2000—2021年红古区草原归一化植被指数分析

祁玉娟

（兰州市红古区林业工作站，甘肃 兰州 730080）

草原植被在维持生态系统平衡、畜牧业生产、生物多样性、碳储量等方面意义重大，但受人类活动、气候等因素影响较大[1-2]。

遥感技术时效快、范围广、时空分辨率高，被广泛应用于生态监测和定量研究[3-5]，归一化植被 指 数（normalized differential vegetation index，NDVI）由植物吸收波段和植物反射波段的遥感反射率计算而得，能够很好地反映植被分布、覆盖状况和生长状态，NDVI值越高，植被覆盖、长势等状况越好。兰州市红古区属于温带大陆性干旱气候，植被以温性草原和温性荒漠草原为主，草原生态系统相对脆弱。本研究基于NDVI数据，采用Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数法，分析2000—2021年兰州市红古区草原植被变化趋势，以期指导草原植被保护和恢复实践。

1 研究区概况

红古区位于兰州市远郊，地处甘肃省中部，地理坐标102°50′～102°54′E、36°19′～36°21′N。红古区属北温带大陆性干旱气候，年均气温7.6 ℃，年均降水227.7～349.9 mm，年均蒸发1 507.8 mm，年 均 日 照1 762～2 769 h，年 相 对 无 霜 期160～173 d。根据第三次全国国土调查数据，红古区草原面积3.61万hm2。红古区辖4镇3个街道，分别为海石湾、花庄、平安、红古镇和华龙、窑街、矿区街道。

2 数据与方法

2.1 数据及预处理

NDVI数据来自美国航空航天局发布的MODIS MOD13Q1 V006产品。下载红古区2000-2021年历月MOD13Q1产品数据，时间分辨率16 d，空间分辨率250 m，采用MODIS数据重投影工具进行格式转换与转投影，最大值合成法得到2000—2021年逐年最大NDVI数据集。采用第三次全国国土调查划定的草原分布图掩膜得到红古区草原逐年NDVI数据用于分析。

2.2 分析方法

采用GIS分区统计功能计算红古区及各镇（街道）草原区2000—2021年NDVI逐年均值；采用Theil-Sen median趋势分析计算SNDVI值，Mann-Kendall检验计算Z值，Hurst指数法计算H值[6]，分析草原生长变化趋势及特征的空间分布。参考袁丽华等人[6]的分级方案，划分NDVI时间序列变化趋势为5级：明显增加，轻微增加，稳定不变，轻微减少，明显减少。

根据H值判断NDVI序列是完全随机还是具有持续性[6-7]：0.5＜H＜1，表明时间序列具有持续性，即未来变化与过去的变化趋势一致，H越接近1，持续性越强；H=0.5，表明NDVI时间序列具有随机性，即未来变化与过去无相关性；0＜H＜0.5，表明未来的变化趋势与过去的变化趋势相反，H越接近0，反持续性越强。叠加Hurst指数法、Theil-Sen median趋势分析和Mann-Kendall检验分析结果，以揭示植被变化趋势及其持续性：1）变化趋势不确定；2）持续轻微减少；3）持续明显减少；4）持续稳定；5）持续轻微增加；6）持续明显增加。其中，变化趋势不确定包括随机（H=0.5）和变化趋势相反（0＜H＜0.5）的各种情况，具体叠加组合分级见表1。

表1 NDVI变化趋势及Hurst指数分级方案

3 结果与分析

3.1 NDVI年际变化

由图1可以看出，2000—2021年，红古区各辖区草原NDVI值变化趋势几乎一致，均呈波动增加趋势，其中矿区、窑街街道相对高于其他区域，平安镇则相对较低；波动范围0.1～0.6，幅度较大，2006、2015年为谷值，2003、2012、2018年为峰值，2018年以来下降幅度较大。2000—2021年，红古区全区NDVI值呈同样波动增加趋势，NDVI值年均增加0.007 9，R2=0.412。上述结果表明，2000—2021年间，红古区各辖区草原区植被状况均呈大幅度波动式向好变化趋势。

图1 2000—2021年红古区及各辖区NDVI值变化趋势

3.2 NDVI变化趋势分级

由表2可见，2000—2021年红古区各辖区草原NDVI值以增加为主，轻微或明显增加的面积均占绝大部分，保持稳定和轻微减少的面积仅占极少部分，均无明显减少的面积。其中，矿区、华龙2个街道，全部为增加的面积，无轻微减少和稳定不变的面积；窑街街道明显增加的面积虽然远小于轻微增加的面积，仍然远大于轻微减少的面积。上述结果表明，2000—2021年，红古区草原植被状况总体呈向好变化趋势，无明显向坏变化的现象。

表2 2000—2021年红古区草原NDVI变化趋势分级统计

3.3 NDVI变化的可持续性

由表3可见，2000—2021年间红古区草原NDVI值变化趋势不确定的面积较小，占比仅窑街街道、平安镇大于5%；各辖区均无持续明显减少的面积，持续轻微减少和持续稳定的面积均极少，占比低于0.4%；各辖区持续轻微增加和持续明显增加的面积均较大，占比分别大于14%、24%。上述结果表明，2000—2021年，红古区草原植被总体向好的变化趋势具有持续性，即未来仍呈向好变化，仅窑街街道存在较大比例的草原植被变化趋势具不确定性。

表3 2000—2021年红古区草原NDVI值变化分级的可持续性分析

4 结论与讨论

综合上述分析，2000—2021年，红古区草原植被总体呈大幅度波动向好变化趋势，无明显向坏变化现象，未来绝大部分草原植被仍将持续向好变化，仅窑街街道存在较大比例的草原植被变化趋势具不确定性，需要引以重视。

2000—2021年，红古区各辖区草原NDVI值均呈大幅度波动式增加，暗示全区草原植被脆弱敏感易变，各辖区NDVI值变化趋势一致则表明红古区草原植被变化的驱动因素相同。考虑到草原面积变化幅度较小，且随着草原保护政策的实施，对草原植被的人为干扰程度逐年降低。推测影响红古区草原植被变化的主要是气候因素，其中降水的年际变化是红古区草原植被变化的主要驱动因素。因此，在降水稀少的干旱年份，应严格控制放牧等人为因素对草原植被的干扰，以便草原生态系统休养生息，避免植被状况持续性地向坏变化现象。