生態(tài)工程實施不同階段祁連山植被覆蓋變化特征

潘冬榮，韓天虎，閆浩文，孫 斌，姜佳昌，王紅霞

(1. 蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，蘭州 730070；2. 甘肅省草原技術推廣總站，蘭州 730010)

祁連山地處中國東部季風濕潤區(qū)、西北內陸干旱區(qū)和青藏高原區(qū)的交匯處[1]，生態(tài)極度脆弱，植被覆蓋對氣候及環(huán)境變化敏感[2]，是中國重要的生態(tài)屏障[3].東西跨度大，區(qū)域內海拔差異顯著，水熱條件差異明顯.近年來，在氣候變化和人類活動的影響下，祁連山區(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極大的變化，主要表現(xiàn)為草地退化、草地生物多樣性減少、水土流失加劇等，引起了社會各界的廣泛關注.

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)極其重要的組成部分，是連接土壤、大氣和水分的重要紐帶，在物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞中具有重要作用[4]，其空間分布是對地區(qū)地形地貌、土壤、氣候等要素長期適應的結果[5].植被覆蓋變化過程不僅反映生態(tài)系統(tǒng)本身的變化，而且反映了自然和人類對生態(tài)系統(tǒng)的作用過程，利用遙感技術定量分析植被覆蓋變化有助于陸地生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律[6].多年來，由于不合理的開礦、亂墾亂挖、過度放牧使得祁連山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被遭到了極大的破壞，引起了一系列嚴重的生態(tài)環(huán)境問題.為此，中國政府自1998年開始分批次啟動了天然林資源保護、退耕還林、退牧還草、已墾草原治理、森林草原防火和生態(tài)惡化土地治理等22個生態(tài)保護工程項目[7]，祁連山區(qū)作為中國西部生態(tài)保護工程和政策實施的重點區(qū)域，國務院于2003年開始在該區(qū)域逐步實施退牧還草工程、草原鼠害治理、草原補獎工程等措施.這些工程的實施使得祁連山區(qū)的植被得到了一定的恢復.然而，2016年中央環(huán)保督察認為祁連山生態(tài)環(huán)境問題依然嚴重，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)恢復工程.生態(tài)工程的實施受政策和社會經濟因素的影響，具有階段性，實施周期一般為5 a[8].現(xiàn)有研究對祁連山1982-2006[9]、1982-2014[10]、1999-2007[11]、2000-2011[12]、2000-2017[13]年植被覆蓋、高寒荒漠[14]以及草地植被[15]時空變化特征進行了研究，但對生態(tài)保護工程實施不同階段植被覆蓋變化關注較少，本研究以生態(tài)保護政策實施和轉變?yōu)橐罁?jù)，利用SPOT-VGT-NDVI數(shù)據(jù)分析了祁連山生態(tài)工程實施不同階段植被覆蓋變化特征和趨勢，以期為區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)工程建設提供理論基礎和技術支持，進而為祁連山生態(tài)環(huán)境保護和植被修復提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

祁連山地處甘肅和青海兩省交界，是青藏高原東北部最大的邊緣山系，東西長約850 km，南北寬約250～400 km，如圖1所示；地形以高山、盆地為主，地勢由西北向東南降低，海拔在2 100～4 500 m之間；氣溫和降水隨海拔梯度變化明顯，年均溫0.6 ℃，年降水400～700 mm，降水量自東向西呈遞減趨勢，東、中段屬大陸性半干旱高山草原氣候，西段屬大陸性干旱荒漠氣候，是典型的高原大陸性氣候特征；區(qū)內河流眾多，水資源豐富，河流以冰川融水和山區(qū)降水補給為主；祁連山植被水平地帶性和垂直地帶性分布特征明顯，獨特的地理環(huán)境和氣候條件使得區(qū)內分布有喬木、灌木、草本等各種植被[16-17].

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

本研究以中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的生態(tài)工程實施前1998年以來SPOT-VGT-NDVI為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時間分辨率為1 d.數(shù)據(jù)預處理時經幾何校正和大氣校正以保證數(shù)據(jù)質量，然后對數(shù)據(jù)進行拼接、投影和裁剪等處理，再采用最大合成法進一步排除云、大氣等干擾，生成的1998年以來的月度、年度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集.

1.3 生態(tài)工程階段劃分和植被覆蓋劃分

生態(tài)工程的實施周期一般為5 a，因此，以5 a為時間間隔，將祁連山生態(tài)工程劃分為5個不同階段，分別為：生態(tài)工程前(1998-2003年)、保護初期(2004-2008年)、保護中期(2009-2013年)、持續(xù)保護期(2014-2018年)、環(huán)保督查后(2016-2018年).

根據(jù)植被劃分標準，將NDVI等間距劃分為5個區(qū)間，分別為：低植被覆蓋(0≤NDVI<0.2)、較低植被覆蓋(0.2≤NDVI<0.4)、中植被覆蓋(0.4≤NDVI<0.6)、較高植被覆蓋(0.6≤NDVI<0.8)、高植被覆蓋(0.8≤NDVI<1).

1.4 研究方法

1.4.1 均值法

將每月NDVI進行最大化合成，利用年最大合成值NDVImax進行趨勢分析制作不同階段NDVI變化圖.

1.4.2 Hurst指數(shù)法

定義NDVI時間序列為NDVI(t)，其中t=1,2,…,n，對于任意正整數(shù)t≥1，該時間序列的均值序列為

(1)

累積離差序列為

(2)

極差序列為

R(τ)=maxX(t,τ)-minXt,τ,1≤t≤τ;τ=1,2,…,n.

(3)

標準差序列為

(4)

計算Hurst指數(shù)為

(5)

式中：H為Hurst指數(shù)；C為比例參數(shù).

2 結果與分析

2.1 年際變化特征

1998-2018年植被NDVI總體呈波動上升趨勢，年均NDVI值在0.34～0.43之間波動，增速為0.32 %/a.NDVI變化呈現(xiàn)出5個下降期和6個上升期，其中，2000-2001年，2002-2004年，2005-2008年，2010-2011年，2012-2016年呈現(xiàn)下降趨勢，1998-2000年，2001-2002年，2004-2005年，2008-2010年，2011-2012年，2016-2018年呈上升趨勢，如圖2所示.對各年增長率統(tǒng)計分析可得，相對于上一年，21 a中增長率為正的年份有9 a，增長率為負的年份有11 a.這主要是因為祁連山區(qū)域近年的降水量增加[18]和2000年以來相關部門采取的退耕還林還草、天然林保護工程、草原減畜等保護工程措施[19]綜合作用的結果.

圖2 祁連山1998-2018年植被NDVI年變化趨勢Fig.2 Annual variations trend of NDVI in the Qilian Mountains from 1998 to 2018

2.2 不同階段植被覆蓋變化率

正確評估生態(tài)保護工程對植被覆蓋變化的影響，是判斷生態(tài)工程布局是否合理和管理對策是否得當?shù)闹匾罁?jù).對祁連山生態(tài)工程不同階段植被NDVI變化速率進行分析，發(fā)現(xiàn)NDVI增速在0.38～1.85 %/a之間，增長速率依次為：環(huán)保督察后>保護中期>持續(xù)保護期>保護初期>生態(tài)工程前，如表1所列.這主要是因為，環(huán)保督察后，甘青兩省對祁連山的生態(tài)保護政策更加嚴格，保護中期的植被覆蓋增長速率大于持續(xù)保護期和保護初期是因為在保護中期，生態(tài)工程效果初顯，植被退化得到遏制，植被生長呈好轉趨勢[7]，而在保護初期，各方面的條件均達到了最好的狀態(tài)，因此，植被增長迅速，而在持續(xù)保護期，植被間對水、熱、營養(yǎng)物質等的競爭使得植被增長速率趨于平穩(wěn).

表1 生態(tài)工程實施不同階段NDVI變化率

2.3 植被覆蓋變化趨勢

分別統(tǒng)計不同階段各區(qū)間內NDVI所占的比例，發(fā)現(xiàn)從生態(tài)工程實施前到環(huán)保督察后，高植被覆蓋區(qū)(0.8≤NDVI<1.0)所占比例增加并且增速較快，低植被覆蓋區(qū)(0

2.4 空間分布特征及變化

從像元尺度上計算了各階段祁連山NDVI的平均值，分別繪制了祁連山生態(tài)工程實施前、保護初期、保護中期、持續(xù)保護期、環(huán)保督察后NDVI分布圖和所占比例，總體來看祁連山區(qū)域的植被NDVI偏低，并且植被NDVI從東南向西北逐漸減小，從生態(tài)工程實施前到環(huán)保督察后，祁連山植被覆蓋總體呈增加趨勢，西北部低植被覆蓋區(qū)(黑色覆蓋區(qū))逐漸縮小，中部中植被覆蓋區(qū)(灰色覆蓋區(qū))面積逐漸增大；東南部高植被覆蓋區(qū)(白色覆蓋區(qū))明顯增加.NDVI在0～0.2所占的比例從工程實施前的39.89%降至環(huán)保督察后的31.50%，NDVI在0.2～0.8所占的比例變化較小，NDVI在0.8～1所占的比例從0.15%增加至10.04%，如圖4所示.祁連山植被NDVI從東南向西北逐漸減小，主要是因為祁連山東部受海洋季風的影響，中西部受西風影響，水汽來源的不同導致祁連山降水量自東向西呈遞減趨勢，造成植被覆蓋東多西少[20]， 從生態(tài)工程實施前到環(huán)保督察后，祁連山植被覆蓋總體呈增加趨勢，西北部低植被覆蓋區(qū)(黑色覆蓋區(qū))逐漸縮小，中部較低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)面積逐漸增大；東南部高植被覆蓋區(qū)(白色覆蓋區(qū))明顯增加，這主要歸因于生態(tài)工程的實施和西北地區(qū)的暖濕化過程.

圖3 生態(tài)工程實施不同階段NDVI變化趨勢Fig.3 Variation trend of NDVI in different stages of ecological engineering

圖4 不同階段NDVI空間分布及所占比例Fig.4 Spatial distribution and its proportions of NDVI in different stages

2.5 未來趨勢

基于Hurst指數(shù)值域，對祁連山NDVI變化的可持續(xù)性進行分析，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與過去相同，呈持續(xù)上升趨勢，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%，如圖5所示.說明祁連山植被覆蓋變化更多的是受生態(tài)工程的影響(持續(xù)性弱則說明是受自然因素的影響)[21].

圖5 NDVI可持續(xù)性分析Fig.5 NDVI sustainability analysis

3 結論

植被覆蓋變化是自然因素和人類活動因素共同作用的結果[22]，自然因素是植被變化的決定因素，而人類活動能夠積極干預植被生態(tài)系統(tǒng)[23]，積極的保護措施能夠改善植被變化狀況，而不合理的開發(fā)利用措施使得植被狀況發(fā)生退化.本文通過研究生態(tài)工程實施不同階段祁連山植被覆蓋時空變化特征，得出如下結論：1) 祁連山植被NDVI增速在0.38～1.85 %/a之間，增長速率依次為：環(huán)保督察后>保護中期>持續(xù)保護期>保護初期>生態(tài)工程前.2) 低植被覆蓋區(qū)所占的比例從工程實施前的39.89%降至環(huán)保督察后的31.50%，較低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)所占的比例變化較小，髙植被覆蓋區(qū)所占的比例從0.15%增加至10.04%.3) 祁連山區(qū)的植被覆蓋反持續(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與過去相同，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%.