1995-2020年喀什市植被覆蓋度時空動態變化研究

孫與襄，麥麥提吐遜·麥麥提，馬合木江·艾合買提，陶洪飛，李 巧

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.喀什市水利局，新疆喀什 844000）

0 引 言

自“一帶一路”倡議推進以來，絲綢之路經濟帶上的重要節點，亞歐各國貿易通道的結合點，我國最西端的邊陲荒漠國門之城“喀什噶爾”進入了長期的快速城市化過程［1］，市區周圍大量農村農田與自然區域轉為城區。隨著城區人口與面積的迅速增加，帶來了一系列區域性生態環境變化，市民對生態環境的要求逐漸提高，城市綠化建設規模日益受到業界人士的重視。植被是聯結地、水、大氣以及人類與其他生物的重要紐帶，是大自然生態系統中的活躍類型之一，對城市生態環境變化的響應十分敏感［2］。歸一化植被指數NDVI 為監測陸地生態環境系統中的植被生長質量與植被覆蓋度的“最佳指標”［3］，應用廣泛，監測結果精度與可靠性較大。

區域植被受自然氣候因素和人類活動因素的共同聯合影響［4］，通過衛星遙感監測新疆喀什市植被變化的時空演變特征，探求植被覆蓋度和自然氣候、人類活動等因素的直接和間接關系。本文基于1995-2020年Landsat 影像數據和土地利用及氣象數據，采用NDVI、像元二分模型、影像圖差值比較法、中心遷移模型等模型與方法，揭示了1995-2020年連續25年喀什市植被覆蓋的時空動態變化趨勢，為喀什市植被生長特征和區域生態環境可持續發展提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區喀什地區喀什市（39°24′～39°37′N，75°50′～76°35′E）位于我國最西端（圖1），處于印度洋的濕潤氣流與北冰洋的寒冷氣流的難穿透地帶，區域總面積1 056.8 km2，南北相距約為24.3 km，東西相距約為64.8 km。北有天山南脈，西有帕米爾高原，南部有喀喇昆侖山，東部有葉爾羌河流域中下游綠洲，總體地勢為西高東低，北高南低，海拔1 182～1 823 m，氣候為典型的暖溫帶內陸性干旱性沙漠氣候特征，近30年平均氣溫為12.59 ℃，最高為2009年13.58 ℃，近30年平均降水量為80.57 mm，最多為2010年191.6 mm，在行政區域上包括8個街道、2 個鎮、9 個鄉［5］。喀什市作為絲綢之路經濟帶重要節點，是連接亞歐大陸的國際戰略通道，與中南亞的經貿、文化交流與合作具有不可估量的發展潛力［6］。

圖1 研究區概況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research area

1.2 數據來源

本文綜合考慮喀什市云量、沙塵暴等天氣情況和植被生長季節性差距等影響，選用1995年8月18日、2000年9月11日、2005年9月9日、2010年8月22日、2015年8月12日與2020年8月25日等不同6 期8月1日至9月15日天氣良好、植被茂盛時期，云量均0～10%（大部分影像圖云量為小于5%，其余云量5%～10%的都在研究區外），影像質量較好、無異常的NASA Landsat（5∕7∕8）系列影像數據（軌道號為：149∕33，分辨率：30 m），數據分別NASA 官網的（https：∕∕www.usgs.gov∕core-sciencesystems∕nli∕landsat）與國家地理空間數據云官網（http：∕∕www.gscloud.cn∕sources∕index？pid=263&ptitle=LANDSAT）的Landsat系列窗口下載。1995-2020年不同6 期土地利用類型數據、喀什市行政邊界圖等遙感與矢量數據從中科院地理所共享數據中心官網下載（http：∕∕www.resdc.cn）。1990-2020年的逐日氣象數據從國家氣象網平臺下載（http：∕∕data.cma.cn∕data∕detail∕data-Code∕A.0013.0001.html）。其他相關社會經濟、水資源與人口數據來源于《新疆統計年鑒》、《喀什地區統計年鑒》與《喀什地區水資源公報》。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI計算

首先利用ENVI5.3原數據進行輻射定標、大氣校正、去條帶等預處理，然后波段組合計算NDVI。計算公式如式（1）：

式中：BandNIR為Landsat 5、7、8 數據的近紅外波段值（Landsat 5、7 為Band4，Landsat 8 為Band5）；BandRED為Landsat 5、7、8 數據的紅外波段值（Landsat 5、7為Band3，Landsat 8為Band4）［7］。

為了獲取準確的NDVI極值，憑NDVImin［-0.1，0.2］的經驗值與NDVImax［0.2，1］的經驗值，掩膜去除小于-0.1與大于1的像元DN異常值 ，其 Band math表達式為 ： b1*float(b1 gt -0.1)∕(b1 ge -0.1)，b1*float(b1 le 1)∕(b1 le 1)。

1.3.2 像元二分模型

NDVI與植被覆蓋度兩者之間存在著顯著的線性相關性，通過創建兩者之間轉換關系，能夠直接提取植被覆蓋度相關信息。其像元二分模型計算表達公式如式（2）：

式中：NDVIv為代表純植被像元NDVI 值；NDVIs為代表裸地或無覆被像元NDVI值。

按照植被覆蓋估算理論方法來分析可知，NDVIs與NDVIv的值應分別為0 和1，可是實際上由于傳感器異常、太陽輻射、沙塵暴以及空氣中的水蒸氣等因素的干擾原因，不同時期、不同影像的值上存在一些不明的小浮動。此為依據，為了求得正確的NDVIv和NDVIs值，累計百分比2%對應的為NDVIs、98%對應的NDVIv。

目前為止還沒有統一的植被覆蓋度的分級閾值標準，本文據國家《土地利用現狀調查技術規程》、《草場資源調查技術規程》、水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》和結合干旱區綠洲植被獨特的生態特性、郊外實地植被監測與調研，并對植被覆蓋度進行閾值分割處理。其中植被覆蓋度的閾值分割按照傳統的分類方法分為Ⅰ級［0，20%］、Ⅱ級［20%，30%］、Ⅲ級［30%，60%］、Ⅳ級［60%，100%］等4 個等級，分別代表為裸地或極低（含水域）、低、中、高植被覆蓋［8］。

1.3.3 植被平均覆蓋度

通過不同等級植被覆蓋度面積加權平均來估算喀什市不同時期植被平均覆蓋度。若高（FVCⅣ）、中（FVCⅢ）、低（FVCⅡ）與極低（FVCⅠ）植被覆蓋度等級對應取值分別為4、3、2 與1，其計算公式（3）得到喀什市不同時期的植被平均覆蓋度。

1.3.4 影像圖差值比較法

為了揭示和探討喀什市不同時期植被覆蓋空間變化，運用圖像差值比較法來計算喀什市不同時期植被覆蓋變化量（ΔFVCg），差值范圍在［-1，1］。計算公式如式（4）：

式中：FVCg_year2與FVCg_year1分別為前后不同兩年對應植被蓋度等級柵格數據，按表1閾值標準對差值變化量進行劃分［9］。

表1 研究區植被覆蓋度動態變化量劃分等級表Tab.1 Classification table of dynamic changes of vegetation coverage in the study area

1.3.5 質心遷移模型

質心是可以體現出研究區植被覆蓋空間演化趨勢過程的一個重要指標，可以追蹤植被覆蓋遷移方向與距離。質心坐標與質心遷移距離計算公式如下：

式中：a、b 分別表示為研究區某種植被分布的質心經度與緯度坐標；Area_i為表示研究區植被某種類型分布第i 個像元的面積（像元大小：30 m×30 m）；ai為表示表示研究區植被某種類型分布第i個像元的經度坐標；bi為表示研究區植被某種類型分布第i個像元的緯度坐標［10］；Lyear+1為表示不同兩年質心前移距離［11］。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度空間格局分布特征及變化趨勢

基于NDVI和像元二分模型，運行ENVI5.3計算得出喀什市不同6 期植被覆蓋度，然后結合干旱區綠洲植被特有的生長特征以及水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》，并以此為基礎進行像元DN 值分級，得到喀什市1995、2000、2005、2010、2015與2020年等不同6 期的不同等級植被覆蓋度空間格局分布圖。從如圖2可知，整體植被基本以高植被覆蓋為主，郊區呈大面積片狀式分布，中、低植被覆蓋主要在市中心周圍與鄉道兩側農田防護林以及高覆蓋外圍小面積碎散式分布。

圖2 喀什市1995-2020年植被覆蓋度空間格局等級分布圖Fig.2 Distribution of spatial patterns of vegetation coverage in Kashgar City from 1995 to 2020

圖3 是按照像元DN 值分類標準進行分割統計得到的6 期不同等級植被覆蓋度和NDVI平均值變化趨勢。結合圖2與圖3可知，喀什市總、平均植被覆蓋度與NDVI 平均值都呈連續增加趨勢，線性趨勢擬合優度分別為0.852 8、0.881 3 與0.942 4。喀什市近26年來，總植被覆蓋面積由1995年的475.9 km2增加至2020年的648.5 km2，增加量為172.6 km2，增幅36.3%；植被平均覆蓋度由1995年的2.242 上升至2020年的2.581，增加量為0.340，增幅15.1%；NDVI 平均值由1995年的0.240 上升至2020年的0.353，增加量為0.113，增幅47.1%。不同時段分析可知，總植被覆蓋度、植被平均覆蓋度與NDVI 平均值增加量最明顯時段分別為2015-2020年、2015-2020年與2005-2010年，增幅分別為15.8%、6.9%與19.5%。

在不同時期、不同等級植被覆蓋度分析可知（圖3），高與中植被覆蓋度呈增加趨勢，但是存在渺小波段，低與極低植被覆蓋度分別呈連續增加與減小趨勢。高、中與低植被覆蓋面積分別由1995年的332.0、103.6 與40.3 km2增加至2020年的364.3、205.7 與78.5 km2，增加量分別為32.2、102.1 與38.2 km2，增幅分別為9.7%、98.5%與94.8%；極低植被覆蓋面積由1995年的525.4 km2減小至2020年的352.4 km2，減小量為173.0 km2，降幅為32.9%。不同等級植被覆蓋度結果對比可知，高植被覆蓋面積增加速率不太顯著，且占總植被覆蓋面積比重最大，6期比重分別為69.8%、65.6%、67.1%、66.4%、63.0%、56.2%。

圖3 喀什市1995-2020年不同等級植被覆蓋面積和NDVI均值變化趨勢Fig.3 The change trend of the vegetation coverage area and NDVI average value of different grades in Kashgar City from 1995 to 2020

2.2 植被覆蓋度空間動態變化特征

為了揭示喀什市1995-2020年間植被覆蓋度空間動態絕對變化過程及特征，采用ENVI 5.3 對不同等級植被覆蓋度進行遙感動態監測差異量化分析，圖像像元DN 差值大于零表示覆蓋面積增加，小于零表示覆蓋面積減小。

由計算結果圖4與表2顯示，喀什市6個時段植被覆蓋度都改善區域面積大于退化區域面積，整體變化呈中部與北部相對未變化、城區與東部郊區變化較明顯。結合圖2可知，未發生變化區域主要以高植被覆蓋度為主，發生變化區域則以中、低與極低植被覆蓋度為主。從不同時段、不同等級變化程度分析可知，1995-2020年植被覆蓋度增加區域面積與減小區域面積相對相等，其中極度退化區域面積比極度改善區域面積大；2000-2005年植被覆蓋面積以增加為主，但城區與阿克喀什鄉最北部有所碎破式減小；2005-2010年植被覆蓋面積呈增加趨勢，但是不太明顯，東部四鄉邊界銜接處大面積片狀式增加，其中極度改善區域面積是極度退化面積的2.5倍；2010-2015年減小覆蓋區域主要集中在多來特巴格鄉與色滿鄉東部，增加覆蓋區域集中在阿克喀什鄉與阿瓦提鄉東部銜接處；2015-2020年增加覆蓋區域相對都在阿克喀什鄉，其中極度改善區域面積是極度退化面積的近4 倍。縱觀1995-2020年覆蓋面積以增加為主，且以東部四鄉開墾農田區最為典型，減小覆蓋區域市中心周圍鄉鎮、街道最明顯。

圖4 喀什市6個時段植被覆蓋度圖像差值空間分布圖Fig.4 The spatial distribution of the image difference of vegetation coverage in 6 periods of Kashgar City

表2 喀什市6個時段植被覆蓋度圖像差值結果一覽表Tab.2 Summary of results of vegetation coverage image difference in 6 periods of Kashgar

為了進一步揭示喀什市植被覆蓋度變化狀況，對1995年和2020年覆蓋等級之間相互進行狀態轉移矩陣。整體分析發現（表3），喀什市1995-2020年極低植被覆蓋區向高植被覆蓋區轉移量比低與中植被覆蓋區總計向高植被覆蓋區轉移量還多，低與中覆蓋區主要以向中與高覆蓋區為主。具體轉移面積、比例分別為：極低覆蓋區轉高覆蓋區面積為123.40 km2，占極低覆蓋區的23.55%；低與中覆蓋區轉高覆蓋區面積分別為16.60 km2與42.08 km2，占低與中覆蓋區分別為41.20%與40.61%；極低覆蓋區向高覆蓋區轉移量比低與中覆蓋區合計向高覆蓋區轉移量多64.27 km2。從絕對變化量分析發現，極低、低、中、高覆蓋區變化量分別為-172.99、38.20、102.09、32.32 km2，極低覆蓋區減小，低與高覆蓋區均大幅度增加，高覆蓋區增加量不太顯著。

表3 1995-2020年喀什市植被覆蓋度等級轉移矩陣Tab.3 The vegetation coverage grade transfer matrix of Kashgar City from 1995 to 2020

2.3 植被覆蓋度質心遷移分析

根據質心前移模型計算法，計算出喀什市1995-2020年6個時期總和高植被覆蓋度的質心坐標，遷移軌跡如圖5 所示。近26年，喀什市總、高植被覆蓋度質心都向東部阿克喀什鄉方向遷移，整體直線遷移距離分別為6.39 km 與8.69 km。具體分析來說，總、高植被覆蓋度各個時段質心都向東部阿克喀什鄉方向遷移，其中2000-2005年質心遷移速度最慢（分別為0.09 km 和0.34 km），2015-2020年最快（分別為2.13 km 和2.98 km）；2010-2020年質心遷移距離占整體遷移距離的一半以上（分別為4.08 km和5.30 km），主要原因是市中心周圍鄉鎮植被覆蓋度大幅度下降，東部四鄉未利用的荒地與裸沙地大面積開墾耕地，致使東部四鄉植被覆蓋度迅速往大面積增加，質心大幅東移。

圖5 1995-2020年喀什市總、高植被覆蓋度質心遷移Fig.5 Kashgar City's total and high vegetation coverage centroid migration from 1995 to 2020

3 討 論

3.1 與自然因素相關分析

喀什市位于我國最西端的典型沙漠干旱氣候邊境城市，使得小幅度的降水、氣溫等氣候因素變化對地區植物生長有顯著的影響。根據梁建輝［12］、阿布都克日木·阿巴司［13］等人對喀什地區氣候研究發現，過去50年氣溫、降水量都呈增加趨勢；黃培佑［14］、張音等［15］研究發現，全球變暖氣候引起冰川融化與降水量的增加，對新疆荒漠區疏林灌叢與稀疏草地等極低或低植被覆蓋類型帶來了正面效應。植被覆蓋對陸地生態系統的水資源循環起著重要作用，地表水與地下水資源之間具有一定的系統性，植被生長跟地表徑流有密切關系的同時，也跟最佳地下水埋深量具有密切的相關性［16］。如圖6 可知，喀什市年均降水量和年均氣溫在1990-2020年呈上升趨勢，總與高植被覆蓋度、NDVI 平均值在1995-2020年呈增加趨勢，上述之間存在正相關。近30年氣溫上升率為0.049 ℃∕a，降水量增長率為0.123 mm∕a，這對于冰雪融水補給為主的喀什市恰克馬克河、吐曼河和克孜河等流域來說影響巨大的，這對于氣候極端干旱的喀什市意義重大，為區域地下水與地表水資源補給提供了保障。

圖6 1990-2020年喀什市降水、氣溫變化趨勢與總、高植被覆蓋變化趨勢關系Fig.6 The relationship between the change trend of precipitation and temperature and the change trend of total and high vegetation cover in Kashgar from 1990 to 2020

3.2 與人類活動因素相關分析

人類活動對植被覆蓋面積與植被質量的影響主要體現在土地利用類型及利用方式的改變上，其中影響土地利用類型變化的驅動力主要為區域人口因子、社會經濟因子以及水資源分配狀況等［17］。下面探討和分析人類活動因素對喀什市植被覆蓋度變化的直接和間接影響。

3.2.1 經濟與人口因子

2010年5月，中央新疆工作會議上中央正式批準兩會提交的喀什創建經濟特區提案，這表明喀什市正式成為中亞南亞、西歐經濟圈中心發展戰略區域，使得市中心以及周圍鄉鎮進入快速城市化階段［18］。處于新開發階段的喀什市，人類活動因素的影響，主要體現在人口因子與社會經濟發展數據的改變上。如圖7可以看出，喀什市人口從1995年的24.9萬人增加到2018年的65.2 萬人，增長率161.64%，1.84 萬人∕a 的速度增加，其中農業人口增加速度較快，城鎮人口與農業人口增加速度分別為0.55 萬人∕a 與1.29 萬人∕a。喀什市生產總值（GDP）1995年的6.81 億元增加至2018年的170.13億元，增長率2 398.24%，其中2010-2018年增加速度最明顯，及其第三產業占比最大。

圖7 喀什市1995-2018年人口與國內生產總值（GDP）變化趨勢Fig.7 The trend of population and gross domestic product（GDP）in Kashgar from 1995 to 2018

綜上所述，喀什市人口膨脹與社會經濟速度的加快導致水資源分配、土地利用類型、植被格局發生變化的主要原因，其中變化主要體現在城區面積擴張、荒地開墾、河流改造及灌區溝渠上。

3.2.2 土地利用類型變化

圖8是利用中科院地理研究所數據中心發布的全國土地利用類型數據裁剪與統計獲取的1995-2020年不同6 期喀什市土地利用類型動態變化情況。

圖8 喀什市1995-2020年土地利用類型空間分布圖Fig.8 The spatial distribution map of land use types in Kashgar City from 1995 to 2020

由結合圖10與表4分析可知，1995-2020年整體上，喀什市林地、耕地、水域與建設用地面積呈增加趨勢，草地與未利用地面積呈減小趨勢。其中1995-2020年，耕地面積凈增加52.44 km2，增長率為12.79%；林地面積凈增加25.59 km2，增長率為500.26%；草地面積凈下降58.34 km2，降幅為58.88%；建設用地面積凈增加105.20 km2，增長率為760.13%；未利用地面積凈下降137.54 km2，降幅為30.71%；水域面積凈增加12.70，增長率為232.50%。這表示喀什市植被覆蓋面積的增添主要來源于耕地與林地的擴張。城區范圍的擴張原因大面積耕地轉建設用地，耕地減小面積四鄉草地與未利用地來彌補，但是城區擴張及耕地與林地面積的增加帶來一系列水資源緊缺問題，擠占植被生態用水，導致荒地極低與低植被的退化。所以荒地開墾、城區擴張的同時，需要慎重關注天然林地、稀疏植被的生態保護，應調節農業結構，提高水資源利用效率，保障城市可持續發展的科學實現。

表4 喀什市1995-2020年不同時期土地利用結構Tab.4 Land use structure in different periods of Kashgar City from 1995 to 2020

4 結 論

本文章進行定量分析探討了近26年喀什市植被覆蓋度空間動態變化及主要驅動因子，研究結果表明：

（1）近26年來，喀什市總植被覆蓋面積呈增加趨勢，2020年比1995年覆蓋面積增加172.6 km2，增幅36.3%；NDVI 平均值與植被平均覆蓋度總體呈上升趨勢，2020年比1995年分別上升0.113 與0.340，增幅分別47.1%與15.1%。從不同覆蓋等級可知，高、中與低植被覆蓋面積總體都呈增加趨勢，其中中植被覆蓋面積增加最明顯，增加量分別為32.2、102.1 與38.2 km2，增幅分別為9.7%、98.5%與94.8%；裸地或極低植被覆蓋面積減小顯著，減小量為173.0 km2，降幅為32.9%。

（2）喀什市植被覆蓋度區域性和時段性改善與退化并存。市中心周圍退化較嚴重，尤其是2010-2015年明顯，占總面積的12.4%；東部四鄉改善明顯，其中2015-2020年改善面積最大，占總面積的19.5%。整體上，低與中植被覆蓋面積最后分別轉為中、高植被覆蓋面積，但是裸地或極低覆蓋面積轉高植被覆蓋面積最大。過去26年來整體上喀什市總與高植被覆蓋質心向東部四鄉遷移，直線遷移距離分別為6.39 km與8.69 km，其中2010-2020年遷移距離約占總距離的60%以上。

（3）氣溫、降水等自然因素對喀什市植被覆蓋度變化有一定的間接影響，但人口、經濟與水資源等人類活動因素影響則是更直接的，體現在土地利用類型及利用方式的改變上。人口增加與經濟發展加快城市化，導致城區植被覆蓋迅速退化；耕地開墾與創造林地是植被覆蓋面積增加的主要原因，而天然草地是耕地面積增長的主要土地來源。但天然草地換取耕地開墾會破壞區域生態環境平衡，長年來說將影響區域生態系統的穩定及可持續發展。 □