基于MOD IS-NDV I的西藏林芝地區(qū)植被時空變化研究

朱 源,彭光雄,王 志,冉琮千,張振磊,李 丹,劉佳寧,陳寶雄,任青山＊

(1.中國人民大學環(huán)境學院,北京100872;2.中南大學地學與環(huán)境工程學院,湖南長沙410083;3.國家氣象中心,北京100081)

基于MOD IS-NDV I的西藏林芝地區(qū)植被時空變化研究

朱 源1,彭光雄2,王 志3,冉琮千1,張振磊1,李 丹1,劉佳寧1,陳寶雄1,任青山1＊

(1.中國人民大學環(huán)境學院,北京100872;2.中南大學地學與環(huán)境工程學院,湖南長沙410083;3.國家氣象中心,北京100081)

在對西藏林芝地區(qū)進行垂直帶劃分的基礎(chǔ)上,運用MOD IS-NDV I數(shù)據(jù)對2000-2009年四季不同垂直帶的植被演變進行研究。結(jié)果表明:1)不同海拔帶的NDV I年內(nèi)變化特征不同,隨著海拔下降,植被生長旺盛期由秋季變?yōu)槎?2)10年內(nèi),海拔3 000 m以下垂直帶的NDV I平均值除秋季增長外,其它季節(jié)都表現(xiàn)為降低,而海拔3 000 m以上垂直帶植被四季都表現(xiàn)為增長;3)10年來研究區(qū)春季、夏季和冬季低于海拔3 000 m的區(qū)域,植被退化的面積大于趨好的面積,而海拔3 000 m以上區(qū)域,植被趨好的面積大于等于退化的面積,但秋季所有海拔帶中植被趨好的面積都大于退化的面積?？傊?作為低海拔熱帶、亞熱帶和暖溫帶植被與高海拔寒溫帶和寒帶植被分界線的海拔3 000 m,是一條重要的生態(tài)分界線,分界線上下的植被表現(xiàn)出不同的變化趨勢,而氣溫升高是導致植被變化的因素之一,人類活動也有一定的作用。

歸一化植被指數(shù);季節(jié);垂直帶;時空變化

0 引言

植被垂直地帶性是山區(qū)植被類型沿著海拔梯度逐漸變化的自然現(xiàn)象,在我國較為常見。垂直地帶性產(chǎn)生的原因主要是氣候特征隨著海拔而變化,一般在海拔500～1 000 m就會產(chǎn)生明顯的植被類型變化[1]。植被類型不同,不同海拔位置的植被演變特征也會存在差異,要區(qū)分不同海拔帶植被的演變,可通過較高分辨率的遙感數(shù)據(jù)進行研究。在植被監(jiān)測和演變研究中,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋面積大、空間和時間分辨率高、費用低廉等特點,具有獨特的優(yōu)勢,尤其是在人類活動難以到達的地區(qū)。其中,歸一化植被指數(shù)(NDV I)是反映植被狀況的有效參數(shù)之一,已被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋、生物量、初級生產(chǎn)力等方面的研究[2-4]。美國EOS衛(wèi)星的MOD IS數(shù)據(jù)能提供分辨率為250 m的NDV I產(chǎn)品,是進行植被垂直帶演變特征研究的理想數(shù)據(jù)源,在我國得到廣泛應(yīng)用[5-8]。本文在對西藏林芝地區(qū)進行垂直帶劃分的基礎(chǔ)上,運用 MOD IS-NDV I數(shù)據(jù)對研究區(qū)2000-2009年不同季節(jié)、不同海拔的植被演變進行研究,以期了解其時空變化特征,并分析變化原因。

林芝地區(qū)位于我國西藏自治區(qū)東南部(東經(jīng)92°～99°,北緯27°～31°),區(qū)域面積約為11.7萬km2,是我國面積較大且原生林保存較完好的區(qū)域(圖1)。林芝地區(qū)海拔梯度超過7 000 m(約150～7 700 m),主要被喜馬拉雅、念青唐古拉和橫斷三大山脈環(huán)繞,地形復雜,西部、北部和東部海拔較高,中南部的墨脫縣海拔較低(圖1),一些地形復雜的區(qū)域現(xiàn)在人類難以到達,因此遙感技術(shù)對于該地的植被監(jiān)測研究具有獨特優(yōu)勢。根據(jù)林芝(2 992 m)和察隅氣象站(2 328 m)的多年觀測資料,其多年平均溫度分別為8.8°C、12°C,降水量分別為678 mm、788 mm,四季較為分明,雨熱同期,5-9月一般為年內(nèi)氣溫和降水量的最高時期。

圖1 林芝地區(qū)地形特征Fig.1 The topographic feature of Linzhiarea

1 研究方法

1.1 遙感數(shù)據(jù)處理

MOD IS-NDV I數(shù)據(jù)來自美國NASA的MO-D IS/Terra植被指數(shù)產(chǎn)品(http s://w ist.echo.nasa. gov/wist-bin/api/ims.cgi?mode=MA INSRCH&JS= 1),時段為2000年2月至2010年1月,空間分辨率和時間分辨率分別為250 m和16 d,每年共23期數(shù)據(jù),地圖投影格式為 Sinusoidal(正弦曲線投影)。使用 NASA提供的 MRT(MOD IS Rep rojection Tools)工具軟件對下載的影像進行拼接、裁切、格式轉(zhuǎn)化、地圖投影轉(zhuǎn)換及重采樣,形成Tiff格式、U TM地圖投影、像元大小為250 m,能覆蓋整個研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)。MOD IS-NDV I數(shù)據(jù)產(chǎn)品的灰度值范圍為-10 000～10 000,可對其進行標準化處理,標準值為-1～1,但為了提高數(shù)值的可讀性,本文使用原始的灰度數(shù)值,因此數(shù)值小于1 000的單元格一般認為沒有植被覆蓋[4,8]。對同屬一個月的多期NDV I影像進行最大值合成,合成逐月的NDV I影像,該方法可進一步去除噪聲點并提高數(shù)據(jù)的可靠性。對同屬一個季節(jié)的3個月NDV I影像進行平均(春季:2 -4月,夏季:5-7月,秋季:8-10月,冬季:11-翌年1月),求出四季的NDV I值,以NDV I值最大的季節(jié)代表年度NDV I值。DEM數(shù)據(jù)源于航天飛機雷達地形測繪使命Shuttle Radar Topography M ission(SRTM)的數(shù)據(jù),像元大小為90 m×90 m。按照海拔1 000 m的間隔將研究區(qū)分為6個帶[9](表1),可見海拔3 000～5 000 m的地塊總面積約占整個林芝地區(qū)的60%,是研究區(qū)面積最大的高度帶,高山林線位于海拔4 200 m附近。

表1 研究區(qū)海拔分帶結(jié)果Table 1 The division of elevation belts in the study area

1.2 不同海拔帶NDV I年內(nèi)和年際變化

對同屬一個月的多年NDV I影像求平均,得到研究區(qū)年內(nèi)各月的NDV I值,再以海拔帶為統(tǒng)計區(qū)域,計算各海拔帶年內(nèi)各月的NDV I平均值,即不同海拔帶的NDV I年內(nèi)變化。不同海拔帶NDV I的年際變化將分別對4個季節(jié)進行研究,通過ENV I軟件的IDL編程,統(tǒng)計2000-2009年各季不同海拔帶的NDV I平均值。以某一季節(jié)為例,各海拔帶在10年內(nèi)的NDV I變化率將用NDV I平均值與年份進行秩回歸的回歸系數(shù)表示,如回歸系數(shù)為正值,則NDV I平均值表現(xiàn)為增長,反之則為降低。

1.3 研究區(qū)NDV I空間變化

研究區(qū)內(nèi)每個單元格10年間的變化趨勢用線性回歸方程的回歸系數(shù)(即斜率值)表示,本文運用最小二乘法計算回歸系數(shù)b:

其中:X i為年份,Yi為第i年的NDV I值,n為樣本量,本文取10。b是NDV I在研究時間內(nèi)的變化率,如果其為正值,說明此單元格的植被狀況趨好,其值為負則說明該單元格的植被狀況趨于惡化。根據(jù)變化率的大小,將變化趨勢分為重度退化(<-200)、中度退化(-200～-100)、輕度退化(-100～0)、輕度趨好(0～100)、中度趨好(100～200)和高度趨好(>200)6類。分別對10年間各季節(jié)的變化率進行計算,并將海拔帶作為區(qū)域統(tǒng)計各海拔帶內(nèi)不同變化趨勢的柵格所占的面積比例。

2 基于MOD IS-NDV I的西藏林芝地區(qū)植被時空變化

2.1 不同海拔帶NDV I年內(nèi)變化

不同海拔帶NDV I平均值存在顯著差異,主要表現(xiàn)為隨著海拔上升,NDV I平均值下降(圖2),位于最低海拔的熱帶雨林和季雨林的NDV I值在整個研究區(qū)最高,常綠闊葉林的NDV I值次之。隨著海拔帶升高,松林和針闊混交林、暗針葉林、高寒灌叢草甸直至高山荒漠和冰雪帶,NDV I值急劇下降,反映了隨著海拔上升,植被類型發(fā)生變化,而植被的茂盛程度依次下降。若依據(jù)經(jīng)驗判斷(NDV I小于1 000為無植被,大于 6 000為植被完全覆蓋),則海拔3 000 m以下全年基本為植被完全覆蓋,海拔4 000 m以上區(qū)域在冬春季基本沒有植被覆蓋。從 NDV I的年內(nèi)變化特征看,低于海拔3 000 m的3個帶,各月的NDV I值變化不大,而NDV I最高值主要出現(xiàn)在10月至來年1月(冬季);海拔3 000～4 000 m的NDV I值年內(nèi)變化明顯,最低值在3月,最高值在10月(秋末);高于4 000 m的兩個高寒植被帶,NDV I最高值出現(xiàn)在8-10月(秋季),冬季和春季的植被覆蓋最低(甚至沒有植被覆蓋)。從不同海拔帶的年內(nèi)NDV I最大值出現(xiàn)月份可知,隨著海拔的升高,植被生長最旺盛的季節(jié)逐漸從冬季轉(zhuǎn)為秋季。

2.2 不同海拔帶NDV I年際變化

不同海拔帶10年來各季節(jié)的NDV I變化存在明顯差異。海拔3000m以上的3個帶,四季NDV I都有增長,其中夏季和秋季增長較大,春季也有所增長,冬季增長最弱。海拔3 000 m以下的3個帶,僅秋季NDV I有較大幅度的增長,夏季和冬季NDV I有一定程度的下降,春季NDV I基本保持不變或略有下降(表2)。從不同季節(jié)看,所有海拔帶在2000 -2009年秋季NDV I都有一定的增長,增幅以中海拔地帶最高。春、夏和冬3季的NDV I在不同海拔帶中表現(xiàn)出不同的變化趨勢,即海拔3 000 m以下3個帶的NDV I在10年內(nèi)主要表現(xiàn)為下降趨勢,海拔3 000 m以上3個帶的NDV I表現(xiàn)為上升趨勢。由此可見,海拔3 000 m具有分界線意義,這條線基本上是暖溫性植被和寒溫性植被的分界線(表1)。因此,在近10年的春、夏和冬3季,低海拔的熱帶、亞熱帶和暖溫性植被存在生長變差的趨勢,而高海拔的寒溫、寒帶植被卻存在增長趨勢。如果將年度最大NDV I值作為該年植被生長狀況的總體指征,則海拔3 000 m以上的3個帶(秋季或秋末),植被生長總體存在增長趨勢,海拔3 000 m以下的3個帶(冬季),總體呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 不同海拔帶(1 km)的NDV I年內(nèi)變化Fig.2 The variation of NDVIwithin a year for different elevation belts(1 km)

表2 2000-2009年各海拔帶的NDV I變化率Table 2 The change rates of NDVIfor all elevation belts from 2000 to 2009

2.3 研究區(qū)NDV I空間變化

10年來整個研究區(qū)NDV I的空間變化見圖3,其中負值表示植被趨向退化,正值表示植被趨好。統(tǒng)計得出,10年間研究區(qū)春季近70%的區(qū)域NDV I增長,約30%的區(qū)域植被表現(xiàn)為退化趨勢。夏季情況基本與春季相同,64%的區(qū)域NDV I增長。從空間分布看,處于退化狀態(tài)的植被集中分布在研究區(qū)的中南部,即海拔較低的墨脫縣(圖1、圖3),海拔較低的溝谷附近也有分布。研究區(qū)秋季植被在10年間大部分呈現(xiàn)增長趨勢,NDV I增長的面積超過整個研究區(qū)面積的75%,少數(shù)退化區(qū)域位于中海拔區(qū)。冬季60%的區(qū)域植被呈現(xiàn)退化趨勢,退化區(qū)域除集中在南部的墨脫外,還包括西部高寒區(qū)域的工布江達縣、朗縣以及研究區(qū)東部的察隅縣東北角(圖1、圖3)?？偟目?研究區(qū)近10年來NDV I變化率位于-100～100的單元格占絕大部分,尤其是春季和冬季,均占90%以上,夏秋季也占60%～70%,可見大部分區(qū)域植被屬于輕度變化(表3)。

圖3 研究區(qū)2000-2009年NDV I值的變化Fig.3 The change of NDVI in study area from 2000 to 2009

2.4 不同海拔帶NDV I空間變化

從不同季節(jié)看,春季海拔低于3 000 m的3個帶中,NDV I值降低的單元格數(shù)量多于NDV I增加的單元格數(shù)量,而海拔3 000 m以上的3個帶結(jié)果則相反,這表明10年來研究區(qū)春季低海拔(低于3 000 m)區(qū)域植被退化的區(qū)域面積大于趨好的區(qū)域面積,而中高海拔(高于3 000 m)區(qū)域植被趨好的區(qū)域面積大于退化的面積。夏季的趨勢與春季基本一致(表3)。秋季所有海拔帶中,植被趨好的面積都大于退化的面積,可以看出,整個研究區(qū)10年間秋季NDV I呈中度增長(變化率為100～200)的區(qū)域面積超過了20%,植被變好的趨勢較為顯著。冬季海拔低于3 000 m的3個帶中,NDV I值降低的面積大于NDV I增加的面積,而海拔3 000 m以上的3個帶, NDV I增加和減少的面積大致相等,這表明10年來研究區(qū)冬季低海拔區(qū)域植被退化的區(qū)域面積大于趨好的區(qū)域面積,而中高海拔區(qū)域植被趨好的區(qū)域面積與退化面積大致相同?？偟目?如果將秋季NDV I值作為海拔3 000 m以上3個帶的年度NDV I值(NDV I值最大時),將冬季NDV I值作為海拔3 000m以下3個帶的年度NDV I值,則2000-2009年研究區(qū)海拔3 000 m以下區(qū)域植被退化的面積大于增長的面積,而海拔3 000 m以上區(qū)域植被增長的面積大于退化的面積。

表3 各海拔帶內(nèi)不同變化類型所占面積比例Table 3 The area percentage of various NDVIchanging types within elevation belts%

3 結(jié)論與討論

10年來林芝地區(qū)的植被變化在海拔梯度上存在較明顯的差異,其中海拔3 000 m是一個分界線。海拔3 000 m以上區(qū)域,10年間各季節(jié)的NDV I平均值表現(xiàn)為增長,且NDV I增長的面積大于NDV I降低的面積,即植被總體存在變好的趨勢;與此相對,海拔3 000 m以下區(qū)域,除秋季植被增長外,其它季節(jié)植被生長都存在退化的趨勢。一般自然環(huán)境變化和人類活動干擾是植被變化的主要因素,其中氣候變化是植被變化的主要驅(qū)動力之一。例如, 2000-2009年林芝站四季溫度都存在明顯上升,其中夏季溫度增長最明顯,平均溫度增幅超過1°C,而降水量卻存在下降趨勢,尤其是夏秋兩季降水量在10年內(nèi)約減少了260 mm。對于高海拔植被,低溫比水分更能限制植被的生長,因此氣溫的升高能促進高寒植被的生長。其中,春季升溫能提前植被的返青期,夏季升溫能增強植被的生長活動,而秋冬季的升溫能延后植被的生長停止期[10]。而對于低海拔的常綠植被,溫度已較高,水分條件對植被生長的影響較明顯,而氣溫上升會增加植被的蒸騰量,減少植被的可用水分,影響常綠植被的生長。

人類活動是植被變化的另一主要影響因素。林芝地區(qū)是我國最大的原始林區(qū)之一,隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口的增加,森林資源的消耗量也較大,20世紀90年代以來,全區(qū)每年消耗的森林資源總量約為70萬～90萬m3,嚴重阻礙了森林的自然更新;另一方面,對野生菌等林下資源的過度采挖,也影響了森林植被的生長[11]。因此,雖然對森林資源采取了一定的保護措施,但以升溫為主要趨勢的氣候變化和人類活動對森林植被的影響,都導致林芝地區(qū)低海拔森林植被的退化。雖然部分高山草場存在過牧和退化現(xiàn)象[12],但林芝地區(qū)農(nóng)牧民人口密度較小,大部分草場的利用程度較合理,同時升溫對于林芝地區(qū)高寒植被的恢復生長具有促進作用,總體上高海拔植被在近年呈現(xiàn)恢復的趨勢。

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Abstract:Based on the division of elevation belts in Linzhiarea,Tibet,the vegetation changesof four seasons from 2000 to 2009 year in different elevation belts has been analyzed according to the MODIS-NDV Idata.The results were:1)The variations of NDV Iw ithin a yearwere different for different elevation belts,that themost flourish timeof vegetation changed from autumn to w inter gradually w ith the decreasing elevation;2)Excep t fo r autum n,the mean NDV Iof other seasons all decreased w ithin the past 10 years in elevation belts lower than 3 000 m,however,the mean NDV Iof all seasons increased in elevation belts higher than 3 000 m;3)In sp ring,summer and w inter of the past 10 years,the deteriorate vegetation area was larger that the imp roved area in the region lower than 3 000 m,but it was just opposite in the region higher than 3 000 m.In autumn,the imp roved area was bigger than the deteriorate area for all elevation belts.In summary,as roughly the boundary of tropical,subtropical and warm-temperate vegetationsat low elevations between cold-temperate and cold vegetationsat high elevations,the elevation of 3 000m contourwas an important ecological line,that the vegetations below or above this line shown different trends,and one of themain driver to change the vegetation was the increasing air temperature,w ith the human activities imposing some effects as well.

Key words:NDV I;season;elevation belts;tempo ral and spatial changes

Temporal and Spatial Changes of Vegetation in L inzhi Area Based on MOD IS-NDVI

ZHU Yuan1,PENG Guang-xiong2,WANG Zhi3,RAN Cong-qian1,ZHANG Zhen-lei1,L IDan1, L IU Jia-ning1,CHEN Bao-xiong1,REN Qing-shan1
(1.School of Environment and N atural Resources,Renm in University of China,Beijing 100872; 2.School of Geoscience and Environmental Engineering,Central South University,Changsha 410083; 3.N ational M eteorological Center,Beijing 100081,China)

TP79

A

1672-0504(2010)05-0058-05

2010-04-22;

2010-06-09

財政部林業(yè)行業(yè)重大專項“中國森林對氣候變化的響應(yīng)與林業(yè)適應(yīng)對策研究”(200804001);中國人民大學科學研究基金項目

朱源(1983-),男,博士,講師,主要從事植被生態(tài)學研究。＊通訊作者 E-mail:renqs@ruc.edu.cn