鄂爾多斯盆地海流兔河流域葉面積指數(shù)的時空變化及其與氣象因子的關(guān)系

雷 磊, 王雙明, 徐 晗, 潘桂行

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安710054; 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院, 陜西 西安 710065)

鄂爾多斯盆地海流兔河流域葉面積指數(shù)的時空變化及其與氣象因子的關(guān)系

雷 磊1, 王雙明2, 徐 晗1, 潘桂行1

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 陜西 西安710054; 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院, 陜西 西安 710065)

摘要：[目的] 對海流兔河流域的葉面積指數(shù)(LAI)進行時間空間分析，并對比幾種不同氣象因子之間的關(guān)系，確定葉面積指數(shù)的時空變化及其與氣象因子的關(guān)系，為該區(qū)能源的合理開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。 [方法] 基于MODIS影像數(shù)據(jù)，利用線性回歸法分析海流兔河流域葉面積指數(shù)的時間與空間變化趨勢，并對LAI與不同氣象因子進行相關(guān)性分析。 [結(jié)果] 90.87%的研究區(qū)域LAI值處于不斷上升的趨勢，僅有8.77%的區(qū)域不斷降低，區(qū)域年平均LAI值增量達到0.002 2/a。 [結(jié)論] 流域內(nèi)植被生長發(fā)育狀況逐年改善。自然條件下降水量的對植被的生長發(fā)育狀況影響最大，平均溫度與相對濕度與葉面積指數(shù)相關(guān)性非常小，對海流兔河流域植被生長影響較小。

關(guān)鍵詞：葉面積指數(shù)(LAI)； 降水量； 水汽壓； 平均溫度； 相對濕度

葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)是反映植被生長狀況、描述植被冠層表面水分及能量交換的一個重要指標。LAI的定義為單位水平土地面積上所有植物葉面積總和與土地面積的比值。它是控制植被各種生物、物理過程，如光合作用、蒸騰過程、碳循環(huán)以及降雨截留的重要參數(shù)。LAI傳統(tǒng)的獲取方法為實地測量法，包括直接測量和間接測量。隨著科技的發(fā)展，表征綠色植被時空變化的LAI可以通過衛(wèi)星遙感資料進行反演。氣候因素是影響植被空間分布和變化的直接因素，氣候的變化會引起植被分布和發(fā)育狀況的改變。由于遙感技術(shù)具有實時性、動態(tài)性和客觀性等優(yōu)勢，近年來已經(jīng)成為對地觀測研究的有力工具[1]。在觀測大尺度時空范圍的植被參數(shù)空間分布狀況，揭示不同時空分辨率植被特征與氣候的相互關(guān)系成為生態(tài)與氣候?qū)W密切關(guān)注的課題[2]。一些研究[3-6]表明，LAI的動態(tài)變化可以較好地反映植被的結(jié)構(gòu)與數(shù)量特征的變化，因而可以更好地反映植被與氣候的相互作用。另一方面，隨著全球氣候變暖，鄂爾多斯盆地氣溫、降水、濕度和水汽壓等氣象要素也發(fā)生了變化，必然對該地區(qū)的植被覆蓋和生長產(chǎn)生影響。本研究基于遙感技術(shù)，對海流兔河流域12 a(2003—2014年)LAI的時空變化趨勢進行分析，并對比不同氣象因子與LAI的相關(guān)性。研究結(jié)果對該地區(qū)植被恢復與重建以及加強該區(qū)氣候與土地荒漠化的動態(tài)監(jiān)測具有重要的指導意義[7-10]，也可為該區(qū)能源的合理開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

海流兔河流域地處鄂爾多斯盆地黃土高原與毛烏素沙漠過渡地帶，地形以灘地和沙地為主。地勢北高南低，具有東西高中間低的特點[11]。海流兔河為流域內(nèi)主要河流，是無定河的支流，隸屬于黃河水系。流域地處鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠的東南部邊緣，位于38°00′—39°00′N，108°30′—109°20′E之間，北起烏審旗的巴彥柴達木鄉(xiāng)南到陜西省榆林市紅石橋鄉(xiāng)韓家峁村；西起烏審旗的查汗敖包東至榆林大海則三隊，地跨內(nèi)蒙古和陜西兩省，總面積2 600 km2[12]。地形上，北部位于毛烏素沙地，地勢較高；向南地勢逐漸降低，向黃土高原過渡。流域內(nèi)主要以風積沙丘地貌為主，西北部地區(qū)以及中部零星分布湖盆灘地地貌，河流下游地區(qū)U型谷發(fā)育，為該區(qū)的主要耕地區(qū)。流域?qū)儆谖鞅眱?nèi)陸地區(qū)，是典型的西北半干旱地區(qū)，屬于溫帶大陸性季風氣候，為季節(jié)性降雨，春冬兩季降水量稀少，降雨主要集中于夏季，占全年降水60%～75%，尤以8月為多。區(qū)內(nèi)年降水量250～440 mm，年際和年內(nèi)降水變化很大，多雨年降水量為少雨年的2～4倍，多年平均蒸發(fā)量約為2 000 mm，具有降水稀少、蒸發(fā)強烈、溫差大等特點，是典型的干旱、半干旱氣候環(huán)境[12]。

2資料與方法

由于遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)源具有信息量大、多時相性等特點，可以有效地記錄植被多年的變化狀況[13]，從而為大面積監(jiān)測地表植被狀況的演化過程提供了技術(shù)的可能性。為多年來干旱與半干旱地區(qū)植被覆蓋度變化的分析和預測提供數(shù)據(jù)支撐[14-15]。采用NASA(美國國家航天局)EOS衛(wèi)星提供的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品(該數(shù)據(jù)來自于http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/)，由于其數(shù)據(jù)的信息含量大、免費性、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高并且獲取容易，已經(jīng)成為研究大區(qū)域植被指數(shù)變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。中等分辨率成像光譜儀MODIS MYD15 A2遙感影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為柵格化的LAI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF,該數(shù)據(jù)已對植被指數(shù)進行了一定的數(shù)據(jù)修正，其時間分辨率為8 d，空間分辨率1 000 m。目前，MODIS LAI數(shù)據(jù)已被廣泛應用于大面積植被長勢遙感監(jiān)測的研究。Stow等[16-17]運用線性回歸方程的斜率來分析研究區(qū)每個像元LAI的年際變化趨勢，從而計算植被的GRC(greenness rate of change)即綠度變化率。本研究使用該方法模擬12 a(2003—2014年)間研究區(qū)平均LAI的變化趨勢，其計算公式為：

(1)

式中：i——1～12 a的年序號； LAIi——第i年LAI值。運用ENVI中的Band Math功能，繪制出2003—2014年LAI值的變化趨勢圖，反映12 a來海流兔河流域植被生長狀況的變化趨勢； slope——像元點趨勢線的斜率。其中：slope>0表明該像元LAI值在12 a間的變化趨勢是增加的，反之則表明是降低的，當slope=0，表明該像元LAI值無增減。由于該趨勢線斜率值并不是簡單首尾兩年LAI值的斜率值，更加客觀地反映該區(qū)所有像元的變化趨勢。

3結(jié)果與分析

3.1　流域內(nèi)LAI值的空間分布特征

葉面積指數(shù)(LAI)已經(jīng)成為一個重要的植物學參數(shù)和評價指標，并在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、果樹業(yè)以及生態(tài)學領(lǐng)域得到廣泛應用。在生態(tài)學中，LAI是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，LAI越高說明植被生長發(fā)育越好越茂密，LAI越低說明植被生長發(fā)育越差越稀疏。圖1為海流兔河流域2003—2014年每年LAI最大值影像的平均值分布圖，由于研究區(qū)內(nèi)LAI分布范圍為0～1.5之間，大于1小于1.5的像元很少，所以在圖上取大于1的值表示。由圖1可以看出，流域內(nèi)絕大部分區(qū)域的LAI為0.2～0.6，主要為流域中部較為平緩的風積沙丘地貌。LAI小于0.2的區(qū)域主要分布在北部、中南部以及流域分水嶺地區(qū)，大部分為風積沙丘地貌；LAI為0.4～0.6的區(qū)域主要分布在流域的中部較為平緩的風積沙灘地地貌區(qū)；LAI為0.6～0.8的區(qū)域主要分布在湖盆灘地地貌區(qū)；LAI大于0.8的地區(qū)主要分布在海流兔河河谷區(qū)及補浪河附近，這部分地區(qū)植被長勢良好，為流域的主要農(nóng)耕區(qū)?？傮w上，流域內(nèi)LAI值南部大于北部，尤其是河谷以及河流兩岸灘地地區(qū)，LAI值最大，植被生長發(fā)育狀況最好。

圖1　海流兔河流域LAI平均值分布圖

3.2　流域內(nèi)葉面積指數(shù)的年內(nèi)變化

數(shù)據(jù)來源于NASA(美國國家航天局)EOS衛(wèi)星提供的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時間分辨率為8 d，共有46幅影像數(shù)據(jù)將一年分為46個時段。從海流兔河流域12 a來(2003—2014年)LAI多年平均變化情況(圖2)看出，流域內(nèi)LAI年變化曲線呈單峰型。一般情況下，每年的1—4月底LAI值基本處于平緩遞增的趨勢(1—15時段)。從每年的4月底開始(15—16時段)到每年的八月下旬(28—29時段)，LAI迅速增加，植被進入快速生長周期。在8月的下旬(29時段)達到最大值，隨后LAI開始逐漸下降，一直到9月中旬(32時段)，從9月中旬開始到9月下旬LAI值經(jīng)歷1次迅速下降(32—33時段)。9月底開始到每年的10月底(33—37時段)LAI值下降趨于平緩。10月底到11月(37—40時段)下旬LAI值又一次迅速下降。每年的11月底到年底(40—46時段)LAI又一次進入緩慢下降的階段。一年中LAI的最大值出現(xiàn)在8月的下旬，最小值出現(xiàn)在1月份的下旬，從4月初到10月底為流域內(nèi)葉面積指數(shù)變化最明顯的時段，也是該地區(qū)一年中植被的主要生長時期。

3.3　流域內(nèi)2003-2014年葉面積指數(shù)年際變化

從海流兔河流域內(nèi)2003—2014年不同年份年均LAI的年際變化(圖3)可以看出，LAI總體上呈現(xiàn)線性增加趨勢,年均增量約0.002 2/a。LAI在不同時段其變化特征不同，2003—2006年為下降趨勢，2007年有所回升，2008年又下降，隨后逐步回升，2011年又有小幅下降，之后呈平穩(wěn)上升趨勢。

圖2　海流兔河流域LAI每8 d的多年平均值

圖3　海流兔河流域2003-2014年LAI值年際變化

盡管海流兔河流域年LAI整上體呈現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢，但各空間區(qū)域之間存在明顯的差異。因此，將海流兔河流域內(nèi)每個柵格的年LAI按2003—2014年12 a的時間序列進行計算而得出的slope值，并用其計算出的slope值來表示海流兔河流域LAI年際變化趨勢大小的空間分布。從圖4可以看出，12 a來海流兔河流域地表大部分區(qū)域slope為正值，表明LAI呈增長趨勢；僅在小部分區(qū)域出現(xiàn)負值，即LAI呈下降趨勢，還有極少一部分白色區(qū)域為建筑物、水體，表示近些年該區(qū)域內(nèi)LAI值無變化。利用ENVI軟件進行的統(tǒng)計分析表明，其中LAI增大的區(qū)域大約占到流域總面積的90.87%，降低的區(qū)域約占到8.77%，無變化的區(qū)域僅有0.36%，說明2003—2014年該區(qū)域的植被生長發(fā)育呈現(xiàn)出良好的趨勢，僅有很小的面積植被生長出現(xiàn)退化，植被生長狀況總體上得到一定改善，向好的方向發(fā)展。

4葉面積指數(shù)與氣象因子的關(guān)系

本研究氣象資料大部分是由榆林氣象站提供，一些資料缺失部分是由位于流域中部補浪河鄉(xiāng)的“鄂爾多斯盆地水與生態(tài)關(guān)系研究”科研項目試驗站自行采集補充的。氣象因子對植被的生長影響是顯而易見的，LAI的動態(tài)變化可以較好地反映植被的結(jié)構(gòu)和數(shù)量特征的變化,因而可以更好地反映植被和氣候的相互作用[15-17],也可以作為植被生物量的敏感性指征。本研究主要選取2003—2014年逐年的降水量、年均水汽壓、年均氣溫、年均相對濕度這4個氣象因子與研究區(qū)多年的葉面積指數(shù)的均值進行相關(guān)性分析。由相關(guān)性分析結(jié)果可知，2003—2014年的12 a間，該地區(qū)年均降水量與葉面積指數(shù)有較強的相關(guān)性(R2=0.587 8)，其次為年均水汽壓(R2=0.198 2)，表明降水量對葉面積指數(shù)影響最大。正常情況下水汽壓與降水量應該具有較好的相關(guān)性[18]，降水量大的地區(qū)和季節(jié)，水汽壓也較大，水汽壓越大，地表蒸發(fā)量就越小。但由于流域地處西北干旱地區(qū)，蒸發(fā)量非常大，所以水汽壓對葉面積指數(shù)的相關(guān)性被減弱，為次要影響因子。年均相對濕度和年均氣溫與葉面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.004 0和0.001 1，相關(guān)性非常小，對海流兔河流域植被生長影響較小。

圖4　海流兔河流域2003-2014年LAI變化趨勢空間分布

5結(jié) 論

(1) 海流兔河流域內(nèi)的LAI主要分布在0.2～0.6，占了流域內(nèi)大部分區(qū)域。LAI為0.6～0.8的區(qū)域零星分布于地勢較低的湖盆灘地，LAI大于0.8的區(qū)域主要分布于河谷和補浪河周圍，所占面積很少。流域整體LAI較低，植被生長發(fā)育較差的地方所占面積較大，只有在河谷附近的農(nóng)耕區(qū)LAI較大，植被生長發(fā)育良好。

(2) 海流兔河流域2003—2014年的12 a間流域內(nèi)LAI整體上呈上升趨勢，年均增量0.002 2/a,流域內(nèi)有90.87%的區(qū)域LAI呈增加趨勢，但仍有8.77%的區(qū)域LAI呈現(xiàn)出不斷變小的趨勢。

(3) 海流兔河流域LAI和不同氣象因子相關(guān)性分析表明，降水量與LAI值相關(guān)性最密切，對LAI的影響最大，其次為水汽壓，年均氣溫、年均相對濕度與葉面積指數(shù)無明顯相關(guān)性。

[參考文獻]

[1]李明杰,侯西勇,應蘭蘭,等.近十年黃河三角洲NDVI時空動態(tài)及其對氣溫和降水的相應特征[J].資源科學,2011,33(2):322-327.

[2]羅宇翔,向紅瓊,鄭小波，等. MODIS植被葉面積指數(shù)對貴州高原山地氣象條件的響應[J].生態(tài)環(huán)境學報,2011,20(1):19-23.

[3]唐紅玉,肖風勁,張強,等.三江源區(qū)植被變化及其對氣候變化的響應[J].氣候變化研究進展,2006,2(4):177-180.

[4]張佳華,符淙斌,延曉冬,等.全球植被葉面積指數(shù)對溫度和降水的響應研究[J].地球物理學報,2002,45(5):631-636.

[5]方秀琴,張萬昌.葉面積指數(shù)(LAI)的遙感定量方法綜述[J].國土資源遙感,2003(3):58-62.

[6]何勇,董文杰,郭曉寅,等.基于MODIS的中國陸地植被生長季與氣候的關(guān)系[J].生態(tài)學報,2007,27(12):5086-5092.

[7]劉靜,銀山,張國盛，等.毛烏素沙地17年間植被覆蓋度變化的遙感監(jiān)測[J].干旱地區(qū)資源與環(huán)境,2009,23(7):162-167.

[8]樊華,卞瑋,雍會,等.新疆瑪納斯河流域綠洲生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的綜合評價：以石河子市綠洲為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2007,21(9):25-27.

[9]朱震達.中國沙漠概論 [M].修訂版.北京:科學出版社,1980：64-65.

[10]李金霞,王薩仁娜,包玉海,等.基于遙感與GIS的扎魯特旗土地鹽漬化動態(tài)監(jiān)測[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2007,21(12):57-63.

[11]金曉媚,張強,楊春杰.海流兔河流域植被分布與地形地貌及地下水位關(guān)系研究[J].地學前緣,2013,20(3):227-233.

[12]張強.海流兔流域生態(tài)植被變化與環(huán)境影響因素研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(北京),2011：9-11.

[13]李震,嚴福禮,范祥濤.中國西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系[J].遙感學報,2005,5(3):308-313.

[14]嚴建武,李春娥,袁雷,等. EOS-MODIS數(shù)據(jù)在草地資源監(jiān)測中的應用進展綜述[J].草業(yè)科學,2008,25(4):1-9.

[15]張宏斌,唐華俊.2000—2008年內(nèi)蒙古草原MODIS NDVI時空特征變化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(9):168-175.

[16]Stow D A, Hope A, McGuire D, et al. Remote sensing of vegetation and land-cover change in Arctic Tundra ecosystems[J]. Remote Sensing of Environment, 2004,89(3):281-308.

[17]Hope A S, Boynton W L, Stow D A. Interannual growth dynamics of vegetation in the Kuparuk River watershed, Alaska based on the normalized difference vegetation index[J]. International Journal of Remote Sensing, 2003,24(17):3413-3425.

[18]張學文.可降水量與地面水汽壓力的關(guān)系[J].氣象,2004,30(2):9-11.

Temporal and Spatial Variation of Leaf Area Index and Its Relation to Meteorological Factors of Hailiutu River Basin in Ordos’s Basin

LEI Lei1, WANG Shuangming2, XU Han1, PAN Guixing1

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.ShaanxiGeologicalSurvey,Xi’an，Shaanxi710065,China)

Abstract：[Objective] The relationship between the temporal and spatial variation of leaf area index(LAI) in Hailiutu River basin and some meteorological factors was analyzed after those meteorological factors were contrasted in order to provide theoretical bases for local reasonable development and the protection of ecological environment. [Methods] The time-space variation tendency of leaf area index in Hailiutu basin was analyzed using linear regression method based on image data of MODIS. And the correlations between LAI and different meteorological factors were analyzed. [Results] 90.87% of the research area’s LAI value rised constantly, and only 8.77% of that declined. The annually averaged LAI was 0.002 2/a. [Conclusions] Vegetation in the basin got better year by year. Precipitation was the most important impacting factor of vegetation growing under natural conditions. Mean temperature and relative humidity had little correlations with the leaf area index， implied that they had little effects on the vegetation growth of the Hailiutu River basin.

Keywords:LAI; precipitation; vapor pressure; mean temperature; relative humidity

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0277-04

中圖分類號：P641

收稿日期：2015-05-19修回日期：2015-07-26

資助項目：國土資源部公益行業(yè)科研項目“鄂爾多斯盆地水與生態(tài)關(guān)系研究科研平臺建設”(201311076); 國家自然科學基金青年項目(41301618); 陜西省教育廳科學研究計劃項目(14JK1182)

第一作者：雷磊(1980—),男(漢族),陜西省岐山縣人，博士，研究實習員，主要從事地下水開發(fā)利用對地表生態(tài)環(huán)境影響方面的研究。E-mail:158927042@qq.com。