玛纳斯河流域10年间植被时空动态变化研究

孙 倩，石 强，刘 雪，吕 威，李宗阳，赵 硕

(新疆农业大学林学与园艺学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】植被是连接土壤、大气和水分的自然纽带，是陆地生态系统的重要组成部分，在全球气候变化研究中具有指示器的作用[1]。同时，作为陆地表面最突出的土地覆盖类型，描述区域尺度变化上植被的动态变化是全球变化研究的一个重要内容[2-4]。植被的时空动态变化可以依靠土地利用与覆被变化来体现，而土地利用覆被变化也是陆地生态系统变化的主要表现[5]。典型区域案例研究不仅将人类所面临的现实生态环境问题与基础研究结合起来，也是参与全球环境变化研究的具体途径[6]。干旱区绿洲土地利用/土地覆被变化情况，既受自然因素的作用和制约，又受人类活动社会、经济、技术条件的重大影响[7]。【前人研究进展】LUCC和驱动分析均是目前的焦点问题，对于揭示LUCC的基本过程、驱动原因、时空变化及建立预测模型都起到关键作用[8]。国外学者以葡萄牙Mondego 河流域为研究对象，定量分析了1990-2006 年由于农业耕种区的变化以及城市化扩张等驱动因素对该区域土地利用/覆被变化的贡献[9]。国内史培军等通过回归分析，得出深圳市土地利用变化的内在与人文驱动力[10]；甘红等也用多元回归模型揭示了土地利用结构空间分布及其变化与人为因子之间的定量关系[11]，并从中筛选出影响土地利用类型，结构变化的主导人为驱动因子。 随着研究的深入，人们逐渐认识到土地利用/土地覆被变化是造成全球变化的重要原因[12]。如刘敏等以我国长江三角洲为例，得出LUCC 同水网体系消失紧密相关，同时也是造成河流、湖泊水质等发生变化的主要原因[13]。如郭旭东等分析了LUCC对区域气候、土壤、水量和水质的影响[14]。【本研究切入点】鉴于此，以新疆玛纳斯河流域为研究区，利用Landsat卫星的TM和OLI_TRIS数据，对植被覆盖区和非植被覆盖区的多种地物进行信息解译，研究土地利用/覆被的动态变化，以定量的分析各类地物的转移情况，【拟解决的关键问题】以及植被覆盖区地物的重心偏移状态。

1 研究区概况

新疆玛纳斯河流域(43°27′～45°21′N，85°01′～86°32′E)位于亚欧大陆中心、准格尔盆地南部，冬季寒冷，夏季干热，全年干旱少雨，属典型的大陆性干旱气候区。这对当地的植被生长，土地利用/覆盖具有重要的影响。地貌类型主要分为三类：山前斜坡冲积扇或丘陵、中部冲击平原及北部的风积沙漠区[15]。玛起源于天山中段，沿着天山北坡北流向准格尔盆地，河道全长400 km[16]。自1949年起，河段上兴修水利，该流域成为著名的棉花和粮食产地，是天山的北坡经济带核心之一[17]。然而，20世纪年代以来，随着人口数量的不断增长，开垦灌溉面积的不断扩大，植被破坏，水质下降等生态问题也日益突出。

2 材料与方法

2.1 数据源

玛纳斯河流域2006、2010、2015年3个时期8、9月份的Landsat系列TM以及OLI_TRIS遥感影像。区域边界采用1∶100 000比例尺的地图，实现玛纳斯河流域的行政边界数字化。研究区范围内的野外调研和实地考察的感兴趣区样本数据。

2.2 研究方法

2.2.1 影像预处理 该研究中对影像预处理包括了对卫星影像进行辐射校正、几何校正、影像镶嵌及图像裁剪在内的影像前期处理。其中，采用辐射水准归一化处理属于线性回归的相对辐射校正，在以某一年份影像为基准拟合辐射水准归一化线，然后在对其他年份影像进行归一化计算[18-19]；而几何校正则结合野外实地考察的GPS定位点坐标，对2006年影像进行最邻近法重采样，用二次多项式将2010和2015年的影像配准到2005年的影像上，控制点尽量选择一些较为明显的地物点，经过反复筛选最后共选取了30个控制点，精度为均方差在0.5个像元以内。

2.2.2 分类体系的建立 本研究的分类采用的是中国科学院资源环境数据库中土地利用1∶100 000二级分类系统，为了突出植被覆盖的时空动态变化，将植被覆盖区域划分为耕地和林地，同时也充分结合野外考察时研究区的特征，将该研究区非植被覆盖区域划分为水体、裸土和其他(山地、荒漠和光板地等)。

2.2.3 动态变化 采用了土地资源数量变化模型来分析研究区的植被覆盖的动态变化，了解其变化发展趋势，通过土地利用/覆盖特征、变化速度来反映个土地利用/覆盖类型的动态变化。

单一动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式为：

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长。当T的时段设定为年时，K为研究时段内某一土地利用类型的年变化率。

综合土地利用动态度表达的是某研究区一定时间范围内土地利用的数量变化情况，其表达式为：

式中，LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；△LUi-j为监测时段第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值；j为非i类土地利用类型，T为监测时段长度。当T的时段设定为年时，LC的值就是该研究区土地利用年综合变化率[20]。

图1 2006、2010和2015年研究区信息解译图Fig.1 Classification chart in 2006, 2010 and 2015

本文选用最大似然法进行植被覆盖区(耕地和林地)和非植被覆盖区(水体、裸土和其他)的信息解译。利用野外实测的感兴趣区进行精度验证，2006、2010、2015年分类图的精度验证结果总精度分别是90.12 %、90.33 %、90.22 %，其KAPPA系数分别为0.914、0.927、0.905，满足进一步数据分析的要求。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖区和非植被覆盖区面积统计

玛纳斯河流域2006、2010、2015年信息解译图如图1所示。

通过分类计算出各个地类的面积，面积统计结果如表1所示。

表1 2006、2010、2015年土地利用/覆盖分类面积表

表2 动态分析表(2005-2010、2010-2015年)

表3 2006-2010年玛纳斯河流域地物转移概率矩阵

注：行表示2006年，列表示2010年。

Note:The row shows 2006, and the column shows 2010.

表4 2010-2015年玛纳斯河流域转移概率矩阵

注：行表示2010年，列表示2015年。

Note:The row shows 2010, the column shows 2015.

3.2 动态度计算

动态度的计算是以土地利用/覆被类型的面积为基础，能够反映各个土地利用类型面积变化速度，整理汇总的结果如下表所示。本研究基于植被覆盖区和非植被覆盖区进行动态度计算，如下表2所示。

3.3 植被的动态转移概率矩阵

对玛纳斯河流域各类地物的相互转移变化进行矩阵分析。从2006-2010年，2010-2015年2个时间段为划分，进行统计计算和分析，反映土地利用变化的结构特及各用地类型变化方向，该方法来源系统分析中对系统状态与形态转移的定量描述。物转移概率矩阵如表3～4所示。

3.4 植被覆盖区的重心偏移

重心偏移能表征地物类型的多年间的动态变迁趋势，以植被覆盖区的耕地和林地为研究对象，在ARCGIS10.0的软件平台中，实现重心计算，其重心偏移情况如图2所示。

4 讨 论

4.1 植被覆盖区的动态变化分析

玛纳斯河流域土地利用/覆盖情况随着时间和空间的变化而变化，2006-2010年5年间综合动态度为2.78 %，明显高于2010-2015年之间综合动态度。植被覆盖区面积有显著增加，前5年间共计增加1914.39 km2，其中耕地面积增加了463.57 km2，动态度为5.5 %，这是由于5年间各类农作物的经济效益有所提升，促使经济农作物的面积有所增加。随着科学技术的发展，灌溉能力增强，加大了耕地开发力度。而与此同时，林地自然修复和人工修复有显著的积极效果，在10年之间，其动态度呈现明显增加趋势。

与植被覆盖区相比，裸土呈现持续下降趋势，裸土部分被开垦为农田，但是其面积依然非常大，而动态度仅为-4.3 %和-9.0 %，其他(戈壁、光板地等)的动态度前5年仅为-1.2 %，并且在后5年里，这些荒漠、戈壁和山体等难以被人们开发利用的面积略有所增加，增加面积为637.6257 km2，这主要是因为随着人口增加，城市化发展速度不断加剧，土地退化也随之加重。

图2 耕地和林地重心偏移示意图Fig.2 Schematic diagram of farmland and forest’s gravity center offset

4.2 植被覆盖区的时空转移分析

植被覆盖区中耕地与林地的相互转移相对较为剧烈，其中2010-2015年，耕地转化为林地的面积累计占2010年林地面的15.63 %，而林地转化为耕地的百分比在2006-2010年累计转化比例高达19.633 %。耕地向非植被覆盖区的转移非常微弱，尤其前5年，最低转化率为0，对林地而言，虽然覆盖面积有所增加，但其中向裸土和其他的转移程度不断加剧，尤其2010-2015年林地向裸土发生转移变化程度在所有地物类型中最高。

非植被覆盖区的总面积在10年间有所减少，戈壁、建筑用地、光板地等向植被覆盖区域的转移也较为明显，其他向耕地和林地的转移逐年增加。鉴于非植被覆盖区域开发力度薄弱和利用的局限性，裸土与其他之间转移略显著，自身地物类型维持最为明显。

4.3 植被覆盖区重心偏移分析

耕地的重心于 2006-2010年向东南方向迁移，且偏移距离高达19.32 km，同期林地向东北方向偏移10.25 km；而在2010-2015年，林地偏移为最大，为15.45 km，而耕地偏移6.56 km。前5年之间，耕地与林地的相互转化很显著，是导致耕地偏移距离较大的原因之一，而后5年见，山间的水体流经地区内，林地面积的逐步增加，促使林地重心向着山体覆盖区域偏移，即相对2010年林地的重心位置，向着略西南的方向有所偏移。非植被覆盖区的利用率较低，所产生的偏移均较为微弱。

5 结 论

本文利用2006、2010及2015年Landsat系列TM(OLI_TRIS)遥感影像，解译了植被覆盖区和非植被覆盖区的遥感信息，分析了土地利用/覆被的动态变化，探讨了各类地物的转移情况，计算了植被覆盖区地物的重心偏移状态，得到以下结论：

⑴2006-2010年综合动态度明显高于2010-2015年。植被覆盖区面积有显著增加，农作物的经济效益有所提升，加大了耕地开发力度，耕地面积增加动态度为5.5 %。林地自然修复和人工修复有显著的积极效果，动态度呈现增加趋势。

⑵各类地物之间相互转化频繁而复杂，且转化剧烈程度各不相同。耕地与林地相互转移相对较为剧烈，耕地向非植被覆盖区转移非常微弱，非植被覆盖区总面积在10年间有所减少，但是林地向非植被区地物类型转移程度略有所增加。

⑶耕地与林地相互转化很显著，山间林地逐年增加，致使植被覆盖区地物类型在分布上有较大程度的变化，其中耕地的重心偏移程度先强后弱，前5年向东南方向迁移，后5年林地重心偏移最为显著，偏移距离高达15.45 km。