寧夏草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)

沙文生　魏淑花　牟高峰　馬麗娟　王蕾　黃文廣

摘要 為了研究寧夏草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況，研究以寧夏天然草原為研究對(duì)象，采用遙感監(jiān)測(cè)的方法對(duì)寧夏草地2002、2006、2011、2016年不同時(shí)期草地植被覆蓋度進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：在2002—2016年，寧夏地區(qū)草地覆蓋度呈升高的趨勢(shì)，草原覆蓋度好轉(zhuǎn);草地植被覆蓋度指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 草地植被覆蓋度;NDVI;像元二分模型

中圖分類號(hào) X 835文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）23-0010-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.003

Monitoring the Vegetation Coverage Change of Grassland in Ningxia

SHA Wen-sheng1，WEI Shu-hua2，MOU Gao-feng1 et al

（1.Grassland Workstation of Ningxia，Yinchuan，Ningxia 750002;2.Plant Protection Institute， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Yinchuan，Ningxia 750002）

Abstract To study the situation of the vegetation coverage dynamic change of grassland in Ningxia，the grassland in Ningxia was selected as a research object.The method of remote sensing monitoring was used to calculate the vegetation coverage of grassland in Ningxia during four periods which are 2002，2006，2011，2016.The results showed that the grassland vegetation coverage was increased，and the grassland vegetation index showed a trend of increasing first and then decreasing.

Key words Grassland vegetation coverage;NDVI;Dimidiate pixel model

植被覆蓋度是指植物地上部分的垂直投影面積與樣方總面積的百分比，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的指示器[1]。植被覆蓋度是衡量地表植被覆蓋的重要指標(biāo)，

也是反映植被長(zhǎng)勢(shì)和描述生態(tài)系統(tǒng)的基本指標(biāo)及重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2-3]。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、最為脆弱和敏感的生態(tài)系統(tǒng)類型之一[4]。

目前草地植被覆蓋度估算主要有傳統(tǒng)草地資源野外調(diào)查和3S遙感監(jiān)測(cè)2種方法[5]。遙感監(jiān)測(cè)方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)調(diào)查方法效率低下、耗時(shí)長(zhǎng)、浪費(fèi)人力物力等缺點(diǎn)，可以開展不同尺度、大范圍監(jiān)測(cè)，遙感的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)地表植被動(dòng)態(tài)變化[3]。

遙感監(jiān)測(cè)方法效率高、耗時(shí)短，可以開展不同尺度、大范圍監(jiān)測(cè)，遙感的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)地表植被動(dòng)態(tài)變化[5]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)對(duì)地表植被長(zhǎng)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的分析，并利用植被指數(shù)獲得了植被覆蓋度空間分異、動(dòng)態(tài)變化的情況，為遙感技術(shù)在草地生態(tài)方面的研究提供了理論基礎(chǔ)[6-10]。筆者以2002、2006、2011、2016年4期TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取歸一化植被指數(shù)并反演草地植被覆蓋度，分析了寧夏草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況，為寧夏自治區(qū)草地的生態(tài)建設(shè)和綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

寧夏地區(qū)位于35°14′～39°23′N、104°17′～107°39′E，處在黃河中上游地區(qū)及沙漠與黃土高原的交接地帶，全境海拔1 000 m以上，地勢(shì)南高北低，高差近1 000 m。寧夏地區(qū)屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，年平均氣溫在5～9°C，呈北高南低分布;多年平均年降水量183.4～677.0 mm，由南向北遞減;年降水量150～600 mm，雨季多集中在6—9月;平均年水面蒸發(fā)量1 250 mm;夏季時(shí)間短，降水少，7月最熱，平均氣溫24°C，冬季時(shí)間長(zhǎng)，氣溫變化起伏大，1月最冷，平均氣溫-9°C;南部六盤山區(qū)陰濕多雨，氣溫低，無(wú)霜期短，北部日照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，全年日照時(shí)數(shù)達(dá)3 000 h，無(wú)霜期150 d左右。寧夏地區(qū)的草原類型分別為溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類。草原的地帶性分布從東南到西北依次呈現(xiàn)草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類及溫性荒漠類。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理 該研究選取2002年7月、2006年7月、2011年7月、2016年7月的TM影像為數(shù)據(jù)源，圖像空間分辨率為30 m×30 m。基于ERDAS 9.2、ArcGIS 10.3軟件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，然后用寧夏草地邊界矢量界限對(duì)不同年份數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪獲取研究區(qū)內(nèi)的影像數(shù)據(jù)。

1.3 草地植被覆蓋度估算 歸一化植被指數(shù)NDVI常用來(lái)進(jìn)行區(qū)域尺度的植被分類和植被覆蓋度研究，計(jì)算公式如下[11]：

式中，R表示紅外波段;NIR表示近紅外波段。

根據(jù)像元二分模型理論得到草地植被覆蓋度計(jì)算公式[11]：

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB 19377—2003），將寧夏地區(qū)草地植被覆蓋等級(jí)分為5級(jí)，如表1。

1.4 草地植被覆蓋度指數(shù)計(jì)算 草地植被覆蓋度指數(shù)計(jì)算公式為

式中，GCVI為草地植被覆蓋指數(shù);Di為草地植被覆蓋等級(jí)i的評(píng)分;Ai為草地植被覆蓋等級(jí)i的分布面積（km2）;A為研究區(qū)草地總面積（km2）。

通過(guò)遙感反演獲得逐年草地植被蓋度的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ERDAS編寫運(yùn)算程序，獲得研究區(qū)草地植被蓋度的空間格局，并計(jì)算逐年草地植被覆蓋度指數(shù)，綜合判別和分析該區(qū)時(shí)空格局（表2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期寧夏草地植被覆蓋度情況 根據(jù)草地植被覆蓋度計(jì)算過(guò)程及方法，分別計(jì)算出了寧夏地區(qū)2002、2006、2011、2016年草地植被覆蓋度等級(jí)分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由表3可知，2016年寧夏地區(qū)高覆蓋草地的面積為892.45 km2，所占比重為3.38%，中高覆蓋草地的面積為700.27 km2，所占比重為2.65%，中覆蓋草地的面積為1 645.10 km2，所占比重為6.23%，低覆蓋草地的面積為14 609.50 km2，所占比重為55.29%，極低覆蓋草地面積為8 575.04 km2，所占比重為32.45%。其中低覆蓋草地面積所占比重最大，中高覆蓋草地面積所占比重最小。

2002年寧夏地區(qū)高覆蓋草地面積為140.37 km2，所占比重為0.53%;中高覆蓋草地面積為419.04 km2，所占比重為1.58%;中覆蓋草地面積493.38 km2，所占比重為1.87%;低覆蓋草地面積9 306.69 km2，所占比重為35.20%;極低覆蓋草地面積為16 079.60 km2，所占比重為60.28%，其中高覆蓋草地所占比重最小，極低覆蓋草地面積所占比重最大。

到2006年，高覆蓋草地面積216.53 km2，所占比重為0.82%;中高覆蓋草地面積462.40 km2，所占比重為1.75%;中覆蓋草地面積604.76 km2，所占比重為2.28%;低覆蓋草地面積5 818.10 km2，所占比重為21.98%;極低覆蓋草地面積19 368.70 km2，所占比重為73.17%其中高覆蓋草地面積所占比重仍是最小，極低覆蓋草地面積所占比重仍為最大。

到2011年，高覆蓋草地面積為302.88 km2，所占比重為1.15%;中高覆蓋草地面積641.71 km2，所占比重為2.43%;中覆蓋草地面積809.32 km2，所占比重為3.06%;低覆蓋草地面積8 427.31 km2，所占比重為31.88%;極低覆蓋草地面積16 254.20 km2，所占比重為61.49%，其中高覆蓋草地面積所占比重仍是最小，極低覆蓋草地面積所占比重仍為最大。

由表4可知，從各年份的變化幅度來(lái)看，2002—2006年高覆蓋草地面積和中高覆蓋草地面積都呈增加趨勢(shì)，但是增加較小，分別為76.16、43.36 km2;中覆蓋草地面積增加了111.38 km2，低覆蓋草地面積減少了3 488.59 km2，極低覆蓋草地面積增加了3 289.10 km2。2006—2011年，高覆蓋草地增加了86.35 km2，中高覆蓋草地面積增加了179.31 km2，中覆蓋草地面積增加了204.56 km2，低覆蓋草地面積增加了2 609.21 km2，極低覆蓋草地面積減少了3 114.50 km2。2011—2016年，高覆蓋草地面積增加了589.57 km2，中高覆蓋草地面積增加了58.56 km2，中覆蓋草地面積增加了835.78 km2，低覆蓋草地面積增加了6 182.19 km2，極低覆蓋草地面積減少了7 679.16 km2，減幅最大。

總之，2002—2016年，高覆蓋草地面積呈增加趨勢(shì)，共增加了752.08 km2，中高覆蓋草地面積增加了281.23 km2，中覆蓋草地面積增加了1 151.72 km2，低覆蓋草地面積增加了5 302.81 km2，極低覆蓋草地面積減少了7 504.56 km2，其中低覆蓋草地面積增加最多，中高覆蓋草地增加最小，僅極低覆蓋草地面積減少，且減少幅度較大。

2.2 寧夏草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化情況

為了更好地分析寧夏地區(qū)草地植被覆蓋度的時(shí)空變化情況，該研究依據(jù)馬爾科夫（Markov）轉(zhuǎn)移矩陣模型，并結(jié)合ArcGIS中工具箱中的分析工具→疊加分析→相交，對(duì)前后2期寧夏草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，得出研究區(qū)各覆蓋度草地之間的轉(zhuǎn)移情況（圖2）。從圖2得出不同年份各等級(jí)草地轉(zhuǎn)移面積（表5～8）。

由表5可知，在2002—2006年，寧夏地區(qū)高覆蓋草地面積有127.14 km2保持不變，有85.55 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，有0.36 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地。中高覆蓋草地有297.56 km2保持不變，有138.26 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，9.24 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，11.07 km2的高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地。在中覆蓋草地中有274.94 km2保持不變，283.64 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，29.61 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地。在低覆蓋草地中有4 633.08 km2保持不變，有971.57 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，1.03 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，72.87 km2的中覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地。在極低覆蓋草地中有14 978.70 km2保持不變，有0.09 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地，4 186.04 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地。

由表6可知，2006—2011年，寧夏地區(qū)高覆蓋草地中有192.64 km2保持不變，103.17 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，1.66 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地。在中高覆蓋草地中有342.23 km2保持不變，有251.93 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，15.51 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，20.28 km2高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地。在中覆蓋草地中有301.89 km2保持不變，有462.20 km2的低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，有10.73 km2的中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地。在低覆蓋草地中有4 405.45 km2保持不變，有3 797.21 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，0.22 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，35.06 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地。在極低覆蓋草地中有15 354.20 km2保持不變，有0.15 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地，800.03 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地。

由表7可知，2011—2016年，寧夏地區(qū)高覆蓋草地面積有292.33 km2保持不變，其中有509.28 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，有73.99 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，分別有1.51和0.15 km2的低覆蓋草地和極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地。中高覆蓋草地中有116.92 km2保持不變，有433.33 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，有117.57 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，有2.24 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，有4.75 km2高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地。在中覆蓋草地中有243.94 km2保持不變，有1 313.15 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，有13.75 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，有5.51 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地。低覆蓋草地中有6 473.35 km2保持不變，有7 849.20 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，0.20 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，30.06 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地。在極低覆蓋草地中有8 197.50 km2保持不變，其中0.36 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地，305.32 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地。

由表8可知，2002—2016年，寧夏地區(qū)高覆蓋草地面積有133.59 km2保持不變，其中有395.87 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，有240.58 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，有102.21 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地，有0.84 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為高覆蓋草地;在中高覆蓋草地中有16.52 km2保持不變，185.22 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，465.06 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地，2.86 km2高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中高覆蓋草地;在中覆蓋草地中有54.73 km2保持不變，1 372.75 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，146.37 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地，2.66 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為中覆蓋草地;在低覆蓋草地中有6 553.43 km2保持不變，有7 760.91 km2極低覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，有0.08 km2中高覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地，有6.12 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為低覆蓋草地。在極低覆蓋草地中有7 931.75 km2保持不變，有0.45 km2中覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地，有568.96 km2低覆蓋草地轉(zhuǎn)為極低覆蓋草地?？傊?，在此期間寧夏地區(qū)草原植被覆蓋度呈升高的趨勢(shì)，草原覆蓋度好轉(zhuǎn)。

2.3 寧夏草地植被覆蓋度指數(shù)結(jié)果分析 表9是寧夏地區(qū)2002、2006、2011、2016年的草地植被覆蓋度指數(shù)。

根據(jù)表2中草地植被覆蓋度指數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合表9統(tǒng)計(jì)結(jié)果，寧夏地區(qū)4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的草地植被覆蓋度指數(shù)均大于4，說(shuō)明2002—2016年，寧夏地區(qū)的草地植被覆蓋狀態(tài)均為劣等覆蓋草地;2002年草地覆蓋度指數(shù)為4.54，2006年草地覆蓋度指數(shù)為4.65，2011年草地覆蓋度指數(shù)為4.50，到2016年草地覆蓋度指數(shù)下降為4.11。在此期間，草地覆蓋度指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，草地覆蓋狀態(tài)在2002—2006年變差，而在2006—2016年草地覆蓋狀態(tài)呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

從2002—2016年整個(gè)研究區(qū)間來(lái)看，高覆蓋草地面積呈增加趨勢(shì)，共增加了752.08 km2，中高覆蓋草地面積增加了281.23 km2，中覆蓋草地面積增加了1 151.72 km2，低覆蓋草地面積增加了5 302.81 km2，極低覆蓋草地面積減少了7 504.56 km2，其中低覆蓋草地面積增加最多，中高覆蓋草地增加最小，僅極低覆蓋草地面積減少，且減少幅度較大。2002—2016年寧夏地區(qū)草地植被覆蓋度呈升高的趨勢(shì)，草原覆蓋度好轉(zhuǎn)。

2002、2006、2011和2016年寧夏地區(qū)的草地植被覆蓋狀態(tài)均為劣等覆蓋草地，在此期間，草地植被覆蓋度指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，草地覆蓋狀態(tài)在2002—2006年變差，而在2006—2016年，草地覆蓋狀態(tài)呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡棟，李文龍，朱亞莉，等.基于多源數(shù)據(jù)的甘南草地植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，55（3）：373-379.

[2] 蔡朝朝，安沙舟，蒲智，等.基于TM NDVI的庫(kù)爾勒市域植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化[J].草業(yè)科學(xué)，2015，32（7）：1069-1078.

[3] 朱寧，常偉綱，賈小鳳.三江源草地覆蓋度時(shí)空變化及對(duì)氣候的響應(yīng)[J].北京測(cè)繪，2020，34（4）：495-500.

[4] 戴睿，劉志紅，婁夢(mèng)筠，等.藏北那曲地區(qū)草地退化時(shí)空特征分析[J].草地學(xué)報(bào)，2013，21（1）：37-41，99.

[5] 陳鵬.基于SPOT-VEG的內(nèi)蒙古草原植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2015.

[6] 王福成，趙彥玲，馬素潔，等.基于MODIS影像的藏北草地植被覆蓋度時(shí)空變化趨勢(shì)分析[J]. 高原農(nóng)業(yè)，2020，4（4）：399-404，439.

[7] 劉家琰，謝宗強(qiáng)，申國(guó)珍，等.基于SPOT-VEGETATION數(shù)據(jù)的神農(nóng)架林區(qū)1998—2013年植被覆蓋度格局變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，38（11）：3961-3969.

[8] 王瑾，閆慶武，譚學(xué)玲，等.內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)及驅(qū)動(dòng)因素分析[J].林業(yè)資源管理，2019（4）：159-167.

[9] 王磊，王杰，付林，等.南充市轄區(qū)近15年植被覆蓋度變化特征[J].生態(tài)科學(xué)，2019，38（1）：159-167.

[10] BRANDT M，VERGER A，DIOUF A，et al.Local vegetation trends in the Sahel of Mali and Senegal using long time series FAPAR satellite products and field measurement （1982-2010）[J].Remote sensing，2014，6（3）：2408-2434.

[11] 那日蘇，王君芳，高鴻永，等.基于遙感與 GIS技術(shù)的呼和塔拉萬(wàn)畝草原植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)[J].草原與草業(yè)，2018，30（2）：15-19.

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31760705）。

作者簡(jiǎn)介 沙文生（1968—），男，寧夏銀川人，工程師，從事草原資源保護(hù)與管理工作。*通信作者，副研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)昆蟲與害蟲防治研究。

收稿日期 2020-05-06;修回日期 2020-05-19