甘肅中東部植被時(shí)空變化及其對(duì)坡度的響應(yīng)

，

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，蘭州 730070)

0 引言

良好生態(tài)環(huán)境的稀缺是目前全球關(guān)注的一大熱點(diǎn)問題[1]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的敏感成員，其覆蓋情況表征著區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況[2-3]，覆蓋變化情況也可反映區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的治理效果[4-5]。目前生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程治理效果方面的研究主要集中在對(duì)于土壤微生物的改善[6-7]、針對(duì)特殊區(qū)域的生態(tài)效益評(píng)價(jià)[8-10]、實(shí)施現(xiàn)狀及問題分析[11]。定量指標(biāo)歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)與植被覆蓋之間呈正相關(guān)關(guān)系[12-14]。因此，可引入NDVI來探究生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程背景下植被覆蓋變化情況，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的初步探究。NDVI的應(yīng)用研究主要集中在區(qū)域植被覆蓋變化評(píng)價(jià)及驅(qū)動(dòng)力分析方面[15-17]和項(xiàng)目區(qū)單一對(duì)象的變化研究方面[18-20]?；谏鷳B(tài)保護(hù)與修復(fù)工程背景，對(duì)植被覆蓋變化進(jìn)行的研究鮮有涉及。

鑒于黃土高原地區(qū)是全國生態(tài)環(huán)境最為脆弱、水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)治理最受關(guān)注的地區(qū)之一[2]。其植被覆蓋改善狀況備受關(guān)注。甘肅中東部黃土高原地區(qū)多種生態(tài)工程治理多年，近幾年該區(qū)域植被覆蓋變化鮮有研究。因此，本文擬選擇2008—2017年為研究時(shí)段，采用MOD09Q1數(shù)據(jù)，運(yùn)用MRT(MODIS reprojection tool)工具對(duì)研究時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，基于ENVI Classic 5.3+IDL 8.5與ArcGIS 10.2平臺(tái)計(jì)算獲取研究時(shí)段內(nèi)的NDVI，研究多種生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施對(duì)植被覆蓋的影響，從而分析其生態(tài)環(huán)境變化狀況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)黃土高原區(qū)域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程治理效果的定性分析，并進(jìn)一步指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取的區(qū)域?yàn)楦拭C省中東部的定西市、天水市、平?jīng)鍪泻蛻c陽市4個(gè)市區(qū)，其地理位置區(qū)位圖如圖1所示。平?jīng)鍪信c慶陽市屬于隴東地區(qū)，定西市屬于隴中地區(qū)，天水市屬于隴南山地。隴東地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，耕地面積分布雖廣，但多為旱作坡耕地，河谷川臺(tái)地和溝壩地。定西市屬于甘肅中部偏南地處黃土高原西部邊緣地帶和西秦嶺末端。天水市位于祁連與北秦嶺兩大造山帶共同作用的交叉大地構(gòu)造帶，構(gòu)造帶作用的結(jié)果是形成了本區(qū)向斜構(gòu)造以及斷陷谷地。研究區(qū)均屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，黃土梁峁與黃土塬分布較廣，由于黃土高原地區(qū)的氣候、植被與降水均呈現(xiàn)出自東南至西北地帶性分異的規(guī)律，土壤干化程度也自東南至西北呈現(xiàn)出逐漸加重的趨勢。自1999年區(qū)域內(nèi)實(shí)施的退耕還林還草工程使區(qū)域內(nèi)植被覆蓋相應(yīng)增加，生態(tài)環(huán)境得到極大改善以來，東部百萬畝土地整治、山水林田湖、中西部精準(zhǔn)扶貧土地整治等旨在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、提高人民生活水平的重大生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程陸續(xù)開展。

圖1 地理位置區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究中2008—2017年的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD09Q1由美國LP DAAC(Land Process Distributed Active Archive Center，U.S.A)提供，采用美國USGS EROS數(shù)據(jù)中心開發(fā)的MRT軟件完成對(duì)影像波段子集(第1、第2波段)的格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換以及重采樣。DEM數(shù)據(jù)是ASTER GDEM V2 30 m分辨率數(shù)字高程，來源于美國地質(zhì)勘探局。

MOD09Q1產(chǎn)品是全球250 m地表反射率8天合成的3級(jí)產(chǎn)品。本研究基于ENVI Classic 5.3+IDL 8.5與ArcGIS 10.2平臺(tái)，計(jì)算得到每一期影像的NDVI數(shù)據(jù)，采用ENVI插件小熊工具箱V3.0批量裁剪出研究區(qū)，并結(jié)合MRT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批處理。由于時(shí)序數(shù)據(jù)會(huì)受到氣溶膠、太陽光照角度以及傳感器觀測角度等的影響，會(huì)出現(xiàn)異常值，產(chǎn)生噪聲等情況，故對(duì)其進(jìn)行濾波處理。本研究采用最小二乘法對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，即S-G(savitzky-colay)濾波，它用最小二乘卷積擬合來平滑和計(jì)算一組相鄰值或光譜值的導(dǎo)數(shù)，其設(shè)計(jì)思想是找到合適的濾波系數(shù)以保護(hù)高階距，即在對(duì)基礎(chǔ)函數(shù)進(jìn)行近似時(shí)，使用高階多項(xiàng)式，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗內(nèi)的最小二乘法擬合[21-22]。采用最大值合成法合成得到月度NDVI數(shù)據(jù)[24]。

1.3 研究方法

1)最大值合成法。本研究采用最大值合成法MVC(maximum value composites，MVC)獲取3—11月份的月NDVI最大值，可以有效減少大氣中來自云、氣溶膠、云陰影、傳感器觀測視角以及太陽高度角的影響。具體公式為：

MaxNDVIi=MaxNDVI1，NDVI2，NDVI3，NDVI4

(1)

式中：MaxNDVIi表示月NDVI最大值；i表示月份，取值為3～11；NDVI1、NDVI2、NDVI3、NDVI4、分別表示相應(yīng)月份內(nèi)8天合成的原始影像預(yù)處理后的NDVI值。

2)Savtzky-Golay濾波法。Savtzky-Golay濾波法是由Savitzky、Golay提出的一種用于平滑時(shí)間序列數(shù)據(jù)的基于最小二乘的卷積算法[23]。它用一定長度的過濾器和待處理數(shù)據(jù)做卷積，對(duì)待處理的數(shù)據(jù)作加權(quán)多項(xiàng)式擬合，擬合的目標(biāo)是求得最小均方根誤差，而一些遠(yuǎn)離大多數(shù)點(diǎn)的邊緣點(diǎn)不會(huì)參與擬合。這樣擬合時(shí)過于偏離正常生長趨勢線的噪聲部分會(huì)被丟棄。其基本公式為：

(2)

式中：Y、Y*分別表示原始及平滑后的NDVI數(shù)值；Ci為S-G多項(xiàng)式擬合的系數(shù)，表示從濾波器首部開始的第i個(gè)NDVI值的權(quán)重；N為濾波器的長度，其大小等于2m+1。

3)趨勢分析法。趨勢分析法[24]是指用一元線性回歸分析的方法對(duì)區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)在時(shí)間尺度上的變化趨勢和其強(qiáng)度進(jìn)行分析。其中，回歸方程的斜率slope代表研究時(shí)段內(nèi)每個(gè)柵格點(diǎn)植被指數(shù)的變化趨勢。若slope>0，代表該柵格內(nèi)植被狀況有改善，且數(shù)值越大說明改善效果越明顯；若slope<0，則表明該柵格內(nèi)植被狀況變差；若slope=0，則表示區(qū)域內(nèi)植被狀況無變化。

(3)

式中：slope是趨勢線的斜率；n是時(shí)間序列的長度，本研究中為10年(2008—2017年)；i是第i年；NDVIi是第i年春夏秋NDVI值(3—11月)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅中東部2008—2017年植被時(shí)空變化特征

1)甘肅中東部2008—2017年植被時(shí)間變化特征。本研究基于MOD09Q1產(chǎn)品的第1波段(Red，620～670 nm)和第2波段(NIR，841～876 nm)計(jì)算8天合成的地表反射率得到8天時(shí)長的NDVI數(shù)據(jù)，采用最大值合成法進(jìn)行月度NDVI值合成(3—11月)，再運(yùn)用月度NDVI值求取2008—2017年年際NDVI均值變化，如圖2(a)所示。同理，分別求取2008—2017年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)NDVI均值變化，如圖2(b)所示。

圖2 甘肅中東部2008—2017年NDVI年際與季度變化圖

由圖2可知，總體上年際與季度NDVI均值均呈現(xiàn)出增加趨勢，且以0.001 3/年的速率增加，2012年是一個(gè)明顯的突變點(diǎn)。季度NDVI則顯示出夏季NDVI>秋季NDVI>春季NDVI。

2008—2011年，圖2(a)中顯示年際NDVI均值變化相對(duì)穩(wěn)定，圖2(b)中顯示春夏兩季NDVI均值呈現(xiàn)出下降的趨勢，但秋季NDVI均值則是上升的。研究區(qū)屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重，是生態(tài)工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域。2008—2011年全省退耕還林還草面積保存率與管護(hù)率均在99%以上，種植業(yè)內(nèi)部糧經(jīng)飼結(jié)構(gòu)比例由退耕前的73∶12∶15調(diào)整至60∶15∶25，廣種薄收的觀念得到改觀，以苜蓿為主的飼草作物多種植在夏季，于秋季長勢凸顯，對(duì)區(qū)域NDVI貢獻(xiàn)較大。2011—2012年，年際NDVI變化最大，達(dá)到了0.021 3，春夏兩季NDVI也顯著增加，而秋季NDVI則減少。這說明近年來2011年的最大退耕還林還草面積于2012年成效顯著，2008年以來開展的土地整治，特別注重旨在提高適宜耕作區(qū)土地生產(chǎn)力的黃土高原地區(qū)旱坡地的整理，其在滯后期兩年后成效凸顯，土地生產(chǎn)力提高，秋季糧食作物收割后導(dǎo)致秋季NDVI稍有下降。

2012—2015年，圖2(a)中顯示年際NDVI快速上升，2013年達(dá)到最高后保持基本穩(wěn)定。圖2(b)中顯示季度NDVI有所波動(dòng)，2013年后秋季NDVI 有所下降。2013年研究區(qū)內(nèi)的土地整治首先針對(duì)黃土梁峁與黃土塬區(qū)嚴(yán)重的水土流失進(jìn)行治理，截止2015年共實(shí)施了57個(gè)土地整治自項(xiàng)目，土地生產(chǎn)力顯著提高，收入顯著提高。2014與2015年開展的新一輪退耕還林還草注重林果業(yè)特色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，導(dǎo)致NDVI變化相對(duì)穩(wěn)定。2015—2017年，圖2(a)中顯示年際NDVI回升，圖2(b)中顯示春夏兩季NDVI均值是下降的，但秋季NDVI均值是上升的。這說明新一輪退耕還林還草更注重生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兼優(yōu)，實(shí)施成效顯著，各地充分認(rèn)識(shí)到山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的重要性與迫切性，生態(tài)環(huán)境明顯改善。

2)甘肅中東部2008—2017年植被空間變化特征?；贓NVI 5.3平臺(tái)，基于band-math與趨勢分析模型，對(duì)2008—2017年甘肅中東部的植被的空間變化情況進(jìn)行分析，具體變化如圖3所示。

圖3 甘肅中東部2008—2017年NDVI空間變化及變化趨勢圖

由圖3(a)2008—2017年NDVI空間變化圖可知，隴東地區(qū)NDVI明顯增加，植被覆蓋情況明顯改善，尤其以黃土梁峁區(qū)最明顯；天水南部、定西西部以及平?jīng)鑫鞅辈縉DVI變化較小，植被狀況改善較少，天水最南端呈現(xiàn)出負(fù)增加，植被覆蓋相應(yīng)減少。由圖3(b)2008—2017年slope圖可知，slope值介于-0.038 7～0.030 2之間，依據(jù)羅敏等人的劃分依據(jù)[25]，說明區(qū)域內(nèi)植被變化相對(duì)穩(wěn)定，并未出現(xiàn)退化現(xiàn)象。slope值比較高的區(qū)域分布在研究區(qū)內(nèi)的低山丘陵(黃土梁峁)以及平原地區(qū)(沖積洪積平原)，說明這些地區(qū)NDVI上升、植被覆蓋相應(yīng)增加，植被狀況明顯改善。slope值比較低甚至為負(fù)值的區(qū)域主要分布在隴東地區(qū)南部的黃土塬、定西與天水交界處以及定西西北角處的中起伏山地，說明這些區(qū)域NDVI稍有下降趨勢，植被覆蓋減少，可歸因于退耕還林還草工程導(dǎo)致的土壤干層致使部分植被死亡。統(tǒng)計(jì)顯示并無slope為0值的區(qū)域。

為進(jìn)一步分析研究NDVI年度空間變化情況，基于ENVI 5.3計(jì)算得到2008—2017年NDVI空間上的年度變化情況如圖4所示?？傮w來說，NDVI年度空間變化始于研究區(qū)東部的黃土梁峁區(qū)，逐漸轉(zhuǎn)向整個(gè)研究區(qū)。但期間有不同程度的小幅下降情況，這說明已實(shí)施的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程并未形成一套系統(tǒng)完整的體系，客觀上出現(xiàn)了各自為戰(zhàn)的情況，整體實(shí)施成效不太理想。近年來總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以習(xí)近平總書記提出的山水林田湖生命共同體為指引，實(shí)現(xiàn)區(qū)域植被覆蓋增加，生態(tài)環(huán)境全面改善與修復(fù)。

由圖4可知，前三年NDVI變化均為正值且變化量較大的區(qū)域主要集中慶陽市北部與平?jīng)鍪兄胁康狞S土梁峁區(qū)，慶陽市的黃土塬區(qū)，其植被覆蓋明顯增加。2011—2012年是NDVI年際變化最大的時(shí)段，由其空間變化圖可以看出NDVI的變化量主要?dú)w因于黃土梁峁、黃土塬以及少部分低山丘陵。2013年開始注重改善定西市與天水市周邊的山地。截止2016年，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)植被狀況明顯改善，較2015年其最大變化值達(dá)到了0.463 9，NDVI變化高值區(qū)分布普遍較廣，這主要?dú)w因于注重系統(tǒng)內(nèi)部有機(jī)聯(lián)系的山水林田湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程的實(shí)施。2017年定西市NDVI變化相對(duì)較大，這與涉及到研究區(qū)內(nèi)定西市的甘肅省中西部精準(zhǔn)扶貧土地整治重大工程項(xiàng)目緊密相關(guān)，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋增加，生態(tài)環(huán)境明顯改善。

圖4 甘肅中東部2008—2017年NDVI年度空間變化圖

2.2 甘肅中東部2008—2017年年際NDVI對(duì)坡度的響應(yīng)分析

為探究生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程實(shí)施情況下坡度對(duì)NDVI的影響，本研究依據(jù)研究區(qū)內(nèi)兩大主要的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程——土地整治與退耕還林還草實(shí)施中針對(duì)不同坡度所采取的不同措施，將坡度分為6°以下，6°～15°，15°～25°，25°～35°和35°以上共1～5五級(jí)。首先基于ArcGIS 10.2，根據(jù)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到研究區(qū)的坡度圖如圖5所示，再對(duì)坡度圖進(jìn)行重分類、柵格轉(zhuǎn)面以及合并等得到不同等級(jí)坡度下的矢量圖，統(tǒng)計(jì)得到不同等級(jí)坡度區(qū)間內(nèi)2008—2017年的NDVI變化情況如圖6所示。

圖5 甘肅中東部地區(qū)坡度圖

圖6 甘肅中東部2008—2017年不同坡度等級(jí)下NDVI年度變化圖

從坡度圖中可以得到1～5級(jí)坡度分別占研究區(qū)的16.79%，40.48%，32.34%，90.5%，1.35%。結(jié)合圖5與圖6可知，年度NDVI均值變化趨勢基本一致，態(tài)勢良好并于2013年后趨于穩(wěn)定。其中變化較大的區(qū)間為是25°～35°和35°以上，黃土丘陵溝壑區(qū)的退耕區(qū)主要在25°以上的坡耕地，且區(qū)域內(nèi)該類坡耕地資源豐富。2011年以來NDVI均值明顯上升，2013年達(dá)到最大，生態(tài)效益顯著，可主要?dú)w功于2011年大面積的退耕還林還草于2012及2013年有所成效。2014年基于前一階段顯著的生態(tài)效益，開展了新一輪的退耕還林還草，大力發(fā)展生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兼優(yōu)的特色林果業(yè)，并優(yōu)先安排生態(tài)區(qū)位重要、生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱地區(qū)。同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)退耕地保護(hù)，退耕經(jīng)營權(quán)適度流轉(zhuǎn)，使得2014年以來該區(qū)間上的NDVI變化相對(duì)穩(wěn)定。

15°～25°區(qū)間內(nèi)既包含了重要水源地坡耕地中的非基本農(nóng)田區(qū)域退耕，也包含了土地整治中對(duì)該區(qū)域內(nèi)的土地進(jìn)行土地整治，尤其以坡改梯為主，水土流失治理成效顯著，土地生產(chǎn)力提高。6°以下和6°～15°為土地整治的主要區(qū)域，6°以下一般對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)不大，并且道路的修整、灌排設(shè)施的進(jìn)一步完善以及農(nóng)田防護(hù)林的建設(shè)使得農(nóng)業(yè)耕種及生產(chǎn)相對(duì)提高，作物生長季間對(duì)區(qū)域NDVI的貢獻(xiàn)加大，從而使得區(qū)域NDVI有所提高。6°～15°區(qū)間內(nèi)的土地整治均會(huì)或多或少對(duì)環(huán)境有所影響，該部分區(qū)域整治前多以坡耕地為主，沙化土地較多，土地生產(chǎn)力相對(duì)低下，故2010年以前其NDVI均值低于6°以下的區(qū)域，之后增加并一直高于6°以下區(qū)域的NDVI值。

3 結(jié)束語

甘肅中東部地區(qū)地處黃土丘陵溝壑區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，故對(duì)于其生態(tài)環(huán)境的治理顯得尤為重要。趙安周等人基于GIMMS NDVI 3 g數(shù)據(jù)研究得到大規(guī)模的生態(tài)工程建設(shè)對(duì)區(qū)域研究時(shí)段內(nèi)的生長季NDVI增加有重要影響[4]。石玉瓊等人利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)研究得到榆林地區(qū)植被覆蓋狀況總體得到改善，7°～35°坡度上植被明顯改善的面積達(dá) 51%以上，退耕還林還草取得了明顯的效果[26]。

秦國玲通過對(duì)土地整治前后NDVI的變化研究得到土地整治能使區(qū)域NDVI變化趨于穩(wěn)定[8]。以上均可說明大型生態(tài)工程對(duì)NDVI均會(huì)產(chǎn)生或多或少的影響，對(duì)于甘肅中東部的黃土丘陵溝壑區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后可歸因于其廣泛分布的坡耕地，且坡度較大，土地生產(chǎn)力不高，土地整治與退耕還林還草等工程的實(shí)施，一方面可在一定程度上改變由大量分布的坡耕地所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)落后現(xiàn)象，提高土地生產(chǎn)力，改善人民生活；另一方面也可使得區(qū)域植被指數(shù)增加，并使之區(qū)域穩(wěn)定，明顯改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，加快國家生態(tài)安全屏障建設(shè)。

從時(shí)間層面上來說，2008—2017年NDVI呈現(xiàn)出增加趨勢，且以0.001 3/年的速率增加，2012年為一個(gè)明顯的突變點(diǎn)；從空間層面上來說，2008—2017年NDVI空間變化圖與slope圖均顯示區(qū)域內(nèi)低山丘陵區(qū)以及沖積平原區(qū)NDVI明顯增加，植被覆蓋狀況明顯改善；部分中起伏山地植被覆蓋出現(xiàn)減少的現(xiàn)象。年度空間變化顯示期間NDVI有不同程度的下降，但后期避免了客觀上存在的各自為戰(zhàn)情況的出現(xiàn)，加之管護(hù)力度的加大，植被覆蓋回升并有所增加，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。不同坡度等級(jí)下，NDVI年際變化趨勢基本一致并于2013年后趨于穩(wěn)定。6°以下區(qū)域多以土地平整，完善灌排設(shè)施、田間道路修整為主；6°～15°區(qū)域?yàn)橥恋卣沃攸c(diǎn)區(qū)域，且整治前多以坡耕地、沙化土地為主，整治后土地在生產(chǎn)力顯著提高。15°～25°區(qū)域既有坡耕地中非基本農(nóng)田的退耕也有坡改梯，水土流失治理成效顯著。變化較大的區(qū)25°～35°和35°以上區(qū)域以退耕為主，以營造水土保持林為目標(biāo)，利用區(qū)域資源優(yōu)勢，發(fā)展特色經(jīng)濟(jì)。

本研究在生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程背景下，對(duì)甘肅中東部區(qū)域NDVI進(jìn)行的探究可為甘肅省農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高，農(nóng)民脫貧致富提供相應(yīng)的理論依據(jù),也可為改善工程區(qū)生態(tài)面貌和加快國家生態(tài)安全屏障建設(shè)提供參考。本研究只針對(duì)多種生態(tài)修復(fù)工程背景下的NDVI時(shí)空變化及其對(duì)坡度的響應(yīng)進(jìn)行了分析，對(duì)于氣溫降水等氣候因子變化對(duì)區(qū)域NDVI的影響并未涉及，在后續(xù)工作中將進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。