基于NDVI綠洲-荒漠過渡帶寬度識別
——以河西走廊中部荒漠綠洲為例

常學(xué)禮,季樹新,喬榮榮,白雪蓮,王理想

魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,煙臺 264025

綠洲-荒漠過渡帶是由綠洲和多種相鄰生態(tài)系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)形成的與原生生態(tài)系統(tǒng)在群落外貌、物種組成以及生態(tài)功能等諸方面差異明顯的區(qū)域。其在規(guī)模上介于狹義過渡帶(交錯群落)和廣義過渡帶(農(nóng)牧交錯區(qū))之間,是綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和區(qū)域生物多樣性保護(hù)研究中重點(diǎn)關(guān)注焦點(diǎn)之一[1-2]。近些年來,隨著人類活動加劇導(dǎo)致的綠洲擴(kuò)張,使綠洲-荒漠過渡帶在格局、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力等方面發(fā)生了明顯變化[3-5],因此以綠洲-荒漠過渡帶為研究對象從植被空間異質(zhì)性、生產(chǎn)力以及景觀格局變化等方面進(jìn)行了卓有成效的研究[6-8]。這些研究解釋了綠洲-荒漠過渡帶概念、性質(zhì)并強(qiáng)調(diào)了過渡帶在生態(tài)學(xué)研究中特有的敏感性和區(qū)域特色[3],指出了植被和地形地貌對過渡帶結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制[5]。特別是在植物多樣性尺度效應(yīng)研究中,指出了過渡帶植物多樣性隨空間尺度增加而依賴性減弱,當(dāng)樣地面積為100 m2時(shí),為種多樣性-面積曲線的拐點(diǎn)[9]。在過渡帶植被與土壤水分關(guān)系研究中,揭示了植被蓋度與0—20 cm和20—40 cm兩層土壤含水量顯著負(fù)相關(guān),與120—140 cm和140—160 cm兩層土壤濕度顯著正相關(guān)[10]。在過渡帶景觀研究中,解釋了梭梭林和耕地面積變化是影響景觀變化主導(dǎo)因素,如民勤綠洲案例研究表明,1960—2005年綠洲-荒漠過渡帶向外圍擴(kuò)張了2—3 km[8]。此外,策勒綠洲研究明確指出,從綠洲邊界到過渡帶外緣NDVI呈減少趨勢,依據(jù)變化趨勢可將過渡帶可分為單向漸變型、雙向漸變型和突變型過渡帶三種類型[4]。從過渡帶寬度研究來看,其內(nèi)緣邊界以人類活動強(qiáng)烈干擾的農(nóng)田、林地(防護(hù)林與片林)占絕對優(yōu)勢,是研究中容易識別且爭議極少的界線,而外緣邊界位置(寬度)在不同尺度和地域研究中存在差異[4,8,11-12]?？偟膩砜?綠洲-荒漠過渡帶研究既涉及到了過渡帶優(yōu)勢植物群落空間格局與土壤性質(zhì)演化以及土地覆蓋類型變化對蒸散的影響[13-17],也結(jié)合了植被格局分析中的灌叢“肥島”效應(yīng)和降水截留特征等生態(tài)學(xué)主要研究內(nèi)容[18-19]。

需要強(qiáng)調(diào)地是在涉及綠洲-荒漠過渡帶生態(tài)與環(huán)境變化研究方面[2-5,8,10],過渡帶內(nèi)的植被、土壤和微氣候特點(diǎn)等要素存在變化梯度的事實(shí)被明確指出[4-5],但過渡帶寬度與確定方法以及過渡帶類型對寬度影響等定量化研究尚未完善。從相鄰學(xué)科類似研究來看,“景觀邊界厚度”與“綠洲-荒漠過渡帶寬度”在概念上具有異曲同工之處。特別是景觀邊界概念不僅開始關(guān)注“邊界厚度”,同時(shí)對邊界空間格局(直線、鋸齒和破碎等)做了分類[20],指出了邊界類型變化在景觀研究中的特殊意義[21-22]。從這個(gè)角度來看,對綠洲-荒漠過渡帶寬度進(jìn)行研究,在方法論上對景觀格局分析也具有借鑒意義。此外,從研究手段可行性來看,基于遙感數(shù)據(jù)研究明確指出,利用地表反射光譜特征獲取的NDVI(歸一化植被指數(shù),Normalized Difference Vegetation Index)、溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)、條件植被溫度指數(shù)(Vegetation Temperature Condition Index,VTCI)等可以捕捉到不同生態(tài)系統(tǒng)之間和同一生態(tài)系統(tǒng)之內(nèi)植被生產(chǎn)力水平梯度差異[23-25],為綠洲-荒漠過渡帶寬度識別提供了條件保障。

因此,本文選擇張掖綠洲北部典型區(qū)為研究對象,該區(qū)包括了綠洲與石質(zhì)裸山、礫質(zhì)荒漠、沙質(zhì)荒漠和人工固沙區(qū)等具有代表性景觀的鑲嵌格局。擬解決的科學(xué)問題是綠洲外緣NDVI變化趨勢特征以及由此識別出不同類型過渡帶寬度。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)選擇在河西走廊黑河流域中游的張掖市臨澤縣平川鎮(zhèn)綠洲-荒漠交錯區(qū),該區(qū)綠洲邊緣擴(kuò)張?jiān)谖覈G洲區(qū)具有典型性[6-7,15]。該區(qū)多年平均降水量為117 mm,其中7—9月占65%；多年平均蒸發(fā)量為2390 mm,平均氣溫為7.6℃,最高氣溫39.1℃,最低氣溫-27.3℃。研究區(qū)范圍內(nèi)綠洲生態(tài)系統(tǒng)分別與沙質(zhì)荒漠(沙漠)、人工固沙區(qū)(流沙治理區(qū))、礫質(zhì)荒漠和石質(zhì)裸山等4種類型相鄰(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 研究方法

1.2.1遙感數(shù)據(jù)與解譯

遙感數(shù)據(jù)采用2015年8月28日OLI _TIRS影像產(chǎn)品(軌道號133—33,紅和近紅波段分辨率30 m,熱紅外波段為100 m),研究區(qū)云量為0。在解譯前利用ENVI5.5軟件對遙感影像進(jìn)行幾何/正射校正,輻射定標(biāo),FLAASH大氣校正和研究區(qū)影像裁剪。然后,采用面向?qū)ο蟊O(jiān)督分類把綠洲等5種類型解譯出來,隨后在ArcGIS環(huán)境中用dissolve命令對5種類型中的“噪音”斑塊進(jìn)行融合(圖2)。

1.2.2過渡帶類型劃分與樣區(qū)設(shè)置

從圖1、2可以看出,綠洲主體分別與石質(zhì)裸山等四種生態(tài)系統(tǒng)相鄰。針對這種現(xiàn)狀將過度帶劃分為4種類型(表1)。同時(shí),為了保證影響因素的一致性,在相對集中區(qū)域設(shè)置了4種過渡帶樣區(qū),取樣面積為2000 m×2500 m(圖2)。

圖2 綠洲范圍與過渡帶樣區(qū)位置(A: 石質(zhì)裸山；B: 礫質(zhì)荒漠；C: 人工固沙區(qū)；D: 沙質(zhì)荒漠)

表1 不同過渡帶類型描述

1.2.3過渡帶范圍識別

在遙感技術(shù)應(yīng)用中,用Landsat數(shù)據(jù)(30 m)獲取植物種組成、群落類型等信息不可行,只能采用相對成熟的NDVI(代表植被生產(chǎn)力)分析綠洲植被生產(chǎn)力空間梯度變化[26],因?yàn)榧词褂肕ODIS NDVI數(shù)據(jù)(250 m)研究植被生產(chǎn)力格局亦可獲得滿意的結(jié)果[27]。

具體流程：首先對圖1用buffer命令正負(fù)緩沖分析功能形成綠洲與其它景觀類型之間最小外切多邊形,用外切多邊形與各生態(tài)系統(tǒng)相鄰邊界代表綠洲邊界(過渡帶內(nèi)緣線)(圖2)。該邊界把綠洲內(nèi)部防護(hù)林、水域和綠洲內(nèi)部荒漠等都融合到綠洲主體,把綠洲邊緣防護(hù)林和游離主體綠洲的新墾農(nóng)田從綠洲主體剝離。其次以綠洲邊界為目標(biāo)進(jìn)行緩沖分析,分析梯度分別為：在0—300 m范圍內(nèi),30 m為緩沖間隔；在300—600 m范圍內(nèi),60 m為緩沖間隔；在600—1000 m,100 m為緩沖間隔；>1000 m,200 m為緩沖間隔；最大緩沖距離為1600 m。最后在綠洲與4種景觀類型相鄰處設(shè)置面積為2000 m×2500 m的樣區(qū)各一個(gè),在完全覆蓋緩沖范圍基礎(chǔ)上用Clip命令分別取樣分析(圖2)。

考慮到植被尺度依賴特點(diǎn)和分區(qū)難題[6,9],本文對NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行焦點(diǎn)分析,采用30 m×30 m(原始分辨率)、90 m×90 m、210 m×210 m和330 m×330 m 4個(gè)尺度。即,每個(gè)柵格NDVI分別以原始值和以原始值為中心的3倍、7倍和11倍范圍內(nèi)所有柵格平均值表示,結(jié)果見圖3。這種方法導(dǎo)致過渡帶相對由“窄”變“寬”、由“零散”變“集中”的現(xiàn)象是由分析尺度變化導(dǎo)致,也是本文過渡帶寬度尺度效應(yīng)的分析基礎(chǔ)。

此外,在NDVI變化拐點(diǎn)(邊界寬度)判斷中,考慮到過渡帶植被生產(chǎn)力格局是一個(gè)多級別鑲嵌體(mosaic)且空間變化復(fù)雜是一個(gè)包容型等級結(jié)構(gòu)[28-30]。因此,采用分段線性趨勢分析法判斷過渡帶寬度。文中所有統(tǒng)計(jì)分析用SPSS22計(jì)算,線性趨勢顯著性分析(F檢查)閥值采用P=0.05和P=0.001。當(dāng),P>0.05時(shí)不顯著；0.001≤P≤0.05時(shí)為顯著；P<0.001時(shí)為極顯著。

2 結(jié)果

在綠洲-石質(zhì)裸山過渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化趨勢在距邊界165 m左右存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖4),NDVI由0.0983下降到0.0653,平均減少0.0200/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)；距離超過150m變化明顯減弱且NDVI波動變化在0.0522—0.0629之間,平均減少0.0007/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結(jié)果來看(圖4),隨尺度增加,NDVI變化趨勢交點(diǎn)距離增大,在330 m尺度達(dá)到220 m。但是在小于90 m尺度時(shí),交點(diǎn)位置無變化,僅使交點(diǎn)后165—210 m間NDVI變化趨向平緩(圖4中黑點(diǎn)),而這種效果隨尺度增加保持穩(wěn)定。

圖4 綠洲-石質(zhì)裸山邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-礫質(zhì)荒漠過渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化在距邊界330 m間也存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖5),NDVI由0.1351下減少到0.0758,平均減少0.0180/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)；距離超過330 m變化減弱且NDVI波動變化在0.0606—0.0731之間,平均減少0.0010/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)。不同尺度分析結(jié)果表明(圖5),隨尺度增加NDVI變化趨勢交點(diǎn)位置都在330 m處且線性趨勢方程都為極顯著(P<0.001)。

圖5 綠洲-礫質(zhì)荒漠邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-沙質(zhì)荒漠過渡帶,30 m尺度的NDVI變化在距邊界230 m間存在一個(gè)急劇下降區(qū)(圖6),NDVI由0.1017下降到0.0730,平均減少0.0125/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)；距離超過230 m NDVI變化減弱且波動在0.0674—0.0730之間,平均減少0.0004/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結(jié)果來看(圖6),隨尺度增加NDVI變化趨勢交點(diǎn)距離呈增加趨勢,在尺度超過210 m后,交點(diǎn)距離穩(wěn)定在290 m,但是其線性趨勢都不顯著(P>0.05)。

圖6 綠洲-沙質(zhì)荒漠邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-人工固沙區(qū)過渡帶,分析尺度為30 m時(shí),NDVI變化趨勢與其它過渡帶不同,出現(xiàn)2個(gè)交點(diǎn)(圖7)。在距邊界240 m第一次出現(xiàn),在這一階段NDVI由0.1448下降到0.1085,平均變幅0.0151/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)；在580 m處第二次出現(xiàn),其間的NDVI變化明顯減弱且轉(zhuǎn)為顯著增加趨勢(P<0.05),變化在0.1118—0.1146之間,平均變幅0.0008/100 m,；當(dāng)距離超過580 m,NDVI又呈極顯著下降趨勢(P<0.001),由0.1111下降到0.0903,平均變幅0.0021/100 m。從不同尺度分析結(jié)果來看(圖7),隨尺度增加NDVI趨勢線第一交點(diǎn)出現(xiàn)距離呈減小趨勢,在小于90 m尺度時(shí)交點(diǎn)位置不變,當(dāng)大于90 m時(shí),第一交點(diǎn)距離減少到210 m。從線性變化顯著檢查來看,除210 m尺度達(dá)到顯著外(圖7),其它尺度變化不顯著(P>0.05)。第二交點(diǎn)出現(xiàn)位置變化不大,除30 m尺度外,其它尺度都為580 m,線性變化趨勢也都達(dá)到極顯著(P<0.001)。

圖7 綠洲-梭梭林固沙區(qū)邊界過渡帶NDVI緩沖分析

從不同過渡帶寬度比較來看,在綠洲-人工固沙區(qū)過渡帶最寬,這與研究區(qū)綠洲防護(hù)體系建設(shè)密切相關(guān),從梭梭林樹齡判斷已經(jīng)有40多年治理周期。綠洲-石質(zhì)裸山過渡帶寬度最窄,是因?yàn)檠芯繀^(qū)綠洲擴(kuò)展受到了合黎山余脈影響,山前洪積沖積物上發(fā)育植被稀疏,NDVI空間衰減明顯。沙質(zhì)和礫質(zhì)荒漠過渡帶介于二者之間,其中綠洲-礫質(zhì)荒漠過渡帶大于沙質(zhì)荒漠。

3 討論

在干旱區(qū)研究中,綠洲-荒漠過渡帶具有重要生態(tài)緩沖功能,是綠洲生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的重要保障,過渡帶寬度是影響其緩沖功能的重要指標(biāo)[3,31]。

從本文過渡帶寬度確定方法來看,在其既有明確內(nèi)涵定義,又缺乏空間范圍條件約束的情況下[3-5],以NDVI為度量指標(biāo),采用綠洲邊界確定→判定要素尺度特征分析→始于邊界的要素趨勢分析流程可對綠洲-荒漠過渡帶寬度進(jìn)行確定(圖2—7)。張掖綠洲典型案例分析表明,綠洲邊界外緣NDVI存在二種差異明顯的變化速率(圖4—7),二種變化趨勢的交點(diǎn)位置距綠洲邊界距離可判定為邊界寬度。

不同類型過渡帶寬度存在差異,其中綠洲-石質(zhì)裸山過渡帶寬度在165—220 m之間(圖4)。當(dāng)分析尺度大于90 m時(shí),趨勢線交點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離綠洲邊界,出現(xiàn)明顯的尺度依賴現(xiàn)象,過渡帶寬度逐漸增加到220 m；當(dāng)分析尺度小于90 m時(shí),無尺度依賴特征,過渡帶厚度穩(wěn)定在165 m。綠洲-礫質(zhì)荒漠過渡帶寬度穩(wěn)定在330 m,無尺度依賴特征。綠洲外緣NDVI存在二種差異明顯的線性趨勢(P<0.001,圖5),表明在該類型過渡帶植被生產(chǎn)力空間格局與石質(zhì)裸山區(qū)別明顯。綠洲-沙質(zhì)荒漠過渡帶寬度變化在230—290 m間,當(dāng)分析尺度小于210 m,過渡帶寬度存在尺度依賴特征,即隨分析尺度增加寬度逐漸增加,在210 m尺度時(shí)過渡帶寬度達(dá)到最大；大于210 m,尺度依賴特征消失(圖6)。過渡帶內(nèi)NDVI線性趨勢極顯著,過渡帶外NDVI變化趨勢不顯著(最小P=0.025),表明進(jìn)入流沙生境后,植被斑塊呈隨機(jī)出現(xiàn)。綠洲-人工固沙區(qū)過渡帶寬度變化存在異質(zhì)性,變化趨勢有2個(gè)交點(diǎn),總體上過渡帶厚度變化在570—580m之間。其中第一個(gè)交點(diǎn)位置在210—240 m間,將過渡帶NDVI變化分為二個(gè)部分(圖7)。在靠近綠洲部分,隨分析尺度增加NDVI迅速減少,在210 m尺度時(shí)過渡帶寬度穩(wěn)定在210 m；外側(cè)部分NDVI變化較小,在90 m尺度時(shí)過渡帶厚度就穩(wěn)定在570 m。從變化特點(diǎn)來看,靠近綠洲部分不同尺度NDVI變化都達(dá)到了極顯著水平；外側(cè)部分只有210 m尺度達(dá)到顯著(圖7),其它尺度不顯著。在過渡帶之外區(qū)域,不同尺度NDVI變化都達(dá)到了極顯著,說明在距離邊界570—580 m之外區(qū)域的NDVI變化與過渡帶內(nèi)NDVI變化存在差異。從綠洲-人工固沙區(qū)過渡帶存在第二交點(diǎn)的事實(shí)可以推斷,在靠近綠洲區(qū)植被生長狀況較好,這一現(xiàn)象隨距邊界距離增加而減弱,大約在240 m處這種現(xiàn)象消失并進(jìn)入平緩變化區(qū),隨距離再延深至距綠洲邊界約570—580 m處時(shí),NDVI變化趨勢又發(fā)生了變化(趨勢線斜率由正變?yōu)樨?fù)),達(dá)到人工植被與天然植被交匯點(diǎn)(圖7)。因此,在該類過渡帶進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)活動時(shí)要考其內(nèi)NDVI變化存在二種規(guī)律的現(xiàn)象。

總的來看,在30—330 m分析尺度范圍內(nèi),綠洲-荒漠過渡帶NDVI變化呈現(xiàn)由綠洲邊界向過渡帶外緣衰減趨勢,這種現(xiàn)象與策勒綠洲-沙漠過渡帶研究結(jié)果一致[4-5]。NDVI衰減現(xiàn)象與過渡帶類型無關(guān),但變化趨勢在不同過渡帶存在差別。從共性來看,綠洲外緣區(qū)NDVI變化存在二種(或二種以上)趨勢,其交點(diǎn)距綠洲邊界距離可認(rèn)定為過渡帶寬度。從差異性來看,過渡帶寬度尺度依賴特征各不相同,在綠洲與礫質(zhì)荒漠和人工固沙區(qū)過渡帶表現(xiàn)很弱(最大相差10 m)；在綠洲-石質(zhì)裸山過渡帶其影響較強(qiáng),呈現(xiàn)出隨分析尺度增加過渡帶邊界寬度增加趨勢。在綠洲-沙質(zhì)荒漠過渡帶,尺度效應(yīng)對過渡帶寬度影響超過210 m后消失。此外,從采用遙感數(shù)據(jù)識別綠洲-荒漠過渡帶寬度的準(zhǔn)確性來看,僅用NDVI指數(shù)尚不能保證識別精度,在后續(xù)工作中將引入溫度條件指數(shù)(Temperature Condition Index,TCI)與NDVI相互印證可提高識別精度,因?yàn)橐延醒芯勘砻鱐CI可捕捉到地表亮度量化特征并成功反演溫度變化[32-33],這將為提高綠洲-荒漠過渡帶厚度識別精度提供方法保障。

4 結(jié)論

在綠洲-荒漠過渡帶寬度識別中NDVI是一個(gè)有效度量指標(biāo),因?yàn)槠湓诰G洲邊界向外梯度上呈明顯衰減趨勢,這種趨勢與邊界類型有關(guān)。過渡帶內(nèi)、外存在的NDVI變化趨勢差異可用分段線性趨勢分析捕捉到交點(diǎn)(即過渡帶寬度閾值)。不同類型過渡帶寬度有差別,其中綠洲-人工固沙區(qū)過渡帶寬度最大為570—580 m,其內(nèi)NDVI存在二種變化趨勢,在距離綠洲邊界240 m范圍內(nèi)變化趨勢極顯著(P<0.001),超出此閾值變化趨勢不顯著(P>0.05)。再其它類型過渡帶內(nèi)NDVI僅有一種變化趨勢,其中綠洲-礫質(zhì)荒漠過渡帶寬度為330 m,隨后依次為綠洲-沙質(zhì)荒漠過渡帶和石質(zhì)裸山過渡帶,寬度分別變化在230—290 m和165—220 m。在分析尺度30—330 m范圍內(nèi),人工固沙區(qū)和礫質(zhì)荒漠過渡帶寬度的尺度效應(yīng)不明顯,隨分析尺度增加寬度增加10 m；石質(zhì)裸山和沙質(zhì)荒漠過渡帶寬度尺度效應(yīng)相對明顯,隨分析尺度增加過渡帶寬度分別增加55 m和60 m。