基于GIMMS NDVI指數(shù)的沙地植被時(shí)空變化規(guī)律分析--以科爾沁沙地為例

■朱芳瑩鹿化煜弋雙文

（1南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院地貌過(guò)程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210093；2 61243部隊(duì)新疆烏魯木齊830000）

基于GIMMS NDVI指數(shù)的沙地植被時(shí)空變化規(guī)律分析--以科爾沁沙地為例

■朱芳瑩1，2鹿化煜1弋雙文1

（1南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院地貌過(guò)程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室江蘇南京210093；2 61243部隊(duì)新疆烏魯木齊830000）

本文通過(guò)植被指數(shù)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)歷年植被生長(zhǎng)變化特點(diǎn)，有助于我們從宏觀上認(rèn)識(shí)沙地綠色植被在年、月時(shí)間尺度的變化規(guī)律，為防沙治沙工作提供理論依據(jù)。研究認(rèn)為，1982-2006年的25年間，科爾沁沙地綠色植被覆蓋度整體呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但仍有1.88%和11.31%的地區(qū)植被出現(xiàn)顯著衰退和衰退；科爾沁沙地植被的生長(zhǎng)期為每年的6-10月，其中7月下旬、整個(gè)8月以及9月上旬綠色植被達(dá)到峰值。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）科爾沁沙地時(shí)空變化

我國(guó)北方四大沙地（呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地、毛烏素沙地）總面積超12萬(wàn)平方千米，該區(qū)域是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件最為嚴(yán)酷、生態(tài)環(huán)境最為脆弱、人地矛盾和人水矛盾最為突出、土沙轉(zhuǎn)換最為頻繁，防治難度最大的地區(qū)。而綠色植被，正是屹立在這片廣袤土地上的最有利的生力軍，通過(guò)研究歷年綠色植被生長(zhǎng)變化特點(diǎn)，有助于我們從宏觀上認(rèn)識(shí)沙地植被在年、月間的生長(zhǎng)變化規(guī)律，有利于我們尋找和發(fā)現(xiàn)在防沙治沙過(guò)程中存在的問(wèn)題，為防沙治沙工作提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

科爾沁沙地位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，西遼河中下游的赤峰市和通遼市一帶，總面積約5萬(wàn)平方千米【1】，沙地的東部及各個(gè)河流谷地處多為一年一熟的糧食作物，以春小麥，大豆、玉米、高粱為主；沙地內(nèi)部以草原沙地錦雞兒、柳、蒿灌叢、沙生灌叢為主，有少量針茅草原相間其中；沙地西部則多為貝加爾針茅草原，其中夾雜有少量的落葉櫟林。（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)1：400萬(wàn)全要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）

GIMMS NOAA/AVHRR NDVI全球植被指數(shù)變化數(shù)據(jù)集由全球總量監(jiān)測(cè)和模擬研究組（Global Inventory Monitoring and Modeling Studies，GIMMS）收集處理。該數(shù)據(jù)集涵蓋自1981至2006年共26年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)，采用ALBERS投影，時(shí)間分辨率是15天，空間分辨率是8km。每月有上、下半月兩個(gè)值，每年共24幅圖像。GIMMS數(shù)據(jù)集的處理過(guò)程包括校正遙感器靈敏度隨時(shí)間的變化、太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星軌道的漂移等影響；消除EL Chichon和Pinatubo火山爆發(fā)導(dǎo)致的大氣氣溶膠的影響。GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)具有時(shí)間序列長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、時(shí)空可比性強(qiáng)的植被動(dòng)態(tài)變化表征能力等特點(diǎn)【2、3】，已被廣泛應(yīng)用于全球及區(qū)域尺度的植被動(dòng)態(tài)研究之中。

2　綠色植被覆蓋狀況及生長(zhǎng)期分析

使用GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，計(jì)算各年份年最大NDVI值，求取多年NDVI的平均值，獲得1982-2006年科爾沁沙地多年平均植被覆蓋圖。

經(jīng)計(jì)算，科爾沁沙地多年平均植被覆蓋度約為55%，空間分布表現(xiàn)為：沙地西部是極低、低覆蓋度的片狀集中分布區(qū)；沙地北部是低、中覆蓋度分布區(qū)；沙地中、東南部是以中、高、極高覆蓋度為主的多類型復(fù)雜交錯(cuò)區(qū)域。

研究認(rèn)為，在植物越冬后，由黃色變?yōu)榫G色并恢復(fù)生長(zhǎng)，即為返青，一個(gè)地區(qū)半數(shù)植被返青的時(shí)間點(diǎn)被認(rèn)為是返青期；同理，當(dāng)一個(gè)地區(qū)60%的植被枯黃后，認(rèn)為枯黃期隨之到來(lái)。返青期與枯黃期之間的時(shí)段，稱為綠色植被生長(zhǎng)期。所以，當(dāng)植被覆蓋度大于55% *50%=27.5%時(shí)，即≥0.31時(shí)，我們認(rèn)為植被的返青期到來(lái)。當(dāng)植被覆蓋度小于55%*40%=22%時(shí)，即≤0.27時(shí)，植被進(jìn)入枯黃期。通過(guò)累年各月NDVI變化圖可知，科爾沁沙地在6月下旬迎來(lái)植被的返青，7月下旬、整個(gè)8月以及9月上旬綠色植被達(dá)到峰值，10月中下旬進(jìn)入枯黃期，沙地植被生長(zhǎng)期為每年的6-10月。接下來(lái)，通過(guò)的分級(jí)，逐旬分析科爾沁沙地植被覆蓋度的空間演變。

六月上旬，沙地新開(kāi)河以南，老哈河以東的大片地區(qū)返青；六月下旬，沙地的北部、霍林河一帶綠色植被覆蓋度明顯提高。

七月上旬，較之之前，沙地的綠色植被覆蓋度有了較為明顯的提高，除西南部、西拉木倫河與老哈河之間沙層較厚的區(qū)域綠色植被覆蓋度低于20%外，其余大部綠色植被覆蓋度已達(dá)到或已突破40%。七月中旬，植被進(jìn)入快速生長(zhǎng)和迅速展葉的階段，沙地整體變綠，極高綠色植被覆蓋區(qū)成片出現(xiàn)，占到總面積的3%，主要分布在西遼河河流沿岸處。七月下旬，沙地植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)入巔峰階段。

八月上旬，西遼河一帶的極高綠色植被覆蓋區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，形成沿河流分布的細(xì)長(zhǎng)條帶；但西南部線性沙壟綠色植被蓋度仍小于20%的，這片區(qū)域在植被長(zhǎng)勢(shì)最好的8月上、中旬仍然裸露地表，說(shuō)明這里是常年不長(zhǎng)植被的裸露沙地的典型代表，這片區(qū)域占到沙地總面積的11%。8月中旬是一年中植被狀況最好的時(shí)候。8月下旬開(kāi)始，高植被覆蓋度的土地面積開(kāi)始減少，而近幾個(gè)月持續(xù)減少的低覆蓋度區(qū)域面積開(kāi)始波動(dòng)增加，植被生長(zhǎng)從巔峰態(tài)勢(shì)進(jìn)入回落階段。

九月上旬，西遼河沿岸地區(qū)綠色植被蓋度明顯降低；沙地東部率先出現(xiàn)由植被覆蓋高密度區(qū)向中密度區(qū)的轉(zhuǎn)變；九月中旬至九月下旬，沙地北部、西部、西南部植被幾乎全部開(kāi)始枯黃，綠色植被蓋度逐漸向低于40%的方向轉(zhuǎn)變。

十月，沙地逐步進(jìn)入枯黃期，至十月末，沙地的整體綠色植被蓋度已不足15%，沙地完全進(jìn)入植被枯黃期。

3　1982-2006年來(lái)沙地綠色植被的時(shí)空變化

從科爾沁沙地植被覆蓋度年際變化曲線看，沙地植被極低覆蓋區(qū)（Pv＜20%）占全區(qū)不到2%的面積，近八成的土地都屬于中、高植被覆蓋度區(qū)域（40%＜Pv＜80%）。從各年變化來(lái)看，2002年以后，年植被覆蓋度均超過(guò)60%。2003年出現(xiàn)植被覆蓋度最大值，是綠色植被生長(zhǎng)的旺盛年，1982年植被覆蓋度最小，也是生長(zhǎng)枯年。

通過(guò)趨勢(shì)線分析，1982-2006的25年間，科爾沁沙地年植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，這與通過(guò)MODISNDVI數(shù)據(jù)得出的結(jié)論相一致【13】。由20世紀(jì)80年代初的46%增長(zhǎng)到2000年后的63%，每年植被覆蓋度增長(zhǎng)約0.6個(gè)百分點(diǎn)，且呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。

我們選取NDVI值最小的1982-1987年，以及NDVI最大的2002-2006年的科爾沁沙地年NDVI，通過(guò)柵格計(jì)算器，分析25年來(lái)沙地植被覆蓋的空間變化狀況。

分析可知，科爾沁沙地，整體呈現(xiàn)植被覆蓋度的增長(zhǎng)和顯著增長(zhǎng)，但植被覆蓋度顯著衰退和衰退的區(qū)域分別占到區(qū)域總面積的1.88%和11.31%。其中教來(lái)河，西遼河、新開(kāi)河一帶沙漠化變動(dòng)較為頻繁的區(qū)域，植被覆蓋度不斷提高；沙地西部、西北部，本就處于極低、低植被覆蓋的區(qū)域（圖2），植被仍出現(xiàn)衰退或顯著衰退現(xiàn)象，沙漠化程度不斷加劇，情況不容樂(lè)觀。此外，沙地北部，霍林河沿岸區(qū)域，處于低、中植被覆蓋區(qū)，多年來(lái)植被覆蓋度出現(xiàn)衰退或顯著衰退，雖原有植被覆蓋度較高（圖2），但日益嚴(yán)重的植被衰退，仍需要引起高度重視。裘善文認(rèn)為，老哈河上游的紅山水庫(kù)，霍林河西段的向海水庫(kù)等，這些在半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)的大河上游修建的大型水庫(kù)，會(huì)致使河床干涸，河漫灘暴露【14】。這或許是導(dǎo)致綠色植被覆蓋度顯著衰退的潛在因素。

4　結(jié)論

（1）科爾沁沙地多年平均植被覆蓋度約為55%，空間表現(xiàn)為沙地中、東部植被覆蓋度高于西、北部。

（2）科爾沁沙地的植被生長(zhǎng)期為每年的6-10月，其中7月下旬、整個(gè)8月以及9月上旬綠色植被達(dá)到峰值。

（3）25年來(lái)，沙地年植被覆蓋度由20世紀(jì)80年代初的46%增長(zhǎng)到2000年后的63%，每年植被覆蓋度增長(zhǎng)約0.6個(gè)百分點(diǎn)，且呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。

（4）25年來(lái)，沙地整體呈現(xiàn)植被覆蓋度的增長(zhǎng)和顯著增長(zhǎng)，但植被覆蓋度顯著衰退和衰退的區(qū)域分別占到區(qū)域總面積的1.88%和11.31%。

致謝：感謝吳霜葉教授、曾曉勇副教授、曾琳先生等的幫助。本研究得到了庫(kù)姆塔格沙漠科學(xué)綜合考察項(xiàng)目（2012FY111700）、戈壁生態(tài)系統(tǒng)地質(zhì)本底調(diào)查和中國(guó)沙漠沙地志編寫(xiě)項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

［［1］朱芳瑩等，中國(guó)北方沙漠 （沙地）地理底圖繪制與地表動(dòng)態(tài)過(guò)程分析--來(lái)自3S技術(shù)的新結(jié)果.第四紀(jì)研究，2013（03）：第197-205頁(yè).

［2］Fensholt，R.，et al.，Evaluation of earth observation based long term vegetation trends-Intercomparing NDVI time series trend analysis consistency of Sahel from AVHRR GIMMS，Terra MODIS and SPOT VGT data.Remote Sensing of Environment，2009.113（9）：p. 1886-1898.

［3］Beck，P.S.A.，Satellite observations of high northern latitude vegetation productivity changes between 1982 and 2008：ecological variability and regional differences.Environmental Research Letters，2011.6：p.045501.

［4］Chen，P.Y.，et al.，Evaluating different NDVI composite techniques using NOAA-14 AVHRR data.International Journal of Remote Sensing，2003.24（17）：p.3403-3412.

［5］du Plessis，W.P.，Linear regression relationships between NDVI，vegetation and rainfall in Etosha National Park，Namibia.Journal of Arid Environments，1999.42（4）：p.235-260.

［6］張戈麗等，近30年來(lái)呼倫貝爾地區(qū)草地植被變化對(duì)氣候變化的響應(yīng).地理學(xué)報(bào)，2011（01）：第47-58頁(yè).

［7］張?jiān)聟驳?，基于SPOT NDVI的華北北部地表植被覆蓋變化趨勢(shì).地理研究，2008 （04）：第745-754+973頁(yè).

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［9］方精云等，近20年來(lái)中國(guó)植被活動(dòng)在增強(qiáng).中國(guó)科學(xué) （C輯：生命科學(xué)），2003（06）：第554-565+578-579頁(yè).

［10］陳晉等，基于土地覆蓋分類的植被覆蓋率估算亞像元模型與應(yīng)用.遙感學(xué)報(bào)，2001. 5（6）：第416-422頁(yè).

［11］陳效逑與王恒，1982-2003年內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度的時(shí)空變化.地理學(xué)報(bào)，2009（01）：第84-94頁(yè).

［12］劉廣峰等，基于像元二分模型的沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提取--以毛烏素沙地為例.水土保持研究，2007（02）：第268-271頁(yè).

［13］杜子濤等，基于MODIS NDVI的科爾沁沙地荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).國(guó)土資源遙感，2009 （02）：第14-18頁(yè).

［14］裘善文，中國(guó)東北平原西部沙漠化現(xiàn)狀、成因及其治理途徑研究.中國(guó)沙漠，2004 （02）：第12-16頁(yè).

P631［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-289-3