祁連山黑河源區(qū)植被NDVI時空變化特征及影響因素分析

袁杰, 曹廣超, 楊登興, 曹生奎, 刁二龍, 趙美亮

祁連山黑河源區(qū)植被NDVI時空變化特征及影響因素分析

袁杰1, 3, 曹廣超1, 2, 3, *, 楊登興1, 3, 曹生奎1, 3, 刁二龍1, 3, 趙美亮1, 3

1. 青海師范大學, 地理科學學院, 西寧 810008 2. 青海師范大學, 研究生院, 西寧 810008 3. 青藏高原地表過程與生態(tài)保護教育部重點實驗室, 西寧 810008

對于極度缺水的西北內陸干旱地區(qū), 植被覆蓋度儼然成為了該區(qū)生態(tài)環(huán)境的“指示劑”, 其發(fā)揮的核心作用不容小視。選取西北內陸干旱區(qū)核心區(qū)域—黑河源區(qū)為研究對象, 利用MODIS NDVI數(shù)據(jù), 采用最大合成法和趨勢分析法, 探討該區(qū)植被NDVI時空變化特征, 并分析地形因素和降水量對NDVI的影響。結果表明: (1)研究區(qū)自2000年開始NDVI整體自西北向東南呈逐漸增加趨勢, 增加面積顯著大于減少面積且累計增加面積占研究區(qū)面積的50.58%, 表明整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了明顯改善; (2)對年、月際降水量和NDVI進行擬合后發(fā)現(xiàn), NDVI與降雨量呈極顯著正相關關系, 表明研究區(qū)植被覆蓋程度隨降雨量的增加呈增加趨勢; (3)不同海拔梯度范圍內, NDVI以3000—3300 m為界, 界上植被NDVI呈增加趨勢, 界下呈明顯減少趨勢; (4)從坡度來看, NDVI以坡度25°為界, 界下NDVI值隨坡度增加呈增大趨勢且增幅明顯, 界上NDVI值開始減少, 減幅較小; (5)不同坡向上, NDVI以正東向半陰坡和正西向半陽坡為界出現(xiàn)明顯的高低值分區(qū), 其中最高值出現(xiàn)于正東向半陰坡, 最低值出現(xiàn)于西南—正南向陽坡。

黑河源區(qū); NDVI; 時空變化特征; 影響因素

0 前言

植被不僅是連接大氣、土壤及水體的重要紐帶, 更是陸地生態(tài)系統(tǒng)明顯發(fā)生變化的放大器[1]。植被生長過程中不僅受到土壤養(yǎng)分、地形、氣候等自然因素的影響[2–3], 而且易受人類活動影響, 因此植被蓋度被國內外學者用于評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境。其中Deering首先在1978年提出歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)[4], 用于表征植被生長情況, 并發(fā)現(xiàn)氣溫和降水與NDVI之間存在顯著關系, 自此NDVI便被選取為植被覆蓋程度的代用指標并得到了廣泛應用。隨之Kawabata等[5]進一步研究發(fā)現(xiàn), 由于氣溫降水的影響導致了南北半球植被數(shù)量發(fā)生明顯變化, 進而影響南北半球植被的光合作用, 使南北半球生態(tài)環(huán)境發(fā)生明顯變化。同樣, Jue等[6]對美國中部NDVI的影響因素進行研究后發(fā)現(xiàn), NDVI隨年降水距平值在空間上明顯發(fā)生變化; 后期Li等進一步利用主成分分析和小波分析研究了NDVI和El Ni?o的響應關系, 并且表明NDVI在一定程度能夠指示El Ni?o的強弱[7]。在國內, 學者們同樣選取NDVI為替代指標進行了大量研究[8-10], 研究結果一致表明NDVI因其可以直觀、快速、清晰的體現(xiàn)不同地表植被覆蓋程度而被選定為生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的綜合指示器。

祁連山是西北內陸干旱區(qū)著名高大山系之一, 地跨青海、甘肅兩省, 不僅是西北地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)[11], 同時也是西北內陸干旱地區(qū)極為重要的生態(tài)儲水和輸水中心, 境內因海拔梯度高、水系分布廣、植被水源涵養(yǎng)功能強而擔負著青藏高原東北部乃至整個河西綠洲的生態(tài)環(huán)境安全[12]。該區(qū)更是由2017年1月一篇名為《兩位生態(tài)學博導四問祁連山生態(tài)保護》的文章被廣泛轉載而引起轟動, 自此祁連山生態(tài)保護問題被提升到一個前所未有的高度。隨之祁連山國家公園于2018年10月29日正式揭牌成立, 旨在實現(xiàn)生態(tài)跨區(qū)域統(tǒng)一保護管理。那么對于極度缺水的西北內陸干旱地區(qū), 植被蓋度儼然成為了該區(qū)生態(tài)環(huán)境的“指示劑”, 其發(fā)揮的核心作用不容小視。在此背景下, 為更加有效實現(xiàn)該區(qū)生態(tài)保護和治理, 就必須重視該區(qū)作為一個生態(tài)功能區(qū)在急需生態(tài)環(huán)境保護時所要面對的首要問題: 該區(qū)作為西北內陸干旱區(qū)中一個生態(tài)重要性和脆弱性并存的區(qū)域, 其植被覆蓋變化趨勢如何?影響因素有哪些？基于此, 本文選取祁連山國家公園青海片區(qū)的重要組成單元—黑河源區(qū)作為研究對象, 以NDVI作為代用指標, 對該區(qū)植被覆蓋時空變化特征進行分析, 并進一步分析影響因素, 可以更好的回答上述問題，同時可為該區(qū)乃至整個祁連山國家公園生態(tài)建設和環(huán)境保護提供參考依據(jù)和應用支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處黑河上游祁連山區(qū)(圖1), 地理坐標為: 98°05′35″E—101°02′06″E, 37°25′16″E—39°05′18″N, 東西長約280 km, 南北寬約186 km。海拔介于2180 m—5287 m, 總面積近1.6′104km2。位于青海省境內海北藏族自治州北部, 北及西北與甘肅省酒泉市、肅南裕固族自治縣和民樂縣為界, 南與剛察縣、海晏縣相連, 西南與天峻縣相鄰, 東與青海省門源回族自治縣接壤。研究區(qū)屬典型大陸高寒半濕潤山地氣候, 降水集中在5—9月, 西部較為干旱, 東南及中部較濕潤, 所以西部植被多以山地草原類為主，土壤類型主要為栗鈣土和高山高原土；東南部主要以山地草甸類為主, 土壤類型主要以山地草甸土、黑鈣土及高山灌叢土為主。研究區(qū)典型植被類型有針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌叢、草甸、草原、沼澤及水生植被、墊狀植被和稀疏植被等9種植被類型[13]。

圖1 研究區(qū)位置圖

Figure 1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及分析方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所需MODIS系列數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://reverb.echo.nasa.gov/), 其軌道號分別為, h25v04和h26v05; 降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/), 主要為研究區(qū)內祁連、野牛溝、托勒及門源4個氣象站逐月降水量數(shù)據(jù); 地形因子提取自DEM數(shù)據(jù)(90 m分辨率), 來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。

由于已下載MODIS數(shù)據(jù)MOD13A1產品已經經過輻射定標、水、云、重氣膠、云掩膜雙向大氣校正等處理, 所以本研究在提取指標前只需對已經獲得的影像數(shù)據(jù)在ArcGis 10.2軟件中進行常規(guī)格式轉換、鑲嵌、裁剪及投影轉換。最后用MVC法將NDVI數(shù)據(jù)進行最大化合成, 投影為Albers(等面積割圓錐投影), 獲得2000—2015年NDVI時間序列數(shù)據(jù)集。

1.2.2 趨勢系數(shù)

通過前期數(shù)據(jù)處理與整理, 本文分別統(tǒng)計了2000年、2005年、2010年及2015年生長季月平均NDVI來體現(xiàn)研究區(qū)NDVI時間變化特征, 并采取差值法(即次時期所有網(wǎng)格NDVI值減去前一時期)量化不同年份之間的NDVI動態(tài)變化, 最后通過一元線性回歸法模擬研究區(qū)NDVI變化趨勢, 公式為[14-15]:

式(1)中,=1代表2000年NDVI值, 依次類推(=2代表2001年,=3…15); 則SLOPE為2000—2015年NDVI平均增長量, 用增長量乘以15, 則研究區(qū)近年來增長幅度可以表示為:

其中式(2)中NDVI為15年來增長幅度。

1.2.3 最大合成法

由于研究區(qū)植被生長季為5—9月, 所以根據(jù)已下載數(shù)據(jù)提取5—9月NDVI作為分析對象, 生長期共選取320景。數(shù)據(jù)獲取后首先將每月數(shù)據(jù)利用最大合成法MVC(maximum value composites)進行合成, 得到月最大NDVI代表該月的NDVI值, 公式為:

式(3)中: i為某年月序號, 取值范圍為5—9月, 則MNDVI(i)為第i月NDVI值; NDVIa, NDVIb分別為第i月上半月和下半月的NDVI。其中NDVI<0.1代表地表無植被覆蓋, 所以結合研究需要, 只統(tǒng)計NDVI>0.1的像元計算研究區(qū)植被變化。進行最大合成法處理好數(shù)據(jù)后, 利用年累計平均NDVI來反映2000—2015年來研究區(qū)生長季植被覆蓋總體特征, 公式為:

1.2.4 影響因素分析

研究中分析坡度、坡向、高程及降雨量對NDVI的影響時, 采用單因素方差分析方法進行分析, 不同值域之間比較利用Tukey's 多重檢驗。

2 結果和分析

2.1 黑河源區(qū)生長季植被覆蓋時空變化特征

2.1.1 時間變化特征

通過圖2可以看出, 2000—2015年NDVI整體呈增加趨勢(圖2-a), 其中2001年達到最小值0.72, 2015年達到最大值0.78, 分析結果與武正麗[16]和程瑛[17]等人的結論基本一致。從研究區(qū)15年來生長季(5—9月)植被變化趨勢中可以看出(圖2), 各月NDVI值整體呈增加趨勢, 其中6—8月份NDVI值明顯大于5月和9月。在研究區(qū)5—9月份雨熱同期, 降水主要集中在該時段內, 同時該時段是區(qū)內植物主要生長時段, 因此在月際變化上, 年內降雨量最大的6、7、8月NDVI值明顯大于5月和9月。進一步分析發(fā)現(xiàn)(圖2-b), 各年5月份NDVI在0.55—0.74之間幅動, 均值為0.64, 整體波動較小; 6月份開始NDVI值明顯呈增加趨勢, 介于0.79—0.88之間幅動, 均值為0.83; 7月份和8月份進入植被生長旺季, NDVI值在年內達到最大, 幅度范圍分別介于0.85—0.90和0.83—0.88, 均值分別為7月(0.87)和8月(0.86); 9月份進入枯黃期, NDVI值呈明顯減小趨勢, 介于0.70—0.78, 均值為0.74。整體來看, 研究區(qū)月際NDVI呈三段式減弱, 其中7—8月NDVI值達到最大值, 6月和9月份次之, 5月份最小, 說明研究區(qū)7—8月植被生長為穩(wěn)增型, 6月和9月植被生長為穩(wěn)固型, 5月份由于不同植被的物候不同, NDVI值域變幅較大。

2.1.2 空間變化特征

圖3為研究區(qū)年累計平均NDVI變化趨勢, 可以看出植被蓋度自西北向東南呈狹長遞增趨勢。通過野外調查發(fā)現(xiàn), 該區(qū)西北部地多為冰川/裸巖、裸地、退化草地, NDVI值域介于0—2, 因此其年累計平均NDVI是研究區(qū)內最小區(qū)域; 中部地區(qū)多分布高山草地和高寒草甸, 因此年累計平均NDVI值域開始遞增并明顯高于西北部區(qū)域, 值域介于2—3.5; 東南部主要植被類型為森林草原, 年累計平均NDVI值域在研究區(qū)內達到最大, 值域>3.5。整體來看, 研究區(qū)植被蓋度差異明顯, 呈西低東高的空間變化特征, 與王海軍等[18]通過GIS分析的祁連山區(qū)氣溫和降水變化趨勢基本一致, 說明植被蓋度在空間變化上受區(qū)域氣溫和降水的影響極大。

圖2 植被生長季NDVI年際和月際變化趨勢

Figure 2 Inter-annual and inter-monthly trends of NDVI in the growing season

為更進一步反映研究區(qū)植被覆蓋空間變化情況, 通過斜率分析法對研究區(qū)每個柵格變化趨勢進行模擬, 從而反映研究區(qū)自2000年以來植被覆蓋的增減幅度[14]。其中-0.108

可以看出(圖4), 研究區(qū)2000—2015年中部植被覆蓋呈顯著增加趨勢, 顯著增加面積300.3075 km2, 占研究區(qū)總面積的2.75%; 植被覆蓋中度和輕度增加面積達5253.0901 km2, 面積占比47.83%; 研究區(qū)植被覆蓋減少(顯著減少、中度減少和輕度減少)面積為131.5858 km2, 面積占比1.2%?？梢园l(fā)現(xiàn), 研究區(qū)2000—2015年來植被覆蓋增加面積明顯大于減少面積, 并且增加面積占到研究區(qū)面積的50.58%, 說明整個區(qū)域植被發(fā)生了明顯改善。

圖3 植被生長季年累計平均NDVI空間分布

Figure 3 Spatial distribution of cumulative average NDVI in the growing season

表1 2000—2015年植物生長季NDVI斜率變化

圖4 2000—2015年植被生長季年NDVI空間變化

Figure 4 Spatial variation of NDVI in the plant growing season from 2000 to 2015

2.2 黑河源區(qū)植被覆蓋對降水與地形因子的響應

2.2.1 降水因子

水熱條件變化是植被發(fā)生變化的主要驅動因素, 尤其是降水條件的變化將決定地表植被的生長狀況及空間分布情況。由上文可知研究區(qū)在上述時段內植被覆蓋面積呈明顯增加趨勢, 增加面積占50.58%。因此, 為更進一步體現(xiàn)降水條件對植被覆蓋的影響, 對研究區(qū)內托勒站、野牛溝站及祁連站2000—2015年降水量進行統(tǒng)計。統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)(圖5), 2000—2015年NDVI基本隨著降水量的增加而呈現(xiàn)增加趨勢。這種變化趨勢在上述研究時段5月份降水量和NDVI的變化趨勢上體現(xiàn)的最為明顯(圖5-A)。此外, 各年6月份降水量和NDVI的變化趨勢較不一致, 其中2001、2007級2014年6月份降水量增加時NDVI則明顯減小(圖5-B); 各年7月份和9月份降水量除2009年外, 其余年份NDVI均與降水量呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(圖5-C、E); 各年8月份NDVI變幅基本不大, 而降雨量則表現(xiàn)較明顯的增減趨勢。另外從多年累計平均NDVI整體上表現(xiàn)出隨降雨量的變化而變化且變化趨勢明顯(圖5-F)。

此外, 對研究區(qū)三個氣象站降雨量和NDVI進行相關性分析(表2), 可以看出研究區(qū)NDVI均與各氣象站降雨量通過顯著性檢驗而呈極顯著相關關系(), 與托勒站、野牛溝站、祁連站的R2系數(shù)分別為0.3704、0.3802、0.2316。綜上可以看出, 在研究區(qū)NDVI與降雨量呈顯著的正相關關系, 且在各生長季月份NDVI與降雨量也有明顯的變化趨勢, 降雨量大則NDVI較高, 降雨量小則NDVI較小, 即研究區(qū)植被覆蓋程度隨著降雨量的增加而呈增加趨勢。

圖5 2000—2015年植被生長季NDVI與降水量變化

Figure 5 Changes in NDVI and precipitation in the vegetation growing season from 2000 to 2015

表2 NDVI與各站降雨量相關分析

2.2.2 地形因子

研究區(qū)地勢復雜, 整體呈中部低, 東西部高, 海拔介于2180—5287 m, 海拔梯度大, 而區(qū)域植被生長過程中地形因子也是影響植被覆被發(fā)生明顯變化的重要因素?；诖? 基于像元尺度, 分別提取每個NDVI像元的高程、坡向、坡度分別進行分析, 其中高程以300 m為梯度分為<3000 m、3000—3300 m、3300—3600 m、3600—3900 m、>3900 m等5個不同海拔梯度; 坡度是影響區(qū)域內土壤侵蝕的最主要因素, 坡度不同其土壤受侵蝕程度也不同, 從而影響土壤的正常發(fā)育, 進而影響上覆植被?；诖? 根據(jù)水土保持法及林地坡度等級劃分標準, 將研究區(qū)坡度劃分為5個級別, 即≤2°、2—6°、6—15°、15—25°及≥25°。除上述高程和坡度外, 坡向同樣在很大程度上決定著植被受到的光熱條件, 坡向不同其所受到的光照時間及直射時間明顯不同, 從而影響植被的發(fā)育?；诖耍鶕?jù)研究區(qū)實際情況以正北方向為0°, 采取8方向法, 以45°順時針遞增將坡向劃分為北(陰坡)、東北(陰坡)、東(半陰坡)、東南(半陽坡)、南(陽坡)、西南(陽坡)、西(半陽坡)、西北(半陰坡)。

從圖6-A中可以看出, NDVI隨海拔梯度呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢, 以3000—3300 m為界, 界上呈增多趨勢, 界下呈明顯的減少趨勢, 當海拔大于3900 m時NDVI達到最低值, 結合表3可以發(fā)現(xiàn), 除小于3000 m分別與3000—3300 m和3300—3600 m無顯著性差異外, 其余各海拔梯度之間NDVI值均呈極顯著差異()。說明海拔高度的不同, NDVI發(fā)生了明顯改變且在研究區(qū)NDVI在海拔介于3000—3300 m范圍內達到最大值, 說明該海拔區(qū)域內植被覆蓋程度最好。NDVI隨坡度變化趨勢見圖6-B, 可以看出以25°為界, 界下NDVI值隨坡度增加呈增大趨勢且增幅明顯, 界上NDVI值開始減少, 減幅較小。同樣結合表3中不同坡度下NDVI值大小差異性分析可知, ≤2°NDVI值均與其他存在顯著性差異。2—6°坡度下NDVI分別與6—15°和15—25°差異性顯著, 與其余坡度下NDVI差異性不顯著。其余坡度間NDVI值不存在顯著性差異。

由圖7可以看出, 在所劃分的坡向方位內, NDVI值以45°—225°為界, 即以正東向半陰坡和正西向半陽坡為界出現(xiàn)明顯的高低值分區(qū), 其中最高值出現(xiàn)于正東向半陰坡, 最低值出現(xiàn)于西南-正南向陽坡。

圖6 不同海拔梯度NDVI變化情況

Figure 6 NDVI changes at different altitude and slope gradients

表3 不同海拔和坡度下NDVI差異性分析

圖7 不同坡向NDVI變化情況

Figure 7 NDVI changes in different aspect

為更加直觀的體現(xiàn)坡向對NDVI的影響, 綜合分析坡向對NDVI的影響(圖8, 表4), 可以看出陰坡和半陰坡下NDVI明顯大于半陽坡和陽坡, 其中半陰坡下NDVI數(shù)值最大, 陽坡下NDVI數(shù)值最小。另外從不同坡度下NDVI差異性檢驗中可以看出, 各坡向中除陰坡和半陰坡NDVI數(shù)值之間無顯著性差異外, 其余坡向間均存在顯著性差異(), 其中半陰坡和陰坡下NDVI數(shù)值分別與陽坡下NDVI數(shù)值之間在P<0.0001水平上存在顯著差異。

綜上, 分別分析了降水量和地形因子對NDVI值的影響。分析可知, 降雨量和地形因子分別不同程度影響著NDVI值的高低。其中研究區(qū)NDVI與降雨量呈顯著正相關關系, 且在各生長季NDVI與降雨量存在明顯的變化趨勢, 表明研究區(qū)植被覆蓋程度隨降雨量的增加而呈增加趨勢。NDVI隨海拔梯度呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢, 以3000—3300 m為界, 界上呈增加趨勢, 界下呈明顯減少趨勢; NDVI值在坡度上以25°為界, 界上NDVI值隨坡度增加呈增大趨勢且增幅明顯, 界下NDVI值開始減少, 減幅較小; 不同坡向上, 陰坡和半陰坡下NDVI值明顯大于半陽坡和陽坡, 其中半陰坡下NDVI數(shù)值最大, 陽坡下NDVI數(shù)值最小。

圖8 不同坡向NDVI差異性

Figure 8 NDVI changes at different aspect

表4 不同坡向NDVI差異性分析

3 討論

3.1 生長季植被NDVI時空分布特征

作為西北內陸干旱區(qū)的核心區(qū)域, 祁連山區(qū)植被時空變化特征及影響因素研究一直是國內外學者研究的熱點方向。與以往研究不同, 本研究選取了祁連山區(qū)的核心區(qū)域—黑河源區(qū)作為研究對象, 對黑河源區(qū)NDVI時空變化特征及影響因素進行分析后表明: 在時間變化特征上, 研究區(qū)自2000年開始各年際及月份NDVI整體呈增加趨勢, 其中上述時段內6—8月份NDVI明顯大于其它月份; 空間變化特征上, 研究區(qū)植被蓋度自西北向東南呈逐漸增加趨勢, 其中研究區(qū)中部植被覆蓋呈顯著增加趨勢, 顯著增加面積占研究區(qū)總面積的2.75%, 中度和輕度增加面積占研究區(qū)總面積的47.83%, 植被覆蓋減少(顯著減少、中度減少和輕度減少)面積占研究區(qū)總面積的1.2%。

可以發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)多年來植被覆蓋增加面積顯著大于減少面積, 且增加面積占研究區(qū)面積的50.58%, 說明整個黑河源區(qū)植被發(fā)生了明顯改善。研究結論與諸多學者在祁連山地區(qū)的研究結果一致[19-21],而造成研究區(qū)植被覆蓋自西向東呈增加趨勢的原因與研究區(qū)所處地理位置相關, 研究區(qū)地處西北內陸干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)交界帶, 使夏季來自東南季風的濕潤氣流北進, 波及該區(qū), 使中東部區(qū)域受暖濕氣流時間較西北部長, 而西北部則受到西北寒冷氣候的影響較大, 降水量不及東部1/3[22], 所以區(qū)內植被受到氣溫降水等氣候條件不均的影響下, 自西向東呈增加趨勢, 這也與研究區(qū)內氣象站點表現(xiàn)出的降水變化規(guī)律一致(圖5)。

另外從分析結果中可知, 研究區(qū)多年來植被覆蓋增加面積顯著大于減少面積, 且增加面積占研究區(qū)面積的50.58%, 說明整個黑河源區(qū)植被發(fā)生了明顯改善。明顯改善的原因一方面是該區(qū)作為祁連山國家級自然保護區(qū), 大力實施了封山育林和退耕還林等保育政策, 受人類活動的影響小; 另一方面, 根據(jù)氣象數(shù)據(jù)分析, 該區(qū)域整體較2000年以前降雨量有了明顯增加, 從而植被發(fā)生明顯改善。另外從圖4中可以看出, 研究區(qū)還有部分面積植被覆蓋呈減少趨勢, 通過分析發(fā)現(xiàn), 該部分植被覆蓋面積減少區(qū)域主要集中在祁連縣附近, 相較研究起始年2000年, 上述區(qū)域由于經濟發(fā)展建設, 土地利用類型發(fā)生了明顯變化, 進而影響了植被生長情況, 導致該區(qū)域植被面積有減少趨勢。但總體上, 研究區(qū)植被覆蓋面積呈明顯增加趨勢且增加趨勢顯著。

3.2 降雨量和地形因素對NDVI的影響

對研究區(qū)植被覆蓋時空變化特征進行分析的基礎上, 分析了植被覆蓋的影響因素, 結果表明研究區(qū)NDVI與降雨量呈極顯著正相關關系且各生長季月均NDVI與月降雨量同樣存在明顯的變化趨勢, 表明研究區(qū)植被覆蓋程度隨降雨量的增加呈增加趨勢, 這與周玉科[23]和袁麗華[24]分別對青藏高原和黑河流域降水因子對植被NDVI響應的研究結論一致。

海拔梯度直接影響區(qū)域內水熱分配, 分析結果表明研究區(qū)植被NDVI隨海拔梯度呈明顯的變化趨勢, 以3000—3300 m為界, 界上植被NDVI呈增加趨勢, 界下呈明顯減少趨勢, 海拔大于3900 m時NDVI達到最低值, 說明海拔高度的不同, NDVI發(fā)生了明顯的改變且在研究區(qū)植被覆蓋程度在3000—3300 m內最高(圖6-A)。植被NDVI隨海拔變化趨勢與熊巧利[25]、崔曉臨[26]及張靜靜[27]等在中國西南地區(qū)的研究結果一致, 但由于各研究區(qū)所處地理位置不同, 植被NDVI出現(xiàn)最大值的海拔范圍與本研究結果存在差異。在祁連山區(qū), 付建新等[28]研究表明植被NDVI隨海拔梯度的增加呈先增后減趨勢且在2700—3200 m梯度內植被覆蓋度達到最大值, 這與本研究結果基本一致。

此外, 黑河源區(qū)地形復雜多樣, 坡度坡向不僅影響著區(qū)域地表水分的再分配對土壤特性造成直接影響, 而且影響著單位面積植被接受太陽輻射和水分的蒸散發(fā)。分析發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)NDVI以坡度25°為界, 界下NDVI值隨坡度增加呈增大趨勢且增幅明顯, 界上NDVI值開始減少, 減幅較小。在NDVI增幅明顯坡度閾值內, 隨著坡度的增加, 人類活動減少, 加之退耕還林還草及封山育林等政策的影響, NDVI增幅明顯; 25°以上, 植被覆蓋度開始呈現(xiàn)減少趨勢但減少幅度很小, 變化率由激增型變?yōu)榉€(wěn)定型。坡向方面, 研究區(qū)NDVI以45°—225°為界, 即以正東向半陰坡和正西向半陽坡為界出現(xiàn)明顯的高低值分區(qū), 其中最高值出現(xiàn)于正東向半陰坡, 最低值出現(xiàn)于西南—正南向陽坡, 可以看出由于不同坡向受到太陽輻射量的不同, 植被覆蓋度較小區(qū)域均位于陽坡和半陽坡, 隨著坡向由陽坡逐漸轉為陰坡, 植被覆蓋表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢且在半陰坡達到最大值, 可見坡向對植被覆蓋度的影響效應同樣明顯，這些變化趨勢與趙婷等[29]在秦嶺山區(qū)的研究結果相似。

在全球氣候變暖的大背景下, 黑河源區(qū)植被覆蓋度發(fā)生了明顯變化, 區(qū)域內氣溫降水等自然因素受山區(qū)地形影響顯著, 進而影響到植被覆蓋度在空間上的變化走向, 此外低海拔緩沖區(qū)由于人類活動的影響, 植被覆蓋度同樣受到人為干預, 減少面積明顯。黑河源區(qū)作為整個祁連山區(qū)的核心區(qū)域, 其生態(tài)環(huán)境保護直接關系到整個黑河中下游乃至西北內陸干旱區(qū)的社會經濟發(fā)展, 研究植被覆蓋的時空變化對此有重要指示意義, 所以在本研究基礎上, 針對于高分辨率像元尺度的計算方法應當在該區(qū)以后植被變化的長期監(jiān)測過程中進一步提升。

4 結論

研究區(qū)植被覆蓋自2000年開始呈明顯增加趨勢且增加面積占研究區(qū)面積的50.58%, 說明整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了明顯改善。降雨量和地形因子分別影響著植被覆蓋程度。其中研究區(qū)NDVI值隨降雨量的增加而增大; 海拔、坡向及坡度明顯影響該區(qū)域植被覆蓋度, 其中該區(qū)海拔介于3000—3300 m的陰坡和半陰坡及坡度介于15—25°范圍內植被覆蓋度最大, 植被生長最為良好, 說明上述范圍是該區(qū)植被生長的最適宜區(qū), 今后應對該區(qū)全面進行植被保護的基礎上重點加強上述區(qū)域內植被的保育工作。

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Temporal and spatial variation characteristics and influencing factors of vegetation NDVI in Heihe source region of Qilian Mountains

YUAN Jie1, 3, CAO Guangchao1, 2, 3, *, YANG Dengxing1, 3, CAO Shengkui1, 3, DIAO Erlong1, 3, ZHAO Meiliang1, 3

1.College of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xi'ning 810008, China 2.Graduate school of Qinghai Normal University, Xi'ning 810008, China 3. Moe Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation, Xi'ning 810008, China

For the arid northwest inland area with extreme water shortage, vegetation cover has become the "indicator" of the ecological environment of the area, and its central role can not be underestimated. This study selected the core area of northwest inland arid area-Heihe source area as the research object, using MODIS NDVI data, selecting the methods of maximum synthesis and trend analysis, to explore the spatial and temporal variation characteristics and influencing factors of vegetation NDVI. The results show that: (1) the NDVI of the study area has been gradually increasing from northwest to southeast since 2000, and the increase in area is significantly larger than the decrease in area, and the cumulative increase in area accounts for 50.58% of the study area, indicating that the ecological environment of the whole study area has been significantly improved. (2) After fitting the annual and monthly precipitation and NDVI, it is found that NDVI and rainfall have a highly significant positive correlation. (3) In different elevation gradients, the NDVI is bounded by 3000-3300 m, and the NDVI of vegetation above the boundary tends to increase while that below the boundary tends to decrease. (4) In terms of slope, NDVI is bounded by slope 25°and the NDVI value under the boundary tends to increase with the increase of slope, while the NDVI value above the boundary starts to decrease with a smaller decrease. (5) On different slopes, NDVI is bounded by east-facing semi-shady slope and west-facing semi-sunny slope, with the highest value occurring on east-facing semi-shady slope and the lowest value on southwest-southwest facing sunny slope.

Heihe source area; NDVI; temporal and spatial characteristics; influencing factors

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.022

K903S157.

A

1008-8873(2021)05-172-11

2020-04-28;

2020-06-12

青海省“高端創(chuàng)新人才千人計劃"(青人才字[2019]06號); 國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0404304); 青海省科技廳自然科學基金項目(2021-ZJ-937Q); 祁連山國家公園青海研究中心開放課題(GKQ2019-1)

袁杰(1989—), 男, 青海西寧人, 博士, 講師, 主要從事地表環(huán)境過程研究, E-mail:yuanjie8903@126.com

通信作者:曹廣超(1971—), 男, 山東蒼山人, 博士, 教授, 主要從事GIS應用與地表環(huán)境過程研究, E-mail:caoguangchao@163.com

袁杰, 曹廣超, 楊登興, 等. 祁連山黑河源區(qū)植被NDVI時空變化特征及影響因素分析[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(5): 172–182.

YUAN Jie, CAO Guangchao, YANG Dengxing, et al. Temporal and spatial variation characteristics and influencing factors of vegetation NDVI in Heihe source region of Qilian Mountains[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 172–182.