基于MODIS數(shù)據(jù)的阿拉善盟植被指數(shù)變化的地形分異性

潘霞，汪季, ，張勇，高永, *，王禎儀

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 中央與地方共建風(fēng)沙物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3. 內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400

在全球及區(qū)域尺度上，地帶性氣候決定了植被分布格局；在景觀尺度上，非地帶性因素是植被分布格局的關(guān)鍵因素（張慶等，2011）。植被的空間分布格局是不同尺度上環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。地形作為非地帶性因素中的重要限制因素，不僅通過(guò)地貌過(guò)程對(duì)植被產(chǎn)生直接作用，而且通過(guò)地貌形態(tài)的起伏變化控制水熱等因子的空間再分配，從而間接影響植被的空間格局（陳瑤等，2006）。阿拉善盟被稱為中國(guó)“生態(tài)環(huán)境重度危急區(qū)”，同時(shí)也是中國(guó)北方地區(qū)的“天然保護(hù)屏障”，該區(qū)域在現(xiàn)今的西部環(huán)境和生態(tài)研究中占有極其重要的地位（He et al.，2007；Yao et al.，2011；Yang et al.，2014）。因此，及時(shí)、科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)阿拉善盟植被指數(shù)的地形分異特性，對(duì)科學(xué)評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境和正確理解植被與地形變化具有重要的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Differences Vegetation Index，NDVI）是表征植被生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)之一（信忠保等，2007；韋振鋒等，2014），同時(shí)也可以表示植被覆蓋狀況（李月臣等，2005；鈔振華等，2012；王志慧等，2013；王曉利等，2013；付剛等，2015）、植被年際變化特征及空間變異性（張宏斌等，2009；陳效逑等，2009；王娟等，2012）。隨著氣候變暖，氣候因子與植被生長(zhǎng)間的關(guān)系受到眾多學(xué)者的高度關(guān)注（韓輝邦，2017）。李小燕等（2013）對(duì)漢江流域 NDVI與水熱指數(shù)時(shí)空變化及其相關(guān)性展開研究，發(fā)現(xiàn)NDVI與水熱指數(shù)之間呈現(xiàn)出高度正相關(guān)，但人類通過(guò)各種方式改變著地表覆蓋和水熱組合，使得兩者之間的高度正相關(guān)在局部地區(qū)受到影響。Paruelo et al.（2010）利用時(shí)間尺度上歸一化植被指數(shù)研究了氣候與植被格局的響應(yīng)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)年均降雨量是草地和灌木林的主要影響因素。Hill et al.（2004）利用AVHRR NDVI數(shù)據(jù)探討了植被分布與氣候之間的關(guān)系，研究表明利用植被分布和氣候因子的相關(guān)性可以計(jì)算其生長(zhǎng)率。

以往研究著重于植被變化與氣候因子之間的關(guān)系，并普遍認(rèn)為氣候因子才是影響植被變化的主要關(guān)鍵因子，而關(guān)于自然因素中地形分異性對(duì)植被空間分布及其穩(wěn)定性的影響研究較少。鑒于此，本研究以搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上由MODIS傳感器獲取的 MOD13Q1數(shù)據(jù)集和數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS空間分析功能和冪函數(shù)擬合方程提取植被指數(shù)與相關(guān)地形因子，利用地形特征的分異性揭示植被空間分布規(guī)律，為該區(qū)植被建植與生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉善盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端（97°10′－106°52′E，37°24′－42°47′N）（圖 1），總土地面積約為 2.7×105km2，深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋（Hill et al.，2004；何明珠等，2010）。該區(qū)是半干旱草原向干旱極干旱荒漠的過(guò)渡區(qū)，平均海拔高度 1250 m，年平均降雨量變幅在40－200 mm之間，年平均蒸發(fā)量可達(dá)3934 mm，年平均風(fēng)速3.02－3.53 m·s-1，氣候特點(diǎn)是干旱少雨、夏熱冬寒、日照充足、沙塵天氣頻繁（姚正毅等，2008a；姚正毅等，2008b）。區(qū)內(nèi)植被稀少，以多年生灌木和半灌木為主，且植被主要?jiǎng)澐譃?個(gè)亞類型，即典型荒漠植被區(qū)、草原化荒漠區(qū)、荒漠化草原區(qū)及沙生植被區(qū)（李新榮等，2009；李春筱等，2011）。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）植被指數(shù)數(shù)據(jù)。采用美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的陸地專題產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)集?？臻g分辨率：250 m×250 m，時(shí)間分辨率：16 d，投影類型：Sinusoidal/WGS84；時(shí)間范圍：2000－2016年（7－9月）。

（2）DEM 數(shù)據(jù)。采用由中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云提供的SRTM-DEM數(shù)據(jù)。空間分辨率：90 m；投影類型：UTM/WGS84。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）植被指數(shù)的提取。利用 MRT（MODIS Reprojection Tool）工具對(duì)MOD13Q1影像進(jìn)行批量格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換，Hdf格式轉(zhuǎn)換為 Geotiff，Sinusoidal投影轉(zhuǎn)換為 WGS84/China Lambert Conformal Conic。在ENVI 5.1中利用波段計(jì)算功能和最大值合成法提取并合成逐月和逐年 NDVI影像，有效地去除云、大氣及太陽(yáng)高度角等產(chǎn)生的影響。根據(jù)研究區(qū)矢量圖進(jìn)行影像裁剪，并完成柵格統(tǒng)計(jì)等內(nèi)容。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 The location of study region

（2）地形因子的提取與分級(jí)。利用 ArcGIS的空間分析工具，從研究區(qū)DEM中提取高程、坡度、坡向及地形起伏度信息。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，將高程劃分為：727－800、800－1000、1000－1200、1200－1400、1400－1600、1600－1800、＞1800 m共7個(gè)等級(jí)。依據(jù)為中國(guó)科學(xué)院地理研究所編制的中國(guó)1∶1000000地貌圖制圖規(guī)范（中國(guó)科學(xué)院地理研究所，1987），將研究區(qū)坡度劃分為：0－2、2－5、5－15、15－25、25－35、35－40、40－45、＞45(°)共8個(gè)等級(jí)。按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°的夾角將坡向依次劃分為：Flat（－1°）、N（0－22.5°）（337.5°－360°）、NE（22.5°－67.5°）、E（67.5°－112.5°）、SE（112.5°－157.5°）、S（157.5°－202.5°）、SW（202.5°－247.5°）、W（247.5°－292.5°）、NW（292.5°－337.5°），共9個(gè)等級(jí)（見表1）。

（3）地形起伏度的提取與計(jì)算。地形起伏度的提取是在ArcInfo的GRID模塊支持下，利用移動(dòng)窗口分析法來(lái)實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)窗口分析指對(duì)于柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)柵格點(diǎn)或全部數(shù)據(jù)，開辟一個(gè)有固定分析半徑的窗口（分析半徑指矩形移動(dòng)窗口的邊長(zhǎng)），并在該窗口內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，或與其他層面的信息進(jìn)行必要的復(fù)合，從而實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)有效的水平方向擴(kuò)展分析（郭芳芳等，2008）。

地形起伏度是定量描述區(qū)域地貌形態(tài)，劃分地貌類型的重要參數(shù)之一（趙帥等，2012）。用一定面積內(nèi)所有柵格中最大高程和最小高程之差來(lái)表示（郭芳芳等，2008；劉穎等，2015）。公式如下：

式中，△Hij為研究區(qū)的高程差；hij,max為像元高程的最大值；hij,min為像元高程的最小值。i和j為網(wǎng)格大小，其中，i=3, 4,……, 15；j=3, 4, ……, 15。由此得到網(wǎng)格單元n×n像元（n=3, 4,……, 15）與地形起伏度的關(guān)系（表2）。

研究地形起伏度的關(guān)鍵是確定最佳統(tǒng)計(jì)地理單元以反映真實(shí)的地形起伏，也就是定義某一個(gè)確定面積（賈旭等，2017）。根據(jù)最優(yōu)判定系數(shù)和擬合度，采用冪函數(shù)方程進(jìn)行擬合，冪函數(shù)擬合方程如圖2所示，其中y為每一個(gè)網(wǎng)格單元的平均起伏度，x為每個(gè)柵格的面積。

由圖2可知，當(dāng)y=89.128x0.2419時(shí)，判定系數(shù)R2=0.8906最大（判定系數(shù)最大為 1，越接近于 1表示結(jié)果越精確），擬合度較好。當(dāng)面積在9－64 m2范圍內(nèi)時(shí)，地勢(shì)起伏度隨著面積的增加而增大，當(dāng)面積增加到一定閾值時(shí)，地勢(shì)起伏度突然上升而后下降，在變化過(guò)程中存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，該點(diǎn)（9×9，81 m2）就是曲線的閾值。因此，該研究區(qū)的最佳地理單元為0.26 km2。下文提取的阿拉善盟地形起伏度都是基于9×9（81 m2）分析窗口下的數(shù)據(jù)。確定好提取地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元后，在最佳統(tǒng)計(jì)單元的基礎(chǔ)上，獲取阿拉善盟的地形起伏度信息。同時(shí)，根據(jù)中國(guó)科學(xué)院地理研究所編制的中國(guó)1∶1000000地貌圖制圖規(guī)范（中國(guó)科學(xué)院地理研究所，1987）和已有研究成果（哈凱等，2015），對(duì)地形起伏度進(jìn)行劃分：0－30，30－70，70－200，200－500，500－1000，共5個(gè)等級(jí)（見表1）。

表1 地形因子劃分范圍與等級(jí)Table 1 Range and level of different topographic factors

表2 研究區(qū)網(wǎng)格單元與地形起伏度關(guān)系Table 2 Relationship of grid cell and relief amplitude in the study region

圖2 地形起伏度變化擬合曲線Fig. 2 Fitting curve of relief amplitude change

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)基本地形特征

阿拉善盟地勢(shì)南高北低，且以中山區(qū)（高程為1000－1600 m）為主，所占比例高達(dá)79.05%，是阿拉善盟占地面積最大的高程級(jí)別區(qū)。該區(qū)的坡度以第Ⅰ（0－2°）、Ⅱ（2°－5°）級(jí)別區(qū)為主，占總土地面積比例高達(dá)90.62%，在空間分布上呈分散狀態(tài)。此外，該區(qū)的陡坡、急陡坡、急坡及險(xiǎn)坡所占比例僅為0.28%?？梢姡⒗泼说匦问制教?。除此之外，阿拉善盟土地在不同坡向上都有所分布，且所占比例差距較小，分布較為均勻。其中，北和東北坡向所占比例最大，分別為 14.25%和13.13%。坡向小于 0的平坡所占比例最少，僅為0.44%。地形起伏度級(jí)別區(qū)以平原和臺(tái)地為主，所占比例高達(dá)87.83%。由此可知，阿拉善盟地形起伏較小，且以平原為主（圖3和表3）。

2.2 植被指數(shù)空間分布特征

圖3 地形因子分級(jí)圖Fig. 3 Hierarchical map of topographic factors

表3 地形因子等級(jí)區(qū)所占面積與比例Table 3 Area and proportion of different topographic factor level

圖4 2000—2016年阿拉善盟植被指數(shù)空間分布特征Fig. 4 Spatial distribution characteristic of vegetation index in Alxa League from 2000 to 2016

圖5 不同高程范圍內(nèi)平均植被指數(shù)的分布特征Fig. 5 Distribution characteristics of average vegetation index in different elevation range

如圖4所示，植被指數(shù)的高值區(qū)（＞0.5）和中高值區(qū)（0.3－0.5）集中分布于額濟(jì)納旗東北部的七道橋胡楊林自然保護(hù)區(qū)、阿拉善左旗東南部的賀蘭山自然保護(hù)區(qū)及西南部的部分邊緣。植被指數(shù)的中低值區(qū)（0.1－0.2）廣泛分布于阿拉善左旗和阿拉善右旗的東南部地區(qū)。植被指數(shù)的低值區(qū)集中分布于額濟(jì)納旗和阿拉善右旗的西北部地區(qū)?；贕IS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析?？傮w而言，阿拉善盟植被指數(shù)呈現(xiàn)東南部高、西北部低的空間分布特點(diǎn)。

2.3 地形因子對(duì)植被指數(shù)的影響

2.3.1 高程對(duì)植被指數(shù)的影響

將高程圖與植被指數(shù)圖進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到單位高程內(nèi)的植被指數(shù)分布。由圖5可知，植被指數(shù)均值隨著高程的升高呈現(xiàn)先升高后下降再升高的變化趨勢(shì)。高程在727－1000 m范圍內(nèi)的低山區(qū)中植被指數(shù)均值最小（0.41），而在高程范圍1000－1600 m內(nèi)的中山區(qū)上最大（0.78），大于1600 m高程范圍內(nèi)的高山區(qū)中植被指數(shù)均值居中（0.75）?？梢姡搮^(qū)的植被指數(shù)主要分布于1000－1600 m高程范圍內(nèi)的中山區(qū)。

2.3.2 坡度對(duì)植被指數(shù)的影響

圖6 不同坡度范圍內(nèi)平均植被指數(shù)的分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of average vegetation index in different slope range

將坡度圖與植被指數(shù)圖進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到不同坡度范圍內(nèi)的植被指數(shù)分布。由圖6可知，植被指數(shù)均值隨著坡度的增加基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。植被指數(shù)均值的最大值（0.36）出現(xiàn)在坡度＞45°的險(xiǎn)坡，最小值（0.09）出現(xiàn)在0－2°的坡度范圍之間。植被指數(shù)均值在 0－2°、2°－5°及 5°－15°范圍之間的變化趨勢(shì)較穩(wěn)定，呈現(xiàn)緩慢升高的趨勢(shì)；15°－25°、25°－35°及 35°－40°范圍之間植被指數(shù)均值（分別為0.16、0.26、0.34）的變化幅度較大。植被指數(shù)均值在 35°－40°、40°－45°及＞45°坡度范圍之間的變化幅度相對(duì)穩(wěn)定，但在40°－45°坡度范圍上略有下降?？傮w而言，植被指數(shù)均值主要集中分布在坡度＞15°的地區(qū)，所占比例高達(dá)85%。

2.3.3 坡向?qū)χ脖恢笖?shù)的影響

將坡向圖與植被指數(shù)圖進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到不同坡向上的植被指數(shù)均值。由圖7可知，不同坡向之間的植被指數(shù)均值差異明顯，植被指數(shù)均值的變化范圍在0.092－0.100之間。植被指數(shù)均值的最高值出現(xiàn)在西坡，為0.11；最小值出現(xiàn)在南坡，為 0.09。西北坡的植被指數(shù)均值僅次于西坡，為0.10。北坡、東北坡及西南坡的植被指數(shù)均值差異較小。此外，平坡地形的植被指數(shù)均值為0.10。

圖7 不同坡向內(nèi)平均植被指數(shù)的分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of average vegetation index in different aspect

2.3.4 地形起伏度對(duì)植被指數(shù)的影響

將地形起伏度與植被指數(shù)圖進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)得到單位地形起伏度上的植被指數(shù)均值。由圖 8可知，植被指數(shù)均值隨著地形起伏度的升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。地形起伏度在 0－30、30－70、70－200及200－500 m范圍之內(nèi)的植被指數(shù)均值變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，變化范圍在0.094－0.183之間；而植被指數(shù)均值在 500－1000 m范圍之間的中起伏山地明顯增加，且出現(xiàn)最大值（0.50）。同時(shí)，植被指數(shù)均值最小值（0.09）出現(xiàn)在0－30 m范圍之內(nèi)的平原區(qū)。

圖8 不同地形起伏度范圍內(nèi)平均植被指數(shù)的分布特征Fig. 8 Distribution characteristics of average vegetation index in different relief amplitude range

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

地形對(duì)植被格局的分布具有顯著控制作用（沈澤昊等，2000）。在大尺度區(qū)域范圍內(nèi)，高程是地形因子中物種分布格局的首要控制因子（婁安如等，2001；孫根年等，2014）。對(duì)植被指數(shù)變化的地形分異性特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：隨著高程的升高，植被指數(shù)均值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且植被指數(shù)均值在1000－1600 m高程范圍內(nèi)的中山區(qū)達(dá)到最大。研究發(fā)現(xiàn)，低山區(qū)高程范圍為人類活動(dòng)頻繁區(qū)域，隨著高程增加，人口和耕地?cái)?shù)量下降、居民點(diǎn)規(guī)模逐漸縮小，植被覆蓋度隨之增加（李恒凱等，2014）。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，高山區(qū)內(nèi)植被指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，很可能是由于高山區(qū)給人類耕作和培育植被等行為帶來(lái)不便所致。所以，中山區(qū)內(nèi)適當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)有利于植被恢復(fù)與建植。

坡度對(duì)土壤侵蝕和植被立地條件具有重要作用，并對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。李成俊等（2013）研究認(rèn)為，邊坡坡度對(duì)植被生長(zhǎng)的影響最為顯著，且坡度＜35°的區(qū)域內(nèi)植被群落多樣性指數(shù)較高，并有利于植被生長(zhǎng)與恢復(fù)。而本研究發(fā)現(xiàn)，阿拉善盟植被指數(shù)均值主要集中在坡度＞15°的區(qū)域內(nèi)，所占比例高達(dá)85%。可能是由于坡度較高的區(qū)域受到的人為破壞較少，且該區(qū)以自然植被與退耕林為主要類型，所以適宜的坡度有利于植被的生長(zhǎng)與生存。

坡向?qū)χ脖坏挠绊懼饕w現(xiàn)在太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)差異上，向光坡（陽(yáng)坡或南坡）和背光坡（陰坡或北坡）之間的溫度和植被具有明顯差異，其中南坡的輻射收入最強(qiáng)，其次為東南和西南坡，再次為東坡與西坡及東北坡與西北坡，北坡的輻射收入最少（畢如田等，2012）。本研究中，南坡的植被指數(shù)均值最低，西坡的植被指數(shù)均值最高?？赡苁且?yàn)樵搮^(qū)植被以節(jié)水型的灌木和半灌木植被類型為主，而南坡是向光坡，輻射收入最強(qiáng)，溫度較高，水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致植被的生長(zhǎng)環(huán)境更加干熱，對(duì)該區(qū)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面作用，所以植被集中分布于輻射強(qiáng)度較小的西坡（孫永光等，2015）。同時(shí)，潮濕的氣流由東向西運(yùn)行，穿越山脊頂部時(shí)，海拔降低、溫度升高、潮濕的氣流開始變得干熱，但是與南坡極度酷熱的氣候條件相比之下，西坡的氣候條件可能更有利于灌木和半灌木的生長(zhǎng)與生存（張慶等，2011）。

3.2 結(jié)論

（1）阿拉善盟地形具有西南高、東北低，平坦、起伏小的分布特征；該區(qū)植被指數(shù)呈現(xiàn)東南部高、西北部低的空間分布特點(diǎn)。

（2）在地形因子作用下，植被指數(shù)均值的分布具有一定的地形梯度性。此外，植被指數(shù)高值區(qū)主要集中分布在高程為1000－1600 m的中山區(qū)與坡度＞15°的西坡。