青海省主要類型天然草地EVI動(dòng)態(tài)變化

陳 鐘,馮琦勝,黃曉東,梁天剛

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 農(nóng)業(yè)部草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730020）

①增強(qiáng)型植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index,EVI）數(shù)據(jù)是搭載于對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（Earth Observing Satellites,EOS）系列上的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spect roradiometer,MODIS）的主要陸地產(chǎn)品之一。在歸一化植被指數(shù)（Normal Different Vegetation Index,NDVI）的基礎(chǔ)上,1988年Huete[1]提出抗土壤植被指數(shù)（Soil Adjusted Vegetation Index,SAVI）,1992年 Kaufman和Tanre[2]提出大氣抵抗植被指數(shù)（Atmospherically Resistant Vegetation Index,ARVI）,1995年Liu和Huete[3]成功引入反饋項(xiàng),同時(shí)對(duì)大氣和土壤因素進(jìn)行訂正,提出EVI,其計(jì)算公式為：

式中 ,ρNIR、ρRed和 ρBlue分別為近紅外、紅光和藍(lán)光波段的表觀反射率或者方向反射率,L為土壤調(diào)節(jié)參數(shù),C1和C2是大氣調(diào)節(jié)參數(shù),G為增益系數(shù)。在EVI計(jì)算中,通常取L=1,C1=6,C2=7.5,G=2.5[4]。

相對(duì)于NDVI,EVI在大氣校正、土壤噪音消除等方面有了明顯改善,提高了對(duì)高生物量區(qū)的敏感度,高覆蓋區(qū)不易飽和[5],季節(jié)變化明顯[6],但也有人認(rèn)為在藏北高原NDVI較EVI能有效地估算草地地上生物量和綠色干物質(zhì)獲得量[7]?；贓VI的草地研究日趨成熟,目前主要用于與地面數(shù)據(jù)結(jié)合建立生物量估測(cè)模型；與水、熱、土壤等因素結(jié)合分析草地時(shí)空變化；草地病蟲害、火災(zāi)、旱災(zāi)監(jiān)測(cè)等方面。Yang等[8]利用EVI與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)青藏高原草地地上生物量及其空間格局的研究表明,降水和土壤結(jié)構(gòu)共同影響著高海拔地區(qū)的植物生長(zhǎng)。陶偉國(guó)等[9]將草地利用狀況作為虛擬變量引入遙感估產(chǎn)模型,精度達(dá)79%。黃曉東等[10]、李霞等[12]發(fā)現(xiàn),植被指數(shù)與水、熱的相關(guān)關(guān)系和植被生長(zhǎng)狀況成正比。趙偉和李召良[12]利用HANTS變換算法對(duì)EVI數(shù)據(jù)進(jìn)行去云處理和插值,得到更為精確的EVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。但對(duì)于EVI在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化情況,還鮮有報(bào)道[13]。研究使用2002—2008年EVI數(shù)據(jù)和波動(dòng)系數(shù),對(duì)青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類草地植被指數(shù)的季節(jié),年變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行了初步探討,以期為更深入地利用EVI研究草地狀況提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青海省古稱西海、鮮水海、卑禾羌海,自十六國(guó)時(shí)期始稱青海。藏語稱錯(cuò)溫波,蒙古語稱庫庫諾爾,均意為青色的湖。位于我國(guó)西北地區(qū),地處青藏高原東北部,89°35′～ 103°04′E,31°39′～39°19′N,面積 70.82 萬 km2,毗鄰甘肅 、四川 、西藏、新疆。全省地貌復(fù)雜多樣,80%以上的地區(qū)為高原,平均海拔3 000 m以上。地形分為祁連山地,青海湖盆地、西寧盆地、柴達(dá)木盆地及青南高原三大自然區(qū)域。境內(nèi)祁連山、巴顏喀拉山、阿尼瑪卿山、唐古拉山等山脈橫亙,青海湖是我國(guó)最大的內(nèi)陸咸水湖。氣候?qū)俚湫偷母咴箨憵夂?干燥、少雨、多風(fēng)、缺氧、寒冷,地區(qū)間差異大,垂直變化明顯。年平均氣溫-4.7～9.4℃,年降水量17.2～745.9 mm,年日照時(shí)數(shù) 2 255～3 183 h[14],利于草類植物[15]的生長(zhǎng)。青海是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江等大河的發(fā)源地,主要居住有漢、藏、回、蒙古、哈薩克等民族,少數(shù)民族人口約占總?cè)丝诘?9%。經(jīng)濟(jì)以農(nóng)牧業(yè)為主,全省天然草地面積3 636.97萬hm2,占全省土地面積的51.36%,位居全國(guó)第 4,天然草地中可利用草地面積達(dá)3 153.07萬hm2,理論載畜量2 870.01萬只羊/a[16]。高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類的草地面積之和占青海省天然草地總面積的85.64%（表1）,是青海省的主要草地類型。

表1 青海省各類草地面積及載畜能力[16]

2 材料與方法

2.1MODIS數(shù)據(jù)MODIS EVI數(shù)據(jù)是空間分辨率為 1 km的每月最大 EVI圖像,來自NASA/MODIS陸地產(chǎn)品組按照統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)下載自https：//wist.echo.nasa.gov,空間位置在全球正弦曲線投影（Sinusoidal projection,SIN）系統(tǒng)中的編號(hào)為h25v05和h26v05,格式為EOS-HDF,時(shí)間序列為2002年1月至2008年12月,共計(jì)84個(gè)時(shí)相168幅 EVI圖像,值域范圍-2 000～10 000。

2.2MODIS數(shù)據(jù)處理MODIS數(shù)據(jù)的處理方法主要包括：1）轉(zhuǎn)換投影和圖像格式,地圖拼接。利用MODIS Reprojection Tools將下載數(shù)據(jù)由HDF轉(zhuǎn)為TIF格式,地圖投影由SIN轉(zhuǎn)換為WGS84/Geographic,并完成圖像的空間拼接。2）提取植被指數(shù)。利用ArcMap的Conversion Tools模塊將圖像轉(zhuǎn)為Grid格式,使用Spatial Analyst Tool模塊進(jìn)行歸一化處理,利用Data Management Tool模塊將投影轉(zhuǎn)為Krasovsky_1940_Albers,同時(shí)進(jìn)行重采樣,像元大小為1 000 m,在青海省草地類型圖上針對(duì)高寒草甸、高寒草原、溫性草原3類草地隨機(jī)選取74個(gè)樣點(diǎn),生成Grid格式的點(diǎn)文件,使用Spatial Analyst Tools模塊提取對(duì)應(yīng)的EVI值。3）計(jì)算相同草地類型2002年1月至2008年12月采樣點(diǎn)EVI的逐月值、平均值、年最大值、逐月波動(dòng)系數(shù)（Cv）。Cv計(jì)算公式為：

式中,n為樣點(diǎn)數(shù),xi是每個(gè)樣點(diǎn)的EVI值,表示相同草地類型所有采樣點(diǎn)的EVI逐月平均值。

3 不同類型草地EVI月變化動(dòng)態(tài)

3.1 高寒草甸類主要分布在青南高原、祁連山地、青海湖環(huán)湖等地,海拔 3 000～4 800 m,是青海省面積最大的草地類。主要為典型高寒草甸亞類、沼澤化高寒草甸亞類和鹽化高寒草甸亞類。典型高寒草甸亞類以高山早熟禾Poa alpina、高山嵩草Kobresia pygmaea、矮生嵩草K.humilis、線葉嵩草K.capillif olia、北方嵩草K.bellardii、禾葉嵩草K.gramini folia、大花嵩草K.macrantha、黑褐苔草Carex atrof usca、圓穗蓼Polygonum macrophyllum、珠芽蓼P.vivipa-rum等為優(yōu)勢(shì)種,也有與高山柳Sali x taiwanalpina、金露梅Potentilla f ruticosa、杜鵑Rhododendron simsii等組成具灌叢景觀的高寒草甸；沼澤化高寒草甸亞類以西藏嵩草K.tibetica、藏北嵩草K.littledalei、甘肅嵩草K.kansuensis、華扁穗草Blysmus sinocompressus等為優(yōu)勢(shì)種；沼澤化高寒草甸亞類主要以裸花堿茅Puccinellia nudi f lora等為優(yōu)勢(shì)種。草群蓋度60%～90%,草層高度10～25 cm,鮮草產(chǎn)量2 955.30 kg/hm2[17],載畜能力0.98 hm2/（a·羊單位）（表1）。

青海省高寒草甸類EVI月動(dòng)態(tài)如圖1所示。EVI為0.077 8～0.429 1。峰值出現(xiàn)在8月,5月草類植物返青,EVI月平均值由0.130 3增至0.178 2,此后進(jìn)入快速生長(zhǎng)期,6月至9月為盛草期,EVI同月平均值在0.308 6以上,9月至11月草類植物逐漸枯黃,EVI同月平均值降至0.119 1,之后進(jìn)入休眠期。

高寒草甸類EVI波動(dòng)系數(shù)月動(dòng)態(tài)如圖2所示。Cv為6.80%～66.25%；5月達(dá)到峰值,同月平均值31.36%,5月至10月總體偏高,同月平均值在23.10%以上,說明高寒草甸類植物在該時(shí)段各地生長(zhǎng)情況不盡相同,差異性明顯；1月至4月、11月、12月趨于穩(wěn)定,平均值在 14.64%以下,12月最低,為11.11%,說明此時(shí)段不同地域高寒草甸的長(zhǎng)勢(shì)趨同。高寒草甸類是3種草地類中同時(shí)段長(zhǎng)勢(shì)差異最小的類型。

圖1 高寒草甸類EVI月動(dòng)態(tài)

圖2 高寒草甸類EVI波動(dòng)系數(shù)月動(dòng)態(tài)

3.2高寒草原類主要分布于青南高原西部、北部,昆侖山內(nèi)部山地及祁連山西段高山帶。以紫花針茅Stipa purpurea、青藏苔草C.moorcrof tii等為優(yōu)勢(shì)種,常見伴生種有早熟禾Poaspp.、苔草Carexspp.等,草群蓋度 30%～50%,草層高度10～30 cm,鮮草產(chǎn)量1 321.95 kg/hm2[17],載畜能力3.44 hm2/（a·羊單位）。

青海省高寒草原類EVI月動(dòng)態(tài)見圖3。EVI為0.070 6～0.217 9。同高寒草甸類EVI的月動(dòng)態(tài)類似,5-10月植物長(zhǎng)勢(shì)旺盛,EVI變化明顯,同月平均值在 0.108 1以上,8月最高,為0.209 1,其余各月趨于穩(wěn)定,變化范圍0.087 3～0.090 7。

高寒草原類EVI波動(dòng)系數(shù)月動(dòng)態(tài)如圖4所示。Cv為16.44%～66.76%。5月至10月總體偏高,同月平均值在35.94%以上,8月達(dá)到峰值,為57.27%,此時(shí)植物生長(zhǎng)差異性最大；1月至4月、11、12月較低,平均值在25.53%以下,3月最低,為 21.09%。

3.3 溫性草原類主要分布在祁連山地、共和盆地、青海湖盆地和柴達(dá)木盆地東部一帶,海拔2 800～3 500 m。以平原丘陵草原亞類、山地草原亞類為主。西北針茅S.sareptanavar.krylovii、芨芨草Achnatherum splendens、青海固沙草Orinus kokonorica、冰草Agropyron cristatum等為優(yōu)勢(shì)種,伴生有草地早熟禾P.pratensis、冷蒿Artemisia f rigida、賴草Leymus secalinus、苔草、錦雞兒Caraganasp.等。草群蓋度30%～65%,草層高度 15～50 cm,平均鮮草產(chǎn)量2 118.68 kg/hm2[16],載畜能力1.48 hm2/（a·羊單位）。

圖3 高寒草原類EVI月動(dòng)態(tài)

圖4 高寒草原類EVI波動(dòng)系數(shù)月動(dòng)態(tài)

圖5 溫性草原類EVI月動(dòng)態(tài)

青海省溫性草原類EVI月動(dòng)態(tài)如圖5所示。EVI為0.078 8～0.240 2。5月至10月變化明顯,EVI 5月平均值在0.131 2以上,7月最高,為0.224 2,1月至 4月、11月、12月為 0.085 7～0.099 1。

溫性草原類EVI波動(dòng)系數(shù)月動(dòng)態(tài)如圖6所示。Cv為19.42%～72.48%。5月至 10月,同月平均值在30.74%以上,5月即達(dá)到峰值61.00%,此時(shí)植物生長(zhǎng)差異性最大,此后逐漸降低；1月至 4月、11月、12月同月平均值在28.54%以下,12月最低,為21.75%。

4 不同類型草地EVI年變化動(dòng)態(tài)

圖6 溫性草原類EVI波動(dòng)月動(dòng)態(tài)

圖7 青海省3種草地類型EVI年動(dòng)態(tài)

圖8 青海省3種草地類型EVI年最大值

青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類EVI年動(dòng)態(tài)見圖7。3種草地類EVI值都具有波峰波谷相間連續(xù)變化的特點(diǎn)。高寒草甸類在整個(gè)生長(zhǎng)季EVI值明顯高于另外2種草地類,呈陡升陡降；其他時(shí)間差值較?。蛔畲笾?.429 1出現(xiàn)在2004年8月,最小值0.077 8為2008年11月。高寒草原類在生長(zhǎng)季EVI值略低于溫性草原類,且盛草期往往較溫性草原推后1個(gè)月；其他時(shí)間二者變化趨同。高寒草原類最大值0.279 1出現(xiàn)在2007年8月,最小值0.070 6為2008年11月。溫性草原類最大值為0.240 2,出現(xiàn)在2002年7月,最小值0.078 8為 2002年1月。2002—2008年,青海省高寒草甸類 EVI年最大值介于0.382 6～0.429 1,其最大值出現(xiàn)在 2004年,2008年EVI值最?。桓吆菰怑VI年最大值介于0.202 4～0.217 9,其最大值出現(xiàn)在 2007年,2004年EVI值最??；溫性草原類EVI年最大值介于0.210 8～0.240 2,其最大值出現(xiàn)在2002年,2003年EVI值最?。▓D8）。由圖7和圖8得出,青海省高寒草原類和溫性草原類的EVI值比較接近,高寒草甸類EVI遠(yuǎn)高于高寒草原類和溫性草原類的值；2003年和2008年高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類草地EVI值總體較低。

5 結(jié)論

5.1青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類3種天然草地類型EVI月最大值可以較好地反映草地生長(zhǎng)狀況及其月度變化過程,具有與草地生長(zhǎng)變化較高的一致性。3種草地EVI都不同程度地反映出月度、季節(jié)差異,以高寒草甸類最為突出,變化差值達(dá)到0.35,其余依次為高寒草原、溫性草原,差值分別為0.16和0.04。溫性草原類差異最小,與EVI對(duì)低生物量的敏感性差于對(duì)高生物量的有關(guān)。而且生物量越高,其月度、季節(jié)變化的周期性越明顯,周期變化越完整。

5.2不同草地類型EVI年最大值變化趨勢(shì)各異。高寒草甸類年最大值在2004年,最小值在2008年；高寒草原類最大值在2007年,最小值在2004年；溫性草原類最大值在2003年,最小值在2002年。這種差異與氣候、土壤、草地組成等因素的綜合作用相關(guān)。

5.3同一草地類型內(nèi)部,不同位置在同一時(shí)段的生長(zhǎng)是有差異的。溫性草原類差異最大,高寒草甸類差異最小。不同草地類型在同一時(shí)段的差異不盡相同。青海省高寒草甸類、溫性草原類在5月達(dá)到峰值,高寒草原類在6月達(dá)到峰值。

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