1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖度的时空变化

2022-06-16吴小燕党晓宏张海龙包晓英

水土保持通报 2022年2期

吴小燕, 高永, 党晓宏, 张超, 杜斌, 张海龙, 包晓英

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 内蒙古呼和浩特 010018;2.内蒙古自治区航空遥感测绘院, 内蒙古呼和浩特 010018)

植被覆盖度(fractional vegetation cover， FVC)在一定程度上表征植被生长状况、检测环境变化、衡量生态质量[1-2]，是衡量区域植被变化情况甚至是区域生态环境变化的一个重要指标[3]。目前对于植被覆盖度提取方法主要分为实地测量和遥感影像提取，但实地测量耗时费力，只适用于小区域的植被覆盖度提取，并且结果受人为因素的影响较大，具有一定的局限性[4-6]，因此并不适宜在较大的空间尺度上进行植被覆盖度动态变化的研究。遥感方法相较于实地测量在时效性、数据获取、测量范围等方面都存在着明显优势，适合大范围及长时间序列植被覆盖度监测[7-8]。其中，基于归一化植被指数(normalized difference vegetation Index， NDVI)像元二分法模型进行区域植被覆盖度研究应用较为广泛[9-11]，在提取长时间序列和大范围植被覆盖度时，其利用植被指数区分无植被覆盖区域和植被覆盖区域，从而估算区域植被覆盖度，通过设定阈值对区域植被覆盖面积进行提取，结果具有较高的精度及科学性[12-13]。

库布齐沙漠位于干旱半干旱区，生态环境相对脆弱，植被的动态变化在一定程度上影响着下一阶段区域的植物保护、生态规划和建设。目前学者们已经明晰了库布齐沙漠植被特征、土壤特征等[14-18]，对长时序植被覆盖度变化动态监测的结果止于2013年[19]，之后的植被动态鲜有报道。鉴于此，本文以Landsat遥感数据为数据源，利用NDVI像元二分法模型分析库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度的变化规律，从时间和空间尺度探究库布齐沙漠植被覆盖度动态变化，以期为库布齐沙漠植被恢复及生态建设提供一定的参考和基础理论数据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

库布齐沙漠位于107°3′07″—111°23′06″E，40°34′22″—41°48′29″N，地处鄂尔多斯高原脊线的北部，内蒙古自治区鄂尔多斯市的杭锦旗、达拉特旗和准格尔旗的部分地区，面积约1.86×104km2，属典型温带大陆性干旱—半干旱季风气候，年平均气温6.0～7.5 ℃，沙漠东部年均降水量约400 mm，向西逐渐递减至150 mm，年蒸发2 100～2 700 mm，呈由东向西递增趋势。西北风为冬半年盛行风向，年均风速3.5 m/s，其中春季平均风速为4.9 m/s，最大风速为22 m/s，年大风日数25～35 d，主要集中在春季。库布齐沙漠植被主要包括：沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四合木(Tetraenamongolica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、藏锦鸡儿(Caraganatibetica)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙柳(Salixcheilophila)等。

1.2 数据来源

本研究以1989—2019年每5年1期共7期的Landsat影像为数据源，其中1989，1994，1999，2004和2009年选用的是Landsat 4—5 TM影像15景，2014和2019年Landsat 8OLI影像6景，共7期21景遥感影像，分辨率均为30 m，轨道号为127/32，128/32，129/32。为保证影像和地物之间均具有可比性，7期影像获取时间均属于库布齐沙漠植被生长季(6—9月)。

1.3 研究方法

利用ENVI 5.3软件对数据进行辐射定标、大气校正、影像镶嵌等预处理。植被覆盖度计算采用基于归一化植被指数(NDVI)像元二分法模型[20-22]，计算公式为：

式中：FVC表示植被覆盖度； NDVImin为NDVI最小值，表示裸土或无植被覆盖区域的NDVI值； NDVImax为NDVI最大值，表示完全由植被所覆盖的纯植被像元值。因外界条件变化会对NDVImin值、NDVImax值产生影响，所以对NDVImax和NDVImin赋值时需要结合影像的时相与当地实际情况，本研究分别取NDVI的5%和95%代表NDVImin和NDVImax。)

参考相关文献[23-24]对于植被覆盖度的划分，并结合库布齐沙漠实际情况，将研究区植被覆盖测度结果划分为以下4个等级：①低植被覆盖度(0

利用ArcGIS 10.2，根据质心计算方法，分别计算不同等级植被覆盖度1989—2019年各期遥感影像的重心坐标，并绘制植被覆盖度重心迁移图[25-26]，从而体现库布齐沙漠各级植被覆盖度在空间分布上的变化趋势。为能够更直观地体现出库布齐沙漠1989—2019年的植被覆盖度变化情况，利用GIS空间统计分析方法，分别将不同年份同一区域的植被覆盖度数据进行相减，获取植被覆盖度变化数据，数值为正表示植被覆盖度增加，植被覆盖情况改善；数值为负表示植被覆盖度减少，植被覆盖情况退化；若数值变化不明显，则说明植被覆盖基本未变。根据研究区植被覆盖度变化程度，将其划分为7个等级[27-28]，分别为减少50%以上，减少30%～50%，减少10%～30%，基本未变，增加10%～30%，增加30%～50%，增加50%以上。

2 结果与分析

2.1 库布齐沙漠植被覆盖度时序变化特征

由图1可知，1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖度整体呈现增长趋势，平均植被覆盖度由0.104增长到0.243。其中，平均植被覆盖度1994—1999年变化较小，仅减少0.002，而1999—2004年、2009—2014年这两个时间段出现较大波动，均呈下降趋势，分别减少0.053，0.054。低植被覆盖区占比总体呈降低趋势，其中1999—2004年、2009—2014年呈增加趋势，占比分别增加6.81%和24.44%，低植被覆盖区占比在1989—2014年只减少4.78%，而2014—2019年减少30.86%；中低植被覆盖度占比变化不明显，总体保持平稳；中植被覆盖区占比呈增加趋势，1989—2014年增加5.14%，而2014—2019年增加11.9%；高植被覆盖区占比呈增加趋势，1989—2014年增加6.13%，而2014—2019年增加2.38%。

图1 库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度变化情况

2.2 库布齐沙漠植被覆盖度空间变化特征

1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖度在空间分布上呈现由西向东、向北增加的趋势。由重心迁移图发现，库布齐沙漠低植被覆盖度和中低植被覆盖度的重心向西迁移，中植被覆盖度和高植被覆盖度的重心均向东迁移(图2—3)。从各时间段植被覆盖度分布图来看，低植被覆盖度区域在沙漠的西部、中部及南部部分地区减少，尤其是在2014—2019年减少明显，减少总面积达5 747.24 km2，但1999—2004年、2009—2014年低植被覆盖度区域在沙漠的中部、西部和南部有所增加，2009—2014年增加尤为明显，增加总面积达4 552.52 km2。中植被覆盖度区域整体增加，变化主要发生在沙漠的东部、东南部及南部部分地区，但在1994—1999年、1999—2004年和2009—2014年中植被覆盖度区域均有小面积的减少，减少总面积分别为225.42 km2，277.33 km2，679.97 km2。高植被覆盖度区域整体呈增加趋势，变化主要发生在东北部、北部和西北部边缘以及中部小面积区域，特别是在2019年，高植被覆盖度面积达2 367.12 km2，仅在1999—2004年高植被覆盖度区域发生小范围减少，减少总面积为845.63 km2，主要在北部和西北部边缘减少。中低植被覆盖度区域在1989—2004年变化不明显，在2004—2019年有小幅度的变化，主要发生在沙漠西部、南部和中部的部分地区(图2—3，表1)。

表1 不同等级植被覆盖度面积统计 km2

2.3 库布齐沙漠植被覆盖度的变化程度

通过对库布齐沙漠植被覆盖度变化程度分析(图4，表2)，总体来看，1989—2019年库布齐沙漠植被覆盖改善面积有所增加，退化面积有所减少。从各个时段来看，1989—1994年植被覆盖以改善为主，改善面积为5 830.77 km2，改善区域主要分布在沙漠东部、西部和北部边缘，改善程度以植被覆盖度增加10%～30%为主，占改善总面积的74.51%；1994—1999年植被覆盖度基本保持不变，改善面积与退化面积相差仅有247.45 km2；1999—2004年植被覆盖以退化为主，退化面积为3 870.22 km2，退化区域主要分布在沙漠北部和南部边缘，退化程度以植被覆盖度减少10%～30%为主，占退化总面积的71.45%；2004—2009年植被覆盖以改善为主，改善面积为4 664.78 km2，改善区域主要分布在沙漠东部、北部及中部小部分地区，改善程度以植被覆盖度增加10%～30%为主，占改善总面积的78.70%；2009—2014年植被覆盖以退化为主，退化面积为6 093.59 km2，退化区域主要分布在沙漠西部和中部，退化程度以植被覆盖度减少10%～30%为主，占退化总面积的86.11%；2014—2019年植被覆盖以改善为主，改善面积达8 880.53 km2，改善区域主要分布在沙漠东部、南部和北部地区，改善程度以植被覆盖度增加10%～30%为主，占改善总面积的82.24%。

图2 库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度空间分布

图3 库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度重心迁移路径

图4 库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度变化程度

表2 库布齐沙漠1989—2019年植被覆盖度变化程度面积统计

2.4 库布齐沙漠1989—2019年气温和降水的变化

由图5可以看出，近30 a来研究区年均降水量总体呈增加趋势，年均气温虽呈上升趋势但总体较为平稳。多年平均降水量为293.45 mm，多年平均气温为7.83 ℃，其中1999—2004年年均降水量为270.01 mm，较多年平均值低23.44 mm，相应时期研究区年均气温为8.00 ℃，高于多年平均值0.17 ℃；2009—2011年年均降水量仅为237.61 mm，较多年平均值低55.84 mm，相应时期年均气温为7.86 mm，高于多年平均值0.03 ℃，虽然在2012年降水量大幅度增加，达到年均降水量最大值(411.70 mm)，但植被对降水的响应存在滞后[29]，所以1999—2004年、2009—2014年研究区处于相对干旱的时期。

3 讨论

降水和气温是影响沙漠地区植被覆盖度变化的主要气候因子[30-31]。李朝生等[32]同样研究发现库布齐沙漠影响植被的主要限制因子是水分，降水的变化对植被产生较大的影响；而气温的变化会对蒸腾作用产生影响，从而在一定程度会影响降水对植被的作用。通过研究发现，在时间变化上，库布齐沙漠植被覆盖度在1989—2019年整体呈增长趋势，平均植被覆盖度由0.104增长到0.243，这可能与近30 a研究区年均降水量总体增加，年均气温虽上升但总体较为平稳有关。研究区1999—2004年和2009—2014年植被覆盖度降低，平均植被覆盖度分别减少了0.053和0.054，退化面积分别为3 870.22和6 093.59 km2，分析其原因可能是由于1999—2004年和2009—2014年研究区处于相对干旱的时期，并且1999—2014年植被覆盖度总体呈现降低的趋势，累积平均植被覆盖度减少0.043，且变化程度以减少为主，减少面积与增加面积相差3 094.02 km2，该结论与王黎[19]所得出的2002—2013年研究区植被覆盖度提高不同，这可能是由于所采用的遥感数据时序不同以及对植被覆盖度分级划分标准不同所导致，其在时序上是以1981—2002年、2002—2013年两个时期分析植被覆盖度变化，而本文选取每5 a一个时期分析植被覆盖度变化。在空间分布上，库布齐沙漠植被覆盖度呈现由西向东、向北增加的特征，这与何亮等[33]、田海静等[34]的研究结果一致，并且郑玉峰等[35]研究得出1969—2018年库布齐沙漠降水量在空间分布上呈由西向东递增的趋势，气温在空间分布上呈由西向东降低的趋势，这与本文研究得出的库布齐沙漠植被覆盖度的空间分布特征存在一定关联。

图5 库布齐沙漠1989—2019年年均降水量、气温变化趋势

植被覆盖变化是气候、人为等多种因素共同作用的结果。研究期间“三北防护林体系”、封沙育林育草及“库布齐沙漠生态建设项目”等生态项目的建设对研究区植被覆盖度增加起到一定促进作用，但是随着经济发展及人口的增多，居民地的增加及城镇化水平的提高在一定程度上造成植被的减少[36]，并且人类活动多种多样，对植被覆盖的影响也较为复杂，所以人为因素对研究区植被覆盖的影响还需进一步研究。