朱世忠

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，太原，030012)

基于遙感的晉北沙化區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測1)

朱世忠

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，太原，030012)

以山西省晉北沙化區(qū)為研究區(qū)，基于長時序的歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)和趨勢分析方法，從年份、季節(jié)和月份3個尺度系統(tǒng)分析了研究區(qū)的植被變化時空特征。研究發(fā)現(xiàn)：2000—2012年晉北沙化區(qū)的植被活動在增強，年增加率為14.61%，研究區(qū)89.57%的區(qū)域植被活動在增強，其中秋季植被活動增強最為明顯，表明近13 a晉北地區(qū)的土地沙化趨勢在減弱，在該區(qū)實施的京津風沙源治理工程的生態(tài)效應正在呈現(xiàn)。但研究區(qū)整體植被覆蓋仍較低，69.93%的區(qū)域為較少植被區(qū)。因此，京津風沙源治理工程在該區(qū)需繼續(xù)實施，才能保證植被恢復到理想的狀態(tài)。

植被動態(tài)；長時間序列；歸一化植被指數(shù)；晉北沙化區(qū)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是其中最為活躍和敏感的因子，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中溫室氣體濃度上升等方面具有不可替代的作用[1]。20世紀以來，在氣候變化和人類活動的共同作用下，植被變化過程日趨復雜，在生態(tài)脆弱區(qū)開展植被變化的動態(tài)監(jiān)測，對于正確理解植被變化與氣候變化之間的相互作用，加深人類活動對植被變化的影響的認識都具有重要的科學意義[2-4]。荒漠化在一定程度上表現(xiàn)為植被退化、植被蓋度、生物量、凈初級生產(chǎn)力NPP等的動態(tài)變化，均是荒漠化過程中植被生產(chǎn)力的重要反映，也是荒漠化過程發(fā)展或者逆轉(zhuǎn)的重要指示因子[5-7]。因此，植被動態(tài)變化在一定程度上可以反映荒漠化的動態(tài)變化，研究植被變化可以探知荒漠化的動態(tài)變化。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)成為對植被變化進行監(jiān)測最方便快捷且行之有效的手段。研究長時間序列的歸一化植被指數(shù)(NDVI)變化是研究植被變化的主要途徑[8-10]。目前，國內(nèi)外學者利用長時序的NDVI變化在對荒漠化動態(tài)方面做了不少研究[11-13]。例如，樸世龍等[13]利用NDVI分析了1982—1999年中國荒漠化區(qū)NDVI的年際變化，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)的NDVI在上升，表明我國的荒漠化面積在減少。

山西省晉北沙化區(qū)是我國北方生態(tài)脆弱農(nóng)牧區(qū)的重要組成部分，也是我國較為重要的防沙、治沙工程試點之一[14-16]。2000年以來，我國在該區(qū)實施了著名的京津風沙源治理工程。目前工程的一期建設已完畢，迫切需要對該區(qū)工程實施的生態(tài)效益進行評估。因此，研究晉北沙化區(qū)的植被變化不僅為生態(tài)脆弱區(qū)的植被變化提供理論依據(jù)，也可為京津風沙源治理工程在該區(qū)的生態(tài)效益評估提供一定的科學依據(jù)，也為二期工程的規(guī)劃決策提供科學依據(jù)，具有重要的科學意義和現(xiàn)實指導意義。

1 研究區(qū)概況

晉北沙化區(qū)為山西省土地沙化較為嚴重的地區(qū)，行政區(qū)范圍包括大同市的南郊區(qū)、新榮區(qū)、渾源縣、大同縣等，朔州市的平魯區(qū)、右玉縣、應縣等，忻州市的偏關縣、河曲縣、五寨縣、繁峙縣、代縣等，共計20個區(qū)縣(圖1)，國土面積約為3.18萬km2。全區(qū)平均海拔在1 500 m，黃土普遍分布，地勢種類繁雜多樣。該區(qū)是我國黃土高原最為重要的部分，也是山西省資源、礦產(chǎn)等自然資源的集中分布區(qū)，人類的活動對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的干擾較為劇烈。該區(qū)屬溫帶氣候，溫差較大、干旱且常年多風沙。年平均溫度為6.2 ℃，年光照時間為2 300～2 900 h。全年平均降水量為425 mm，首要月份主要聚集在6—9月，年水蒸發(fā)量為1 700～2 300 mm，濕度為50%～60%，≥8級的風沙時間年平均在30 d。地區(qū)性植被已被重度損壞，地帶性植被已被完全破壞，當代地表景觀以亞熱帶半干旱草原與部分半濕潤森林草原為中心。大多數(shù)現(xiàn)有的植被多以1年生灌木和草類為主[14-16]。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

本文所采用的NDVI數(shù)據(jù)為2000—2012年的中分辨率成像光譜儀(MODIS)逐月1 km NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD13A3)。MODIS數(shù)據(jù)集由美國宇航局LPDAAC下載，每個時段覆蓋研究區(qū)的產(chǎn)品包括3個景據(jù)(h26v04，h27v04，h26v05)，研究中采用MRT(Modis二次投影工具)對3個景數(shù)據(jù)進行批量的拼接和裁剪處理。年NDVI平均值由12個月中月INDV≥0.05得到[17-18]。計算公式如下：

(1)

式中：i為月份，INDVi為1—12月的各月NDVI的值。

2.1 植被綠度變化率

本研究采用植被綠度變化率(GRC)方法研究晉北沙化區(qū)的植被變化[19]。該方法的定義為某個時間段內(nèi)年際變化最小次方線性回歸代數(shù)方程的回歸系數(shù)，其表達式如下：

(2)

翻模結(jié)構(gòu)為外模采用5mm鋼板做面板、布置間距50cm的8號槽鋼作為縱橫肋操作平臺。操作平臺由上操作平臺和下操作平臺組成。上操作平臺主要供操作人員進行鋼筋的接長、綁扎及堆放一些施工機具使用；下操作平臺供穿、拆拉桿用。內(nèi)模使用組合模板拼裝，直徑50mm的電焊管為肋，φ20mm的鋼筋外套硬塑料管，間距1.2m×1.2m作為對拉桿。內(nèi)工作平臺跟隨內(nèi)模提升，既保證了作業(yè)人員的安全，又方便了使用吊車將高墩主筋將每一循環(huán)的用量吊入平臺上，經(jīng)測定，每循環(huán)可減少1d的作業(yè)時間。翻模時須用塔吊協(xié)助，具體操作程序如下：

2.2 植被變化率

植被變化率是指某一時間段內(nèi)植被活動整體趨勢的變化。其計算公式如下[20]：

RC=(S×N/m)×100%。

(3)

其中：RC為植被變化率，S為N年NDVI變化的斜率，m為N年的NDVI的平均值，N是所研究NDVI的時間序列長度。該變化率在數(shù)值上相當于N年內(nèi)NDVI的末期值與初期值之差，表示N年內(nèi)植被活動整體的變化情況。

3 晉北沙化區(qū)植被變化時空特征

3.1 植被覆蓋的空間分布

2000—2012年晉北沙化區(qū)NDVI的年平均值空間分布如圖2所示，可反映研究區(qū)近13a來植被覆蓋的空間分布特征。從圖2中可以看出，研究區(qū)NDVI的年平均值的空間差異相對較大，晉北沙化區(qū)植被覆蓋從西北向東南遞增。其中，植被覆蓋較高的區(qū)域主要集中應縣、渾源縣、代縣和繁峙縣的部分區(qū)域。植被覆蓋較低的區(qū)域集中在大同市的南郊區(qū)和朔州市平魯區(qū)的部分區(qū)域。從整體的分布情況來看，研究區(qū)年INDV分布范圍0.15～0.30，表明晉北沙化區(qū)的植被覆蓋總體偏低。根據(jù)晉北地區(qū)的實際情況和參考國際通用辦法[21-22]，本文將NDVI分為裸地(INDV≤0.10)；稀疏植被(0.100.60)6個等級(表1)。從表中可以看出，晉北沙化區(qū)較少植被的分布面積最大，約占整個研究區(qū)的69.93%。其次是適中植被，約占27.42%。茂密植被、稀疏植被和很密植被的百分比分別為3.12%、0.06%和0.04%。表明京津風沙源工程在該區(qū)實施以來，研究區(qū)的稀疏植被面積已較小，但是茂密植被和很密植被的比例同樣也較小。因此，京津風沙源治理工程在該區(qū)需繼續(xù)實施，才能保證植被恢復到預期的效果。

圖2 研究區(qū)植被指標2000—2012年間平均值的空間分布

植被覆蓋狀況INDV值占總面積百分比/%裸地≤0.100 稀疏植被>0.10～0.150.06較少植被>0.15～0.3069.93適中植被>0.30～0.4527.42茂密植被>0.45～0.603.12很密植被>0.600.04

3.2 晉北沙化區(qū)植被覆蓋的年際變化

利用GRC方法和年NDVI值，系統(tǒng)分析了2000—2012年晉北沙化區(qū)植被活動的年際變化和空間分布(圖3和圖4)。從圖3中可以看出，近13a研究區(qū)的NDVI呈顯著增加的趨勢(R=0.648,P=0.017)，年增加趨勢為0.003 25，增加率為14.61%(表2)，表明晉北沙化區(qū)近13a的植被總體狀況向著改善的方向發(fā)展。NDVI的谷值出現(xiàn)在2000年和2001年，在該區(qū)沒有實施生態(tài)工程時，研究區(qū)的植被覆蓋較低。而峰值出現(xiàn)在2012年，在該區(qū)生態(tài)工程實施后，研究區(qū)的植被活動在明顯增加。從圖4中可以看出，2000—2012年晉北沙化區(qū)植被活動整體呈現(xiàn)增加趨勢，但空間差異較大。其中圖4中綠色表示植被活動呈增加趨勢，紅色表示植被活動呈下降趨勢。研究區(qū)的大部分區(qū)域植被活動呈增加趨勢，如研究區(qū)的西南部，保德縣、五寨縣等。而植被活動呈現(xiàn)顯著下降趨勢的區(qū)域僅在大同市的南郊區(qū)、陽高縣的北部和繁峙縣南部等小部分地區(qū)。統(tǒng)計表明，研究區(qū)89.57%的區(qū)域植被活動在增強，其中顯著增加的區(qū)域約占整個研究區(qū)的47.03%，而顯著下降的區(qū)域僅占研究區(qū)面積的1.85%(表3)。因此，從時空角度均可看出，晉北沙化區(qū)2000—2012年的植被活動在增強，表明研究區(qū)的沙化趨勢在減弱，也進一步說明京津風沙源治理工程的生態(tài)效應正在呈現(xiàn)。

圖3 晉北沙化區(qū)2000—2012年NDVI年際變化特征

圖4 晉北沙化區(qū)2000—2012年植被變化趨勢的空間分布

季節(jié)平均值±標準差年變化趨勢變化率/%春季0.198±0.01240.0022814.96夏季0.457±0.04850.0063318.01秋季0.325±0.02270.0051320.52全年0.289±0.01960.0032514.61

3.3 晉北風沙區(qū)季節(jié)尺度的植被變化

在對晉北沙化區(qū)植被活動年際變化特征分析的基礎上，本節(jié)進一步分析了研究區(qū)植被活動的季節(jié)變化特征，從而得出不同季節(jié)植被活動變化對年尺度植被活動變化的貢獻。其中春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的NDVI值為相應3個月份NDVI的平均值。

3.3.1 研究區(qū)植被活動的季節(jié)變化

晉北風沙區(qū)春季、夏季和秋季的INDV的平均值分別為0.198、0.457和0.325(表2)，整個晉北風沙區(qū)各個季節(jié)植被活動均呈增加的趨勢，但是3個季節(jié)的增加趨勢存在一定的差異(圖5)。秋季植被活動的增加趨勢最為明顯(R=0.879，P<0.001),年增加趨勢為0.005 13，增加率為20.52%，其中秋季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2010、2012年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年和2006年；其次是夏季(R=0.507,P=0.076)，年增加趨勢為0.006 33，增加率為18.01%，其中夏季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2010年和2012年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年；最后是春季，年增加趨勢為0.002 28，增加率為14.96%，其中春季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2005和2008年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年。從上面的分析可知，3個季節(jié)NDVI值較低的年份主要集中在生態(tài)工程實施的前期，而NDVI較高的年份集中在生態(tài)工程實施的后期，進一步表明生態(tài)工程的生態(tài)效應正在呈現(xiàn)。因此，3個季節(jié)植被活動的共同增加是導致研究區(qū)年植被活動上升的主要原因，其中秋季貢獻最大，增加最為緩慢的季節(jié)為春季。

圖5 晉北沙化區(qū)2000—2012年春季、夏季和秋季的植被變化特征

3.3.2 研究區(qū)植被活動季節(jié)的空間變化

基于GRC方法進一步分析了晉北風沙區(qū)2000—2012年不同季節(jié)NDVI的空間變化趨勢，從圖6中可以明顯看出，春季、夏季和秋季晉北沙化區(qū)的植被活動均呈增加的趨勢。本節(jié)進一步統(tǒng)計了不同季節(jié)不同等級植被活動變化百分比。從表3中可以看出，秋季植被活動增加最為顯著，占整個研究區(qū)的92.35%，顯著增加的區(qū)域為60.97%，顯著下降的區(qū)域僅為1.12%。保德縣、五寨縣、偏關縣等研究區(qū)西南部區(qū)域植被活動增加尤為明顯，而大同市南郊區(qū)的東部、懷仁縣北部、繁峙縣南部的部分區(qū)域植被活動則在下降。其次是夏季，研究區(qū)89.48%的區(qū)域植被在增加，顯著增加的區(qū)域為31.25%，顯著下降的區(qū)域僅為1.22%，與秋季植被活動的空間分布類似，研究區(qū)的西南部如神池縣、偏關縣、保德縣植被活動呈增加的趨勢，而研究區(qū)的中部與東南部等縣均有不同程度的植被活動在下降。最后是春季，研究區(qū)約89.16%的區(qū)域植被活動在增加，其中顯著上升的區(qū)域為50.56%，顯著下降的區(qū)域僅為1.07%，其中研究區(qū)的西部保德縣、偏關縣、河曲縣整個縣的植被活動在增強，而大同市南郊區(qū)的東部、懷仁縣北部、繁峙縣南部的部分區(qū)域植被活動在下降。因此，從圖3和圖5可以看出，3個季節(jié)大部分研究區(qū)的植被活動增加是導致該區(qū)年植被活動增加的主要原因，而春季繁峙縣南部植被活動的下降和夏季大同市南郊區(qū)和陽高縣北部植被活動的下降是導致這些區(qū)域植被活動下降的主要原因。

表3 2000—2012年不同季節(jié)不同等級植被變化率 %

3.4 晉北沙化區(qū)月尺度的植被變化

為了進一步分析不同月份NDVI值對全年NDVI變化的貢獻，研究了晉北沙化區(qū)2000—2012年每月NDVI的平均值和月NDVI變化趨勢(圖7)。從圖中可以看出，晉北風沙區(qū)NDVI最大值出現(xiàn)在8月，最小值則出現(xiàn)在1、12月。從月NDVI變化的趨勢中可以看出，晉北風沙區(qū)2000—2012每個月植被活動均呈增加的趨勢，表明整個研究區(qū)的植被活動呈增加的趨勢。其中10月植被增加趨勢最顯著，其次是7月和8月。從圖中可以看出，秋季(9—11月)的植被活動增加比較明顯，進一步表明秋季植被活動的增加對全年的貢獻最大。

圖6 研究區(qū)2000—2012年春季、夏季和秋季植被變化趨勢的空間分布

4 結(jié)論與討論

本文利用2000—2012年的MODISNDVI數(shù)據(jù)，運用GRC趨勢分析方法，系統(tǒng)研究了晉北沙化區(qū)13a的年、季節(jié)和月植被變化時空特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晉北沙化區(qū)的整體植被活動呈改善的趨勢，表明在該區(qū)實施的生態(tài)工程效應正在呈現(xiàn)。從時間上看，2000—2012年研究區(qū)的植被活動在增強，年增加率為14.61%。其中植被活動增加最大的季節(jié)為秋季，增加率為20.52%，春季植被增加最為緩慢，增加率為14.96%。研究區(qū)12個月NDVI變化均呈增加的趨勢，其中10月增加最高，其次是7月和8月。從空間上看，研究區(qū)大部分區(qū)域植被活動呈增加趨勢，植被活動減少主要發(fā)生在大同市南郊區(qū)，繁峙縣南部和陽高縣北部等部分區(qū)域。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，89.57%的區(qū)域植被活動在增加，顯著增加的區(qū)域為47.03%，顯著下降的區(qū)域僅為1.85%。植被活動增加的區(qū)域主要是由春、夏和秋3個季節(jié)植被活動共同增加作用的結(jié)果，其中秋季貢獻最大。晉北沙化區(qū)植被覆蓋總體上從西北向東南遞增，但整體研究區(qū)的植被覆蓋較低，69.93%的區(qū)域為較低植被。本文的研究成果可以加深典型生態(tài)工程區(qū)植被變化的理論研究，也可為京津風沙源治理工程在該區(qū)的生態(tài)工程效益評價和二期工程的規(guī)劃決策提供一定科學依據(jù)。

圖7 研究區(qū)2000—2012年月尺度NDVI平均值和變化趨勢

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Vegetation Dynamics in the Desertification Area of Northern Shanxi Province Based on the Remote Sensing Data/

Zhu Shizhong

(Shanxi Forestry Survey and Design Institute, Taiyuan 030012, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-69～74

Vegetation dynamics; Long time-series; Normalized difference vegetation index (NDVI); Desertification area of northern Shanxi Province

1) 國家“十二五”科技重大專項(20121101011)資助。

朱世忠，男，1957年8月生，山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，高級工程師。

2014年4月18日。

S718.5

責任編輯：潘 華。