阿拉善左旗近35年植被NDVI動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析

黨夢(mèng)嬌　劉雪娟　楊世榮　趙靜　馬克華　羅煒　圖布吉雅

摘要 采用像元二分模型法對(duì)阿拉善左旗1984—2018年植被TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取研究區(qū)不同年份的植被蓋度，結(jié)合一元線性回歸等方法分析了阿拉善左旗近35年植被NDVI變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：（1）阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值為22.7%，1984—1989年植被蓋度等級(jí)從Ⅱ級(jí)逐漸降升高到Ⅰ級(jí)，1984—1992年植被蓋度Ⅱ級(jí)的比例占25%，土地類型為沙化土地，1992—2018年植被蓋度Ⅰ級(jí)的比例占75%，土地類型均為荒地，研究區(qū)植被NDVI整體狀況從低覆蓋度演變?yōu)闃O低覆蓋度，并且一直保持極低覆蓋度級(jí)別;（2）阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI的時(shí)空變化特征呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，植被NDVI的斜率為-0.006，植被NDVI的階段性變化特征明顯，第1階段（1984—1992年）、第3階段（2001—2010年）和第4階段（2010-2018年）植被NDVI均出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，第2階段（1992—2001年）植被NDVI呈上升趨勢(shì)。阿拉善左旗35年植被NDVI空間分布特征總體呈下降趨勢(shì)，植被資源亟待保護(hù)。

關(guān)鍵詞 植被NDVI;變化趨勢(shì);回歸分析;阿拉善左旗

中圖分類號(hào)：S718.54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.04.003

Analysisof NDVI Dynamic Trend in Alxa Left Banner in Recent 35 years

Dang Mengjiao Liu Xuejuan Yang Shirong Zhao Jing Ma Kehua Luo Wei Tubujiya

（1.Alxa Institute of Forestry and Grassland，Alxa，750300，Inner Mongolia;2. Alxa Protection Station of Forest and Grassland，Alxa 75030，Inner Mongolia;3. Alxa Air Ranger Station，Alxa 750300，Inner Mongolia;4. Yabulai Station of Inner Mongolia Badanjilin Nature Reserve，Alxa 737300，Inner Mongolia）

AbstractIn this study，the Pixel bisection model was used to analyze the vegetation TM remote sensing data of Alxa Left Banner from 1984 to 2018，and the vegetation coverage of different years was obtained，using monadic linear regression and other methods to assess the NDVI trend of Alxa Left Banner Vegetation in recent 35 years. The results showed that： 1） the average NDVI value of Alxa Left Banner Vegetation was 22.7%，the vegetation coverage grade of Alxa Left Banner Vegetation gradually increased? from Grade Ⅱ to Grade Ⅰ from 1984 to 1989，and the vegetation coverage grade of Grade Ⅱ accounted for 25% from 1984 to 1922. The land type was sandy land. From 1992 to 2018，the proportion of Grade Ⅰ vegetation coverage was 75%，and the land type was wasteland. The overall vegetation NDVI status in the study area changed from low to very low coverage，and maintained extremely low coverage;2） the temporal and spatial variation characteristics of NDVI in Alxa Left Banner showed a fluctuating downward trend from 1984 to 2018，and the slope of NDVI was -0006. The periodic variation characteristic of NDVI was obvious，which NDVI in the first，third and fourth stages showed a negative growth trend，and NDVI in the second stage showed an upward trend. In conclusion，the spatial distribution characteristics of vegetation NDVI in Alxa Left Banner 35a showed a declining trend，and the vegetation resources are in urgent need of protection.

Key wordsvegetation NDVI;change trends;regression analysis;Alxa Left Banner722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）指植被冠層垂直投影面積占基準(zhǔn)地表單位總面積的比例或百分比，它表現(xiàn)出了植被在水平方向上的密度情況[1]。植被覆蓋度是演示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)[2]，通常用于陸表蒸發(fā)散計(jì)算、植被狀況評(píng)估、生態(tài)模型擬模或水土保持和荒漠化進(jìn)程分析[3]。地表植被覆蓋是描述生態(tài)系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，環(huán)境變化、人類活動(dòng)、自然災(zāi)害等因素都會(huì)引起植被覆蓋度的變化[4]，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，不僅可以體現(xiàn)局部地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境健康情況[5]，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境同樣具有重要現(xiàn)實(shí)意義[6]。因此，研究一個(gè)區(qū)域的植被覆蓋度變化趨勢(shì)對(duì)了解植被的演變，預(yù)測(cè)未來氣候變化下植被的變化特征具有重要價(jià)值[7]，有利于從宏觀層面實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)[8]。

目前，基于長(zhǎng)時(shí)間序列的歸一化指數(shù)數(shù)據(jù)集[9]，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的植被覆蓋度提取模型是像元二分模型[10]。像元二分模型是混合像元分解的一種方法[11]，除了植被，像元二分模型也被運(yùn)用于其他方面，例如重金屬反演、水體提取等。章瓊等[12]將像元二分模型運(yùn)用到土壤重金屬反演方面發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過像元二分模型處理的土壤反射率與重金屬Cr兩者敏感性顯著相關(guān)，取得較好效果。丁鵬飛等[13]將像元二分模型運(yùn)用到水體指數(shù)提取研究中發(fā)現(xiàn)，像元二分模型對(duì)提取水體信息更精確，特別是對(duì)水陸模糊邊界區(qū)域提取精度效果較好。由于還未有人利用像元二分模型法探究阿拉善盟植被NDVI變化趨勢(shì)，基于此，本研究將用此方法，對(duì)1984—2018近35年阿拉善左旗植被的改善和退化狀況進(jìn)行分析，探討研究區(qū)植被覆蓋度的空間分布特征，以期為解決阿拉善左旗植被改善與恢復(fù)等問題提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于賀蘭山以西的騰格里沙漠東北緣，地形由東南向西北傾斜，屬賀蘭山洪積扇邊緣，地勢(shì)開闊[14]，銜接起伏的沙丘，地表風(fēng)蝕作用強(qiáng)，主要以固定、半固定沙地為主[15]。土壤類型以風(fēng)沙土為主。氣候?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂騕16]，據(jù)研究區(qū)周邊3個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象站（阿拉善左旗、吉蘭泰和巴彥淖爾）1978—2017年氣象資料，該區(qū)年均降水量100～200 mm，平均為142.0±35.6 mm，降雨主要集中在6—9月，約占全年的62%;年均氣溫為8.7±0.7 ℃，7月最高氣溫可達(dá)41.1 ℃，1月最低氣溫達(dá)-34.4 ℃;年均風(fēng)速為7.1±0.4 m·s^-1，春季和冬季大風(fēng)天數(shù)居多，最大風(fēng)速可達(dá)26 m·s^-1。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

從地理數(shù)據(jù)空間云平臺(tái)下載1984—2018年的TM遙感影像數(shù)據(jù)，為最大程度消除云、霧、大氣和非生長(zhǎng)季的影響，選取8月作為研究時(shí)段，該時(shí)段植被長(zhǎng)勢(shì)旺盛，同時(shí)含云量控制在1%以內(nèi)，數(shù)據(jù)質(zhì)量好。受2013年之前波段的影響，本研究用近紅外波段和可見紅外波段遙感影像計(jì)算各期影像NDVI，進(jìn)一步消除云、大氣等因素的干擾。收集研究區(qū)部分野外GPS調(diào)查數(shù)據(jù)和其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。采用 ENVI 軟件對(duì)影像進(jìn)行裁剪、拼接等預(yù)處理，得到阿拉善左旗的遙感數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

2.2.1歸一化植被指數(shù)歸一化植被指數(shù)是反映區(qū)域植被生態(tài)態(tài)勢(shì)的重要參數(shù)因子，被定義為近紅外波段與可見光紅外波段數(shù)值之差與這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值[17]，計(jì)算公式如下：

NDVI的范圍在[-1，1]之間，地物對(duì)可見光的反射越高，NDVI便越低，當(dāng)值為負(fù)時(shí)表示地面覆蓋為水、雪或在空中受到了云的干擾等[18];若值為0，則表示為裸地或巖石等，而在有植被覆蓋時(shí)，NDVI為正，且值隨著植被覆蓋密度的增長(zhǎng)而變大[19]。NDVI經(jīng)比值處理，可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角、地形、云、陰影和大氣條件等有關(guān)的輻照度條件變化的影響[20]。式中，B_nir代表近紅外波段的反射值;B_red代表紅光波段的反射值;ND-VI是植物生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子。

2.2.2 植被覆蓋度

像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法[21]，其原理為通過遙感傳感器所觀測(cè)到的信息S，可表達(dá)為由綠色植被成分所貢獻(xiàn)的信息S_veg和由土壤成分所貢獻(xiàn)的信息S_soil這兩部分組成，植被覆蓋度Fc就是像元中植被覆蓋所占的面積，計(jì)算公式如下：

2.2.3 趨勢(shì)分析

采用一元線性回歸分析法中的斜率公式計(jì)算生長(zhǎng)季NDVI的年際變化趨勢(shì)（Slope）[22]，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。Slope的計(jì)算公式如下：

2.2.4 植被蓋度等級(jí)劃分依據(jù) 為更加直觀地展現(xiàn)近35年來阿拉善左旗植被覆蓋度變化情況，對(duì)歷年植被覆蓋度進(jìn)行等比例閾值劃分。按照水利部2007年頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)研究成果[23]，結(jié)合研究區(qū)實(shí)況資料、野外調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)分類的結(jié)果進(jìn)行了精度驗(yàn)證[24]，在此基礎(chǔ)上，基于ArcGIS 軟件將植被覆蓋度等級(jí)劃分為5級(jí)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：極低植被覆蓋（Fc≤0.1）;低植被覆蓋（0.1

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI變化分析

阿拉善左旗多年植被NDVI平均值為22.7%，植被NDVI平均最高值為37%（1984年），最低值為7%（2018年）。由圖1可以看出，1984—2018年阿拉善左旗平均生長(zhǎng)季植被NDVI增長(zhǎng)率呈緩慢下降趨勢(shì)，將歷年植被NDVI的變化大致分為4個(gè)階段，即1984—1992年（第1階段）、1992—2001年（第2階段）、2001—2010年（第3階段）、2010—2018年（第4階段）。第1階段植被NDVI下滑幅度為4個(gè)階段中最大的一個(gè)階段，第2階段和第3階段下降速率則較為平穩(wěn)，最后一階段的下滑幅度也較大，但比第1階段略小。由圖2可以看出：1984—1989年、1999—2004年、2014—2018年植被NDVI均呈大幅下降趨勢(shì)。其他階段植被NDVI則是小幅度上升。722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF

3.2 植被NDVI描述性統(tǒng)計(jì)分析

阿拉善左旗植被覆蓋平均值從1984年到2018年逐漸減小，1984年植被NDVI平均值最大，約為29%。各年植被NDVI的中值和均值均很接近，表明植被NDVI的中心趨向分布不被異常值所決定，標(biāo)準(zhǔn)差為0.07～0.12。變異系數(shù)（CV）表示隨機(jī)變量的離散程度，CV≤10%為弱變異性;10%

3.3 植物NDVI變化等級(jí)劃分

由表3可知，4個(gè)階段的植被蓋度等級(jí)從Ⅱ級(jí)逐漸降升高到Ⅰ級(jí)，Ⅰ級(jí)的植被NDVI閾值為0.1

3.4 植物NDVI線性回歸方程分析

從圖3可以看出1984—2018年阿拉善左旗植被NDVI的時(shí)空變化特征呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，植被NDVI的斜率為-0.006。同時(shí)，由圖4可知，植被NDVI的階段性變化特征明顯，1984—2018年阿拉善左旗植被NDVI變化斜率為-0.014～0.003，第2階段植被NDVI的斜率最大，呈上升趨勢(shì)。第1階段、第3階段和第4階段植被NDVI的斜率均為負(fù)增長(zhǎng)，呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由圖4中的一元線性回歸方程和R2值可知，阿拉善左旗植被NDVI與植被發(fā)育的4個(gè)階段分別呈線性關(guān)系。從直線相關(guān)的變化方向看，第1階段、第2階段和第4階段均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，第3階段呈正相關(guān)關(guān)系，且線性均擬合較好。表4為圖4中方程的方差分析表。由表4可知，4個(gè)階段的概率P值均為0，且小于005，所以回歸方程式在置信水平α=005下是顯著的?？梢钥闯霭⒗谱笃熘脖籒DVI與植被發(fā)育的4個(gè)階段線性回歸高度顯著，二者之間存在線性相關(guān)關(guān)系，回歸效果顯著，方程建立有意義。植被NDVI與植被發(fā)育的4個(gè)階段線性回歸系數(shù)分析詳見表5。由表5可以看出方程的回歸系數(shù)具有顯著意義，回歸效果顯著。

4 討論

阿拉善左旗常年氣候干旱且降雨量較少，植被NDVI值在第1階段出現(xiàn)大幅度下降，1984—1992年未開展造林工程及圍封保育措施，牲畜啃食及經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)導(dǎo)致植被覆蓋度驟降。植被NDVI值在第2階段出現(xiàn)小幅度上升，1992—2001開展了小幅度的封山育林及飛播造林工程，并取得了一定的成效。第3階段在小幅度上升后出現(xiàn)大幅度下降并保持穩(wěn)定狀態(tài)，2001—2010年雖然進(jìn)行了大幅度的飛播造林工程，但是由于技術(shù)不成熟導(dǎo)致植被成活率較低，且氣候惡化導(dǎo)致造林收益不高。第4階段出現(xiàn)大幅度下降趨勢(shì)，2010—2018雖然開展了大幅度的人工造林及飛播造林工程，也較大程度地實(shí)施了圍封保育措施，但基于歷年天然林的減少在一定程度上有了退化的趨勢(shì)，導(dǎo)致植被NDVI出現(xiàn)驟降。

基于對(duì)阿拉善左旗近35年植被NDVI的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以更加直觀地對(duì)植被的改善及退化進(jìn)行深層次的了解。黃棟等[25]研究表明，建設(shè)用地的擴(kuò)張及人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下土地利用變化是導(dǎo)致區(qū)域植被退化的關(guān)鍵因素，該結(jié)論與本研究結(jié)果一致。土壤質(zhì)量會(huì)間接影響植被發(fā)育狀況，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)更要注重植被恢復(fù)重建。劉洋洋等[26]研究表明，植被NDVI值往往更容易被干旱所影響，干旱會(huì)使植被增加抗性且快速適應(yīng)環(huán)境。本研究結(jié)論與此相似。可以看出，在氣候干旱的環(huán)境中，植被所受到的脅迫也更加明顯，雖然植被會(huì)快速適應(yīng)環(huán)境，同時(shí)也出現(xiàn)了逐漸退化的趨勢(shì)。基于此，在加大力度開展人工造林和飛播造林工程同時(shí)，天然林的退化趨勢(shì)及退化原因也是我們要研究的關(guān)鍵問題。

5 結(jié)論

基于像元二分模型、描述性統(tǒng)計(jì)分析和一元線性回歸分析等方法，分析了阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI隨時(shí)間變化趨勢(shì)。

5.1 阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值為22.7%，植被NDVI平均最高值為37%（1984年），最低值為7%（2018年）。1984—1989年、1999—2004年、2014—2018年植被NDVI均呈大幅下降趨勢(shì)，其他階段則植被NDVI則是小幅度上升。

5.2 阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值變異性較弱，離散程度較小，集中趨勢(shì)測(cè)度值的代表性較強(qiáng)。偏度系數(shù)均為正值。第2階段、第3階段和第4階段植被NDVI的峰度系數(shù)均為正值，第1階段峰度系數(shù)為負(fù)值。4個(gè)階段的植被NDVI數(shù)據(jù)均呈正態(tài)分布。

5.3 阿拉善左旗1984—1989年植被蓋度等級(jí)從Ⅱ級(jí)逐漸降升高到Ⅰ級(jí)，研究區(qū)植被NDVI整體狀況從低覆蓋度演變?yōu)闃O低覆蓋度，并且一直保持極低覆蓋度級(jí)別。

5.4 阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI的時(shí)空變化特征呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，植被NDVI的斜率為-0.006。植被NDVI的階段性變化特征明顯，4個(gè)階段線性均擬合較好，回歸效果顯著。

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