21世纪初毛乌素沙地NDVI时空变化特征及影响因素

王静璞　张晓凤　宗敏

摘 要：该文利用MODIS归一化植被指数（NDVI）对2000—2012年间毛乌素沙地NDVI的时空变化进行了研究，并分析了NDVI与气候因子之间的关系，结论如下：（1）研究区植被生长呈现单峰型，月平均NDVI最大和最小值分别为8月和1月；（2）月平均NDVI与月平均降水量的相关系数为0.96**，与月平均温度的相关系数为0.85**；（3）2000—2012年，研究区年平均NDVI值显著增加（R=0.85**），增速为0.1/10a，NDVI随降水量的增加而增加（R=0.53*）；（4）受气候因素和人为因素的共同影响，研究区NDVI的空间变化没有明显的规律。

关键词：MODIS NDVI 毛乌素沙地 时空变化 气候因子 相关性分析

中图分类号：X321.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0160-03

植被是大自然的“指示器”[1]，调节着全球的气候和环境，影响着经济社会的可持续发展。植被变化近年来被广泛关注，特别是随着遥感技术的发展，长时间序列的植被指数在陆地生态系统的研究中得到广泛应用。植被指数是描述植被数量、质量、植被长势和生物量等指标的重要指示参数[2-4]。

毛乌素沙地位于我国北方农牧交错的中间地带，是我国重要的生态屏障，其生态环境具有敏感性和脆弱性的特征[5-7]。对2000年以来毛乌素沙地植被生长状况的时空变化特征的研究，对于客观准确的评价21世纪以来我国毛乌素沙地沙漠化治理效果，并根据沙漠化发展情况及时采取有效控制措施具有重要意义。

该文以空间分辨率250 m、时间分辨率16day的MODIS NDVI数据为数据源，研究毛乌素沙地2000—2012年NDVI的时空变化特征及其与气温、降水的响应关系。

1 研究区概况

毛乌素沙地位于鄂尔多斯高原向陕北黄土高原的过渡地区，地理坐标为北纬36°49′～40°11′，东经106°20′～111°。沙地年平均气温6 ℃～8.5 ℃，年平均降水量由东南部的440 mm，向西递减至250 mm，全区最大降水量集中在7～9月，相较我国西北地区其他沙漠降水较多；地表水和地下水也较丰富，地表径流量达14亿m3；全年蒸发量1800～2 500 mm，是降水量的4～10倍[8]。

2 数据与研究方法

2.1 基础数据

毛乌素沙地鄂托克旗、伊金霍洛旗、盐池县、定边县、横山县、榆林县、靖边县和神木县8个气象站，2000—2012年逐日温度、降水量数据来自中国气象科学数据共享服务网。

该文使用美国航空航天局提供的MODIS数据集，时间分辨率16 d，空间分辨率250 m。对获取的2000—2012年研究区植被指数产品用MRT软件进行投影变换、格式转化，提取其中的NDVI图层，得到研究区2013年NDVI时间序列数据。该MODIS NDVI数据集己经过了辐射校正、几何校正、大气校正等一系列校正，这些校正处理可以有效地消除噪音，去除云、其它大气气溶胶和冰雪等影响[9-10]。

2.2 数据处理与研究方法

利用最大值合成法，把一年中分辨率16d的23期NDVI影像合成为1年12期的月NDVI影像，进一步统计出NDVI多年各月平均值、各年平均值来分析研究区植被NDVI的时空变化，并在Excel表格中制成NDVI年内、年际变化曲线图和趋势图，进而分析植被指数的时间变化特征。为了分析毛乌素沙地NDVI的空间变化情况，在ENVI软件中利用掩膜方法，去除掉研究区以外的无用区域，并赋值为0。利用Band Math，计算不同期影像NDVI值的变化。

3 结果分析

3.1 NDVI年内变化及对气候因子的响应

用均值法计算出毛乌素沙地2000—2012年各月的NDVI平均值，由此得到月平均NDVI值的年内变化特征曲线（图1）。毛乌素沙地NDVI的年内变化有很强的季节性，植被生长呈现单峰型。NDVI最大值出现在8月，为0.31；1月达到最低值0.12。12月到次年3月NDVI基本无变化，是由于冬季（12月至次年2月），研究区植被生长处于停滞状态；3月温度增加，降水量增多，植被开始返青，NDVI值小幅上涨；4月，温度稳步回升，降水急剧增加，植被进入快速生长阶段，NDVI增加迅速，8月达到最大；9～11月研究区植被进入黄枯期，NDVI快速下降。相对于春、夏季NDVI增加的速度，秋季NDVI下降速度较快，这是因为秋季降水量急剧减少，广泛生长在沙地的旱生植物受水分影响大，一旦水分不足，即处于休眠或假死状态，且秋季大风次数增加，沙地用于治沙固沙防沙的人工植被沙柳、小叶杨等，都属于落叶植物，强劲的风力加速了植被的落叶，使得秋季NDVI快速下降。2000～2012年，研究区月平均NDVI与月平均降水量的相关系数为0.96**（P=0.00），与月平均温度的相关系数为0.85**（P=0.00），说明毛乌素沙地NDVI年内变化与气候因子具有良好的相关性。

3.2 NDVI年际变化及对气候因子的响应

采用NDVI均值法计算2000—2012年毛乌素沙地每年的NDVI平均值（图2）。2000—2012年，研究区年平均NDVI值极显著增加（P=0.00），从0.26增加到0.40，增速为0.1/10a，表明自2000年以来，研究区在水土保持生态工程、退耕还林工程、天然林保护工程、“三北”防护林工程、防沙治沙工程、生态建设重点县[10]等一大批国家重点项目建设的支持下，人工固沙防沙措施开展并保持良好，植被覆盖面积增加，生态环境明显改善，沙漠化治理效果显著。这些地区气候条件较好，植被覆盖情况越来越好。2000—2012年，研究区平均温度明显降低，年均降水量呈自然地年际波动，有微弱的增加趋势。

为了进一步明确研究区NDVI与气候因子的关系，利用年均NDVI、温度和降水量数据，对这三者的相关性做了分析。结果表明，毛乌素沙地年均NDVI和年平均降水量的相关系数为0.53*（P=0.03），随着降水量的增加，NDVI值明显升高，植被覆盖增加；年均NDVI和年平均温度没有显著的相关性。这是由于沙漠地区气候干燥、降水稀少、温度较高、日照强烈，在沙漠中生长的旱生植物、沙生植物对水分都非常敏感，降水量的增加促进了沙地植被的生长。

3.3 NDVI空间变化

2000—2012年，毛乌素沙地NDVI的空间变化没有明显的规律。研究区植被复杂，主要有3类：一是在流动、半流动沙丘分布处生长的自然植被；二是被用于固沙治沙的人工植被；三是农田。研究区鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗广泛分布着流动沙丘、半流动沙丘，受风力影响，沙丘移动较快，速度为3.5～9.5 m/a，沙丘的快速移动会对自然植被造成掩埋，而且这些植物对水分非常敏感，生长情况易受气候因素的影响，变化性强、不稳定；研究区定边县、靖边县、横山县、榆林县和神木县开展了持续的固沙造林运动，大量适合在沙地生长的植物，被用于“前挡后拉”等固沙措施，以固定沙丘、改良沙地生态环境。由此可见，毛乌素沙地的植被不仅受到气候因素的影响，还受到大量的人为因素的影响，所以植被的空间变化没有明显的规律。

4 结语

2000—2012年，毛乌素沙地NDVI的年内变化有很强的季节性，植被生长呈现单峰型。NDVI最大值出现在8月，为0.31；1月达到最低值0.12；NDVI年内变化与气候因子具有良好的相关性，月平均NDVI与月平均降水量的相关系数为0.96**（P=0.00），与月平均温度的相关系数为0.85**（P=0.00）。

2000—2012年，毛乌素沙地年平均NDVI显著增加，增速为0.1/10a，植被覆盖增加主要受降水量的影响，随着降水量的增加，NDVI值明显升高。由于研究区植被类型复杂，包括自然植被、人工植被和农田等，不仅受到气候因素的影响，还受到大量人为因素的影响，所以NDVI的空间变化没有明显的规律。

参考文献

[1] 孙红雨，王长耀，牛铮，等.中国地表植被覆盖变化及其与气候因子关系-基于NOAA时间序列数据分析[J].遥感学报，1998，2（3）：204-210.

[2] 陈述彭，童庆禧，郭华东.遥感信息机理[M].北京：科学出版社，1998：78.

[3] 刘宪锋，任志远.西北地区植被覆盖变化及其与气候因子的关系[J].中国农业科学，2012，45（10）：1954-1963.

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[6] 刘广峰，吴波，范文义，等.基于像元二分模型的沙漠化地区植被覆盖度提取-以毛乌素沙地为例[J].水土保持研究，2007，14（2）：268-271.

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[10] 王仁德，吴晓旭.毛乌素沙地治理的新模式[J].水土保持研究，2009，16（5）：176-180.