石 玉，肖繼東，李 聰，曹孟磊

(新疆氣象局遙感中心，烏魯木齊 830002)

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)，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、水文以及生物地球化學(xué)平衡的敏感變量[1-2]。在一定尺度氣候背景條件下，地表的植被覆蓋對(duì)調(diào)節(jié)綠洲區(qū)域氣候有著積極作用，可增加局部地區(qū)的降水[3]；因此植被的變化可直接反映生態(tài)環(huán)境的變化。西部干旱區(qū)的植被受氣候變化和人類活動(dòng)的影響波動(dòng)較大，認(rèn)識(shí)這些變化情況并分析其成因，對(duì)于了解影響植被變化的因素，預(yù)測(cè)植被變化的狀況都有著重要的意義[4]。利用2006—2017年的MODIS的歸一化植被指數(shù)(normallized different vegetation index，NDVI)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究博爾塔拉蒙古自治州(簡(jiǎn)稱博州)地區(qū)植被指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律，分析氣象因子、載畜量等驅(qū)動(dòng)因子對(duì)植被退化的影響，從而弄清氣象因子和人類活動(dòng)對(duì)植被生態(tài)的影響程度，旨在為博州地區(qū)草地生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。

1 區(qū)域概況

博州位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，天山西段以北，地處中緯度內(nèi)陸，屬大陸性溫帶干旱氣候區(qū)。由于博州西、北、南三面環(huán)山，地勢(shì)西高東低，中部是喇叭狀的谷地平原，地形地貌和下墊面狀況復(fù)雜多樣。天然草地作為博州生態(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。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。天山西段乃至整個(gè)新疆依舊處于生態(tài)脆弱帶，干濕波動(dòng)對(duì)區(qū)域草地生產(chǎn)力的變化影響極大。草地生產(chǎn)力的變化，也嚴(yán)重影響牧區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的生存環(huán)境。草地資源是發(fā)展畜牧業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)資源,是我國牧區(qū)、半牧區(qū)人們賴以生存的基礎(chǔ)。草地資源的可持續(xù)利用事關(guān)生態(tài)問題和少數(shù)民族地區(qū)的發(fā)展問題。

2 遙感數(shù)據(jù)處理

2.1 NDVI的提取

植被指數(shù)是利用衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)的線性或非線性組合而形成的能夠反映綠色植被生長(zhǎng)狀況和分布的特征指數(shù)。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)建立了幾十種植被指數(shù)模型，其中NDVI是應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)之一。采用對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星EOS的MODIS傳感器采集的遙感數(shù)據(jù)，利用MODIS資料的2個(gè)空間分辨率為250 m的通道(第一波段是紅光波段反射率Xred，第二波段是近紅外波段反射率Xnir)，計(jì)算NDVI，計(jì)算公式[5]為

(1)

MODIS資料與以往的衛(wèi)星遙感資料相比，改善了許多性能。改進(jìn)了AVHRR數(shù)據(jù)的空間分辨率，將其最大分辨率提高到250 m。比SPOT、TM和AVHRR有更高的光譜分辨率，達(dá)到了36個(gè)波段。MODIS的波段較窄，使得近紅外波段的水汽吸收區(qū)被剔除，而紅外波段對(duì)葉綠素更敏感，這將大大改進(jìn)NDVI的質(zhì)量[6]。由于單個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù)很難排除云或霧的影響，為了盡可能消除云霧對(duì)植被指數(shù)的影響，對(duì)每月的NDVI做最大值合成，以此作為該月的NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 植被綠度的計(jì)算

為了分析NDVI的逐年變化情況，利用一元線性回歸方法擬合每個(gè)柵格點(diǎn)的NDVI變化趨勢(shì)，并分析其顯著性。采用最小二乘法擬合NDVI和年份的線性回歸系數(shù)，得到植被綠度變化率，反應(yīng)NDVI逐年的變化方向和速率[7]，計(jì)算公式為

(2)

式中GRC為植被綠度變化率；變量i為年序號(hào)，取值范圍為1～12；n為研究的時(shí)間序列長(zhǎng)度，n=12；Indvi為第i年的年最大NDVI值。GRC>0，說明NDVI在n年間的變化趨勢(shì)是增加的，即植被是改善的；反之則減小。

3 結(jié)果分析

3.1 植被時(shí)空變化

提取2006—2017年植被生長(zhǎng)季5—9月的NDVI月最大合成值，進(jìn)行年度均值統(tǒng)計(jì)分析(圖1)。從圖1可以看出，博州2006—2017年植被指數(shù)呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，12 a間植被指數(shù)平均值0.146。其中2006年植被指數(shù)最低，只有0.125；2016年植被指數(shù)最高，為0.162。植被指數(shù)超過累年均值的年份有6 a，近3 a的植被指數(shù)連續(xù)超過累年均值，說明近3 a博州的整體植被有向好的趨勢(shì)。

圖1 2006—2017年博州地區(qū)5—9月植被指數(shù)年際變化趨勢(shì)

利用反映NDVI的變化方向和速率的指標(biāo)——植被綠度變化率來體現(xiàn)其空間上的變化。采用ArcGIS的柵格計(jì)算器逐像元計(jì)算得到植被綠度變化率空間分布圖，并采用自然斷點(diǎn)法，將植被綠度變化率分為5個(gè)等級(jí)，分別為：中度退化、輕度退化、無變化、輕度改善和中度改善。計(jì)算2006—2017年博州地區(qū)每個(gè)柵格點(diǎn)的植被綠度變化率(圖2，圖見第62頁)，發(fā)現(xiàn)2006—2017年博州植被變化仍然是以退化為主，局部改善。其中輕度退化面積占總面積的19.6%，中度退化面積占1.3%，無變化區(qū)占65.6%，輕度改善面積占6.4%，中度改善占7.1%。植被退化以輕度退化為主，主要集中在天山山脈以及淺山帶,大多為天然草地植被；而植被改善則以中度改善為主，改善的區(qū)域主要集中在平原農(nóng)作物種植區(qū)，其中博樂市、精河縣中部存在大面積植被中度改善區(qū)。

從植被指數(shù)的時(shí)空分析來看，雖然植被指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，但是博州地區(qū)的草地植被卻呈現(xiàn)退化的趨勢(shì)，而植被改善的區(qū)域主要在平原農(nóng)區(qū)，這與新開墾耕地有較大的關(guān)系。

3.2 氣象要素對(duì)草地植被退化的影響

氣象因素是植被變化的重要原因[8],博州地區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量在2006—2017年均呈上升趨勢(shì)(圖3)，累年平均氣溫為21.3 ℃。其中2008年最高，為22.1 ℃；2009年最低，為20.1 ℃。12 a超過累年平均氣溫的年份有7 a，低于累年平均氣溫以下的年份有5 a。近4 a的平均氣溫均超過累年平均氣溫，氣溫上升趨勢(shì)明顯。氣溫升高可以延長(zhǎng)植被的生長(zhǎng)季,對(duì)于植被的影響是正面的[9]。然而對(duì)于干旱半干旱地區(qū)的草地植被，氣溫升高會(huì)加重干旱程度，對(duì)于草地植被的影響是負(fù)面的[10-11]。

圖3 2006—2017年博州地區(qū)5—9月平均氣溫及降水量

博州地區(qū)近12 a的降水量也是呈上升的趨勢(shì)，累年平均降水量為116.7 mm。其中2016年最多，達(dá)到182.3 mm；2014年最少，只有81.7 mm。但是超過累年平均降水量的年份只有5 a，少于累年平均降水量的年份有7 a。植被指數(shù)與降水量有顯著的正相關(guān)[10-11]。雖然博州地區(qū)植被生長(zhǎng)季的降水量呈上升趨勢(shì)，但是大多數(shù)年份的降水量未達(dá)到累年均值；因此，干旱的年份偏多。其次降水對(duì)植被指數(shù)的影響有滯后性，因而近12 a博州地區(qū)的植被指數(shù)與降水相關(guān)性不明顯。

3.3 載畜量對(duì)植被退化的影響

除去自然因素，博州草地植被變化也需要考慮人為因素的影響。根據(jù)新疆自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，博州2008—2017年年末牲畜的存欄頭數(shù)呈上升趨勢(shì)(圖4)。2006年博州牲畜的存欄頭數(shù)為249.5萬只羊單位；2007年由于政策原因，草地生態(tài)環(huán)境受到關(guān)注，牲畜存欄頭數(shù)陡降；2008年牲畜的存欄頭數(shù)達(dá)到最低值。從2008年開始到2016年博州地區(qū)的牲畜存欄頭數(shù)又呈現(xiàn)緩慢上升的態(tài)勢(shì)。2008—2012年牲畜的存欄頭數(shù)維持在130萬只羊單位左右；2013年—2015年間，上升速度明顯加快，上升速率達(dá)到每年10萬只羊單位；2016年達(dá)到近10 a最高值，為163萬只羊單位；2017年又略有下降。雖然近10 a博州地區(qū)的載畜量較前期大為減少，但還是呈緩慢上升的態(tài)勢(shì)，且超載仍然嚴(yán)重。由于長(zhǎng)期過渡放牧，使原本脆弱的草地植被持續(xù)退化，草畜矛盾更加突顯。雖然生態(tài)環(huán)境問題越來越受到關(guān)注與重視，但經(jīng)濟(jì)民生問題與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)如何協(xié)調(diào)發(fā)展仍然是今后要繼續(xù)探索的。

圖4 博州2006—2017年年末牲畜存欄頭數(shù)變化

4 結(jié)論

(1)2006—2017年間，博州地區(qū)的植被總體上呈輕度退化的趨勢(shì)，尤其是天山山區(qū)及淺山帶的草地植被呈輕度退化的態(tài)勢(shì)，而平原農(nóng)區(qū)的植被指數(shù)則呈明顯改善的趨勢(shì)。

(2)氣溫升高是博州草地植被退化的原因之一，夏季氣溫升高加劇了干旱對(duì)草地植被的負(fù)面影響。

(3)降水雖然呈上升趨勢(shì)，但豐水年不足，干旱的年份多于豐水年份，導(dǎo)致了博州地區(qū)草地植被在近12 a呈退化趨勢(shì)。

(4)載畜量的逐年上升加劇了自然草場(chǎng)的退化，尤其是近幾年存欄頭數(shù)的急劇增加使得草畜矛盾加劇，使原本脆弱的天然草場(chǎng)退化加劇。

(5)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)濕地、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。