1989—2019年庫布齊沙漠植被覆蓋度的時空變化

吳小燕, 高 永, 黨曉宏, 張 超, 杜 斌, 張海龍, 包曉英

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測繪院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

植被覆蓋度(fractional vegetation cover， FVC)在一定程度上表征植被生長狀況、檢測環(huán)境變化、衡量生態(tài)質(zhì)量[1-2]，是衡量區(qū)域植被變化情況甚至是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的一個重要指標(biāo)[3]。目前對于植被覆蓋度提取方法主要分為實(shí)地測量和遙感影像提取，但實(shí)地測量耗時費(fèi)力，只適用于小區(qū)域的植被覆蓋度提取，并且結(jié)果受人為因素的影響較大，具有一定的局限性[4-6]，因此并不適宜在較大的空間尺度上進(jìn)行植被覆蓋度動態(tài)變化的研究。遙感方法相較于實(shí)地測量在時效性、數(shù)據(jù)獲取、測量范圍等方面都存在著明顯優(yōu)勢，適合大范圍及長時間序列植被覆蓋度監(jiān)測[7-8]。其中，基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation Index， NDVI)像元二分法模型進(jìn)行區(qū)域植被覆蓋度研究應(yīng)用較為廣泛[9-11]，在提取長時間序列和大范圍植被覆蓋度時，其利用植被指數(shù)區(qū)分無植被覆蓋區(qū)域和植被覆蓋區(qū)域，從而估算區(qū)域植被覆蓋度，通過設(shè)定閾值對區(qū)域植被覆蓋面積進(jìn)行提取，結(jié)果具有較高的精度及科學(xué)性[12-13]。

庫布齊沙漠位于干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，植被的動態(tài)變化在一定程度上影響著下一階段區(qū)域的植物保護(hù)、生態(tài)規(guī)劃和建設(shè)。目前學(xué)者們已經(jīng)明晰了庫布齊沙漠植被特征、土壤特征等[14-18]，對長時序植被覆蓋度變化動態(tài)監(jiān)測的結(jié)果止于2013年[19]，之后的植被動態(tài)鮮有報道。鑒于此，本文以Landsat遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用NDVI像元二分法模型分析庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度的變化規(guī)律，從時間和空間尺度探究庫布齊沙漠植被覆蓋度動態(tài)變化，以期為庫布齊沙漠植被恢復(fù)及生態(tài)建設(shè)提供一定的參考和基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

庫布齊沙漠位于107°3′07″—111°23′06″E，40°34′22″—41°48′29″N，地處鄂爾多斯高原脊線的北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的杭錦旗、達(dá)拉特旗和準(zhǔn)格爾旗的部分地區(qū)，面積約1.86×104km2，屬典型溫帶大陸性干旱—半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.0～7.5 ℃，沙漠東部年均降水量約400 mm，向西逐漸遞減至150 mm，年蒸發(fā)2 100～2 700 mm，呈由東向西遞增趨勢。西北風(fēng)為冬半年盛行風(fēng)向，年均風(fēng)速3.5 m/s，其中春季平均風(fēng)速為4.9 m/s，最大風(fēng)速為22 m/s，年大風(fēng)日數(shù)25～35 d，主要集中在春季。庫布齊沙漠植被主要包括：沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四合木(Tetraenamongolica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、藏錦雞兒(Caraganatibetica)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙柳(Salixcheilophila)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以1989—2019年每5年1期共7期的Landsat影像為數(shù)據(jù)源，其中1989，1994，1999，2004和2009年選用的是Landsat 4—5 TM影像15景，2014和2019年Landsat 8OLI影像6景，共7期21景遙感影像，分辨率均為30 m，軌道號為127/32，128/32，129/32。為保證影像和地物之間均具有可比性，7期影像獲取時間均屬于庫布齊沙漠植被生長季(6—9月)。

1.3 研究方法

利用ENVI 5.3軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌等預(yù)處理。植被覆蓋度計(jì)算采用基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)像元二分法模型[20-22]，計(jì)算公式為：

式中：FVC表示植被覆蓋度； NDVImin為NDVI最小值，表示裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值； NDVImax為NDVI最大值，表示完全由植被所覆蓋的純植被像元值。因外界條件變化會對NDVImin值、NDVImax值產(chǎn)生影響，所以對NDVImax和NDVImin賦值時需要結(jié)合影像的時相與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，本研究分別取NDVI的5%和95%代表NDVImin和NDVImax。)

參考相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]對于植被覆蓋度的劃分，并結(jié)合庫布齊沙漠實(shí)際情況，將研究區(qū)植被覆蓋測度結(jié)果劃分為以下4個等級：①低植被覆蓋度(0

利用ArcGIS 10.2，根據(jù)質(zhì)心計(jì)算方法，分別計(jì)算不同等級植被覆蓋度1989—2019年各期遙感影像的重心坐標(biāo)，并繪制植被覆蓋度重心遷移圖[25-26]，從而體現(xiàn)庫布齊沙漠各級植被覆蓋度在空間分布上的變化趨勢。為能夠更直觀地體現(xiàn)出庫布齊沙漠1989—2019年的植被覆蓋度變化情況，利用GIS空間統(tǒng)計(jì)分析方法，分別將不同年份同一區(qū)域的植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，獲取植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)，數(shù)值為正表示植被覆蓋度增加，植被覆蓋情況改善；數(shù)值為負(fù)表示植被覆蓋度減少，植被覆蓋情況退化；若數(shù)值變化不明顯，則說明植被覆蓋基本未變。根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度變化程度，將其劃分為7個等級[27-28]，分別為減少50%以上，減少30%～50%，減少10%～30%，基本未變，增加10%～30%，增加30%～50%，增加50%以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫布齊沙漠植被覆蓋度時序變化特征

由圖1可知，1989—2019年庫布齊沙漠植被覆蓋度整體呈現(xiàn)增長趨勢，平均植被覆蓋度由0.104增長到0.243。其中，平均植被覆蓋度1994—1999年變化較小，僅減少0.002，而1999—2004年、2009—2014年這兩個時間段出現(xiàn)較大波動，均呈下降趨勢，分別減少0.053，0.054。低植被覆蓋區(qū)占比總體呈降低趨勢，其中1999—2004年、2009—2014年呈增加趨勢，占比分別增加6.81%和24.44%，低植被覆蓋區(qū)占比在1989—2014年只減少4.78%，而2014—2019年減少30.86%；中低植被覆蓋度占比變化不明顯，總體保持平穩(wěn)；中植被覆蓋區(qū)占比呈增加趨勢，1989—2014年增加5.14%，而2014—2019年增加11.9%；高植被覆蓋區(qū)占比呈增加趨勢，1989—2014年增加6.13%，而2014—2019年增加2.38%。

圖1 庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化情況

2.2 庫布齊沙漠植被覆蓋度空間變化特征

1989—2019年庫布齊沙漠植被覆蓋度在空間分布上呈現(xiàn)由西向東、向北增加的趨勢。由重心遷移圖發(fā)現(xiàn)，庫布齊沙漠低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度的重心向西遷移，中植被覆蓋度和高植被覆蓋度的重心均向東遷移(圖2—3)。從各時間段植被覆蓋度分布圖來看，低植被覆蓋度區(qū)域在沙漠的西部、中部及南部部分地區(qū)減少，尤其是在2014—2019年減少明顯，減少總面積達(dá)5 747.24 km2，但1999—2004年、2009—2014年低植被覆蓋度區(qū)域在沙漠的中部、西部和南部有所增加，2009—2014年增加尤為明顯，增加總面積達(dá)4 552.52 km2。中植被覆蓋度區(qū)域整體增加，變化主要發(fā)生在沙漠的東部、東南部及南部部分地區(qū)，但在1994—1999年、1999—2004年和2009—2014年中植被覆蓋度區(qū)域均有小面積的減少，減少總面積分別為225.42 km2，277.33 km2，679.97 km2。高植被覆蓋度區(qū)域整體呈增加趨勢，變化主要發(fā)生在東北部、北部和西北部邊緣以及中部小面積區(qū)域，特別是在2019年，高植被覆蓋度面積達(dá)2 367.12 km2，僅在1999—2004年高植被覆蓋度區(qū)域發(fā)生小范圍減少，減少總面積為845.63 km2，主要在北部和西北部邊緣減少。中低植被覆蓋度區(qū)域在1989—2004年變化不明顯，在2004—2019年有小幅度的變化，主要發(fā)生在沙漠西部、南部和中部的部分地區(qū)(圖2—3，表1)。

表1 不同等級植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì) km2

2.3 庫布齊沙漠植被覆蓋度的變化程度

通過對庫布齊沙漠植被覆蓋度變化程度分析(圖4，表2)，總體來看，1989—2019年庫布齊沙漠植被覆蓋改善面積有所增加，退化面積有所減少。從各個時段來看，1989—1994年植被覆蓋以改善為主，改善面積為5 830.77 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、西部和北部邊緣，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的74.51%；1994—1999年植被覆蓋度基本保持不變，改善面積與退化面積相差僅有247.45 km2；1999—2004年植被覆蓋以退化為主，退化面積為3 870.22 km2，退化區(qū)域主要分布在沙漠北部和南部邊緣，退化程度以植被覆蓋度減少10%～30%為主，占退化總面積的71.45%；2004—2009年植被覆蓋以改善為主，改善面積為4 664.78 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、北部及中部小部分地區(qū)，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的78.70%；2009—2014年植被覆蓋以退化為主，退化面積為6 093.59 km2，退化區(qū)域主要分布在沙漠西部和中部，退化程度以植被覆蓋度減少10%～30%為主，占退化總面積的86.11%；2014—2019年植被覆蓋以改善為主，改善面積達(dá)8 880.53 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、南部和北部地區(qū)，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的82.24%。

圖2 庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度空間分布

圖3 庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度重心遷移路徑

圖4 庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化程度

表2 庫布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化程度面積統(tǒng)計(jì)

2.4 庫布齊沙漠1989—2019年氣溫和降水的變化

由圖5可以看出，近30 a來研究區(qū)年均降水量總體呈增加趨勢，年均氣溫雖呈上升趨勢但總體較為平穩(wěn)。多年平均降水量為293.45 mm，多年平均氣溫為7.83 ℃，其中1999—2004年年均降水量為270.01 mm，較多年平均值低23.44 mm，相應(yīng)時期研究區(qū)年均氣溫為8.00 ℃，高于多年平均值0.17 ℃；2009—2011年年均降水量僅為237.61 mm，較多年平均值低55.84 mm，相應(yīng)時期年均氣溫為7.86 mm，高于多年平均值0.03 ℃，雖然在2012年降水量大幅度增加，達(dá)到年均降水量最大值(411.70 mm)，但植被對降水的響應(yīng)存在滯后[29]，所以1999—2004年、2009—2014年研究區(qū)處于相對干旱的時期。

3 討 論

降水和氣溫是影響沙漠地區(qū)植被覆蓋度變化的主要?dú)夂蛞蜃覽30-31]。李朝生等[32]同樣研究發(fā)現(xiàn)庫布齊沙漠影響植被的主要限制因子是水分，降水的變化對植被產(chǎn)生較大的影響；而氣溫的變化會對蒸騰作用產(chǎn)生影響，從而在一定程度會影響降水對植被的作用。通過研究發(fā)現(xiàn)，在時間變化上，庫布齊沙漠植被覆蓋度在1989—2019年整體呈增長趨勢，平均植被覆蓋度由0.104增長到0.243，這可能與近30 a研究區(qū)年均降水量總體增加，年均氣溫雖上升但總體較為平穩(wěn)有關(guān)。研究區(qū)1999—2004年和2009—2014年植被覆蓋度降低，平均植被覆蓋度分別減少了0.053和0.054，退化面積分別為3 870.22和6 093.59 km2，分析其原因可能是由于1999—2004年和2009—2014年研究區(qū)處于相對干旱的時期，并且1999—2014年植被覆蓋度總體呈現(xiàn)降低的趨勢，累積平均植被覆蓋度減少0.043，且變化程度以減少為主，減少面積與增加面積相差3 094.02 km2，該結(jié)論與王黎[19]所得出的2002—2013年研究區(qū)植被覆蓋度提高不同，這可能是由于所采用的遙感數(shù)據(jù)時序不同以及對植被覆蓋度分級劃分標(biāo)準(zhǔn)不同所導(dǎo)致，其在時序上是以1981—2002年、2002—2013年兩個時期分析植被覆蓋度變化，而本文選取每5 a一個時期分析植被覆蓋度變化。在空間分布上，庫布齊沙漠植被覆蓋度呈現(xiàn)由西向東、向北增加的特征，這與何亮等[33]、田海靜等[34]的研究結(jié)果一致，并且鄭玉峰等[35]研究得出1969—2018年庫布齊沙漠降水量在空間分布上呈由西向東遞增的趨勢，氣溫在空間分布上呈由西向東降低的趨勢，這與本文研究得出的庫布齊沙漠植被覆蓋度的空間分布特征存在一定關(guān)聯(lián)。

圖5 庫布齊沙漠1989—2019年年均降水量、氣溫變化趨勢

植被覆蓋變化是氣候、人為等多種因素共同作用的結(jié)果。研究期間“三北防護(hù)林體系”、封沙育林育草及“庫布齊沙漠生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目”等生態(tài)項(xiàng)目的建設(shè)對研究區(qū)植被覆蓋度增加起到一定促進(jìn)作用，但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口的增多，居民地的增加及城鎮(zhèn)化水平的提高在一定程度上造成植被的減少[36]，并且人類活動多種多樣，對植被覆蓋的影響也較為復(fù)雜，所以人為因素對研究區(qū)植被覆蓋的影響還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 在時間變化上，1989—2019年庫布齊沙漠植被覆蓋度整體呈增長趨勢，平均植被覆蓋度由0.104增長到0.243。在空間分布上，庫布齊沙漠植被覆蓋度呈現(xiàn)由西向東、向北增加的特征。

(2) 庫布齊沙漠植被覆蓋在1999—2004年和2009—2014年均呈現(xiàn)退化趨勢，平均植被覆蓋度分別減少了0.053和0.054，退化面積分別為3 870.22和6 093.59 km2，退化程度均以植被覆蓋度減少10%～30%為主。