2000—2021年紅古區(qū)草原歸一化植被指數(shù)分析

祁玉娟

（蘭州市紅古區(qū)林業(yè)工作站，甘肅 蘭州 730080）

草原植被在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、畜牧業(yè)生產(chǎn)、生物多樣性、碳儲(chǔ)量等方面意義重大，但受人類活動(dòng)、氣候等因素影響較大[1-2]。

遙感技術(shù)時(shí)效快、范圍廣、時(shí)空分辨率高，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)和定量研究[3-5]，歸一化植被 指 數(shù)（normalized differential vegetation index，NDVI）由植物吸收波段和植物反射波段的遙感反射率計(jì)算而得，能夠很好地反映植被分布、覆蓋狀況和生長(zhǎng)狀態(tài)，NDVI值越高，植被覆蓋、長(zhǎng)勢(shì)等狀況越好。蘭州市紅古區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，植被以溫性草原和溫性荒漠草原為主，草原生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱。本研究基于NDVI數(shù)據(jù)，采用Theil-Sen median趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Hurst指數(shù)法，分析2000—2021年蘭州市紅古區(qū)草原植被變化趨勢(shì)，以期指導(dǎo)草原植被保護(hù)和恢復(fù)實(shí)踐。

1 研究區(qū)概況

紅古區(qū)位于蘭州市遠(yuǎn)郊，地處甘肅省中部，地理坐標(biāo)102°50′～102°54′E、36°19′～36°21′N。紅古區(qū)屬北溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫7.6 ℃，年均降水227.7～349.9 mm，年均蒸發(fā)1 507.8 mm，年 均 日 照1 762～2 769 h，年 相 對(duì) 無(wú) 霜 期160～173 d。根據(jù)第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，紅古區(qū)草原面積3.61萬(wàn)hm2。紅古區(qū)轄4鎮(zhèn)3個(gè)街道，分別為海石灣、花莊、平安、紅古鎮(zhèn)和華龍、窯街、礦區(qū)街道。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)航空航天局發(fā)布的MODIS MOD13Q1 V006產(chǎn)品。下載紅古區(qū)2000-2021年歷月MOD13Q1產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率16 d，空間分辨率250 m，采用MODIS數(shù)據(jù)重投影工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)投影，最大值合成法得到2000—2021年逐年最大NDVI數(shù)據(jù)集。采用第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查劃定的草原分布圖掩膜得到紅古區(qū)草原逐年NDVI數(shù)據(jù)用于分析。

2.2 分析方法

采用GIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算紅古區(qū)及各鎮(zhèn)（街道）草原區(qū)2000—2021年NDVI逐年均值；采用Theil-Sen median趨勢(shì)分析計(jì)算SNDVI值，Mann-Kendall檢驗(yàn)計(jì)算Z值，Hurst指數(shù)法計(jì)算H值[6]，分析草原生長(zhǎng)變化趨勢(shì)及特征的空間分布。參考袁麗華等人[6]的分級(jí)方案，劃分NDVI時(shí)間序列變化趨勢(shì)為5級(jí)：明顯增加，輕微增加，穩(wěn)定不變，輕微減少，明顯減少。

根據(jù)H值判斷NDVI序列是完全隨機(jī)還是具有持續(xù)性[6-7]：0.5＜H＜1，表明時(shí)間序列具有持續(xù)性，即未來(lái)變化與過(guò)去的變化趨勢(shì)一致，H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)；H=0.5，表明NDVI時(shí)間序列具有隨機(jī)性，即未來(lái)變化與過(guò)去無(wú)相關(guān)性；0＜H＜0.5，表明未來(lái)的變化趨勢(shì)與過(guò)去的變化趨勢(shì)相反，H越接近0，反持續(xù)性越強(qiáng)。疊加Hurst指數(shù)法、Theil-Sen median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)分析結(jié)果，以揭示植被變化趨勢(shì)及其持續(xù)性：1）變化趨勢(shì)不確定；2）持續(xù)輕微減少；3）持續(xù)明顯減少；4）持續(xù)穩(wěn)定；5）持續(xù)輕微增加；6）持續(xù)明顯增加。其中，變化趨勢(shì)不確定包括隨機(jī)（H=0.5）和變化趨勢(shì)相反（0＜H＜0.5）的各種情況，具體疊加組合分級(jí)見(jiàn)表1。

表1 NDVI變化趨勢(shì)及Hurst指數(shù)分級(jí)方案

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI年際變化

由圖1可以看出，2000—2021年，紅古區(qū)各轄區(qū)草原NDVI值變化趨勢(shì)幾乎一致，均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，其中礦區(qū)、窯街街道相對(duì)高于其他區(qū)域，平安鎮(zhèn)則相對(duì)較低；波動(dòng)范圍0.1～0.6，幅度較大，2006、2015年為谷值，2003、2012、2018年為峰值，2018年以來(lái)下降幅度較大。2000—2021年，紅古區(qū)全區(qū)NDVI值呈同樣波動(dòng)增加趨勢(shì)，NDVI值年均增加0.007 9，R2=0.412。上述結(jié)果表明，2000—2021年間，紅古區(qū)各轄區(qū)草原區(qū)植被狀況均呈大幅度波動(dòng)式向好變化趨勢(shì)。

圖1 2000—2021年紅古區(qū)及各轄區(qū)NDVI值變化趨勢(shì)

3.2 NDVI變化趨勢(shì)分級(jí)

由表2可見(jiàn)，2000—2021年紅古區(qū)各轄區(qū)草原NDVI值以增加為主，輕微或明顯增加的面積均占絕大部分，保持穩(wěn)定和輕微減少的面積僅占極少部分，均無(wú)明顯減少的面積。其中，礦區(qū)、華龍2個(gè)街道，全部為增加的面積，無(wú)輕微減少和穩(wěn)定不變的面積；窯街街道明顯增加的面積雖然遠(yuǎn)小于輕微增加的面積，仍然遠(yuǎn)大于輕微減少的面積。上述結(jié)果表明，2000—2021年，紅古區(qū)草原植被狀況總體呈向好變化趨勢(shì)，無(wú)明顯向壞變化的現(xiàn)象。

表2 2000—2021年紅古區(qū)草原NDVI變化趨勢(shì)分級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.3 NDVI變化的可持續(xù)性

由表3可見(jiàn)，2000—2021年間紅古區(qū)草原NDVI值變化趨勢(shì)不確定的面積較小，占比僅窯街街道、平安鎮(zhèn)大于5%；各轄區(qū)均無(wú)持續(xù)明顯減少的面積，持續(xù)輕微減少和持續(xù)穩(wěn)定的面積均極少，占比低于0.4%；各轄區(qū)持續(xù)輕微增加和持續(xù)明顯增加的面積均較大，占比分別大于14%、24%。上述結(jié)果表明，2000—2021年，紅古區(qū)草原植被總體向好的變化趨勢(shì)具有持續(xù)性，即未來(lái)仍呈向好變化，僅窯街街道存在較大比例的草原植被變化趨勢(shì)具不確定性。

表3 2000—2021年紅古區(qū)草原NDVI值變化分級(jí)的可持續(xù)性分析

4 結(jié)論與討論

綜合上述分析，2000—2021年，紅古區(qū)草原植被總體呈大幅度波動(dòng)向好變化趨勢(shì)，無(wú)明顯向壞變化現(xiàn)象，未來(lái)絕大部分草原植被仍將持續(xù)向好變化，僅窯街街道存在較大比例的草原植被變化趨勢(shì)具不確定性，需要引以重視。

2000—2021年，紅古區(qū)各轄區(qū)草原NDVI值均呈大幅度波動(dòng)式增加，暗示全區(qū)草原植被脆弱敏感易變，各轄區(qū)NDVI值變化趨勢(shì)一致則表明紅古區(qū)草原植被變化的驅(qū)動(dòng)因素相同。考慮到草原面積變化幅度較小，且隨著草原保護(hù)政策的實(shí)施，對(duì)草原植被的人為干擾程度逐年降低。推測(cè)影響紅古區(qū)草原植被變化的主要是氣候因素，其中降水的年際變化是紅古區(qū)草原植被變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。因此，在降水稀少的干旱年份，應(yīng)嚴(yán)格控制放牧等人為因素對(duì)草原植被的干擾，以便草原生態(tài)系統(tǒng)休養(yǎng)生息，避免植被狀況持續(xù)性地向壞變化現(xiàn)象。