常 進，張克斌，邊 振，程中秋，王黎黎，肖紅霞

（北京林業(yè)大學 水土保持學院 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083）

植被是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶。地表植被對全球的能量平衡、生物化學循環(huán)、水循環(huán)等起著調(diào)控作用，對氣候系統(tǒng)變化有著深遠的影響，是影響全球生態(tài)變化的主要驅(qū)動因子，同時植被也具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學的良性循環(huán)［1－4］，因此植被動態(tài)變化研究在區(qū)域乃至全球變化研究中具有重要意義。

荒漠化（特別是風蝕荒漠化）在很大程度上表現(xiàn)為植被的退化，因此植被的動態(tài)變化可以反映荒漠化的動態(tài)變化。“土地荒漠化監(jiān)測方法”國家標準（GB/T 20483—2006）中，將自然植被作為荒漠化過程監(jiān)測最重要的因子，并且將“植被蓋度”規(guī)定為荒漠化評價的重要指標之一［5］。研究植被覆蓋的動態(tài)變化可以探知荒漠化的動態(tài)變化。研究植被變化與氣候因子（降水、氣溫）的關(guān)系可以在一定程度上了解荒漠化與氣候因子（降水、氣溫）之間的關(guān)系，有利于開展荒漠化動態(tài)變化的遙感研究。

NDVI（nor malized difference vegetation index，歸一化植被指數(shù)）對植被長勢和生長量非常敏感，能很好地反映地表植被的繁茂程度，NDVI的變化趨勢在一定程度上能代表地表植被覆蓋變化［6－9］。目前，國內(nèi)外關(guān)于NDVI與氣候因子的相互關(guān)系開展了較多研究，認為NDVI與主要氣候因子有顯著的相關(guān)性，但是其相關(guān)性存在明顯的地域性。不同區(qū)域的研究結(jié)果差別較大［10－15］。由于國內(nèi)的大量研究中，對高寒荒漠化地區(qū)的研究相對較少，為此我們選擇了青海都蘭縣為研究對象，并結(jié)合國家防沙治沙關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗示范項目，以高寒沙地退化植被恢復技術(shù)研究與試驗示范課題為基礎(chǔ)。通過對都蘭縣2000—2009年NDVI與氣候因子的相關(guān)研究，反映我國高寒荒漠化地區(qū)植被變化與氣候因子的關(guān)系，為深入了解高寒荒漠區(qū)植被的生態(tài)狀況，為高寒地區(qū)的土地資源持續(xù)利用以及退化草地的植被恢復提供一些參考依據(jù)，為高寒區(qū)土地合理規(guī)劃和荒漠化的防治提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

都蘭縣位于青海省中部，柴達木盆地東南部，地理坐標為東經(jīng)95°29′—99°16′，北緯35°15′—37°27′之間。地勢由東南向西北傾斜，全境可分為汗布達山地和柴達木盆地平原2種地貌類型。境內(nèi)有沙柳河、托索河、察汗烏蘇河等大小河流40多條。

該區(qū)屬高原大陸性氣候，日差較大，年差較小，太陽輻射強，太陽輻射157.7～177.7 KJ/c m2，日照時間長，降雨地區(qū)差異大。氣溫年內(nèi)變化1月最低為－15～10℃，7月最高為9～19.3℃，極端最低氣溫－39.2℃，極端最高氣溫33.9℃，年平均日較差12.6℃，年較差23.9～29.7℃，且西部大于東部。

降水量總的趨勢是隨海拔高度的增加而遞減，降水時空分布不均，平原區(qū)降水在37.9～200.5 mm。年蒸發(fā)2 049.6 mm，境內(nèi)平均風速3.0～3.7 m/s。3—5月份是大風的集中季節(jié)。年日照時數(shù)在2 903.9～3 252.6 h，全年平均日照數(shù)為7～10 h。降水較少且集中在5—9月，表現(xiàn)出雨熱同季，有利于農(nóng)作物和牧草的生長。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 NDVI數(shù)據(jù) 所用到的 NDVI數(shù)據(jù)集為NASA MODIS陸地產(chǎn)品組根據(jù)統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品。本研究所用的MODIS產(chǎn)品為其陸地產(chǎn)品系列中的MODIS13 A1005，即全球500 m分辨率16 d合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，時間序列為2000年1—12月。對所獲得的MODIS13 A1遙感數(shù)據(jù)集進行子集提取、圖像鑲嵌、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗等預處理，這些處理可以采用MODTOOL.BAT以及ERDAS進行，經(jīng)過以上處理得到質(zhì)量可靠的NDVI數(shù)據(jù)集。對每月2次的NDVI數(shù)據(jù)采用了國際通用的最大值合成MVC（maxi mu m value co mposites）法獲得，進一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾。

式中：INDVImi——第i個16 d周期的NDVI最大合成值；INDVIij——第i個16 d周期第j天的NDVI值。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù) 2000—2005年的都蘭氣象數(shù)據(jù)來源中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。2006—2009年都蘭縣的氣象數(shù)據(jù)來源于察汗烏蘇水文站以及都蘭氣象站，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括每日最高氣溫、每日最低氣溫，日平均氣溫、月平均氣溫、月降水量等。對缺失數(shù)據(jù)進行插值處理，取前后2 d數(shù)值的平均值。如果缺失值達到10 d左右，則將該月數(shù)據(jù)剔除。對原始數(shù)據(jù)進行整理，求出月平均氣溫、月平均降水量等。

2.2 處理方法

2.2.1 均值法 在統(tǒng)計研究區(qū)域的NDVI值時，采用均值法進行計算，即統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)所有像元NDVI值的平均，公式如下：

式中：INDVap——某一區(qū)域的NDVI的平均值；p——區(qū)域代碼；x——統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)像元行數(shù)；y——統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)像元列數(shù)；n——統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)像元總數(shù)。

2.2.2 一元回歸趨勢線法 趨勢線是對一組隨時間變化的變量進行回歸分析，預測其變化趨勢的方法［16－17］。本文通過計算植被生長旺盛時期的每個像元10 a的YNDVI，用趨勢線分析法模擬該像元 值在10 a間的變化趨勢，即植被覆蓋的年際變化，公式如下：

式中：k——1－n的年序號；Y k——第k年 NDVI平均值（本文選取的是第k年植被生長旺盛的8月的NDVI平均值）。變化趨勢圖反映了在研究時間范圍內(nèi)的時間序列中，研究地區(qū)NDVI的年際變化趨勢。某像元的趨勢線是該點n年的生長旺季NDVI平均值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢，slope即為這條趨勢線的斜率。slope＞0，表示NDVI在n年間的變化趨勢是增加的，反之則減少。

2.2.3 相關(guān)分析法 綜合運用SPSS，EXCEL等軟件對NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性進行檢驗，討論結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 都蘭縣NDVI變化特征

3.1.1 NDVI的年內(nèi)變化特征 通過對2000—2009年都蘭縣各月的NDVI求平均值，得到2000—2009年都蘭縣1—12月的各月平均NDVI值（圖1）。圖1顯示，1—5月的NDVI值變化不明顯，1月的NDVI值最小，只有0.045，其它各月在0.05～0.10區(qū)間緩慢地波動增加。1—5月由于平均氣溫低，同時降雨稀少，此時植被生長受到抑制，NDVI值很低，5月以后，降雨的增加有利于植被的生長，NDVI迅速增加，5—7月增加速度尤為明顯，到7月NDVI的增加開始變緩，8月NDVI達到全年最大，即夏季的8月是都蘭縣植被最旺盛的月份。從8月開始到第二年的1月，NDVI則持續(xù)下降?？偟膩砜?，都蘭縣植被的總體水平不高，NDVI最大值達0.22，NDVI值的年內(nèi)變化具有很強的季節(jié)性，月均NDVI變化顯著。

圖1 都蘭縣2000－2009年各月平均NDVI的變化

3.1.2 NDVI的年際變化特征 2000—2009年間，都蘭縣年均NDVI總體呈略微上升趨勢（圖2），上升速率為0.002 9 a。2000—2005年NDVI值在波動中上升，到2005年NDVI值達到10 a來最大值0.201 1，說明2000—2005年植被狀況是逐漸改善的；2005—2009年NDVI值呈下降趨勢，說明植被退化面積有所增加?？傮w而言，都蘭縣的植被狀況改善速度相對緩慢，建議加強植被恢復管理。

圖2 都蘭縣2000－2009年年均NDVI的變化

為了更加明確NDVI的年際空間變化，本文采用一元回歸趨勢線法計算得出的2000—2009年都蘭縣NDVI變化的趨勢圖slope的變化范圍為－0.035 2～0.058 9，平均值為0.002 9，方差為0.004 9。為了使趨勢圖中不同級別的slope都得以體現(xiàn)，將slope進行了系統(tǒng)的分類（圖3）。

圖3 2000－2009年都蘭縣NDVI變化趨勢分類圖

由圖3得出，全縣植被改善和退化的面積比例約為5∶1，其中植被狀況明顯改善的面積占全縣面積的39.71%，植被退化區(qū)面積占全縣面積的17.74%。由于柴達木河的中上游地段人類活動頻繁，河岸帶的大片區(qū)域出現(xiàn)了植被退化的現(xiàn)象，而在柴達木河河岸緩沖帶的外圍至柴達木盆地的邊緣地區(qū)，因人為干擾強度不大，植被狀況有轉(zhuǎn)好的趨勢。在查查河、察汗烏蘇河以及柴達木河下游的大片區(qū)域，植被狀況總體改善趨勢明顯，但是在該區(qū)域夾雜著植被退化零星地帶，一方面說明自“國家防沙治沙關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗示范項目”開展以來取得了顯著的成效，另一方面也說明人為活動造成部分區(qū)域植被退化，建議在這些區(qū)域加強植被保護。

3.2 都蘭縣NDVI變化的主要因子分析

3.2.1 自然因子 都蘭縣2000—2009年的各月平均降雨和氣溫以及各年平均降雨和氣溫的統(tǒng)計情況如圖4—5所示。

圖4 都蘭縣10 a各月平均降雨量和月平均氣溫變化

圖4顯示了都蘭縣多年來各月降雨和氣溫的分布狀況。可以看出全年各月氣溫位于0℃以上的為4—10月，全年氣溫最高月出現(xiàn)在7月份，氣溫最高月與最低月相差達25.03℃，氣溫起伏變化幅度大；降雨則有明顯的旱季和雨季之分，5—9月的降雨量占了全年降雨量的84%，其余各月降雨量稀少。由圖4可以得知，都蘭縣5—9月份滿足了植被所生長的水熱條件，有利于植被的恢復和生長；降雨和氣溫的擬合曲線顯示，2000—2004年都蘭縣降雨量的變化幅度較大，2004—2009年降雨量變化趨于平緩，近10 a來降雨量總體呈增加趨勢。10 a來氣溫則經(jīng)歷了逐漸下降然后上升的過程，總體有相對較小的上升趨勢；降雨的上升趨勢大于氣溫的上升趨勢。本文對都蘭縣降雨和氣溫相關(guān)性進行分析，得出如下數(shù)據(jù)表格（表1）。

表1顯示NDVI與年平均降雨、5—9月降雨量的相關(guān)性顯著（p＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為0.632，0.705，相關(guān)系數(shù)5—9月的降雨量＞年平均降雨，表明5—9月的降雨量直接影響著該年的植被生長。NDVI與5—9月的氣溫相關(guān)性極顯著（p＜0.01），結(jié)合圖4中5—9月的月平均氣溫均＞10℃，表明5—9月的降雨量對植被生長的影響比氣溫小。氣溫的快速回升，前期有利于植被生長，隨著后期氣溫的持續(xù)回升，土壤的蒸發(fā)量變大，又不利于植被的生長。從以上分析可以看出，5—9月的氣溫和降雨是影響都蘭縣NDVI變化的2個主導因素。

圖5 都蘭縣2000－2009年平均氣溫與年平均降雨擬合曲線

表1 NDVI與降雨和氣溫之間的相關(guān)系數(shù)

3.2.2 人為因素 影響都蘭縣NDVI變化的另外一個重要因素是人為因素——荒漠化治理措施?！笆濉币詠泶罅訌娚鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)，全面實施退耕還林（草）、“三北”四期防護林等生態(tài)建設(shè)，先后在都蘭縣建立了許多人工示范點，如青岡灘示范點、安固灘人工封育示范點和夏日哈綜合示范點等，使全縣生態(tài)環(huán)境狀況得到了明顯改善。據(jù)統(tǒng)計，全縣完成退耕還林（草）2.25×104h m2，其中退耕地造林種草3 133.3 h m2，周邊荒灘荒地造林種草1.34×104h m2，封沙育林育草6 000 h m2，累計人工造林2 333.3 h m2，完成封沙育林育草1.06×104h m2。同時廣泛開展全民義務(wù)植樹活動，進一步擴大了全縣綠地覆蓋面。這些措施對于荒漠化防治起到了極大的作用。

通過示范區(qū)的實施，采用草場封育、沙障設(shè)置、改良草種、固定沙丘等手段，改善了牧區(qū)生態(tài)環(huán)境，并使示范區(qū)內(nèi)植被覆蓋度提高15%～25%，使原先脆弱的生態(tài)環(huán)境得到有效的保護。通過不間斷的改造和管護逐步使自然生態(tài)良性發(fā)展，改善了當?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）都蘭縣NDVI變化具有明顯的季節(jié)性，5—9月的NDVI值較大，有利于植被的恢復和生長，可人為采取一系列措施加快植被恢復速度。

（2）2000—2009年，都蘭縣植被總體狀況逐漸改善，年均NDVI總體上以0.002 9 a的速率上升。

（3）在自然和人為因素的雙重影響下，都蘭縣的植被狀況有所改善，全縣39.71%的面積植被明顯改善，主要位于查查河、察汗烏蘇河以及柴達木河下游的大片區(qū)域；全縣17.74%面積出現(xiàn)植被退化，主要位于柴達木河中上游河岸周圍的廣大區(qū)域，荒漠化治理有待進一步加強。

（4）氣溫和降雨是影響該區(qū)的主導自然因子，5—9月的降雨量與NDVI顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.705；5—9月的氣溫與NDVI極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到－0.894，5—9月的氣溫對NDVI的影響強于降雨。

（5）本文將氣象要素作為自然因子對同時期的NDVI進行了相關(guān)分析，由于資料的時間跨度不夠長，NDVI的變化與自然因子的內(nèi)在聯(lián)系有待進一步研究，同時植被明顯改善地區(qū)出現(xiàn)的零星區(qū)域植被退化現(xiàn)象有待進一步的調(diào)查研究。

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