新巴爾虎右旗植被覆蓋變化研究

李夢茹，鄧澤坤，杜佳夢

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022)

植被作為生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分，是生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的基礎(chǔ)，在全球變化研究中起著指示作用。近些年來，在關(guān)于植被覆蓋的時空變化與氣候變化之間關(guān)系的研究當(dāng)中，國內(nèi)外眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，氣候變暖已然成為植被覆蓋變化顯著的原因，且在北半球的中高緯地區(qū)植被覆蓋變化明顯增強[1]。而在我國大部分地區(qū)，植被活動也呈增強趨勢[2]。草原生態(tài)系統(tǒng)是陸地分布最廣泛且脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球生態(tài)環(huán)境變化研究中起著重要作用。呼倫貝爾草原是歐亞大草原的重要組成部分，也是中國最典型的草原，而新巴爾虎右旗位于呼倫貝爾草原西部，地處中蒙俄三國交界處，由于其屬于溫帶大陸性干旱氣候，本身對氣候響應(yīng)的脆弱性與敏感性引起從事生態(tài)、環(huán)境、地理等方面研究者的廣泛關(guān)注，使其成為全球變化研究的主要內(nèi)容之一。為此，對新巴爾虎右旗植被覆蓋變化進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)來源是美國宇航局MODIS網(wǎng)站的2001～2016年間的MODIS NDVI產(chǎn)品MOD13A2，此數(shù)據(jù)的空間分辨率1km，時間分辨率為16d，掃描寬度為2330km，它是由中分辨率成像光譜儀(MODIS)反射率數(shù)據(jù)的近紅外波段和紅光波段計算得到,而且NDVI與植被覆蓋度、土地利用、葉面積指數(shù)、生物量等指標(biāo)的信息密切相關(guān)[3～4]。相對于與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)MODI6S數(shù)據(jù)在空間分辨率上有較大的提升，對小目標(biāo)地物的識別與觀測能力較強，光譜分辨率得到很大程度的改進(jìn)，36個波段相互配合得到豐富的地表信息。本研究采用的氣象數(shù)據(jù)即氣象站點位置和氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，氣象數(shù)據(jù)采用新巴爾虎右旗及其附近7個氣象站點2001～2013年生長季的降水與氣溫數(shù)據(jù)。由于新巴爾虎右旗地區(qū)的植被在冬季大多停止生長甚至被積雪覆蓋，所以在本研究中采用的是每年129～273d間的數(shù)據(jù)，即每年5～9月的數(shù)據(jù)來對植被覆蓋變化進(jìn)行研究。利用MODIS Reprojection Tools(MRT)對下載數(shù)據(jù)進(jìn)行影像投影轉(zhuǎn)換，由MODIS數(shù)據(jù)的正弦曲線投影轉(zhuǎn)換為國內(nèi)通用投影阿爾博斯投影。由于研究區(qū)范圍剛好出現(xiàn)在一張影像上，故不需要進(jìn)行拼接。將轉(zhuǎn)換投影后的影像在ENVI中使用.evf格式的研究區(qū)域框進(jìn)行裁剪，將裁剪后的影像逐年對5～9月的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

使用波段計算器將影像像元值轉(zhuǎn)化為[-1,1]范圍內(nèi)的NDVI值，完成對數(shù)據(jù)的預(yù)處理。對新巴爾虎右旗的氣象數(shù)據(jù)，在Arc GIS軟件中通過克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到氣溫和降水的柵格數(shù)據(jù)。提取生長季的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行均值處理得到生長季的平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)就完成了氣象數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

1.2 研究方法

對每年5～9月新巴爾虎右旗的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行基于時間序列的均值處理，得到16年間逐年生長季的平均NDVI(NDVIJ)。由于水域無植被覆蓋及荒漠戈壁植被覆蓋極度稀少，其NDVI值不能顯示真實的植被生長狀況，需要在接下來的研究當(dāng)中剔除水域，即在ENVI中使用波段計算器將水域的固定值-0.3賦予同背景相同的值。

式中：i表示月份(i=5、6、7、8、9);j表示年份(j=2001、2002…2016)。

將16年間的NDVI進(jìn)行基于像元尺度的均值處理來分析NDVI的空間分布格局;再將逐年的NDVI進(jìn)行基于時間序列的均值并進(jìn)行趨勢線分析;計算可決系數(shù)R2來分析16年間NDVI變化趨勢,并對生長季平均氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)與年份進(jìn)行趨勢線分析，即以年份為自變量、生長季平均氣溫或降水?dāng)?shù)據(jù)為因變量做一元線性回歸模型。為研究16年間植被NDVI變化趨勢的空間格局，利用MATLAB軟件對逐年生長季和各月平均NDVI與年份之間進(jìn)行基于像元尺度的線性回歸分析[5]。得到基于像元尺度的線性回歸分析斜率a值和顯著性p值，來分析植被NDVI空間變化趨勢是否顯著。如果斜率a值大于零，則認(rèn)為植被覆蓋呈上升趨勢；如果斜率a值小于零，則認(rèn)為植被覆蓋呈減小趨勢。

式中：j為年份(j=2001、2002…2016)；NDVIJ為第j年生長季或月份的平均NDVI。

在顯著性檢驗中采用p值檢驗：若p值小于顯著性水平值，則認(rèn)為植被覆蓋呈顯著性增大或者顯著性減??；若p值大于顯著性水平值，則認(rèn)為植被覆蓋呈增大或減小，且變化不顯著。將得到的p值圖像和a值圖像利用ENVI軟件進(jìn)行決策樹分類，獲取基于像元尺度的年均ENVI的空間分布趨勢圖[6]。根據(jù)決策樹分類結(jié)果，將變化趨勢分為顯著增大(a>0，p<0.1)、不顯著增大(a>0，p>0.1)、顯著減少(a<0，p<0.1)和不顯著減小(a<0，p>0.1)四類，如圖1所示。

圖1 逐年生長季和各月平均NDVI與年份回歸分析的決策樹

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NDVI的空間格局分析

根據(jù)16年間研究區(qū)生長季NDVI[7]值，新巴爾虎右旗地區(qū)的地表植被覆蓋較好，僅南部局部微小面積受地層巖性影響出現(xiàn)無植被區(qū)。從圖2看出，植被覆蓋度最好的區(qū)域(NDVI值大于0.4)面積占比偏小，主要分布在北部受山地地形影響的區(qū)域、中部及東部河谷流域地區(qū)；植被覆蓋度較好的區(qū)域(NDVI值0.3～0.4)面積占比較大，主要分布在北部山地的南部、中部河谷流域的南部、呼倫湖南部、貝爾湖西部；植被覆蓋度一般的區(qū)域(NDVI值0.2～0.3)面積占比較大，主要分布在遠(yuǎn)離湖泊和河谷流域的中西部地區(qū)；植被覆蓋度較差的區(qū)域(NDVI值0.1～0.2)面積占比極少，主要分布在受地層巖性影響的裸巖附近。

圖2 新巴爾虎右旗NDVI的空間分布特征

2.2 植被NDVI時空變化總體趨勢分析

2.2.1植被NDVI年際變化總體趨勢

基于時間序列，NDVI作為研究區(qū)內(nèi)所有像元的平均值,所體現(xiàn)的是新巴爾虎右旗植被覆蓋整體變化趨勢。本研究將研究區(qū)域內(nèi)每個像元的年平均NDVI序列與其對應(yīng)的年份進(jìn)行趨勢線分析并計算相關(guān)系數(shù)，若趨勢線斜率為正，則認(rèn)為在16年期間區(qū)域植被覆蓋為增加趨勢；若趨勢線斜率為負(fù)，則認(rèn)為該區(qū)域植被覆蓋有降低趨勢。由圖3可看出，新巴爾虎右旗地區(qū)植被覆蓋在16年期間有微弱的增加的趨勢，其增加率為0.0045/a。但是，不同階段表現(xiàn)出不同的變化特征，2001～2002年和2012～2013年生長季平均NDVI顯著增加，2002～2004年和2013～2016年生長季平均NDVI顯著減小，2005～2012年生長季NDVI呈小幅波動的上升趨勢。

圖3 年際NDVI變化趨勢圖

2.2.2植被NDVI空間格局總體特征

盡管新巴爾虎右旗生長季NDVI在整體上呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢，但在空間上各區(qū)域之間存在著明顯的差異。將研究區(qū)域每個像元的年生長季NDVI時間序列與其相對應(yīng)的時間序列進(jìn)行線性回歸分析，通過線性回歸斜率a值和顯著性檢驗p值來分析植被空間格局的變化趨勢[8]。從圖4可以看出，新巴爾虎右旗16年間雖然植被覆蓋整體呈增大趨勢，但是在局部地區(qū)植被覆蓋呈減小趨勢，減小趨勢的區(qū)域主要分布在呼倫湖及貝爾湖周邊；在新巴爾虎右旗的西部及河谷流域附近，植被覆蓋則呈顯著性增加；而在新巴爾虎右旗的北部山地及中東部，植被覆蓋雖呈增加趨勢，但不顯著。

圖4 NDVI空間格局變化特征

2.3 植被NDVI時空變化趨勢分析

2.3.1植被NDVI年際變化趨勢

雖然16年間新巴爾虎右旗所有像元在生長季平均NDVI值呈增加趨勢，但在每個月的增長程度卻不同。16年間各月平均NDVI值的波動，R2值越大說明趨勢線模型擬合狀況越好，該月的NDVI年際值波動越??；R2值越小說明趨勢線模型擬合狀況越差，該月的NDVI年際值波動越大。觀察生長季各月NDVI的年際變化趨勢(圖5)可以發(fā)現(xiàn)，在16年間生長季各月均呈增長趨勢，與生長季均NDVI增長率0.0045/a相比，各個月份的NDVI增長率均小于生長季均NDVI增長率，即各個月份NDVI年際變化較小，而生長季均NDVI年際變化較大，其原因可能是不同年份的水熱狀況不同造成的。相對比6月份的NDVI年際變化增長率最大(0.0037/a)，5月份的最小(0.0012/a)。通過對可決系數(shù)R2的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在16年間月均NDVI值波動9月份的小，7月份最大，這是因為不同年份雨熱期不同造成的。

A為5月；B為6月；C為7月；D為8月；E為9月；圖6同

2.3.2植被NDVI空間格局特征

根據(jù)圖6可以看出，16年間新巴爾虎右旗生長季NDVI值空間格局整體呈增長趨勢，呈減少趨勢的面積占比極少。其中，5月NDVI值呈減小趨勢的面積占比最大，主要分布在新巴爾虎右旗西南部(圖6-A)；6月NDVI值呈顯著增加趨勢的面積占比最大，且主要集中在新巴爾虎右旗東北部和呼倫湖及貝爾湖周邊(圖6-B)。從整體來看，植被覆蓋度顯著增加區(qū)域主要分布在新巴爾虎右旗西南部，植被覆蓋度減小的區(qū)域主要分布在新巴爾虎右旗北部山地、東部及河谷流域。

圖6 5～9月平均NDVI空間格局的分布特征

2.4 植被NDVI對氣候變化的響應(yīng)

在新巴爾虎右旗的溫帶半干旱氣候環(huán)境中，降水和氣溫是影響植被變化的主要驅(qū)動因素,且在生長季期間由于氣溫對植被影響的滯后性，使得降水成為影響植被生長變化的主要因素。通過圖3、圖7可以看出，氣溫在13年期間呈下降趨勢，且波動較小，2002年生長季氣溫均值達(dá)到13年間的峰值，2003年、2008～2009年達(dá)到生長季氣溫均值的低谷。降水在13年期間呈上升趨勢，與NDVI年際變化趨勢一致，2002年、2008年和2013年達(dá)到峰值，2003～2007年、2009～2010年達(dá)到生長季降水均值的低谷。而NDVI值在2002年、2008年和2013年達(dá)到峰值，2004年、2006～2007年達(dá)到低谷，與降水的峰值、低谷一致，表明降水對植被生長的驅(qū)動影響。

圖7 降水和降水年際變化趨勢

3 討論

草原是世界上最脆弱且敏感的生態(tài)系統(tǒng)之一。草原植被覆蓋變化可以很好的反映出草原生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，作為人們監(jiān)測及保護(hù)草原生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。本文關(guān)于內(nèi)蒙古植被覆蓋變化的研究結(jié)果，與包剛、胡志超[10]、王舉鳳[11]、閆敏[12]等研究者的結(jié)果相對較為一致。根據(jù)自然地理學(xué)和社會學(xué)分析可知，植被覆蓋變化主要與氣候因子及人類活動有關(guān)[9]，而且在氣候因子中降水和氣溫對植被覆蓋變化的影響最大[13]，其中降水與植被覆蓋變化之間的關(guān)系具有一定的空間差異，其原因是降水對植被覆蓋變化的影響具有一定的滯后作用[14]。人類活動對植被覆蓋變化的研究表明，植被覆蓋與植被建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)呈正相關(guān)，與人口密度和單位GDP呈負(fù)相關(guān)[15]。但人類活動較為復(fù)雜難以定量分析，需要在今后研究中進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

4.1新巴爾虎右旗地區(qū)2001～2016年的地表植被覆蓋較好，植被覆蓋度較好的區(qū)域面積占比較大，植被覆蓋度一般的區(qū)域面積占比很大，只有南部局部有微小面積的裸巖無植被區(qū)。

4.2巴爾虎右旗2001～2016年植被覆蓋整體呈增長趨勢，但在不同階段表現(xiàn)出不同的變化特征。2001～2002年和2012～2013年生長季平均NDVI顯著增加，2002～2004年和2013～2016年生長季平均NDVI顯著減小。

4.3新巴爾虎右旗地區(qū)2001～2016年植被覆蓋存在空間差異性，在局部地區(qū)植被覆蓋呈減小趨勢，主要分布在呼倫湖及貝爾湖周邊。

4.42001～2013年間植被NDVI值與降水植被的峰值和低谷一致，具有良好的氣候響應(yīng)情況。