绿洲化是干旱区人与自然因素共同作用下荒漠转绿洲过程；荒漠化是干旱、半干旱及亚湿润干旱区因气候变化、人类活动等造成的土地退化^[1]。植被作为土壤-植被-大气连续体的重要一环, 不仅维持着区域气候稳定和生态平衡, 而且记录着区域绿洲、荒漠两大生态系统相互作用过程^[2-5], 因而监测植被变化对评价区域生态环境质量及生态过程具有重要意义^[6-7]。目前, 学术界利用NDVI在表征植物生物物理特征方面的优势^[8-9], 就植被覆盖变化做了诸多研究^[10-14]。Tucker等^[10]分析1981—1999年北半球NDVI序列发现, 北半球中纬度植被覆盖明显增长；张学玲等^[11]基于TM NDVI分析武功山山地草甸覆被变化发现, 武功山山地草甸面积呈递减趋势；王新军等^[12]利用NDVI对沙地植被景观格局特征进行研究, 发现古尔班通古特沙漠南缘沙地植被处于恢复状态；刘洋等^[13]基于GIMMS NDVI分析新疆植被覆盖变化, 得出新疆植被覆盖存在空间分布差异和阶段变化差异。

绿洲作为干旱、半干旱地区一种独特生态单元, 是干旱地区人类生存与发展的基本场所^[15]。如今伴随全球环境恶化、能源日益枯竭、人口急剧膨胀, 绿洲生态与经济发展之间呈不协调关系, 严重威胁绿洲未来发展, 进行合理、协调、持续地发展绿洲成为全球, 特别是干旱地区一项具有重大理论与现实意义的研究课题。纵观已有研究, 学者从景观格局^[16-17]、土地利用^[18]、稳定性^[19]、适宜规模^[20]、驱动力及环境效益^[20-21]等方面对绿洲进行了全面系统研究, 并在上述研究中对绿洲植被覆盖变化有所涉及, 但缺少对典型绿洲植被覆盖变化的专门性和针对性研究。因此, 本文以地处我国南疆极端干旱荒漠自然区, 具有典型荒漠-绿洲-河渠廊道景观模式的和田绿洲^{[18, 22]}作为研究区, 分析绿洲、荒漠两大系统作用下及人类活动、气候变化等因素影响下绿洲植被覆盖时空变化过程, 以期为认识绿洲覆被变化过程, 实现绿洲水土资源合理利用、生态稳定及可持续发展提供科学借鉴。

1 研究区概况

和田绿洲(37°00′—37°30′N, 79°30′—80°30′E)位于昆仑山北麓, 塔克拉玛干沙漠南缘, 包括和田市及和田、墨玉、洛浦三县。绿洲主体部分以玉龙喀什河和喀拉喀什河为中线, 次级河流及灌溉渠道为纽带, 构成密集网状水体廊道, 形成完善的人工农田绿洲景观^[22]。绿洲北部以河流水网为骨架, 沙漠为基质, 河流廊道为核心, 形成对称分布的天然荒漠植被绿洲景观^[22-23]。绿洲气候具有典型大陆性沙漠气候特征, 温暖干燥、光热资源丰富, 多年平均气温12.2℃, 多年平均降水＜50 mm, 年蒸发量大于2600 mm。绿洲长期受风沙天气影响, 多浮尘, 春季多大风和沙尘暴^[24-25]。目前因流域水土资源大规模开发利用, 下游地区地下水位下降, 生态环境有恶化趋势。

2 数据源和方法 2.1 数据源及预处理

研究综合考虑云量、沙尘、植被生长季节差异等影响, 选用1994年7月28日、2000年8月5日、2005年9月20日、2009年8月30日、2013年9月18日、2016年9月10日6期天气、植被较好的Landsat系列影像(条带号：146, 行编号：34, 分辨率：30 m)。数据下载于美国地质勘探局网站(http://glovis.usgs.gov)和地理空间数据云(http://www.gs cloud.cn)。土地利用类型遥感监测数据为中国科学院资源环境科学数据中心(http://www. resdc.cn/data.asp)共享数据。1957—2014年气温、降水数据下载于中国气象局科学数据服务共享网(http://www.cma.gov.cn)。

数据预处理：①利用ENVI 5.3对原始影像进行大气校正、辐射校正及几何校正。其中几何校正以2016年9月10日影像为参考, 对其余5期影像进行校正, 像元误差控制在0.5以内；②利用ENVI 5.3计算NDVI, 其中NDVI=(NIR-VIS)/(NIR+VIS), NIR为红波段反照率, VIS为近红外波段反照率^[11]；③利用ENVI 5.3计算植被覆盖度^[26], 并对植被覆盖度进行阈值分割、小斑块处理。其中, 植被覆盖度阈值分割按照传统分类方法分裸地或极低植被覆盖(0—0.2)、低植被覆盖(0.2—0.3)、中植被覆盖(0.3—0.6)和高植被覆盖(0.6—1)4个等级^[11]；④解译结果通过与Google Earth高清影像及野外实测样点进行对比验证, 对不准确处进行目视解译调整。为准确提取绿洲信息, 本文通过对6期研究区植被覆盖分布图叠合分析得到和田绿洲最大矢量边界, 并以此边界为基础进行裁剪和掩模统计。

2.2 像元二分模型

本文基于归一化植被指数(NDVI), 利用像元二分模型估算植被覆盖度。其公式为：

(1)

式中, NDVI_veg为全植被覆盖像元NDVI值；NDVI_soil为无植被覆盖的裸土像元NDVI值^{[11, 26]}。

2.3 图像差值法

为反映研究区植被动态变化, 利用差值法计算不同期影像之间的植被覆盖变化ΔF_g, 差值大于0表示植被覆盖增加, 小于0表示植被覆盖减少。其公式为：

(2)

式中, F_year1和F_year2分别为前后两个不同时期植被覆盖度等级。

为突出1994—2016年植被覆盖变化, 对1994年和2016年分类结果进行差值量化分析：其中, ΔF_g=-3表示极度退化；ΔF_g=-2表示中度退化；ΔF_g=-1表示轻微退化；ΔF_g=0表示稳定；ΔF_g=1表示轻微改善；ΔF_g=2表示中度改善；ΔF_g=3表示极度改善^[11]。

2.4 重心迁移模型

重心的空间变化可以直接反映研究时段内绿洲植被空间演变过程。其公式为：

(3)

(4)

式中, X、Y分别表示绿洲植被分布重心的经纬度坐标；C_i表示第i个绿洲植被分布斑块的面积；X_i、Y_i分别表示第i个绿洲植被分布斑块分布重心的经纬度坐标^[27]。

3 结果与分析 3.1 绿洲植被覆盖空间分布特征及变化趋势

基于NDVI像元二分模型, 利用ENVI 5.3计算出6个时期绿洲植被覆盖度, 并以此为基础进行阈值分割, 得到和田绿洲1994、2000、2005、2009、2013和2016年6期植被覆盖分布图。如图 2所示, 和田绿洲覆被总体以玉龙喀什河和喀拉喀什河为轴线, 从高到低向外展布。高覆盖主要集中于绿洲中部, 成大面积片状分布；低覆盖和中覆盖集中于高覆盖外围及两河下游。

图 3是利用绿洲矢量边界掩模统计得到的和田绿洲不同等级植被覆盖面积变化及NDVI均值变化。可以看出, 和田绿洲覆被总面积和NDVI均值均呈增加趋势, 两者拟合优度R²分别为0.9231和0.7057。两者的均增加说明近23年和田绿洲在覆被面积增加的同时, 植被覆盖度也在增加。在6期统计结果中, 2013年是覆被面积最大年份(3398 km²), 2000年是覆被面积最小年份(2808 km²), 最大变幅590 km²。2016年和1994年相比, 绿洲覆被面积由2825 km²增至3378 km², 增加了553 km², 增长19.6%。从不同时段来看, 2000—2005年是绿洲覆被面积增加最明显时段, 增量245 km², 增幅8.7%。其余4时段增量和增幅分别为：1994—2000年增加-17 km², 增幅-0.6%；2005—2009年增加140 km², 增幅4.6%；2009—2013年增加205 km², 增幅6.4%；2013—2016年增加-20 km², 增幅-0.6%。可以看出, 和田绿洲覆被面积在整体增加的同时, 还存在波动性。

在不同等级覆被面积变化中(图 3), 高覆被线性增加趋势明显(R²=0.6071), 由1994年的1073 km²增至2016年的1970 km², 增加897 km², 增长了83.6%。中覆被变化波动较大, 线性拟合差(R²=0.1101), 2016年与1994年相比, 面积减少103 km², 降幅9.3%。低覆被波动减少(R²=0.3805), 由1994年的650 km²减少至2016年的409 km², 减少241 km², 降幅38%。对比可知, 在不同覆被变化中, 高覆被面积增加最显著, 且占绿洲覆被面积比重也最大。经计算, 高覆被在6个时期占植被覆盖总面积比重分别为38%、57%、52%、56%、45%、58%, 所占比重显著上升。

3.2 绿洲植被覆盖空间变化特征

为揭示绿洲植被覆盖动态变化, 采用差值法计算1994—2016年绿洲植被覆盖绝对变化, 差值为正表示覆被增加, 差值为负表示覆被减少。

结果显示(图 4), 和田绿洲植被覆盖变化呈中部相对稳定、四周变化明显。结合图 2看出, 稳定区主要以高覆盖为主, 变化区则以低、中覆盖为主。从不同时段来看：1994—2000年, 绿洲覆被以增加为主, 但绿洲东部和西部覆被有所减少；2000—2005年, 除绿洲西部皮墨垦区覆被显著增加外, 绿洲西部及和田市周围多数区域覆被减少；2005—2009年, 绿洲覆被明显增加, 尤以皮墨垦区最为突出, 但和田市周围有减少趋势；2009—2013年, 除皮墨垦区外, 绿洲多数区域覆被减少, 且以和田市周围及玉龙喀什河下游最为明显；2013—2016年, 绿洲西部和玉龙喀什河下游覆被有所增加, 绿洲东部则减少明显。纵观1994—2016年绿洲覆被变化, 总体增加, 且以绿洲西部皮墨垦区最为典型。减少区除绿洲东北部明显外, 和田市城区附近及墨玉、洛浦两县城区周围减少也较为明显。综上看出, 和田绿洲覆被变化存在阶段性差异的同时, 还存在区域性差异。

为进一步分析和田绿洲覆被变化, 对1994年和2016年不同等级植被覆盖进行状态转移矩阵运算。如表 1所示, 1994—2016年, 和田绿洲植被覆盖主要以裸地和低覆盖向中覆盖转移、中覆盖向高覆盖转移为主。具体转移量为：裸地转中覆盖337.01 km², 占裸地的14.38%；低覆盖转中覆盖219.21 km², 占低覆盖的33.72%；中覆盖转高覆盖636.87 km², 占中覆盖的57.8%。从绝对变化量来说, 裸地、低、中、高覆盖变化量分别为-553.23、-240.69、-102.76 km²和896.68 km², 裸地和低、中覆盖均减少, 高覆盖大幅增加, 裸地和低、中覆盖最终转为高覆盖。

3.3 绿洲植被覆盖重心迁移

重心分布变化能够从空间上描述绿洲植被分布的时空演变特征^[27]。图 5和田绿洲植被覆盖重心变化显示, 近23年, 和田绿洲植被覆盖重心整体西移, 直线迁移3.46 km。具体来说, 1994—2000年、2000—2005年和2005—2009年向西迁移；2009—2013年向东南迁移；2013—2016年向北迁移。在5个时段中, 2000—2005年和2005—2009年重心变化最明显(分别西移1.42 km和1.63 km)。这主要因为2004年国家在皮墨垦区设立224团场, 使得皮墨垦区及其附近大面积开垦耕地^[28], 致使绿洲西部覆被迅速增加, 重心大幅西移；2009—2013年洛浦县拜什托格拉克乡南部耕地大片幅增加, 使得绿洲覆被重心向东南方向迁移；2013—2016年, 玉龙喀什河和喀拉喀什河下游有大量农田开垦, 使得绿洲植被覆盖重心有小幅北移。

4 讨论

干旱区绿洲覆被变化是气候变化与人类活动共同作用的结果, 但短期内人类活动对绿洲覆被变化影响更为直接^[1]。下面就和田绿洲覆被变化原因及对生态环境的影响予以讨论。

4.1 气候变化影响

和田地区的降水近几十年显著增加(图 6)。根据黄培佑等^[29]研究, 全球气候变化引起新疆的降水增多, 对新疆荒漠区成株的多年生荒漠植物及入夏时已成活的一年生和多年生植物的幼苗生长具有正面效应。和田地区气候极端干旱, 其绿洲-荒漠过渡带植被多以耗水少、耐旱、耐盐碱的荒漠植被为主^[30]。和田地区降水的增加可能对绿洲疏林灌丛及草地产生了积极影响。绿洲低覆被向中覆被的转移极可能就是这种影响的结果。因为人类种植的作物多以高植被覆盖形式呈现, 而天然疏林灌丛及草地多为低覆盖为主。

气候变化对覆被的影响, 还间接表现在对流域径流的影响。和田地区气温在1957—2014年呈上升趋势, 尤其在2000年后平均升高了1.56℃(图 6), 这对以冰雪融水补给为主的和田河的影响是巨大的。根据蒋艳等^[31]对塔里木河流域气候变化对径流影响分析, 当气温升高1℃, 径流量相应增加10%—16%, 而实际上2000年后, 和田河出山径流均值也要比1957—1999年均值高出6.18×10⁸ m³。这对极端干旱的和田地区意义重大, 为区域绿洲扩展提供了水源保障。

4.2 人类活动影响

人类活动对绿洲覆被的影响主要体现在土地利用方式的改变上。表 2是利用中国科学院资源环境科学数据中心发布的全国土地利用遥感监测数据统计的不同时期和田绿洲土地利用变化情况。

可以看出, 2000—2015年, 绿洲耕地面积和城乡工矿居民用地面积明显增加。其中耕地面积从2000年的1573 km²增至2015年的2065 km², 净增加492 km², 增长了31.3%, 其占绿洲面积比重也从2000年的30%升至2015年的39%。这说明和田绿洲覆被面积的增加主要得益于耕地的扩张。这其中耕地扩张最明显区域是绿洲西部皮墨垦区(图 7, 因2004年国家在此设立224团场, 所以该区域耕地迅速扩展)。从表 2还可看出, 绿洲林草地及未利用土地面积显著减少。根据1994—2016年土地利用状态转移矩阵计算, 减少部分主要转为耕地, 其中天然草地对耕地增长的贡献达65%。可见便于开发利用的天然草地是和田绿洲耕地开垦的主要土地来源。

人类除通过开垦农田、种植作物影响绿洲覆被变化外, 城乡基建对绿洲覆被变化影响也十分明显^[21], 如和田市及墨玉、洛浦城区附近成为绿洲覆被退化的热点区域。通过差值量化提取的和田市及墨玉县周围覆被变化看出(图 7), 和田市以市中心为基点, 覆被呈放射状向外退化, 墨玉县城区周围植被也明显退化。同时, 和田市因经济相对发达, 城区周边卫星乡镇及公路干线集中, 所以退化面积及程度更显著, 而墨玉县城区周边植被退化相对较和田市较小, 但墨玉县城周边多耕地分布, 耕地周围乡村道路修建引起的规则格网状植被退化是墨玉县植被退化的一大特征。

耕地与城镇基建的扩张, 为促进绿洲经济发展发挥了重要作用。但是, 城镇扩张及耕地增加带来的用水需求, 挤占绿洲生态用水, 造成绿洲天然覆被的退化。且以易于开发利用的天然林草地换取耕地, 严重破坏绿洲生态。荒漠植被作为维持绿洲生态稳定的屏障, 其的破坏务必引起荒漠化过程加剧及边缘地区开垦耕地的弃耕, 最终还是威胁绿洲发展。同时, 和田河作为向塔里木河生态输水的关键河流, 其水量的过度引用, 将造成向下游输水减少, 严重威胁到塔河流域生态安全及可持续发展。因此, 在未来发展中应注重保护天然覆被, 严禁开垦天然林草地。同时应调节绿洲农业结构, 注意控制绿洲耗水, 实现可持续发展。

5 结论

(1) 近23年, 和田绿洲在覆被面积明显增加的同时, 植被覆盖度也明显升高。2016年比1994年覆被面积增加553 km², 增长19.6%。从不同等级覆被变化来说, 高覆被增加明显, 近23年增加897 km², 增长83.6%；中覆被波动变化明显, 2016年与1994年相比, 面积减少103 km², 降幅9.3%；低覆被减少明显, 减少面积241 km², 减少幅度达38%。

(2) 和田绿洲覆被空间变化存在阶段性和区域性差异。在变化阶段上, 2000—2005年绿洲覆被面积增加最为显著；在变化区域上, 绿洲西部皮墨垦区覆被增加最为典型, 和田市、墨玉县、洛浦县城区及附近覆被减少最为显著, 绿洲西北及东部天然林草地有轻微退化。整体上, 过去23年, 绿洲覆被重心西移, 直线迁移距离3.46 km。

(3) 气候变化对和田绿洲覆被变化有一定影响, 但人类活动影响最为直接。耕地开垦是绿洲覆被增加的最主要原因, 而天然林草地是耕地增长的最主要土地来源。但以天然林草地换取耕地的方式会降低绿洲生态效应, 长远来说将威胁绿洲生态稳定及可持续发展。