柴達(dá)木盆地典型地貌單元?dú)w一化植被指數(shù)變化特征

楊運(yùn)航,文廣超,謝洪波,王 琳

(河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454000)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶，植被的變化在一定程度上反映了土地覆蓋以及區(qū)域自然地理環(huán)境的變化情況[1]。地表植被指數(shù)是描述生態(tài)系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對于評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境等具有重要現(xiàn)實意義[2]。遙感數(shù)據(jù)具有時間跨度長，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的遙感影像被用來監(jiān)測某一地區(qū)的植被變化[3]。歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index,NDVI)是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)[4]，已成為監(jiān)測植被覆蓋情況及其生長狀況的最佳植被指數(shù)[5]。目前國內(nèi)外學(xué)者對于植被指數(shù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)做了很多研究，主要集中在植被指數(shù)與氣象及氣候因子的相互關(guān)系。徐浩杰[6]等以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣溫和降水量數(shù)據(jù)，探究柴達(dá)木盆地植被生長時空變化特征及對于氣候要素的響應(yīng)。朱文會[7]等利用NOAA/AVHRR的NDVI旬合成資料和地面月降雨數(shù)據(jù)、平均氣溫等資料，探究了三江源地區(qū)NDVI的時空變化特征及其對于氣候要素變化的響應(yīng)。鐘紅平[8]等利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)結(jié)合氣象因子、土地利用類型及海拔高度數(shù)據(jù)，探究了近10 a植被覆蓋度在時間和空間的變化特征。Roerink等[9]利用NOAA/AVHRR發(fā)布的10 d最大值合成的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，通過研究非洲撒哈拉和歐洲部分地區(qū)植被和氣象的關(guān)系，得出在干旱的地區(qū)氣候是影響植被指數(shù)變化的主要因素。利用遙感技術(shù)與生態(tài)反演相結(jié)合，可以定性與定量的分析出環(huán)境與生態(tài)的變化，為柴達(dá)木盆地的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與開發(fā)提供技術(shù)與信息支持。但是近些年，隨著青藏高原“一帶一路”和“西部大開發(fā)”的倡議和旅游業(yè)的快速發(fā)展[10]，柴達(dá)木盆地人口呈現(xiàn)增長趨勢，生態(tài)環(huán)境整體呈持續(xù)改善趨勢。對于較大區(qū)域直接進(jìn)行整體分析，難以表現(xiàn)出地區(qū)性，難以體現(xiàn)區(qū)域人類活動對于生態(tài)環(huán)境的影響。因此，本文利用多年NDVI的變化趨勢，分析柴達(dá)木盆地不同地形地貌單元下植被空間分布特征及生態(tài)的變化趨勢，為制定有針對性的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略提供決策支持與數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北緣，緯度：34°45′—39°20′N，經(jīng)度：90°00′—99°17′E，海拔高度2 427～6 212 m。盆地的西北、東北和南面分別被阿爾金山、祁連山和昆侖山環(huán)繞，形成封閉的山間盆地[11]。根據(jù)形態(tài)類型加成因類型復(fù)合分類的方法，將柴達(dá)木盆地分為4個一級地貌區(qū)[12]，包括阿爾金山—祁連山山地區(qū)(Ⅰ)、柴達(dá)木盆地區(qū)(Ⅱ)、昆侖山山地區(qū)(Ⅲ)和鄂拉山山地區(qū)(Ⅳ)。盆地內(nèi)干旱少雨，蒸發(fā)量大，形成了典型的高原大陸氣候，為干旱半干旱地區(qū)。盆地內(nèi)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，盆地內(nèi)植被覆蓋率小于5%，森林覆蓋率為0.84%[13-14]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

研究使用的遙感影像主要來源于USGS(https:∥earthexplorer.usgs.gov)和地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)發(fā)布的Landsat系列數(shù)據(jù)(表1)和DEM(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)(空間分辨率30 m)。原始遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理以剔除云及氣溶膠等影響。大氣校正后反射率范圍為0～10 000，對于不在該范圍的異常值進(jìn)行縮放處理，將DN值的最高值和最低值調(diào)整為10 000，0。利用ENVI和ArcGIS等軟件對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出研究區(qū)內(nèi)NDVI和海拔等數(shù)據(jù)。坡度由ArcGIS表面分析工具Slope，據(jù)DEM數(shù)據(jù)直接提取，坡度范圍為0°～90°。

表1 本研究使用數(shù)據(jù)成像時間

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數(shù) 本文引用歸一化植被指數(shù)(NDVI)[15]用于反映不同地貌單元下植被指數(shù)的變化特征，計算公式為：

(1)

式中：NIR為近紅外波段；R為可見光紅波段；NDVI的取值范圍為[-1,1]。

2.2.2 趨勢線分析 趨勢線分析法是利用每個斜率模擬每個柵格的變化趨勢，得出不同時期植被覆蓋變化的空間特征[16]。本文利用此方法得出柴達(dá)木盆地多年NDVI的變化趨勢，計算公式為：

(2)

2.2.3 相關(guān)分析 本文利用相關(guān)分析法研究了海拔對于盆地內(nèi)NDVI的影響[17]，計算公式為：

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI空間變化分析

基于1998—2018年5期影像數(shù)據(jù)提取出來的不同地貌單元下的NDVI結(jié)果詳見表2。由表2可知，1998—2003年，柴達(dá)木盆地受到崩塌、滑坡、泥石流等多種自然災(zāi)害，耕地、草地、林地等處植被受到嚴(yán)重影響，NDVI呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；2003—2008年，國家政策調(diào)整及人們環(huán)保意識加強(qiáng)，盆地內(nèi)全區(qū)NDVI呈現(xiàn)出明顯的增長；2008年之后，NDVI呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定狀態(tài)。從橫向看，同一年內(nèi)祁漫塔格山—布爾汗布達(dá)山大起伏高山極高山區(qū)(Ⅲ1)NDVI值較大，茫崖—冷湖中海拔、風(fēng)蝕殘丘古湖盆區(qū)(Ⅱ1)NDVI較小。NDVI總體表現(xiàn)出東南高、西北低的走勢(見表2)。

表2 柴達(dá)木盆地1998-2018年NDVI在不同地貌區(qū)主要分布區(qū)間

利用公式(2)得出趨勢線的斜率NDVIθ，NDVIθ大于0，說明NDVI呈現(xiàn)增加趨勢，相反NDVIθ小于0，NDVI呈現(xiàn)減少趨勢，NDVIθ絕對值越大，則NDVI值變化越明顯。根據(jù)NDVIθ值的變化范圍及相關(guān)學(xué)者實際研究情況[18-19]，定義NDVIθ分為7個變化等級(見表3)，統(tǒng)計在不同地貌區(qū)下各個植被變化等級所占的面積比例。

表3 柴達(dá)木盆地不同斜率在各個地貌分區(qū)所占面積比例

由表2—3可以看出，在1998—2018年，盆地內(nèi)不同地貌單元分區(qū)的NDVI呈現(xiàn)如下變化特征：改善較明顯的地區(qū)主要集中在塞什騰山—宗務(wù)隆山冰川、冰緣、流水作用中—大起伏高山寬谷區(qū)(Ⅰ4)，改善面積達(dá)到67.61%；蘇干湖，中海拔流水作用盆地區(qū)(Ⅰ3)，改善面積達(dá)到59.26%；昆侖山前洪積平原區(qū)(Ⅱ4)，改善面積達(dá)到58.11%；祁漫塔格山—布爾汗布達(dá)山大起伏高山極高山區(qū)(Ⅲ1)，改善面積達(dá)到52.79%。柴達(dá)木盆地作為典型的干旱半干旱地區(qū)，水源是限制植被生長的關(guān)鍵因子[6]。以昆侖山前洪積平原區(qū)為例，該區(qū)內(nèi)有大范圍的沖積扇和洪積扇，在沖積扇和洪積扇形成良好的透水網(wǎng)，水源充足，且植被類型多以草甸和針葉林、闊葉林為主，呈現(xiàn)出較好的長勢。人類活動也是影響區(qū)域NDVI變化的主要因子，2004年青海省先后組織了“青海省藏族少數(shù)民族地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)知識普及計劃”和“千鄉(xiāng)萬村環(huán)境保護(hù)科普行動計劃”等環(huán)?；顒?，并認(rèn)真落實國家“退耕還林還草”等政策，提出禁牧、休牧1.14×106hm2，隨著公眾生態(tài)環(huán)保意識的增強(qiáng)，德令哈等地區(qū)生態(tài)環(huán)境明顯改善。退化較明顯的地區(qū)主要在達(dá)布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(qū)(Ⅱ3)河湖沿岸(如圖1所示)，以臺吉乃爾湖和達(dá)布遜湖為例，人類活動較強(qiáng)，聚集有較大的采鹽場，土地鹽漬化較重，不適宜植被生長，植被生長受限呈現(xiàn)退化趨勢。

圖1 柴達(dá)木盆地NDVI變化等級

3.2 NDVI隨海拔變化分析

為了更好地分析柴達(dá)木盆地內(nèi)NDVI與海拔的相關(guān)性及其影響因素，將多年NDVI利用最大值合成法，并對合成的NDVI最大值進(jìn)行分級處理，利用從低值到高值均等分布的方法將其分為0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.5，0.5～0.6和>0.6共7個等級，植被指數(shù)重分類后與降雨等值線相疊加分析NDVI隨海拔及降雨變化規(guī)律(見圖2)。

圖2 柴達(dá)木盆地多年最大化NDVI分級

柴達(dá)木盆地內(nèi)NDVI偏低，多年最大化NDVI主要集中在0.1～0.2。盆地內(nèi)多年最大化NDVI小于0.1的區(qū)域主要分布海拔低于3 000 m的柴達(dá)木盆地區(qū)(Ⅱ)，盆地內(nèi)多年最大化NDVI大于0.4地區(qū)主要分布在盆地的外圍圈層——昆侖山山地區(qū)(Ⅲ)和鄂拉山山地區(qū)(Ⅳ)。NDVI隨海拔高度表現(xiàn)出連動性，為定量分析NDVI和海拔變化的規(guī)律，利用NDVI與海拔高度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果詳見表4。1998—2018年，隨著海拔的升高，柴達(dá)木盆地NDVI呈上升趨勢，與海拔呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。1998，2003，2008，2013和2018年的相關(guān)系數(shù)分別為0.086，0.091，0.094，0.019和0.075，相關(guān)系數(shù)越大，NDVI隨著海拔升高變化越明顯。不考慮河流及湖泊等影響，盆地NDVI分布和海拔變化表現(xiàn)出一定的連動性。柴達(dá)木盆地屬于典型的中緯度高寒、干旱大陸氣候，盆地外圍海拔多在4 000 m以上，中間海拔多在3 000 m左右，海拔落差達(dá)到1 000 m，來自西南和東南的暖濕氣流無法直接進(jìn)入盆地內(nèi)部，導(dǎo)致盆地內(nèi)降雨分布不均勻。盆地內(nèi)降雨表現(xiàn)出一定的地帶性，在海拔較高的地區(qū)降雨量較大，海拔較低的地區(qū)降雨量較少。由圖3—4可以看出，在4 000 m及以上的祁漫塔格山—布爾汗布達(dá)山大起伏高山極高山區(qū)(Ⅲ1)和鄂拉山冰緣、流水作用大起伏高山區(qū)(Ⅳ1)等地，降雨量在200 mm及以上，NDVI多大于0.3，個別地區(qū)大于0.4，生長植被以草甸、沼澤等喜濕性植被為主。在德令哈中海拔流水作用丘陵臺地平原區(qū)(Ⅱ2)和昆侖山前洪積平原區(qū)(Ⅱ4)等地，海拔在3 000 m到4 000 m之間，降雨量介于100 mm到200 mm，NDVI最大值主要介于0.2～0.4，植被類型以草原為主。NDVI常年小于0.1的地區(qū)海拔高度普遍低于3 000 m，以盆地中心茫崖—冷湖中海拔、風(fēng)蝕殘丘古湖盆區(qū)(Ⅱ1)和達(dá)布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(qū)(Ⅱ3)為主，有一定的外延性，植被類型以荒漠植被為主并夾雜著少量草原和沼澤。近幾年人類工業(yè)活動導(dǎo)致全球氣候變暖，高海拔地區(qū)冰雪融化，為植被的生長提供充足的水資源也是導(dǎo)致植被變化和海拔變化呈現(xiàn)出聯(lián)動性的關(guān)鍵因素。

表4 柴達(dá)木盆地1998-2018年NDVI與海拔高度的相關(guān)系數(shù)

3.3 NDVI隨坡度變化分析

依據(jù)國際地理學(xué)聯(lián)合會地貌調(diào)查制圖委員會關(guān)于地貌詳圖應(yīng)用的坡地分類來劃分坡度等級，規(guī)定：0°～0.5°為平原，0.5°～2°為微斜坡，2°～5°為緩斜坡，5°～15°為斜坡，15°～35°為陡坡，35°～55°為峭坡，55°～90°為垂直壁[20]。將NDVI變化等級和坡度變化等級相疊加，得出NDVI和坡度等級變化的關(guān)系。根據(jù)圖3統(tǒng)計不同植被等級下各個坡度等級所占的比重得出，在平原、峭坡和垂直壁NDVI大于0.2的面積不超過13%，NDVI隨著坡度的增大呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。

圖3 柴達(dá)木盆地地形分類

平原和微斜坡地區(qū)是人類活動的主要區(qū)域，如德令哈、都蘭、格爾木等地人類工業(yè)活動相對頻繁，周圍環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，NDVI表現(xiàn)出輕度退化的趨勢。隨著坡度的上升，人類活動相應(yīng)減弱，植被則表現(xiàn)出一定的上升趨勢，并且年間植被變化相對活躍。在峭坡和垂直壁，坡度較大，并不適合植被生長，年間植被變化并不顯著。

圖4 柴達(dá)木盆地坡度等級與NDVI變化等級的關(guān)系

4 討 論

本文探究了1998—2018年柴達(dá)木盆地植被NDVI在典型地貌單元下的變化特征，其變化特征均具有一定規(guī)律性，研究結(jié)果和結(jié)論可以為當(dāng)?shù)刂贫ㄓ嗅槍π缘厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)策略提供決策支持與數(shù)據(jù)依據(jù)。1998—2018年，柴達(dá)木盆地內(nèi)NDVI與青海省NDVI變化趨勢一致，總體呈上升趨勢，特別是東部農(nóng)業(yè)區(qū)，其增勢達(dá)到顯著性水平[21]，NDVI與海拔之間表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)論與李紅梅[22]、張斯琦[3]的研究成果一致。2008年之前，盆地內(nèi)NDVI呈現(xiàn)出明顯的增勢，說明國家的生態(tài)環(huán)境治理效果日益凸顯，公眾環(huán)保意識在逐步提高；2008年之后，盆地內(nèi)植被NDVI處于穩(wěn)定狀態(tài)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。今后需進(jìn)一步提高盆地內(nèi)植被覆蓋，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境持續(xù)優(yōu)化。本文在探究植被NDVI變化中，受Landsat影像的成像時間和成像周期的影響，在分析盆地NDVI變化中，以5 a為一階段，雖可反映植被變化趨勢，但時間連續(xù)性缺乏，長時期變化規(guī)律認(rèn)知不足。地形效應(yīng)變化過程中，柴達(dá)木盆地最低海拔在2 000 m以上，在低海拔地區(qū)，植被NDVI隨地形效應(yīng)規(guī)律是否產(chǎn)生不同特征值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

(1) 1998—2018年，受到自然災(zāi)害及人類活動的影響，柴達(dá)木盆地整體NDVI表現(xiàn)出波動性增長的趨勢。不同地貌分區(qū)下水源是限制盆地內(nèi)植被生長的主要因子，在柴達(dá)木盆地區(qū)(Ⅱ)的沖積扇和洪積扇地區(qū)，NDVI呈現(xiàn)不同程度的中度改善和明顯改善。人類活動對于植被生長則表現(xiàn)出兩面性，在德令哈中海拔流水作用丘陵臺地平原區(qū)(Ⅱ2)附近NDVI受人類耕作影響表現(xiàn)出改善趨勢，但在達(dá)布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(qū)(Ⅱ3)湖泊周區(qū)，受到人類采鹽的影響，NDVI則表現(xiàn)出較嚴(yán)重的中度退化和明顯退化趨勢。

(2) 1998—2018年，受氣候、人類活動和植被類型的影響，NDVI和海拔高度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，隨著海拔高度的升高，NDVI呈上升趨勢。柴達(dá)木盆地區(qū)(Ⅱ)NDVI主要小于0.2，在昆侖山山地區(qū)(Ⅲ)和鄂拉山山地區(qū)(Ⅳ)NDVI大于0.4。

(3) 1998—2018年受人類活動的影響，柴達(dá)木盆地NDVI隨著坡度的增大呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。在平原、峭坡和垂直壁不同植被等級所占比重都比較小，且在平原地區(qū)呈現(xiàn)出輕度退化的趨勢，在坡度較大的峭坡和垂直壁，自然因素導(dǎo)致其植被生長受限。