基于NDVI的塔里木盆地北缘绿洲-荒漠过渡带时空演变分析

基于2001、2007、2013和2017年的ETM/OLI遥感影像,使用复合植被指数构建的植被覆盖度模型与目视解译相结合提取塔里木盆地北缘绿洲-荒漠过渡带,并对其时空演变过程进行分析,为推动干旱区绿洲经济的可持续发展,土地荒漠化防治以及区域生态环境改善提供依据。结果表明:(1)2001—2017年间研究区绿洲面积呈扩增趋势,荒漠面积呈下降趋势;过渡带面积先减少后趋于稳定,年均扩增速率为-0.264%。(2)近16年来绿洲面积沿其边缘向外有不同程度的扩增,过渡带扩张面积主要由荒漠变化而来,缩小面积主要变化为绿洲,未变化面积趋于稳定,年均变化面积为-0.058×10^4 hm^2;(3)研究时段内受人为因素影响,绿洲面积迅速扩张,过渡带内侧的荒漠植被被开垦为耕地;位于区域东部和南部的地带,由于受地形和水文等自然因素的影响,过渡带面积扩增,荒漠面积缩减。近16年来塔里木盆地北缘加快了绿洲化进程,较为有效的控制了荒漠化;但过渡带空间变动较大,绿洲扩张过快且普遍存在环境恶化现象,该区域的生态环境还需进一步改善。     

塔里木盆地荒漠-绿洲过渡带动态变化及其影响因素

荒漠-绿洲过渡带是维系干旱区绿洲生态安全的天然屏障,同时也是受气候变化影响最为敏感的脆弱地带。本文基于1990—2015年Landsat遥感影像、土地利用数据和气象资料,分析了过去25年塔里木盆地荒漠-绿洲过渡带年代际动态变化特征及其驱动机制。结果表明:在过去25年间,塔里木盆地的荒漠-绿洲过渡带面积呈持续萎缩态势,年变化率为1.24%;过渡带内的天然植被指数(NDVI)随着时间推移和过渡带范围的减小而下降,由1990年的0.142下降至2015年的0.127;塔里木盆地耕地面积由1990年的2.45×104km2,增加到2015年的4.01×104km2,不断扩大的耕地面积强烈挤占了荒漠-绿洲过渡带的生态空间;伴随耕地扩张,地下水位下降,加之本区干旱增强,一些浅根系植被死亡而导致植被覆盖度降低,生态屏障功能下降。荒漠-绿洲过渡带对维系绿洲农业生产稳定、保护绿洲生态安全具有天然屏障功能,深入研究这一特殊地带的时空变化及其驱动力,旨在针对性地提出生态保护对策与措施,为国家重大战略实施与西部生态文明建设提供科技支撑。     

2001-2010年疏勒河流域植被净初级生产力时空变化及其与气候因子的关系

通过改进的光能利用率CASA模型估算2001-2010年间疏勒河流域陆地生态系统的净第一性生产力（NPP）,采用线性趋势分析、变异系数和Hurst指数等方法,分析了NPP的时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：①疏勒河流域NPP的空间分布具有明显差异,空间上呈现西北低、东南高的趋势,且具有较明显的经向"条带"分布特征,2001-2010年,NPP平均值为102.26 gC m^-2 a^-1。②2001-2010年,疏勒河流域NPP总体呈增长趋势,年际波动较大,NPP明显增加的区域占总面积25.15%,明显减小的区域约占11.93%。③Hurst指数分析显示,疏勒河流域NPP变化的同向特征强于反向特征,其中持续改善地区占总面积的78.3%,21.7%的区域将由改善转为退化。④在年尺度上,降水是植被NPP变化的主要影响因素,NPP与降水呈弱的正相关关系,与温度相关性不显著;在月尺度上,温度是NPP变化的主要控制因子。疏勒河流域NPP对气候因子不存在明显的时滞和累积效应。     

河西内陆河流域参考作物蒸散量的时空特征

基于河西内陆河流域17个气象站1961-2008年逐日气象数据,采用Penman-Monteith公式计算了逐日参考作物蒸散量(ET₀),利用GIS空间分析功能,采用反距离空间插值方法研究了年和季节ET₀的时空特征.结果表明：1961-2008年,河西内陆河流域年均ET₀（700～1330 mm）由东南向西北逐渐增加;黑河流域和疏勒河流域年均ET₀高值区呈显著下降趋势（P<0.05）,其气候倾向率在-53～-10 mm·（10 a）^-1,石羊河流域年均ET₀低值区呈微弱增加趋势;研究区各流域ET₀年际波动较大,并以临泽为较大的波中心,分别向西北和东南两个方向降低.春季和夏季是河西内陆河流域ET₀的集中季节,且疏勒河流域一直是四季ET₀值最高的地区.研究区ET₀气候倾向率依次为夏季>春季>秋季>冬季.影响河西内陆河流域ET₀变化的主要气候因子是风速和最高温度,其中风速是引起疏勒河和黑河流域ET₀呈现减少趋势的主导因子,最高温度和日照时数是引起石羊河流域ET₀呈现增加趋势的主导因子.     

基于InVEST模型的疏勒河流域碳储量时空变化研究

研究区域土地利用方式与生态系统服务碳储量的关系，对于区域生态系统保护及经济社会可持续发展具有重要意义。利用InVEST模型碳储量模块和CA-Markov模型，探究并预测疏勒河流域1990-2015及2015-2040年流域生态系统碳储量时空变化特征及其与土地利用方式之间的关系。结果表明：疏勒河流域1990、1995、2000、2005、2010、2015年碳储量分别为7.994×10⁸、7.996×10⁸、7.998×10⁸、8.038×10⁸、8.064×10⁸、8.071×10⁸t，呈逐年增加趋势，累计增加7.7×10⁶t。土地利用类型变化是导致生态系统碳储量变化的主要因素，未利用地向耕地和草地转化有利于碳储量增加，而草地向耕地和未利用地的转化则导致碳储量减少。疏勒河流域碳储量存在显著的空间格局，碳储量较高区域呈现"北部点状-中部带状-南部点状片状"特征，这种分布格局与流域土地利用类型紧密联系。预测表明至2040年疏勒河流域碳储量为9.128×10⁸t，较2015年增加13.1%，主要原因是草地、耕地和林地面积较大幅度增长，提高了流域内的碳储量。     

1991-2017年叶尔羌河流域冰川景观格局时空演变

冰川景观变化是全球环境和气候变化的共同"指示器"。随着全球气候变化加剧，干旱和半干旱地区的冰川景观将进一步变化。科学评估冰川景观格局时空演变特征，为应对冰川景观变化及其影响提供科学参考。基于1991-2017年Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，采用监督分类方法获取叶尔羌河流域冰川景观时空格局及变化数据，利用景观格局指数、质心迁移模型、分形维数等方法分析近26年叶尔羌河流域冰川景观格局时空演变特征。结果表明：（1）1991-2017年叶尔羌河流域冰川斑块面积呈消减趋势，但有所减缓，共减少799.50 km²（-13.09%）。冰川斑块面积消减主要集中在海拔5400-5800 m之间，相较之下，海拔4400 m以下的区域冰川斑块面积消减率最高，达63.68%；不同坡度冰川景观消减率存在差异，陡坡冰川斑块面积消减率最高（15.98%），急陡坡消减率最低（2.87%）；阴阳两坡冰川景观均呈消减趋势，阳坡冰川斑块面积消减速率显著高于阴坡。（2）近26年来，叶尔羌河流域冰川斑块数量、最大斑块指数均减小，而平均形状指数、平均周长面积比、分裂指数均增加，表明冰川景观不断消减，破碎化程度增加。（3）研究期间，叶尔羌河流域冰川景观质心发生迁移，整体呈现东北偏移趋势。（4）通过分形理论对叶尔羌河流域冰川景观空间结构特征进行分析表明，该流域冰川景观消减率略微降低，但仍然处于持续消融状态。     

1963-2009年金塔绿洲变化对绿洲景观格局的影响

内陆河流域绿洲与荒漠景观之间的相互作用与影响机制是干旱区景观地理学的重要内容之一。绿洲时空变化及其对区域景观格局影响的研究,对流域绿洲管理和环境保护具有重要的指导意义和科学价值。以中国西北干旱区内陆河流域水土资源开发的典型代表区域——金塔绿洲为例,基于5期不同的卫星遥感数据,利用数理统计模型及景观指数等方法开展绿洲变化过程、趋势、空间分布格局和景观结构特征变化研究。结果表明:(1)1963—2009年间金塔绿洲主要以扩张为主,绿洲面积增加了167.37 km2,绿洲与荒漠间相互转化剧烈,呈现出非平衡-平衡-极端不平衡的趋势状态。绿洲变化主要体现在西坝乡、羊井子湾乡的绿洲外延扩张和在三合乡-中东-大庄子乡、金塔镇-中东镇、古城乡等地的绿洲内部填充合并。(2)近46 a来金塔绿洲景观的分形特征、离散程度和破碎化程度趋于减小,各景观斑块则趋于简单和均匀化。(3)绿洲变化在一定程度上影响着绿洲景观格局,导致景观结构趋于均匀化和密集化,绿洲斑块镶嵌体表现出散布-扩张-破碎-融合扩展的变化过程。     

黑河流域植被垂直分布对气候变化的响应

黑河流域作为我国典型的生态系统过渡带,深入分析该区域内植被垂直分布变化对气候变化的响应,对于开展区域尺度植被分布对气候变化的响应研究极具代表性。近30年来,黑河流域的植被分布随着平均生物温度和降水分布变化,在空间分布上,尤其是垂直分布上发生了系列变化。基于黑河流域植被类型的410个野外调研采样数据、1980s年代的植被数据、遥感影像、气候观测数据、DEM等多源数据,分别构建了黑河流域气候要素和植被类型垂直分布变化的空间分析模型,定量揭示了黑河流域绿洲农田荒漠带（≤1700 m）、荒漠草原植被带（1700-2100 m）、干性灌丛草原植被带（2100-2500 m）、山地森林草原植被带（2500-3300 m）、高山灌丛草甸植被带（3300-3800 m）和高山寒漠草甸植被带（≥3800 m）6个植被垂直带的植被变化及其对气候变化的响应差异。研究结果表明：在1980s-2010s期间,整个黑河流域植被空间分布的动态变化率为25.75%,发生变化的总面积为203.12万hm²;绿洲农田荒漠植被带的变化面积最大（72.24万hm²）,山地森林草原植被带的植被动态变化率最高（56.93%）;6个垂直带内的年平均生物温度和平均降水整体上均呈增加趋势,其中降水的增长率随海拔升高呈下降趋势,而平均生物温度的增长率则随海拔升高呈持续上升趋势;黑河流域中低海拔植被带内的植被动态变化与年平均生物温度和平均降水的相关性整体上高于其他植被带;荒漠草原植被带和干性灌丛草原植被带的植被动态变化对气候变化的敏感性高于其他植被带内植被变化对气候变化的敏感性。     

2001—2010年疏勒河流域生态系统质量综合评价

疏勒河流域属于典型的干旱区内陆河流域,生态环境脆弱,对其进行生态系统质量评价意义重大.本文利用多源遥感数据,依据生态系统生产能力指数(EPI)/生态系统稳定性指数(ESI)/生态系统承载力指数(EBCI),建立遥感综合评价模型,对疏勒河流域2001—2010年的生态系统质量进行综合评价.结果表明: 疏勒河流域2001—2010年生态系统质量平均值为43.21,处于较低水平.EPI、ESI和EBCI的均值分别为47.16、58.09和28.52,说明疏勒河流域生态系统承载力较低.2001—2010年,EPI和EBCI分别增加了18.9％和20.1％,ESI下降了9.4％.流域生态系统质量总体呈现出先增加后下降的趋势,2001、2005和2010年生态系统质量年均值分别为 43.71、44.80和41.13.农田生态系统质量最高,水体生态系统质量最低.人工生态系统质量综合评价值为46.43,明显高于自然生态系统.     

疏勒河流域土地利用变化对净初级生产力的影响

研究区域土地利用变化对植被净初级生产力(NPP)的影响, 对厘清植被的生长状况及其和土地利用变化的关系, 以及维持区域生态环境可持续发展具有重要意义。以中国西北干旱区疏勒河流域为例, 基于土地利用数据和CASA模型计算的2001—2015年植被NPP数据, 分析了疏勒河流域NPP的时空变化特征, 探讨土地利用变化对植被NPP的影响。结果如下: 2001—2015年, 疏勒河流域NPP年总值整体上呈上升的趋势。NPP增加的区域占总面积的84.29%,上游山区和中下游绿洲区增加的最显著。NPP减少的区域占总面积的15.71%,主要分布于北部的肃北、敦煌的西部和南部及中下游绿洲的南北两侧。15年间土地利用的面积变化对NPP贡献率空间差异显著, 但总体上对NPP总量增加起到促进作用, 且耕地面积的变化对NPP总量的贡献率最大。     

三工河流域荒漠绿洲植被动态及其成因分析

以三工河流域为例,讨论了植被动态及其地貌、水资源利用、河流廊道和排碱渠等景观要素的变化对植被产生的影响．结果表明,随着景观格局的变化,流域内的植丛高度、盖度及生物量均表现出较大变异性．以河流廊道为核心,通常荒漠绿洲景观格局呈带状分布,且由内向外随水热条件的改变,植被类型由乔灌木林依次向灌丛草甸、盐化草甸、荒漠化草甸和荒漠层次结构过渡．人类活动影响强烈的景观要素。其斑块多样性、破碎度、分离度和斑块密度等指数值较高,而人类活动影响较小的,其优势度和均匀度较高．各景观要素的稳定性不同,其大小顺序为：荒漠>沙砾石地>城镇用地>水体>农田>牧草地>莱地>林地>居民点>盐碱地>荒草地>水浇地>果园．梭梭群落的净生长量高峰值出现在8月,而博乐蒿、琵琶柴群落的净生长量高峰值出现时间各年度不同．博乐蒿群落与海拔相关系数最大,而琵琶柴群落则与土壤水含量、地下水位关系密切,梭梭群落与4～9月降雨量相关系数最大。     

内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素——以石羊河流域中游凉州区和下游民勤绿洲为例

以野外实际调查资料以及社会经济统计资料,结合研究区1986年和2000年的TM影像数据,分析了石羊河流域中游凉州区和下游民勤绿洲近20a来的耕地变化及其驱动因子,结果表明：（1）两个绿洲的耕地面积都呈增加趋势,且民勤绿洲耕地增加速度更为显著;在空间上新增耕地主要集中在荒漠和绿洲的交错地带,耕地的增加凉州区以沙地作为主要来源,而民勤则以牺牲林草地为代价.（2）从耕地变化驱动力来看,人口增加是直接动因,同时农业科技进步和社会经济的发展为耕地面积的扩大提供了前提条件;此外,耕地面积的变化在凉州区与地表水量关系密切;而在民勤则与大风、沙尘暴天气等生态环境问题以及绿洲内的降水、蒸发等气象因素有显著关系.充分表明石羊河流域中游绿洲经济的繁荣发展以下游民勤绿洲的急剧衰退为代价.     

三工河流域荒漠绿洲植被动态及其成因分析

以三工河流域为例,讨论了植被动态及其地貌、水资源利用、河流廊道和排碱渠等景观要素的变化对植被产生的影响.结果表明,随着景观格局的变化,流域内的植丛高度、盖度及生物量均表现出较大变异性.以河流廊道为核心,通常荒漠绿洲景观格局呈带状分布,且由内向外随水热条件的改变,植被类型由乔灌木林依次向灌丛草甸、盐化草甸、荒漠化草甸和荒漠层次结构过渡.人类活动影响强烈的景观要素,其斑块多样性、破碎度、分离度和斑块密度等指数值较高,而人类活动影响较小的,其优势度和均匀度较高.各景观要素的稳定性不同,其大小顺序为:荒漠>沙砾石地>城镇用地>水体>农田>牧草地>菜地>林地>居民点>盐碱地>荒草地>水浇地>果园.梭梭群落的净生长量高峰值出现在8月,而博乐蒿、琵琶柴群落的净生长量高峰值出现时间各年度不同.博乐蒿群落与海拔相关系数最大,而琵琶柴群落则与土壤水含量、地下水位关系密切,梭梭群落与4～9月降雨量相关系数最大.     

黑河流域景观结构分析

在黑河流域土地利用分类的基础上,利用地理信息系统进行流域景观制图,划分出6个景观区。利用景观结构分析软件FRAGSTATS在流域尺度上计算了各景观区的多种景观结构指标。结果表明：山区的景观结构特征突出表现为连通性强,拼块形状复杂。绿洲－荒漠区的景观结构特征表现为,绿洲主要沿河流和渠道分布,是镶嵌在荒漠基质上的景观异质体。绿洲是干旱区景观结构最复杂,类型最丰富,景观多样性最高的地区,但不同景观区的绿洲其景观结构有显著的差异。荒漠和绿注的过渡地带的过渡生态类型丰富,其共同的景观结构特征是拼块破碎、呈团聚状分布,在极端干旱的北部阿拉善高平原,裸露戈壁是景观模地,占据绝对优势,蔓延度极高,其它类型是面积相对很小的异质镶嵌体。文章最后指出,在使用FRAGSTATS的栅格版本时要特别注意尺度的影响。     

1986-2015年瓜州绿洲变化

瓜州县作为丝绸之路的边塞重镇,瓜州绿洲在保持东西段的经济联系中具有重要作用。以遥感影像为数据源,分别提取1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年间的绿洲分布信息,并使用格网化的方法,分析瓜州绿洲变化的时空过程和空间规律。结果表明：过去30年间,瓜州绿洲总体为增长的趋势,面积净增长278.874km²,相比于1986年,绿洲扩张49.6%,其中2000年以前绿洲的扩张速度较慢,2000-2005年为绿洲扩张的巅峰时期,其次为2005-2015年。空间分布上,昌马灌区绿洲不断向冲积平原前缘和向西扩张,主要为移民区域的耕地开发;疏勒河干流灌区的绿洲扩张是以原始绿洲为基础,呈散射状向外发展;疏勒河尾闾的绿洲规模较小、斑块分散,但在近几十年间也得到了较大程度的扩张。对于绿洲退缩而言,主要发生在昌马冲积平原区,面积较少,主要是由于该区域分布的较多天然植被,在受环境因素的影响下变化频繁。总结绿洲的变化过程可以看出,瓜州绿洲的扩张速度较快,扩张特征明显。昌马冲积扇前平原作为一个较典型的扩张区域,绿洲不断向北部细土平原扩张,但由于该区域本身的地下水位较浅,地表盐渍化现象严重,加之大量地表水利工程的建立,盐渍化的防护和治理成为了确保该区域绿洲长期稳定发展需要考虑的重要问题之一。     

Spatial-temporal character of vegetation cover and its influence factors in the Shule River Basin China,during 1985–2011

Abstract

Vegetation coverage is an important indicator of the terrestrial ecosystems, and it provides crucial significance for evaluation and analysis of vegetation change. The Shule River Basin is a typical ecological fragile region in the inland of Northwest China. We used vegetation coverage index as given in Technical Specifications for Assessment of Ecological Environment. Geographic information system (GIS) spatial analysis was used to analyze the temporal and spatial features of vegetation cover in the Shule River Basin and its influencing factors from 1986 to 2011. The results showed that vegetable cover is very low in most areas of Shule River Basin with only the upstream parts of the oasis and watershed haven high vegetation cover. The average vegetation coverage index increased from 6.78 to 8.31 during 1986–2011. An area of 59,998?km² in the Shule River Basin has unchanged vegetation coverage index and this account for 51.7% of watershed areas for the period of the study. Also, an area of 31,721?km² recorded an increased vegetable cover, accounting for 27.3% while an area of 24,372?km² decreased vegetation cover which accounts for 21.0%. There was different correlation between vegetation cover and annual precipitation in the Shule River Basin.     

疏勒河流域气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响评价

气候变化和人类活动是对陆地生态系统碳循环产生重要影响的两个因素,定量评估气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的相对影响,对深入理解其驱动机制和控制荒漠化发展具有重要意义。以疏勒河流域为研究区,利用遥感和气象数据计算潜在NPP(PNPP)及其与实际NPP(ANPP)之间的差值,分别衡量了气候变化和人类活动对流域NPP的相对影响。研究结果表明:(1)2001—2015年疏勒河流域年ANPP整体呈缓慢增加趋势,与全国和西北地区相比,普遍较低,流域植被整体生产力水平不高。流域年ANPP空间分布呈现上游祁连山区和中下游绿洲区ANPP较高,而中下游荒漠戈壁区ANPP较低的分布格局。(2)2001—2015年流域年PNPP的变化趋势表明,降水量的变化是导致疏勒河流域植被退化加剧或缓解的主要气候驱动因素,但气温的变化对植被的影响较为复杂。(3)2001—2015年流域大部分地区植被退化系人类活动造成的,但人类活动的负向影响力在减弱。(4)气候变化和人类活动对植被NPP的相对影响均表现出明显的空间异质性,其中人类活动是疏勒河流域植被变化的主要驱动因素。     

疏勒河流域陆地水储量与植被指数的时空耦合关系

干旱区水资源与植被生长状态的时空变化规律及其耦合关系的研究一直以来都是水文学和生态学等领域研究的重点和热点。以我国干旱区内陆河流域—疏勒河流域为研究区,利用2002—2016期间GRACE卫星反演的陆地水储量变化(TWSA)和MODIS的增强型植被指数(EVI)两个指标开展了基于像元的流域水资源和植被状态的时空格局变化及其耦合关系研究。结果表明:(1)在时间尺度上,疏勒河流域的TWSA和EVI表现出明显的周期性、季节性以及趋势性规律;(2)在空间尺度上,基于像元的流域TWSA和EVI均呈明显的空间异质性;(3)在时空耦合关系方面,年均TWSA与EVI在流域整体尺度上呈中度负相关;在子分区尺度上,中部平原区呈高度负相关,南部山区和北部山区相关性不显著;在像元尺度上,年均TWSA与EVI呈高度负相关、中度负相关、低度负相关的像元分别占全流域的19%、32%和31%;仅有18%的像元呈低度正相关,说明疏勒河流域的TWSA与EVI的时空耦合关系复杂且具有明显的空间异质性和尺度效应。研究结论将为疏勒河流域的水资源优化配置和合理开发利用,以及为实现干旱区的可持续发展提供科学依据。     

基于空间距离指数的中国西北干旱内陆河流域生态敏感性时空演变特征——以石羊河流域为例

生态敏感性是生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度及生态环境问题发生难易程度和可能性大小的重要因素之一。以中国西北地区典型的干旱内陆河流域-石羊河流域为例,通过借鉴前人研究成果及实地调查研究,将石羊河流域生态敏感性分为生态风险敏感性、水土流失敏感性和生物多样性敏感性三个方面,并系统构建生态风险敏感性指数、水土流失敏感性指数和生物多样性敏感性指数三个定量评价指标,对石羊河流域综合生态敏感性进行研究。并通过格网编码、圈层分析,探讨近30年石羊河流域生态敏感性的时空变化。研究结果表明:(1)1987—2016年间石羊河流域生态敏感性总体上逐年降低,综合生态敏感性指数(Comprehensive ecological sensitivity index,CESI)值从1987年的1.143上升到2016年的1.287,反映出流域生态环境当前还是向着可持续发展的方向发展;(2)流域生态敏感性整体偏高,常年极度敏感区和常年重度敏感区占流域总面积的42.26%。此外,敏感性空间分异明显,流域上游及下游荒漠区敏感性相对稳定,中下游绿洲区敏感性波动变化较为频繁,且波动变化区占总面积的51.24%,这表明流域生态敏感性与人类活动及工农业生产有较为密切的关系;(3)目前流域生态敏感性整体趋于好转,但局部地区有恶化的趋势,敏感性波动降低的区域面积为11693.57km~2,占流域总面积的28.82%,敏感性波动升高的区域面积为9099.66km~2,占流域总面积的22.43%,这表明一方面在国家宏观政策的引导下,当地在生态环境保护方面做了大量工作,另一方面也表现出在全球生态环境逐渐恶化的大背景下,当地的生态环境治理工作仍然任重道远。