21世紀(jì)初毛烏素沙地NDVI時(shí)空變化特征及影響因素

王靜璞　張曉鳳　宗敏

摘 要：該文利用MODIS歸一化植被指數(shù)（NDVI）對(duì)2000—2012年間毛烏素沙地NDVI的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，并分析了NDVI與氣候因子之間的關(guān)系，結(jié)論如下：（1）研究區(qū)植被生長呈現(xiàn)單峰型，月平均NDVI最大和最小值分別為8月和1月；（2）月平均NDVI與月平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.96**，與月平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.85**；（3）2000—2012年，研究區(qū)年平均NDVI值顯著增加（R=0.85**），增速為0.1/10a，NDVI隨降水量的增加而增加（R=0.53*）；（4）受氣候因素和人為因素的共同影響，研究區(qū)NDVI的空間變化沒有明顯的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：MODIS NDVI 毛烏素沙地 時(shí)空變化 氣候因子 相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)：X321.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0160-03

植被是大自然的“指示器”[1]，調(diào)節(jié)著全球的氣候和環(huán)境，影響著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。植被變化近年來被廣泛關(guān)注，特別是隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，長時(shí)間序列的植被指數(shù)在陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中得到廣泛應(yīng)用。植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、植被長勢和生物量等指標(biāo)的重要指示參數(shù)[2-4]。

毛烏素沙地位于我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)的中間地帶，是我國重要的生態(tài)屏障，其生態(tài)環(huán)境具有敏感性和脆弱性的特征[5-7]。對(duì)2000年以來毛烏素沙地植被生長狀況的時(shí)空變化特征的研究，對(duì)于客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)21世紀(jì)以來我國毛烏素沙地沙漠化治理效果，并根據(jù)沙漠化發(fā)展情況及時(shí)采取有效控制措施具有重要意義。

該文以空間分辨率250 m、時(shí)間分辨率16day的MODIS NDVI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，研究毛烏素沙地2000—2012年NDVI的時(shí)空變化特征及其與氣溫、降水的響應(yīng)關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯36°49′～40°11′，東經(jīng)106°20′～111°。沙地年平均氣溫6 ℃～8.5 ℃，年平均降水量由東南部的440 mm，向西遞減至250 mm，全區(qū)最大降水量集中在7～9月，相較我國西北地區(qū)其他沙漠降水較多；地表水和地下水也較豐富，地表徑流量達(dá)14億m3；全年蒸發(fā)量1800～2 500 mm，是降水量的4～10倍[8]。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

毛烏素沙地鄂托克旗、伊金霍洛旗、鹽池縣、定邊縣、橫山縣、榆林縣、靖邊縣和神木縣8個(gè)氣象站，2000—2012年逐日溫度、降水量數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

該文使用美國航空航天局提供的MODIS數(shù)據(jù)集，時(shí)間分辨率16 d，空間分辨率250 m。對(duì)獲取的2000—2012年研究區(qū)植被指數(shù)產(chǎn)品用MRT軟件進(jìn)行投影變換、格式轉(zhuǎn)化，提取其中的NDVI圖層，得到研究區(qū)2013年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)。該MODIS NDVI數(shù)據(jù)集己經(jīng)過了輻射校正、幾何校正、大氣校正等一系列校正，這些校正處理可以有效地消除噪音，去除云、其它大氣氣溶膠和冰雪等影響[9-10]。

2.2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

利用最大值合成法，把一年中分辨率16d的23期NDVI影像合成為1年12期的月NDVI影像，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出NDVI多年各月平均值、各年平均值來分析研究區(qū)植被NDVI的時(shí)空變化，并在Excel表格中制成NDVI年內(nèi)、年際變化曲線圖和趨勢圖，進(jìn)而分析植被指數(shù)的時(shí)間變化特征。為了分析毛烏素沙地NDVI的空間變化情況，在ENVI軟件中利用掩膜方法，去除掉研究區(qū)以外的無用區(qū)域，并賦值為0。利用Band Math，計(jì)算不同期影像NDVI值的變化。

3 結(jié)果分析

3.1 NDVI年內(nèi)變化及對(duì)氣候因子的響應(yīng)

用均值法計(jì)算出毛烏素沙地2000—2012年各月的NDVI平均值，由此得到月平均NDVI值的年內(nèi)變化特征曲線（圖1）。毛烏素沙地NDVI的年內(nèi)變化有很強(qiáng)的季節(jié)性，植被生長呈現(xiàn)單峰型。NDVI最大值出現(xiàn)在8月，為0.31；1月達(dá)到最低值0.12。12月到次年3月NDVI基本無變化，是由于冬季（12月至次年2月），研究區(qū)植被生長處于停滯狀態(tài)；3月溫度增加，降水量增多，植被開始返青，NDVI值小幅上漲；4月，溫度穩(wěn)步回升，降水急劇增加，植被進(jìn)入快速生長階段，NDVI增加迅速，8月達(dá)到最大；9～11月研究區(qū)植被進(jìn)入黃枯期，NDVI快速下降。相對(duì)于春、夏季NDVI增加的速度，秋季NDVI下降速度較快，這是因?yàn)榍锛窘邓考眲p少，廣泛生長在沙地的旱生植物受水分影響大，一旦水分不足，即處于休眠或假死狀態(tài)，且秋季大風(fēng)次數(shù)增加，沙地用于治沙固沙防沙的人工植被沙柳、小葉楊等，都屬于落葉植物，強(qiáng)勁的風(fēng)力加速了植被的落葉，使得秋季NDVI快速下降。2000～2012年，研究區(qū)月平均NDVI與月平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.96**（P=0.00），與月平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.85**（P=0.00），說明毛烏素沙地NDVI年內(nèi)變化與氣候因子具有良好的相關(guān)性。

3.2 NDVI年際變化及對(duì)氣候因子的響應(yīng)

采用NDVI均值法計(jì)算2000—2012年毛烏素沙地每年的NDVI平均值（圖2）。2000—2012年，研究區(qū)年平均NDVI值極顯著增加（P=0.00），從0.26增加到0.40，增速為0.1/10a，表明自2000年以來，研究區(qū)在水土保持生態(tài)工程、退耕還林工程、天然林保護(hù)工程、“三北”防護(hù)林工程、防沙治沙工程、生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)縣[10]等一大批國家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)的支持下，人工固沙防沙措施開展并保持良好，植被覆蓋面積增加，生態(tài)環(huán)境明顯改善，沙漠化治理效果顯著。這些地區(qū)氣候條件較好，植被覆蓋情況越來越好。2000—2012年，研究區(qū)平均溫度明顯降低，年均降水量呈自然地年際波動(dòng)，有微弱的增加趨勢。

為了進(jìn)一步明確研究區(qū)NDVI與氣候因子的關(guān)系，利用年均NDVI、溫度和降水量數(shù)據(jù)，對(duì)這三者的相關(guān)性做了分析。結(jié)果表明，毛烏素沙地年均NDVI和年平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.53*（P=0.03），隨著降水量的增加，NDVI值明顯升高，植被覆蓋增加；年均NDVI和年平均溫度沒有顯著的相關(guān)性。這是由于沙漠地區(qū)氣候干燥、降水稀少、溫度較高、日照強(qiáng)烈，在沙漠中生長的旱生植物、沙生植物對(duì)水分都非常敏感，降水量的增加促進(jìn)了沙地植被的生長。

3.3 NDVI空間變化

2000—2012年，毛烏素沙地NDVI的空間變化沒有明顯的規(guī)律。研究區(qū)植被復(fù)雜，主要有3類：一是在流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘分布處生長的自然植被；二是被用于固沙治沙的人工植被；三是農(nóng)田。研究區(qū)鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗廣泛分布著流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘，受風(fēng)力影響，沙丘移動(dòng)較快，速度為3.5～9.5 m/a，沙丘的快速移動(dòng)會(huì)對(duì)自然植被造成掩埋，而且這些植物對(duì)水分非常敏感，生長情況易受氣候因素的影響，變化性強(qiáng)、不穩(wěn)定；研究區(qū)定邊縣、靖邊縣、橫山縣、榆林縣和神木縣開展了持續(xù)的固沙造林運(yùn)動(dòng)，大量適合在沙地生長的植物，被用于“前擋后拉”等固沙措施，以固定沙丘、改良沙地生態(tài)環(huán)境。由此可見，毛烏素沙地的植被不僅受到氣候因素的影響，還受到大量的人為因素的影響，所以植被的空間變化沒有明顯的規(guī)律。

4 結(jié)語

2000—2012年，毛烏素沙地NDVI的年內(nèi)變化有很強(qiáng)的季節(jié)性，植被生長呈現(xiàn)單峰型。NDVI最大值出現(xiàn)在8月，為0.31；1月達(dá)到最低值0.12；NDVI年內(nèi)變化與氣候因子具有良好的相關(guān)性，月平均NDVI與月平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.96**（P=0.00），與月平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.85**（P=0.00）。

2000—2012年，毛烏素沙地年平均NDVI顯著增加，增速為0.1/10a，植被覆蓋增加主要受降水量的影響，隨著降水量的增加，NDVI值明顯升高。由于研究區(qū)植被類型復(fù)雜，包括自然植被、人工植被和農(nóng)田等，不僅受到氣候因素的影響，還受到大量人為因素的影響，所以NDVI的空間變化沒有明顯的規(guī)律。

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