锡林河流域植被叶面积指数时空变化特征及其对地形因子的响应

段利民, 李 玮, 罗艳云, 刘廷玺, Buren Scharaw, 于长翔

(1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室, 呼和浩特 010018; 3.Application Center for System Technologies, Fraunhofer IOSB, Ilmenau 98693, Germany; 4.通辽市水土保持局, 内蒙古 通辽 028099)

植被是陆地生态系统的关键组成部分，通过光合、呼吸和蒸腾等生物物理过程实现土壤—植被—大气间的物质、能量和动量交换[1]。叶片是植被进行光合、呼吸等作用的主要载体，对其进行定量描述(如LAI)是开展地球系统碳、氮、水循环模拟等研究的关键[2]。LAI通常被定义为单位地表面积上绿叶总面积的一半[3]，用于表征叶片的疏密程度和冠层结构特征[4-5]，是植被生态模型和陆面过程模型中重要的变量和参数[6-11]。遥感是目前获取LAI最有效快捷的方式，其中，光学遥感在空间覆盖和观测频率等方面优势明显，是用于估算长时间序列LAI最常用的数据源[12-13]。植被实际LAI与通过遥感地表反射率所计算的LAI存在很强的正相关性，直接将地表反射率表示为LAI的经验函数，在小区域内可以获得较高精度的LAI[2]。植被指数通过几个波段的比值或经归一化处理，在突出植被信息的同时，可减小冠层阴影、土壤背景、大气污染和角度效应等影响[14]。

就目前而言，研究多集中在植被LAI的反演方法和单一年份LAI的空间分布特征[15-22]，缺少采用长时间跨度的高分辨率遥感影像，对LAI时空变化特征进行定量分析。另外，以往的研究多是从降水和温度方面研究外部环境条件对LAI时空变化的影响[6,21]，将地表形态这一重要环境因子考虑在内的研究还很少见。为提高生态和陆面过程等模型模拟预测结果的可靠性，减小陆地生态系统碳源汇估算的不确定性，十分有必要深入研究LAI的时空特征、变化规律及其影响因素等。

在近几十年，由于气候变化和人类活动的不断加剧，锡林河流域草原“三化”面积占草原总面积的比例高达75%，草原质量下降，生产力降低，严重影响当地牧民的生产生计，严重威胁我国北方城市特别是京津冀地区的生态安全[22]。本文利用Landsat系列30 m分辨率影像，基于ARVI统计模型的LAI反演算法，生成1985—2015年中4期(1987年、1995年、2006年、2015年)代表不同年代的LAI数据集，对近30 a锡林河流域LAI的时空变化特征和规律进行分析，并探究LAI空间分布格局对地形因子的响应。以期为草原型流域生态系统均衡发展以及抵御和减少极端生态恶化等提供科学依据。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

本文研究区为锡林河流域，其位于内蒙古自治区锡林郭勒盟境内，属欧亚大陆大草原地带。流域面积1.08 万km2，地理坐标43°24′—44°39′N，115°25′—117°15′E，海拔900～1 650 m，地势由东南向西北逐渐降低。地貌具有明显的成层性和分带性，南部为三级玄武岩台地，众多小型火山锥散布其间，其他区域低山丘陵和草原相间分布。植被从上游的草甸、羊草草原向下游过渡为大针茅和克氏针茅草原。在气候区划上，属温带半干旱气候，多年平均降水量约300 mm，蒸发量达1 900 mm(φ20 cm口径)，冬季严寒漫长、夏季温和短促。

1.2 数据及处理分析方法

Landsat系列卫星遥感影像，覆盖周期为16 d。利用7月底或8月初的影像可以反演锡林河流域一年中植被最大的LAI，因为此期间是植被生长的旺盛期[23-24]。但该时期降水较多，云雾对遥感影像的影响较大，给数据获取带来一定困难[25]。本论文计划从1985—2015年中每隔10 a选一年作为代表年份，由于1985年、1986年、2005年7月和8月的影像云量过大，无法估算出合理的LAI，因此，分别选择了邻近的1987年、2006年，最终选用1987年、1995年、2006年、2015年4个代表年份7月和8月的Landsat TM和OIL遥感影像。遥感影像从USGS(United States Geological Survey,http:∥glovis.usgs.gov/)数据中心获取，采用ENVI 5.3进行几何校正、辐射校正、影像镶嵌和裁剪等处理。选取2015年遥感影像作为基准，对其他年份遥感影像进行几何校正，总体误差(RMS)小于1像元。辐射校正采用快速大气校正法，得到反射率图像，与地面观测误差相比小于10%[26]。数字高程数据(DEM)采用中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)的空间分辨率为30 m的ASTER GDEM V2，利用ArcGIS 10.4软件刻画出整个锡林河流域及15个子流域，从上游至下游依次编号。

1.2.1 LAI反演方法 基于ARVI的统计模型来反演LAI，输入参数较少，不需要复杂的运算，因此成为利用遥感估算LAI的便捷且模拟效果较好的方法[16,27]。ARVI是NDVI的改进，其使用蓝色波段矫正大气散射的影响。ARVI值的范围是-1+1，一般绿色植被区的范围是0.2～0.8[26-27]。计算公式为：

(1)

式中：ρR，ρB，ρNIR分别为红色、蓝色和近红外波段的反射率。

反演LAI的计算公式如下：

LAI=3.611×ARVI2-1.577×ARVI+0.9783

(2)

该模型是针对内蒙古典型草原构建的定量估算草原LAI的有效模型，经过由叶面积指数仪LAI-2000获取的实测数据检验，适用于锡林河流域[16]。

1.2.2 LAI变化趋势分析方法 LAI变化特征分析采用一元线性回归趋势线模拟，分析每个像元在1987—2015年内的变化趋势，并估计变化幅度，模拟LAI的变化趋势及空间分布规律。变化趋势图反映了在1987—2015年，某像元的LAI趋势线是这个像元用一元线性回归模拟出来总的变化趋势。slope即是这条趋势线的斜率，这个趋势线并不是简单的最后一年与第一年的连线。若slope>0，说明LAI在1987—2015年的变化趋势是增加，反之则是减少。将流域LAI的slope采用几何间隔分类法划分为0.10～0.90，0.05～0.10，0.00～0.05和-0.90～0.00，分别对应明显恢复、中度恢复、轻度恢复和退化4种等级。其计算公式为[6]：

(3)

式中：n为1，2，3，…,n的年序号；xi为第i年的某计算像元的LAI值。

1.2.3 LAI变化矩阵分析方法 在不同时间段内同一区域的不同等级植被LAI的相互转换关系采用转移矩阵进行分析。一般用二维表来表示，从二维表中可以反映出各等级LAI间相互转化的具体情况，例如某等级的LAI有多少转化成了其他等级，某等级的LAI是由哪些等级的LAI转化而来的。根据锡林河流域LAI空间分布范围将其划分为0.78～0.82，0.82～0.86，0.86～0.92，0.92～1.5，1.5～3.0五个等级。采用ArcGIS 软件中面积制表工具分别计算1987—1995年，1995—2006年，2006—2015年三个时期LAI的转移矩阵。

1.2.4 地形因子对LAI的影响分析方法 将4个代表年份5个等级的LAI分别与流域的高程、坡度和坡向分级数据进行空间叠加统计，分析各代表年不同等级LAI随高程、坡度和坡向的空间分布特征。

将高程按100 m高差划分为5个等级(图1A)，分级方式和所占面积比例如下：900～1 000 m(15%)，1 000～1 100 m(22%)，1 100～1 200 m(30%)，1 200～1 300 m(20%)和1 300～1 650 m(13%)。对坡度按照1°间隔并将面积占比较小的等级进行合并后划分出5个等级(图1B)，分级方式和所占面积比例如下：0°～1°(26%)，1°～3°(38%)，3°～5°(17%)，5°～8°(11%)和8°～50°(8%)。将坡向划分为东、南、西、北、东南、西南、西北和东北8个类型(图1C)。针对不同的高程、坡度和坡向等级(类型)，统计各年各等级(类型)LAI所占的面积比例(每一高程、坡度和坡向等级(类型)内各等级LAI面积比例和为1)，分析在不同高程、坡度和坡向条件下，各等级(类型)LAI所占面积的变化趋势。

在此基础上，采用通经分析法，确定不同地形因子(高程、坡度和坡向)对LAI的影响效应。具体方法如下：计算研究区4个代表年份的LAI平均值，即多年平均LAI；提取研究区内各栅格单元的多年平均LAI和地形因子；将多年平均LAI与地形因子进行相关分析，得到多年平均LAI与各地形因子的相关系数，进一步采用通径分析将相关系数分解为直接影响系数和间接影响系数，进而可分析地形因子对LAI空间分布的影响效应。

图1 锡林河流域地形因子空间分布

2 结果与分析

2.1 LAI时空变化特征

近30 a锡林河流域植被LAI总体呈增加趋势，增长速率为0.068/a，多年平均值为1.003(图2)。1987—1995年期间，LAI呈增加趋势，植被生长状态有所提高，增长率为0.012/a。1995—2006年，LAI呈下降趋势，植被退化，下降率为0.005/a。2006—2015年期间，LAI呈增加趋势，植被长势良好，增长率为0.018/a。

选用1987年、1995年、2006年、2015年4个代表年份LAI的平均值来反映锡林河流域近30 a植被覆盖空间分布状况。由附图10可知，LAI呈图斑镶嵌交错分布，自东南向西北呈带状递减。流域上游东南部地区LAI较高，多大于0.92，局部地区大于1.50。在锡林河两侧，特别是锡林河水库地区LAI也大于1.50。大部分地区LAI在0.82～1.50，其中0.82～0.86的面积占总流域面积的28.2%，0.86～0.92的面积占28.8%，0.92～1.50的面积占25.1%。LAI小于0.82的区域主要分布在下游西北部，占总流域面积的6.4%。

由附图11可以看出，锡林河流域植被恢复状况在空间上存在明显的差异，明显恢复区域的面积占流域总面积的23%(表1)，主要集中在东南部；中度恢复区域的面积仅占流域总面积的12%；轻度恢复区域的面积占比较大，为39%，主要集中在流域中下游；退化区域的面积占流域总面积的26%，位于流域的南部。

图2 锡林河流域植被LAI年际变化趋势

植被恢复状况Slope面积百分比/%明显恢复0.10～0.9023中度恢复0.05～0.1012轻度恢复0.00～0.0539退化-0.90～0.0026

2.2 不同LAI等级的动态变化

1987—1995年，锡林河流域44%的区域转向LAI更高的等级，主要表现为1987年LAI为0.78～0.82的区域转为0.82～0.86及0.92～1.5，0.82～0.92转为0.92～1.5，0.86～0.92转为0.92～1.5；39%的区域保持在原等级；仅有18%的区域转向LAI低等级，如0.82～0.86转为0.78～0.82，见表2。

1995—2006年，转向LAI更高等级的区域较少，仅有25%，表现为1995年LAI为0.86～0.92转为0.92～1.5；39%的区域保持在原等级；36%的区域转向LAI低等级，主要是0.82～0.86转为0.78～0.82，0.86～0.92转为0.78～0.86，0.92～1.5转为0.78～0.92，1.5～3.0转为0.92～1.5。

2006—2015年，近50%的区域转向LAI更高的等级，主要表现为2006年LAI为0.78～0.82转为0.82～0.86及0.92～1.5，0.82～0.92转为0.82～1.5，0.86～0.92转为0.92～1.5，0.92～1.5转为1.5～3.0；33%的区域保持在原等级；17%的区域转向LAI低等级，如0.82～0.86转为0.78～0.82。

2.3 地形因子对LAI的影响

2.3.1 高程对LAI的影响 由图3可以看出，各典型年LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面积比例随着海拔的升高而降低。LAI在0.86～0.92所占面积比例则表现为在海拔高度1 100～1 200 m以下，随着海拔的升高而增大，在1 100～1 200 m以上时，规律则相反。LAI在0.92～1.5，1.5～3.0所占面积比例随着海拔的升高而增大。当LAI值大于0.92时，分布面积随海拔的升高而增大，小于0.92时，规律则相反。总体看来，高程对于不同级别LAI的分布影响明显。

2.3.2 坡度对LAI的影响 由图4可以看出，各典型年LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面积比例随着坡度的升高而降低。LAI在0.86～0.92所占面积比例保持稳定，基本不受坡度的影响。当LAI大于0.92时，其所占面积比例随着坡度的升高而逐渐增大。总体看来，坡度对不同级别LAI的分布具有一定的影响。

2.3.3 坡向对LAI的影响 1987年在各坡向上LAI的面积占比呈现出0.78～0.82>0.82～0.86>0.92～1.50>0.86～0.92>1.50～3.0；1995年、2015年，呈现相同的趋势，即：0.92～1.50>0.78～0.82>0.82～0.86>0.86～0.92>1.50～3.0；2006年的规律为0.78～0.82>0.92～1.50>0.82～0.86>0.86～0.92>1.50～3.0。总体而言，LAI等级为0.78～0.82的面积占比都较大，1.50～3.0的面积占比均最小。另外，0.78～0.82，0.82～0.86在东南方向上的面积占比大于其他方向，而0.92～1.50，1.50～3.0在西、西南方向上的面积占比大于其他方向(图5)。

2.3.4 地形因子对LAI的影响效应 将高程、坡度和坡向3个地形因子与多年平均LAI进行相关分析，相关系数依次为：0.498，0.175，0.074，可以看出，高程、坡度与多年平均LAI的相关性最强。在此基础上，进一步利用通径分析方法研究二者对LAI影响的贡献率，由表3可知，高程对多年平均LAI的直接影响效应为0.438，远大于通过坡度的间接影响效应0.060，并且坡度通过高程对LAI的间接影响效应为0.171也大于其通过自身对LAI的直接影响效应0.004。地形因子可以解释多年平均LAI空间变化的75%，其中高程的对LAI的直接影响效应远大于坡度和坡向的影响。

表2 锡林河流域不同等级植被LAI转移矩阵

图3 锡林河流域不同代表年份植被LAI随高程的变化趋势

图4 锡林河流域不同代表年份植被LAI随坡度的变化趋势

图5 锡林河流域不同代表年份植被LAI随坡向的变化趋势

表3 高程、坡度对LAI的影响程度

3 讨论与结论

近30 a来，锡林河流域草原植被经历了1987—1995年向好，1995—2006年退化，2006—2015年变好的阶段性演变过程。尤其是在90年代末期，草地退化严重，生态环境急剧恶化。因此，在2000年之后，锡林河流域实施了“双权一制”、“围封禁牧”等生态环境保护措施。但生态环境问题具有复杂性和长期性的特点，在政策因素的引导初期2006年之前，环境改善不明显，随着各项政策和生态工程的持续有力实施，2006之后牲畜数量得到了有效控制，生态环境得到很好改善[28]。

锡林河流域LAI呈图斑状镶嵌交错分布，自东南向西北呈带状递减。这种空间分布规律主要受海拔、土壤特性、水分和光热等条件影响[29-31]。研究区东南部属大兴安岭低山与中山区域，是锡林河发源地，海拔高、栗钙土层厚，水分、日照充足，植被状况最好。流域中部及锡林浩特市以下的广大地区地表大面出露火山岩、栗钙土层薄，载畜量偏高，加之锡林浩特市以下河道常年没有地表水，这些综合因素导致流域中下游地区植被状况与上游地区相差较大。

地形对锡林河流域植被长势和分布也有重要影响[32-33]。总体而言，LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面积比例随着海拔、坡度的升高而降低，在东南方向上的面积占比大于其他方向；0.92～1.5，1.5～3.0所占面积比例随着海拔、坡度的升高而增大，在西、西南方向上的面积占比大于其他方向。高程对LAI空间分布的直接影响程度最大，坡度的影响程度次之。

研究区植被恢复状况在空间上存在明显的差异，明显恢复的区域主要位于流域东南部，占总流域面积的23%。退化区域的面积高达26%，主要位于锡林浩特市上游锡林河河谷两侧及高阶地区域。退化区域所占比例如此之高，必须引起足够的重视，因为该区域是联合国教科文组织划定的“人与生物圈计划”保护区，具有深刻的生态保护意义和国际影响力[34-35]。但是，目前该区域载畜量仍然偏高，人类活动强度偏大。从2016年开始，锡林河流域自然保护区已逐步开始实施生态移民，严禁任何形式的破坏草原的活动，随着生态保护政策的逐步推进，锡林河流域生态环境将得到明显改善，植被覆盖度也将有所提高。