基于Landsat影像稀疏植被斑塊格局對降水響應(yīng)

李 娜， 王新軍，常夢迪 ，閆立男， 徐曉龍

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】降水變化是自然條件下導(dǎo)致干旱區(qū)陸地景觀變化的重要因素之一。由于降水在時(shí)間尺度上有波動(dòng)性、短暫性和在特定區(qū)形成徑流具有富集性等因素，干旱區(qū)降水量對稀疏植被格局影響較明顯，所以降水成為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)各層次生物過程的最主要驅(qū)動(dòng)因子[1-2]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，可以根據(jù)多時(shí)相、多波段的遙感信息有效、準(zhǔn)確的提取地表植被的覆蓋狀況，這為研究植被的分布及變化等提供了很強(qiáng)的技術(shù)手段。綠色植被在遙感影像上，主要是通過植被的冠層和葉子不同的光譜特征來反映的?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植被覆蓋度是表征地表植被生長狀況的一個(gè)重要參數(shù)，也是描述生態(tài)系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感技術(shù)估算植被覆蓋度，為大范圍地區(qū)的植被覆蓋度監(jiān)測提供可能，目前已成為地表植被覆蓋變化監(jiān)測的主要手段。近幾年來，國內(nèi)外在植被遙感監(jiān)測方面開展了大量的研究，陳曉光等[4]利用NOAA衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)估算了寧夏近20a來植被覆蓋度及其與氣溫降水的關(guān)系。王兮之等[5]則根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)分析了青海湟水流域植被覆蓋度的時(shí)空變化。植被斑塊格局是干旱區(qū)生態(tài)和水文過程相互作用的結(jié)果，也是干旱區(qū)一種很常見的、相對比較穩(wěn)定的植被存在形式[6-7]。斑塊狀植被廣泛分布在干旱區(qū)。在我國北部廣闊的沙漠邊緣，尤其是在荒漠與綠洲過渡帶，還有一些在沙漠腹地高大沙丘的沙坡上、沙丘間的低處，都存在著許多斑塊狀、條帶狀的天然植被，這些植被的生長發(fā)育主要是靠大氣降水或局部地下滲透水來維持生長[8-10]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】研究以降水量對稀疏植被斑塊格局的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究古爾班通古特沙漠南緣稀疏植被蓋度及斑塊格局的變化，主要分析了不同降水量與稀疏植被斑塊格局指數(shù)、植被蓋度的關(guān)系，為該研究區(qū)區(qū)域生態(tài)建設(shè)與保護(hù)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

古爾班通古特沙漠位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地的中央，44°15′～46°5N，84°50′～91°20E，在瑪納斯河以東及烏倫古河以南，是中國的第二大沙漠。同時(shí)也是中國面積最大的固定、半固定沙漠。研究以古爾班通古特沙漠南緣部分區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，面積大約有5 955.481 km2。該區(qū)域地勢呈東北高，西南低，海拔在400～700 m。沙丘形態(tài)多種多樣，主要是南北走向的沙丘和一些新月型沙丘鏈，沙丘高度在10～50 m。常年受到西風(fēng)帶的控制，冬季受到蒙古-西伯利亞高壓帶的影響[11-12]，該區(qū)域?qū)儆跍貛Ц珊祷哪畾夂?，年均氣?～5.7℃，年蒸發(fā)量2 000～2 800 mm，年降水量為80～220 mm。沙漠內(nèi)部大部分為固定和半固定沙丘，固定沙丘上植被覆蓋度大約30%～50%，半固定沙丘大約達(dá)15%～25%[13-14]。沙漠里的植物種類較為豐富，大約有上百種。圖1

圖1 研究區(qū)位置示意
Fig.1 Diagram of the study area

研究依據(jù)1990～2015年年降水量選擇典型4個(gè)年份，1990年9月7日的Landsat TM 影像；2001年8月4日的Landsat TM影像；2010年8月13日Landsat TM 影像，以及2015年9月12日Landsat OLI影像，軌道號均為142/029，分辨率均為30 m的遙感數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(http://glovis.usgs.gov/)。年降水量分別是：1990年為184.4 mm、2001年為129.5 mm、2010年為221.4 mm和2015年為180.2 mm。數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.nmic.cn/)。研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)下載7～9月的遙感影像最為合適，7～9月降水較為集中，植被生長較好。影像獲取時(shí)也需要控制云量，云量控制在10%左右，有利于對沙地植被信息的準(zhǔn)確提取。

采用ENVI5.3軟件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，消除遙感影像在輻射亮度造成的失真和大氣散射引起的輻射誤差[15]。數(shù)據(jù)預(yù)處理的幾何精度應(yīng)該控制在0.5個(gè)像元之內(nèi)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對預(yù)處理數(shù)據(jù)采用下式(1)計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，利用 ArcGIS10.2 軟件計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣。

(1)

式中NIR為近紅外波段，R為紅光波段。

1.2 方 法

1.2.1 植被蓋度的計(jì)算與分級

研究區(qū)計(jì)算植被蓋度的提取方法是采用像元二分法提取植被覆蓋度[14]，假設(shè)像元是由裸土和植被兩部分構(gòu)成，推導(dǎo)得出植被覆蓋度,計(jì)算公式如下[15-16]。

(2)

其中，F(xiàn)c是像元的植被覆蓋度，%；NDVI是歸一化植被指數(shù)；NDVImin是完全裸土或者沒有植被覆蓋的像元的NDVI；NDVImax是代表完全被植被覆蓋的像元的NDVI。根據(jù)95%和5%的置信度分別選取NDVImax=0.565 4和NDVImin=0.003 9。采用ArcGIS10.2軟件的柵格計(jì)算器，利用上式計(jì)算植被覆蓋度。

依據(jù)國家林業(yè)局頒布的《第四次全國荒漠化和沙化監(jiān)測技術(shù)規(guī)定》，將研究區(qū)植被覆蓋度計(jì)算結(jié)果分為4級：一級植被蓋度為040%，高植被覆蓋度區(qū)域。

1.2.2 稀疏植被景觀指數(shù)的選取

植被景觀指數(shù)是景觀格局的外在表現(xiàn)形式，它的實(shí)質(zhì)是反映景觀格局的組成結(jié)構(gòu)和空間分布特征。根據(jù)景觀指數(shù)在沙地植被斑塊格局中的特點(diǎn)，在研究區(qū)的不同蓋度區(qū)域，選擇3個(gè)景觀指數(shù)(斑塊類型面積(MPS)、斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3個(gè)景觀指數(shù)的計(jì)算公式及生態(tài)學(xué)意義見文獻(xiàn)[16-17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Fragstats4.1景觀/類型分析軟件進(jìn)行景觀指數(shù)計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀疏植被斑塊格局變化

2.1.1 稀疏植被斑塊面積變化

將計(jì)算出的古爾班通古特沙漠南緣植被蓋度進(jìn)行分級顯示，統(tǒng)計(jì)出不同等級的植被面積分布。表1

表1 1990～2015年古爾班通古特南緣稀疏植被面積
Table 1 Sparse vegetation area in the southern margin of Gurbantunggut Desert from 1990 to 2015

類型Types1990年2001年2010年2015年面積Area(km2)比例Proportion(%)面積Area(km2)比例Proportion(%)面積Area(km2)比例Proportion/%面積Area(km2)比例Proportion(%)一級Firstlevel206.6533.4701.3130.022231.2433.8832.5790.043二級Secondary4316.69072.4705925.16699.4915676.16995.3105406.24790.778三級Thirdlevel1422.07123.87028.8840.48547.5590.799546.3419.174四級Levelfour10.0670.1690.1180.0020.5100.0090.3130.005總計(jì)5955.481100.0005955.481100.0005955.481100.0005955.481100.000

研究表明,1990～2001年間一、三、四級植被面積變化分別是-205.340 km2、-1 393.187 km2、-9.950 km2，比例分別從1990年的3.470%、23.870%、0.169%降低到2001年0.022%、0.485%、0.002%。二級植被面積變化是1 608.476 km2，比例從72.470%增加到99.491%。可見1990～2001年一、三、四級植被面積有所減少，比例下降；二級植被面積有所增加，比例上升。2001～2010年間一、三、四級植被面積變化分別是229.930、18.675、0.392 km2，比例從0.022%、0.485%、0.002%上升到3.883%、0.799 0%/0.009%；二級植被面積變化是-248.998 km2，比例從99.491%降低到95.310%，可見一、三、四級面積有所增加，比例上升；二級植被面積有所減少，比例下降。2010至2015年間三級植被面積變化是498.783 km2，比例從0.799%上升到9.147%，一、二、四級面積變化分別是-228.664、-269.922、-0.197 km2。可見二級植被蓋度面積增加，比例上升；一、二、四級植被蓋度面積減少，比例下降。表1

2.1.2 稀疏植被年際面積變化

研究表明,1990～2001年，一、三、四級植被面積有所減少；一級主要轉(zhuǎn)出為二級(192.370 km2)植被，占轉(zhuǎn)出總面積的99.577%；三級主要轉(zhuǎn)出為二級(1 370.062 km2)植被，占轉(zhuǎn)出總面積的30.032%；四級主要轉(zhuǎn)出為二級(6.642 km2)植被，占轉(zhuǎn)出總面積的86.003%；二級植被的面積有所增加，主要由一(192.370 km2)、三級植被(1 370.062 km2)轉(zhuǎn)入而來，分別占轉(zhuǎn)入總面積的75.330%、24.650%。二級有所增加，主要由三級(1 370.062 km2)、一級(192.370 km2)轉(zhuǎn)入，分別占轉(zhuǎn)入總面積的87.317%/12.260%。稀疏植被轉(zhuǎn)化主要由一、三、四級植被轉(zhuǎn)成二級植被，所以一、三、四級植被面積減少，二級植被面積增加。表2

表2 1990～2001年古爾班通古特沙漠南緣稀疏植被面積轉(zhuǎn)移矩陣
Table 2 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 1990 to 2001

類型Types2001年一級Firstlevel二級Secondary三級Thirdlevel四級Levelfour1990年合計(jì)(km2)1990年一級Firstlevel0.814192.3700.0030.000193.187二級Secondary0.1174362.9203.6740.0994366.288三級Thirdlevel0.0441370.06217.4430.0121388.083四級Levelfour0.0006.6421.0810.0047.7272001年合計(jì)(km2)0.9755931.99422.2010.1155955.2851990～2001年變化量-192.2121565.706-1365.882-7.612

表3 2001～2010年古爾班通古特沙漠南緣稀疏植被面積轉(zhuǎn)移矩陣
Table 3 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 2001 to 2010

類型Types2010年一級Firstlevel二級Secondary三級Thirdlevel四級Levelfour2001年合計(jì)(km2)2001年一級Firstlevel0.8800.0940.0000.0000.974二級Secondary223.0475673.74535.0640.1425931.998三級Thirdlevel0.03919.9551.9410.26222.197四級Levelfour0.0010.0070.0140.0940.1162010年合計(jì)(km2)223.9675693.80137.0190.4985955.2852001～2010年變化量222.993-238.19736.9030.382

研究表明,2001～2010年，一、三、四級植被面積有所增加，一級主要由二級(223.047 km2)植被轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入總面積的99.982%；三級主要由二級(35.064 km2)植被轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入總面積的99.960%；四級主要由三級(0.262 km2)、二級(0.142 km2)，分別占轉(zhuǎn)入總面積的64.851%、35.189%。二級植被的面積有所減少，主要轉(zhuǎn)出為三級植被(19.955 km2)，占轉(zhuǎn)出總面積的99.496%。稀疏植被轉(zhuǎn)化主要由二級植被轉(zhuǎn)出為一、三級植被，四級植被略有轉(zhuǎn)入。因此，一、三、四級植被面積增加，二級植被面積減少。表3

研究表明,2010～2015年，三級植被面積有所增加，主要由二級(488.581 km2)植被轉(zhuǎn)入而來，占轉(zhuǎn)入總面積的99.897%。一、二、四級植被的面積有所減少，一級主要轉(zhuǎn)出為二級(0.151 km2)，占轉(zhuǎn)出總面積的98.693%，二級主要轉(zhuǎn)出為一級(221.682 km2)、三級(26.119 km2)，分別占轉(zhuǎn)出總面積的89.438%、10.538%。稀疏植被轉(zhuǎn)化主要由一、二、四級植被轉(zhuǎn)出為三級植被。因此，一、二、四級植被面積減少，三級植被面積增加。表4

表4 2010～2015年古爾班通古特沙漠南緣稀疏植被面積轉(zhuǎn)移矩陣
Table 4 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 2010 to 2015

類型Types2015年一級Firstlevel二級Secondary三級Thirdlevel四級Levelfour2010年合計(jì)(km2)2010年一級Firstlevel2.010221.6820.2630.018223.973二級Secondary0.1515205.014488.5810.0495693.795三級Thirdlevel0.00126.11910.8500.04937.019四級Levelfour0.0010.0610.2400.1960.4982015年合計(jì)(km2)2.1635452.876499.9340.3125955.2852010～2015年變化量-221.810-240.919462.915-0.186

表5 1990～2015年稀疏植被景觀格局指數(shù)
Table 5 Sparse vegetation landscape pattern index from 1990 to 2015

景觀指數(shù)Landscapeindex年份Years一級Firstlevel二級Secondary三級Thirdlevel四級Thirdlevel斑塊類型面積Plaquetypearea(hm2)19900.6239.3921.2200.13220010.16015592.5430.1850.90720101.073103.1090.2021.02120150.394121.9550.6691.253斑塊數(shù)量Numberofplaques(個(gè))199033189459621165767638200182138156061320102156155052352050201565544338166225斑塊密度Plaquedensity(個(gè)/hm2)19905.5737.71819.5751.28320010.1380.0062.6200.00220103.6200.9243.9490.00820150.1100.74413.7120.004

2.2 稀疏植被景觀指數(shù)

1990～2001年年降水量減少，一、三、四級斑塊類型面積減少，二級斑塊類型面積增加；2001～2010年年降水量增加，一、三、四級斑塊面積增加，二級斑塊類型面積減少；2010～2015年年降水量減少，二、三、四級斑塊面積增加，一級斑塊面積減少。斑塊面積的變化與當(dāng)年的降水量有關(guān)，不同級別的植被蓋度也在變化。1990～2001年間一、二、三、四級斑塊數(shù)量均減少，密度減?。?001～2010年，一、二、三、四級斑塊數(shù)量均增加，密度增大；2010～2015年，三級斑塊數(shù)量增加，斑塊密度也增大，一、二、四級斑塊數(shù)量減少，密度減小。1990～2001年斑塊數(shù)量、斑塊密度總體減少，破碎化程度處于增加趨勢；2001～2010年斑塊數(shù)量、斑塊密度總體增加，破碎化程度處于減少趨勢；2010～2015年斑塊數(shù)量、斑塊密度總體減少，破碎化程度處于增加趨勢。1990～2015年古爾班通古特沙漠南緣破碎化程度總體呈增加-降低-增加的趨勢。表5

2.3 稀疏植被蓋度對降水響應(yīng)

研究表明，1990～2001年，年降水量減少，一、三、四級植被蓋度面積減少，面積分別減少了192.212 、1 365.882 、7.612 km2；二級植被蓋度面積有所增加，面積增加了1 565.706 km2；該區(qū)域1990～2001年植被蓋度總體減少，稀疏植被處于退化趨勢。2001～2010年，年降水量增加，一、三、四級植被蓋度面積增加，面積分別增加了222.99 、36.9 、0.38 km2；二級植被蓋度面積減少，總面積減少238.20 km2；該區(qū)域2001～2010年植被蓋度總體增加，稀疏植被處于好轉(zhuǎn)趨勢。2010～2015年，年降水量減少，一、二、四級植被蓋度面積有所減少，總面積分別減少了221.81 、240.92 、0.19 km2；三級植被蓋度面積增加，總面積增加了462.92 km2；該區(qū)域2010～2015年植被蓋度總體減少，稀疏植被處于退化趨勢。降水對植被蓋度有一定的影響。圖2

圖2 1990～2015年古爾班通古特沙漠降水量與植被蓋度面積關(guān)系
Fig.2 Relationship between precipitation and vegetation coverage in the Gurbantunggut Desert from 1990 to 2015

3 討 論

根據(jù)研究區(qū)不同的年降水量，選擇具有代表性的4期遙感影像，以此為數(shù)據(jù)源，分析表明近25年來干旱區(qū)古爾班通古特沙漠南緣植被蓋度變化呈退化-好轉(zhuǎn)-退化的趨勢。通過研究結(jié)果可知，不同植被蓋度面積、斑塊面積、斑塊數(shù)量、斑塊密度與年降水量之間呈正相關(guān)關(guān)系，年降水量增加，植被蓋度、斑塊面積、數(shù)量、密度增加，荒漠化程度好轉(zhuǎn)；年降水量減少，植被蓋度、斑塊面積、數(shù)量、密度降低，荒漠化程度加劇。許多研究的結(jié)果也表明，植被覆蓋度、斑塊面積、數(shù)量、密度與年降水量存在很明顯的正相關(guān)關(guān)系[18-19]。降水對植被蓋度的變化影響較大，降水充沛的年份植物生長茂盛，覆蓋度較高；降水較少的年份，植物生長慢、覆蓋度較低。只考慮了年降水量與植被蓋度的關(guān)系，也未就植被蓋度與氣溫、降水和氣溫的綜合作用關(guān)系展開分析，因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)是較為復(fù)雜的系統(tǒng)，植被蓋度對降水的響應(yīng)有放大的可能，這一點(diǎn)將在今后的研究中完善。

4 結(jié) 論

4.1 1990～2001年，一、三、四級蓋度植被面積有所減少；比例下降；二級蓋度植被面積增加，比例上升。2001～2010年，一、三、四級蓋度植被面積在增加，比例上升，二級蓋度植被面積有所減少，比例下降。2010～2015年，一、二、四級蓋度植被面積減少，比例下降，三級蓋度植被面積增加，比例上升。說明古爾班通古特沙漠南緣沙地荒漠化大致呈現(xiàn)退化-好轉(zhuǎn)-退化交替變換的趨勢。

4.2 從1990～2001年間，年降水量在下降，斑塊面積、數(shù)量在不斷減少，斑塊密度也在降低，2001～2010年間，年降水量有所增加，斑塊數(shù)量也增加，密度增大，斑塊類型面積也增加；2010～2015年間，年降水量下降，斑塊面積減少，數(shù)量減少，密度降低，說明降水對斑塊格局有一定的影響。隨年降水量的減少，斑塊數(shù)量減少，破碎程度變大，年降水量增加，斑塊數(shù)量，密度增加，破碎程度變小，降水對景觀指數(shù)也有一定的影響。

4.3 1990～2001年，年降水量下降，使得一、三、四級植被面積有所減少，二級植被面積增加；2001～2010年，年降水量增加，使得一、三、四級植被面積有所增加，二級植被面積減少；2010～2015年，年降水量下降，使得一、二、四級植被面積有所減少，三級植被面積增加。該區(qū)域1990～2015年植被蓋度總體呈減少-增加-減少的趨勢。