2011—2020年宁夏植被覆盖时空变化分析
2021-08-02李存厚冯克鹏
李存厚，冯克鹏,2,3
(1.宁夏大学土木与水利工程学院,银川 750001；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,银川 750021)
0 引 言
植被是生态系统的重要组分，其作用不仅体现在通过光合作用释放氧气，还能调节生物圈中的能量流动和物质循环，并影响土壤特性、提供栖息地、涵养水资源。同时，植被的年际和年内变化都比较显著，在全球变化研究中起到了“指示器”的作用[1]。因此，对植被生长和覆盖状况进行动态监测已成为全球变化领域的研究热点[2-5]。
现阶段，植被覆盖监测方法已由传统的地面测量转向利用遥感数据进行大规模反演。自1972年以来，科研人员就试图通过植物的光谱特性来监测其生长状态。结果表明，将可见光和近红外波段进行组合得到的各种植被指数能够定性、定量地评价植被覆盖及其生长情况[6-7]。在多种植被指数中，归一化植被指数(NDVI)因其与植被覆盖呈明显线性相关，成为反映植被覆盖状况的最佳指标因子，得到了广泛应用[8-12]。与传统地面测量相比，借助遥感技术能够快速完成大尺度空间范围、长时间序列的植被变化动态监测，但在以往研究中对于遥感数据的获取、储存、预处理等工作依然要消耗研究人员大量的时间和精力。为了能有效地利用海量遥感数据，同时让研究人员从繁琐的遥感数据预处理工作中抽身，更加专注于科学问题本身，2011年谷歌公司主导开发出GEE(Google earth engine)平台。借助GEE平台，科研人员可以在线处理全球尺度的遥感数据和其它对地观测资料，从而避免了繁琐的预处理步骤，从根本上解决了现有存储能力和处理算法不能高效利用海量遥感数据的问题，已被广泛应用于农业生产、灾情评估、土地利用/土地覆被变化、 地表水体及植被变化等领域[13-17]。
宁夏回族自治区(简称宁夏)地处西北内陆，属于典型的温带大陆性气候，东、西、北三面被沙漠包围，是全国荒漠化最严重的省区之一。宁夏工业、农业、社会经济、人口的核心区域都在北部，分布在黄河沿线,在沙漠环伺的微小银川平原，依赖黄河水形成了一块绿洲。整个宁夏地处我国干旱、半干旱、半湿润地区的过渡带，属于“荒漠生态，绿洲经济”，生态环境脆弱。因此，该地区的植被覆盖状况也受到了极大关注。颜长珍等[18]结合RS技术与GIS技术处理TM影像，得出了宁夏草地覆盖情况及空间分布特征。乔锋等[19]基于2个时相的TM影像数据，以NDVI为参数构建像元分解模型对盐池县植被覆盖度的动态变化展开研究。黄悦悦等[20]以MOD13Q1植被指数产品为数据源反演了宁夏植被的动态变化特征，结果表明2000—2016年宁夏植被覆盖总体呈增加趋势。在以往研究中，基于本地平台下载和处理遥感影像数据的效率低，广泛采用的MODIS植被指数产品空间分辨率较低，受数据获取方式所限往往只能选择云层覆盖较少的特定时期遥感影像数据，不能快捷、连续、全面地揭示宁夏植被时空变化特征以及可持续演变分析。
本文基于GEE平台和30 m空间分辨率Landsat长时间序列数据，以NDVI作为衡量植被覆盖的指标，研究近10 a宁夏植被覆盖的动态变化并分析其可持续趋势，以期为宁夏植被恢复与生态环境政策的制定提供科学依据。
1 研究区概况
宁夏位于我国西北部的黄河中上游地区，介于35 14′～39 23′N和104 17′～107 39′E之间，总面积6.64万km2。全境高程在1 000.00 m以上，地势南高北低。宁夏南部的六盘山平均海拔在2 500.00 m以上，最高峰2 942.00 m；北部是地势平坦的银川平原；西北部的贺兰山是天然的绿色屏障，最高峰3 556.00 m。 由于地势落差较大，不同地区之间的气候条件也一定差异。各地年平均气温5.6～10.1 ℃，由南向北递增；年降水量在167.2～618.3 mm之间，由南向北递减。从小空间尺度来看，根据宁夏自然地理的特点，可将整个地区分为3个子区。北部引黄灌区属于气候干旱区，虽有黄河过境，灌溉农业发达，历史悠久，但仍属于“没有灌溉就没有农业”的典型绿洲农业区；中部干旱带则属于先天性缺水地带；南部山区为黄土丘陵和六盘山山地，水土流失严重，自然灾害多，农业生产低效且不稳定(图1)。宁夏深居西北内陆，大气降水较为贫乏，但年均水面蒸发量为1 250 mm，因而成为我国典型的生态脆弱区。自然植被类型主要有草原、森林、灌丛、湿地等，此外还有大量的栽培植被。南部的六盘山区分布着广袤的森林；中部干旱带栽培植被和碎块草原交错分布，还集中了全区大部分荒漠；北部引黄灌区以栽培植被为主，贺兰山区森林资源也比较丰富。
图1 宁夏高程及地理分区图
2 数据与方法
2.1 数据源
本文通过GEE平台调用了2011—2020年覆盖宁夏的Landsat 5，7，8卫星地表反射率产品(Landsat SR)数据共2069景。GEE云端存档的Landsat SR数据都已经过几何校正和大气校正，通过对其行时空筛选、去云处理并构建归一化函数，即可用于计算研究区NDVI，计算公式如下：
NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)
(1)
式中:NIR表示近红外波段；R表示红光波段；NDVI∈[-1,1]。
GEE平台中Landsat5，7，8卫星地表反射率产品的相关信息如表1所示。
表1 GEE平台中Landsat SR数据的相关信息表
2.2 方 法
覆盖面积较广的卫星遥感影像普遍受到云层的干扰，最大值合成法可在一定程度上削弱云层对影像的影响[21]。经过最大值合成法处理的NDVI能够很好地反映出研究时段内植被长势的最高水平，还可有效降低植被物候引起的干扰。故本文基于GEE平台生成了2011—2020年每年的最大值合成NDVI数据，再取其像元平均值以代表该年宁夏植被覆盖状态。为了详细地描述宁夏植被NDVI在空间上的分布及变化特征，根据研究区植被特点，本文将NDVI分成5个等级：NDVI≤0.2(低覆盖区)、0.2
2.2.1变化趋势分析
本文采用一元线性回归分析法在像元尺度计算NDVI年际变化趋势，以线性回归方程的斜率slope表征宁夏植被的年际变化趋势。计算公式如下：
(2)
式中:slope为NDVI变化斜率，n为年数，m为年份序号，NDVIm为第m年NDVI值。slope>0，表示NDVI随时间增大；slope<0，表示NDVI随时间减小；slope=0，表示NDVI随时间变化不明显。
2.2.2持续性分析
Hurst指数最早由英国水文学家Hurst[22]提出并应用于河流水文要素的长期观测，近年来也广泛被应用于植被NDVI的未来趋势预测[23-24]，已成为描述自相似性及长期依赖性现象的有效方法[25]。本文通过R/S分析法计算Hurst指数实现NDVI变化趋势的预测。
对长时间序列NDVIi(i=1,2,3,…,n)，构造任一子序列m：
(1) 计算差分序列
ΔNDVIi=NDVIi-NDVIi-1
(3)
(2) 计算均值序列
(4)
(3) 求累计离差
(5)
(4) 计算极差
(6)
(5) 计算标准差
(m=1,2,3,…,n)
(7)
对于比值R(m)/S(m)≌R/S，若有R/S∝mH，则存在Hurst现象。H值为Hurst指数，H>0.5，表示NDVI具有持续性；H<0.5，表示NDVI具有反持续性；H=0.5，表示NDVI变化趋势不具有长期规律性。
2.2.3植被NDVI改善或退化的判定
根据公式(2)计算宁夏2011—2020年的NDVI线性变化趋势，趋势率为正，表示植被NDVI增加，植被得到了改善；反之，表示NDVI减少，植被有退化趋势。参考前人有关研究[26]，结合逐像元NDVI趋势率及显著性检验结果，将NDVI的变化趋势分成6个等级，即极显著改善、显著改善、不显著改善、极显著退化、显著退化和不显著退化,NDVI变化程度分级见表2。
表2 NDVI变化程度分级表
3 结果与分析
3.1 植被NDVI年际变化
2011—2020年宁夏植被年平均NDVI值如图2所示。可以看出，近10 a植被NDVI平均值为0.399，各年植被NDVI平均值在0.332～0.462之间波动并逐渐增大。宁夏植被NDVI在2011年和 2020年的年均值分别为0.332和0.426，10 a间增大了0.094，增长率达到28.31%，经历了两个明显先增大后减小的波动过程。两个过程中峰值所对应的年份分别为2013年和2018年，其中2018年的植被NDVI年均值也是10 a中的最大值，表明宁夏植被覆盖在该年份达到近10年最好水平。在2017年以前，各年植被NDVI平均值大都低于多年平均值；但自2017年起，各年植被NDVI平均值连续4 a都高于多年平均。线性拟合的结果表明，2011—2020年宁夏植被NDVI年均值以0.0106/a的速率呈现出显著增大趋势(P<0.01)，表明近年来宁夏植被覆盖状况整体向好。
图2 宁夏植被年平均NDVI变化趋势图
3.2 植被覆盖空间变化
按照5个植被覆盖等级将NDVI栅格数据进行重分类，得到2011—2020年宁夏不同等级植被覆盖空间分布,具体见图3。同时统计5种覆盖区占研究区总面积的比例，得到2011—2020年宁夏植被覆盖分级占比，具体见图4。
图3 2011—2020年宁夏植被NDVI空间分布图
图4 2011—2020年宁夏植被各覆盖区占比变化图
从图3～4可以看出，2011—2020年宁夏中低覆盖区所占面积最大，各年占比都超过了30%，2011年更是高达39.83%，主要分布于中部干旱带、贺兰山东麓和城市建成区。低覆盖区所占面积总体上呈现出减小趋势，由2011年的25.11%波动减小至2020年的16.51%，主要分布于中部干旱带、石嘴山市北部。中覆盖区所占面积基本保持不变，主要分布于中部干旱带和南部山区的交汇过渡地带以及宁夏东部地区。中高覆盖区所占面积最小，除2017年和2018年外各年占比都在15%以下，主要分布于南部山区。高覆盖区所占面积明显增大，由2011年的8.82%增大至2020年的22.14%，特别是自2018年起连续3 a占比超过20%，表明近年来宁夏生态环境保护工作成效显著，高覆盖区主要分布于六盘山区、黄河两岸以及北部引黄灌区。
3.3 植被改善和退化分析
为了进一步探究近10 a宁夏植被覆盖的变化情况，统计出改善和退化区域的空间分布及占研究区总面积的比例,分别见图5和表3。可以看出，近10 a宁夏全域有86.22%的地区植被覆盖呈改善趋势。其中，极显著改善区域占11.56%，主要集中于盐池县中部、固原市东部及黄河沿岸地区；显著改善区域占16%，一部分集中于海原县和同心县，其余大多散布在极显著改善区域周围；不显著改善区域占比最大，为58.67%，主要分布于中部干旱带。极显著退化和显著退化区域占比极小，分别为0.46%和0.81%，主要集中于银川、吴忠、中卫等地市的建成区。不显著退化区域占12.50%，主要分布于引黄灌区和中部干旱带的交汇过渡地带。植被覆盖的改善和退化通常会受到气候变化和人类活动的双重影响[27]，黄悦悦等[20]通过相关性分析法、残差分析法探究了2000—2016年宁夏植被覆盖变化的驱动力，结果表明：宁夏植被改善主要受温度和湿润指数整体增加影响，与气温的相关性不高；人类活动对宁夏植被产生正干扰的区域占全区的42.19%，也是植被改善的重要原因；同时植被退化多由城镇扩张引起。
图5 2011—2020年宁夏NDVI变化趋势分布图
表3 NDVI变化趋势分级统计表
3.4 植被覆盖变化的持续性
本文采用R/S计算出2011—2020年宁夏植被Hurst指数分布，结果见图6。从图6可以看出，宁夏植被NDVI的Hurst指数在0.1056～1均有分布，Hurst<0.5的区域占28.05%，Hurst>0.5的区域占71.95%，说明宁夏植被NDVI的持续性较强。将Hurst指数与宁夏植被变化趋势叠加分析，预测出植被覆盖的未来趋势见图7。未来宁夏有高达71.17%的区域植被覆盖保持基本不变，空间分布表现为中部干旱带>南部山区>北部引黄灌区 。植被覆盖持续改善的区域占20.49%，主要分布于引黄灌区和固原市东部，表明这些地区的植被覆盖状况将持续向好。植被覆盖反持续改善的区域占7.07%，主要分布于中部干旱带的东西两侧，表明这些地区的植被可能会呈现较弱的退化趋势。植被覆盖持续退化的区域占1.04%，零星的分布于城市建成区，也表明随着城市化进程的推进，城市周边以及城市内部的植被可能会被建筑用地侵占。植被覆盖反持续退化的区域仅占0.24%，没有明显的分布规律。
图6 2011—2020年宁夏植被Hurst指数分布图
图7 宁夏植被覆盖未来趋势预测图
4 结论与讨论
4.1 结 论
从时间上看，采用年最大值合成法处理NDVI并求出其像元平均值，结果表明2011—2020年宁夏植被年平均NDVI值在0.332～0.462之间波动并逐渐增大，增速为0.0106/a，且p<0.01。
从空间上看，2011—2020年宁夏植被低覆盖区和中低覆盖区总体约占全区总面积的50%，主要分布于中部干旱带并呈现出减小趋势；中覆盖区主要分布于中部干旱带和南部山区的交汇过渡地带，所占面积基本保持不变；高覆盖区和中高覆盖区主要分布于引黄灌区和南部山区，近10 a来所占面积明显增大。
2011—2020年宁夏有86.22%的区域植被覆盖得到改善，其中极显著改善占宁夏总面积的11.56%，显著改善占16%，不显著改善占58.67%；同时仅有1.27%的区域植被覆盖呈极显著、显著退化，充分表明近年来自治区贯彻落实各项生态保护政策收效显著。
未来宁夏植被覆盖状况以基本不变为主，占全区总面积的71.17%。同时有20.49%的区域植被覆盖状况将持续改善，有7.07%的区域植被覆盖状况可能由改善转为退化，植被覆盖状况呈持续、反持续退化的区域占比较小，分别为1.04%和0.24%。
综上，建议继续在宁夏推行退耕还林还草以及禁牧政策，在北部引黄灌区和中部干旱带的交汇过渡地带实施有针对性的生态建设工程，如人工造林、防风固沙、水资源保护等，同时在城镇化过程中尽量减少对植被的侵占、提高城市绿化水平，切实践行“绿水青山就是金山银山”的科学论断。
4.2 讨 论
总体而言，近10 a来宁夏植被覆盖状况呈改善趋势，空间分布上表现为引黄灌区和南部山区的植被覆盖状况好于中部干旱区，这与以往研究结果保持一致[28-29],也表明宁夏自2000年开始实施的退耕还林工程取得了良好的生态效益。同时，宁夏植被覆盖状况呈极显著、显著退化的区域仅占1.27%且主要集中于城市建成区，表明禁牧封育条例对草原和林地植被起到了保护作用，但高速的城市化进程不可避免地破坏了少量植被。
本文在研究过程中仅分析了2011—2020年宁夏植被覆盖的时空变化并预测了其未来趋势，没有探究影响因子对其产生的扰动。实际上，任何一个地区植被覆盖状况的动态变化不仅受气候变化的影响，还和人类活动密不可分。因此，下一步研究中，将着重分析宁夏植被覆盖状况动态变化与气候因子和人为因子的关系。
