利用NDVI 产草量模型浅探新疆叶城县天然草地退化状况

黄 菲 ，彭 建 ，李刚勇 ，闫 洋 ，张楚婕

(1.新疆维吾尔自治区喀什地区草原站，新疆 喀什 844000；2.新疆维吾尔自治区草原总站，乌鲁木齐 830049)

草地退化是荒漠化的一种，在干旱地区，草地长期无休止退化的结果就是荒漠化，直至变为沙漠[1]。新疆叶城县处于干旱区，由于本身的生态环境十分脆弱，加之人们对草地资源的科学利用意识薄弱，使得叶城县各类天然草地已经出现不同程度退化。为探明叶城县天然草地退化状况，本文从草地经营学的角度出发，将草地退化理解为草地生产力降低、质量下降和生境变劣[2]。针对草地生产力降低这一具体表现，以天然草地鲜草产量减少程度为退化分级指标，以5 年为周期，选用2009 年、2014 年和2019 年3 年8月的MODIS 遥感影像产品提取NDVI 数据集，结合同期地面监测鲜草产量数据进行相关性分析，确定各草地类NDVI 退化等级阈值，借助ArcGIS10.5 软件对叶城县天然草地退化分级，探究2009 年以来叶城县天然草地退化的时空分布变化和现状，为后续精准开展草原生态修复研究，改善草地退化状况提供数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

叶城县位于新疆维吾尔自治区西南部，地理位置 N35°28′～38°34′，E76°08′～78°31′，是一个以农业为主、农牧结合的农业县，属温带大陆性干旱气候，常年日照时数长，北部平原全年日照总数2 740 h，南部山区一般比平原地区少5%～15%不等。 降水量少， 北部年平均降水量54 mm， 南部山区年平均降水量350～400 mm。 温差较大，极端最高气温 39.5 ℃，极端最低气温-22.7 ℃，1 月最冷，平均气温-6.2 ℃，7 月最热，平均气温24.5 ℃，平均年无霜期228 d。 叶城县地势南高北低起伏较大，县域面积多处于南部喀喇昆仑和昆仑山区，北部冲积扇平原、戈壁沙漠只占26.7%。 叶城县天然草地毛面积58.07 万hm2，可利用面积56.142 万hm2，缺水和严重缺水草地24.11 万hm2，山地草地垂直带谱系列比较完整，自下而上为荒漠、草原化荒漠、荒漠草原、草原、高寒草原、高寒草甸等草地类，是西昆仑山范围内植被发育最完善的地段[3]。

1.2 数据材料来源

1.2.1 地面监测数据

本文使用新疆维吾尔自治区草原总站2009 年、2014 年和2019 年3 年8 月在叶城县39 个监测样点所采集的草原植被生长盛期的鲜草产量和盖度数据。

1.2.2 遥感数据

本文利用的遥感数据来源于美国航空航天局NASA 数据中心网站， 针对研究区域地面监测实际，选用 2009 年、2014 年和 2019 年 3 年 8 月 MODIS MOD13Q1 (Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250 m)遥感影像产品。该产品是对地面光谱反射的一种估计，已经进行了除去大气的吸收和散射影响处理，质量经过验证，绝对误差小于5%[4]。

1.2.3 矢量数据

本文使用的叶城县天然草地矢量图， 是新疆维吾尔自治区草原总站在2018 年草地资源清查工作中完成的图件。 该图件是结合遥感影像，综合掌握的各项草地资料数据进行判读绘制图斑地类和草地类型后，前往叶城县进行实地样点数据采集，对所有图斑属性进行上图绘制完成的。

1.3 研究方法

1.3.1 遥感影像预处理

将下载可覆盖研究区域(h24v05)的1 景MODIS MOD13Q1 遥感影像产品使用MRT 软件进行地理几何校正与重采样处理，提取 NDVI 数据：选取8 月上旬和下旬的研究区16-Day-NDVI 影像，投影选择了Albers，大地基准面为WGS84，输出空间分辨率250 m，存为TIFF 格式。 利用ArcGIS10.5 软件将8月旬度影像进行MVC 合成月数据， 用草原总站在草地资源清查时制作的叶城县天然草地矢量文件对影像进行掩膜提取得到研究区的NDVI 数据，再利用栅格计算器工具对图层值域进行归一化，使NDVI值域在[-1，1]之间。

本文使用的MODIS 产品NDVI 数据集已被研究验证，与草地地上生物量有密切关系[5，6]，大量用于估测草地产草量[7-12]。 NDVI 经处理，可以部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云、阴影和大气条件有关的辐照度条件变化等的影响[13]。

1.3.2 实测指标与NDVI 相关性分析

首先对地面监测数据归一化处理，利用Excel 对叶城县草地植被生长盛期动态监测时各草地类型的鲜草产量进行归一化处理，使产草量值域处于[0，1]之间。 利用ArcGIS10.5 软件将野外调查获取的叶城县草地植被生长盛期动态监测数据与同期的遥感影像进行叠加， 将遥感影像的NDVI 值提取到监测点，利用回归分析，建立39 个样点NDVI 与实测鲜草总产量之间的回归模型：

式中：Y 为估测的鲜草总产量；X 为 NDVI 值；R2为决定系数；R 为相关系数。 鲜草总产量与 NDVI 值的散点图如图1。

图1 总产草量鲜重与NDVI 值散点图

1.3.3 草地退化分级

本文以未退化草地产草量基准数据确定各草地类退化等级阈值， 实现对研究年份草地退化程度分级。 其中，未退化草地产草量基准使用了1989 年新疆维吾尔自治区畜牧厅编制的《新疆维吾尔自治区天然草地生产力统计表册》中喀什地区相同草地类的鲜草产量数据。 表册中数据记载详实，经过专家论证，被业内广泛认可，对于隶属于喀什地区的叶城县，此表册记载的草地资源历史数据是目前最适用的。拟定退化草地分级标准参照天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标的国家标准(GB19377-2003)中，鲜草产量相比未退化草地基准的百分数减少率评价指标，将草地退化等级分为四级。 本文将研究年份鲜草产量能达到未退化草地基准鲜草产量90%及以上的，即鲜草产量减少率小于等于10%甚至增加的，视为“未退化”；减少率在11%～20%之间，视为“轻度退化”；减少率在21%～50%之间，视为“中度退化”；减少率在50%以上，视为“重度退化”，见表1。

表1 草地退化程度的分级

2 结果与分析

利用相关性分析建立的NDVI 与实测鲜草总产量之间的回归模型，使用ArcGIS10.5 软件对各草地类NDVI 值进行重分类，反演研究区内各草地类退化状况，制作叶城县天然草地退化分布图，统计各草地类4 个退化等级像元所占比例情况。

2.1 各年份叶城县草地退化变化

通过像元统计分析比例，2009 年叶城县天然草地退化情况是3 个研究年份中退化情况最严重的(表2，表3，表4)。 2009 年叶城县除低地草甸类草地以外的6 类主要天然草地退化情况最为严重的前3 类草地分别是温性草原类草地、 高寒草甸类草地、 温性荒漠类草地， 中度及重度退化的比例相加分别高达94.75%、78.45%、77.67%(详见表 2)。

表2 2009 年叶城县天然草地各草地类退化程度比例表

相比2009 年，2014 年叶城县天然草地重度退化比例下降16.71%，中度退化下降了4.14%，轻度退化下降了0.69%，未退化比例上升了21.53%(表2，表3)。 除低地草甸类草地以外的6 类主要天然草地退化情况最为严重的前3 类草地分别是高寒草甸类草地、温性草原类草地、高寒草原类草地，中度及重度退化的比例相加占比分别是67.85%、58.49%、38.52%(详见表3)。

表3 2014 年叶城县天然草地各草地类退化程度比例表

2019 年时，叶城县天然草地重度退化比例相比2014 年减少1.44%，中度退化增加了1.27%，轻度退化增加了0.34%，未退化比例减少了0.16%(表3，表4)。除低地草甸类草地以外的6 类主要天然草地退化情况最为严重的前3 类草地分别是高寒草甸类草地、温性草原类草地、高寒草原类草地，中度及重度退化的比例相加分别是65.81%、61.12%、37.38%(详见表4)。

表4 2019 年叶城县天然草地各草地类退化程度比例表

2.2 退化等级精度验证分析

以地面监测点实测数据对比为退化基准数据确定的退化等级为正判依据， 与通过相关性分析实现对该监测点NDVI 值重分类确定的退化等级进行比对。 对39 个实测点中10 个测点的退化程度存在误判，10 个误判测点中3 个测点高估了草地退化程度，7 个测点低估了草地退化程度，影像正判率74.35%。经分析，错误点主要有以下2 类: 一是退化分级时以草地类鲜草产量为指标，未考虑同一草地类的不同草地型鲜草产量存在差异，进一步针对差异进行NDVI 的重分类，使重分类精度受到影响，当同一草地类与草地型鲜草产量差异较大时，高估了草地退化程度；二是对盖度大于80%的测点，NDVI 的反应不够灵敏[14]，从而对分类精度也有一定的影响，低估了草地退化程度。

3 讨 论

3.1 研究方式侧重

目前在研究天然草地退化时空分布变化和现状时，同类文章大多参考了天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标的国家标准(GB19377-2003)，建立草地退化遥感监测和评价指标体系，设置5～10 年时间，间隔选取多个研究年份开展研究。 萨其日拉[15]等人利用遥感影像估算盖度，采用草地退化指数判别草地退化程度，以纯遥感技术的角度分析得到内蒙古阿鲁科尔沁旗整体草地退化时空分布特征，此类方法可以节省大量人力物力，利用植被盖度与NDVI 之间关系估算区域植被盖度的方法也被广泛应用。 本文则考虑各草地类发生条件的不同， 利用情况存在差异， 在当前的生态修复工作中的难易程度同样存在差异。 为具体得到各草地类退化程度时空分布和现状，选取了喀什地区内山地垂直地带性草地类型发生相对完备典型的叶城县作为研究区域，以1989 年新疆维吾尔自治区畜牧厅编制经过论证的鲜草产量数据为未退化基准，以地面实测指标数据结合遥感影像，在天然草地类型矢量图的范围内进行研究，以期今后叶城县的草原生态修复工作实施范围更加精准，达到修复效果更明显的目的。

3.2 需要细化研究改进的问题

天然草地退化有产草量、盖度、高度、植物群落结构、土壤性质等方面变化表现，冯双双[16]采用因子分析法确定表征草地实际变化情况的多个指标在草地退化评价中的权重，比较退化指数和各个植被指数间的相关性，找出与草地退化指数相关性最大的植被指数，建立基于退化指数与最大相关性植被指数的草地退化反演模型,对坝上草原退化情况进行了研究。张光茹[17]等人使用主成分分析对退化高寒草甸不同恢复方式下草地质量的综合评价。 本文只是针对草地生产力降低这一具体表现，以天然草地鲜草产量减少程度为退化分级指标，在今后的学习探索和退化草地调查工作中，还需要大量的查阅资料结合野外调查、走访完善各项指标的未退化基准数据，以大量及规范的野外调查数据验证各项退化指标权重,完善草地退化遥感监测和评价指标体系地方标准。 另外，此次研究年份中，2009 年遭遇旱情对植被生长产生不利影响，叶城县各草地类鲜草总产量有不同程度的减产，对当年天然草地退化存在一定程度的高估。

4 小 结

2014 年叶城县天然草地重度退化比例相比2009 年下降16.71%，中度退化下降了4.14%，轻度退化下降了0.69%，未退化比例上升了21.53%。 2019 年时重度退化比例相比2014 年减少1.44%，中度退化增加了1.27%，轻度退化增加了0.34%，未退化比例减少了0.16%。 2014 年相比2019 年增减幅度不大，叶城县天然草地普遍退化情况得到初步遏制，目前叶城县低海拔区荒漠草地类退化程度整体相对较轻，但天然草地退化形势依然严峻，南部中高海拔山区的温性草原类草地、高寒草原类草地、高寒草甸类草地的退化情况仍然严重。