青海省都兰县NDVI变化及影响因子研究

2011-08-03张克斌程中秋王黎黎肖红霞

水土保持通报 2011年5期

常进，张克斌，边振，程中秋，王黎黎，肖红霞

（北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083）

植被是连接土壤、大气和水分的自然纽带。地表植被对全球的能量平衡、生物化学循环、水循环等起着调控作用，对气候系统变化有着深远的影响，是影响全球生态变化的主要驱动因子，同时植被也具有涵养水源、保持水土的作用，有助于生物地球化学的良性循环［1－4］，因此植被动态变化研究在区域乃至全球变化研究中具有重要意义。

荒漠化（特别是风蚀荒漠化）在很大程度上表现为植被的退化，因此植被的动态变化可以反映荒漠化的动态变化。“土地荒漠化监测方法”国家标准（GB/T 20483—2006）中，将自然植被作为荒漠化过程监测最重要的因子，并且将“植被盖度”规定为荒漠化评价的重要指标之一［5］。研究植被覆盖的动态变化可以探知荒漠化的动态变化。研究植被变化与气候因子（降水、气温）的关系可以在一定程度上了解荒漠化与气候因子（降水、气温）之间的关系，有利于开展荒漠化动态变化的遥感研究。

NDVI（nor malized difference vegetation index，归一化植被指数）对植被长势和生长量非常敏感，能很好地反映地表植被的繁茂程度，NDVI的变化趋势在一定程度上能代表地表植被覆盖变化［6－9］。目前，国内外关于NDVI与气候因子的相互关系开展了较多研究，认为NDVI与主要气候因子有显著的相关性，但是其相关性存在明显的地域性。不同区域的研究结果差别较大［10－15］。由于国内的大量研究中，对高寒荒漠化地区的研究相对较少，为此我们选择了青海都兰县为研究对象，并结合国家防沙治沙关键技术研究与试验示范项目，以高寒沙地退化植被恢复技术研究与试验示范课题为基础。通过对都兰县2000—2009年NDVI与气候因子的相关研究，反映我国高寒荒漠化地区植被变化与气候因子的关系，为深入了解高寒荒漠区植被的生态状况，为高寒地区的土地资源持续利用以及退化草地的植被恢复提供一些参考依据，为高寒区土地合理规划和荒漠化的防治提供基础资料。

1 研究区概况

都兰县位于青海省中部，柴达木盆地东南部，地理坐标为东经95°29′—99°16′，北纬35°15′—37°27′之间。地势由东南向西北倾斜，全境可分为汗布达山地和柴达木盆地平原2种地貌类型。境内有沙柳河、托索河、察汗乌苏河等大小河流40多条。

该区属高原大陆性气候，日差较大，年差较小，太阳辐射强，太阳辐射157.7～177.7 KJ/c m2，日照时间长，降雨地区差异大。气温年内变化1月最低为－15～10℃，7月最高为9～19.3℃，极端最低气温－39.2℃，极端最高气温33.9℃，年平均日较差12.6℃，年较差23.9～29.7℃，且西部大于东部。

降水量总的趋势是随海拔高度的增加而递减，降水时空分布不均，平原区降水在37.9～200.5 mm。年蒸发2 049.6 mm，境内平均风速3.0～3.7 m/s。3—5月份是大风的集中季节。年日照时数在2 903.9～3 252.6 h，全年平均日照数为7～10 h。降水较少且集中在5—9月，表现出雨热同季，有利于农作物和牧草的生长。

2 研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 NDVI数据所用到的 NDVI数据集为NASA MODIS陆地产品组根据统一算法开发的MODIS植被指数产品。本研究所用的MODIS产品为其陆地产品系列中的MODIS13 A1005，即全球500 m分辨率16 d合成的植被指数产品，时间序列为2000年1—12月。对所获得的MODIS13 A1遥感数据集进行子集提取、图像镶嵌、数据格式转换、投影转换及质量检验等预处理，这些处理可以采用MODTOOL.BAT以及ERDAS进行，经过以上处理得到质量可靠的NDVI数据集。对每月2次的NDVI数据采用了国际通用的最大值合成MVC（maxi mu m value co mposites）法获得，进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰。

式中：INDVImi——第i个16 d周期的NDVI最大合成值；INDVIij——第i个16 d周期第j天的NDVI值。

2.1.2 气象数据 2000—2005年的都兰气象数据来源中国气象科学数据共享网。2006—2009年都兰县的气象数据来源于察汗乌苏水文站以及都兰气象站，数据内容包括每日最高气温、每日最低气温，日平均气温、月平均气温、月降水量等。对缺失数据进行插值处理，取前后2 d数值的平均值。如果缺失值达到10 d左右，则将该月数据剔除。对原始数据进行整理，求出月平均气温、月平均降水量等。

2.2 处理方法

2.2.1 均值法在统计研究区域的NDVI值时，采用均值法进行计算，即统计区域内所有像元NDVI值的平均，公式如下：

式中：INDVap——某一区域的NDVI的平均值；p——区域代码；x——统计区域内像元行数；y——统计区域内像元列数；n——统计区域内像元总数。

2.2.2 一元回归趋势线法趋势线是对一组随时间变化的变量进行回归分析，预测其变化趋势的方法［16－17］。本文通过计算植被生长旺盛时期的每个像元10 a的YNDVI，用趋势线分析法模拟该像元值在10 a间的变化趋势，即植被覆盖的年际变化，公式如下：

式中：k——1－n的年序号；Y k——第k年 NDVI平均值（本文选取的是第k年植被生长旺盛的8月的NDVI平均值）。变化趋势图反映了在研究时间范围内的时间序列中，研究地区NDVI的年际变化趋势。某像元的趋势线是该点n年的生长旺季NDVI平均值用一元线性回归模拟出来的一个总的变化趋势，slope即为这条趋势线的斜率。slope＞0，表示NDVI在n年间的变化趋势是增加的，反之则减少。

2.2.3 相关分析法综合运用SPSS，EXCEL等软件对NDVI与气温、降水的相关性进行检验，讨论结果。

3 结果分析

3.1 都兰县NDVI变化特征

3.1.1 NDVI的年内变化特征通过对2000—2009年都兰县各月的NDVI求平均值，得到2000—2009年都兰县1—12月的各月平均NDVI值（图1）。图1显示，1—5月的NDVI值变化不明显，1月的NDVI值最小，只有0.045，其它各月在0.05～0.10区间缓慢地波动增加。1—5月由于平均气温低，同时降雨稀少，此时植被生长受到抑制，NDVI值很低，5月以后，降雨的增加有利于植被的生长，NDVI迅速增加，5—7月增加速度尤为明显，到7月NDVI的增加开始变缓，8月NDVI达到全年最大，即夏季的8月是都兰县植被最旺盛的月份。从8月开始到第二年的1月，NDVI则持续下降。总的来看，都兰县植被的总体水平不高，NDVI最大值达0.22，NDVI值的年内变化具有很强的季节性，月均NDVI变化显著。

图1 都兰县2000－2009年各月平均NDVI的变化

3.1.2 NDVI的年际变化特征 2000—2009年间，都兰县年均NDVI总体呈略微上升趋势（图2），上升速率为0.002 9 a。2000—2005年NDVI值在波动中上升，到2005年NDVI值达到10 a来最大值0.201 1，说明2000—2005年植被状况是逐渐改善的；2005—2009年NDVI值呈下降趋势，说明植被退化面积有所增加。总体而言，都兰县的植被状况改善速度相对缓慢，建议加强植被恢复管理。

图2 都兰县2000－2009年年均NDVI的变化

为了更加明确NDVI的年际空间变化，本文采用一元回归趋势线法计算得出的2000—2009年都兰县NDVI变化的趋势图slope的变化范围为－0.035 2～0.058 9，平均值为0.002 9，方差为0.004 9。为了使趋势图中不同级别的slope都得以体现，将slope进行了系统的分类（图3）。

图3 2000－2009年都兰县NDVI变化趋势分类图

由图3得出，全县植被改善和退化的面积比例约为5∶1，其中植被状况明显改善的面积占全县面积的39.71%，植被退化区面积占全县面积的17.74%。由于柴达木河的中上游地段人类活动频繁，河岸带的大片区域出现了植被退化的现象，而在柴达木河河岸缓冲带的外围至柴达木盆地的边缘地区，因人为干扰强度不大，植被状况有转好的趋势。在查查河、察汗乌苏河以及柴达木河下游的大片区域，植被状况总体改善趋势明显，但是在该区域夹杂着植被退化零星地带，一方面说明自“国家防沙治沙关键技术研究与试验示范项目”开展以来取得了显著的成效，另一方面也说明人为活动造成部分区域植被退化，建议在这些区域加强植被保护。

3.2 都兰县NDVI变化的主要因子分析

3.2.1 自然因子都兰县2000—2009年的各月平均降雨和气温以及各年平均降雨和气温的统计情况如图4—5所示。

图4 都兰县10 a各月平均降雨量和月平均气温变化

图4显示了都兰县多年来各月降雨和气温的分布状况。可以看出全年各月气温位于0℃以上的为4—10月，全年气温最高月出现在7月份，气温最高月与最低月相差达25.03℃，气温起伏变化幅度大；降雨则有明显的旱季和雨季之分，5—9月的降雨量占了全年降雨量的84%，其余各月降雨量稀少。由图4可以得知，都兰县5—9月份满足了植被所生长的水热条件，有利于植被的恢复和生长；降雨和气温的拟合曲线显示，2000—2004年都兰县降雨量的变化幅度较大，2004—2009年降雨量变化趋于平缓，近10 a来降雨量总体呈增加趋势。10 a来气温则经历了逐渐下降然后上升的过程，总体有相对较小的上升趋势；降雨的上升趋势大于气温的上升趋势。本文对都兰县降雨和气温相关性进行分析，得出如下数据表格（表1）。

表1显示NDVI与年平均降雨、5—9月降雨量的相关性显著（p＜0.05），相关系数分别为0.632，0.705，相关系数5—9月的降雨量＞年平均降雨，表明5—9月的降雨量直接影响着该年的植被生长。NDVI与5—9月的气温相关性极显著（p＜0.01），结合图4中5—9月的月平均气温均＞10℃，表明5—9月的降雨量对植被生长的影响比气温小。气温的快速回升，前期有利于植被生长，随着后期气温的持续回升，土壤的蒸发量变大，又不利于植被的生长。从以上分析可以看出，5—9月的气温和降雨是影响都兰县NDVI变化的2个主导因素。

图5 都兰县2000－2009年平均气温与年平均降雨拟合曲线

表1 NDVI与降雨和气温之间的相关系数

3.2.2 人为因素影响都兰县NDVI变化的另外一个重要因素是人为因素——荒漠化治理措施。“十五”以来大力加强生态环境建设，全面实施退耕还林（草）、“三北”四期防护林等生态建设，先后在都兰县建立了许多人工示范点，如青冈滩示范点、安固滩人工封育示范点和夏日哈综合示范点等，使全县生态环境状况得到了明显改善。据统计，全县完成退耕还林（草）2.25×104h m2，其中退耕地造林种草3 133.3 h m2，周边荒滩荒地造林种草1.34×104h m2，封沙育林育草6 000 h m2，累计人工造林2 333.3 h m2，完成封沙育林育草1.06×104h m2。同时广泛开展全民义务植树活动，进一步扩大了全县绿地覆盖面。这些措施对于荒漠化防治起到了极大的作用。

通过示范区的实施，采用草场封育、沙障设置、改良草种、固定沙丘等手段，改善了牧区生态环境，并使示范区内植被覆盖度提高15%～25%，使原先脆弱的生态环境得到有效的保护。通过不间断的改造和管护逐步使自然生态良性发展，改善了当地恶劣的生态环境。

4 结论

（1）都兰县NDVI变化具有明显的季节性，5—9月的NDVI值较大，有利于植被的恢复和生长，可人为采取一系列措施加快植被恢复速度。

（2）2000—2009年，都兰县植被总体状况逐渐改善，年均NDVI总体上以0.002 9 a的速率上升。

（3）在自然和人为因素的双重影响下，都兰县的植被状况有所改善，全县39.71%的面积植被明显改善，主要位于查查河、察汗乌苏河以及柴达木河下游的大片区域；全县17.74%面积出现植被退化，主要位于柴达木河中上游河岸周围的广大区域，荒漠化治理有待进一步加强。

（4）气温和降雨是影响该区的主导自然因子，5—9月的降雨量与NDVI显著相关，相关系数为0.705；5—9月的气温与NDVI极显著相关，相关系数达到－0.894，5—9月的气温对NDVI的影响强于降雨。

（5）本文将气象要素作为自然因子对同时期的NDVI进行了相关分析，由于资料的时间跨度不够长，NDVI的变化与自然因子的内在联系有待进一步研究，同时植被明显改善地区出现的零星区域植被退化现象有待进一步的调查研究。

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