龐吉林，張克斌，喬 娜，孟力猛，王海星

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.北京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京100083）

農(nóng)牧交錯區(qū)，又稱半農(nóng)半牧區(qū)，是我國荒漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[1]。在荒漠化過程中，植被因子如植被覆蓋度、生物量等的動態(tài)變化是植被生產(chǎn)力變化的重要反映，也是荒漠化過程發(fā)展或逆轉(zhuǎn)的重要指示因子，對其的準(zhǔn)確測度是建立荒漠化指標(biāo)、評價與監(jiān)測荒漠化的重要基礎(chǔ)[2]。國內(nèi)外有各種不同的評估荒漠化程度的標(biāo)準(zhǔn)，植被覆蓋是一種較流行的標(biāo)準(zhǔn)，尤其在采用遙感技術(shù)來評估荒漠化程度時，植被覆蓋是較為常用的標(biāo)準(zhǔn)，植被狀態(tài)可以較為敏感地反映出由荒漠化造成的環(huán)境改變[3]。目前，利用遙感測量植被覆蓋度的方法有許多，且日漸成熟，應(yīng)用最廣的方法是植被覆蓋度與光譜指數(shù)的相關(guān)分析法[4－5]以及回歸模型法[6]，而直接利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度是一種比較好的方法，經(jīng)校正后的模型可以推廣到大范圍地區(qū)，形成通用的植被覆蓋度計(jì)算方法[7]。

為了研究近10a干旱半干旱地區(qū)荒漠化植被變化，本文從植被蓋度入手，利用RS和GIS，以全國荒漠化定位監(jiān)測站、退耕還林示范縣、我國北方農(nóng)牧交錯帶沙質(zhì)荒漠化強(qiáng)烈發(fā)展的地區(qū)——寧夏鹽池縣為例，通過TM／ETM＋影像，在推導(dǎo)像元二分模型的兩個重要參數(shù)的基礎(chǔ)上[8]，建立NDVI估算鹽池地區(qū)植被覆蓋模型，定量分析該地區(qū)近10a植被覆蓋變化，為該地區(qū)荒漠化的定量研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，37°04′—38°10′N，106°30′—107°41′E，面積約6 740km2，北與毛烏素沙漠相連，南靠黃土高原，在地理位置上屬于一個典型的過渡地帶。地形以剝蝕的準(zhǔn)平原地形為主，全縣地勢南高北低，海拔1 295～1 951m，南北明顯地分為黃土丘陵和鄂爾多斯緩坡丘陵兩大地貌單元。該縣屬于典型中溫帶大陸性氣候，年均氣溫為8.1℃，年均無霜期為165d；多年平均降水250～350mm，從南向北、從東南向西北遞減。土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風(fēng)沙土，此外還有黃土，以及少量的鹽土、白漿土等。

鹽池縣植被在區(qū)系上屬于亞歐草原區(qū)亞洲中部亞區(qū)，中國中部草原區(qū)的過渡帶。植被類型以草原為主，間有半灌木、灌木。草原以地帶性可劃分為干草原植被、荒漠草原植被、沙生植被和隱域性（鹽生植被和草甸植被）植被4種植被類型。干草原草場主要分布在該縣南部黃土高原丘陵區(qū)以及中部的部分地區(qū)，一般海拔在1 600m以上；荒漠草原植被分布在鹽池縣北部大多數(shù)地勢平緩的地區(qū)，海拔一般在1 400～1 600m以下；沙生植被草場分布在北部鄂爾多斯緩坡丘陵的平鋪沙地，固定、半固定及流動沙丘外圍；隱域性植被主要分布在鹽池中北部，鹽堿湖、低洼地周圍和溝谷兩邊。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究選取1999年8月12日、2004年8月17日、2010年07月17日3期Landsat衛(wèi)星遙感影像（軌道號為129／034）進(jìn)行分析。這3期影像云量覆蓋少，質(zhì)量比較好，可以滿足分析需要。3期影像中1999年的為Landsat 7ETM＋數(shù)據(jù)，包含了Pan波段，Pan波段因?yàn)槠鋵挷ㄗV范圍，達(dá)到了15m的空間分辨率，可用來做分辨率融合以增加其它波段的分辨率，以便更清晰的分辨地物，因此本研究所用方法都是以這期影像為基礎(chǔ)進(jìn)行。采用ERDAS、ENVI和ArcGIS等軟件對影像進(jìn)行了幾何校正、輻射定標(biāo)（傳感器定標(biāo)）、大氣校正及圖像波段選取、波段疊加、影像融合、影像裁剪，像元的大小為30m×30m，其校正的精度控制在1個像元以內(nèi)。

實(shí)地于2010年7月25—27日在鹽池縣四兒灘、柳楊堡、哈巴湖、沙堆子4個典型樣地（典型樣地涵蓋了鹽池縣所有的植被類型）進(jìn)行了30m×30m的大樣方植被調(diào)查以對應(yīng)衛(wèi)星影像的地面分辨率，并用“遙感”的方法進(jìn)行植被蓋度的計(jì)算。具體調(diào)查方法為：沿著樣方的對角線，用相機(jī)垂直向下對地面進(jìn)行拍照，然后對照片進(jìn)行類似遙感圖像的處理，用類似植被指數(shù)的方法確定綠色植被的蓋度（普通相機(jī)沒有植被反射率最高的近紅外波段，而只有可見光波段。一般植被波譜曲線表明，植被在綠光波段有一個反射的小高峰，即是植被呈現(xiàn)綠色的原因，所以用這點(diǎn)來提取綠色植被。本研究即是采用類似NDVI的方法計(jì)算出綠光波段和藍(lán)光波段的差與和的比值，然后確定一個閾值來區(qū)分綠色植被，并計(jì)算出植被蓋度）。這樣就能更好的與從遙感衛(wèi)星影像中計(jì)算出的實(shí)際NDVI值進(jìn)行對比來反演植被蓋度。

2.2 NDVI的計(jì)算和蓋度模型的建立

歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）是一種由遙感傳感器所接收的地物光譜信息經(jīng)推算而得的反映地表植被狀況的定量值，是眾多植被指數(shù)之一，又稱標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)，定義為近紅外波段NIR（0.7～1.1μm）與可見光紅波段R（0.4～0.7μm）數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值[9]，即

式中：NIR，R——地物在近紅外和紅光波段的反射值，一般反射值可以是經(jīng)過量化后的DN值，本研究采用大氣校正過的反射值，以盡可能消除大氣對衛(wèi)星成像的影響。

本文結(jié)合了一元線性回歸分析與像元分解模型法里的像元二分模型進(jìn)行植被覆蓋度的計(jì)算。像元二分模型采用的是：

式中：Vc——植被蓋度；NDVIsoil，NDVIveg——無植被像元的NDVI值和純植被象元的NDVI值。

NDVIsoil對于大多數(shù)類型的裸地表面，理論上應(yīng)該接近于0，但由于受眾多因素影響，NDVIsoil的變化范圍通常在－0.1～0.2之間[10]。

由式（2）分子可以發(fā)現(xiàn)NDVIsoil應(yīng)為無植被與有植被覆蓋間的臨界值，因?yàn)楫?dāng)NDVI值大于此值時，計(jì)算出來的值即為正值，本研究根據(jù)衛(wèi)星影像以及實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，確定此臨界值為0.1。

結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行擬合（圖1），得到 取值為0.747，標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）和確定系數(shù)（R—square）分別為0.051和0.613。因此最后得到的植被覆蓋度反演模型為：

圖1 NDVI與植被蓋度擬合關(guān)系

3 結(jié)果與分析

本文對不同等級植被蓋度在不同時期所占的比例以及近10a的變化情況進(jìn)行了分析，這些有助于了解植被蓋度和植被長勢的變化及其驅(qū)動力，對鹽池縣荒漠化進(jìn)一步研究有也有著特殊的意義。

3.1 不同時期植被覆蓋度分析

用NDVI反演出來的植被覆蓋柵格圖計(jì)算3個時期的植被覆蓋發(fā)現(xiàn)：1999年、2004年、2010年平均蓋度分別為24.08%，26.97%和23.92%。為分析不同蓋度的植被分布，結(jié)合影像特征和實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)，將植被蓋度分為5個等級：Ⅰ（0～10%），Ⅱ（10%～25%），Ⅲ（25%～40%），Ⅳ （40%～60%）和 Ⅴ （60% ～100%），并對每一等級所占的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。

表1 鹽池縣植被蓋度分級統(tǒng)計(jì) %

鹽池縣80%以上的土地植被蓋度為10%～40%，其中又有一半左右的土地植被蓋度為10%～25%，總體植被蓋度偏低。1999年，這個比例尤為高，植被蓋度在10%～40%的土地占全縣面積的比例達(dá)到90%（表1）。結(jié)合已有研究[11－12]，將植被蓋度等級劃分為低植被蓋度（0～10%和10%～25%），中等植被蓋度（25%～40%），高植被蓋度（40%～60%和60%～100%）。

1999年、2004年、2010年3個時期相比：低植被蓋度所占的比例分別為59.61%，50.75%，62.6%，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；中等植被蓋度所占比例分別為：34.54%，34.58%，29.20%，平穩(wěn)中有所下降，且增加的趨勢不明顯；高植被蓋度所占比例分別為：5.85%，14.68%，8.2%，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。對比表明，1999至2004年，鹽池縣低植被蓋度的土地向中植被蓋度土地和高植被蓋度土地發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變面積占全縣面積的9%左右，植被覆蓋狀況明顯好轉(zhuǎn)，2004—2010年，低植被蓋度的土地面積進(jìn)一步加大，中植被蓋度和高植被蓋度土地向低值被蓋度土地發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變面積占全縣面積的12%，植被覆蓋狀況進(jìn)一步惡化。整體來看，2004年植被覆蓋情況最好，覆蓋度為26.97%，其次是1999年，植被覆蓋度為24.08%，2010年植被覆蓋度最差，為23.92%（圖2）。

圖2 不同年份鹽池縣植被蓋度分級

3.2 植被覆蓋度變化原因分析

影響植被覆蓋度的因素有人為因素、自然因素[13－14]和 遙 感 影 像 誤 差 。 以 往 的 研 究 顯 示[15]，鹽 池縣1981—2002年、1981—2006年人類活動對土地沙漠化的貢獻(xiàn)率分別為72.22%和57.82%，表明人類活動對土地沙漠化的發(fā)生起著主導(dǎo)作用。自然因素對土地荒漠化的貢獻(xiàn)率次于人類活動分別為16.57%和32.40%。土地荒漠化的過程和植被覆蓋度變化有著密切的聯(lián)系，因此在研究植被覆蓋變化時，上述人類活動和自然因素的貢獻(xiàn)也是適用的。

3.2.1 人為因素 人為因素是造成鹽池縣植被覆蓋變化的主要原因。3期影像顯示，1999年、2004年、2010年3a植被覆蓋度先增加后降低。隨著人口的快速增長，鹽池縣農(nóng)牧民過度放牧、墾殖，使得當(dāng)?shù)夭輬龊蛦坦嗄驹獾搅藝?yán)重的破壞[16]，在1999年影像中顯現(xiàn)的低植被覆蓋度到了2004年，有了明顯的好轉(zhuǎn)，其原因是自2002年11月1日開始，鹽池縣實(shí)行全縣禁牧。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年羊只存欄（45.2萬只）明顯少于1999年羊只存欄（50.5萬只），人為因素對荒漠化的貢獻(xiàn)率減弱了14.4%[14]，這對于植被恢復(fù)起到巨大的作用，全縣范圍內(nèi)基本上杜絕了放牧現(xiàn)象，這極大地促進(jìn)了草原建設(shè)，有效地遏制了土地荒漠化。

3.2.2 氣候因素 降水是制約干旱區(qū)植被生長的主要因素。降水量影響土壤水分變化，土壤水分影響植物的生長狀況。5—7月的降水量與灌木密度和植物總蓋度之間存在正相關(guān)關(guān)系，因此5—7月的降水量和土壤水分是限制當(dāng)?shù)鼗哪脖幻芏取⑸w度的關(guān)鍵因子[17]。

1999年、2004年、2010年鹽池縣的降水量分別為294.7，282.2，243.7mm，如圖3所示。5—9月份降雨占據(jù)多年平均年降雨量的80%以上。1999年降水量多于2004年，但植被蓋度低于2004年，究其原因?yàn)樽匀灰蛩貙χ脖桓采w度的影響低于人為因素。2010年植被覆蓋狀況受降雨影響比較顯著，同2004年一樣，均是在全縣封育以后，但降雨量少，尤其是7月份（僅為3.3mm），明顯低于2004年，這是造成2010年植被蓋度低于2004年的主要原因。

圖3 鹽池縣1999－2010年降水量變化

4 結(jié)論

（1）從3期遙感影像分析可以得出，鹽池縣1999年、2004年、2010年平均植被蓋度分別為24.08%，26.97%，23.92%，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢；進(jìn)一步分析，3個時期低植被蓋度所占的比例分別為59.61%，50.75%，62.6%，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；中等植被蓋度所占比例分別為34.54%，34.58%，29.20%，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且增加的趨勢不明顯；高植被蓋度所占比例分別為5.85%，14.68%，8.2%，先增加后減小。

（2）分析鹽池縣近年來植被覆蓋變化的原因，人為因素是影像植被覆蓋度變化的主導(dǎo)因素，2002年的封育使得鹽池縣2004年的植被覆蓋狀況比1999年有所好轉(zhuǎn)，降雨等因素是鹽池縣植被變化的主要原因，在同樣采取封育措施的情況下，2010年植被覆蓋度比2004年低；進(jìn)一步分析得出封育禁牧對植被恢復(fù)起到了很大作用，使得低值被蓋度向中、高植被蓋度轉(zhuǎn)變，但同時自然降水又導(dǎo)致植被狀況在相同封育條件下變差，植被狀況出現(xiàn)退化，使植被覆蓋度降低。

（3）鹽池縣2010年植被覆蓋度比2004年低，不僅僅是因?yàn)榻涤暝?，更主要的可能還是人為因素，有研究[18]表明，草場封育一定年限后，如果不進(jìn)行合理的利用，植被狀況反而會有所變差，因此封育超過一定年限也可能會造成植被覆蓋度的降低。如果封育到一定程度，對植被加以合理的開發(fā)利用，能使植被狀況維持在良好的循環(huán)之中。另外，自從2002年鹽池全縣封育以來，對植被的人為管理尚存在著漏洞，隨著封育年限的延長，管理力度也可能隨之減弱。人為因素對植被覆蓋變化影響的定量化研究、草場被人們利用的最佳封育年限以及管理等幾個方面還有待進(jìn)一步研究。

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