甘小莉，郝玉培，翟永洪，王建榮，巢世軍，劉錄三

（1.中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì) 學(xué)術(shù)交流部，北京100835；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；3.青海省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，西寧810007；4.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的日益突出，區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變研究成為生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而近年來(lái)我國(guó)流域生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化，成為我國(guó)區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變研究的重點(diǎn)地區(qū)之一［1］。植被是生態(tài)環(huán)境中最重要、最敏感的自然要素，植被覆蓋變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重要影響［2］。植被指數(shù)（NDVI）的變化能夠揭示環(huán)境的演化［3］。在遙感圖上，植被信息主要通過(guò)綠色植物葉子光譜特征的差異及動(dòng)態(tài)變化來(lái)反映，由于紅光和紅外波段包含90%以上的植被信息，通常利用植物光譜中近紅外與可見(jiàn)光紅光兩個(gè)最典型的波段值來(lái)估算植被指數(shù)［4］。因此，NDVI可以簡(jiǎn)單地理解為近紅外波段和可見(jiàn)光波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段值之和的比值［5］，主要反映了植被在可見(jiàn)光、近紅外波段反射與土壤背景之間差異的指標(biāo)，且隨著時(shí)間的變化與植被及作物的物候信息呈現(xiàn)一定的規(guī)律性［6］。－1≤NDVI≤1，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、沙等；0表示有巖石或裸土等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大［7］。NDVI時(shí)間序列是研究作物植被變化的重要因子，呈現(xiàn)明顯周期性和動(dòng)態(tài)連續(xù)性，選取以旬或月時(shí)間間隔的NDVI，從時(shí)間曲線上能直觀看出植被的季節(jié)性變化規(guī)律以及空間分布變化情況，過(guò)去多基于NOAA NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品對(duì)植被長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空變化特征進(jìn)行研究［8－10］。由于MODIS數(shù)據(jù)在空間、光譜分辨率上優(yōu)于NOAA，因此本文通過(guò)對(duì)MODIS時(shí)序植被指數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)內(nèi)植被空間、時(shí)間變化的比較和植被的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，遙感手段被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋變化的研究中，而NDVI是研究植被覆蓋變化的良好指標(biāo)。植被指數(shù)遙感為大面積監(jiān)測(cè)植被狀況的演化過(guò)程提供了技術(shù)可能。在大、中尺度的區(qū)域研究中，遙感方法是研究生態(tài)環(huán)境宏觀變化趨勢(shì)的重要空間技術(shù)［11］。巴音河流域是柴達(dá)木盆地生物多樣性最為豐富的地區(qū)，對(duì)維護(hù)區(qū)域生物多樣性起著關(guān)鍵作用，具有不可替代的生態(tài)區(qū)位價(jià)值。李健等［12］從水現(xiàn)狀和近遠(yuǎn)期用水規(guī)劃出發(fā)，分析探討了流域水資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)生態(tài)與環(huán)境產(chǎn)生的影響；嚴(yán)應(yīng)存等［13］用灰色關(guān)聯(lián)度法分析了巴音河流域土地利用和土地覆蓋現(xiàn)狀、18a來(lái)的變化趨勢(shì)及氣候驅(qū)動(dòng)，并定性分析了社會(huì)驅(qū)動(dòng)；郭海英等［14］分析了巴音河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，并提出生態(tài)修復(fù)的對(duì)策及措施；哈斯等［15］通過(guò)巴音河流域基本情況及水利發(fā)展現(xiàn)狀的分析，提出流域保護(hù)開(kāi)發(fā)利用對(duì)策。上述研究有助于了解巴音河流域生態(tài)環(huán)境的基本情況，但目前關(guān)于巴音河流域植被覆蓋變化方面的研究較少，希望本次研究可以對(duì)巴音河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到一定的參考作用。

1 研究區(qū)概況

巴音河流域位于海西州德令哈市境內(nèi)，地處柴達(dá)木盆地東北邊緣，北以野牛脊山、哈爾科山與哈拉湖盆地分隔，東與布赫特山相連，南至阿木尼克山—巴音山一線，西以伊克達(dá)坂山與塔塔棱河水系相隔，位于北緯36°53′—38°11′，東經(jīng)96°29′—98°08′，流域面積約為17 608km2。巴音河流域內(nèi)常年有水的河流主要是巴音河和巴勒更河，巴音河是德令哈市境內(nèi)的最大河流，也是柴達(dá)木盆地的第四大河流。巴音河、巴勒更河經(jīng)過(guò)幾番潛流和溢出后，最終匯入下游的可魯克湖、托素湖和尕海，河流和湖泊共同構(gòu)成一個(gè)完整的內(nèi)陸河水系，稱為可魯克湖—托素湖—尕海水系?？婶斂撕娣e為58.03km2，是柴達(dá)木盆地最大的淡水湖［16］。流域氣候?qū)俚湫偷母咴哪牖哪珊禋夂颍?］，據(jù)德令哈氣象站多年資料，年均氣溫為4℃，多年平均降水量159.40mm，年均蒸發(fā)量約2 146.20mm。流域內(nèi)分布有河口、河流、淡水湖、沼澤、咸水湖等多種濕地類型，水陸過(guò)渡特征明顯，生境類型多樣，是柴達(dá)木盆地生物多樣性的主要聚集區(qū)［17］。巴音河流域是生態(tài)較為脆弱的區(qū)域，該區(qū)域主要為沙地草原類型。境內(nèi)植被類型主要有小嵩草、草甸、芨芨草草原、紫花針茅草原及白刺、枸杞荒漠和蘆葦鹽生草甸等。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

遙感數(shù)據(jù)因遙感平臺(tái)、傳感器、遙感方式的不同，使遙感信息具有多源性。MODIS植被指數(shù)（VI，Vegetation－Index）產(chǎn)品可用于比較全球植被狀況的空間和時(shí)間一致性，以此監(jiān)測(cè)地球陸地進(jìn)行光合作用植被的活躍程度。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品包括：分辨率為250m的NDVI（8日、16日及月度產(chǎn)品）；分辨率為1km的NDVI，EVI（8日、16日和月度產(chǎn)品）；分辨率為250m的NDVI、EVI（8日、16日和月度產(chǎn)品）。

本次研究采用NASA全球數(shù)據(jù)中心16d合成全球250m的NDVI數(shù)據(jù)，它是美國(guó)新一代地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）發(fā)射的衛(wèi)星 Terra（AM－1）和 Aqua（PM－1）上裝載的中分辨率成像光譜儀 MODIS（Moderate－resolution Imaging Spectrometer）生 成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，基于過(guò)程模型（BEPS模型）而生成的全球標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù) MOD13Q1，所用數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2002年1月—2012年12月，每年23景數(shù)據(jù)，11a共253景。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

首先，在 MRT軟件中提取2002—2012年的MODIS－NDVI數(shù)據(jù)，在ArcGIS中進(jìn)行字段統(tǒng)計(jì)，得到2002年每月NDVI的平均值，并對(duì)每月平均NDVI值繪制成折線圖（圖1）。從圖1中可以看出，巴音河流域植被6—9月是一年中植被最好的生長(zhǎng)季節(jié)，且在7月達(dá)到最大值。所以以7月份為代表，分析11a來(lái)巴音河流域的植被變化情況。

然后，將每年7月份的2景MOD13Q1數(shù)據(jù)在ArcGIS中用柵格計(jì)算器進(jìn)行最大合成，得到2002—2012年每年7月份的植被指數(shù)分布。

圖1 2002年月平均NDVI分布

最后，對(duì)于各年7月份的NDVI采用一元線性回歸趨勢(shì)分析方法［18］分析巴音河流域植被的時(shí)間變化特征。一元線性回歸可以模擬每一個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，其公式為：

式中：n——年數(shù)（本文中n＝11）；MNDVI，i——計(jì)算時(shí)間段中第i年的NDVI值，如i＝1時(shí)，MNDVI1為2002年的NDVI值，i＝2時(shí)，MNDVI2為2003年的NDVI值，以此類推。計(jì)算得出的斜率Qslope可以反映在2002—2012年的11a時(shí)間序列中巴音河流域的NDVI變化總趨勢(shì)。若Qslope＞0，則表明植被變化是趨向良性的；若Qslope＜0，則表明植被變化是逐步惡化的；Qslope＝0則表明植被生長(zhǎng)趨勢(shì)基本不變。

通過(guò)分析巴音河流域 MODIS－NDVI斜率變化分布圖（圖2）可知，近11a來(lái)巴音河上游附近部分植被退化較嚴(yán)重，下游部分地區(qū)植被生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好；可魯克湖周圍除少數(shù)植被呈增長(zhǎng)趨勢(shì)外，大部分植被呈退化趨勢(shì)；托素湖附近植被有明顯增加趨勢(shì)；其余大部地區(qū)植被整體變化不大。此外，從NDVI斜率變化散點(diǎn)分布圖（圖3）可以看出，斜率變化率介于－0.04～0.04，表明在巴音河流域整個(gè)范圍內(nèi)陸地植被朝良性與惡化方向變化基本相當(dāng)，處于正態(tài)分布狀態(tài)，但是變化幅度非常小。

圖2 巴音河流域近11a間NDVI斜率變化空間分布

圖3 巴音河流域近11a間NDVI斜率變化率散點(diǎn)分布

3 NDVI影響因素分析

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，植被的生長(zhǎng)受各種因素的影響和制約，如土壤質(zhì)地、地形地貌、地下水埋深、氣候因素等，通常情況下在分析同一地區(qū)植被的逐年變化時(shí)，氣候條件如降雨、氣溫和蒸發(fā)是其主要影響因素。考慮到實(shí)際資料和文章篇幅大小，本文只分析降雨和氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。

3.1 降雨

本文根據(jù)德令哈市氣象站2002—2011年的降雨量數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的年均NDVI值，從圖4可以看出，年平均降水量與植被覆蓋度之間的相關(guān)性很差，相關(guān)系數(shù)僅為0.03，由此可知巴音河流域年降雨量對(duì)植被變化的影響不是很大。這主要是因?yàn)椋涤觌m然能作為流域內(nèi)的一種補(bǔ)給源，但是由于巴音河流域蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，降雨根本無(wú)法達(dá)到能夠影響植被發(fā)育的下限值。另外，隨著農(nóng)用器械的更新，在植被區(qū)人為灌溉等因素的影響越來(lái)越占有更大的比重，所以年降水量對(duì)植被的影響很小。

3.2 氣溫

根據(jù)氣象站2002—2011年的年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)與歷年的平均NDVI值做二者散點(diǎn)圖，如圖5所示。

圖4 歷年降水量與NDVI相關(guān)關(guān)系分析

圖5 歷年溫度與NDVI相關(guān)關(guān)系分析

從圖5可以看出，歷年年均NDVI與年均氣溫之間的相關(guān)關(guān)系不是很明顯，2002—2011年年均氣溫有小幅增加，但年均NDVI呈上下浮動(dòng)趨勢(shì)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.06，進(jìn)一步說(shuō)明這二者變化沒(méi)有什么相關(guān)性。該結(jié)果與薛忠岐、孫智輝等［19－20］的研究結(jié)果年均氣溫對(duì)NDVI值影響較小的觀點(diǎn)相一致。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)巴音河流域近11a來(lái)植被的植被指數(shù)及其變化率的分析可知，在巴音河流域整個(gè)范圍內(nèi)陸地植被生態(tài)系統(tǒng)基本保持著比較持續(xù)的平衡狀態(tài)，但因?yàn)镹DVI值持續(xù)處于非常低位的狀態(tài)，所以這種平衡狀態(tài)是一種非常脆弱的平衡狀態(tài)；通過(guò)對(duì)植被指數(shù)影響因素的分析，表明溫度和降雨對(duì)巴音河流域植被生長(zhǎng)影響不大。

植被是控制和減弱水土流失的有效措施，具有保持水土的作用。大量研究表明，植被覆蓋度與土壤流失量密切相關(guān)［21］。面對(duì)巴音河流域植被分布的這種脆弱狀態(tài)，建議相關(guān)部門(mén)提出保護(hù)對(duì)策，實(shí)施有效的保護(hù)措施，比如封山育林、人工造林、飛播造林、圍欄封育等，使巴音河流域植被向良性發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。另外，影響植被生長(zhǎng)的不僅是氣象因素，由于溫度和降雨對(duì)此流域植被影響較小，由此推斷地形地貌和其他外界條件可能對(duì)研究區(qū)植被影響較大，有興趣的學(xué)者可做此方面研究。

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