基于遥感的晋北沙化区植被覆盖变化监测1)
2014-08-02朱世忠
朱世忠
(山西省林业调查规划院，太原，030012)
基于遥感的晋北沙化区植被覆盖变化监测1)
朱世忠
(山西省林业调查规划院，太原，030012)
以山西省晋北沙化区为研究区，基于长时序的归一化植被指数(NDVI)数据和趋势分析方法，从年份、季节和月份3个尺度系统分析了研究区的植被变化时空特征。研究发现：2000—2012年晋北沙化区的植被活动在增强，年增加率为14.61%，研究区89.57%的区域植被活动在增强，其中秋季植被活动增强最为明显，表明近13 a晋北地区的土地沙化趋势在减弱，在该区实施的京津风沙源治理工程的生态效应正在呈现。但研究区整体植被覆盖仍较低，69.93%的区域为较少植被区。因此，京津风沙源治理工程在该区需继续实施，才能保证植被恢复到理想的状态。
植被动态；长时间序列；归一化植被指数；晋北沙化区
植被作为陆地生态系统的主体，是其中最为活跃和敏感的因子，在调节全球碳平衡、减缓大气中温室气体浓度上升等方面具有不可替代的作用[1]。20世纪以来，在气候变化和人类活动的共同作用下，植被变化过程日趋复杂，在生态脆弱区开展植被变化的动态监测，对于正确理解植被变化与气候变化之间的相互作用，加深人类活动对植被变化的影响的认识都具有重要的科学意义[2-4]。荒漠化在一定程度上表现为植被退化、植被盖度、生物量、净初级生产力NPP等的动态变化，均是荒漠化过程中植被生产力的重要反映，也是荒漠化过程发展或者逆转的重要指示因子[5-7]。因此，植被动态变化在一定程度上可以反映荒漠化的动态变化，研究植被变化可以探知荒漠化的动态变化。随着遥感技术的发展，遥感技术已经成为对植被变化进行监测最方便快捷且行之有效的手段。研究长时间序列的归一化植被指数(NDVI)变化是研究植被变化的主要途径[8-10]。目前，国内外学者利用长时序的NDVI变化在对荒漠化动态方面做了不少研究[11-13]。例如，朴世龙等[13]利用NDVI分析了1982—1999年中国荒漠化区NDVI的年际变化，研究发现该区的NDVI在上升，表明我国的荒漠化面积在减少。
山西省晋北沙化区是我国北方生态脆弱农牧区的重要组成部分，也是我国较为重要的防沙、治沙工程试点之一[14-16]。2000年以来，我国在该区实施了著名的京津风沙源治理工程。目前工程的一期建设已完毕，迫切需要对该区工程实施的生态效益进行评估。因此，研究晋北沙化区的植被变化不仅为生态脆弱区的植被变化提供理论依据，也可为京津风沙源治理工程在该区的生态效益评估提供一定的科学依据，也为二期工程的规划决策提供科学依据，具有重要的科学意义和现实指导意义。
1 研究区概况
晋北沙化区为山西省土地沙化较为严重的地区，行政区范围包括大同市的南郊区、新荣区、浑源县、大同县等，朔州市的平鲁区、右玉县、应县等，忻州市的偏关县、河曲县、五寨县、繁峙县、代县等，共计20个区县(图1)，国土面积约为3.18万km2。全区平均海拔在1 500 m，黄土普遍分布，地势种类繁杂多样。该区是我国黄土高原最为重要的部分，也是山西省资源、矿产等自然资源的集中分布区，人类的活动对该区生态系统的干扰较为剧烈。该区属温带气候，温差较大、干旱且常年多风沙。年平均温度为6.2 ℃，年光照时间为2 300～2 900 h。全年平均降水量为425 mm，首要月份主要聚集在6—9月，年水蒸发量为1 700～2 300 mm，湿度为50%～60%，≥8级的风沙时间年平均在30 d。地区性植被已被重度损坏，地带性植被已被完全破坏，当代地表景观以亚热带半干旱草原与部分半湿润森林草原为中心。大多数现有的植被多以1年生灌木和草类为主[14-16]。
图1 研究区位置
2 数据来源与处理方法
本文所采用的NDVI数据为2000—2012年的中分辨率成像光谱仪(MODIS)逐月1 km NDVI产品数据(MOD13A3)。MODIS数据集由美国宇航局LPDAAC下载，每个时段覆盖研究区的产品包括3个景据(h26v04，h27v04，h26v05)，研究中采用MRT(Modis二次投影工具)对3个景数据进行批量的拼接和裁剪处理。年NDVI平均值由12个月中月INDV≥0.05得到[17-18]。计算公式如下：
(1)
式中：i为月份，INDVi为1—12月的各月NDVI的值。
2.1 植被绿度变化率
本研究采用植被绿度变化率(GRC)方法研究晋北沙化区的植被变化[19]。该方法的定义为某个时间段内年际变化最小次方线性回归代数方程的回归系数，其表达式如下：
(2)
翻模结构为外模采用5mm钢板做面板、布置间距50cm的8号槽钢作为纵横肋操作平台。操作平台由上操作平台和下操作平台组成。上操作平台主要供操作人员进行钢筋的接长、绑扎及堆放一些施工机具使用；下操作平台供穿、拆拉杆用。内模使用组合模板拼装，直径50mm的电焊管为肋，φ20mm的钢筋外套硬塑料管，间距1.2m×1.2m作为对拉杆。内工作平台跟随内模提升，既保证了作业人员的安全，又方便了使用吊车将高墩主筋将每一循环的用量吊入平台上，经测定，每循环可减少1d的作业时间。翻模时须用塔吊协助，具体操作程序如下：
2.2 植被变化率
植被变化率是指某一时间段内植被活动整体趋势的变化。其计算公式如下[20]：
RC=(S×N/m)×100%。
(3)
其中：RC为植被变化率，S为N年NDVI变化的斜率，m为N年的NDVI的平均值，N是所研究NDVI的时间序列长度。该变化率在数值上相当于N年内NDVI的末期值与初期值之差，表示N年内植被活动整体的变化情况。
3 晋北沙化区植被变化时空特征
3.1 植被覆盖的空间分布
2000—2012年晋北沙化区NDVI的年平均值空间分布如图2所示，可反映研究区近13a来植被覆盖的空间分布特征。从图2中可以看出，研究区NDVI的年平均值的空间差异相对较大，晋北沙化区植被覆盖从西北向东南递增。其中，植被覆盖较高的区域主要集中应县、浑源县、代县和繁峙县的部分区域。植被覆盖较低的区域集中在大同市的南郊区和朔州市平鲁区的部分区域。从整体的分布情况来看，研究区年INDV分布范围0.15～0.30，表明晋北沙化区的植被覆盖总体偏低。根据晋北地区的实际情况和参考国际通用办法[21-22]，本文将NDVI分为裸地(INDV≤0.10)；稀疏植被(0.10
图2 研究区植被指标2000—2012年间平均值的空间分布
植被覆盖状况INDV值占总面积百分比/%裸地≤0.100 稀疏植被>0.10～0.150.06较少植被>0.15～0.3069.93适中植被>0.30～0.4527.42茂密植被>0.45～0.603.12很密植被>0.600.04
3.2 晋北沙化区植被覆盖的年际变化
利用GRC方法和年NDVI值，系统分析了2000—2012年晋北沙化区植被活动的年际变化和空间分布(图3和图4)。从图3中可以看出，近13a研究区的NDVI呈显著增加的趋势(R=0.648,P=0.017)，年增加趋势为0.003 25，增加率为14.61%(表2)，表明晋北沙化区近13a的植被总体状况向着改善的方向发展。NDVI的谷值出现在2000年和2001年，在该区没有实施生态工程时，研究区的植被覆盖较低。而峰值出现在2012年，在该区生态工程实施后，研究区的植被活动在明显增加。从图4中可以看出，2000—2012年晋北沙化区植被活动整体呈现增加趋势，但空间差异较大。其中图4中绿色表示植被活动呈增加趋势，红色表示植被活动呈下降趋势。研究区的大部分区域植被活动呈增加趋势，如研究区的西南部，保德县、五寨县等。而植被活动呈现显著下降趋势的区域仅在大同市的南郊区、阳高县的北部和繁峙县南部等小部分地区。统计表明，研究区89.57%的区域植被活动在增强，其中显著增加的区域约占整个研究区的47.03%，而显著下降的区域仅占研究区面积的1.85%(表3)。因此，从时空角度均可看出，晋北沙化区2000—2012年的植被活动在增强，表明研究区的沙化趋势在减弱，也进一步说明京津风沙源治理工程的生态效应正在呈现。
图3 晋北沙化区2000—2012年NDVI年际变化特征
图4 晋北沙化区2000—2012年植被变化趋势的空间分布
季节平均值±标准差年变化趋势变化率/%春季0.198±0.01240.0022814.96夏季0.457±0.04850.0063318.01秋季0.325±0.02270.0051320.52全年0.289±0.01960.0032514.61
3.3 晋北风沙区季节尺度的植被变化
在对晋北沙化区植被活动年际变化特征分析的基础上，本节进一步分析了研究区植被活动的季节变化特征，从而得出不同季节植被活动变化对年尺度植被活动变化的贡献。其中春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的NDVI值为相应3个月份NDVI的平均值。
3.3.1 研究区植被活动的季节变化
晋北风沙区春季、夏季和秋季的INDV的平均值分别为0.198、0.457和0.325(表2)，整个晋北风沙区各个季节植被活动均呈增加的趋势，但是3个季节的增加趋势存在一定的差异(图5)。秋季植被活动的增加趋势最为明显(R=0.879，P<0.001),年增加趋势为0.005 13，增加率为20.52%，其中秋季NDVI较好的年份出现在2010、2012年，NDVI较低的年份出现在2001年和2006年；其次是夏季(R=0.507,P=0.076)，年增加趋势为0.006 33，增加率为18.01%，其中夏季NDVI较好的年份出现在2010年和2012年，NDVI较低的年份出现在2001年；最后是春季，年增加趋势为0.002 28，增加率为14.96%，其中春季NDVI较好的年份出现在2005和2008年，NDVI较低的年份出现在2001年。从上面的分析可知，3个季节NDVI值较低的年份主要集中在生态工程实施的前期，而NDVI较高的年份集中在生态工程实施的后期，进一步表明生态工程的生态效应正在呈现。因此，3个季节植被活动的共同增加是导致研究区年植被活动上升的主要原因，其中秋季贡献最大，增加最为缓慢的季节为春季。
图5 晋北沙化区2000—2012年春季、夏季和秋季的植被变化特征
3.3.2 研究区植被活动季节的空间变化
基于GRC方法进一步分析了晋北风沙区2000—2012年不同季节NDVI的空间变化趋势，从图6中可以明显看出，春季、夏季和秋季晋北沙化区的植被活动均呈增加的趋势。本节进一步统计了不同季节不同等级植被活动变化百分比。从表3中可以看出，秋季植被活动增加最为显著，占整个研究区的92.35%，显著增加的区域为60.97%，显著下降的区域仅为1.12%。保德县、五寨县、偏关县等研究区西南部区域植被活动增加尤为明显，而大同市南郊区的东部、怀仁县北部、繁峙县南部的部分区域植被活动则在下降。其次是夏季，研究区89.48%的区域植被在增加，显著增加的区域为31.25%，显著下降的区域仅为1.22%，与秋季植被活动的空间分布类似，研究区的西南部如神池县、偏关县、保德县植被活动呈增加的趋势，而研究区的中部与东南部等县均有不同程度的植被活动在下降。最后是春季，研究区约89.16%的区域植被活动在增加，其中显著上升的区域为50.56%，显著下降的区域仅为1.07%，其中研究区的西部保德县、偏关县、河曲县整个县的植被活动在增强，而大同市南郊区的东部、怀仁县北部、繁峙县南部的部分区域植被活动在下降。因此，从图3和图5可以看出，3个季节大部分研究区的植被活动增加是导致该区年植被活动增加的主要原因，而春季繁峙县南部植被活动的下降和夏季大同市南郊区和阳高县北部植被活动的下降是导致这些区域植被活动下降的主要原因。
表3 2000—2012年不同季节不同等级植被变化率 %
3.4 晋北沙化区月尺度的植被变化
为了进一步分析不同月份NDVI值对全年NDVI变化的贡献，研究了晋北沙化区2000—2012年每月NDVI的平均值和月NDVI变化趋势(图7)。从图中可以看出，晋北风沙区NDVI最大值出现在8月，最小值则出现在1、12月。从月NDVI变化的趋势中可以看出，晋北风沙区2000—2012每个月植被活动均呈增加的趋势，表明整个研究区的植被活动呈增加的趋势。其中10月植被增加趋势最显著，其次是7月和8月。从图中可以看出，秋季(9—11月)的植被活动增加比较明显，进一步表明秋季植被活动的增加对全年的贡献最大。
图6 研究区2000—2012年春季、夏季和秋季植被变化趋势的空间分布
4 结论与讨论
本文利用2000—2012年的MODISNDVI数据，运用GRC趋势分析方法，系统研究了晋北沙化区13a的年、季节和月植被变化时空特征。结果发现，晋北沙化区的整体植被活动呈改善的趋势，表明在该区实施的生态工程效应正在呈现。从时间上看，2000—2012年研究区的植被活动在增强，年增加率为14.61%。其中植被活动增加最大的季节为秋季，增加率为20.52%，春季植被增加最为缓慢，增加率为14.96%。研究区12个月NDVI变化均呈增加的趋势，其中10月增加最高，其次是7月和8月。从空间上看，研究区大部分区域植被活动呈增加趋势，植被活动减少主要发生在大同市南郊区，繁峙县南部和阳高县北部等部分区域。统计发现，89.57%的区域植被活动在增加，显著增加的区域为47.03%，显著下降的区域仅为1.85%。植被活动增加的区域主要是由春、夏和秋3个季节植被活动共同增加作用的结果，其中秋季贡献最大。晋北沙化区植被覆盖总体上从西北向东南递增，但整体研究区的植被覆盖较低，69.93%的区域为较低植被。本文的研究成果可以加深典型生态工程区植被变化的理论研究，也可为京津风沙源治理工程在该区的生态工程效益评价和二期工程的规划决策提供一定科学依据。
图7 研究区2000—2012年月尺度NDVI平均值和变化趋势
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Vegetation Dynamics in the Desertification Area of Northern Shanxi Province Based on the Remote Sensing Data/
Zhu Shizhong
(Shanxi Forestry Survey and Design Institute, Taiyuan 030012, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-69～74
Vegetation dynamics; Long time-series; Normalized difference vegetation index (NDVI); Desertification area of northern Shanxi Province
1) 国家“十二五”科技重大专项(20121101011)资助。
朱世忠，男，1957年8月生，山西省林业调查规划院，高级工程师。
2014年4月18日。
S718.5
责任编辑：潘 华。
