巴音布魯克高寒草原植被覆蓋度時(shí)空格局及影響因素

吾甫爾·托乎提，呂田田，賽·巴雅爾圖，馮朝陽(yáng)

1.新疆巴州生態(tài)環(huán)境局

2.北京市昌平區(qū)興壽學(xué)校

3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)環(huán)境科學(xué)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(biāo)之一[1-3]。對(duì)植被覆蓋度時(shí)空格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)測(cè)及影響因素分析，對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)，改善地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，提升生態(tài)建設(shè)效率具有重要意義。

植被覆蓋度研究經(jīng)歷了目測(cè)—儀器測(cè)量—遙感解譯的過(guò)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(shí)間，提高工作效率，但僅從遠(yuǎn)距離觀測(cè)，準(zhǔn)確率有待提高[5-6]。陳艷梅等[7]通過(guò)分析MODIS數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)歸一化植被指數(shù)（NDVI）的關(guān)系，建立了預(yù)測(cè)呼倫貝爾草原植被覆蓋度的MODIS光譜模型，平均預(yù)測(cè)精度達(dá)到88.75%；楊峰等[8]基于Landsat TM遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)植被指數(shù)與植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系對(duì)天山北坡典型退化草地構(gòu)建監(jiān)測(cè)模型，研究結(jié)果較好，模型精度較高；呂聰?shù)萚9]建立了實(shí)測(cè)植被覆蓋度與MOD13Q1數(shù)據(jù)間模型，平均預(yù)測(cè)精度達(dá)到88.75%；關(guān)欣等[10]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖裨址?，?gòu)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(shí)空變異特征，探討人類(lèi)活動(dòng)和氣候因素對(duì)其的驅(qū)動(dòng)作用，對(duì)評(píng)價(jià)、恢復(fù)和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、功能具有重要意義。當(dāng)前，基于NDVI或植被覆蓋度時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素識(shí)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(guó)等[17]運(yùn)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(shì)，并通過(guò)對(duì)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(guān)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(guān)關(guān)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(zhǎng)與降水量呈顯著正相關(guān)，在月際水平上植被生長(zhǎng)更依賴(lài)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(zhǎng)江中下游流域植被覆蓋狀況改善的主要原因；Ning等[20]通過(guò)偏相關(guān)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(shí)施等是促進(jìn)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(duì)黃土高原地區(qū)NDVI的獨(dú)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(dòng)。

巴音布魯克草原是我國(guó)第一大亞高山高寒草原，近年來(lái)由于人類(lèi)活動(dòng)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(duì)巴音布魯克草原2000—2020年植被覆蓋度時(shí)空格局及影響因素進(jìn)行分析，以期為高寒草場(chǎng)的合理利用和生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)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(diǎn)和獨(dú)特的盆地地貌類(lèi)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(bǔ)給，是開(kāi)都河、鞏乃斯河、渭干河3條河流的發(fā)源地，被稱(chēng)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(shì)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(lái)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(guò)MRT（MODIS Reprojection Tool）軟件進(jìn)行拼接和格式轉(zhuǎn)化，在ArcGIS 10.4軟件中進(jìn)行裁切和重采樣得到。采用最大合成法選取研究區(qū)生長(zhǎng)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(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國(guó)區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)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(diǎn)數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)共涉及243個(gè)點(diǎn)位。高程（DEM）數(shù)據(jù)為SRTM地形數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），土地覆被類(lèi)型來(lái)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(jì)算方法

采用線性混合光譜模型，測(cè)評(píng)巴音布魯克草原植被覆蓋度，計(jì)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(shí)空變化趨勢(shì)分析

采用斜率趨勢(shì)分析法逐像元分析植被覆蓋度時(shí)間變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下：

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

利用F檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果將FVC變化趨勢(shì)分為如下5個(gè)等級(jí)：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(gè)指標(biāo)分別統(tǒng)計(jì)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(guān)分析法分析植被覆蓋度與氣象要素的相關(guān)性；通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shì)，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(fù)的過(guò)程，但仍未恢復(fù)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(shì)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(jí)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(gè)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(zhǎng)所需要的熱量無(wú)法得到滿(mǎn)足，覆蓋度依次降低；海拔大于4 000 m時(shí)，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(shì)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(shì)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(shì)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(yáng)坡分析區(qū)域植被覆蓋度與坡向的關(guān)系。其中，西北、北、東北和東為陰坡；東南、南、西南、西為陽(yáng)坡[22-23]。統(tǒng)計(jì)分析顯示，陽(yáng)坡、陰坡平均植被覆蓋度分別為44.62%、47.62%。其中，坡向?yàn)楸钡闹脖桓采w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(guān)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(guān)，少部分地區(qū)與當(dāng)年降水量或上年降水量具有正相關(guān)關(guān)系。其中，約10.70%的地區(qū)植被覆蓋度與當(dāng)年降水量呈正相關(guān)，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(dāng)年降水量呈負(fù)相關(guān)，約88.48%的地區(qū)與當(dāng)年降水量不顯著相關(guān)。13.99%的地區(qū)植被覆蓋度與上年降水量呈正相關(guān)，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(guān)，11.52%的地區(qū)為顯著正相關(guān)，其他區(qū)域均為不顯著相關(guān)（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(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)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(guān)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(guān)（圖5）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，8.23%的地區(qū)植被覆蓋度與當(dāng)年平均氣溫呈正相關(guān)，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(dāng)年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，分布較為零散，其他地區(qū)不顯著相關(guān)。有11.11%的地區(qū)與上年平均氣溫呈正相關(guān)，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(fù)相關(guān)，分散分布在研究區(qū)南部邊緣，其他地區(qū)均不顯著相關(guān)（圖5、表2）。

圖 5 植被覆蓋度與年平均氣溫的相關(guān)關(guān)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(lèi)型數(shù)據(jù)與多年平均植被覆蓋度進(jìn)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?yàn)橹脖簧L(zhǎng)季，人類(lèi)對(duì)耕地進(jìn)行定期維護(hù)；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(lèi)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(lèi)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(jì)，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(guò)對(duì)2000—2020年巴音布魯克草原植被覆蓋度進(jìn)行測(cè)算，分析了其時(shí)空變化格局及與地形、氣象因子及土地覆被類(lèi)型的關(guān)系，定性識(shí)別出巴音布魯克草原植被覆蓋度的變化原因。其他學(xué)者也對(duì)該區(qū)域植被覆蓋度進(jìn)行過(guò)研究，如呂聰[9]對(duì)2001—2015年研究區(qū)植被覆蓋度時(shí)空格局中除2015年的植被覆蓋度偏高外，其他時(shí)段的變化趨勢(shì)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(guān)，與本研究結(jié)論基本一致。植被覆蓋度時(shí)空分布是受多種自然因素和人類(lèi)活動(dòng)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(jìn)行了單一要素的線性相關(guān)性分析，僅采用土地覆被變化代表了人類(lèi)活動(dòng)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(guān)性不顯著，約10.70%的地區(qū)植被覆蓋度與當(dāng)年降水量呈正相關(guān)，13.99%的地區(qū)與上年降水量呈正相關(guān)，8.23%和8.23%的地區(qū)分別與當(dāng)年平均氣溫呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，11.11%和5.35%的地區(qū)分別與上年平均氣溫呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。

（3）各土地覆被類(lèi)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(lèi)型的轉(zhuǎn)化促進(jìn)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。