中国西北英吉沙县植被覆盖时空变化与绿洲扩张

《Land》：Spatiotemporal Changes in Vegetation Cover and Oasis Expansion in Yengisar County, Northwest China

　　

该研究利用1995年至2020年的30 m Landsat影像，考察了中国西北干旱绿洲区英吉沙县（Yengisar County）的植被动态及其驱动因素。研究人员计算了归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），并采用像元二分模型（Dimidiate Pixel Model，DPM）估算植被覆盖度（Fractional Vegetation Cover，FVC）。趋势分析与重心迁移模型被用于考察植被的时空演化及其对气候与人类因素的响应。结果表明：（1）FVC呈现明显空间异质性，高植被覆盖主要沿西南侧河流系统分布，东北侧城镇周边呈同心圆式扩张。（2）1995—2020年，植被总面积增加409.38 km2，较1995年增加76.4%，平均FVC增加15.4%；除极低覆盖类外，各植被类均扩张，中覆盖类增幅最大（142.9%）。（3）植被重心逐渐向东南迁移，2015—2020年为植被改善最快阶段。（4）人类活动，尤其是农业开垦与草地扩张，与近期植被变化高度相关，并在人工绿洲扩张中发挥重要作用。结果表明，英吉沙县近期绿洲扩张与土地利用变化及灌溉活动密切相关。上述发现为干旱区绿洲管理、土地利用规划与水资源配置提供参考。

研究背景方面，干旱与半干旱生态系统对气候变化和人类活动高度敏感，绿洲扩张与荒漠化是区域生态可持续中的两类基本过程。已有研究多聚焦流域与区域尺度，对县尺度绿洲内部演化过程关注不足，且常只分析平均覆盖度和净变化，忽视植被等级间转换轨迹，也较少关注绿洲扩张的空间迁移与重心变化，气候变化和人类活动贡献的不确定性仍需在县尺度深入探究。英吉沙县位于塔里木盆地西缘绿洲—荒漠交错带，依赖冰雪融水补给且近期农业扩张强烈，因此研究人员以该县为对象，利用1995—2020年六期Landsat影像，基于像元二分模型估算FVC，结合趋势分析、植被等级转移矩阵和重心迁移模型，辨析气候变化与人为活动对植被等级转换的影响，为干旱区生态保护、水资源管理与可持续发展提供科学支撑。该论文发表在《Land》。

关键技术方法方面，研究人员使用地理空间数据云提供的Landsat 5/7/8生长季影像（Path 149/Row 33，30 m），经辐射定标与大气校正后计算NDVI，并采用像元二分模型（DPM）以2%和98%累计频率确定纯裸土与纯植被端元来估算植被覆盖度（FVC）；以面积加权计算平均FVC；采用影像差值法划分改善与退化等级；利用重心迁移模型追踪植被重心；用覆盖强度与变化速度刻画扩张速率；并将六期FVC与同年降水量、气温做像元相关分析，同时结合中国科学院资源环境科学数据中心提供的土地利用数据分析土地覆被转换。

研究结果部分，3.1 时空分布与动态：研究人员通过六期FVC空间制图发现，高覆盖带沿西南河流网络分布，东北城镇区呈同心递减；1995—2020年植被总面积净增409.38 km²，平均FVC增15.4%，NDVI增111.5%，极低覆盖类缩减、中低覆盖类持续扩张，表明绿洲由荒漠基质被植被替代而扩张。

3.2 FVC空间动态特征：研究人员采用影像差值与1995—2020等级转移矩阵发现，不变区域占77.4%，绿洲内部高覆盖区稳定，绿洲—荒漠交错带的中低覆盖区最活跃；Grade IV裸地主要转为Grade III低覆盖，部分II、III类升级为I类，呈现由IV到III再到高覆盖的阶梯式演替。

3.3 覆盖强度、速度与重心迁移：研究人员计算覆盖强度、变化速度和重心坐标发现，2000—2005年有短暂退化，2015—2020年变化速度达32.0 km²/a；总体植被重心向东南偏移6.65 km，I类高覆盖重心在2015—2020年东南位移3.92 km，与东南部乡镇城市化和农业开垦的空间轨迹耦合。

3.4 对气候与人为因子的响应：研究人员将FVC与气温、降水及土地利用数据结合发现，区域气候仅呈弱暖湿化，气温和降水增速分别为0.019 °C/a和1.799 mm/a；交错带植被与气候正相关的面积占79.68%和86.78%，而绿洲核心灌溉区出现负相关，说明核心植被脱离自然降水；农田由414.32 km²增至623.97 km²，草地净增205.88 km²，裸地减少417.72 km²，新垦地空间上与重心东南移一致，土地利用转换是植被增加和绿洲扩张的关键驱动。

讨论部分，研究人员指出绿洲—荒漠交错带植被对气温和降水敏感，而人工绿洲核心受灌溉调控，使自然降水作用减弱，变暖带来的蒸散增强可由强化灌溉部分抵消。土地转换显示裸地减少量与农田、草地增量基本一致，东南向扩张沿河流与灌排系统推进，反映灌溉基础设施与土地开发主导人工绿洲空间偏向。农业扩张驱动的绿化虽提升覆盖度，但在年均降水仅约92.09 mm的极端干旱背景下，可能带来生态与农业争水、地下水超采和土壤次生盐渍化风险。研究人员也说明，30 m分辨率存在混合像元影响，DPM在高反照率裸土背景有不确定性，六期样本使相关分析只能作探索性空间参考，且FVC与土地利用同源导致空间一致性不等于独立证据。

结论部分翻译如下：基于1995—2020年Landsat时序数据，本研究考察了英吉沙县植被覆盖度（FVC）时空演化、植被等级转换与绿洲扩张，主要结论为：（1）1995—2020年英吉沙县植被覆盖持续增加，植被由低覆盖向中高覆盖转变，大面积裸地转为农田和草地，绿洲景观显著扩张。（2）植被扩张具明显空间异质性和方向性，植被重心向东南迁移约6.65 km，与农田扩张和土地开发区域对应，重心分析揭示了绿洲扩张的空间轨迹。（3）植被动态受气候变异和人类活动共同影响；尽管气候在绿洲—荒漠交错带促进植被生长，但灌溉支撑的农业扩张和土地利用变化对植被增加作用更关键，裸地转为农田和草地显著推动绿洲扩张，评估干旱区植被动态需同时考虑气候与人类活动。