吾甫爾·托乎提，呂田田，賽·巴雅爾圖，馮朝陽

1.新疆巴州生態(tài)環(huán)境局

2.北京市昌平區(qū)興壽學校

3.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室, 中國環(huán)境科學研究院

植被覆蓋度（fractional vegetation cover，F(xiàn)VC）是區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占地表面積的比例，能夠反映地表植被的繁茂程度，也是反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標之一[1-3]。對植被覆蓋度時空格局進行動態(tài)評測及影響因素分析，對于指導區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復，改善地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，提升生態(tài)建設效率具有重要意義。

植被覆蓋度研究經(jīng)歷了目測—儀器測量—遙感解譯的過程[4]，而目前使用較多的遙感解譯方式，雖然能縮短影像處理時間，提高工作效率，但僅從遠距離觀測，準確率有待提高[5-6]。陳艷梅等[7]通過分析MODIS數(shù)據(jù)與實測歸一化植被指數(shù)（NDVI）的關系，建立了預測呼倫貝爾草原植被覆蓋度的MODIS光譜模型，平均預測精度達到88.75%；楊峰等[8]基于Landsat TM遙感數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，通過植被指數(shù)與植被覆蓋度的相關關系對天山北坡典型退化草地構建監(jiān)測模型，研究結(jié)果較好，模型精度較高；呂聰?shù)萚9]建立了實測植被覆蓋度與MOD13Q1數(shù)據(jù)間模型，平均預測精度達到88.75%；關欣等[10]利用經(jīng)驗模型和像元二分法，構建了精度較高的巴音布魯克草原植被覆蓋度模型（R2為0.837）。

掌握植被覆蓋度時空變異特征，探討人類活動和氣候因素對其的驅(qū)動作用，對評價、恢復和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、功能具有重要意義。當前，基于NDVI或植被覆蓋度時空變化及其驅(qū)動因素識別等也成為生態(tài)質(zhì)量研究的重要內(nèi)容之一[11-16]。王建國等[17]運用一元線性回歸分析，研究了新疆最大植被覆蓋度年際變化趨勢，并通過對比植被、氣溫和降水的重心分布和演變軌跡，判斷了植被覆蓋度與氣溫和降水要素空間變化的相關性；穆少杰等[18]基于像元的空間分析法分析植被覆蓋度與各氣候因子的偏相關關系，結(jié)果表明，在年際水平上，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)植被生長與降水量呈顯著正相關，在月際水平上植被生長更依賴于水熱組合的共同作用；鄧偉等[19]基于2000—2010年MODIS EVI數(shù)據(jù)和氣候資料的研究表明，氣溫升高和充沛的降水量形成的溫濕水熱條件是長江中下游流域植被覆蓋狀況改善的主要原因；Ning等[20]通過偏相關分析發(fā)現(xiàn)，春夏季降水的增加是1998—2012年黃土高原北部地區(qū)NDVI增加的主要原因，退耕還林工程和煤礦基地環(huán)境治理的實施等是促進植被狀況改善的重要因素；Li等[21]基于GIMMS NDVI 3G數(shù)據(jù)和氣候因子的研究表明，不同土地利用方式下，氣候、地形和地理要素對黃土高原地區(qū)NDVI的獨立影響和綜合影響存在差異，不同土地利用方式下NDVI的空間分布主要受氣候要素組的驅(qū)動。

巴音布魯克草原是我國第一大亞高山高寒草原，近年來由于人類活動和全球氣候變化的影響，植被覆蓋度明顯降低。筆者采用線性光譜混合模型，對巴音布魯克草原2000—2020年植被覆蓋度時空格局及影響因素進行分析，以期為高寒草場的合理利用和生態(tài)保護修復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

巴音布魯克草原地處天山南坡中段腹地，是我國最大的高山草原。區(qū)域面積約為23 835 km2，涉及新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州和靜縣西北部、新源縣和特克斯縣東部的部分地區(qū)。地形以山地和盆地為主，北部為小尤爾多斯盆地，中部為艾爾溫根烏拉山，南部為大尤爾多斯盆地，四周群山環(huán)繞，海拔為2 400～4 400 m。巴音布魯克草原全年積雪天數(shù)約160 d，年降水量小于400 mm，年平均氣溫為-5.5～-3.5 ℃，形成了干燥而寒冷的高寒山區(qū)氣候。高寒山地的氣候特點和獨特的盆地地貌類型使得巴音布魯克草原盆地內(nèi)部河流常年受周邊高山冰雪融水的補給，是開都河、鞏乃斯河、渭干河3條河流的發(fā)源地，被稱為新疆的“三河源”。區(qū)內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)分布廣泛，主要優(yōu)勢植被為柄囊薹草（Carex stipitiutriculataP.C.Li）、紫花針茅（Stipa purpureaGriseb.）及線葉蒿草〔Kobresia capillifolia(Decne.) C.B.Clarke〕等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

MODIS NDVI數(shù)據(jù)選用 EOS-Modis/terra（http://lpdaac.usgs.gov/main.asp）中 16 d合成的MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)格式為HDF，通過MRT（MODIS Reprojection Tool）軟件進行拼接和格式轉(zhuǎn)化，在ArcGIS 10.4軟件中進行裁切和重采樣得到。采用最大合成法選取研究區(qū)生長季（4—9月）NDVI最大值作為年NDVI。氣象數(shù)據(jù)主要包括年降水量和年平均氣溫，來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心的中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集（1979—2018年），水平空間分辨率為0.1°，將其轉(zhuǎn)換為點數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)共涉及243個點位。高程（DEM）數(shù)據(jù)為SRTM地形數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），土地覆被類型來源于http://www.globallandcover.com/。為方便分析，統(tǒng)一將NDVI數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和土地覆被數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣為250 m。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計算方法

采用線性混合光譜模型，測評巴音布魯克草原植被覆蓋度，計算方法如下[9]：

式中：FVC為估算的植被覆蓋度，%；NDVIm為MODIS遙感NDVI數(shù)據(jù)，取值為0～1。

2.2 植被覆蓋度時空變化趨勢分析

采用斜率趨勢分析法逐像元分析植被覆蓋度時間變化趨勢，計算公式如下：

式中: slopej為第j個像元的植被覆蓋度變化率；FVCij為第i年第j個像元的植被覆蓋度，%。

利用F檢驗進行顯著性檢驗，并根據(jù)檢驗結(jié)果將FVC變化趨勢分為如下5個等級：明顯增加（slope＞0，P≤0.01）、略微增加（slope＞0，0.01＜P≤0.05）、略微降低（slope＜0，0.01＜P≤0.05）、明顯降低（slope＜0，P≤0.01）、基本不變（slope=0 或P＞0.05）。

2.3 植被覆蓋度影響因素分析

植被覆蓋度受地形、氣象及土地覆被等多因素影響，選取海拔與坡向2個指標分別統(tǒng)計分析植被覆蓋度分布及變化特征；選取年降水量和年平均氣溫采用線性相關分析法分析植被覆蓋度與氣象要素的相關性；通過統(tǒng)計不同土地覆被的植被覆蓋度年值和土地覆被轉(zhuǎn)移情況，分析土地覆被變化對區(qū)域植被覆蓋度變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時空格局

3.1.1 植被覆蓋度空間分布特征

2000—2020年巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布不均衡（圖1）。植被覆蓋度大于60%的區(qū)域面積為5 886.38 km2，占總面積的24.70%，呈面狀分布于研究區(qū)西北部和南部，位于新源縣東部、和靜縣西南部，涉及那拉提草原和大尤爾多斯盆地；植被覆蓋度為45%～60%的區(qū)域面積8 471.04 km2，占總面積的35.54%，呈片狀分布在研究區(qū)中部及東北部，位于和靜縣境內(nèi)，涉及大、小尤爾多斯盆地及盆地邊緣；植被覆蓋度為15%～45%的區(qū)域面積7 737.23 km2，占總面積的32.46%，呈面狀分布在研究區(qū)東部和西部，位于和靜縣東部，涉及大尤爾多斯盆地東部和小尤爾多斯盆地；植被覆蓋度小于15%的區(qū)域面積較小，約1 740.34 km2，零形狀分布在研究區(qū)邊緣。

圖 1 2000—2020年巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布Fig.1 Spatial distribution map of the average FVC of Bayinbulak Grassland from 2000 to 2020

3.1.2 植被覆蓋度時間變化特征

2000—2020年巴音布魯克草原多年平均植被覆蓋度為46.19%，其中，2000年最高，為50.04%；2013年最低，為43.48%；21年間，區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，其中，2000—2010年年平均下降率為0.18%，2011—2020年平均增加率為0.17%，總體年下降率為0.093%（圖2），表明區(qū)域植被覆蓋度經(jīng)歷了先退化后恢復的過程，但仍未恢復至歷史最好水平。

像元尺度上（圖3），2000—2020年巴音布魯克草原大部分植被覆蓋度基本不變，面積占比約為64.60%，主要呈面狀分布在中部地區(qū)。植被覆蓋度呈降低趨勢的面積占比高于呈增加區(qū)域，其中，明顯降低和略微降低的面積占比分別為15.43%和9.43%，呈面狀分布在中東部和北部，明顯增加和略微增加的區(qū)域面積占比僅為4.23%和6.31%，分散分布在研究區(qū)中部和西部邊緣。

圖 2 2000—2020年巴音布魯克草原植被覆蓋度年際變化Fig.2 Interannual variability of FVC in Bayanbulak Grassland from 2000 to 2020

圖 3 2000—2020年巴音布魯克植被覆蓋度變化等級空間分布Fig.3 Spatial change distribution of FVC change grade in Bayanbulak from 2000 to 2020

3.2 植被覆蓋度影響因素分析

3.2.1 地形

將研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)以500 m為間隔，分為7個海拔區(qū)間，結(jié)果如表1所示。由表1可知，巴音布魯克草原平均植被覆蓋度隨著海拔升高逐漸降低。海拔1 500 m以下的植被覆蓋度最高，平均為65.92%；隨海拔升高，氣溫降低，植被生長所需要的熱量無法得到滿足，覆蓋度依次降低；海拔大于4 000 m時，由于氣溫很低，且大部分區(qū)域被冰川和永久積雪覆蓋，植被覆蓋度僅為8.82%。

2000—2020年，研究區(qū)不同海拔區(qū)間植被覆蓋度變化趨勢分析結(jié)果顯示（表1）：各海拔區(qū)間大部分區(qū)域的植被覆蓋度基本不變，海拔低于1 500 m和高于4 500 m的區(qū)域呈基本不變的面積占比分別為79.16%和72.40%。海拔為1 500～2 000 m的區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度呈降低趨勢的面積占比最高，分別有27.17%和14.72%的區(qū)域明顯降低和略微降低；海拔為3 000～3 500和3 500～4 000 m的區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度呈增加趨勢的面積占比最高，前者分別有9.82%和5.25%的區(qū)域明顯增加和略微增加，后者分別有9.39%和5.07%的區(qū)域明顯增加和略微增加。

將坡向分為陰坡和陽坡分析區(qū)域植被覆蓋度與坡向的關系。其中，西北、北、東北和東為陰坡；東南、南、西南、西為陽坡[22-23]。統(tǒng)計分析顯示，陽坡、陰坡平均植被覆蓋度分別為44.62%、47.62%。其中，坡向為北的植被覆蓋度最高，平均為49.67%，其次為東北，為48.05%，之后依次為西北、西、西南、東、南和東南，分別為47.97%、45.40%、45.22%、44.34%、44.18%、43.74%。結(jié)合海拔區(qū)間分析，發(fā)現(xiàn)0～15%的低植被覆蓋度主要分布在陰坡的高海拔區(qū)域，其中海拔高于4 000 m的陰坡植被覆蓋度僅為8.14%，這些區(qū)域氣溫低，冰川和永久積雪分布較廣泛；植被覆蓋度大于45%的區(qū)域主要分布在陰坡低海拔區(qū)域，低于1 500 m的陰坡植被覆蓋度為62.48%，這主要是由于海拔低，氣溫較高，且陰坡缺乏光照，因此蒸發(fā)量少，水分較充足。

3.2.2 氣象因子

基于氣象要素與植被覆蓋度的線性相關分析，結(jié)果表明，研究區(qū)大部分地區(qū)的植被覆蓋度與年降水量不顯著相關，少部分地區(qū)與當年降水量或上年降水量具有正相關關系。其中，約10.70%的地區(qū)植被覆蓋度與當年降水量呈正相關，集中分布在研究區(qū)中部和北部地區(qū)（圖4），僅有0.82%的地區(qū)與當年降水量呈負相關，約88.48%的地區(qū)與當年降水量不顯著相關。13.99%的地區(qū)植被覆蓋度與上年降水量呈正相關，主要分布在北部地區(qū)和中東部地區(qū)（圖4），其中2.47%的地區(qū)為極顯著正相關，11.52%的地區(qū)為顯著正相關，其他區(qū)域均為不顯著相關（表2）。

表 1 2000—2020年不同海拔植被覆蓋度及其變化情況Table 1 FVC and its changes in different elevation intervals from 2000 to 2020

圖 4 植被覆蓋度與年降水量相關關系空間分布Fig.4 Spatial distribution map of the relationship between FVC and annual precipitation

表 2 植被覆蓋度與氣象要素的相關關系統(tǒng)計Table 2 Correlation diagram of FVC with annual precipitation and annual average temperature %

研究區(qū)植被覆蓋度與年平均氣溫的線性相關性空間異質(zhì)性較大，但大部分地區(qū)的植被覆蓋度與年平均氣溫不顯著相關（圖5）。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，8.23%的地區(qū)植被覆蓋度與當年平均氣溫呈正相關，主要分布在研究區(qū)東部地區(qū)，8.23%的地區(qū)植被覆蓋度與當年平均氣溫呈負相關，分布較為零散，其他地區(qū)不顯著相關。有11.11%的地區(qū)與上年平均氣溫呈正相關，主要分布在研究區(qū)中東部地區(qū)，5.35%的地區(qū)與上年平均氣溫呈負相關，分散分布在研究區(qū)南部邊緣，其他地區(qū)均不顯著相關（圖5、表2）。

圖 5 植被覆蓋度與年平均氣溫的相關關系空間分布Fig.5 Spatial distribution map of the relationship between FVC and annual average temperature

3.2.3 土地覆被

利用ArcGIS 10.4軟件將研究區(qū)土地覆被類型數(shù)據(jù)與多年平均植被覆蓋度進行提取分析，結(jié)果顯示，研究區(qū)耕地植被覆蓋度最高，為65.89%，這主要因為植被生長季，人類對耕地進行定期維護；其次為森林，植被覆蓋度為63.31%；之后依次為濕地、人造地表、草地、裸地，分別為54.92%、52.85%、49.89%和22.33%。

2000—2020年巴音布魯克草原土地覆被類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積為4 917.16 km2，占研究區(qū)總面積的20.63%，其中主要為冰川和永久積雪轉(zhuǎn)換為草地、裸地等（圖6）。土地覆被類型轉(zhuǎn)化是研究區(qū)植被覆蓋度發(fā)生變化的重要原因，經(jīng)統(tǒng)計，冰川和永久積雪轉(zhuǎn)化為草地的區(qū)域，有213.02 km2的區(qū)域植被覆蓋度顯著增加。冰川和永久積雪轉(zhuǎn)化為裸地的區(qū)域，有321.45 km2的區(qū)域植被覆蓋度顯著降低。

圖 6 2000—2020年巴音布魯克草原不同土地覆被轉(zhuǎn)移情況Fig.6 Change of different land cover in Bayanbulak Grassland from 2000 to 2020

3.3 討論

本研究通過對2000—2020年巴音布魯克草原植被覆蓋度進行測算，分析了其時空變化格局及與地形、氣象因子及土地覆被類型的關系，定性識別出巴音布魯克草原植被覆蓋度的變化原因。其他學者也對該區(qū)域植被覆蓋度進行過研究，如呂聰[9]對2001—2015年研究區(qū)植被覆蓋度時空格局中除2015年的植被覆蓋度偏高外，其他時段的變化趨勢與本研究結(jié)論基本一致。楊雅靜等[24]研究發(fā)現(xiàn)2000—2015年和靜縣植被覆蓋度下降，且與年降水量呈正相關，與本研究結(jié)論基本一致。植被覆蓋度時空分布是受多種自然因素和人類活動影響，本研究在氣象方面只選取了年降水、年平均氣溫與植被覆蓋度進行了單一要素的線性相關性分析，僅采用土地覆被變化代表了人類活動的影響，研究方法和結(jié)果具有一定的局限性。

4 結(jié)論

（1）巴音布魯克草原平均植被覆蓋度空間分布不均衡，總體呈西部高東部低的空間分布格局，植被覆蓋度大于45%的區(qū)域面積占比為60.24 %。2000—2020年，巴音布魯克草原植被覆蓋度先降低后升高，平均年下降率為0.093%，約64.60%的區(qū)域植被覆蓋度基本不變。植被覆蓋度隨海拔升高而降低，低植被覆蓋度（0～15%）主要分布在陰坡的高海拔區(qū)域，高植被覆蓋度（＞45%）區(qū)域主要分布在陰坡低海拔區(qū)域。

（2）研究區(qū)大部分地區(qū)植被覆蓋度與年降水量和年平均氣溫線性相關性不顯著，約10.70%的地區(qū)植被覆蓋度與當年降水量呈正相關，13.99%的地區(qū)與上年降水量呈正相關，8.23%和8.23%的地區(qū)分別與當年平均氣溫呈正相關和負相關，11.11%和5.35%的地區(qū)分別與上年平均氣溫呈正相關和負相關。

（3）各土地覆被類型中，耕地植被覆蓋度最高，為65.89%，其次為林地和濕地。土地覆被類型的轉(zhuǎn)化促進了植被覆蓋度的變化，冰川和永久積雪轉(zhuǎn)化為裸地的區(qū)域植被覆蓋度顯著降低，轉(zhuǎn)化為草地的區(qū)域明顯增加。