佟斯琴， 劉桂香， 包玉海

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;

2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;

3.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

2000-2012年鄂爾多斯禁牧區(qū)植被覆蓋度變化監(jiān)測(cè)

佟斯琴1， 劉桂香2， 包玉海3

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;

2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;

3.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

摘要：[目的] 評(píng)估鄂爾多斯實(shí)施禁牧、休牧政策以來(lái)獲得的成效。[方法] 以MODIS長(zhǎng)時(shí)間序列的植被指數(shù)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，利用像元二分模型研究了2000—2012年植被生長(zhǎng)期5—9月份鄂爾多斯禁牧區(qū)的植被覆蓋度及其時(shí)空變化特征。并采用轉(zhuǎn)移矩陣的方法，分析了年度間植被覆蓋度高低變化的方向。[結(jié)果] 研究區(qū)植被覆蓋度自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究區(qū)植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì),均有低等級(jí)植被覆蓋度向高等級(jí)植被覆蓋度轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)；2008—2012年植被恢復(fù)狀況比2000—2004年和2004—2008年這兩個(gè)階段更優(yōu)。[結(jié)論] 禁牧政策使研究區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)逐年改善，禁牧、休牧政策對(duì)草原生態(tài)恢復(fù)起到了良好的作用。

關(guān)鍵詞：鄂爾多斯禁牧區(qū); 植被覆蓋度； MODIS; 像元二分模型

植被是干旱區(qū)生態(tài)建設(shè)中的重要部分，而覆蓋度是評(píng)判生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)[1]。土壤風(fēng)蝕已成為干旱半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的限制因素之一[2]。植被覆蓋度作為重要的生態(tài)參數(shù)，不僅與區(qū)域水土流失、水資源儲(chǔ)備有關(guān)，還與土壤風(fēng)蝕等密切相關(guān)[3-4]。因此，如何準(zhǔn)確快速地監(jiān)測(cè)、估算植被覆蓋度和提高植被覆蓋度對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)有著舉足輕重的作用。

遙感觀測(cè)為研究大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋變化狀況提供了一種有效的手段。其中，歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index, NDVI)是目前最為廣泛應(yīng)用的表征植被狀況的指數(shù)，利用NDVI數(shù)據(jù)分析植被覆蓋度變化趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)學(xué)者[5-9]已針對(duì)不同空間尺度的植被覆蓋開(kāi)展了大量研究，并取得了良好的效果。就內(nèi)蒙古地區(qū)而言，陳效逑等[10]利用NOAA/AVHRR NDVI數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)植被帶進(jìn)行了分時(shí)段的劃分，并以典型草原植被帶為例，分析了植被覆蓋度時(shí)空變化及其與水熱因子的關(guān)系。張宏斌等[11]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)，研究了內(nèi)蒙古草原7種草地類型的主要植被類型9 a來(lái)年度NDVI空間變化趨勢(shì)、波動(dòng)程度、出現(xiàn)時(shí)間等植被指數(shù)時(shí)空特征。王海梅等[12]利用上世紀(jì)NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和2002—2007年MODIS數(shù)據(jù)以NDVI值得消長(zhǎng)變化分析了草原植被覆蓋的分布狀況及年代間的變化規(guī)律。李營(yíng)等[13]利用SPOT_VGT數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)，采用時(shí)間序列植被指數(shù)(NDVI)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)方法，分析了研究區(qū)植被覆蓋的時(shí)空演變特征。姚雪茹等[14]利用1982—2006年的NOAA/AVHRR NDVI數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)赝跉庀筚Y料，研究了鄂爾多斯高原地區(qū)植被覆蓋變化及其與氣象因子的關(guān)系。然而，上述對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的研究都是直接用NDVI值分析，未將NDVI進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度直觀地展示草原植被覆蓋狀況，且未對(duì)植被覆蓋等級(jí)變化進(jìn)行量化分析。同時(shí)，對(duì)實(shí)施禁牧、休牧后的區(qū)域草原植被覆蓋研究較少。針對(duì)以往研究的不足，本研究采用較長(zhǎng)時(shí)間序列(2000—2012年)的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，定量研究鄂爾多斯市禁牧區(qū)植被覆蓋度空間分布及時(shí)間動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，探討禁牧政策實(shí)施以來(lái)的成效，進(jìn)而為禁牧、休牧政策的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，西、北、東3面為黃河圍繞，地理坐標(biāo)為北緯37°35′24″—40°51′40″，東經(jīng)106°42′40″—111°27′20″。屬于溫帶半干旱至干旱強(qiáng)大陸性氣候，年平均氣溫為5～8 ℃，≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 600～3 200 ℃，降水量為160～400 mm，自東向西有規(guī)律降低。鄂爾多斯高原是我國(guó)土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，高原的南北部分別有庫(kù)布齊沙漠和毛烏素沙地，是我國(guó)東部沙塵源地之一。該區(qū)為沙漠和黃土交接地帶，農(nóng)牧鑲嵌分布，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)全球氣候變化敏感[15]。從2000年起，鄂爾多斯市實(shí)行了禁牧、休牧、劃區(qū)輪牧政策[16]，使草原生態(tài)快速恢復(fù)，取得了明顯的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此，本研究選取全面實(shí)行禁牧令的東勝、準(zhǔn)格爾、達(dá)拉特、伊金霍洛4個(gè)旗(區(qū))為研究區(qū)域。

2資料與方法

2.1　數(shù)據(jù)來(lái)源和預(yù)處理

研究所用的數(shù)據(jù)為16 d最大值合成的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD12 A2)，空間分辨率為1 km，時(shí)間跨度為2000年5月至2012年9月。采用MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品中的NDVI產(chǎn)品作為計(jì)算植被覆蓋度的數(shù)據(jù)源。利用ENVI圖像處理軟件對(duì)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行子集提取、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等，得到NDVI數(shù)據(jù)。選取可更好解釋植被生長(zhǎng)狀況的5—9月份(第129至第273 d合成的NDVI數(shù)據(jù))作為研究時(shí)間段。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)ENVI軟件波段運(yùn)算實(shí)現(xiàn)背景賦值為NaN(Not a Number)、消除研究區(qū)負(fù)值影響，計(jì)算年平均NDVI等操作，然后進(jìn)行研究區(qū)邊界裁剪，最終得到13 a該區(qū)的NDVI值。

2.2　植被覆蓋度計(jì)算方法

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用基于NDVI的像元二分模型反演植被覆蓋度。其基本原理為：假設(shè)每個(gè)像元都可分解為純植被和純土壤兩個(gè)部分，所得到的光譜信息(如NDVI)也是兩種純組分的以面積比例加權(quán)的線性組合；其中，純植被所占的面積百分比即為研究區(qū)的植被覆蓋度，計(jì)算公式為：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：VFC——植被覆蓋度； NDVI，NDVIsoil，NDVIveg——任意像元、純土壤像元和純植被像元的NDVI。也可得：

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

式中：NDVImax，NDVImin——區(qū)域內(nèi)最大值和最小值。

由于不可避免存在噪聲，NDVImax，NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，置信度的取值主要根據(jù)圖像實(shí)際情況來(lái)定。參考李苗苗[17]提出的估算NDVImax和NDVImin的方法，提取研究區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中NDVI值的累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。根據(jù)上述方法計(jì)算得到各時(shí)期植被覆蓋度分布圖，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)，即0～0.2(極低覆蓋度)，0.2～0.4(低覆蓋度)，0.4～0.6(中覆蓋度)，0.6～0.8(高覆蓋度)，0.8～1(極高覆蓋度)。

3結(jié)果與分析

3.1　研究區(qū)2000-2012年平均植被覆蓋度空間分布

圖1為2000—2012年研究區(qū)平均植被覆蓋度分布圖。圖1表明，研究區(qū)植被覆蓋度整體變化趨勢(shì)為自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部。極高覆蓋度和極低覆蓋度均出現(xiàn)在達(dá)拉特旗，其中極低覆蓋度出現(xiàn)是由于庫(kù)布齊沙漠的存在。東勝市、伊金霍洛旗和準(zhǔn)格爾旗主要以中覆蓋度和高覆蓋度為主。

圖1　研究區(qū)2000-2012年平均植被覆蓋度分布

3.2　植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化分析

為分析植被覆蓋度的年際變化，每隔4 a計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度。從2000，2004，2008和2012年各等級(jí)植被覆蓋度的空間分布圖(圖2)和面積統(tǒng)計(jì)表(表1)可知，極低覆蓋度面積在4個(gè)監(jiān)測(cè)年里持續(xù)減少，2000年為22.88%，2004年為14.94%，下降了7.94%；2004—2008年該面積沒(méi)有明顯變化；2008—2012年由14.43%下降到11.01%。減少面積主要分布在研究區(qū)西北部達(dá)拉特旗。低覆蓋度面積同樣呈下降趨勢(shì)，從2000年的32.41%減少到2012年的14.03%，下降了18.38%；下降面積主要分布在研究區(qū)中部。中覆蓋度面積先增后減，由2000年的26.10%增加到2004年的31.93%，2004年以后出現(xiàn)下降，2008年下降到26.66%，2012年下降到24.18%。高覆蓋度面積持續(xù)增加，由2000年的9.96%增加到2012年的31.38%。極高覆蓋度面積同樣呈增加的趨勢(shì)，從2000—2012年增加了10.73%。分析表明，2000—2012年極低覆蓋度面積和低覆蓋度面積呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)；高覆蓋度面積和極高覆蓋度面積呈增加趨勢(shì)；中覆蓋度面積先增后減，可能是由于極低覆蓋度和低覆蓋度轉(zhuǎn)化為中覆蓋度致其面積增加，2004年后出現(xiàn)減少是由于更多的中覆蓋度面積轉(zhuǎn)為高覆蓋度和極高覆蓋度面積。

表1　研究區(qū)2000，2004，2008和2012年

3.3　不同等級(jí)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

在ENVI 4.2軟件中運(yùn)用決策樹(shù)分類和波段運(yùn)算功能，對(duì)不同時(shí)期的植被覆蓋度等級(jí)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，得到2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年研究區(qū)各植被覆蓋度等級(jí)的轉(zhuǎn)移量，其中位于對(duì)角線上的表示等級(jí)未發(fā)生轉(zhuǎn)移(表2—4)。

由表2可以看出，2000—2004年期間極低覆蓋度有57.49%未轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)為低植被覆蓋度，轉(zhuǎn)移率為33.04%；低覆蓋度有44.27%未轉(zhuǎn)移，43.58%轉(zhuǎn)移為中覆蓋度；中覆蓋度有54.08%未轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)為高覆蓋度34.59%，有極少的8.73%轉(zhuǎn)為低覆蓋度；高覆蓋度有61.59%未轉(zhuǎn)移，15.74%轉(zhuǎn)為中覆蓋度，僅次于向極高覆蓋度轉(zhuǎn)化的量(21.26%)；極高覆蓋度有86.65%未轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)移為高覆蓋度，占2000年極高覆蓋度面積的11.68%。

由表3可以看出，2004—2008年期間極低覆蓋度的78.54%未發(fā)生變化，19.82%轉(zhuǎn)為低覆蓋度；低覆蓋度48.47%未轉(zhuǎn)移，主要轉(zhuǎn)為中覆蓋度(37.80%)；中覆蓋度有44.34%未轉(zhuǎn)移，40.86%轉(zhuǎn)移為高覆蓋度；高覆蓋度有45.72%未轉(zhuǎn)移，36.80%轉(zhuǎn)為極高覆蓋度，15.36%轉(zhuǎn)為中覆蓋度；極高覆蓋度有80.59%未轉(zhuǎn)移，有15.56%轉(zhuǎn)為高覆蓋度。

轉(zhuǎn)移矩陣中對(duì)角線上的轉(zhuǎn)移率表明(表4)，2008—2012年期間，各等級(jí)未發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積幾乎在1/2以上。除去未轉(zhuǎn)移的，極低覆蓋度主要轉(zhuǎn)為低覆蓋度，占2008年極低覆蓋度面積的37.07%；低覆蓋度主要轉(zhuǎn)移到中覆蓋度，占2008年低覆蓋度面積的50.04%；中覆蓋度主要轉(zhuǎn)化為高覆蓋度，占2008年中覆蓋度面積的44.60%；高覆蓋度主要轉(zhuǎn)為極高覆蓋度，占2008年高覆蓋度面積的25.13%；極高覆蓋度主要轉(zhuǎn)移為高覆蓋度，占2008年極高覆蓋度面積的23.99%。

圖2　研究區(qū)2000，2004，2008和2012年植被覆蓋度等級(jí)分布圖

總體而言，2000—2004年植被迅速恢復(fù)，禁牧政策在初期就取得了明顯的成效。

相對(duì)于2000—2004年的植被狀況，2004—2008年和2008—2012年的植被長(zhǎng)勢(shì)更好。表明隨著禁牧實(shí)施年限的增加，研究區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)逐年變好。2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年三個(gè)時(shí)期植被覆蓋度呈現(xiàn)出由低等級(jí)向高等級(jí)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。由極低覆蓋度和低覆蓋度向高等級(jí)植被覆蓋度轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)移率2008—2012年相對(duì)顯著，表明2008—2012年覆蓋度較低的植被恢復(fù)比2000—2004年和2004—2008年好。

研究區(qū)較差的植被有改善的趨勢(shì)，研究區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)逐年改善，禁牧、休牧政策對(duì)草原生態(tài)恢復(fù)、沙化土地的改善起到了良好的作用。

表2　研究區(qū)2000-2004年植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣　km2

注：表中括號(hào)外數(shù)字表示轉(zhuǎn)移面積，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示轉(zhuǎn)移率(%)。下同。

表3　研究區(qū)2004-2008年植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表4　研究區(qū)2008-2012年植被覆蓋度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣　km2

4結(jié) 論

(1) 研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)是自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究區(qū)植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)。

(2) 2000—2004年，2004—2008年和2008—2012年3個(gè)時(shí)期植被覆蓋度有低等級(jí)向高等級(jí)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。3個(gè)時(shí)期里極低覆蓋度向低覆蓋度，低覆蓋度轉(zhuǎn)為高覆蓋度的轉(zhuǎn)移率2008—2012年相對(duì)顯著，2008—2012年覆蓋度較低的植被恢復(fù)狀況比2000—2004年和2004—2008年更優(yōu)。

(3) 研究區(qū)的禁牧實(shí)踐表明，禁牧、休牧能夠大面積快速改善植被生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，實(shí)施禁牧的年限越長(zhǎng)得到的效果越好。然而，植被長(zhǎng)勢(shì)還與當(dāng)?shù)氐乃疅嵋蛩氐扔嘘P(guān)，本研究單純從禁牧、休牧來(lái)考慮植被覆蓋度的狀況過(guò)于片面，應(yīng)與當(dāng)?shù)氐慕邓囟鹊葰庀笠蛩鼐C合考慮來(lái)探討禁牧政策的成效更為合理。

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Monitoring of Vegetation Coverage Changes in Graze-prohibited Area of Ordos From 2000 to 2012

TONG Siqin1, LIU Guixiang2, BAO Yuhai3

(1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China; 2.GrasslandResearchInstitute,CAAS,Hohhot，InnerMongolia010010,China; 3.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystem,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China)

Abstract：[Objective] To evaluate effects of graze-prohibited policy implemented in Ordos area. [Methods] Using the the coverage index elicited by two-pixel model from MODIS-NDVI as the data source, to evaluate the spatial-temporal changes of growth seasonal vegetation coverage in no grazing district from 2000 to 2012, and to analyze the annual change using transfer matrix. [Results] The vegetation coverage reduced gradually from east to west, the vegetation coverage in the eastern division was higher than that in the west, the coverage in the north was higher than that in the south. The vegetation cover generally increased from 2000 to 2012, with a changing tendency from low to high vegetation cover. In the periods of 2008—2012, the vegetation coverage was better than that of 2000—2004 and 2004—2008. [Conclusion] The study area had a significant increase in the vegetation coverage, which indicates that the graze-prohibited policy have a great effect on the grassland ecological restoration.

Keywords:Ordos graze-prohibited area; vegetation cover; MODIS; two-pixel model

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0136-05

中圖分類號(hào)：P948.15

通信作者：劉桂香(1962—),女(漢族)，內(nèi)蒙古察哈爾右翼中旗人，博士，研究員，主要從事草地資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、草原火災(zāi)預(yù)警及3S技術(shù)在草業(yè)科學(xué)的應(yīng)用研究。E-mail:lgx804@163.com。

收稿日期：2014-03-25修回日期：2014-04-13
資助項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“重大自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究”(2013BAK05B01-03)
第一作者：佟斯琴(1991—),女(蒙古族),內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟人,碩士研究生,研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境遙感。E-mail:tsq118446@163.com。