新巴尔虎右旗植被覆盖变化研究

2021-04-12李梦茹邓泽坤杜佳梦

草原与草业 2021年1期

李梦茹，邓泽坤，杜佳梦

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022；2.内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古呼和浩特 010022)

植被作为生态系统的主要组成成分，是生态系统循环的基础，在全球变化研究中起着指示作用。近些年来，在关于植被覆盖的时空变化与气候变化之间关系的研究当中，国内外众多学者发现，气候变暖已然成为植被覆盖变化显著的原因，且在北半球的中高纬地区植被覆盖变化明显增强[1]。而在我国大部分地区，植被活动也呈增强趋势[2]。草原生态系统是陆地分布最广泛且脆弱的生态系统之一，在全球生态环境变化研究中起着重要作用。呼伦贝尔草原是欧亚大草原的重要组成部分，也是中国最典型的草原，而新巴尔虎右旗位于呼伦贝尔草原西部，地处中蒙俄三国交界处，由于其属于温带大陆性干旱气候，本身对气候响应的脆弱性与敏感性引起从事生态、环境、地理等方面研究者的广泛关注，使其成为全球变化研究的主要内容之一。为此，对新巴尔虎右旗植被覆盖变化进行研究。

1 数据与方法

1.1 数据来源与预处理

本研究采用的遥感数据来源是美国宇航局MODIS网站的2001～2016年间的MODIS NDVI产品MOD13A2，此数据的空间分辨率1km，时间分辨率为16d，扫描宽度为2330km，它是由中分辨率成像光谱仪(MODIS)反射率数据的近红外波段和红光波段计算得到,而且NDVI与植被覆盖度、土地利用、叶面积指数、生物量等指标的信息密切相关[3～4]。相对于与其他卫星数据MODI6S数据在空间分辨率上有较大的提升，对小目标地物的识别与观测能力较强，光谱分辨率得到很大程度的改进，36个波段相互配合得到丰富的地表信息。本研究采用的气象数据即气象站点位置和气象数据来自中国气象数据共享网，气象数据采用新巴尔虎右旗及其附近7个气象站点2001～2013年生长季的降水与气温数据。由于新巴尔虎右旗地区的植被在冬季大多停止生长甚至被积雪覆盖，所以在本研究中采用的是每年129～273d间的数据，即每年5～9月的数据来对植被覆盖变化进行研究。利用MODIS Reprojection Tools(MRT)对下载数据进行影像投影转换，由MODIS数据的正弦曲线投影转换为国内通用投影阿尔博斯投影。由于研究区范围刚好出现在一张影像上，故不需要进行拼接。将转换投影后的影像在ENVI中使用.evf格式的研究区域框进行裁剪，将裁剪后的影像逐年对5～9月的数据进行提取。

使用波段计算器将影像像元值转化为[-1,1]范围内的NDVI值，完成对数据的预处理。对新巴尔虎右旗的气象数据，在Arc GIS软件中通过克里金插值法对数据进行空间插值得到气温和降水的栅格数据。提取生长季的气温和降水数据，进行均值处理得到生长季的平均气温和降水数据就完成了气象数据的预处理。

1.2 研究方法

对每年5～9月新巴尔虎右旗的MODIS数据进行基于时间序列的均值处理，得到16年间逐年生长季的平均NDVI(NDVIJ)。由于水域无植被覆盖及荒漠戈壁植被覆盖极度稀少，其NDVI值不能显示真实的植被生长状况，需要在接下来的研究当中剔除水域，即在ENVI中使用波段计算器将水域的固定值-0.3赋予同背景相同的值。

式中：i表示月份(i=5、6、7、8、9);j表示年份(j=2001、2002…2016)。

将16年间的NDVI进行基于像元尺度的均值处理来分析NDVI的空间分布格局;再将逐年的NDVI进行基于时间序列的均值并进行趋势线分析;计算可决系数R2来分析16年间NDVI变化趋势,并对生长季平均气温降水数据与年份进行趋势线分析，即以年份为自变量、生长季平均气温或降水数据为因变量做一元线性回归模型。为研究16年间植被NDVI变化趋势的空间格局，利用MATLAB软件对逐年生长季和各月平均NDVI与年份之间进行基于像元尺度的线性回归分析[5]。得到基于像元尺度的线性回归分析斜率a值和显著性p值，来分析植被NDVI空间变化趋势是否显著。如果斜率a值大于零，则认为植被覆盖呈上升趋势；如果斜率a值小于零，则认为植被覆盖呈减小趋势。

式中：j为年份(j=2001、2002…2016)；NDVIJ为第j年生长季或月份的平均NDVI。

在显著性检验中采用p值检验：若p值小于显著性水平值，则认为植被覆盖呈显著性增大或者显著性减小；若p值大于显著性水平值，则认为植被覆盖呈增大或减小，且变化不显著。将得到的p值图像和a值图像利用ENVI软件进行决策树分类，获取基于像元尺度的年均ENVI的空间分布趋势图[6]。根据决策树分类结果，将变化趋势分为显著增大(a>0，p<0.1)、不显著增大(a>0，p>0.1)、显著减少(a<0，p<0.1)和不显著减小(a<0，p>0.1)四类，如图1所示。

图1 逐年生长季和各月平均NDVI与年份回归分析的决策树

2 结果与分析

2.1 植被NDVI的空间格局分析

根据16年间研究区生长季NDVI[7]值，新巴尔虎右旗地区的地表植被覆盖较好，仅南部局部微小面积受地层岩性影响出现无植被区。从图2看出，植被覆盖度最好的区域(NDVI值大于0.4)面积占比偏小，主要分布在北部受山地地形影响的区域、中部及东部河谷流域地区；植被覆盖度较好的区域(NDVI值0.3～0.4)面积占比较大，主要分布在北部山地的南部、中部河谷流域的南部、呼伦湖南部、贝尔湖西部；植被覆盖度一般的区域(NDVI值0.2～0.3)面积占比较大，主要分布在远离湖泊和河谷流域的中西部地区；植被覆盖度较差的区域(NDVI值0.1～0.2)面积占比极少，主要分布在受地层岩性影响的裸岩附近。

图2 新巴尔虎右旗NDVI的空间分布特征

2.2 植被NDVI时空变化总体趋势分析

2.2.1植被NDVI年际变化总体趋势

基于时间序列，NDVI作为研究区内所有像元的平均值,所体现的是新巴尔虎右旗植被覆盖整体变化趋势。本研究将研究区域内每个像元的年平均NDVI序列与其对应的年份进行趋势线分析并计算相关系数，若趋势线斜率为正，则认为在16年期间区域植被覆盖为增加趋势；若趋势线斜率为负，则认为该区域植被覆盖有降低趋势。由图3可看出，新巴尔虎右旗地区植被覆盖在16年期间有微弱的增加的趋势，其增加率为0.0045/a。但是，不同阶段表现出不同的变化特征，2001～2002年和2012～2013年生长季平均NDVI显著增加，2002～2004年和2013～2016年生长季平均NDVI显著减小，2005～2012年生长季NDVI呈小幅波动的上升趋势。

图3 年际NDVI变化趋势图

2.2.2植被NDVI空间格局总体特征

尽管新巴尔虎右旗生长季NDVI在整体上呈现出显著的增长趋势，但在空间上各区域之间存在着明显的差异。将研究区域每个像元的年生长季NDVI时间序列与其相对应的时间序列进行线性回归分析，通过线性回归斜率a值和显著性检验p值来分析植被空间格局的变化趋势[8]。从图4可以看出，新巴尔虎右旗16年间虽然植被覆盖整体呈增大趋势，但是在局部地区植被覆盖呈减小趋势，减小趋势的区域主要分布在呼伦湖及贝尔湖周边；在新巴尔虎右旗的西部及河谷流域附近，植被覆盖则呈显著性增加；而在新巴尔虎右旗的北部山地及中东部，植被覆盖虽呈增加趋势，但不显著。

图4 NDVI空间格局变化特征

2.3 植被NDVI时空变化趋势分析

2.3.1植被NDVI年际变化趋势

虽然16年间新巴尔虎右旗所有像元在生长季平均NDVI值呈增加趋势，但在每个月的增长程度却不同。16年间各月平均NDVI值的波动，R2值越大说明趋势线模型拟合状况越好，该月的NDVI年际值波动越小；R2值越小说明趋势线模型拟合状况越差，该月的NDVI年际值波动越大。观察生长季各月NDVI的年际变化趋势(图5)可以发现，在16年间生长季各月均呈增长趋势，与生长季均NDVI增长率0.0045/a相比，各个月份的NDVI增长率均小于生长季均NDVI增长率，即各个月份NDVI年际变化较小，而生长季均NDVI年际变化较大，其原因可能是不同年份的水热状况不同造成的。相对比6月份的NDVI年际变化增长率最大(0.0037/a)，5月份的最小(0.0012/a)。通过对可决系数R2的观察可以发现，在16年间月均NDVI值波动9月份的小，7月份最大，这是因为不同年份雨热期不同造成的。

A为5月；B为6月；C为7月；D为8月；E为9月；图6同

2.3.2植被NDVI空间格局特征

根据图6可以看出，16年间新巴尔虎右旗生长季NDVI值空间格局整体呈增长趋势，呈减少趋势的面积占比极少。其中，5月NDVI值呈减小趋势的面积占比最大，主要分布在新巴尔虎右旗西南部(图6-A)；6月NDVI值呈显著增加趋势的面积占比最大，且主要集中在新巴尔虎右旗东北部和呼伦湖及贝尔湖周边(图6-B)。从整体来看，植被覆盖度显著增加区域主要分布在新巴尔虎右旗西南部，植被覆盖度减小的区域主要分布在新巴尔虎右旗北部山地、东部及河谷流域。

图6 5～9月平均NDVI空间格局的分布特征

2.4 植被NDVI对气候变化的响应

在新巴尔虎右旗的温带半干旱气候环境中，降水和气温是影响植被变化的主要驱动因素,且在生长季期间由于气温对植被影响的滞后性，使得降水成为影响植被生长变化的主要因素。通过图3、图7可以看出，气温在13年期间呈下降趋势，且波动较小，2002年生长季气温均值达到13年间的峰值，2003年、2008～2009年达到生长季气温均值的低谷。降水在13年期间呈上升趋势，与NDVI年际变化趋势一致，2002年、2008年和2013年达到峰值，2003～2007年、2009～2010年达到生长季降水均值的低谷。而NDVI值在2002年、2008年和2013年达到峰值，2004年、2006～2007年达到低谷，与降水的峰值、低谷一致，表明降水对植被生长的驱动影响。

图7 降水和降水年际变化趋势

3 讨论

草原是世界上最脆弱且敏感的生态系统之一。草原植被覆盖变化可以很好的反映出草原生态系统的健康状况，作为人们监测及保护草原生态系统的重要指标之一。本文关于内蒙古植被覆盖变化的研究结果，与包刚、胡志超[10]、王举凤[11]、闫敏[12]等研究者的结果相对较为一致。根据自然地理学和社会学分析可知，植被覆盖变化主要与气候因子及人类活动有关[9]，而且在气候因子中降水和气温对植被覆盖变化的影响最大[13]，其中降水与植被覆盖变化之间的关系具有一定的空间差异，其原因是降水对植被覆盖变化的影响具有一定的滞后作用[14]。人类活动对植被覆盖变化的研究表明，植被覆盖与植被建设和农业生产呈正相关，与人口密度和单位GDP呈负相关[15]。但人类活动较为复杂难以定量分析，需要在今后研究中进一步探讨。