近32年来新疆地区植被覆盖的时空变化

许玉凤，杨 井，陈亚宁，杨雅雪

（1.荒漠与绿洲生态国家重点实验室，中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐830011；2.中国科学院大学，北京100049）

植被覆盖在很大程度上代表了生态环境总体状况［1］。准确获取地表植被覆盖信息，对揭示地表空间变化规律、探讨变化驱动因子和分析评价区域生态环境具有重要意义［2－3］。在大尺度植被变化的研究中，遥感数据因其在时间和空间上的绝对优势成为主要的有效数据源［4］。归一化植被指数（NDVI）与植被分布密度呈显著线性相关［5］，可以定量地反映生态环境改善或者退化情况，是目前研究植被覆盖广泛使用的植被指数指标［6－7］。利用遥感技术提取NDVI估算植被覆盖度，可以不完全依赖于实测的植被覆盖度数据［8－9］，是监测地区或全球植被和生态环境变化的有效指标［10］，是评估生态保护措施、环境管理政策的重要基础［11］。MODIS／NDVI数据和AV HRR／NDVI数据是两种主要的研究植被覆盖变化的遥感数据源。

新疆维吾尔自治区位于我国干旱、半干旱地区，生态环境脆弱，对气候变化和气候的短期振动的敏感性较高［12］；区内植被稀少、水土流失严重、荒漠化等一系列的生态环境问题亟待解决［13］，因此，深入研究其植被覆盖变化对于揭示区域环境状况的演变与变迁有着重要的现实意义。利用遥感数据对新疆植被覆盖状况的研究有了大量成果。其中，利用AVHRR／NDVI数据的研究成果主要有：张生军等［12］和赵霞等［14］研究了新疆不同植被类型NDVI的季节变化及其与温度、降水的相关程度；李秀花等［15］研究了新疆地区的NDVI与年降水量、相对湿度、年均温的相关程度；师庆东等［16］对新疆山地和平原的植被变化进行了研究；王智等［17］研究了新疆山地－绿洲－荒漠系统植被覆变盖化时空特征。利用MODIS／NDVI进行研究的成果主要有：邢文渊等［18－19］研究了哈密绿洲植被遥感监测和巴里坤草原面积的动态变化；蒲云锦和韩春光［20］分析了MODIS NDVI数据对气象因子的响应；潘光耀等［21］基于MODIS数据研究了策勒绿洲－沙漠过渡带的变化及其成因；李霞等［22］利用MODIS数据研究了北疆不同草地类型植被指数的时空变化。

以上研究主要利用一种数据源对新疆植被覆盖进行研究，但单一数据源时间跨度有限。利用GI MMS NDVI数据主要是研究1982－2006 年间的植被覆盖状况，利用MODIS 数据仅能研究近十几年的植被覆盖状况。鉴于此，本研究对GI MMS NDVI和MOD13 A3 两种数据源进行拟合，获得1982－2013年长时间序列NDVI数据集，采用趋势分析、时空分析等方法研究新疆植被覆盖的时空格局及其变化特征；而且由于新疆地域差异显著，用整体状况分析问题可在一定程度上说明问题，但也会忽略不同区域的具体状况，利用植被重心理论揭示新疆全区和不同区域植被活动的演变轨迹，以期为新疆生态环境保护提供一定的科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区位于我国西北边陲，欧亚大陆中部，面积1.66×106k m2。地貌轮廓为“三山夹两盆”。北部阿勒泰山、中部天山、南部昆仑山发育有大面积的森林和草地植被，准噶尔盆地和塔里木盆地分布有典型的温带荒漠植被，绿洲和城市主要分布在河谷平原区。

新疆属温带大陆性气候，冬季严寒，夏季炎热，降水稀少且分布不均，北疆在150～200 mm，南疆不足100 mm，西部伊犁地区的降水量相当于东部哈密地区的6倍。新疆是我国干旱区的主体，有典型的山地－绿洲－荒漠生态系统。绿洲是新疆生产生活的主要载体，农业生产依赖灌溉，农田灌溉面积占耕地面积的80%以上。

1.2 数据来源与预处理

GI MMS NDVI数据来源为“寒区旱区科学数据中心（http：／／west dc.westgis.ac.cn）”。其时间分辨率为15 d，空间分辨率为8 k m×8 k m，时间跨度为1982－2006年。采用最大值合成法得到1982－2006年逐月NDVI数据。

MODIS数据为美国NASA 提供的MODIS／Terra MOD13A 3月植被指数数据产品，其空间分辨率为1 k m×1 k m，时间跨度为2001－2013年，投影格式为Sinusoidal（正弦曲线投影）。对下载影像进行格式转换、投影转换和拼接，然后利用Arc GIS等图像处理工具对拼接好的图像按照行政边界进行裁剪。对MODIS数据进行重采样，得到分辨率为8 k m×8 k m 的逐月NDVI研究图像。

土地覆盖分类数据来源于美国NASA 提供的土地覆盖数据产品（MCD12Q1），IGBP（Inter national Geosphere－Biosphere Pr ogramme）分类标准，每年一次，空间分辨率为500 m。已有研究表明，IGBP土地覆盖分类数据在中国区域有较高的整体分类精度［23］。

图1 2010年新疆农田和草地分布图Fig.1 The location of study area and spatial distribution of aver age NDVI from 1982 to 2013

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法 每年5－10月份的生长季NDVI数据利用通过最大值合成法MVC（Maximu m Val ue Co mposites）获得，它可以进一步消除云、大气等干扰。生长季的NDVI最大值代表一年内植被最茂盛时期的NDVI值，其变化可以反映气候和人为因素导致的植被年际变化［24］。

1.3.2 GI MMS NDVI延长时间序列数据的获取 已有研究［25－26］表明，一元线性回归模型拟合两种遥感数据可以用于延长时间序列。本研究利用AV HRR－GI MMS 和MODIS两种数据源重合阶段（2001－2006年）的月数据，建立基于像元的一元线性回归模型。利用获得的2007－2013年拟合数据，对1982－2006 年GI MMS NDVI数据进行延长。两种数据的一元线性回归模型的结构形式为：

式中，使用最小二乘法对参数a、b进行估计，ε为随机误差。参数a、b拟合值表达式为：

1.3.3 植被覆盖变化趋势分析 利用1982－2013年间生长季NDVI的绿度变化率（即），分析年际间植被覆盖变化状况和时空变化特征，其计算公式为：

式中，k为生长季植被绿度变化率，n为研究期年数，Ci为第i年生长季的NDVI。k 为正表示植被生长状态呈现改善趋势，否则表示植被生长状态呈现退化趋势。

1.3.4 植被重心演变 重心，即加权平均中心，通过其变化揭示事物在空间上的不均衡分布规律［27］。利用NDVI值作为重心的加权系数，揭示新疆全区及其不同区域的植被活动的演变轨迹［28］。其计算公式为：

式中，X，Y 为用经纬度表示的某年植被分布的重心坐标；Xi，Yi为某一像元中心的经纬度，Wi为该像元的NDVI值。

2 结果与分析

2.1 GI MMS NDVI数据与模拟数据的一致性检验

本研究对2001－2006 年GI MMS NDVI数据和应用MODIS NDVI数据模拟获取的拟合数据进行了一致性检验。首先基于全区的53个气象站点提取两种数据对应像元的6年中每年生长季的ND－VI值（图2A），两种数据相关系数为0.944 3（P＜0.001）。然后基于研究区对6年中每年所有对应像元差值大小统计分析，看出差值基本集中在±0.1以内，相对差值均在10% 以内（图2B）。一致性检验结果显示，基于一元线性回归模型，应用MODIS NDVI数据对GI MMS NDVI数据进行时间序列拟合，两种数据拟合效果较好，说明2007－2013 年NDVI延长数据可用于1982－2006 年GI MMS NDVI数据的延长，建立的1982－2013年长时间序列NDVI数据集可以进行植被覆盖变化研究。

2.2 植被覆盖分布特征

2.2.1 植被覆盖的时间变化特征 对新疆全区NDVI大于0.1的像元进行统计平均，得到生长季NDVI数值在0.29～0.34。新疆植被覆盖整体呈增长趋势，增速为0.08·10a－1（图3）。植被NDVI与年份变化之间的相关系数为0.514（P＜0.001）。从年际变化来看，20世纪80年代的总体变化呈上升趋势，1986年以前增长较缓慢，1986年之后迅速增长，但在1989年有一个较大的下降；进入90年代以后，除1991、2000年有大的下降外，其他年份NDVI值均较高，1996 年达到这一阶段的最大值；与80年代相比，90 年代的波动性较大，但波幅较小。进入21世纪后，植被变化的波动虽然较大，但NDVI增加趋势明显，2013年出现峰值。

图2 GI MMS模拟NDVI与GI MMS NDVI像元一致性检验Fig.2 Consistency check for constructed ti me series NDVI

图3 1982－2013年新疆生长季NDVI变化Fig.3 Inter－annual variation of NDVI in growing season from 1982 to 2013

2.2.2 植被覆盖变化的空间分布特征 利用1982－2013年的生长季NDVI平均值的空间分布来说明新疆植被覆盖空间分布特征（图4）。新疆生长季NDVI空间分布特征表现为西部和西北部高、东部和东南部低。西部和西北部的山地森林、草地分布区以及天山北坡绿洲的农作物、草地等属于NDVI高值区；东南部和东部主要为塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠和戈壁，植被分布稀少，NDVI值很低，只有沙漠边缘的绿洲有农作物、草地和林地分布，NDVI值较高。NDVI值小于0.1 的区域是沙漠、戈壁、水体等无植被区。

统计结果表明，植被覆盖区域占新疆总面积的40.57%，无植被区域占59.43%。其中，低值区域（NDVI值在0.1～0.4）占总面积的31.61%，NDVI值在0.4～0.5的区域占4.16%，NDVI值在0.5～0.6的区域占3.14%，NDVI值大于0.6 的区域占1.66%。

图4 1982－2013年新疆生长季NDVI平均值空间分布Fig.4 The distribution of mean growing season NDVI in Xinjiang from 1982 to 2013

图5 1982－2013年新疆生长季NDVI绿度变化率分布Fig.5 The greenness rate of change of inter－annual NDVI from 1982 to 2013

2.2.3 植被覆盖变化趋势分析 为了反映1982－2013年新疆生长季NDVI变化的空间特征（图5），将－0.001＜k＜0.001规定为基本不变的区域，占全区总 面积的67.71%；k＜－0.001的区域为退化区域，占全区总面积的21.12%；k＞0.001的区域为改善区域，占全区总面积的11.16%。基本不变的区域主要分布在塔里木盆地中部、准噶尔盆地的北部和东部、新疆东部等广大的沙漠戈壁区；趋于改善的区域主要分布在塔里木盆地西部绿洲和南部山地的北坡、准噶尔盆地中部和南部、伊犁河沿岸等区域，主要为农作物种植区。植被退化区域主要分布在伊犁河谷、塔城地区、阿尔泰地区、天山大部分地区和南部山地的草原分布区。1982－2013 年新疆地表植被覆盖改善的区域大于植被退化的区域。

2.3 植被活动的重心演变轨迹

近几十年来，受气候变化、人类活动的影响，新疆植被生长条件发生变化，使得新疆植被生长活动的重心位置有所改变。植被生长重心在32年内有明显的由北向南移动的总体趋势（图6A）。1982－2013年间，重心移动距离达到56.97 k m。按照重心转移幅度将研究时期分为3个阶段，即1982－1990年和2000－2013年重心移动幅度较大，尤其2009年东移距离较大，1991－2000年重心移动距离较小。

图6 新疆植被覆盖重心演变轨迹Fig.6 The evolution path of gravity center of vegetation in Xinjiang

新疆植被重心的这种现象是南疆和北疆的自然、经济条件差异的综合体现，其重心变化趋势是两者共同作用的结果。北疆植被重心表现为西南－东北方向移动（图6B），1982－1990年期间向东北方向的移动幅度较大，其中1988 年移动幅度较大；1991－2006年向西南方向移动，2006年移动幅度最大；2007－2013年期间开始迂回向东北方向移动。

南疆植被重心表现为近似东西方向移动（图6）。1982－1991年期间表现为向西南方向移动，主要是塔里木河上游的植被得到显著改善。1991－2000年期间，开始向东移动，2000－2009年期间向东移动幅度较大，尤其是2009年达到历年最东部的位置。2010之后开始迂回向西南移动。

3 讨论

此前许多学者利用遥感数据对新疆植被生长变化进行了研究。师庆东等［16］利用NOAA／GI MMS NDVI数据研究表明，1982－2000年新疆的山地和平原的森林、绿洲等植被均有改善；王智等［17］利用NOAA／GI MMS NDVI数据研究了1982－2006年新疆山地－绿洲－荒漠系统植被覆盖变化时空特征，发现新疆植被覆盖总体呈显著上升趋势，区域差异显著；张生军等［29］利用1982－2003 年GI MMS NDVI数据，发现22年间新疆植被NDVI年际变化总体上呈显著增长趋势，且NDVI显著增加的区域在准噶尔盆地南缘和塔里木盆地西南缘；郭鹏和徐丽萍［30］利用1982－2006年GI MMS NDVI数据研究了新疆植被覆盖动态变化情况，认为研究期间植被覆盖主要呈现波浪式上升的良好增长趋势，而且显著增长区域主要在天山北坡中部和塔里木河流域；李聪等［31］利用2004－2008年的MODIS数据研究表明，全疆植被覆盖度呈上升趋势，南疆地区低中覆盖区植被有所增加，北疆伊犁地区高覆盖区植被明显减少，阿尔泰地区中覆盖区有所减少；王桂钢等［32］利用SPOT－VGT 数据研究新疆植被覆盖变化，认为1999－2008年间新疆植被总体呈现不显著的增加趋势且具有明显的空间差异性。本研究结论与以上研究一致。董印等［33］利用1998－2007 年SPOT－VGT 数据研究新疆植被覆盖变化，认为研究阶段的新疆植被覆盖状况略有下降，植被改善面积小于退化面积，改善幅度较大的主要为绿洲农业区，退化明显的主要为森林、草地分布的山区，这一结论与本研究不一致，这可能与选取的研究阶段有直接的关系，但明显改善和退化的区域与本研究基本一致，说明区域总体变化趋势还是一致的。

利用最近十几年的遥感数据进行研究的成果，主要是关于新疆局部区域的植被覆盖变化。刑文渊等［19］利用2003－2012年的MODIS数据研究了新疆巴里坤草原面积变化，认为高草覆盖草地面积保持相对稳定；中覆盖草地面积年际间变幅较大；低覆盖草地与荒漠化草地在面积上呈现明显的此升彼降的关系。潘光耀等［21］利用2001－2010 年MODIS数据研究了新疆策勒绿洲－沙漠过渡带，认为过渡带的植被略有改善，基本保持其自身的稳定。闫俊杰等［34］利用2000－2010年MODIS数据对新疆伊犁河谷植被覆盖进行研究，发现伊犁河谷内植被覆盖减小的区域大于增加的区域，增加的区域主要位于伊犁河两岸，减小的区域主要是在乌孙山两端以及伊犁河谷周围海拔2 000 m 左右的低山区域。这一结论与本研究关于这一区域的恢复和退化区域的分布一致。

进入21世纪以来，国家实施的退耕还林还草等一系列生态恢复工程，对新疆植被的影响较大。与许多研究结果类似［16，29－31］，本研究发现新疆的总体植被状况呈持续好转状态，尤其是2000－2013年的显著增加，是植树种草、退耕还林等一系列生态建设措施发挥了重要作用。张保庆等［35］对黄土高原植被覆盖的时空变化研究有类似的研究结果，其研究发现，1999－2009年黄土高原NDVI年均值显著增加，是大规模植被建设的实施促进该区域植被生长。穆少杰等［36］对内蒙古植被覆盖变化进行研究，发现2001－2010年间内蒙古地区一些主要的沙尘地由于植树种草、禁牧轮牧和防沙治沙生态恢复措施的广泛实施，植被呈持续好转状态；但是2000年之后植被覆盖度呈现下降趋势是由于年牲畜总头数急剧上升，不断增加的放牧压力造成的。

本研究从总体上对新疆植被覆盖状况进行了研究，对生态保护措施的制定提供了科学依据。但没有对研究区植被改善和退化的原因进行分析，对新疆全区及分区的植被重心移动只是从现象上进行了描述，对导致植被变化和植被重心转移的驱动力的确定有待于进一步探讨。

4 结论

本研究利用一元线性回归模型对两种遥感数据进行拟合，获得长时间序列NDVI数据集，结合绿度变化率分析新疆地区植被覆盖时空变化分布特征。

研究结果显示，近32年新疆生态环境总体呈现良性发展态势，但阶段性变化明显。从空间分布来看，西部和西北部植被NDVI值较高，东部和东南部植被NDVI值较低。从地形条件来看，北部和中部山地植被NDVI值较高，塔里木盆地、准噶尔盆地周围的绿洲NDVI值较高，盆地中部的荒漠地带植被NDVI值较低。从植被绿度变化率来看，植被覆盖趋于改善的区域大于退化的区域；改善区域主要分布在农作物种植业较发达的绿洲区，退化区域主要分布在草原分布区。从植被重心演变轨迹来看，整个研究区的植被移动轨迹有由北向南移动的趋势；北疆植被重心转移轨迹有由西南－东北方向移动的轨迹；南疆植被重心移动轨迹有由西向东移动的趋势。

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