利用NDVI 產(chǎn)草量模型淺探新疆葉城縣天然草地退化狀況

黃 菲 ，彭 建 ，李剛勇 ，閆 洋 ，張楚婕

(1.新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)草原站，新疆 喀什 844000；2.新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，烏魯木齊 830049)

草地退化是荒漠化的一種，在干旱地區(qū)，草地長期無休止退化的結(jié)果就是荒漠化，直至變?yōu)樯衬甗1]。新疆葉城縣處于干旱區(qū)，由于本身的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之人們對草地資源的科學(xué)利用意識(shí)薄弱，使得葉城縣各類天然草地已經(jīng)出現(xiàn)不同程度退化。為探明葉城縣天然草地退化狀況，本文從草地經(jīng)營學(xué)的角度出發(fā)，將草地退化理解為草地生產(chǎn)力降低、質(zhì)量下降和生境變劣[2]。針對草地生產(chǎn)力降低這一具體表現(xiàn)，以天然草地鮮草產(chǎn)量減少程度為退化分級指標(biāo)，以5 年為周期，選用2009 年、2014 年和2019 年3 年8月的MODIS 遙感影像產(chǎn)品提取NDVI 數(shù)據(jù)集，結(jié)合同期地面監(jiān)測鮮草產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，確定各草地類NDVI 退化等級閾值，借助ArcGIS10.5 軟件對葉城縣天然草地退化分級，探究2009 年以來葉城縣天然草地退化的時(shí)空分布變化和現(xiàn)狀，為后續(xù)精準(zhǔn)開展草原生態(tài)修復(fù)研究，改善草地退化狀況提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

葉城縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，地理位置 N35°28′～38°34′，E76°08′～78°31′，是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主、農(nóng)牧結(jié)合的農(nóng)業(yè)縣，屬溫帶大陸性干旱氣候，常年日照時(shí)數(shù)長，北部平原全年日照總數(shù)2 740 h，南部山區(qū)一般比平原地區(qū)少5%～15%不等。 降水量少， 北部年平均降水量54 mm， 南部山區(qū)年平均降水量350～400 mm。 溫差較大，極端最高氣溫 39.5 ℃，極端最低氣溫-22.7 ℃，1 月最冷，平均氣溫-6.2 ℃，7 月最熱，平均氣溫24.5 ℃，平均年無霜期228 d。 葉城縣地勢南高北低起伏較大，縣域面積多處于南部喀喇昆侖和昆侖山區(qū)，北部沖積扇平原、戈壁沙漠只占26.7%。 葉城縣天然草地毛面積58.07 萬hm2，可利用面積56.142 萬hm2，缺水和嚴(yán)重缺水草地24.11 萬hm2，山地草地垂直帶譜系列比較完整，自下而上為荒漠、草原化荒漠、荒漠草原、草原、高寒草原、高寒草甸等草地類，是西昆侖山范圍內(nèi)植被發(fā)育最完善的地段[3]。

1.2 數(shù)據(jù)材料來源

1.2.1 地面監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文使用新疆維吾爾自治區(qū)草原總站2009 年、2014 年和2019 年3 年8 月在葉城縣39 個(gè)監(jiān)測樣點(diǎn)所采集的草原植被生長盛期的鮮草產(chǎn)量和蓋度數(shù)據(jù)。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)

本文利用的遙感數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局NASA 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站， 針對研究區(qū)域地面監(jiān)測實(shí)際，選用 2009 年、2014 年和 2019 年 3 年 8 月 MODIS MOD13Q1 (Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250 m)遙感影像產(chǎn)品。該產(chǎn)品是對地面光譜反射的一種估計(jì)，已經(jīng)進(jìn)行了除去大氣的吸收和散射影響處理，質(zhì)量經(jīng)過驗(yàn)證，絕對誤差小于5%[4]。

1.2.3 矢量數(shù)據(jù)

本文使用的葉城縣天然草地矢量圖， 是新疆維吾爾自治區(qū)草原總站在2018 年草地資源清查工作中完成的圖件。 該圖件是結(jié)合遙感影像，綜合掌握的各項(xiàng)草地資料數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀繪制圖斑地類和草地類型后，前往葉城縣進(jìn)行實(shí)地樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，對所有圖斑屬性進(jìn)行上圖繪制完成的。

1.3 研究方法

1.3.1 遙感影像預(yù)處理

將下載可覆蓋研究區(qū)域(h24v05)的1 景MODIS MOD13Q1 遙感影像產(chǎn)品使用MRT 軟件進(jìn)行地理幾何校正與重采樣處理，提取 NDVI 數(shù)據(jù)：選取8 月上旬和下旬的研究區(qū)16-Day-NDVI 影像，投影選擇了Albers，大地基準(zhǔn)面為WGS84，輸出空間分辨率250 m，存為TIFF 格式。 利用ArcGIS10.5 軟件將8月旬度影像進(jìn)行MVC 合成月數(shù)據(jù)， 用草原總站在草地資源清查時(shí)制作的葉城縣天然草地矢量文件對影像進(jìn)行掩膜提取得到研究區(qū)的NDVI 數(shù)據(jù)，再利用柵格計(jì)算器工具對圖層值域進(jìn)行歸一化，使NDVI值域在[-1，1]之間。

本文使用的MODIS 產(chǎn)品NDVI 數(shù)據(jù)集已被研究驗(yàn)證，與草地地上生物量有密切關(guān)系[5，6]，大量用于估測草地產(chǎn)草量[7-12]。 NDVI 經(jīng)處理，可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云、陰影和大氣條件有關(guān)的輻照度條件變化等的影響[13]。

1.3.2 實(shí)測指標(biāo)與NDVI 相關(guān)性分析

首先對地面監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化處理，利用Excel 對葉城縣草地植被生長盛期動(dòng)態(tài)監(jiān)測時(shí)各草地類型的鮮草產(chǎn)量進(jìn)行歸一化處理，使產(chǎn)草量值域處于[0，1]之間。 利用ArcGIS10.5 軟件將野外調(diào)查獲取的葉城縣草地植被生長盛期動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與同期的遙感影像進(jìn)行疊加， 將遙感影像的NDVI 值提取到監(jiān)測點(diǎn)，利用回歸分析，建立39 個(gè)樣點(diǎn)NDVI 與實(shí)測鮮草總產(chǎn)量之間的回歸模型：

式中：Y 為估測的鮮草總產(chǎn)量；X 為 NDVI 值；R2為決定系數(shù)；R 為相關(guān)系數(shù)。 鮮草總產(chǎn)量與 NDVI 值的散點(diǎn)圖如圖1。

圖1 總產(chǎn)草量鮮重與NDVI 值散點(diǎn)圖

1.3.3 草地退化分級

本文以未退化草地產(chǎn)草量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定各草地類退化等級閾值， 實(shí)現(xiàn)對研究年份草地退化程度分級。 其中，未退化草地產(chǎn)草量基準(zhǔn)使用了1989 年新疆維吾爾自治區(qū)畜牧廳編制的《新疆維吾爾自治區(qū)天然草地生產(chǎn)力統(tǒng)計(jì)表冊》中喀什地區(qū)相同草地類的鮮草產(chǎn)量數(shù)據(jù)。 表冊中數(shù)據(jù)記載詳實(shí)，經(jīng)過專家論證，被業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，對于隸屬于喀什地區(qū)的葉城縣，此表冊記載的草地資源歷史數(shù)據(jù)是目前最適用的。擬定退化草地分級標(biāo)準(zhǔn)參照天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)中，鮮草產(chǎn)量相比未退化草地基準(zhǔn)的百分?jǐn)?shù)減少率評價(jià)指標(biāo)，將草地退化等級分為四級。 本文將研究年份鮮草產(chǎn)量能達(dá)到未退化草地基準(zhǔn)鮮草產(chǎn)量90%及以上的，即鮮草產(chǎn)量減少率小于等于10%甚至增加的，視為“未退化”；減少率在11%～20%之間，視為“輕度退化”；減少率在21%～50%之間，視為“中度退化”；減少率在50%以上，視為“重度退化”，見表1。

表1 草地退化程度的分級

2 結(jié)果與分析

利用相關(guān)性分析建立的NDVI 與實(shí)測鮮草總產(chǎn)量之間的回歸模型，使用ArcGIS10.5 軟件對各草地類NDVI 值進(jìn)行重分類，反演研究區(qū)內(nèi)各草地類退化狀況，制作葉城縣天然草地退化分布圖，統(tǒng)計(jì)各草地類4 個(gè)退化等級像元所占比例情況。

2.1 各年份葉城縣草地退化變化

通過像元統(tǒng)計(jì)分析比例，2009 年葉城縣天然草地退化情況是3 個(gè)研究年份中退化情況最嚴(yán)重的(表2，表3，表4)。 2009 年葉城縣除低地草甸類草地以外的6 類主要天然草地退化情況最為嚴(yán)重的前3 類草地分別是溫性草原類草地、 高寒草甸類草地、 溫性荒漠類草地， 中度及重度退化的比例相加分別高達(dá)94.75%、78.45%、77.67%(詳見表 2)。

表2 2009 年葉城縣天然草地各草地類退化程度比例表

相比2009 年，2014 年葉城縣天然草地重度退化比例下降16.71%，中度退化下降了4.14%，輕度退化下降了0.69%，未退化比例上升了21.53%(表2，表3)。 除低地草甸類草地以外的6 類主要天然草地退化情況最為嚴(yán)重的前3 類草地分別是高寒草甸類草地、溫性草原類草地、高寒草原類草地，中度及重度退化的比例相加占比分別是67.85%、58.49%、38.52%(詳見表3)。

表3 2014 年葉城縣天然草地各草地類退化程度比例表

2019 年時(shí)，葉城縣天然草地重度退化比例相比2014 年減少1.44%，中度退化增加了1.27%，輕度退化增加了0.34%，未退化比例減少了0.16%(表3，表4)。除低地草甸類草地以外的6 類主要天然草地退化情況最為嚴(yán)重的前3 類草地分別是高寒草甸類草地、溫性草原類草地、高寒草原類草地，中度及重度退化的比例相加分別是65.81%、61.12%、37.38%(詳見表4)。

表4 2019 年葉城縣天然草地各草地類退化程度比例表

2.2 退化等級精度驗(yàn)證分析

以地面監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)對比為退化基準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定的退化等級為正判依據(jù)， 與通過相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)對該監(jiān)測點(diǎn)NDVI 值重分類確定的退化等級進(jìn)行比對。 對39 個(gè)實(shí)測點(diǎn)中10 個(gè)測點(diǎn)的退化程度存在誤判，10 個(gè)誤判測點(diǎn)中3 個(gè)測點(diǎn)高估了草地退化程度，7 個(gè)測點(diǎn)低估了草地退化程度，影像正判率74.35%。經(jīng)分析，錯(cuò)誤點(diǎn)主要有以下2 類: 一是退化分級時(shí)以草地類鮮草產(chǎn)量為指標(biāo)，未考慮同一草地類的不同草地型鮮草產(chǎn)量存在差異，進(jìn)一步針對差異進(jìn)行NDVI 的重分類，使重分類精度受到影響，當(dāng)同一草地類與草地型鮮草產(chǎn)量差異較大時(shí)，高估了草地退化程度；二是對蓋度大于80%的測點(diǎn)，NDVI 的反應(yīng)不夠靈敏[14]，從而對分類精度也有一定的影響，低估了草地退化程度。

3 討 論

3.1 研究方式側(cè)重

目前在研究天然草地退化時(shí)空分布變化和現(xiàn)狀時(shí)，同類文章大多參考了天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)，建立草地退化遙感監(jiān)測和評價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)置5～10 年時(shí)間，間隔選取多個(gè)研究年份開展研究。 薩其日拉[15]等人利用遙感影像估算蓋度，采用草地退化指數(shù)判別草地退化程度，以純遙感技術(shù)的角度分析得到內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗整體草地退化時(shí)空分布特征，此類方法可以節(jié)省大量人力物力，利用植被蓋度與NDVI 之間關(guān)系估算區(qū)域植被蓋度的方法也被廣泛應(yīng)用。 本文則考慮各草地類發(fā)生條件的不同， 利用情況存在差異， 在當(dāng)前的生態(tài)修復(fù)工作中的難易程度同樣存在差異。 為具體得到各草地類退化程度時(shí)空分布和現(xiàn)狀，選取了喀什地區(qū)內(nèi)山地垂直地帶性草地類型發(fā)生相對完備典型的葉城縣作為研究區(qū)域，以1989 年新疆維吾爾自治區(qū)畜牧廳編制經(jīng)過論證的鮮草產(chǎn)量數(shù)據(jù)為未退化基準(zhǔn)，以地面實(shí)測指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合遙感影像，在天然草地類型矢量圖的范圍內(nèi)進(jìn)行研究，以期今后葉城縣的草原生態(tài)修復(fù)工作實(shí)施范圍更加精準(zhǔn)，達(dá)到修復(fù)效果更明顯的目的。

3.2 需要細(xì)化研究改進(jìn)的問題

天然草地退化有產(chǎn)草量、蓋度、高度、植物群落結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)等方面變化表現(xiàn)，馮雙雙[16]采用因子分析法確定表征草地實(shí)際變化情況的多個(gè)指標(biāo)在草地退化評價(jià)中的權(quán)重，比較退化指數(shù)和各個(gè)植被指數(shù)間的相關(guān)性，找出與草地退化指數(shù)相關(guān)性最大的植被指數(shù)，建立基于退化指數(shù)與最大相關(guān)性植被指數(shù)的草地退化反演模型,對壩上草原退化情況進(jìn)行了研究。張光茹[17]等人使用主成分分析對退化高寒草甸不同恢復(fù)方式下草地質(zhì)量的綜合評價(jià)。 本文只是針對草地生產(chǎn)力降低這一具體表現(xiàn)，以天然草地鮮草產(chǎn)量減少程度為退化分級指標(biāo)，在今后的學(xué)習(xí)探索和退化草地調(diào)查工作中，還需要大量的查閱資料結(jié)合野外調(diào)查、走訪完善各項(xiàng)指標(biāo)的未退化基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以大量及規(guī)范的野外調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證各項(xiàng)退化指標(biāo)權(quán)重,完善草地退化遙感監(jiān)測和評價(jià)指標(biāo)體系地方標(biāo)準(zhǔn)。 另外，此次研究年份中，2009 年遭遇旱情對植被生長產(chǎn)生不利影響，葉城縣各草地類鮮草總產(chǎn)量有不同程度的減產(chǎn)，對當(dāng)年天然草地退化存在一定程度的高估。

4 小 結(jié)

2014 年葉城縣天然草地重度退化比例相比2009 年下降16.71%，中度退化下降了4.14%，輕度退化下降了0.69%，未退化比例上升了21.53%。 2019 年時(shí)重度退化比例相比2014 年減少1.44%，中度退化增加了1.27%，輕度退化增加了0.34%，未退化比例減少了0.16%。 2014 年相比2019 年增減幅度不大，葉城縣天然草地普遍退化情況得到初步遏制，目前葉城縣低海拔區(qū)荒漠草地類退化程度整體相對較輕，但天然草地退化形勢依然嚴(yán)峻，南部中高海拔山區(qū)的溫性草原類草地、高寒草原類草地、高寒草甸類草地的退化情況仍然嚴(yán)重。