博尔塔拉蒙古自治州土地/植被覆盖变化及驱动力分析

刘兆旭，刘晶，郑国宏，李建刚

（1新疆维吾尔自治区防雷减灾中心，乌鲁木齐 830002；
2中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002）

随着现代经济社会的发展，土地利用/覆盖类型也在发生明显变化，土地利用/土地覆被变化研究是当前全球环境变化研究领域的热点和核心内容之一[1-4]，其对物质循环和生态系统具有非常重要的影响[5-6]。而植被覆盖的变化一定程度上制约着干旱区荒漠化的进程[7-8]。

应用遥感技术可以通过计算植被指数(Vegetation Index，VI)获得植被盖度的情况。植被覆盖度，即垂直投影在统计区中的占比[9-11]。植被为生态体系的核心构成，是生态系统的基础[12]，也是联结土壤、大气和水分的自然“纽带”，是能够影响能量平衡、气候、水文以生物地球化学平衡的敏感变量，所以植被变化可用于判断生态环境转变[13-18]。对一段时期植被覆盖度变化趋势进行研究评估，从而正确把握植被的时空变化趋势与人类活动的相关性。

博州地区处于准噶尔盆地西南边缘，是西北荒漠区的典型代表，是大风的主风道，是重要的风沙策源地，生态比较脆弱，研究该地区土地利用/覆盖类型对生态环境意义重大。目前针对博尔塔拉蒙古自治州地区土地利用/覆盖分布特征及植被变化的研究较少。因此围绕该地区土地利用/覆盖和植被覆盖的变动数据开展分析，对于可持续开发以及生态恢复等有重要的理论与实践价值[19]。笔者利用2005—2020 年的Landsat 遥感数据，系统研究了博尔塔拉蒙古自治州（以下简称博州）地区植被覆盖度及驱动因素、土地利用变化趋势，结合土地利用信息，详细分析不同地类的植被变化情况，旨在为博州地区植被生态的可持续发展提供科学有效的决策依据。

1.1 研究区概况

博州位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地西南边缘，欧亚大陆桥横穿而过，国家级自然保护区——新疆艾比湖湿地国家级自然保护区坐落于此（图1）。博州是西北荒漠区的典型代表，不仅荒漠物种种群多样，而且种群分布集中。研究区西北部是著名的阿拉山口，是大风的主风道，是重要的风沙策源地。近年来，在气候变化的影响下，博州增暖增湿现象较明显，极端天气气候事件发生的频次不断增多，春夏季气象干旱强度增大，造成的影响也更为严重。特殊的地理位置决定了博州特殊的生态地位。植被作为博州生态系统的重要组成部分，具有维护生态环境和促进经济发展的双重功能，对博州整个生态环境的改善具有举足轻重的作用。

图1 研究区位图

1.2 数据来源

研究数据包括2005、2010年7—9月的Landsat5 TM数据，2015、2020年7—9月的Landsat8 OLI数据，空间分辨率为30 m×30 m，进行图像拼接和投影变换，转换为等经纬度坐标投影，基准面为CGS_WGS_1984_UTM 坐标系。基于地理空间数据云平台获取DEM数据，空间分辨率为30 m。气象数据来源于博尔塔拉蒙古自治州气象观测站点，从中选取降水量、气温等数据，根据需要进行统计。本研究选择数据时间为2005、2010、2015、2020年，土地利用类型分为8类（表1）。

表1 博尔塔拉蒙古自治州土地利用类型及其面积占比（2020年）

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆盖度计算方法像元二分模型[20]，是最为多见的计算覆盖度的方法，计算如式(1)所示。

式中，Fvc为植被覆盖度，NDVI为归一化差异植被指数，NDVIs为完全裸土或无植被位置的NDVI值，NDVIv为纯植被像元的NDVI值。

1.3.2 土地覆盖类型的动态度分析动态度能够表达利用类型的变化速度[21]。为确认利用类型的变化，运用动态度来表达3个阶段的变化率，如式(2)所示。

式中，EUa为研究期初某类土地的面积；
EUb为研究期末某类土地的面积，T为研究时段，Ev为研究时段利用类型的年变化率。

1.3.3 地理探测器原理地理探测器是由王劲峰等[22]提出的一种统计的方法，可定量确认空间分异性与阐述其中的驱动力。本研究选取土地利用、道路、GDP、降水、温度、人口密度、水系、坡度8个因子分析博州地区植被覆盖变化的驱动因子[23]。地理探测器有4 种类别，本研究选定分异及因子探测、交互作用探测。

2.1 博尔塔拉蒙古自治州土地利用变化

2005—2020年博州分布最大的地类是沙地、草地和耕地（表2）。其中，2005、2010、2015、2020年沙地占比都是最大的，分别为32.3%、27.6%、37.6%、38%，主要分布在精河县、阿拉山口市和博乐市边缘（图2）。草地面积占比从2005 年的28.7%下降到2020 年的22.2%，主要分布在温泉县、博乐市和博尔塔拉蒙古自治州北部的边缘地带。2020 年的耕地面积从9.7%增加到了2020 年的10.7%，主要分布在博尔塔拉蒙古自治州的中部地带。水域面积呈现了微弱的增加趋势，面积占比7%。建设用地占比呈下降趋势，分别为2.3%、1%、1%和1.3%。

表2 博尔塔拉蒙古自治州2000、2010、2015、2020年土地利用类型的面积及其所占的比例

图2 博州2005、2010、2015、2020年土地利用类型的空间分布

2.2 土地利用类型动态变化

由表3 可以看出，博州2005—2010 年土地利用类型变化较为显著。2005—2010 年间裸地面积增加了1678.2 km2，林地次之，增加1073.7 km2，变化率分别为6.74%和4.31%；
耕地面积增加了554.2 km2，变化率为2.22%；
沙地显著减少，减少面积1145.4 km2，变化率为-4.6%。

表3 博州2005—2020年土地利用变化面积和变化率

2010—2015 年沙地变化最为显著，面积增加了2491.5 km2，变化率为10%，冰川及永久性积雪也增加了1191.3 km2，变化率为4.78%，水域和建设用地变化较小，分别增加了360、124.1 km2，变化率为1.45%、0.5%；
裸地、草地、林地、耕地的面积分别减少了2012.5、969.7、829、355.6 km2，变化率分别为-8.08%、-3.89%、-3.33%、-1.43%。

2015—2020 年博州地区冰川及永久性积雪的减少是最多的，减少的面积为732.3 km2，变化率为-2.94%，主要集中分布在精河县的东部，其次为林地；
草地的增加趋势相对最大，增加面积为455.8 km2，增长率为1.83%；
其次为裸地，增加面积383.6 km2，变化率为1.54%，水域的增加不大，增长率不到1%。

2.3 土地转移特征

2005—2010 年博州地区有6786.31 km2土地类型发生改变（表4）。其中沙地的转入面积最大，为2035.23 km2，主要来自于草地和裸地，共占沙地转入面积的69.1%，有877 km2的草地转为林地；
草地主要转为林地和沙地，占76.4%。转出面积最大的为沙地，共转出2135.99 km2，其中716.2 km2转为草地，占沙地转出面积的33.5%。

表4 博州2005—2010年土地利用矩阵转移

2010—2015 年共有6624 km2的土地利用类型发生变化（表5），其中裸地扩张面积最大，主要由沙地、冰川及永久性积雪、草地转化而来，转化面积分别为1948、283、241 km2；
草地面积扩张也较明显，共扩张了2434.4 km2，主要由沙地、林地和冰川及永久性积雪转化而来，转化比例依次为52.8%、16.3%和12.7%，这可能是因为农业一直是博州地区重要的经济来源，博州的牧业在总产量中占了很大的比重，草地的扩张速度较快。

表5 博州2010—2015年土地利用矩阵转移

2015—2020年博州地区共有7641.1 km2土地类型发生改变（表6），变化幅度在增强。转出面积最大的为裸地，转出面积达2185.9 km2，其中1541.6 km2裸地转为沙地、457.4 km2裸地转为草地。转入面积最多的是草地，为2587.6 km2，草地的扩张主要由林地、沙地、裸地贡献。水域也有了明显的扩张，主要由沙地转化而来。

表6 博州2015—2020年土地利用矩阵转移

2005—2020 年土地利用变化有着显著的变动。有大量的沙地、林地、耕地转为草地，这主要是因为牧业是博州重要的产业。建设用地同样有小幅度的增长，其核心原因是人口规模的增长。沙地的面积在显著增加，这可能是开发利用土地资源过程中对生态保护不够重视，导致的土地盐渍化和沙化。

2.4 植被覆盖度空间变化特征

利用4期遥感影像计算出博州地区15年植被覆盖度空间变化（图3），并对博州地区的植被覆盖度面积进行统计（表7），4个时间段内低植被覆盖度面积占比均较高，基本都在60%以上，而较低的植被覆盖度占比都在10%左右，说明博州地区植被覆盖度比较低的植被占了很大的份额，中覆盖度植被呈现增长的趋势，而较高和高覆盖度的植被呈现了先大幅增加后缓慢减少的总体趋势。

表7 博州植被覆盖度面积统计

图3 博州植被覆盖度时空变化

2005—2010年低覆盖度植被减少了1096.8 km2，而较低覆盖度植被面积从2683.4 km2增加到2961.7 km2，增加了9.39%；
中覆盖度植被、较高覆盖度植被及高覆盖度植被面积占比分别增加了6.4%、31.7%和71.4%。从图3a可以看出，面积最大的低覆盖度植被主要集中在精河县的东部偏北、西南大部地区和阿拉山口大部地区，而且中覆盖度、较高覆盖度及高覆盖度的植被主要在博州中部形成条带状分布。从图3b 可以看出2010年中度和较高植被覆盖度的分布变化较小，而高覆盖度植被的变化区域主要由博州的西南部转移至博州的中部地区。

2010—2015年低覆盖度植被变化仍较明显，面积从17477.2 km2减少到14917.2 km2，减少了2560 km2，降幅达到了17.1%。较低覆盖度植被的变化不大，中覆盖度、较高覆盖度、高覆盖度植被面积分别增加了251.1、1004.9、1618.3 km2。在这5年中，高覆盖度植被的变化最大，从2015 年植被覆盖度可以看出（图3c），博州的中部博乐市和精河县中部新增了大片的高覆盖度植被。

2015—2020 年低覆盖度和较低覆盖度植被在增加，5 年中分别增加了915.3、588.7 km2。中覆盖度、较高覆盖度和高覆盖度植被面积分别减少了49.8、530.8、959.4 km2，而这3 个覆盖度的植被都是首次出现下降，特别是高覆盖度植被降幅达到了29.8%。从图3d 可以看出，各等级的植被覆盖度变动较大，低覆盖度和较低覆盖度植被是在原有的基础上小范围变动，高覆盖度植被向博乐市方向移动、面积在缩小，说明博州植被覆盖度变动比较稳定，变动也仅从高植被覆盖度向较低的区域移动。

参照《土壤侵蚀分类分级标准》得到博州坡度分级图（图4）。根据表8可以看出，植被覆盖度随坡度的不断升高，呈现了先减小后增加再减小的趋势。研究区内坡度＜5°基本为裸地、沙地和水域，地势也比较平缓，而植被的覆盖度比较容易受自然降水和人类活动的影响。坡度5°—15°主要是山地生态系统，地表起伏比较大，植被覆盖度比较高。坡度15°—45°的植被覆盖度随着坡度等级的提升缓慢提升。坡度大于45°主要是一些永久性冰川和裸地，自然条件恶劣，植被覆盖度最小。

表8 植被覆盖度与坡度的关系

图4 博州坡度分级

2.5 植被覆盖度驱动力分析

根据博州的因子探测的结果（表9），所有生态因子均已通过显著性检验。q值从大到小为土地利用＞道路＞GDP＞降水＞温度＞人口密度＞水系＞坡度。土地利用变化是引起植被覆盖度变化的首要影响因子，其次是道路和GDP，再次是降水和温度，最后是人口密度、水系和坡度。土地利用类型是影响博州植被覆盖度的首要因素，也受自然因素的影响（如温度、降水等），人类活动也对植被覆盖度有着较为深远的影响，在博州的发展进程中受到了建设施工、人口密度、道路变化的影响。通过表9 可以看出，GDP 和道路的影响明显高于降水和温度的影响，表明人为的影响因素明显高于自然条件的影响。随着博州城镇的发展变化，经济社会的飞速发展，人类活动对博州植被覆盖度的变化造成了很大影响。

表9 博尔塔拉蒙古自治州因子探测结果

从博州植被覆盖度的交互探测与生态探测交互探测（表10）可知，坡度∩GDP(0.082)、坡度∩降水(0.082)、坡度∩道路(0.171)、坡度∩人口密度(0.082)、坡度∩温度(0.082)、坡度∩水系(0.109)、坡度∩土地利用(0.817)、水系∩GDP (0.109)、水系∩降水(0.216)、水系∩道路(0.263)、水系∩人口密度(0.216)、水系∩温度(0.216)为非线性增强（带*），其余为双因子增强。而在因子探测中坡度(0.008)与水系(0.052)的解释力最低，说明经过交互探测，坡度与水系对于博州的植被覆盖度的解释力有大幅提升。其他双因子增强按解释力排序为土地利用∩坡度(0.817)＞土地利用∩水系(0.809)＞土地利用∩GDP(0.806)＞土地利用∩道路(0.794)＞土地利用∩降水(0.086)/土地利用∩人口密度(0.086)/土地利用∩温度(0.086)，其他因子交互探测值分别为GDP(0.057)、降水(0.057)、道路(0.111)、人口密度(0.057)、温度(0.057)。土地利用与其他因子交互探测后解释力均大于原来单因子探测的结果，同时土地利用对于博州植被覆盖度有极其重要的意义。

表10 博州植被覆盖度的交互探测与生态探测结果

以上分析说明不同类型的土地利用方式直接决定了植被覆盖度，当然其他自然因素和人类活动对博州植被覆盖度也有间接影响。由生态探测表可以看出，土地利用与坡度、GDP、降水、道路、人口密度、温度、水系表现出显著差异，而其他因子之间的生态探测为无显著差异。

笔者分析了2005—2020 年新疆博州地区的土地利用变化以及植被覆盖度的变化，发现博州地区土地利用类型以沙地、草地、耕地和裸地为主，2020年分别占总面积的37.99%、22.19%、10.71%和10.15%。建设用地和冰川及永久性积雪占比例较小，分别占比1.19%和3.19%。2005—2010年草、沙地的面积降幅最为显著，减少面积分别为1123.4、1145.4 km2，变化率分别为-4.51%、-4.60%，增加最显著的为裸地，增加面积为1678.2 km2，变化率为6.74%。2010—2015年博州地区由于受人类活动影响，沙地变化最为显著，面积增加了2491.5 km2，变化率为10%，冰川及永久性积雪也增加了1191.3 km2，变化率为4.78%，2015—2020 年博州地区冰川及永久性积雪的减少是最多的，减少的面积为732.3 km2，变化率为-2.94%，主要集中分布在精河县的东部。2005—2020 年土地类型产生了显著的变化。有大量的沙地、林地、耕地转为草地，这主要是因为牧业是博州重要的产业。建设用地也在微弱的增加，这主要是由人口的增加引起的。沙地的面积在显著增加，这可能是在开发利用土地资源的过程中对生态保护不够重视，导致的土地盐渍化和沙化。

根据博州地区近15 年植被覆盖度空间变化可以看出，低植被覆盖度面积占比均较高，基本上都在60%以上，而较低的植被覆盖度占比都在10%左右，说明了博州地区植被覆盖度上，比较低的植被占了很大的份额；
中覆盖度植被呈现增长的趋势，而较高和高覆盖度的植被呈现了先大幅增加后缓慢减少的总体趋势。

近年来，气候变暖、极端气候事件增加等加剧了干旱对农业以及畜牧业的危害程度，过度放牧使得草地承载能力不断下降。为实现博州生态可持续发展，应加强草地合理利用以提高其适应气候变化的能力。天然草场应适度放牧保护草原和森林。在脆弱区域实施退耕还湿、退耕还林、退林还草，保护生物多样性，从而维护良好生态环境。

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