基于遥感监测的天山新疆段草...空特征及其与气候因子的关系_阿卜杜热合曼·吾斯曼.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0442阿卜杜热合曼吾斯曼，玉素甫江如素力，张发，茹克亚萨吾提，张旭辉.基于遥感监测的天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系.草业科学,2023,40(7):1779-1792.AbudurehemanWusiman,YusufujiangRusuli,ZHANG F,RukeyaSawuti,ZHANG X H.Temporal and spatial characteristics ofgrasslanddegradationinXinjiangSectionofTianshanMountainsbasedonremotesensingmonitoringanditsrelationshipwithclimatefactors.PrataculturalScience,2023,40(7):1779-1792.基于遥感监测的天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系阿卜杜热合曼吾斯曼1，玉素甫江如素力1,2，张发1，茹克亚萨吾提1,2，张旭辉1（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆乌鲁木齐830054；2.新疆干旱湖泊环境与资源实验室,新疆乌鲁木齐830054）摘要：以植被覆盖度作为草地退化的遥感监测指标，基于 20012020 年天山新疆段 MODISNDVI 和气象遥感资料，采用像元二分模型、草地退化指数、冷/热点分析、变异系数和相关性分析等方法，分析草地退化时空特征及其与气候因子的关系，结果表明：1)20012020 年平均草地退化面积占总面积的 34.04%，草地退化指数为 1.67，处于轻度退化水平。2)空间上，轻度退化草地空间分异特征明显，主要集中分布在天山西部和中段山区，中度退化和重度退化草地面积较小且不集中，95%以上的区域草地植被覆盖度变异系数小于 0.2，总体上覆盖度的年际波动小，变化相对稳定。3)20012020 年草地植被覆盖度受气候因子驱动的区域占总面积的 44.23%，主要分布在天山西部和东部，受非气候因子驱动的区域占总面积的 55.77%，在山区和南北两侧地势较平缓的区域均有分布，说明非气候因子在天山新疆段草地的变化中起到主导作用。该研究结论可为当地草地资源保护与利用提供科学依据。关键词：草地退化；植被覆盖度；像元二分模型；草地退化指数；冷/热点分析；变异系数；天山新疆段文献标识码：A文章编号：1001-0629(2023)07-1779-14Temporal and spatial characteristics of grassland degradation in Xinjiang Section of TianshanMountains based on remote sensing monitoring and its relationship with climate factorsAbudurehemanWusiman1,YusufujiangRusuli1,2,ZHANGFa1,RukeyaSawuti1,2,ZHANGXuhui1(1.SchoolofGeographicScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,Xinjiang,China;2.LaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridRegionofXinjiang,Urumqi830054,Xinjiang,China)Abstract:GrasslandplaysanimportantroleinenvironmentalprotectioninXinjiang.UnderstandingthetemporalandspatialcharacteristicsofgrasslanddegradationandrevealingthedegradationmechanismwouldbebeneficialforpromotingandconstructingtheecologicalcivilizationofXinjiang.MODISNDVIdataandremotesensingdataoftheXinjiangsectionofthe Tianshan Mountains from 2001 to 2020 were used to analyze the relationship between the temporal and spatialcharacteristicsofgrasslanddegradationandclimatefactors.Vegetationcoveragewasusedastheremotesensingmonitoringindexfordetectinggrasslanddegradation,andanalyseswereconductedusingmethodssuchasthedimidiatepixelmodel(DPM),grasslanddegradationindex(GDI),cold/hotspotanalysismethod,coefficientofvariation(COV),andcorrelation收稿日期：2022-05-27接受日期：2023-02-23基金项目：国家自然科学基金 NSFC联合基金项目“变化环境下干旱区湖泊流域水生态经济复合系统的协同进化与发展模式研究”(U1703341)第一作者：阿卜杜热合曼吾斯曼(1997-)，男(维吾尔族)，新疆于田人，在读硕士生，研究方向为资源环境遥感。E-mail:通信作者：玉素甫江如素力(1975-)，男(维吾尔族)，新疆喀什人，教授，博士，研究方向为流域水文与生态遥感。E-mail:Y第40卷第7期草业科学1779-1792Vol.40,No.7PRATACULTURALSCIENCE7/2023http:/analyses.Theresultsshowedthefollowing:1)Theaverageareaofdegradedgrasslandwas34.04%ofthetotalareafrom2001to2020,andthiswascategorizedasbeinglightlydegraded(withaGDIof1.67).2)Slightly-degradedgrasslandhadobvious spatial differentiation characteristics,and they were mainly distributed in the western and central areas of theTianshanMountains.Areasofmoderatelyandheavilydegradedgrasslandsweresmallandnotconcentratedinaparticularregion.Morethan95%oftheregionalgrasslandvegetationcoveragehadaCOVoflessthan0.2.Thevariationinoverallcoveragewasrelativelysteady,withasmallinter-annualfluctuation.3)From2001to2020,theareasofgrasslandvegetationcoverageaffectedbyclimatefactorsaccountedfor44.23%ofthetotalareaandweremainlydistributedinthewestandeastoftheTianshanMountains.Areasofgrasslandvegetationcoveragedrivenbynon-climaticfactorsaccountedfor55.77%ofthetotalarea,andtheseweredistributedonrelativelyflatterraininthecentral,northern,andsouthernsectionsoftheTianshanMountains.Theresultsshowthatnon-climatefactorsplayaleadingroleingrasslandchangeswithintheXinjiangsectionoftheTianshanMountains,andtheyprovideascientificbasisforplanningtheprotectionandutilizationoflocalgrasslandresources.Keywords:grasslanddegradation;fractionalvegetationcover;dimidiatepixelmodel;grasslanddegradationindex;cold/hotspotanalysis;coefficientofvariation;XinjiangSectionofTianshanMountainsCorresponding author:YusufujiangRusuliE-mail:Y草地是面积最大的陆地生态系统，在经济、生态和文化等多方面具有极其重要的功能1。但草地极其脆弱且敏感，容易受到周围环境的干扰2。最新的研究表明，随着全球气候变化与社会经济发展，草地退化现象逐渐成为当今世界诸多突出的生态危机之一3。自 2000 年我国启动“退牧还草”和“退耕还林”等一系列重大生态工程以来，已有大量关于草地生态恢复的研究，也提出了众多技术措施，但针对性的和因地制宜的退化草地综合治理仍是当前亟待解决的重大难题和艰巨任务4。目前草地退化通用的定义是指气候或人为干扰超出草地生态系统本身的自我调节阈值，使其难以恢复并出现逆向演替变化的现象5。在地表植被层面，遥感技术能够长时间并在大空间尺度上捕捉到植被覆盖度、高度和生产力等重要信息，为草地退化过程的动态监测和重要评价指标确定提供了方便6-7。Osvaldo 等8利用 MODISNDVI 时间序列遥感数据、社会经济和降水量等分析了巴西塞拉多草原退化，发现随着降水量的减少，经济较贫穷的区域 牧 场 退 化 程 度 提 升；韦 惠 兰 和 祁 应 军9用MODIS-EVI 数据从草地植被动态来反演玛曲县草地退化时空格局，并选取人口密度、联户比例、草地经营面积、牲畜密度和养羊比容等人类因素分析草地植被退化的影响；张艳珍等10利用 NDVI 数据反演植被覆盖度，以覆盖度为参考退化指标，定量评估了内蒙古高原草地退化状况，发现 20002013 年间退化状况好转；邵景安等11基于 Landsat 系列卫星遥感影像数据，对青海三江源草地退化程度进行分析，发现退化程度呈东南向西北降低格局。基于以上研究，运用遥感监测和分析草地退化时空分布规律已成为当前的主流12。但目前基于遥感对草地退化的研究大多主要集中在青藏高原和内蒙古草原，针对整个天山新疆段及其南北麓草地退化时空格局变化的研究相对较少，并且结合长时间序列时空遥感数据对新疆退化草地的时空分布格局、变化趋势、未来预测、人为干扰以及气候对草地退化的影响研究还比较缺乏。草地作为天山生态系统的主题，在新疆生态文明建设中扮演着重要的角色13。目前，由于气候变化和人为干扰，天山南北部分区域草地已由传统草地向农业和工业等其他用地转变，草地退化问题越发突出，对新疆生态安全和社会经济可持续发展造成威胁14。据此，本研究针对天山新疆段草地退化问题，选用 20012020 年 MODISNDVI 遥感数据反演植被覆盖度(fractionalvegetationcover，FVC)，以草地植被覆盖度变化视觉来分析草地退化时空分布格局，采用草地退化指数(grasslanddegradationindex，GDI)和冷/热点分析法分析草地退化程度与时空分布，然后利用变异系数和相关性分析综合探究草地植被覆盖度的变化特征及其与气候因子的关系，旨在为天山草地资源保护和利用提供数据参考。1780草业科学第40卷http:/ 1 数据与研究方法 1.1 研究区概况天山新疆段(76369440E，40104542N)，地处新疆准噶尔盆地南部和塔里木盆地北部之间，东部哈密市到西部伊犁河谷，天山横贯新疆中部，将新疆分为南疆和北疆。天山主要地貌类型有天山山地、山地冰川、冲积扇、沙丘以及南北山麓两侧的部分绿洲平原等。天山山脉平均海拔4000m，气候属于温带大陆性气候，降水量少、气候干旱、日照时间长，昼夜温差大，年均天然降水量少于 180mm，年均气温 911。天山草地的垂直地带性发育较完整，从周围海拔较低的绿洲地区到中段高海拔山区分布的天然草地植被类型有温性荒漠、荒漠草原、温性草原、草甸草原、山地草甸和高寒草甸。天山是新疆重要的畜牧业发展基地。另外，与南坡相比，天山北坡的降水量较丰富、植被覆盖质量高，而且人口多，社会经济发展相对较好15-16。1.2 数据来源1)野外调查数据：2022 年 7 月 26 日至 8 月 4 日分别在地处天山北坡伊犁哈萨克自治州和南坡巴音郭楞蒙古自治州境内开展草地植被信息的野外调查采集，总共获取了 35 个样地数据(图 1)。在实地观测中，首先每一个样地的大小尽量保证为 250m250m，利用 GARMIN 手持 GPS 定位器对每一个样地中心点进行定位，然后在各样地内选择地势平坦的区域布设 23 个 1m1m 的小样方，通过目估法获得小样方的植被覆盖度，最后计算各样方覆盖度的平均值，用平均值来代替该样地的实际植被覆盖度。4445 N4200 N3915 N4445 N4200 N3915 N7845 E审图号:GS(2019)1822样地 Samples海拔 Altitude/m High:6 440低 Low:760125250500 km行政区界线Administrative boundaries8230 E8615 E9000 E9345 E7845 E8230 E8615 E9000 E9345 EN省会 Provincial capital国界 National boundary研究区 Study area图 1 研究区示意图Figure 1 Location of study area2)遥感数据：2001 年 1 月至 2020 年 12 月的遥感 NDVI 月合成数据集来源于 NASA 地球观测系统中心发布的 MOD13Q1 产品，空间分辨率为 250m，时间分辨率为 16d，对数据进行最大值合成处理后得到逐年 NDVI 数据集；20012020 年月尺度的降水量和平均气温数据来源于国家科技基础条件平台国家地球系统科学数据中心，该数据空间分辨率为 0.008333(约为 1km)，该数据已用独立气象观测点数据进行验证，验证结果可信。本研究利用GIS 技术做影像合成处理得到年降水量和年平均气温影像，并且为了保证空间分辨率的统一，对 MODIS数据做重采样处理，使之各像元大小与降水量与气温影像保持一致。3)其 他 数 据：数 字 高 程 模 型(digitalelevationmodel，DEM)数据来源于地理空间数据云平台(http:/)，空间分辨率为 30m；矢量数据来自全国地理信息资源目录服务系统提供的11000000公众版的基础地理信息数据；土地利用数据来自MODISLandCoverMCD12Q 地覆盖数据集，作为提取研究区草地矢量边界的参考。第7期阿卜杜热合曼吾斯曼等：基于遥感监测的天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系1781http:/ 1.3 研究方法1.3.1 草地植被覆盖度遥感反演与精度验证本研究基于像元二分模型17，利用 NDVI(其取值介于11，01 之间表示有植被覆盖并且值越大覆盖度就越大)估算研究区草地植被覆盖度，并且选用决定系数(R2)和均方根误差(rootmeansquareerror，RMSE)对模型估算结果与实地观测得到的 FVC 值进行精度评价。像元二分模型的计算公式如下：FVC=NDVINDVISoilNDVIVegNDVISoil。(1)式中：FVC 表示草地植被覆盖度，其取值范围为(01)之间，NDVISoil表示影像中纯裸地覆盖像元的 NDVI 值，NDVIVeg表示影像中纯植被覆盖像元的 NDVI 值18。参考前人的研究19，本研究选取研究区 NDVI 直方图中 5%和 95%的值代表 NDVISoil和 NDVIVeg值。1.3.2 草地退化等级依据 2003 年国家颁布的天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标(GB193772003)20，为保证数据的全覆盖性，提高与研究时段内统计数据的可靠性和对比性，选取 20 世纪 90 年代相同监测区的最大草地植被覆盖度作为“基准”，将研究区草地退化划分为 4 个等级，具体划分方法如表 121所列。1.3.3 草地退化指数在上述草地退化等级划分的基础上，用草地退化指数(GDI)22来评价研究区草地退化状况，其计算公式为：GDI=(4i=1Ai Bi)/B。(2)式中：GDI 为草地退化指数；Ai为草地退化等级为i 的评分；Bi为草地退化等级为 i 的分布面积；B 为研究区草地总面积。根据前人的研究23，当 GDI1、1GDI2、23 时，草地退化水平分别表示未退化、轻度退化、中度退化和重度退化，综合分析研究区草地退化程度。1.3.4 冷/热点分析通过冷/热点分析法能够更加直观地显示草地退化空间分异特征24。本研究利用 Getis-OrdGi*来识别退化草地高值(热点)和低值(冷点)的空间聚类，依据 Z 值进行归一化分级处理，进一步分析天山新疆段退化空间演变格局。冷/热点分析法计算公式如下：Gi=nj=1Wi,jXnj=1Wi,jS|nj=1W2i,j(nj=1Wi,j)2n1；(3)X=nj=iXjn；(4)S=|nj=iX2inX2。(5)X式中：Xj是像元 j 的草地退化代码，Wi,j为像元 i 和j 之间以距离规则定义的空间权重，同样空间范围相邻则为 1，不相邻则为 0；为 20012020 年草地植被覆盖度平均值，n 为像元总数；Gi*统计的是Z 的得分和 P 值，两者均为统计显著性的度量，用于逐要素判断是否拒绝零假设，Z 得分越低，表示低值(冷点)像元就越聚集，相反，则表示热值像元越聚集，当 Z 值得分接近于 0 时，表示像元不存在明显的空间聚类25。1.3.5 变异系数通过变异系数分析能够看出研究区植被覆盖度的波动程度，变异系数越小，表明变化幅度越小，意味着草地植被越稳定26，其计算公式如下：c=1d|ni=1(did)2n1。(6)式中：c 表示变异系数，di为第 i 年的草地植被覆盖度，d 为 20012020 年草地植被覆盖度均值，n 为年数，即 n 等于 20 年。1.3.6 相关性分析分析不同地理要素之间相互联系且彼此产生影响，因此某个要素的变化往往是由多个要素复合作用所引起的，利用相关性分析可以反映出不同要素之间的复合作用关系27，本研究选用基于像元尺度的偏相关和复相关方法分析草地 FVC 变化与降水量、气温之间的关系，首先要计算相关性系数，其1782草业科学第40卷http:/计算公式为：Rxy=ni=1(xix)(yiy)ni=1(xix)2ni=1(yiy)2。(7)xy式中：Rx,y为两个变量的相关性系数，xi、yi分别为x 和 y 两个变量第 i 年的值，n 为年数，、分别为x 和 y 两个变量的平均值。利用相关性系数进一步计算偏相关性，其公式为：Rxy,z=RxyRxzRyz(1R2xz)(1R2yz)。(8)式中：Rxy,z表示将自变量 z 固定之后，因变量 x 和自变量 y 之间的偏相关性系数，本研究通过 t 检验法对偏相关性系数的显著性进行检验：t=Rxy,z1Rxy,z2nm1。(9)式中：n 表示年数，m 为自变量个数，为了更好地反演各要素之间的综合作用关系，在偏相关的基础之上做复相关性分析，并用 F 检验法对其进行显著性检验，其公式为：Rx,yz=1(1R2xy)(1R2xz,y)；(10)x=Rx,yz21Rx,yz2nk1k。(11)式中：Rx,yz表示因变量 x 和自变量 y、z 之间的复相关系数，Rxy表示变量 x 与变量 y 之间的相关性系数，Rxz,y为固定自变量 y 之后因变量 x 与自变量z 的偏相关性系数，n、m 分别表示年数和自变量个数。2 结果与分析 2.1 精度验证选择研究区与野外观测时间相近时期的 MODIS遥感数据，利用像元二分模型估算得到植被覆盖度，通过野外观测的样地中心点坐标，提取对应点的遥感反演 FVC 值，与实测值进行对比验证(图 2)。结果显示，R2为 0.74，RMSE 为 0.15，虽然实际 FVC 值与遥感反演的得到 FVC 值之间存在一定的误差，但总体上两者具有较好的一致性，并且精度相对较好，因此基于 MODISNDVI 遥感影像数据，采用像元二分模型估算得到的 FVC 来分析天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系是可行的。y=0.781 1x 0.017R2=0.74RMSE=0.150.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0反演值Simulated value实测值 Measured value图 2 草地植被覆盖度实测值与模型反演值的关系Figure 2 Relationships between simulated andmeasured of FVC 2.2 草地退化时空演变特征2.2.1 天山新疆段草地退化时空分布特征分析首先，利用 GIS 技术计算得到 20012020 年天山南北山麓草地植被覆盖度，然后依据草地退化等级划分标准(表 1)，利用植被覆盖特征相对于 20 世纪 90 年代的变化程度来度量草地退化状况。表 1 草地退化等级划分方法与评分Table 1 Grassland degradation grade and classification standard退化等级Degradationgrade草地退化等级划分标准Grasslanddegradationclassificationstandard等级评分Graderating未退化Undegradedgrassland植被覆盖度达到未退化草地植被覆盖度的80%以上Grasslandvegetationcoverreachesmorethan80%oftheundegraded.1轻度退化Lightlydegradedgrassland植被覆盖度达到未退化草地植被覆盖度的65%80%Grasslandvegetationcoverreachesmorethan65%80%oftheundegraded.2中度退化Moderatelydegradedgrassland植被覆盖度达到未退化草地植被覆盖度的40%65%Grasslandvegetationcoverreachesmorethan40%65%oftheundegraded.3重度退化Seriouslydegradedgrassland植被覆盖度达到未退化草地植被覆盖度的40%以下Grasslandvegetationcoverreachesmorethan40%oftheundegraded.4第7期阿卜杜热合曼吾斯曼等：基于遥感监测的天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系1783http:/从时间变化特征来看(图 3)，20012020 研究区平均退化草地面积约为 8.6106hm2，占草地总面积的 34.04%，其中轻度退化比例最高，占 31.43%，未退化草地面积占总草地面积的 65.96%。研究时段内，不同等级退化草地面积随时间呈波浪形变化，其中未退化草地的面积年际波动差异最明显，总体上呈现增加的变化趋势；轻度退化草地面积比例介于 29%41%，总体呈下降趋势；中度退化和重度退化草地面积比例均小于总面积的 20%，2001 年其占总面积的 8.5%和 0.5%，到 2020 年其面积分别为 7%和 7.35%，其中重度退化草地面积存在略有上升趋势。从不同区域来看(图 4)，20012020 年研究区草地退化状况存在明显的空间分布差异，各时期退化草地主要集中在天山中部和西部；20012005 年未退化和轻度退化草地在空间上相间分布；20062015 年在巴州和伊犁地区轻度退化与中度退化草地分布相对较集中；20162020 年轻度退化和中度退化草地面积在巴州地区逐渐减少，但在伊犁地区0102030405060702001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 化面积比例Proportion of degraded area/%年份 Year未 化 Un-degraded 度 化 Lightly degraded中度 化 Moderately degraded 度 化 Seriously degraded 势 Slope图 3 20012020 年草地退化面积比例Figure 3 Proportion of degraded grassland areas from 2001 to 20204445 N4200 N7845 E20012005审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N4445 N4200 N7845 E20012020审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20112015审图号:GS(2019)18220500 kmN4445 N4200 N7845 E20062010审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20162020审图号:GS(2019)18220500 kmN7845 E8230 E8615 E9000 E9345 E未 化Undegraded grassland中度 化Moderately degraded grassland 度 化Lightly degraded grassland 度 化Seriously degraded grassland图 4 20012020 年草地退化等级图Figure 4 Maps of grassland degradation categories from 2001 to 20201784草业科学第40卷http:/占据了很大的范围，使之成为退化草地主体分布区。总而言之，20012020 年天山新疆段退化草地空间面积先增加后逐渐减少，在空间上表现出草地退化由东部逐渐向西部扩张的变化特征。2.2.2 研究区草地退化指数变化趋势分析草地退化指数越大，退化程度就越高。20012020 年研究区草地退化指数有年际浮动，但变化趋势不明显，GDI 平均值约为 1.67，整体上处于轻度退化水平(图 5)。从分时段情况来看，研究区 GDI从 20012005 年间的 1.62 上升到 20062010 年间的 1.7，在 20102015 年间 GDI 为 1.68，20162020年间下降至 1.62，总体上 GDI 存在先增加后减少的势态，但变化幅度较低，这表明研究时段内天山新疆段退化草地年际变化较小，退化面积没有表现出明显的差异。2.2.3 退化草地冷/热点分布格局分析利用冷/热点分析法进一步分析退化草地的空间变化格局28。根据表 1 中的 4 个等级评分代码，利用冷/热点分析法得到天山新疆段 20012020 年间退化草地空间分异特征(图 6)，可以看出，各时期“冷点”与“热点”在空间上聚类特征明显，其中极冷(Z2.58)的空间覆盖所占的比例较大，“冷点”主要与退化草地的分布区重叠，“热点”主要与未退化草地的分布区重叠。20012005 年极冷区域(Z2.58)占总草地面积的45.43%，极冷区由轻度退化草地所覆盖的面积可达到 80.23%，主要分布在天山中段和天山西部；极热区内由未退化草地所覆盖面积占据 88.7%，主要分布在天山北部和西南部；聚集性不显著变化的(1.65Z0.05)区域占总草地面积的 22.5%。在20062015 年，极冷区域面积不断增加，聚类性不显著变化(P0.05)区域面积呈现缩小趋势；极冷区轻度退化草地面积比例由 20062010 年的 65.44%增加到 20112015 年的 77.72%，聚类性不显著变化的区域面积减少 7.6%。20162020 年，极冷区和极热区面积比例均呈现减少趋势，不显著变化(P0.05)区域的面积比例增加，在极冷区内轻度退化面积缩小 9.87%，中度退化和重度退化草地面积分别增加 5.45%和 3.28%；在极热区内未退化草地面积减少5.31%；不显著变化(P0.05)区域面积比例由 20112015 年的 8.05%增加到 20162020 年的 15.36%。20012020 年，天山新疆段退化草地呈现出“冷点”减弱与“热点”增强的动态演变，极冷区主要分布在研究区中部和西部，极热区主要分布在北部和西南部；极冷区内 82%以上的面积主要由轻度退化草地所覆盖；极热区面积占总面积的比例为 62.16%，其中未退化草地覆盖面积比例为 88.57%；聚类性不显著变化(P0.05)的区域主要分布在研究区西部和中部，其面积均由未退化和退化草地覆盖面积所组成。总之，通过冷/热点分析法可知，20012020 年天山新疆段未退化草地与轻度退化草地的空间分异性比较明显，其中未退化草地主要分布在天山北部和西南部，轻度退化草地主要集中分布在天山中1.41.51.61.71.81.92.02001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020草地退化指数Grassland degradation index(GDI)年份 YearGDI趋势 Slope(GDI)图 5 20012020 年草地退化指数变化特征Figure 5 Variation characteristics of grassland degradation index from 2001 to 2020第7期阿卜杜热合曼吾斯曼等：基于遥感监测的天山新疆段草地退化时空特征及其与气候因子的关系1785http:/段山区和西部地势相对平缓的区域，但中度退化和重度退化草地面积较小，分布不集中，没有表现出明显的空间分异特征。2.3 天山新疆段草地退化与气候因子的关系分析2.3.1 草地植被覆盖度变异系数时空变化特征分析通过变异系数分析能够了解天山新疆段草地植被覆盖度时空变化特征。基于各时期草地植被覆盖度数据，利用 GIS 技术计算覆盖度变异系数并采用自然间断法将变异系数进行分级，得到不同等级变异系数的时空分布图(图 7)。结果显示，20012020年天山新疆段草地植被覆盖度变异系数相对较小，各不同时期变异系数均小于 0.5。从年际变化特征来看，不同时期 95%以上的区域变异系数均小于4445 N4200 N7845 E20012005审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N4445 N4200 N7845 E20012020审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20112015审图号:GS(2019)18220500 kmN4445 N4200 N7845 E20062010审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20162020审图号:GS(2019)18220500 kmN7845 E8230 E8615 E9000 E9345 EZ 值/Z value2.582.582.581.961.961.651.651.651.651.961.962.58图 6 草地退化冷/热点空间分布Figure 6 Distribution of cold/hot spot areas of degraded grassland4445 N4200 N7845 E20012005审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20112015审图号:GS(2019)18220500 kmN7845 E8230 E8615 E9000 E9345 E4445 N4200 N7845 E20062010审图号:GS(2019)18220500 km8230 E8615 E9000 E9345 EN4445 N4200 N20162020审图号:GS(2019)18220500 kmN7845 E8230 E8615 E9000 E9345 E0.020.020.080.080.20.20.5变异系数 Coefficient of variation图 7 草地植被覆盖度变异系数时空分布Figure 7 Spatial and temporal distribution of variation coefficients of grassland fractional vegetation cover1786草业科学第40卷http:/0.2，变异系数大于 0.2 的区域不超过总面积的 5%；从空间分布特征上，变异系数小的区域主要集中分布在天山中段高海拔山区，在南北两侧地势比较平缓的区域变异系数略高于高海拔山区。总体而言，天山新疆段大部分区域草地植被覆盖度变异系数小于 0.2，说明覆盖度的年际变化较小且相对稳定。2.3.2 草地植被覆盖度与气候因子的关系分析气候变化会影响草地植被的生长状况和时空分布格局，因此研究草地植被覆盖度与气候因素之间的相互关系，有助于更深入了解草地退化动态规律29。本研究以天山新疆段 20012020 年年降水量和平均气温作为自变量，草地植被覆盖度作为因变量，在空间尺度上分析植被覆盖度与气候因子之间的关系。首先，为了定量确定天山新疆段草地FVC 对 降 水 量、气 温 的 响 应，逐 像 元 尺 度 计 算20012020 年 FVC 与降水量、气温之间的偏相关性，其结果如图 8 所示。从图 8 中可以看出，FVC 对气候因子的响应具有一定的差异性，通过偏相关的 t 显著性检验并对面积做进一步统计计算发现，FVC 与降水量呈正相关关系的区域面积比例占总面积的 75.38%，FVC 与气温呈正相关关系的区域面积比例占总面积的69.64%，整体上偏相关性主要表现为不显著正相关(P0.05)。其中，FVC 与降水量呈不显著正相关关系(P0.05)的区域面积占总面积的 58.41%，主要分布在天山西北部，南部以及东部区域；FVC 与气温呈不显著正相关关系(P0.05)的区域面积占总面积的 63.53%，主要分布在北部和天山中段山区；呈负相关关系的区域在空间上没有很明显的分布规律，复相关性主要表现为不显著负相关(P0.05)，在天山中段山区 FVC 与降水量呈负相关关系，在天山西南部和西北部，FVC 与气温呈负相关关系。总而言之，FVC 与降水量、气温主要呈正相关关系，其中 FVC 与降水量呈正相关关系的区域面积更大且相关性更强，这表明与温度相比，