青海省都蘭縣NDVI變化及影響因子研究

常 進(jìn)，張克斌，邊 振，程中秋，王黎黎，肖紅霞

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

植被是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶。地表植被對(duì)全球的能量平衡、生物化學(xué)循環(huán)、水循環(huán)等起著調(diào)控作用，對(duì)氣候系統(tǒng)變化有著深遠(yuǎn)的影響，是影響全球生態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，同時(shí)植被也具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學(xué)的良性循環(huán)［1－4］，因此植被動(dòng)態(tài)變化研究在區(qū)域乃至全球變化研究中具有重要意義。

荒漠化（特別是風(fēng)蝕荒漠化）在很大程度上表現(xiàn)為植被的退化，因此植被的動(dòng)態(tài)變化可以反映荒漠化的動(dòng)態(tài)變化?！巴恋鼗哪O(jiān)測(cè)方法”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20483—2006）中，將自然植被作為荒漠化過(guò)程監(jiān)測(cè)最重要的因子，并且將“植被蓋度”規(guī)定為荒漠化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一［5］。研究植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化可以探知荒漠化的動(dòng)態(tài)變化。研究植被變化與氣候因子（降水、氣溫）的關(guān)系可以在一定程度上了解荒漠化與氣候因子（降水、氣溫）之間的關(guān)系，有利于開(kāi)展荒漠化動(dòng)態(tài)變化的遙感研究。

NDVI（nor malized difference vegetation index，歸一化植被指數(shù)）對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)和生長(zhǎng)量非常敏感，能很好地反映地表植被的繁茂程度，NDVI的變化趨勢(shì)在一定程度上能代表地表植被覆蓋變化［6－9］。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于NDVI與氣候因子的相互關(guān)系開(kāi)展了較多研究，認(rèn)為NDVI與主要?dú)夂蛞蜃佑酗@著的相關(guān)性，但是其相關(guān)性存在明顯的地域性。不同區(qū)域的研究結(jié)果差別較大［10－15］。由于國(guó)內(nèi)的大量研究中，對(duì)高寒荒漠化地區(qū)的研究相對(duì)較少，為此我們選擇了青海都蘭縣為研究對(duì)象，并結(jié)合國(guó)家防沙治沙關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)示范項(xiàng)目，以高寒沙地退化植被恢復(fù)技術(shù)研究與試驗(yàn)示范課題為基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)都蘭縣2000—2009年NDVI與氣候因子的相關(guān)研究，反映我國(guó)高寒荒漠化地區(qū)植被變化與氣候因子的關(guān)系，為深入了解高寒荒漠區(qū)植被的生態(tài)狀況，為高寒地區(qū)的土地資源持續(xù)利用以及退化草地的植被恢復(fù)提供一些參考依據(jù)，為高寒區(qū)土地合理規(guī)劃和荒漠化的防治提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

都蘭縣位于青海省中部，柴達(dá)木盆地東南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)95°29′—99°16′，北緯35°15′—37°27′之間。地勢(shì)由東南向西北傾斜，全境可分為汗布達(dá)山地和柴達(dá)木盆地平原2種地貌類(lèi)型。境內(nèi)有沙柳河、托索河、察汗烏蘇河等大小河流40多條。

該區(qū)屬高原大陸性氣候，日差較大，年差較小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，太陽(yáng)輻射157.7～177.7 KJ/c m2，日照時(shí)間長(zhǎng)，降雨地區(qū)差異大。氣溫年內(nèi)變化1月最低為－15～10℃，7月最高為9～19.3℃，極端最低氣溫－39.2℃，極端最高氣溫33.9℃，年平均日較差12.6℃，年較差23.9～29.7℃，且西部大于東部。

降水量總的趨勢(shì)是隨海拔高度的增加而遞減，降水時(shí)空分布不均，平原區(qū)降水在37.9～200.5 mm。年蒸發(fā)2 049.6 mm，境內(nèi)平均風(fēng)速3.0～3.7 m/s。3—5月份是大風(fēng)的集中季節(jié)。年日照時(shí)數(shù)在2 903.9～3 252.6 h，全年平均日照數(shù)為7～10 h。降水較少且集中在5—9月，表現(xiàn)出雨熱同季，有利于農(nóng)作物和牧草的生長(zhǎng)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 NDVI數(shù)據(jù) 所用到的 NDVI數(shù)據(jù)集為NASA MODIS陸地產(chǎn)品組根據(jù)統(tǒng)一算法開(kāi)發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品。本研究所用的MODIS產(chǎn)品為其陸地產(chǎn)品系列中的MODIS13 A1005，即全球500 m分辨率16 d合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，時(shí)間序列為2000年1—12月。對(duì)所獲得的MODIS13 A1遙感數(shù)據(jù)集進(jìn)行子集提取、圖像鑲嵌、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理，這些處理可以采用MODTOOL.BAT以及ERDAS進(jìn)行，經(jīng)過(guò)以上處理得到質(zhì)量可靠的NDVI數(shù)據(jù)集。對(duì)每月2次的NDVI數(shù)據(jù)采用了國(guó)際通用的最大值合成MVC（maxi mu m value co mposites）法獲得，進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等的部分干擾。

式中：INDVImi——第i個(gè)16 d周期的NDVI最大合成值；INDVIij——第i個(gè)16 d周期第j天的NDVI值。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 2000—2005年的都蘭氣象數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。2006—2009年都蘭縣的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于察汗烏蘇水文站以及都蘭氣象站，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括每日最高氣溫、每日最低氣溫，日平均氣溫、月平均氣溫、月降水量等。對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，取前后2 d數(shù)值的平均值。如果缺失值達(dá)到10 d左右，則將該月數(shù)據(jù)剔除。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，求出月平均氣溫、月平均降水量等。

2.2 處理方法

2.2.1 均值法 在統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域的NDVI值時(shí)，采用均值法進(jìn)行計(jì)算，即統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有像元NDVI值的平均，公式如下：

式中：INDVap——某一區(qū)域的NDVI的平均值；p——區(qū)域代碼；x——統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)像元行數(shù)；y——統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)像元列數(shù)；n——統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)像元總數(shù)。

2.2.2 一元回歸趨勢(shì)線法 趨勢(shì)線是對(duì)一組隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)的方法［16－17］。本文通過(guò)計(jì)算植被生長(zhǎng)旺盛時(shí)期的每個(gè)像元10 a的YNDVI，用趨勢(shì)線分析法模擬該像元 值在10 a間的變化趨勢(shì)，即植被覆蓋的年際變化，公式如下：

式中：k——1－n的年序號(hào)；Y k——第k年 NDVI平均值（本文選取的是第k年植被生長(zhǎng)旺盛的8月的NDVI平均值）。變化趨勢(shì)圖反映了在研究時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)間序列中，研究地區(qū)NDVI的年際變化趨勢(shì)。某像元的趨勢(shì)線是該點(diǎn)n年的生長(zhǎng)旺季NDVI平均值用一元線性回歸模擬出來(lái)的一個(gè)總的變化趨勢(shì)，slope即為這條趨勢(shì)線的斜率。slope＞0，表示NDVI在n年間的變化趨勢(shì)是增加的，反之則減少。

2.2.3 相關(guān)分析法 綜合運(yùn)用SPSS，EXCEL等軟件對(duì)NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，討論結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 都蘭縣NDVI變化特征

3.1.1 NDVI的年內(nèi)變化特征 通過(guò)對(duì)2000—2009年都蘭縣各月的NDVI求平均值，得到2000—2009年都蘭縣1—12月的各月平均NDVI值（圖1）。圖1顯示，1—5月的NDVI值變化不明顯，1月的NDVI值最小，只有0.045，其它各月在0.05～0.10區(qū)間緩慢地波動(dòng)增加。1—5月由于平均氣溫低，同時(shí)降雨稀少，此時(shí)植被生長(zhǎng)受到抑制，NDVI值很低，5月以后，降雨的增加有利于植被的生長(zhǎng)，NDVI迅速增加，5—7月增加速度尤為明顯，到7月NDVI的增加開(kāi)始變緩，8月NDVI達(dá)到全年最大，即夏季的8月是都蘭縣植被最旺盛的月份。從8月開(kāi)始到第二年的1月，NDVI則持續(xù)下降?？偟膩?lái)看，都蘭縣植被的總體水平不高，NDVI最大值達(dá)0.22，NDVI值的年內(nèi)變化具有很強(qiáng)的季節(jié)性，月均NDVI變化顯著。

圖1 都蘭縣2000－2009年各月平均NDVI的變化

3.1.2 NDVI的年際變化特征 2000—2009年間，都蘭縣年均NDVI總體呈略微上升趨勢(shì)（圖2），上升速率為0.002 9 a。2000—2005年NDVI值在波動(dòng)中上升，到2005年NDVI值達(dá)到10 a來(lái)最大值0.201 1，說(shuō)明2000—2005年植被狀況是逐漸改善的；2005—2009年NDVI值呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明植被退化面積有所增加?？傮w而言，都蘭縣的植被狀況改善速度相對(duì)緩慢，建議加強(qiáng)植被恢復(fù)管理。

圖2 都蘭縣2000－2009年年均NDVI的變化

為了更加明確NDVI的年際空間變化，本文采用一元回歸趨勢(shì)線法計(jì)算得出的2000—2009年都蘭縣NDVI變化的趨勢(shì)圖slope的變化范圍為－0.035 2～0.058 9，平均值為0.002 9，方差為0.004 9。為了使趨勢(shì)圖中不同級(jí)別的slope都得以體現(xiàn)，將slope進(jìn)行了系統(tǒng)的分類(lèi)（圖3）。

圖3 2000－2009年都蘭縣NDVI變化趨勢(shì)分類(lèi)圖

由圖3得出，全縣植被改善和退化的面積比例約為5∶1，其中植被狀況明顯改善的面積占全縣面積的39.71%，植被退化區(qū)面積占全縣面積的17.74%。由于柴達(dá)木河的中上游地段人類(lèi)活動(dòng)頻繁，河岸帶的大片區(qū)域出現(xiàn)了植被退化的現(xiàn)象，而在柴達(dá)木河河岸緩沖帶的外圍至柴達(dá)木盆地的邊緣地區(qū)，因人為干擾強(qiáng)度不大，植被狀況有轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。在查查河、察汗烏蘇河以及柴達(dá)木河下游的大片區(qū)域，植被狀況總體改善趨勢(shì)明顯，但是在該區(qū)域夾雜著植被退化零星地帶，一方面說(shuō)明自“國(guó)家防沙治沙關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)示范項(xiàng)目”開(kāi)展以來(lái)取得了顯著的成效，另一方面也說(shuō)明人為活動(dòng)造成部分區(qū)域植被退化，建議在這些區(qū)域加強(qiáng)植被保護(hù)。

3.2 都蘭縣NDVI變化的主要因子分析

3.2.1 自然因子 都蘭縣2000—2009年的各月平均降雨和氣溫以及各年平均降雨和氣溫的統(tǒng)計(jì)情況如圖4—5所示。

圖4 都蘭縣10 a各月平均降雨量和月平均氣溫變化

圖4顯示了都蘭縣多年來(lái)各月降雨和氣溫的分布狀況?？梢钥闯鋈旮髟職鉁匚挥?℃以上的為4—10月，全年氣溫最高月出現(xiàn)在7月份，氣溫最高月與最低月相差達(dá)25.03℃，氣溫起伏變化幅度大；降雨則有明顯的旱季和雨季之分，5—9月的降雨量占了全年降雨量的84%，其余各月降雨量稀少。由圖4可以得知，都蘭縣5—9月份滿足了植被所生長(zhǎng)的水熱條件，有利于植被的恢復(fù)和生長(zhǎng)；降雨和氣溫的擬合曲線顯示，2000—2004年都蘭縣降雨量的變化幅度較大，2004—2009年降雨量變化趨于平緩，近10 a來(lái)降雨量總體呈增加趨勢(shì)。10 a來(lái)氣溫則經(jīng)歷了逐漸下降然后上升的過(guò)程，總體有相對(duì)較小的上升趨勢(shì)；降雨的上升趨勢(shì)大于氣溫的上升趨勢(shì)。本文對(duì)都蘭縣降雨和氣溫相關(guān)性進(jìn)行分析，得出如下數(shù)據(jù)表格（表1）。

表1顯示NDVI與年平均降雨、5—9月降雨量的相關(guān)性顯著（p＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.632，0.705，相關(guān)系數(shù)5—9月的降雨量＞年平均降雨，表明5—9月的降雨量直接影響著該年的植被生長(zhǎng)。NDVI與5—9月的氣溫相關(guān)性極顯著（p＜0.01），結(jié)合圖4中5—9月的月平均氣溫均＞10℃，表明5—9月的降雨量對(duì)植被生長(zhǎng)的影響比氣溫小。氣溫的快速回升，前期有利于植被生長(zhǎng)，隨著后期氣溫的持續(xù)回升，土壤的蒸發(fā)量變大，又不利于植被的生長(zhǎng)。從以上分析可以看出，5—9月的氣溫和降雨是影響都蘭縣NDVI變化的2個(gè)主導(dǎo)因素。

圖5 都蘭縣2000－2009年平均氣溫與年平均降雨擬合曲線

表1 NDVI與降雨和氣溫之間的相關(guān)系數(shù)

3.2.2 人為因素 影響都蘭縣NDVI變化的另外一個(gè)重要因素是人為因素——荒漠化治理措施?！笆濉币詠?lái)大力加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，全面實(shí)施退耕還林（草）、“三北”四期防護(hù)林等生態(tài)建設(shè)，先后在都蘭縣建立了許多人工示范點(diǎn)，如青岡灘示范點(diǎn)、安固灘人工封育示范點(diǎn)和夏日哈綜合示范點(diǎn)等，使全縣生態(tài)環(huán)境狀況得到了明顯改善。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全縣完成退耕還林（草）2.25×104h m2，其中退耕地造林種草3 133.3 h m2，周邊荒灘荒地造林種草1.34×104h m2，封沙育林育草6 000 h m2，累計(jì)人工造林2 333.3 h m2，完成封沙育林育草1.06×104h m2。同時(shí)廣泛開(kāi)展全民義務(wù)植樹(shù)活動(dòng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了全縣綠地覆蓋面。這些措施對(duì)于荒漠化防治起到了極大的作用。

通過(guò)示范區(qū)的實(shí)施，采用草場(chǎng)封育、沙障設(shè)置、改良草種、固定沙丘等手段，改善了牧區(qū)生態(tài)環(huán)境，并使示范區(qū)內(nèi)植被覆蓋度提高15%～25%，使原先脆弱的生態(tài)環(huán)境得到有效的保護(hù)。通過(guò)不間斷的改造和管護(hù)逐步使自然生態(tài)良性發(fā)展，改善了當(dāng)?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）都蘭縣NDVI變化具有明顯的季節(jié)性，5—9月的NDVI值較大，有利于植被的恢復(fù)和生長(zhǎng)，可人為采取一系列措施加快植被恢復(fù)速度。

（2）2000—2009年，都蘭縣植被總體狀況逐漸改善，年均NDVI總體上以0.002 9 a的速率上升。

（3）在自然和人為因素的雙重影響下，都蘭縣的植被狀況有所改善，全縣39.71%的面積植被明顯改善，主要位于查查河、察汗烏蘇河以及柴達(dá)木河下游的大片區(qū)域；全縣17.74%面積出現(xiàn)植被退化，主要位于柴達(dá)木河中上游河岸周?chē)膹V大區(qū)域，荒漠化治理有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

（4）氣溫和降雨是影響該區(qū)的主導(dǎo)自然因子，5—9月的降雨量與NDVI顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.705；5—9月的氣溫與NDVI極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到－0.894，5—9月的氣溫對(duì)NDVI的影響強(qiáng)于降雨。

（5）本文將氣象要素作為自然因子對(duì)同時(shí)期的NDVI進(jìn)行了相關(guān)分析，由于資料的時(shí)間跨度不夠長(zhǎng)，NDVI的變化與自然因子的內(nèi)在聯(lián)系有待進(jìn)一步研究，同時(shí)植被明顯改善地區(qū)出現(xiàn)的零星區(qū)域植被退化現(xiàn)象有待進(jìn)一步的調(diào)查研究。

［1] Yang W L，Yang L M，James W M.AVHRR－Derived NDVI and ecocli matological parameters：relations，spatial and temporal variability［C］∥ASPRS/ACSM Annual Convention ＆Exposition Technical Papers.Reno.Nevada，1994：744－755.

［2] 曾小平，趙平，孫谷疇.氣候變暖對(duì)陸生植物的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（12）：2445－2450.

［3] 徐雨晴，陸佩玲，余強(qiáng).氣候變化對(duì)植物物候影響的研究進(jìn)展［J］.資源科學(xué)，2004，26（1）：129－136.

［4] 陳彬彬，鄭有飛，趙圍強(qiáng)，等.河南林州植物物候變化特征及其原因分析［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，16（1）：12－17.

［5] 戈良朋，尹林克.基于遙感和GIS的塔里木河下游土地荒漠化的動(dòng)態(tài)變化［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2005，35（1）：86－90.

［6] 夏照華，張克斌，李瑞，等.基于NDVI的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)植被覆蓋度變化研究：以寧夏鹽池縣為例［J］.水土保持研究，2006，13（6）：179－181.

［7] 李震，閻福禮.范湘濤.中國(guó)西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系［J］.遙感學(xué)報(bào)，2005，9（3）：308－313.

［8] 李一靜，曾輝一，魏建兵.基于歸一化植被指數(shù)變化分級(jí)的深圳市植被變化［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19（5）：1064－1070.

［9] 高志海，李增元，魏懷東，等.干旱地區(qū)植被指數(shù)（Ⅵ）的適宜性研究［J］.中國(guó)沙漠，2006，26（2）：243－248.

［10] 陳曉光，李劍萍，韓穎鵑，等.寧夏近20年來(lái)植被覆蓋度及其與氣溫降水的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2007，26（9）：1375－1383.

［11] 徐興奎，林朝暉，薛峰，等.氣象因子與地表植被生長(zhǎng)相關(guān)性分析［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（2）：221－220.

［12] 陳云浩，李曉兵，史培軍.1983—1992年中國(guó)陸地NDVI變化的氣候因子驅(qū)動(dòng)分析［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25（6）：716－720.

［13] 劉綠柳，肖風(fēng)勁.黃河流域植被NDVI與溫度、降水關(guān)系的時(shí)空變化［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（5）：477－481.

［14] 李月臣，宮鵬，劉春霞，等.北方13省1982—1999年植被變化及其與氣候因子的關(guān)系［J］.資源科學(xué)，2006，28（2）：109－117.

［15] 王宏，李霞，李曉兵，等.中國(guó)東北森林氣象因子與NDVI的相關(guān)關(guān)系［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，41（4）：425－430.

［16] 李昌凌，李文軍.基于NDVI的錫盟蘇尼特左旗地表植被生物量的趨勢(shì)分析和空間格局［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境2010，24（3）：147－152.

［17] 陳燕麗，龍步菊，潘學(xué)標(biāo)，等.基于 MODIS－NDVI和氣候信息的草原植被變化監(jiān)測(cè)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（2）：230－236.