基于Landsat影像稀疏植被斑块格局对降水响应
2019-12-11王新军常梦迪闫立男徐晓龙
李 娜， 王新军，常梦迪 ，闫立男， 徐晓龙
(新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052)
0 引 言
【研究意义】降水变化是自然条件下导致干旱区陆地景观变化的重要因素之一。由于降水在时间尺度上有波动性、短暂性和在特定区形成径流具有富集性等因素，干旱区降水量对稀疏植被格局影响较明显，所以降水成为干旱区生态系统各层次生物过程的最主要驱动因子[1-2]。随着遥感技术的不断发展，可以根据多时相、多波段的遥感信息有效、准确的提取地表植被的覆盖状况，这为研究植被的分布及变化等提供了很强的技术手段。绿色植被在遥感影像上，主要是通过植被的冠层和叶子不同的光谱特征来反映的。【前人研究进展】植被覆盖度是表征地表植被生长状况的一个重要参数，也是描述生态系统特征的基础数据[3]。随着遥感技术的发展，利用遥感技术估算植被覆盖度，为大范围地区的植被覆盖度监测提供可能，目前已成为地表植被覆盖变化监测的主要手段。近几年来，国内外在植被遥感监测方面开展了大量的研究，陈晓光等[4]利用NOAA卫星AVHRR数据估算了宁夏近20a来植被覆盖度及其与气温降水的关系。王兮之等[5]则根据MODIS数据分析了青海湟水流域植被覆盖度的时空变化。植被斑块格局是干旱区生态和水文过程相互作用的结果，也是干旱区一种很常见的、相对比较稳定的植被存在形式[6-7]。斑块状植被广泛分布在干旱区。在我国北部广阔的沙漠边缘，尤其是在荒漠与绿洲过渡带，还有一些在沙漠腹地高大沙丘的沙坡上、沙丘间的低处，都存在着许多斑块状、条带状的天然植被，这些植被的生长发育主要是靠大气降水或局部地下渗透水来维持生长[8-10]。【本研究切入点】研究以降水量对稀疏植被斑块格局的影响。【拟解决的关键问题】研究古尔班通古特沙漠南缘稀疏植被盖度及斑块格局的变化，主要分析了不同降水量与稀疏植被斑块格局指数、植被盖度的关系，为该研究区区域生态建设与保护提供理论依据和数据参考。
1 材料与方法
1.1 材 料
古尔班通古特沙漠位于新疆准噶尔盆地的中央，44°15′～46°5N，84°50′～91°20E，在玛纳斯河以东及乌伦古河以南，是中国的第二大沙漠。同时也是中国面积最大的固定、半固定沙漠。研究以古尔班通古特沙漠南缘部分区域为研究区，面积大约有5 955.481 km2。该区域地势呈东北高，西南低，海拔在400～700 m。沙丘形态多种多样，主要是南北走向的沙丘和一些新月型沙丘链，沙丘高度在10～50 m。常年受到西风带的控制，冬季受到蒙古-西伯利亚高压带的影响[11-12]，该区域属于温带干旱荒漠气候，年均气温5～5.7℃，年蒸发量2 000～2 800 mm，年降水量为80～220 mm。沙漠内部大部分为固定和半固定沙丘，固定沙丘上植被覆盖度大约30%～50%，半固定沙丘大约达15%～25%[13-14]。沙漠里的植物种类较为丰富，大约有上百种。图1
图1 研究区位置示意
Fig.1 Diagram of the study area
研究依据1990～2015年年降水量选择典型4个年份，1990年9月7日的Landsat TM 影像；2001年8月4日的Landsat TM影像；2010年8月13日Landsat TM 影像，以及2015年9月12日Landsat OLI影像，轨道号均为142/029，分辨率均为30 m的遥感数据为研究数据。数据来源于美国地质调查局(http://glovis.usgs.gov/)。年降水量分别是：1990年为184.4 mm、2001年为129.5 mm、2010年为221.4 mm和2015年为180.2 mm。数据来源于中国气象数据网(http://www.nmic.cn/)。研究区的遥感数据下载7～9月的遥感影像最为合适，7～9月降水较为集中，植被生长较好。影像获取时也需要控制云量，云量控制在10%左右，有利于对沙地植被信息的准确提取。
采用ENVI5.3软件对遥感数据进行预处理，消除遥感影像在辐射亮度造成的失真和大气散射引起的辐射误差[15]。数据预处理的几何精度应该控制在0.5个像元之内，保证数据的准确性。对预处理数据采用下式(1)计算归一化植被指数(NDVI)，利用 ArcGIS10.2 软件计算转移矩阵。
(1)
式中NIR为近红外波段，R为红光波段。
1.2 方 法
1.2.1 植被盖度的计算与分级
研究区计算植被盖度的提取方法是采用像元二分法提取植被覆盖度[14]，假设像元是由裸土和植被两部分构成，推导得出植被覆盖度,计算公式如下[15-16]。
(2)
其中，Fc是像元的植被覆盖度，%；NDVI是归一化植被指数；NDVImin是完全裸土或者没有植被覆盖的像元的NDVI；NDVImax是代表完全被植被覆盖的像元的NDVI。根据95%和5%的置信度分别选取NDVImax=0.565 4和NDVImin=0.003 9。采用ArcGIS10.2软件的栅格计算器，利用上式计算植被覆盖度。
依据国家林业局颁布的《第四次全国荒漠化和沙化监测技术规定》，将研究区植被覆盖度计算结果分为4级：一级植被盖度为0
1.2.2 稀疏植被景观指数的选取
植被景观指数是景观格局的外在表现形式，它的实质是反映景观格局的组成结构和空间分布特征。根据景观指数在沙地植被斑块格局中的特点，在研究区的不同盖度区域，选择3个景观指数(斑块类型面积(MPS)、斑块数量(NP)和斑块密度(PD)进行统计分析。3个景观指数的计算公式及生态学意义见文献[16-17]。
1.3 数据处理
运用Fragstats4.1景观/类型分析软件进行景观指数计算。
2 结果与分析
2.1 稀疏植被斑块格局变化
2.1.1 稀疏植被斑块面积变化
将计算出的古尔班通古特沙漠南缘植被盖度进行分级显示，统计出不同等级的植被面积分布。表1
表1 1990～2015年古尔班通古特南缘稀疏植被面积
Table 1 Sparse vegetation area in the southern margin of Gurbantunggut Desert from 1990 to 2015
类型Types1990年2001年2010年2015年面积Area(km2)比例Proportion(%)面积Area(km2)比例Proportion(%)面积Area(km2)比例Proportion/%面积Area(km2)比例Proportion(%)一级Firstlevel206.6533.4701.3130.022231.2433.8832.5790.043二级Secondary4316.69072.4705925.16699.4915676.16995.3105406.24790.778三级Thirdlevel1422.07123.87028.8840.48547.5590.799546.3419.174四级Levelfour10.0670.1690.1180.0020.5100.0090.3130.005总计5955.481100.0005955.481100.0005955.481100.0005955.481100.000
研究表明,1990～2001年间一、三、四级植被面积变化分别是-205.340 km2、-1 393.187 km2、-9.950 km2，比例分别从1990年的3.470%、23.870%、0.169%降低到2001年0.022%、0.485%、0.002%。二级植被面积变化是1 608.476 km2，比例从72.470%增加到99.491%。可见1990～2001年一、三、四级植被面积有所减少，比例下降；二级植被面积有所增加，比例上升。2001～2010年间一、三、四级植被面积变化分别是229.930、18.675、0.392 km2，比例从0.022%、0.485%、0.002%上升到3.883%、0.799 0%/0.009%；二级植被面积变化是-248.998 km2，比例从99.491%降低到95.310%，可见一、三、四级面积有所增加，比例上升；二级植被面积有所减少，比例下降。2010至2015年间三级植被面积变化是498.783 km2，比例从0.799%上升到9.147%，一、二、四级面积变化分别是-228.664、-269.922、-0.197 km2。可见二级植被盖度面积增加，比例上升；一、二、四级植被盖度面积减少，比例下降。表1
2.1.2 稀疏植被年际面积变化
研究表明,1990～2001年，一、三、四级植被面积有所减少；一级主要转出为二级(192.370 km2)植被，占转出总面积的99.577%；三级主要转出为二级(1 370.062 km2)植被，占转出总面积的30.032%；四级主要转出为二级(6.642 km2)植被，占转出总面积的86.003%；二级植被的面积有所增加，主要由一(192.370 km2)、三级植被(1 370.062 km2)转入而来，分别占转入总面积的75.330%、24.650%。二级有所增加，主要由三级(1 370.062 km2)、一级(192.370 km2)转入，分别占转入总面积的87.317%/12.260%。稀疏植被转化主要由一、三、四级植被转成二级植被，所以一、三、四级植被面积减少，二级植被面积增加。表2
表2 1990～2001年古尔班通古特沙漠南缘稀疏植被面积转移矩阵
Table 2 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 1990 to 2001
类型Types2001年一级Firstlevel二级Secondary三级Thirdlevel四级Levelfour1990年合计(km2)1990年一级Firstlevel0.814192.3700.0030.000193.187二级Secondary0.1174362.9203.6740.0994366.288三级Thirdlevel0.0441370.06217.4430.0121388.083四级Levelfour0.0006.6421.0810.0047.7272001年合计(km2)0.9755931.99422.2010.1155955.2851990～2001年变化量-192.2121565.706-1365.882-7.612
表3 2001～2010年古尔班通古特沙漠南缘稀疏植被面积转移矩阵
Table 3 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 2001 to 2010
类型Types2010年一级Firstlevel二级Secondary三级Thirdlevel四级Levelfour2001年合计(km2)2001年一级Firstlevel0.8800.0940.0000.0000.974二级Secondary223.0475673.74535.0640.1425931.998三级Thirdlevel0.03919.9551.9410.26222.197四级Levelfour0.0010.0070.0140.0940.1162010年合计(km2)223.9675693.80137.0190.4985955.2852001～2010年变化量222.993-238.19736.9030.382
研究表明,2001～2010年，一、三、四级植被面积有所增加，一级主要由二级(223.047 km2)植被转入而来，占转入总面积的99.982%；三级主要由二级(35.064 km2)植被转入而来，占转入总面积的99.960%；四级主要由三级(0.262 km2)、二级(0.142 km2)，分别占转入总面积的64.851%、35.189%。二级植被的面积有所减少，主要转出为三级植被(19.955 km2)，占转出总面积的99.496%。稀疏植被转化主要由二级植被转出为一、三级植被，四级植被略有转入。因此，一、三、四级植被面积增加，二级植被面积减少。表3
研究表明,2010～2015年，三级植被面积有所增加，主要由二级(488.581 km2)植被转入而来，占转入总面积的99.897%。一、二、四级植被的面积有所减少，一级主要转出为二级(0.151 km2)，占转出总面积的98.693%，二级主要转出为一级(221.682 km2)、三级(26.119 km2)，分别占转出总面积的89.438%、10.538%。稀疏植被转化主要由一、二、四级植被转出为三级植被。因此，一、二、四级植被面积减少，三级植被面积增加。表4
表4 2010～2015年古尔班通古特沙漠南缘稀疏植被面积转移矩阵
Table 4 Sparse vegetation area transfer matrix in the southern margin of the Gurbantunggut Desert from 2010 to 2015
类型Types2015年一级Firstlevel二级Secondary三级Thirdlevel四级Levelfour2010年合计(km2)2010年一级Firstlevel2.010221.6820.2630.018223.973二级Secondary0.1515205.014488.5810.0495693.795三级Thirdlevel0.00126.11910.8500.04937.019四级Levelfour0.0010.0610.2400.1960.4982015年合计(km2)2.1635452.876499.9340.3125955.2852010～2015年变化量-221.810-240.919462.915-0.186
表5 1990～2015年稀疏植被景观格局指数
Table 5 Sparse vegetation landscape pattern index from 1990 to 2015
景观指数Landscapeindex年份Years一级Firstlevel二级Secondary三级Thirdlevel四级Thirdlevel斑块类型面积Plaquetypearea(hm2)19900.6239.3921.2200.13220010.16015592.5430.1850.90720101.073103.1090.2021.02120150.394121.9550.6691.253斑块数量Numberofplaques(个)199033189459621165767638200182138156061320102156155052352050201565544338166225斑块密度Plaquedensity(个/hm2)19905.5737.71819.5751.28320010.1380.0062.6200.00220103.6200.9243.9490.00820150.1100.74413.7120.004
2.2 稀疏植被景观指数
1990～2001年年降水量减少，一、三、四级斑块类型面积减少，二级斑块类型面积增加；2001～2010年年降水量增加，一、三、四级斑块面积增加，二级斑块类型面积减少；2010～2015年年降水量减少，二、三、四级斑块面积增加，一级斑块面积减少。斑块面积的变化与当年的降水量有关，不同级别的植被盖度也在变化。1990～2001年间一、二、三、四级斑块数量均减少，密度减小；2001～2010年，一、二、三、四级斑块数量均增加，密度增大；2010～2015年，三级斑块数量增加，斑块密度也增大，一、二、四级斑块数量减少，密度减小。1990～2001年斑块数量、斑块密度总体减少，破碎化程度处于增加趋势；2001～2010年斑块数量、斑块密度总体增加，破碎化程度处于减少趋势；2010～2015年斑块数量、斑块密度总体减少，破碎化程度处于增加趋势。1990～2015年古尔班通古特沙漠南缘破碎化程度总体呈增加-降低-增加的趋势。表5
2.3 稀疏植被盖度对降水响应
研究表明，1990～2001年，年降水量减少，一、三、四级植被盖度面积减少，面积分别减少了192.212 、1 365.882 、7.612 km2；二级植被盖度面积有所增加，面积增加了1 565.706 km2；该区域1990～2001年植被盖度总体减少，稀疏植被处于退化趋势。2001～2010年，年降水量增加，一、三、四级植被盖度面积增加，面积分别增加了222.99 、36.9 、0.38 km2；二级植被盖度面积减少，总面积减少238.20 km2；该区域2001～2010年植被盖度总体增加，稀疏植被处于好转趋势。2010～2015年，年降水量减少，一、二、四级植被盖度面积有所减少，总面积分别减少了221.81 、240.92 、0.19 km2；三级植被盖度面积增加，总面积增加了462.92 km2；该区域2010～2015年植被盖度总体减少，稀疏植被处于退化趋势。降水对植被盖度有一定的影响。图2
图2 1990～2015年古尔班通古特沙漠降水量与植被盖度面积关系
Fig.2 Relationship between precipitation and vegetation coverage in the Gurbantunggut Desert from 1990 to 2015
3 讨 论
根据研究区不同的年降水量，选择具有代表性的4期遥感影像，以此为数据源，分析表明近25年来干旱区古尔班通古特沙漠南缘植被盖度变化呈退化-好转-退化的趋势。通过研究结果可知，不同植被盖度面积、斑块面积、斑块数量、斑块密度与年降水量之间呈正相关关系，年降水量增加，植被盖度、斑块面积、数量、密度增加，荒漠化程度好转；年降水量减少，植被盖度、斑块面积、数量、密度降低，荒漠化程度加剧。许多研究的结果也表明，植被覆盖度、斑块面积、数量、密度与年降水量存在很明显的正相关关系[18-19]。降水对植被盖度的变化影响较大，降水充沛的年份植物生长茂盛，覆盖度较高；降水较少的年份，植物生长慢、覆盖度较低。只考虑了年降水量与植被盖度的关系，也未就植被盖度与气温、降水和气温的综合作用关系展开分析，因为生态系统是较为复杂的系统，植被盖度对降水的响应有放大的可能，这一点将在今后的研究中完善。
4 结 论
4.1 1990～2001年，一、三、四级盖度植被面积有所减少；比例下降；二级盖度植被面积增加，比例上升。2001～2010年，一、三、四级盖度植被面积在增加，比例上升，二级盖度植被面积有所减少，比例下降。2010～2015年，一、二、四级盖度植被面积减少，比例下降，三级盖度植被面积增加，比例上升。说明古尔班通古特沙漠南缘沙地荒漠化大致呈现退化-好转-退化交替变换的趋势。
4.2 从1990～2001年间，年降水量在下降，斑块面积、数量在不断减少，斑块密度也在降低，2001～2010年间，年降水量有所增加，斑块数量也增加，密度增大，斑块类型面积也增加；2010～2015年间，年降水量下降，斑块面积减少，数量减少，密度降低，说明降水对斑块格局有一定的影响。随年降水量的减少，斑块数量减少，破碎程度变大，年降水量增加，斑块数量，密度增加，破碎程度变小，降水对景观指数也有一定的影响。
4.3 1990～2001年，年降水量下降，使得一、三、四级植被面积有所减少，二级植被面积增加；2001～2010年，年降水量增加，使得一、三、四级植被面积有所增加，二级植被面积减少；2010～2015年，年降水量下降，使得一、二、四级植被面积有所减少，三级植被面积增加。该区域1990～2015年植被盖度总体呈减少-增加-减少的趋势。
