黑河流域植被覆蓋程度變化研究

李旭譜，張福平，魏永芬

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安710062;2.日本國立岐阜大學(xué)流域圈科學(xué)研究中心，日本岐阜501-1193)

植被覆蓋面積的大小是反映區(qū)域性生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)之一，而多年植被覆蓋面積的變化則直觀反映了植被生態(tài)環(huán)境隨時間的變化規(guī)律［1-9］。黑河流域作為西北干旱地區(qū)的典型區(qū)域，其植被覆蓋狀況在很大程度上體現(xiàn)了我國西北干旱地區(qū)的植被模式。由于氣候的變化和人為的影響，該流域的植被覆蓋發(fā)生了很大的變化［10-12］。因此，近些年來，該流域的植被空間分布和變化規(guī)律越來越引起人們的關(guān)注［13-18］。已有研究多局限在較短的時間內(nèi)，本研究采用長時間序列的SPOT VGT數(shù)據(jù)集研究該流域的植被空間分布特征和動態(tài)變化趨勢，對保護(hù)流域的植被和脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要的指導(dǎo)意義，并為政府制定相應(yīng)的決策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑河是我國西北地區(qū)一條重要的河流，是河西走廊最大(全國第二)的內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山中段，流經(jīng)青海省、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)，最終匯入居延海。黑河流域地處歐亞大陸中部，位于我國西北干旱區(qū)(東經(jīng)96°42'～102°00'，北緯 37°41'～42°42')，為典型的大陸性干旱氣候，降水少而集中，日照充足，晝夜溫差大，且東西和南北氣候差異顯著。南部祁連山區(qū)，降水量由東向西遞減，雪線高度由東向西逐漸升高。中部走廊平原區(qū)降水量由東部的250 mm向西部遞減為50 mm以下，蒸發(fā)量則由東向西遞增，自2 000 mm以下增至4 000 mm以上［16］。流域內(nèi)垂直高度變化大，海拔在1 300～4 700 m，并且上、中、下游的地形地貌特征各不相同。上游海拔一般在2 300 m以上，以高山、冰川、森林、草甸草原為主，植被覆蓋度較高。中、下游主要是海拔1 300～2 300 m的走廊地帶，分布著大面積的戈壁和沙漠。綠洲植被多以胡楊、檉柳、沙棗為主，植被種類簡單且覆蓋度?。?4，16］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的長時間序列SPOT VGT遙感影像數(shù)據(jù)來自比利時VITO研究所的植被數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://free.vgt.vito.be)，是 10 d 最大化合成的 NDVI數(shù)據(jù)，已進(jìn)行了大氣校正、輻射校正、幾何校正和拉伸等預(yù)處理，空間分辨率為1 km×1 km。時間范圍為1999年1月至2010年12月，每月3旬共432景影像。另外，也參照使用了黑河流域2000年土地利用土地覆蓋數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由中國1∶100 000土地利用數(shù)據(jù)直接裁剪得到，分類采用一個分層的土地覆蓋分類系統(tǒng)，將全流域分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)用地、工礦用地、居民點用地和未利用地等覆蓋類型［19-21］。另外還使用了黑河流域的土地居民點數(shù)據(jù)和1∶1 000 000植被類型數(shù)據(jù)［22-25］。利用旬NDVI、月 NDVI、年均NDVI和累積年均NDVI數(shù)據(jù)，采用最大化合成法、均值法、距平法、NDVI變化度模型［26-27］和最小二乘法［28］從宏觀的角度整體分析了黑河流域植被覆蓋空間分布規(guī)律和動態(tài)變化趨勢。

2.2 研究方法

2.2.1 線性回歸分析

用回歸斜率b來表征黑河流域植被覆蓋的變化趨勢。一元回歸被廣泛應(yīng)用于長時間序列的植被遙感分析，它是以時間i為自變量，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index∶NDVI)I為因變量，建立一元線性回歸方程。其計算公式如下:

式中:b為回歸斜率;Ii為第i年的NDVI年均值;n為監(jiān)測時間段的年數(shù)?；貧w方程的斜率b，也稱NDVI趨勢變化率，利用最小二乘法得到。如果b為正數(shù)，表示隨著時間的增加，年均NDVI呈上升趨勢，說明該區(qū)域植被面積增加，數(shù)值越大該地區(qū)植被覆蓋增加越明顯。反之，則說明該區(qū)域植被覆蓋面積呈減少趨勢。因此，通過b值的正負(fù)及其大小，可以判斷一個地區(qū)地表植被的活動情況。

2.2.2 NDVI變化度模型

NDVI變化率可以表示2個時間段內(nèi)NDVI的增減幅度，但其誤差較大［17］。本研究采用 NDVI變化度［27］來分析黑河流域NDVI的時空變化情況，以此來衡量單位面積植被覆蓋的變動情況。

式中:Cj為第j個像元的變化度;Nj為第j個像元的變化量(兩期數(shù)據(jù)的差值);Aj為第j個像元的面積。

3 結(jié)果分析

3.1 植被季節(jié)變化

為了反映1999—2010年各個季節(jié)的植被覆蓋隨時間的變化狀況，特選取每個季節(jié)植被較好的4，7，10，1月的NDVI數(shù)據(jù)，采用線性相關(guān)來模擬NDVI隨時間的變化趨勢(圖1)。

圖1 黑河流域1999—2010年NDVI季節(jié)變化趨勢Fig.1 The change trend of seasonal NDVI values in Heihe River Basin from 1999 to 2010

黑河流域近12 a來春季植被覆蓋的變化除了有一些小幅度的波動外，NDVI總體上呈增加趨勢，由其趨勢變化率和相關(guān)系數(shù)R知，NDVI的增加不是十分明顯;1999—2001年NDVI呈減少趨勢，在12 a中2001年達(dá)到最小值(圖1a)。夏季NDVI以0.001 3的趨勢率逐年增加，在2010年出現(xiàn)快速增長(圖1b)。秋季的植被覆蓋在2000—2006年持續(xù)增加，除2000年和2007年有波動外，總體呈增加趨勢，NDVI變化曲線與趨勢線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.7以上，其NDVI增加的趨勢相對于春季和夏季來說比較明顯(圖1c);冬季的NDVI變化曲線與趨勢線在絕對值小于0.2的相關(guān)系數(shù)下呈負(fù)相關(guān)性，NDVI波動較大，且隨著時間的變化，NDVI值以-0.000 8的變化率呈下降趨勢(圖1d)。

3.2 植被年際變化

采用距平法和一元線性回歸來模擬黑河流域1999—2010年NDVI隨時間的變化趨勢(圖2)。12 a來NDVI總體上呈逐年增加趨勢，尤其是從2001年開始，除小幅度的波動外NDVI值持續(xù)增加。從距平曲線可以看出，其值多為正距平，說明12 a間植被覆蓋整體上呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)狀況，除2001年的距平值波動較大外，其他均在0上下輕微波動。

圖2 黑河流域1999—2010年NDVI年際變化趨勢Fig.2 The change trend of yearly NDVI values in Heihe River Basin from 1999 to 2010

3.3 植被時空變化特征

3.3.1 植被空間分布變化。為了解黑河流域植被的空間分布隨時間的變化情況，根據(jù)不同的NDVI范圍反映的植被類型不同［29］，將1999—2010年的NDVI劃分為4個等級(表1)，通過計算每年及多年年均NDVI來分析12 a來黑河流域植被的空間分布及變化狀況?？傮w來看，黑河流域的植被覆蓋80%以上處于較差水平，植被覆蓋在很好水平上的幾乎為0。由表1分析發(fā)現(xiàn)，近12 a來較差水平上的植被覆蓋比例大體上呈減少趨勢，一般和較好等級的植被覆蓋比例則逐年上升，且一般水平的植被覆蓋增加幅度較大，后兩者的值均在多年年均值之上，說明隨著時間的變化，黑河流域的植被覆蓋面積逐漸增加，呈現(xiàn)逐步改善的變化趨勢。

表1 黑河流域不同等級NDVI植被分布比例 %Tab.1 Ratio of the vegetation in different levels in Heihe River Basin from 1999 to 2010

3.3.2 NDVI時空變化度。通過對1999—2003，2003—2007，2007—2010年的NDVI進(jìn)行變化度分析(圖3)可以看出，2003—2007年NDVI的變化幅度最大，主要集中在黑河上游的中部和北部，1999—2003年NDVI變化度的高值集中在上游的東部民樂和山丹境內(nèi)，2007—2010年NDVI變化較大的區(qū)域在黑河均有分布，尤其是下游，其NDVI變化度的高值區(qū)域面積比其他2個時段的面積明顯增加。

圖3 黑河流域1999—2010年NDVI時空變化度Fig.3 The changes degree of spatial and temporal on NDVI from 1999 to 2010

為了更形象地解釋3個時段NDVI變化度的時空變化特征，利用研究區(qū)的橫縱剖面圖來分析，其中橫坐標(biāo)表示采樣剖面點離起點(參考黑河植被類型圖由植被類型的豐富程度設(shè)定起點為99°20'E，39°30'N)的距離，縱坐標(biāo)表示采樣剖面點的NDVI變化度(圖4)。

圖4 NDVI時空變化度剖面圖Fig.4 The profiles of the degree of spatial and temporal on NDVI from 1999 to 2010

3個時段的NDVI變化度剖面圖顯示，南北縱向的NDVI變化度比東西橫向的平均變化度小;除2007—2010年橫向剖面圖(圖4f)在0～100 km間的NDVI變化度的變化幅度較大外，其他時期該距離范圍內(nèi)的變化幅度均較小。在縱向圖中，1999—2003年時段0～100 km間離起點較近的位置NDVI變化度較大，其值接近0.025，而另外2個時段的值均低于0.015;2003—2007年和2007—2010年中100～300 km間變化幅度大體一致;三期縱向圖在200～300 km間均出現(xiàn)高峰值(圖4a，圖4c，圖4e)。在橫向圖中3個時段100～200 km間的變化幅度基本一致;在200～300 km之間3期橫向剖面圖均出現(xiàn)高峰值，并且可以得出2003—2007年時段NDVI變化度的變化幅度總體上較大;在300～400 km范圍內(nèi)，1999—2003年的變化幅度很小，峰值接近 0.015，2003—2007年的變化特征接近于正態(tài)分布，并且峰值達(dá)到了0.04，在2007—2010年不同距離上NDVI變化度的波動均較大，峰值達(dá)到了0.015(圖4b，圖4d，圖4f)。可見，黑河流域的NDVI變化空間分布情況存在較大的變異性。

3.4 植被變化趨勢

為進(jìn)一步研究黑河流域植被覆蓋的變化情況，采用線性趨勢分析可得到定量分析結(jié)果。將由最小二乘法得到的變化斜率 b劃分為 -2，-1，0，1，2等 5種等級［30-31］，依次代表黑河流域植被覆蓋變化的嚴(yán)重退化、輕度退化、基本不變、輕度改善和高度改善狀況，b的取值范圍分別是 -0.011 5 ～ -0.006 5，-0.006 5 ～-0.001 5，-0.001 5 ～ 0.001 5，0.001 5 ～ 0.014 5，0.014 5 ～ 0.028 8(表2，圖5)。

表2 1999—2010年黑河流域NDVI變化統(tǒng)計Tab.2 The statistics of NDVI variations in Heihe River Basin from 1999 to 2010

黑河流域植被覆蓋面積總體上從東南向西北逐步減少，呈荒漠化態(tài)勢，由回歸變化率b值的分布可知，黑河流域的植被覆蓋變化表現(xiàn)為由南向北“減少—不變—增加—減少”的帶狀變化趨勢。黑河流域植被的嚴(yán)重退化和高度改善面積幾乎為0，植被的輕度改善面積占黑河流域總面積的26.6%，主要集中在黑河的上游和中游地區(qū)，輕度退化分布在上游地區(qū)，植被的基本不變，面積所占比例最大，為71.79%，主要分布在黑河下游地區(qū)。

黑河上游為山區(qū)，其植被的輕度改善面積為17 105.16 km2，占整個黑河該等級面積的11.97%，主要分布在祁連境內(nèi)，多沿河流兩側(cè)，植被類型主要為高覆蓋度草地、疏林地、高山草甸和灌木林地;植被基本不變面積為11 175.83 km2，主要分布在肅南裕固族自治縣和祁連的西北部，多為寒漠、冰川和永久性積雪;植被的輕度退化在祁連和肅南裕固族自治縣內(nèi)均有分布，主要是中覆蓋度草地，其面積為1 809.77 km2，且呈帶狀態(tài)勢，幾乎集中了整個黑河的植被退化區(qū)域。

黑河中游主要是戈壁、沙漠和低覆蓋度草地覆蓋，該區(qū)域輕度改善面積為19 336.49 km2，分布在金塔南部、嘉峪關(guān)、酒泉、高臺西南部、臨澤的中部和東部以及民樂的北部和東部地區(qū)，且在山丹除西南部的植被基本不變外，其他區(qū)域的植被幾乎均處于輕度改善狀態(tài);植被基本不變區(qū)域主要分布在金塔，高臺和肅南裕固族自治縣;在酒泉的東部和肅南裕固族自治縣的東南部部分區(qū)域有高度改善的植被覆蓋，占有面積為71.79 km2;該地帶也分布有101.84 km2的輕度退化區(qū)域，集中在臨澤和張掖。

黑河下游主要是額濟(jì)納旗地區(qū)，該區(qū)域深居內(nèi)陸腹地，是典型的大陸性氣候，降水少，溫差大、風(fēng)大且沙多，植被覆蓋非常稀少，多呈現(xiàn)荒漠景觀。在其與金塔東北部的交界處分布有3.34 km2的植被嚴(yán)重退化區(qū)域;在額濟(jì)納旗西部和東北部，僅有輕度退化狀態(tài)的植被零星分布，占有面積為318.05 km2;輕度改善區(qū)域主要分布在阿拉善高原和弱水三角洲地帶，此處有水體，植被覆蓋較好，這與顧娟等［15］的研究結(jié)果一致;整個下游地區(qū)80%以上處于植被基本不變狀態(tài)，這是由該地區(qū)多有戈壁、沙地和裸巖覆蓋所決定的。

4 結(jié)果與討論

黑河流域位于歐亞大陸中部，遠(yuǎn)離海洋，周圍高山環(huán)繞，流域氣候干燥少雨且蒸發(fā)量大，屬于生態(tài)脆弱地區(qū)。由于受大陸性氣候和青藏高原的祁連山-青海湖氣候區(qū)影響，該區(qū)域植被類型稀少，覆蓋面積也很小，多為旱地、灌木叢、中低覆蓋草地以及大面積的戈壁和沙漠。黑河流域因受多方面因素的影響，其植被覆蓋在總體上水平較差，植被類型稀少，植被覆蓋面積較?。?0，29-30］。黑河流域植被的空間分布主要受水分條件的制約［15，31-34］，河流兩側(cè)及附近區(qū)域植被覆蓋水平處于良好狀態(tài)，體現(xiàn)了植被隨水而生的特點。研究發(fā)現(xiàn)有居民點分布的區(qū)域其植被覆蓋面積在總面積中占有較大比例，但因受氣候和地理條件限制，居民點分布較少，特別是下游阿拉善地區(qū)。黑河流域主要發(fā)展農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)，為了發(fā)展畜牧業(yè)，在林地和草地退化的境況下，載畜量卻逐漸增加，導(dǎo)致草原壓力過大，最終引起部分區(qū)域的植被覆蓋面積逐步減少。本研究采用1999—2010年12 a長時間序列SPOT VGT數(shù)據(jù)集，從宏觀的角度研究了黑河流域的植被空間分布和動態(tài)變化趨勢，結(jié)果表明:(1)黑河流域植被覆蓋面積總體上從東南向西北逐步減少，呈荒漠化態(tài)勢;(2)植被種類少且植被覆蓋面積較小，除上游外，其他地區(qū)僅有少量植被覆蓋;(3)近12 a來黑河流域的植被覆蓋水平呈逐年改善趨勢，改善面積為38 081.12 km2，占總面積的26.65%;(4)除冬季外，年內(nèi)各季節(jié)的植被覆蓋逐漸好轉(zhuǎn)，面積均有所增加。

黑河流域仍存在面積為2 233.83 km2的植被退化區(qū)域，主要集中在中上游地區(qū)，除氣候因素外，人為破壞起較關(guān)鍵的作用，過度放牧導(dǎo)致草地退化以及肆意砍伐引起的林地面積的減少，直接導(dǎo)致植被覆蓋度逐漸減小。黑河流域地處荒漠區(qū)，屬于生態(tài)極度脆弱地區(qū)，若不及時采取措施則會使該流域的生態(tài)平衡體系遭到破壞，生態(tài)健康受到嚴(yán)重影響。

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