基于光譜數(shù)據(jù)的祁連山不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征

潘冬榮，韓天虎，閆浩文

1. 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070 2. 甘肅省草原技術(shù)推廣總站，甘肅 蘭州 730010

引 言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)環(huán)境因子變化敏感，其空間分布和生長(zhǎng)變化狀態(tài)是對(duì)相應(yīng)地區(qū)各環(huán)境要素長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果，在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中充當(dāng)著“指示器”的作用[1]。 植被覆蓋變化過(guò)程既反映了生態(tài)系統(tǒng)自身的變化，又反映了自然因素和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用過(guò)程。 區(qū)域植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)是全球變化研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)全球氣候變化應(yīng)對(duì)和環(huán)境保護(hù)政策制定具有重要意義[2]。 植被覆蓋變化容易受到氣候和人類活動(dòng)的共同影響，多年來(lái)，由于人類不合理的開發(fā)利用，陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到了極大的破壞，嚴(yán)重阻礙了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，威脅著人類的生存與發(fā)展。

祁連山是中國(guó)東部季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)、西北內(nèi)陸干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)的交匯處，其生態(tài)極度脆弱，植被覆蓋對(duì)氣候及環(huán)境變化敏感，極易受到氣候變化和人類活動(dòng)的影響[3]。 祁連山區(qū)植被穩(wěn)定性的維持對(duì)中國(guó)西部生態(tài)安全具有至關(guān)重要的作用，是國(guó)家“一帶一路”規(guī)劃順利實(shí)施的重要保障。 近年來(lái)，受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，祁連山區(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極大的變化[4]，引起了學(xué)者和政府部門的廣泛關(guān)注。 自1998年開始，中國(guó)分批次啟動(dòng)了天然林資源保護(hù)、退牧還草、退耕還林和生態(tài)惡化土地治理等22個(gè)生態(tài)保護(hù)工程項(xiàng)目[5]，祁連山是這些工程的重點(diǎn)區(qū)域。 2016年中央環(huán)保督察組對(duì)甘肅省開展環(huán)境保護(hù)督察工作，認(rèn)為祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重。 之后，甘青兩省各部門在祁連山區(qū)開展了前所未有的生態(tài)恢復(fù)工程。

目前常用的遙感光譜NDVI主要有GIMMS-NDVI，SPOT-VGT-NDVI和MODIS-NDVI[6]，Chen利用MODIS和NOAA等遙感數(shù)據(jù)源研究了2000年—2017年全球植被覆蓋變化情況，發(fā)現(xiàn)在過(guò)去18年全球植被覆蓋呈增加趨勢(shì)，其中，中國(guó)和印度的貢獻(xiàn)率最大。 Fang等利用GIMMS研究了中國(guó)植被變化趨勢(shì)，認(rèn)為中國(guó)植被活動(dòng)在增強(qiáng)，西部地區(qū)植被增加尤其顯著。 金凱等利用GIMMS-NDVI3g數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)區(qū)域1982年—2015年植被覆蓋變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)中國(guó)植被恢復(fù)明顯，并且在中國(guó)接近70%的區(qū)域人類活動(dòng)對(duì)植被變化的影響大于氣候因素。 王志偉等利用GIMMS-NDVI和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)對(duì)青藏高原植被生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)青藏高原區(qū)植被顯著增加，氣溫是影響植被增加的主要因素[7]。 趙舒怡研究發(fā)現(xiàn)華北不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋度變化速率有所不同。 有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)祁連山中西部植被覆蓋呈增加趨勢(shì)、東部植被覆蓋呈減小趨勢(shì)，荒漠呈萎縮趨勢(shì)而草地呈增加趨勢(shì)。 可見(jiàn)，植被覆蓋變化因類型和所處的生態(tài)區(qū)有所不同，但現(xiàn)有的研究并未關(guān)注祁連山生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施后不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋變化速率和未來(lái)趨勢(shì)，為此，本研究利用SPOT-VGT-NDVI光譜數(shù)據(jù)分析了生態(tài)工程實(shí)施后祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI時(shí)空特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，探尋植被覆蓋變化的敏感區(qū)域，為區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)工程建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，進(jìn)而為林草部門制定祁連山保護(hù)規(guī)劃和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

祁連山位于亞歐大陸中部，是青藏高原東北部最大的邊緣山系，東起烏鞘嶺，西至當(dāng)金山口，北鄰河西走廊，南接柴達(dá)木盆地，東西長(zhǎng)約850 km，南北寬約250～400 km；地勢(shì)由西北向東南降低，由多條西北—東南走向的平行山脈和谷地組成，海拔在2 100～4 500 m之間，最高峰團(tuán)結(jié)峰高達(dá)5 826.8 m；水熱條件差異大，年均溫0.6 ℃，年降水400～700 mm，自東向西呈增加趨勢(shì)。 河流以冰川融水和山區(qū)降水補(bǔ)給為主，主要有黨河、北大河、大通河、湟水和河西走廊三的大內(nèi)陸河： 黑河、石羊河、疏勒河等；祁連山獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件使得區(qū)內(nèi)分布有喬木、灌木、草本等各種植被[3]。 根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型和地理特征的差異，按照中國(guó)生態(tài)區(qū)的分類標(biāo)準(zhǔn)，可將祁連山劃分為7個(gè)生態(tài)區(qū)(圖1)，各生態(tài)區(qū)編號(hào)、面積及所占比例見(jiàn)表1。

圖1 祁連山生態(tài)區(qū)劃分Fig.1 The ecological regionalizationof Qilian Mountains

表1 祁連山不同生態(tài)區(qū)面積及比例Table 1 Area and proportion of different ecologicalzones in Qilian Mountains

1.2 光譜數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

考慮到生態(tài)工程對(duì)植被覆蓋變化的影響，選擇了與祁連山生態(tài)工程實(shí)施起始年份同期的1998年以來(lái)的基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT-VGT-NDVI衛(wèi)星光譜遙感數(shù)據(jù)集作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，通過(guò)幾何校正和大氣校正控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影和裁剪等處理。 數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為1 d，采用最大合成法排除云、大氣等干擾，生成1998年—2018年月度、年度植被指數(shù)。

1.3 方法

1.3.1 均值法

利用年最大合成值NDVImax進(jìn)行趨勢(shì)分析制作NDVI年際變化圖。 將每月最大合成值NDVImax數(shù)據(jù)按不同月份進(jìn)行分類，求取平均值，制作NDVI月際變化圖，分析NDVI隨時(shí)間變化的特征。

1.3.2 趨勢(shì)分析法

使用一元線性趨勢(shì)線模型，逐像元擬合植被NDVImaxk年際變化趨勢(shì)，反演近21年祁連山區(qū)植被時(shí)空變化格局，植被NDVI年際變化趨勢(shì)計(jì)算公式如式(1)

(1)

式(1)中：n為監(jiān)測(cè)年數(shù)；k為年序列數(shù); NDVImaxk為第k年的最大值;θslope為變化斜率。

按照自然斷點(diǎn)法[8]將NDVI變化趨勢(shì)在ArcGIS平臺(tái)上進(jìn)行重分類為5個(gè)等級(jí)，定義為： 明顯惡化，輕微惡化，基本不變，輕微改善，明顯改善。

1.3.3 變異系數(shù)法

變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，表征觀測(cè)值的變異程度。 用變異系數(shù)表征每個(gè)像元NDVI值的時(shí)序變化情況。 變異系數(shù)越大，表明時(shí)序越不穩(wěn)定；反之，則表明時(shí)序較為穩(wěn)定。 變異系數(shù)的計(jì)算公式如式(2)

(2)

按照自然斷點(diǎn)法[8]將植被覆蓋變異系數(shù)在ArcGIS平臺(tái)上重分類為5類，定義為： 低波動(dòng)區(qū)域，較低波動(dòng)區(qū)域，中波動(dòng)區(qū)域，較高波動(dòng)區(qū)域和高波動(dòng)區(qū)域。

1.3.4 疊置分析法

持續(xù)性分析—Hurst指數(shù)法： 定義NDVI時(shí)間序列為NDVI(t)，其中t=1, 2, …,n，對(duì)于任意正整數(shù)τ≥1，該時(shí)間序列的均值序列為

(3)

累積離差序列為

(4)

極差序列為

R(τ)=maxX(t，τ)-minX(t，τ)

(5)

(1≤t≤τ；=1, 2, …,n)

標(biāo)準(zhǔn)差序列為

(6)

(τ=1, 2, …,n)

計(jì)算Hurst指數(shù)為

(7)

式(7)中：H為Hurst指數(shù)；C為比例參數(shù)。

空間疊置分析法： 將NDVI空間變化趨勢(shì)和持續(xù)性在ArcGIS平臺(tái)上進(jìn)行空間疊加，將耦合的結(jié)果分為8類，定義為： 反持續(xù)輕微惡化、反持續(xù)明顯改善、反持續(xù)明顯惡化、反持續(xù)輕微改善、持續(xù)明顯惡化、持續(xù)輕微惡化、持續(xù)明顯改善、持續(xù)輕微改善[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)間變化特征

祁連山植被NDVI月均值變化如圖2所示，波峰出現(xiàn)在7月—8月，5月—10月的NDVI值分別為0.16，0.28，0.37，0.38，0.30和0.20。 NDVI月最大值變化趨勢(shì)與月均值變化趨勢(shì)相同。

圖2 祁連山植被NDVI月變化Fig.2 Monthly variations of NDVI inthe Qilian Mountains

祁連山1998年—2018年均植被NDVI總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，NDVI值在0.34～0.43之間波動(dòng)，增速為0.32%·a-1(圖3)，主要是近年來(lái)祁連山區(qū)降水量增加和1998年以來(lái)相關(guān)部門采取的退耕還林還草、天然林保護(hù)工程、草原減畜等保護(hù)工程措施[5]綜合作用的結(jié)果。

圖3 祁連山1998年—2018年植被NDVI年變化趨勢(shì)

對(duì)祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)： 柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)和帕米爾—昆侖山—阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)NDVI變化率較小，僅為0.14%·a-1和0.27%·a-1，而內(nèi)蒙古高原中部草原化荒漠生態(tài)區(qū)和江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的變化率較大，分別為0.54%·a-1和0.57%·a-1(表2)。 主要是因?yàn)榛哪鷳B(tài)區(qū)是在極度缺水的干旱區(qū)域形成的，高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)是溫性荒漠向溫性草原的過(guò)渡區(qū)，分布的植物種主要為耐旱的小灌木和半灌木，其對(duì)氣候變化和人類保護(hù)措施的響應(yīng)不及草本植物，因此，其NDVI變化率較小。 草原化荒漠生態(tài)區(qū)是溫性草原向溫性荒漠的過(guò)度地帶，在氣候和保護(hù)措施適當(dāng)?shù)臈l件下可能發(fā)育為溫性草原，其中分布的針茅、長(zhǎng)芒草等對(duì)水熱條件響應(yīng)敏感，近年來(lái)降水量的增加使得草原化荒漠生態(tài)區(qū)植被覆蓋變化率較大，江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)植被NDVI變化率較大的原因主要為近年來(lái)實(shí)施的退牧還草、草原補(bǔ)獎(jiǎng)等政策的實(shí)施減輕了放牧壓力，使得惡化草原發(fā)生正向演替，植被覆蓋度和生物量增加。

將NDVI等間距分為5個(gè)區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)各NDVI區(qū)所占的面積比例(圖4)，發(fā)現(xiàn)21年間高值區(qū)(0.8≤NDVI<1.0)所占面積比例增加(增速為54.4%·a-1)，低值區(qū)(0

表2 祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI變化率

圖4 不同區(qū)間NDVI變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trends of NDVI in the Qilian Mountains

圖5 不同區(qū)間NDVI空間分布及所占比例Fig.5 Spatial distribution of NDVI

2.2 空間分布特征

逐像元統(tǒng)計(jì)21年間NDVI均值并繪制分布圖(圖6)。 總體來(lái)看祁連山植被NDVI偏低，從東南向西北逐漸減小，這主要是因?yàn)槠钸B山東部受海洋季風(fēng)的影響，中西部受西風(fēng)影響，水汽來(lái)源的不同導(dǎo)致祁連山降水量自東向西呈遞減趨勢(shì)，造成植被覆蓋東多西少。 東部地區(qū)主要植被類型為森林、高寒草甸和典型草原；中部地區(qū)主要植被類型為高寒草原和典型草原；西部地區(qū)主要植被類型為荒漠草原[9]。 NDVI<0.4的面積占祁連山總面積的56.34%，主要分布在柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)、帕米爾—昆侖山—阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)的中西部、祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)以及江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的西北部。 其中，00.4的面積占祁連山總面積的43.66%，主要分布在祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)、江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的東南部、內(nèi)蒙古高原中部草原化荒漠生態(tài)區(qū)以及內(nèi)蒙古高原中部-隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)。 其中，0.4≤NDVI<0.6的面積為2.63×104km2，占總面積的14.40%。 0.6≤NDVI<0.8的面積為5.00×104km2，占總面積的27.40%。 0.8≤NDVI<1.0的面積為0.34×104km2，占總面積的1.85%。

2.3 空間變化特征

祁連山植被NDVI變化斜率介于-0.035～0.045之間，變化趨勢(shì)分布圖顯示，40.76%區(qū)域的植被呈改善(包括輕微改善和明顯改善)趨勢(shì)，零散分布于除柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)的各生態(tài)區(qū)(圖7)。 這與桂娟[9]等的研究結(jié)果一致，主要原因可能為氣候的暖濕化及人類的保護(hù)措施。 28.37%區(qū)域的植被呈惡化(包括輕微退化和明顯退化)趨勢(shì)，集中分布于柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)西北部區(qū)域。 零散分布的惡化區(qū)域可分為3部分，分別為高海拔雪線附近的高寒草原和高寒荒漠、城鎮(zhèn)周圍以及河湖周圍。 水熱條件的精確耦合以及人類的合理利用有助于植被恢復(fù)[10]，雪線附近惡化可能是水熱條件惡劣和野生動(dòng)物增多綜合作用的結(jié)果[5]，城鎮(zhèn)周圍惡化是由于城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，占用了部分林地、草地，植被NDVI表現(xiàn)出惡化趨勢(shì)[11]。 青海湖、哈拉湖和其他河岸、湖岸周圍植被呈惡化趨勢(shì)主要是因?yàn)?004年以來(lái)的降水量增加以及高溫導(dǎo)致的高山積雪消融和冰川消融使得水位上升[12]，湖岸線上升5.52 km淹沒(méi)周圍草地導(dǎo)致NDVI出現(xiàn)大幅下降[13]。

圖6 祁連山NDVI空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of NDVIin the Qilian Mountains

圖7 祁連山1998年—2018年NDVI變化趨勢(shì)空間分布及所占比例Fig.7 Spatial distribution trends of NDVI in the Qilian Mountains from 1998 to 2018

祁連山植被NDVI變異系數(shù)介于0.018～3.98之間，總體表現(xiàn)為東南區(qū)域變化較小，西北區(qū)域較大，各生態(tài)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有明顯的規(guī)律性(圖8)。 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，低波動(dòng)區(qū)域和較低波動(dòng)區(qū)域主要分布在祁連山東部，占祁連山總面積的91.11%，這些區(qū)域的植被類型為森林、高寒草甸、山地草甸、溫性草原等，植被結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受到氣候和人類活動(dòng)影響較小，因此波動(dòng)較小。 較高波動(dòng)和高波動(dòng)變化區(qū)域零散分布于祁連山西部區(qū)域，占1.21%。 結(jié)合DEM數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高波動(dòng)區(qū)域是海拔為4 500 m以上的常年積雪區(qū)域周圍的高寒荒漠和高寒草原區(qū)，這些區(qū)域正是植被脆弱區(qū)，也是植被惡化區(qū)域，極易受到自然和人為因素的影響，近年來(lái)國(guó)家雖然在祁連山區(qū)域?qū)嵤┝酥T多的生態(tài)工程計(jì)劃，但這些區(qū)域海拔較高，交通不便，人類的圍欄、補(bǔ)播等保護(hù)性措施較少[5]，生態(tài)保護(hù)引起的野生動(dòng)物增多是導(dǎo)致區(qū)域植被惡化的重要原因[14]，此外，增溫誘發(fā)的干旱也是引起高寒荒漠和高寒草原惡化的重要原因。 針對(duì)此區(qū)域，國(guó)家應(yīng)該實(shí)施嚴(yán)格的政策性禁牧制度，以達(dá)到植被恢復(fù)的目的。

圖8 祁連山1998年—2018年NDVI變異系數(shù)空間分布及所占比例Fig.8 Spatial distribution variation coefficients of NDVI in Qilian Mountains from 1998 to 2018

2.4 未來(lái)演化趨勢(shì)

基于Hurst指數(shù)值域，對(duì)祁連山1998年—2018年NDVI變化的可持續(xù)性進(jìn)行分析，并與植被覆蓋變化趨勢(shì)進(jìn)行疊加分析(圖9)，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋反持續(xù)性變化的面積為1.31×104km2，占祁連山總面積的7.12%；大部分區(qū)域的植被覆蓋變化趨勢(shì)與過(guò)去相同，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%。

圖9 祁連山NDVI未來(lái)演化趨勢(shì)空間分布Fig.9 Spatial distribution future evolution trendsof NDVI in the Qilian Mountains

圖例字母表示意義如下：

fcx+qwth： 反持續(xù)輕微惡化；fcx+xzgs： 反持續(xù)明顯改善；fcx+xzth： 反持續(xù)明顯惡化；fcx+qwgs： 反持續(xù)輕微改善；cx+xzth： 持續(xù)明顯惡化；cx+qwth： 持續(xù)輕微惡化；cx+xzgs： 持續(xù)明顯改善；cx+qwgs： 持續(xù)輕微改善。

對(duì)演化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)，發(fā)現(xiàn)未來(lái)植被覆蓋呈良性發(fā)展趨勢(shì)和惡性發(fā)展趨勢(shì)的面積分別占祁連山總面積的42.83%和26.40%，其中持續(xù)性惡化的面積占25.56%。

表3 祁連山NDVI演化趨勢(shì)特征Table 3 Evolution trend characteristics ofNDVI in the Qilian Mountains

3 結(jié) 論

基于時(shí)序光譜遙感指數(shù)數(shù)據(jù)SPOT-VGT-NDVI，分析了祁連山1998年—2018年不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征，得出如下結(jié)論：

(1)祁連山植被NDVI變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均增速為0.32%·a-1。

(2)祁連山不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋增速的不同是由植被類型對(duì)水熱條件和保護(hù)措施響應(yīng)的敏感性差異導(dǎo)致。

(3)祁連山植被呈整體改善，局部惡化趨勢(shì)，惡化區(qū)域?yàn)檠┚€附近、城鎮(zhèn)周圍和湖岸周圍，雪線附近惡化是由水熱條件惡劣和野生動(dòng)物增多所致，城鎮(zhèn)周圍惡化由城鎮(zhèn)發(fā)展所致，湖岸周圍惡化由湖岸線上升淹沒(méi)周圍草地所致。

(4)祁連山植被波動(dòng)率較小，未來(lái)呈良性發(fā)展趨勢(shì)和惡性發(fā)展趨勢(shì)的面積分別占祁連山總面積的42.83%和26.40%，持續(xù)性惡化的面積占25.56%，該區(qū)域應(yīng)設(shè)定為未來(lái)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。