基于GIMMS NDVI的黄土高原地区荒漠化时空特征分析

木热提江·阿不拉， 张晓萍†， 陈利利， 蔺鹏飞， 孙艳萍

(1.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌；2.中科院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌；3.中国地震局兰州地震研究所，730000，兰州)

基于GIMMS NDVI的黄土高原地区荒漠化时空特征分析

木热提江·阿不拉1,2， 张晓萍1,2†， 陈利利1,2， 蔺鹏飞1,2， 孙艳萍3

(1.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌；2.中科院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌；3.中国地震局兰州地震研究所，730000，兰州)

气候暖干化发展趋势使干旱半干旱地区生态环境受到荒漠化发展的胁迫，植被覆盖度能有效地表达研究区植被分布状况及荒漠化程度。利用遥感技术手段监测区域植被覆盖和荒漠化发展趋势是非常有效的途径。为了给黄土高原地区生态环境建设和荒漠化治理提供科技信息，利用1986—2006年的GIMMS AVHRR NDVI数据，采用像元二分法估算植被覆盖度；借鉴水蚀风蚀研究成果确定植被覆盖度和荒漠化关系并进行分级，对黄土高原地区荒漠化程度及时空变化进行分析。结果表明：1)黄土高原约64%的地区为植被覆盖度为10%～50%的中度和重度荒漠化区；约1/3的地区为植被覆盖度在50%以上的轻度和非荒漠化区；约3%的地区为植被覆盖度<10%的强烈荒漠化区。2)1986—2006年间，黄土高原地区整体上荒漠化程度表现为降低趋势，期间，中度和重度荒漠化面积显著减少，非荒漠化面积明显增加，而强烈荒漠化面积扩大。荒漠化程度的时间变化具有10年尺度特征。3)中度和重度荒漠化的区域具有转化频繁和连片性特征，轻度和非荒漠化区域空间转化零散破碎，强烈荒漠化扩大区域主要在宁夏甘肃的沿黄两岸。

荒漠化； 时空分布特征； 植被覆盖度； 黄土高原

荒漠化是气候变异和人类活动等多种因素影响下，干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地生产力下降、土地资源丧失、地表出现类似荒漠景观的土地退化过程[1-3]。暖干化的气候背景有利于荒漠化的发生与发展，人口的激增和对自然资源利用的不当是导致土地荒漠化最活跃和最主要的因素[4-5]。我国是世界上受荒漠化危害最严重的国家之一[5]。荒漠化破坏土地资源，降低土地生产力，破坏生态环境，威胁人类生存，还破坏交通、水利等生产基础设施，造成生态难民，形成社会不稳定因素[2-3]。作为全球重大环境问题之一，荒漠化研究受到社会和科学界的广泛关注。

遥感技术以其准确性和实时性以及覆盖区域的广泛性和完整性，在荒漠化监测中被广泛采用，在过去的40年中，已逐渐成为土地荒漠化监测的重要数据来源和技术手段[6]。国外利用卫星遥感信息进行荒漠化监测研究始于20世纪70年代。80年代初，国内学者开始利用遥感技术进行土地荒漠化的调查并对其开展评价工作[7]。随着遥感技术的快速发展，各种遥感产品，尤其美国NASA为全球共享的NOAA/AVHRR等具有长时间序列的影像数据，为及时、准确地掌握区域土地荒漠化的发生、发展以及防止和治理土地荒漠化，提供了可靠信息。

近20年来，围绕着荒漠化问题，开展了荒漠化形成机理[2-3]、发展过程[8-9]、评价监测[10-12]等大量研究，取得了很多的研究成果。土地荒漠化发生的物理过程，实质是在水蚀风蚀作用下使土壤发生物质流失，或沙漠化、盐碱化的过程，导致土壤的理化和生物性质退化，植被生产力降低[13-14]。土地生产力可以用植被盖度来表达，因而植被指数，或基于植被指数的增强型指标所反映的土地退化成为荒漠化监测的重要指标。如杜子涛等[15]利用MODIS NDVI对科尔沁沙地荒漠化进行监测和评价，刘爱霞等[7]用MODIS和NOAA/AVHRR对中国的荒漠化进行了评价和分析，认为1995—2001年间，中国荒漠化的发展表现为整体扩展，局部改善的态势。

黄土高原地区为典型干旱半干旱地区，人口稠密，农耕历史悠久，水蚀风蚀强烈，生态环境脆弱[16]。近50年来的研究表明，降水量表现出总体下降趋势和东南减少西北增加的跷跷板式空间格局[17]，气温呈明显增加趋势[18]，河川径流量显著减少[19]。虽然退耕还林(草)工程实施以来，植被有所改善，但区域差异显著[18]。同时黄土高原地区矿藏资源丰富，为我国重要的能源化工基地。资源无序开发，破坏地表生态，阻断地下水和地表水的水文链接，使生态环境有恶化趋势。气候变化和人类活动双重影响下，其荒漠化演变方向和程度成为该地区生态环境变化研究的重要内容。许多学者从植被恢复和变化角度研究了黄土高原的生态现状，而从荒漠化及其发展角度开展研究较少。笔者从侵蚀发生原理建立植被覆盖与水蚀风蚀的关系，由此判断荒漠化程度，并进行分级，探讨黄土高原荒漠化程度及趋势，对该区荒漠化防治及对策制订具有重要意义。

1 研究区概况

黄土高原地区位于E 100°54′～114°33′，N 33°43′～41°16′，秦岭山脉以北，阴山以南，太行山脉以西，青藏高原东缘以东，总面积约62万km2，如图1所示。它属温带半湿润气候区向温带干旱气候区的过渡带，年降水量300～650 mm，干湿分明，冬春多大风，冬干春旱比较明显。

图1 黄土高原范围及地理位置Fig.1 Geographical location and territory of the Loess Plateau

黄土高原地形破碎、沟壑纵横，主要地貌类型有丘陵、高塬、阶地、平原、沙漠和土石山地等。东南部主要为黄土丘陵沟壑区，西北部主要为风沙区。除石质山岭和沙漠以外，地面大部分为黄土覆盖，土层厚度一般100～200 m。受气候过渡性特征影响，自东南向西北分布着森林带—森林草原带—草原带—荒漠草原和荒漠带[20]。相应地，由东南向西北依次分布着褐土、黑垆土、栗钙土、灰钙土和灰漠土。该区地处半湿润向干旱荒漠过渡的地带，水资源先天不足且时空分布不均[21]。除具有北方河流水资源地区分布不均，年际、年内变化大的特点外，更兼有水少、沙多、水沙异源及连续枯水段长等突出特征[22]。水土流失严重，水力、风力、重力侵蚀以及风水复合侵蚀并存，土地质量退化，出现大量荒漠化景观[23]。

2 数据选取及预处理

作为陆地生态系统的主体，植被是影响水、碳等物质循环及能量平衡的生命体，同时又受到气候、水文等因素的制约；因此植被活度是研究环境变化的敏感性指标[24]。自1981年以来，NOAA系列卫星的归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)产品一直延续至今，具有近30年的时间序列，为区域植被变化监测及量化研究提供了良好的数据基础。本文使用的植被指数资料是美国国家航天航空局(NASA)的GIMMS(Global Inventory Modeling and Mapping Studies)归一化植被指数，来自NOAA系列卫星的Advanced Very High Resolution Radiometers(AVHRR)的15天最大化合成数据。数据下载于中国西部环境与生态科学数据中心，格式为ENVI标准格式，投影为ALBERS，空间分辨率为8 km，时间分辨率是15 d，时间跨度为1981年7月—2006年12月。

利用ENVI、ArcGIS等软件，应用NDVI最大化合成法和均值法，得到月NDVI，季节NDVI和年均NDVI数据。本文利用1986、1991、1996、2001、2006年5个不同时期的NDVI数据，利用像元分解法估算研究区的植被覆盖度，获取荒漠化度指数，从而分析植被覆盖和荒漠化的时空发展特征。采用ArcGIS软件中的空间分析功能，逐像元进行分析，在研究区域内进行分析要素统计，获取多年平均值以及时间上的变化趋势等特征。

3 荒漠化评价指标选取

从遥感NDVI数据，获取植被覆盖信息。基于水蚀风蚀等的研究案例，建立侵蚀强度和形态等特征与植被覆盖的关系，确定荒漠化程度(desertification degree，DD)，从而进行分级以及评价。

3.1 植被覆盖度与像元二分模型

植被覆盖度是衡量地表植被状况的重要指标。根据遥感数据估算植被覆盖度的方法有很多，常用的有植被指数法，回归模型法及像元分解法等，植被指数法更具有普遍意义。通过植被指数计算出与其相应的植被覆盖度指数(vegetation cover index,IVC)，所使用的模型算法为像元二分模型[25]。

基于像元二分原理，由归一化植被指数估算植被覆盖度的公式为

IVC=(INDV-INDV,soil)/(INDV,veg-INDV,soil)。

(1)

式中：IVC为植被覆盖度指数；INDV为所求像元的归一化植被指数；INDV,veg为纯植被像元的归一化植被指数，INDV,soil为无植被像元的归一化植被指数，分别为归一化植被指数的最大值和最小值。INDV,soil理论上接近零，但受大气和地表湿度条件的影响，INDV,soil会随着时间而变化。此外，由于地表湿度、粗糙度、土壤类型、土壤颜色等条件，INDV,soil也会随着空间而变化。INDV,veg理论上为1，但受植被类型等因素的影响，INDV,veg也会随着时间和空间而改变。本文对其取值时，取给定置信度区间的最大值与最小值，分别选择累积比例0.5%和99.5%为置信区间，累积比例<0.5%时的归一化植被指数，为近似纯土壤覆盖，>99.5% 的为全植被覆盖，并取对应的归一化植被指数代替。如表1所示。

表1 植被覆盖度模型中INDV,veg和INDV,soil值

注：INDV,veg为最大归一化植被指数；INDV,soil为最小归一化植被指数。Note:INDV,vegrefers to the maximum value of normalized difference vegetation index,INDV,soilrefers to the minimum value of normalized difference vegetation index.

3.2 荒漠化程度确定

许多学者认为地表的水蚀风蚀程度与植被覆盖度有良好的对应关系。如丁国栋[26]认为，相应于沙丘的流动、半流动、半固定和固定特征，植被盖度阈值为<10%、10%～40%、40%～50%和>50%。刘艳等[27]和李金桐等[28]将中国北方荒漠化分布类型和分级指标，划分为4个级别，即重度荒漠化、中度荒漠化、轻度荒漠化和非荒漠化，认为4种程度的荒漠化对应的植被覆盖度阈值分别为<10%、10%～20%、20%～50%和>50%。水力侵蚀研究中，一般认为植被覆盖度<30%时，侵蚀模数急剧增加，即控制侵蚀作用不大[29]。候喜禄等[30]和张光辉等[31]认为60%～70%为有效控制侵蚀的植被覆盖度。李斌等[32]研究认为：黄土高原植被覆盖度>70%的地区，植被较好，土壤侵蚀相对轻微；植被覆盖度介于10%～70%之间的地区植被覆盖度较差，土壤侵蚀相对强烈；而植被覆盖度<10%的地区，丧失天然植被，土壤侵蚀剧烈。水利部2008年颁布的SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[33]中，也基于植被覆盖度，确定了水蚀与风蚀的强度级别。本文综合上述风蚀和水蚀研究结果和标准，针对黄土高原地区水力侵蚀强烈，风蚀严重等特点，确定植被覆盖度和荒漠化程度间的相应关系(表2)，进行黄土高原地区荒漠化研究。

荒漠化程度和植被覆盖度为非线性的负相关关系。依据植被覆盖度，荒漠化程度基本分成5个级别，即强烈、重度、中度、轻度和非荒漠化，其生态指示意义如表2所示。

4 结果与分析

4.1 黄土高原植被覆盖特征

多年平均状态下，黄土高原地区植被覆盖度空间分布(图2)表明，黄土高原地区植被覆盖度空间分布总体特征是从西南向东北逐渐递减趋势，与该区降水量从东南向西北递减的空间分布趋势十分吻合。

植被覆盖度<10%和10%～30%之间的区域，面积分别为2.01万和22.34万km2，占黄土高原地区总面积比例分别为3.21%和35.64%，主要分布在宁夏、甘肃黄河沿岸，以及广袤的毛乌素沙地，和宁夏与甘肃交界的广大荒漠和荒漠草原分布区域。植被覆盖30%～50%之间的区域面积为17.49万km2，比例为27.90%，主要分布在子午岭、六盘山以北和毛乌沙地以南，以及山西高原北部的草原和森林草原区。植被覆盖在50%～70%之间和>70%的区域面积分别为14.33和6.51 km2，比例分别为22.86%和10.38%，主要分布在黄土高原地区南部子午岭、六盘山、秦岭、吕梁和太行山等山脉及渭河盆地和汾河盆地南部区域。

基于逐年的植被盖度均值，可以获取黄土高原地区植被盖度的时间变化趋势。黄土高原地区植被盖度整体上呈稳定态势下的增加趋势，平均每5年植被覆盖度增加0.38%，与孙艳萍等[16]和郭敏杰[18]的研究结果一致。植被覆盖度的增加表明了黄土高原地区荒漠化程度总体上表现为降低态势。

表2 黄土高原地区荒漠化程度与植被覆盖度相应关系

图2 黄土高原地区21年来平均植被覆盖分布特征Fig.2 Distribution of mean average vegetation cover index over 21 years on the Loess Plateau

4.2 黄土高原地区荒漠化程度时间变化趋势

各时期荒漠化面积及级别的数量特征见表3，分析其变化趋势，可以看出，多年平均状态下，中度、重度和强烈荒漠化面积共41.84万km2，约占黄土高原地区总面积的66.75%，表明黄土高原的广大地区生态环境比较恶劣，系统比较脆弱。其中强烈荒漠化面积为2.01万km2，约为黄土高原总面积的3%。黄土高原地区轻度和非荒漠化面积共20.84万km2，约占总面积的1/3。

对比5个时期的荒漠化等级数量特征可知，1986—2006年间，植被盖度在10%～30%的轻度荒漠化面积时间序列上相对稳定，平均变率为每5年大约仅增加0.1%。植被盖度在70%以上的非荒漠化级别则呈明显增加趋势(P<0.1)，平均变率为每5年增加0.45%。而植被盖度在10%～30%和30%～50%的重度和中度荒漠化面积均呈波动中显著减少趋势(P<0.1)，平均变率分别为每5年减少0.30%和1.50%。而植被盖度<10%的强烈荒漠化面积则为显著增加趋势(P<0.05)，平均变率为每5年增加0.95%。总体上看，虽然强烈荒漠化面积有扩大趋势，但由于中度和重度荒漠化面积的较大幅度缩小，以及轻度和非荒漠化面积的扩大，黄土高原地区表现出荒漠化程度降低态势。

表3 黄土高原地区研究时期不同荒漠化程度数量对比

各荒漠化级别在时期内的波动，具有10年尺度的变化特征，且大致表现出数量上的互补。如中度荒漠化面积分别在1986年、1996年和2006年为低值期，1991年和2001年呈高值期，而重度荒漠化面积则分别在相应时期表现为相反的波动特征，分别在1986年、1996年和2006年表现为高值期，而1991年和2001年为低值期。中度和重度荒漠化面积，在均表现为下降态势条件下，不同时期间基本形成此消彼长的数量互补特征。

4.3 黄土高原地区荒漠化趋势空间分布特征

1986年以来5个时期黄土高原地区荒漠化级别的空间分布及转化如表4所示，可以发现，各级别荒漠化程度的空间分布符合由东南向西北递变的趋势特征，5年尺度上荒漠化程度的空间分布演变差异较大。

植被覆盖高，侵蚀在容许范围内的非荒漠化区域，主要以黄土高原南部的秦岭山脉，子午岭、黄龙山林区，太行、吕梁山脉等为中心的区域。由表4可以清晰地看出，非荒漠化面积在1986—1991年期间，以减少为主，而1996—2006年期间以增加为主，增加区域主要由渭河盆地西部的植被变化引起。

轻度荒漠化区域主要以青海达坂山、渭河盆地、六盘山、子午岭、太行和吕梁山外缘区域为主，植被较好，侵蚀轻微。研究期间增减幅度较小，比较零散，没有大面积转化现象。符合时间序列上微弱增加趋势的特征。

中度荒漠化区域主要分布在毛乌素沙地以南，子午岭、六盘山林区以北，山西汾河两岸和北部，河套平原等地。研究期间增加和减少波动变化的范围，主要以北缘与重度荒漠化接界处为主，且面积较大，成片分布，与其显著减少的时间变化趋势特征相吻合。

重度荒漠化区域主要分布区域以毛乌素沙地、宁夏自治区中南部、甘肃沿黄河两岸为主。重度荒漠化面积在时期间的波动，以与中度荒漠化区域的交界处最为频繁，且面积广泛，成片特征显著。其波动趋势体现出：1991年、2001年重度荒漠化分布范围南缘增加，1996年和2006年在同一分布区域减少的特征。

强烈荒漠化区域主要分布在黄河河套地区的库布齐沙漠腹地，以流动沙丘为主，植被覆盖很低。1986—2001年间，强烈荒漠化级别面积的波动中增加，主要以库布齐沙漠外围和宁夏境内沿黄河两岸区域为主。2001—2006年，可以看到在宁夏-甘肃境内的沿黄河两岸，植被覆盖度显著降低，强烈荒漠化级别面积显著增加，占黄土高原地区面积比例，从2001年的3.63%，增加到2006年的5.72%，如表3所示。

表4 黄土高原地区不同荒漠化级别转化特征

Tab.4 Variation between different desertification degrees among study periods on the Loss Plateau

注：深红色为属性维持，黄色表示转为其他级别，绿色表示其他级别转入。Note：Dark red color represents non-variation, yellow is to turn to other degrees, green is to turn from other degrees; Degrees in the first column include non-desertification, slight desertification, moderate desertification, severe desertification, and extreme desertification, respectively.

黄土高原地区植被的变化，基本可以归因为气候变化及人类活动2方面[2-4]。全球气候变化背景下，黄土高原区域的降水量总体上呈减少趋势，但空间差异显著，具有东南部大面积的区域减少，而西北部小范围地域增加的特征[17]。为了治理严重的土壤侵蚀，从20世纪70年代起，黄土高原地区开展了大规模的水土流失治理活动，尤其1999年后，在西部大开发战略中实施了退耕还林(草)措施，局部区市县，如东胜地区的绿化，吴起的退耕等，表现得更加彻底和突出[16]。 对黄土高原地区植被覆盖度变化进行气候变化和人类活动要素贡献率的区分，可知，在全球气候变化背景下，人类活动的影响达到20%之多[18]。

黄土高原地区降水量的时空分布，以及人类活动对植被覆盖度的影响方向，基本可以解释文章中轻度荒漠化波动中增加，而中度和重度荒漠化面积波动中呈减少趋势的结论，而强烈荒漠化范围波动中呈增加趋势，可能也由人类活动的负效应引起。

5 结论

1)过去21年中，黄土高原地区荒漠化程度总体为降低态势。黄土高原地区大部分地区属植被覆盖度在10%～50%的中度和重度荒漠化区，占黄土高原土地面积的63.54%。植被覆盖度<10%的强烈荒漠化区域，约占3%。植被覆盖度在50%以上的轻度和非荒漠化区域，约占黄土高原的1/3。

2)21年中，中度和重度荒漠化面积呈显著减少趋势，同时，非荒漠化面积和强烈荒漠化面积均表现为显著增加趋势。各荒漠化级别时期内的波动具有10年尺度特征。

3)中度和重度荒漠化区域在空间上的转换比较频繁且具有连片性特征，数量上互补效应显著。轻度和非荒漠化区域的空间转化比较零散破碎。强烈荒漠化区域在宁夏、甘肃沿黄两岸的有显著蔓延趋势。

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(责任编辑：程 云)

Spatial-temporal distribution of desertification on the Loess Plateau using the GIMMS NDVI data

Murat Abla1, 2, Zhang Xiaoping1,2, Chen Lili1,2, Lin Pengfei1,2, Sun Yanping3

(1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China; 2.Institute of Soil and Water Conservation, CAS& MWR, 712100, Yangling, Shaanxi, China; 3.Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, 730000, Lanzhou, China)

Under global warming, desertification has brought threats to the ecological environment of arid and semi-arid regions like the Loess Plateau. It is helpful to understand the spatial-temporal trend of desertification for ecological environment projects and desertification management in these regions. The vegetation cover and its spatial distribution can reflect the degree of desertification effectively. It is an efficient way using the remote sensing techniques to observe the trend of vegetation cover and subsequently the development of desertification. The data of GIMMS AVHRR NDVI from 1986 to 2006 on the Loess Plateau were used, and the vegetation cover index was then calculated based on the principle of the dimidiate pixel model. The correlation between degree of desertification and vegetation cover was determined based on researches of wind and water erosion in the study area. The results showed that about 64% of the plateau presented moderate and severe degrees of desertification with 10%-50% vegetation cover. A third of total plateau belonged to the slight and non-desertification degrees with vegetation cover greater than 50%, and only 3% areas were subjected to extreme desertification with vegetation cover less than 10%. From 1986 to 2006, desertification generally showed a decreasing trend on the Loess Plateau. The areas with moderate and severe degrees of desertification decreased significantly, while the areas without desertification had an apparent increase. However, the area with extreme degree of desertification expanded. The degree of desertification showed a changing rule with a decadal interval. The moderately and severely desertified areas shifted reciprocally and frequently. The areas transferred between slight and non-desertification degrees were sparsely scattered. The extremely desertified areas appeared mainly along the Yellow River of Ningxia and Gansu provinces.

desertification； temporal and spatial distribution; vegetation cover index； Loess Plateau

2014-07-17

2015-03-17

项目名称： 中国科学院知识创新项目“晋陕蒙能源基地受损生态系统恢复重建关键技术与示范”(KZCX2- XB3- 13)；中国科学院重点部署项目“近百年黄土高原侵蚀环境与水沙变化”(KZZD- EW- 04- 03- 03)；国家自然科学基金“典型中尺度流域水沙行为对土地利用/覆被变化响应规律”(41440012)；国家自然科学基金重点项目“气候变化背景下黄土高原土地利用影响径流的空间尺度效应”(41230852)和“典型流域水沙动态过程及对退耕还林(草)响应机理” (41101265)

木热提江·阿不拉(1987—)，男，硕士研究生。主要研究方向：资源环境监测与评价。E-mail: murat@nwsuaf.edu.com

†通信作者简介： 张晓萍(1971—)，女，博士，研究员。主要研究方向：区域水土流失规律及水土保持。E-mail: zhangxp@ms.iswc.ac.cn.

S157

A

1672-3007(2015)03-0024-08