 不同地形下草地植被覆蓋度的情況也不相同，本研究利用DEM數(shù)據(jù)研究北疆草地植被覆蓋度在不同坡向和不同地形位置植被覆蓋度的情況。根據(jù)北疆不同坡向分布（圖6）可以看出，除平坡外，其他坡向的草地面積基本相同，其中陽坡草場集中分布于北疆地區(qū)的西部，陰坡則集中分布在天山北坡地區(qū)。由表4可知，在低覆蓋度區(qū)中陰坡、半陰坡的草地面積比陽坡、半陽坡大，在高覆蓋度區(qū)陽坡、半陽坡的草地面積比陰坡、半陰坡大，表明北疆地區(qū)陽坡、半陽坡的草地植被覆蓋度相對(duì)較高。

為了分析北疆地區(qū)草地植被覆蓋度與地形位置（圖7）之間的關(guān)系，將草地植被覆蓋度與地形位置指數(shù)進(jìn)行擬合（表5），分析草地植被覆蓋度的地形位置特征。使用ArcGIS平臺(tái)對(duì)地形位置指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，北疆地區(qū)低地形位置的占比為38.79%，中地形位置的占比為52.24%，高地形位置的占比為8.97%。總體來看，北疆地區(qū)草地集中在中地形位置地區(qū)，而低覆蓋度草地在低地形位置地區(qū)占比最高。

2.2 退化的時(shí)空變化

2.2.1 北疆草地退化時(shí)間變化 2000—2020年北疆地區(qū)草地平均退化指數(shù)為1.52，處于輕度退化階段。各地州草地退化指數(shù)最低值大多出現(xiàn)在2016年左右，其中博爾塔拉蒙古自治州草地退化指數(shù)波動(dòng)最明顯，烏魯木齊市的退化指數(shù)最大，并且退化趨勢(shì)最明顯。根據(jù)線性擬合結(jié)果，北疆地區(qū)草地退化指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.005/年，在整個(gè)研究期內(nèi)草地退化指數(shù)在2008年達(dá)到最高，為1.89，2016年草地退化指數(shù)最低，為1.17。2000—2020年北疆地區(qū)草地退化指數(shù)出現(xiàn)3個(gè)明顯變化階段，2001—2007年草地退化指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，整體趨勢(shì)相對(duì)平緩，2008—2016年草地退化指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，2017—2020年，草地退化指數(shù)又呈上升趨勢(shì)，整個(gè)研究期內(nèi)草地整體上有改善的趨勢(shì)（圖8）。

總體來看，在退耕還林還草政策的實(shí)施下^［27］，2000—2020年北疆地區(qū)草地退化程度整體減輕，未退化草地面積明顯增加，退化草地面積不斷減少，退化程度逐漸減輕。

2.2.2 北疆地區(qū)草地退化空間分布 為了研究2000—2020年北疆地區(qū)草地退化分布及變化的過程，本研究根據(jù)草地植被覆蓋度的年變化將其分2000—2007年、2008—2016年、2017—2020年3個(gè)研究時(shí)段來進(jìn)行分析，分別計(jì)算了3個(gè)時(shí)段草地植被覆蓋度的均值，根據(jù)草地退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同時(shí)段草地退化情況進(jìn)行等級(jí)劃分。

2000—2007年北疆地區(qū)草地退化面積為70 450.36 km²，占草地總面積的22.63%。該階段草地以重度退化為主，主要分布于北疆地區(qū)的阿爾泰山西部、塔爾巴哈臺(tái)山東部及準(zhǔn)噶爾盆地南部邊緣地區(qū)，輕度和中度退化草地主要分布于伊犁河谷兩側(cè)及天山、阿爾泰山等山麓地帶。該階段草地退化空間分布如圖9所示。

2008—2016年北疆地區(qū)草地退化面積為57 624.98 km²，占草地總面積的19.33%，草地以重度退化草地為主，主要分布于伊犁州東部及博格達(dá)山東部地區(qū)。輕度及中度退化草地集中分布于阿爾泰山地區(qū)，其余山脈均有零星分布。該階段草地退化空間分布如圖10所示。

2017—2020年北疆地區(qū)草地退化面積為? ? ? ?59 831.71 km²，占草地總面積的20.24%，草地退化以輕度退化為主，均勻分布于北疆各大山脈的山麓處，中度和重度退化草地主要分布于達(dá)坂城區(qū)與東疆吐魯番地區(qū)交界處。該階段草地退化空間分布如圖11所示。

2.2.3 北疆地區(qū)各退化等級(jí)草地動(dòng)態(tài)變化 為了進(jìn)一步分析北疆地區(qū)草地退化的動(dòng)態(tài)變化過程，明確北疆地區(qū)各等級(jí)退化草地變化特征，在研究北疆地區(qū)2000—2007年、2008—2016年、2017—2020年草地退化的基礎(chǔ)上，對(duì)3個(gè)時(shí)段草地退化進(jìn)行疊加分析，得到退化轉(zhuǎn)移的2個(gè)階段，北疆地區(qū)未退化、輕度退化、中度退化和重度退化草地的轉(zhuǎn)移矩陣及其分布。

由表6、圖12可知，Ⅰ階段北疆草地逆向演替面積達(dá)28 720.02 km²，草地退化比例達(dá)10.32%，其中未退化草地逆向演替面積為22 474.19 km²，退化比例為9.69%，輕度退化草地逆向演替面積為? ? ?4 896.47 km²，退化比例為12.03%，中度退化草地逆向演替面積為1 349.36 km²，退化比例為9.22%；該期間正向演替面積達(dá)36 859.75 km²，占比達(dá)62.94%。逆向演替主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、阿爾泰山、伊犁河谷南側(cè)、克拉瑪依市南部及烏魯木齊市；正向演替草地主要位于塔城地區(qū)南部、阿勒泰山西北部。

由表7、圖13可知，Ⅱ階段北疆草地逆向演替面積達(dá)36 605.39 km²，草地退化比例達(dá)17.52%，其中未退化草地逆向演替面積為26 870.10 km²，退化比例為11.60%，輕度退化草地逆向演替面積為7 288.13 km²，退化比例為18.82%，中度退化草地逆向演替面積為2 447.16km²，退化比例為22.15%；該期間正向演替面積達(dá)29 047.06 km²，占比達(dá)47.96%。逆向演替主要分布于伊犁州南部、昌吉州南部；正向演替草地主要位于準(zhǔn)噶爾盆地四周、伊犁河谷地區(qū)。

總體來看，相較于Ⅰ階段，Ⅱ階段北疆地區(qū)各草地退化等級(jí)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)移，主要表現(xiàn)為輕度退化、中度退化向未退化草地的轉(zhuǎn)移及重度退化向輕度退化轉(zhuǎn)移。

3 北疆草地退化驅(qū)動(dòng)力分析

在全球氣候變化的大背景下，氣候變化對(duì)草地的影響在自然因素中占重要地位，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人類活動(dòng)對(duì)草地的影響也逐漸加強(qiáng)。

3.1 草地植被覆蓋度與氣溫、降水量的偏相關(guān)分析

為了更直觀地研究氣候因子變化對(duì)北疆地區(qū)草地的影響，本研究采用偏相關(guān)分析法逐像元計(jì)算北疆地區(qū)2000—2020年草地植被覆蓋度與氣溫、降水量的偏相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)^［28］。

由圖14可知，北疆地區(qū)降水量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，一定程度上受全球變暖的影響，其中降水量在2016年達(dá)到峰值，也是草地植被覆蓋度的峰值，降水量在2000—2007年相對(duì)穩(wěn)定，2008—2016年波動(dòng)上升，2017—2020年波動(dòng)下降，變化趨勢(shì)與北疆草地植被覆蓋度趨勢(shì)相同，在一定程度上表明北疆草地退化與降水量的相關(guān)性較高。

由圖15可知，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度與降水量的相關(guān)系數(shù)中最大、最小偏相關(guān)系數(shù)分別為0.91、-0.86，顯著相關(guān)面積占草地總面積的22.38%。草地植被覆蓋度與降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域面積占草地總面積的17.34%，主要分布于與東疆交界處及山脈的山麓低海拔地區(qū)，草地植被覆蓋度與氣溫成負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占草地總面積的5.04%，零星分布于古爾班通古特等沙漠邊緣位置。

由圖16可知，2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度與氣溫的相關(guān)系數(shù)中最大、最小偏相關(guān)系數(shù)分別為0.87、-0.86，顯著相關(guān)面積占草地總面積的17.49%。草地植被覆蓋度與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域面積占草地總面積12.01%，主要分布于昌吉州東部，博爾塔拉州賽里木湖附近，草地植被覆蓋度與氣溫成負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占草地總面積的5.48%，主要分布于阿爾泰山東部。

總體來看，北疆地區(qū)草地植被覆蓋度與降水量最大相關(guān)系數(shù)超過植被覆蓋與氣溫的相關(guān)系數(shù)，且降水量與草地植被覆蓋顯著相關(guān)的區(qū)域面積大于氣溫與草地植被覆蓋顯著相關(guān)的區(qū)域面積，進(jìn)一步表明北疆地區(qū)草地主要受降水量的影響。

3.2 人類活動(dòng)

本研究通過構(gòu)建逐像元草地植被覆蓋度與氣溫、降水量的二元一次線性回歸模型來計(jì)算氣候因子影響下的草地植被覆蓋度，利用殘差分析法，將2000—2020年遙感實(shí)際觀測草地植被覆蓋度與模擬的潛在草地植被覆蓋度相減得到人類活動(dòng)影響下的草地植被覆蓋度，最后通過趨勢(shì)分析法和t檢驗(yàn)得到人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋度的影響（圖17）。

總體來看，2000—2020年北疆地區(qū)有16.09%的草地正在恢復(fù)，有9.49%的草地發(fā)生了退化，表明人類活動(dòng)對(duì)北疆地區(qū)草地植被覆蓋度變化整體呈積極影響。

3.3 退化典型地州分析

為了尋找北疆典型退化區(qū)域出現(xiàn)極顯著退化的原因，根據(jù)《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》分析了2000—2020年烏魯木齊市和昌吉州人口數(shù)量、農(nóng)作物播種面積、年末牲畜存欄量及GDP的時(shí)間變化，結(jié)果如圖18至圖21所示。

因米泉市合并至烏魯木齊市，導(dǎo)致昌吉州人口數(shù)量在2007年出現(xiàn)驟降，2007—2020年昌吉州人口數(shù)量整體較平穩(wěn)，2007—2016年烏魯木齊市人口數(shù)量整體呈上升趨勢(shì)；從昌吉州和烏魯木齊市農(nóng)作物播種面積來看，2個(gè)城市均呈上升趨勢(shì)；隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2000—2012年，昌吉州和烏魯木齊市牲畜存欄量從2000年的368.13萬頭和62.15萬頭增長至2020年的389.7萬頭和75.26萬頭，放牧活動(dòng)增加；而2個(gè)城市的GDP均呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。根據(jù)以上分析，21年間，2個(gè)城市人口增加、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展及耕地面積不斷擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的亂墾現(xiàn)象，大量草地被開墾為耕地、工業(yè)用地，導(dǎo)致草地出現(xiàn)顯著退化現(xiàn)象^［29］。

4 小結(jié)與討論

1）2000—2020年北疆地區(qū)草地植被覆蓋度整體呈增加趨勢(shì)。北疆地區(qū)北部相比南部草地植被覆蓋度年際波動(dòng)較大、穩(wěn)定性較弱、生態(tài)系統(tǒng)較脆弱，易受氣候變化和人類活動(dòng)的影響。北疆地區(qū)草地在陽坡地區(qū)植被覆蓋度相對(duì)較高，草地植被覆蓋度較高的區(qū)域主要位于地形位置指數(shù)較高、水熱條件相對(duì)較好的山地；反之，植被覆蓋度較低的區(qū)域主要位于相對(duì)缺水、干旱的沙漠邊緣等地區(qū)。

2）2000—2020年北疆地區(qū)各草地退化等級(jí)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)移，主要表現(xiàn)為輕度退化、中度退化向未退化草地的轉(zhuǎn)移及重度退化向輕度退化轉(zhuǎn)移，表明北疆地區(qū)草地退化現(xiàn)象進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。

3）北疆草地退化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，其中降水量是主要的氣候因素。

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收稿日期：2022-10-28

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)專項(xiàng)（2022B02003）

作者簡介：范 君（1998-），男，江蘇南通人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥缹W(xué)，（電話）18851733395（電子信箱）458651338@qq.com；通信作者，顏 安（1983-），新疆烏魯木齊人，男，教授，博士，主要從事數(shù)字農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測研究，（電子信箱）yanan@xjau.edu.cn。