基于MODIS的寧夏植被覆蓋時空變化特征分析

吳霞 張永宏 王長軍 樊麗琴 李磊

摘要：以2000—2015年寧夏回族自治區(qū)NDVI數(shù)據(jù)及高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用趨勢分析、變異系數(shù)、GIS空間統(tǒng)計等方法，分析寧夏近年來植被覆蓋時空分布及變化特征。結(jié)果表明，從年際變化情況看，近16年來寧夏植被覆蓋整體呈緩慢增長趨勢，NDVI值增速為0.008/10年，其中固原市增速最高;從月際變化情況看，寧夏植被覆蓋表現(xiàn)為冬春季低，夏秋季高，呈先增加后減少的趨勢。近16年來寧夏全區(qū)年均NDVI值為0.37，植被覆蓋整體處于中低水平，中低覆蓋地區(qū)面積占比達(dá)到70.39%;從地域分布來看，表現(xiàn)為南北植被覆蓋高，中部地區(qū)植被覆蓋低;高程方面，植被覆蓋隨著高程增加呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化趨勢，其中2 400～<2 700 m海拔范圍內(nèi)植被覆蓋最高。近年來寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所改善，植被覆蓋呈改善趨勢的區(qū)域占比為50.17%，其中南部黃土高原地區(qū)植被覆蓋改善最明顯，城鎮(zhèn)地區(qū)植被退化較嚴(yán)重。寧夏植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中高波動態(tài)勢，中高波動區(qū)域占比達(dá)到57.88%。

關(guān)鍵詞：MODIS;NDVI;寧夏;植被覆蓋;時空變化特征

中圖分類號： S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0204-05

收稿日期：2020-02-06

基金項目：寧夏自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號：2019AAC03290）;寧夏青年科技人才托舉項目（編號：TJGC2018055）;寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新全產(chǎn)業(yè)鏈項目（編號：NKYZ-16-0907）。

作者簡介：吳霞（1984—），女，寧夏吳忠人，碩士，助理研究員，主要從事土地資源研究。E-mail：wuxia-xia@163.com。

通信作者：張永宏，研究員，主要從事作物栽培與耕作研究。E-mail：zyh8401@163.com。

植被指地球表面某一地區(qū)所覆蓋的植物群落，它與氣候、土壤、地形及水資源等自然環(huán)境要素密切相關(guān)，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。植被作為研究全球氣候變化的“指示器”，在全球能量交換、生物地球化學(xué)和水文循環(huán)方面起著重要的作用，能直接反映生態(tài)環(huán)境的總體狀況，因此通過監(jiān)測植被覆蓋狀況來掌握生態(tài)環(huán)境變化特征具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實價值[3-5]。歸一化植被指數(shù)（normal difference vegetation index，NDVI）別稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，在使用遙感圖像進(jìn)行植被研究以及植物物候研究中得到廣泛應(yīng)用，它是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)[6-7]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多國內(nèi)外學(xué)者采用NDVI數(shù)據(jù)對植被覆蓋變化進(jìn)行科學(xué)研究，從而探明研究區(qū)植被覆蓋的空間分布特征及其隨時間延長的演變規(guī)律，以及地形、氣候、人類活動等因素對植被覆蓋的影響[8-11]。寧夏生態(tài)本底相對脆弱，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，多年來受干旱和水資源短缺的困擾，植被覆蓋度低，水土流失和土地荒漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，研究該區(qū)地表植被覆蓋時空變化，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)具有很好的指示意義。目前，已有學(xué)者對寧夏植被覆蓋變化情況進(jìn)行分析[12-13]，范錦龍等使用PATHFINDER 8 km NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)寧夏全區(qū)植被具有明顯的1年1季的季節(jié)特征[14];裴志方等基于MODIS（中分辨率成像光譜儀）NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)寧夏植被覆蓋整體向良好方向發(fā)展[15]。但是目前有關(guān)寧夏植被覆蓋穩(wěn)定性方面的研究尚未見相關(guān)報道，因此本研究采用2000—2015年寧夏NDVI數(shù)據(jù)，在分析寧夏植被覆蓋時空演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，對植被覆蓋穩(wěn)定性進(jìn)行定量化分析，為進(jìn)一步分析寧夏植被動態(tài)變化機(jī)制、預(yù)測其變化趨勢提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)位于我國西北部，黃河中上游地區(qū)，疆域輪廓南北長、東西短，呈“十”字形，南北相距約456 km，東西相距約250 km，總面積為 6.64萬km2 [16]。其地勢南高北低，西部高差較大，東部起伏較緩，從西面、北面至東面，由騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠和毛烏素沙地相圍，南面與黃土高原相連[17]。寧夏屬典型的大陸性氣候，為溫帶半干旱區(qū)和半濕潤地區(qū)，年均氣溫5～9 ℃，年降水量180～680 mm，均由南向北遞減，降水多集中于6—9月，且年際變化率大。全區(qū)平均年水面蒸發(fā)量 1 250 mm，變幅在800～1 600 mm，年均徑流量為 9.493億m3，年均徑流深18.3 mm，人均水量均遠(yuǎn)低于全國和黃河流域平均值，干旱威脅嚴(yán)重[18-19]。受水熱條件尤其是水分因素的制約，寧夏植被自南向北呈現(xiàn)森林草原—干草原—荒漠草原—草原化荒漠的水平分布規(guī)律，其中以草原和荒漠草原為主。2000年以來，寧夏依托三北防護(hù)林、天然林保護(hù)、退耕還林等國家重大林業(yè)工程，組織實施了封山禁牧、防沙治沙、濕地保護(hù)、生態(tài)修復(fù)等重點工程，植被覆蓋率不斷提升，山川面貌不斷美化優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境得到了恢復(fù)和進(jìn)一步提升[20-21]。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究所需NDVI數(shù)據(jù)及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺，NDVI數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成年度及月度最大NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為1 km，時間分辨率為10 d;DEM數(shù)據(jù)是基于最新的SRTM V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)整理拼接生成，空間分辨率為90 m。本研究選取經(jīng)裁剪得到的2000—2015年寧夏NDVI年度和月度數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)，對寧夏植被覆蓋時空變化特征進(jìn)行分析。

1.3研究方法

1.3.1趨勢分析法一元線性回歸分析可以模擬出影像中每個柵格的變化趨勢，綜合反映研究區(qū)域NDVI時空格局演變特征[22]。本研究對2000—2015年寧夏NDVI數(shù)據(jù)在像元尺度上進(jìn)行一元線性回歸分析，計算NDVI的變化趨勢，具體計算過程如下。

slope=n×∑ni=1i×NDVIi-（∑ni=1i）×（∑ni=1NDVIi）n×∑ni=1i2-（∑ni=1i）2。（1）

式中：slope表示像元NDVI回歸方程斜率;n表示研究期總年數(shù)，本研究中n=16 年;i表示年序號;NDVIi表示第i年NDVI的最大值。若slope>0，表示NDVI隨時間變化呈增長趨勢，slope值越大，表明增長越快;若slope<0，則表示NDVI隨時間延長呈下降趨勢，slope絕對值越大表明下降越明顯[23]。

1.3.2變異系數(shù)法變異系數(shù)（CV）別稱標(biāo)準(zhǔn)差率，是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量，本研究通過變異系數(shù)（CV）反映NDVI隨時間序列變化的波動情況，其計算過程如下。

CV=12n∑ni=1（NDVIi-NDVI）2NDVI×100%。（2）

式中：n表示研究期總年數(shù)，本研究中n = 16年;i表示年序號;NDVIi表示第i年NDVI的最大值;NDVI表示研究區(qū)內(nèi)16年的NDVI平均值。CV值越大，表明NDVI年際變化越大，時序波動較大;反之，則表明NDVI年際變化不大，時序較穩(wěn)定[24-25]。

2結(jié)果與分析

2.1寧夏植被覆蓋時間變化特征

2.1.1NDVI年際變化特征由圖1可知，2000—2015年寧夏植被覆蓋呈緩慢增長趨勢，NDVI值增速僅為0.008/10年，最大值出現(xiàn)在2013年，為047;最小值出現(xiàn)在2000年，為0.29。各地區(qū)植被覆蓋均呈增長趨勢，固原市植被覆蓋增長最明顯，NDVI值從2000年的0.41增加到2015年的0.58，增長率為41.46%;中衛(wèi)市植被覆蓋增長最緩慢，16年間NDVI值僅增長21.74%;銀川市和石嘴山市植被覆蓋均呈增長趨勢，增速基本與全區(qū)水平持平。

2.1.2NDVI月際變化特征由圖2可知，1年內(nèi)寧夏植被覆蓋呈先增加再減少的趨勢，這與干旱半干旱地區(qū)氣候特征和降水量月際分布密切相關(guān)。寧夏1—12月NDVI值介于0.11～0.37，1—4月屬于冬春季節(jié)，干旱少雨，且耕地處于冬閑狀態(tài)，NDVI值較低且增長緩慢，最大值僅為4月的0.138;5—9月是寧夏的多雨季節(jié)，植被生長迅速，NDVI值快速增長，至7月達(dá)到最大，為0.374;10—12月NDVI快速下降，下降率達(dá)到48.28%。

2.2寧夏植被覆蓋空間分布特征

2.2.1NDVI空間分布特征利用ArcGIS的像元統(tǒng)計工具計算得到寧夏2000—2015年平均年度NDVI空間分布圖（圖3），并根據(jù)寧夏實際情況將植被覆蓋劃分為極低覆蓋度（NDVI<0.15）、低覆蓋度（0.15≤NDVI<0.30）、中低覆蓋度（0.30≤NDVI<0.45）、中覆蓋度（0.45≤NDVI<0.60）、高覆蓋度（NDVI≥0.60）5類。由圖3可知，寧夏平均年度NDVI值介于0.10～0.86，全區(qū)平均年度NDVI值為

0.37，總體處于中低覆蓋水平。由表1可知，寧夏極低覆蓋度的區(qū)域面積為693 km2，占1.33%，主要集中分布于中衛(wèi)市西北部騰格里沙漠邊緣;低覆蓋度的區(qū)域面積為23 176 km2，占44.60%，主要分布于寧夏中部干旱少雨地區(qū)，包括中衛(wèi)市海原縣、吳忠市同心縣、鹽池縣等;中低覆蓋度和中覆蓋度的區(qū)域面積分別為12 711、9 695 km2，合計占比為4311%，主要分布在位于黃土高原北部的固原地區(qū);高覆蓋度的區(qū)域面積為5 694 km2，占10.96%，分布于固原市六盤山森林地區(qū)以及沿黃河灌溉地帶。

2.2.2不同高程NDVI變化特征寧夏海拔高度介于1 086～345 7 m，按照300 m等間距劃分為8個區(qū)間。由圖4可知，隨著海拔高度的增加，寧夏NDVI值呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化態(tài)勢，NDVI低值區(qū)出現(xiàn)在海拔1 200～<1 800 m之間，主要分布于寧夏中部地區(qū)，該地區(qū)降水量稀少、蒸發(fā)量大且缺乏灌溉水源，不利于植被生長;NDVI高值區(qū)出現(xiàn)在海拔2 400～<3 000 m之間，分布于寧夏南部六盤山地區(qū)，該區(qū)域降水量充沛且溫度適宜，植被生長旺盛。

2.3寧夏植被覆蓋時空格局演變

2.3.1空間趨勢特征采用一元線性回歸趨勢分析法計算得到2000—2015年寧夏植被覆蓋變化趨勢，參照NDVI變化類型將趨勢線斜率（slope）劃分為顯著退化（slope<-0.01）、輕微退化（-0.01≤slope<-0.005）、基本不變（-0.005 ≤slope<0005）、輕微改善（0.005 ≤slope<0.01）和顯著改善（slope ≥ 0.01）5類， 并繪制NDVI變化趨勢空間

分布圖 （圖5）。由表2可知，2000—2015年寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所好轉(zhuǎn)，植被狀況呈現(xiàn)顯著改善和輕微改善的面積分別為11 546 、14 524? km2，合計占比為50.17%，主要分布于引黃灌溉地區(qū)和南部黃土高原地區(qū);植被覆蓋基本不變區(qū)域面積為24 739 km2，占比為47.60%，分布于中衛(wèi)市、吳忠市等中部干旱少雨地區(qū);植被覆蓋呈退化趨勢的區(qū)域面積合計為1 160 km2，占2.23%，呈點狀集中分布于城鎮(zhèn)地區(qū)，其中銀川市周圍植被退化最明顯。

2.3.2空間波動特征經(jīng)計算得到2000—2015年寧夏NDVI變異系數(shù)（CV）， 參照自然間斷法劃分為低波動、較低波動、中等波動、較高波動和高波動5類，并繪制變異系數(shù)空間分布圖（圖6）。據(jù)統(tǒng)計，寧夏16年間植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中等波動和高波動變化態(tài)勢，區(qū)域波動差異性較大。低波動和較低波動區(qū)域面積合計占比為4212%，主要分布于黃河沿岸灌水便利地區(qū)以及南部山區(qū)降水相對充沛區(qū)域;中高波動區(qū)域主要分布于中部干旱帶、荒漠地區(qū)以及北部賀蘭山地區(qū)等，其中植被覆蓋較高波動和高波動區(qū)域面積合計為10 721 km2，占比達(dá)到20.63%，與寧夏降水量年度波動情況密切相關(guān)。

3結(jié)論

2000—2015年寧夏植被覆蓋隨時間變化特征、空間分布情況、發(fā)展趨勢以及穩(wěn)定性方面表現(xiàn)如下：第一，從年際變化來看，寧夏植被覆蓋呈緩慢增長趨勢，NDVI值增速為0.008/10年，其中固原地區(qū)植被覆蓋增長最快，增長率達(dá)到41.46%;從月際變化來看，植被覆蓋冬春季低，夏秋季高，NDVI最低值出現(xiàn)在2月，為0.11，最高值出現(xiàn)在7月，為037。第二，近16年寧夏平均年度NDVI值為037，整體處于中低覆蓋水平，中低覆蓋地區(qū)面積占比達(dá)到70.39%，地域分布上呈現(xiàn)南北兩頭植被覆蓋較高，中部地區(qū)植被覆蓋偏低的態(tài)勢;植被覆蓋隨著高程增加呈現(xiàn)“降低—升高—降低”的變化趨勢，其中2 400～2 700 m海拔范圍內(nèi)是寧夏水熱條件較好的地區(qū)，植被覆蓋最高。第三，從植被覆蓋發(fā)展趨勢來看，2000—2015年寧夏植被覆蓋整體維持穩(wěn)定且有所改善，50.17%的地區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)改善趨勢，其中南部黃土高原地區(qū)植被覆蓋改善最明顯，城鎮(zhèn)地區(qū)特別是銀川市周圍植被退化較嚴(yán)重。第四，植被覆蓋穩(wěn)定性方面，寧夏植被覆蓋變異系數(shù)介于0.002～0.651，整體呈現(xiàn)中高波動變化態(tài)勢，中高波動區(qū)域占比達(dá)到57.88%，區(qū)域差異表現(xiàn)為“南北波動小，中部波動大”。

本研究利用NDVI數(shù)據(jù)對寧夏2000—2015年植被覆蓋時空變化情況進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)寧夏植被覆蓋在空間分布和時間變化趨勢方面均與寧夏地形地貌、氣候特征、降水量分布以及人類活動等密切相關(guān)。本研究并未就溫度、降水、經(jīng)濟(jì)以及人口等因素對植被覆蓋的影響作深入探討，在今后的研究中有必要綜合考慮多因素對寧夏植被覆蓋的影響，明確各因素對植被覆蓋的影響因子，進(jìn)一步預(yù)測植被覆蓋的發(fā)展趨勢。

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