張旭琛，朱華忠，鐘華平*，程耀東,靳瑰麗，邵小明

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

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新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量遙感反演

張旭琛1,2，朱華忠2，鐘華平2*，程耀東1,靳瑰麗3，邵小明4

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

本文以伊犁地區(qū)146個草地樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感及氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行草地植被地上生物量與NDVI、EVI、海拔、年均降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等因子的回歸分析。并通過各因子對地上生物量影響權(quán)重參數(shù)分析和加權(quán)融合，運(yùn)用ArcGIS軟件，反演分析了新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量的空間分布特征。結(jié)果表明,新疆伊犁地區(qū)草地平均產(chǎn)草量約為704.96 kg/hm2，與20世紀(jì)80年代全國草地調(diào)查數(shù)據(jù)相比，產(chǎn)草量有所下降。草地植被地上生物量與各項(xiàng)因子具有較好的相關(guān)性，反演結(jié)果與伊犁地區(qū)的地形、地貌、氣候特征基本吻合，反映了伊犁地區(qū)草地植被的空間分布特征。地上生物量反演結(jié)果得到驗(yàn)證，預(yù)測值與實(shí)測值之間相關(guān)系數(shù)(R2)為0.8532；均方根誤差(RMSE)為216.559 kg/hm2，偏離度為22.92%，可以為新疆伊犁地區(qū)草地資源合理利用與評價提供參考。

草地植被；地理信息系統(tǒng)；地上生物量；遙感反演

長期以來，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力一直是生態(tài)學(xué)研究的一個重要方向[1]。在草地生態(tài)研究領(lǐng)域，長期的定位研究和不同區(qū)域草地資源的大量調(diào)查，為草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能與生產(chǎn)力評價提供了基礎(chǔ)[2-3]。并且基于不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，國內(nèi)許多學(xué)者對我國草地植被總生物量(或碳儲量)進(jìn)行了估算[4-8]，同時基于遙感模型還給出了我國草地植被生物量的空間分布格局[9]。但是，由于受研究方法、數(shù)據(jù)來源、觀測資料等條件的限制，全國草地植被生物量的估算還存在很大的不確定性[10]。并且隨著草地資源調(diào)查向草地生態(tài)系統(tǒng)功能評價發(fā)展，傳統(tǒng)的草地群落學(xué)方法逐漸滿足不了在區(qū)域尺度上對草地動態(tài)監(jiān)測和草地生態(tài)環(huán)境評價研究的需求。在時效性方面跟不上草地動態(tài)監(jiān)測的節(jié)奏，在區(qū)域研究上又遇到數(shù)據(jù)尺度轉(zhuǎn)換帶來的不確定性瓶頸。與傳統(tǒng)的草地生態(tài)學(xué)方法相比，草地遙感技術(shù)能夠獲取全時段與草地植被相關(guān)的遙感數(shù)據(jù)信息，彌補(bǔ)時效性和全面性的不足。

早期的草地生物量遙感反演多采用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)來監(jiān)測草地植被生產(chǎn)力的動態(tài)變化，認(rèn)為牧草生長期的地上生物量與NDVI密切相關(guān)[11]。隨著遙感數(shù)據(jù)的不斷完善，更多的學(xué)者利用Landsat TM和NOAA/AVHRR結(jié)合，建立NDVI與草地生物量之間的回歸模型，來監(jiān)測植物生長和生物量估算[12-13]。進(jìn)一步促進(jìn)了我國草地植被生物量研究的發(fā)展[14-17]，也奠定了對草地動態(tài)監(jiān)測和草地生態(tài)系統(tǒng)功能評價的基礎(chǔ)[18-26]。特別是隨著高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，高光譜遙感數(shù)據(jù)、TM/ETM、MODIS數(shù)據(jù)和植被指數(shù)方法在植被生態(tài)監(jiān)測方面得到廣泛應(yīng)用，在地面植被遙感與應(yīng)用研究中表現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢[27-30]。

新疆伊犁地區(qū)作為我國重點(diǎn)牧區(qū)，是我國草地遙感研究最活躍的地區(qū)之一。包括草地分類體系[31]，草地產(chǎn)草量遙感動態(tài)監(jiān)測[32-35]，草地退化等方面的研究[36-37]，為新疆草地遙感研究奠定了基礎(chǔ)。楊紅飛等[38]關(guān)于新疆草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力方面進(jìn)行了研究，從數(shù)據(jù)多元化、模型應(yīng)用、到草地生產(chǎn)力時空格局分析，把握了新疆草地遙感研究的總體水平。然而，多數(shù)研究認(rèn)為：運(yùn)用MODIS- NDVI對草原植被狀況進(jìn)行模型估測的方法，盡管能夠合理地表征植被的狀況，但很難獲得植被投影蓋度產(chǎn)量的真值，表現(xiàn)為NDVI對高植被區(qū)具有較低的靈敏度[39]。如在相同的NDVI取值中，高寒草甸和山地草甸生物量有著不一樣的表達(dá)，需要有草地類型梯度變化分析的參與。因此，利用草地類型遙感光譜特征，輔以海拔、坡向、坡度、水、熱、土壤等因子對草地的影響分析，對解決草地類型由于“同譜異物、同物異譜”現(xiàn)象而不易區(qū)分的難題是可行的[40]。這種多尺度與空間統(tǒng)計(jì)分析方法的結(jié)合也逐漸成為草地遙感研究的熱點(diǎn)[41]。

本研究則以MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以海拔、年降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等數(shù)據(jù)，對新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量反演進(jìn)行初步嘗試，為探討新疆草地植被地上生物量的分布規(guī)律提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁州地處東經(jīng)80°09′42″-84°56′50″，北緯42°14′16″-45°50′30″，位于歐亞大陸腹地新疆天山北坡西部山區(qū)的伊犁河谷。屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4℃，年日照時數(shù)2870 h，年降水量417.6 mm，是新疆最濕潤的地區(qū)。伊犁河谷自然條件優(yōu)越，農(nóng)、牧業(yè)發(fā)展優(yōu)勢顯著，農(nóng)畜產(chǎn)品豐富，是新疆的糧倉和全國著名的牧區(qū)[42]。天然草場資源豐富，總面積約2×107hm2。

1.2 野外調(diào)查與采樣

根據(jù)對伊犁地區(qū)草地類型的分布特點(diǎn)、草地利用方式、利用強(qiáng)度等方面的綜合評估，在全區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行146個草地樣地的設(shè)置，于2013年7月-9月對全部樣地進(jìn)行實(shí)地定位，并對樣地進(jìn)行樣方調(diào)查與采樣(圖1)。

對草地樣地用GPS記錄并保留每一樣地的路徑信息(航跡)，詳細(xì)記錄其經(jīng)緯度坐標(biāo)、海拔、地形、植被類型、群落名稱、利用方式、利用強(qiáng)度等信息，并對樣地的景觀、群落及物種進(jìn)行拍照和編號。依據(jù)代表性原則，選擇代表整個樣地植被、地形及土壤等特征的地段，設(shè)置3個樣方，調(diào)查樣方內(nèi)所有草本植物的總蓋度、群落高度、地上生物量、凋落物生物量和地下生物量，并進(jìn)行草地表層土壤容重調(diào)查，分層采集土壤分析樣品。

地上生物量用收獲法將樣方內(nèi)植物所有綠色部分用剪刀齊地面剪取，分物種按樣方分別裝進(jìn)信封袋，帶回室內(nèi)，在65℃下烘干后稱重。樣品量較多時，在野外先稱總鮮重，然后取部分鮮樣品，稱其鮮重后分裝信封袋，帶回室內(nèi)，烘干稱重，獲得干重系數(shù)，換算成樣方地上生物量干重。樣方面積為1 m×1 m，3個重復(fù)。

凋落物：在做完地上生物量的樣方內(nèi)，用手將地表當(dāng)年的凋落物和立枯撿起，小心去除凋落物上附著的細(xì)土粒，按樣方分別裝入信封內(nèi)，用鉛筆做好標(biāo)記。在野外稱量鮮重后帶回室內(nèi)，在65℃下烘干后稱量干重。

地下生物量：在做完凋落物的樣方內(nèi)，清理樣方土壤表面的殘留物和雜質(zhì)，用內(nèi)徑為66 mm的土鉆按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm分層采集土壤樣品3鉆，分層混合后按樣方分裝在0.37 mm的尼龍袋紗袋中，并用塑料標(biāo)簽寫好樣方號和層次，帶回室內(nèi)或在野外有條件的河流進(jìn)行漂洗，將漂洗后的凈根系樣品分裝信封，用鉛筆做好標(biāo)記，在65℃烘箱烘至恒重后稱量干重，并換算成1 m×1 m樣方的地下生物量。

1.3 數(shù)據(jù)來源及處理

本文涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括90 m數(shù)字高程模型(DEM)柵格數(shù)據(jù)，多年平均的500 m空間分辨率的氣候柵格數(shù)據(jù)，2011年250 m空間分辨率的MODIS數(shù)據(jù)，以及新疆伊犁地區(qū)146個樣地的調(diào)查數(shù)據(jù)。

氣候數(shù)據(jù)包括1957-2010年多年平均的年均氣溫(Ta)、年平均降水量(Pa)、≥0℃年積溫、≥10℃年積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等500 m空間分辨率柵格數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院遙感所提供，經(jīng)過Foxpro預(yù)處理的全國氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)在Arc/Info中轉(zhuǎn)為站點(diǎn)的圖層(coverage)，再利用反向距離加權(quán)平均的方法內(nèi)插出全國空間分辨率為500 m×500 m的柵格數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)所用250 m空間分辨率MODIS數(shù)據(jù)為來自美國地質(zhì)調(diào)查(USGS)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)與增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)每16 d數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13Q1)。數(shù)據(jù)覆蓋的時間范圍為2011年7月至8月與2012年7月至8月。MODIS NDVI和EVI采用16 d最大值合成方法(maximum value composite，MVC)生成，利用ArcMap軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拼接、投影轉(zhuǎn)換和再拼接，生成氣候數(shù)據(jù)與投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)相一致。

1.4 分析方法

將新疆伊犁地區(qū)146個樣地調(diào)查的地上生物量數(shù)據(jù)通過K-S檢驗(yàn)，地上生物量數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，采用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時，根據(jù)野外調(diào)查的146個草地樣地的地理坐標(biāo)，提取相應(yīng)樣地的NDVI、EVI、海拔、年均氣溫、年降水、≥0℃年積溫、≥10℃年積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等數(shù)值，與地上生物量生成數(shù)據(jù)集，用于地上生物量與各因素之間的相關(guān)回歸分析。

將146個樣地?cái)?shù)據(jù)分為2組，約2/3數(shù)據(jù)經(jīng)歸類平均化后，進(jìn)行地上生物量與各因素之間的相關(guān)回歸分析和建立回歸方程。同時，運(yùn)用主成分分析法，分析各要素對地上生物量影響權(quán)重參數(shù)，構(gòu)建多數(shù)據(jù)源的綜合評價模型(1)。最后采用ArcGIS軟件進(jìn)行插值分析，反演1 km分辨率的新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量的空間分布圖。另1/3數(shù)據(jù)用于對最終反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)

式中，P表示為地上生物量，i為生態(tài)因子，Wi為某生態(tài)因子對地上生物量的影響權(quán)重參數(shù)，Yi為某生態(tài)因子與地上生物量的回歸方程。

反演精度評價方法主要選擇均方根誤差(RMSE)、偏離度(E)和線性回歸的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)來評價反演預(yù)測值與實(shí)測值之間的可信度。

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)草地樣方調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，146個草地樣地主要包含有低地草甸、高寒草甸、山地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠化草原、溫性草原化荒漠和溫性荒漠8個主要草地類型(表1)。新疆伊犁地區(qū)草地平均產(chǎn)草量約為704.96 kg/hm2，其中低地草甸產(chǎn)草量最高，高寒草甸產(chǎn)草量最低；打草場平均產(chǎn)草量在1278.37 kg/hm2以上；放牧場(含溫性草原、溫性草甸草原、山地草甸)平均產(chǎn)草量在625.6 kg/hm2左右；荒漠類草原(溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠)平均產(chǎn)草量在374.70 kg/hm2左右；高寒草甸平均產(chǎn)草量在213.6 kg/hm2左右，與20世紀(jì)80年代全國草地調(diào)查數(shù)據(jù)相比，產(chǎn)草量有下降趨勢。

表1 伊犁地區(qū)2013年主要草地類型地上生物量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 草地植被地上生物量與各要素回歸分析

根據(jù)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析表明，新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量與NDVI、EVI、海拔、年降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等要素之間復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)平均達(dá)0.7，有較強(qiáng)的相關(guān)性。從圖2中可以看到：地上生物量隨著年降水量、 NDVI和EVI的增加逐漸升高； 與海拔、 濕潤指數(shù)、年均氣溫、 ≥0℃年積溫、≥10℃年積溫、干燥度的增加呈∩型變化趨勢。這與新疆伊犁地區(qū)草地類型分布規(guī)律相吻合，在海拔1050 m以下，主要為溫性荒漠化草原或溫性荒漠，地上生物量較低；在海拔3000 m以上，平均氣溫與積溫較低，地上生物量也較低；在海拔1500～2500 m，主要分布有山地草甸、草甸草原，多為打草場，相對而言地上生物量較高。

2.3 單因素驅(qū)動下的新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量反演

根據(jù)地上生物量與NDVI、EVI、海拔、年降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等要素的回歸方程，通過Spatial Analyst工具-地圖代數(shù)-柵格計(jì)算器，反演出伊犁草地植被地上生物量(圖3)。

從圖中可以看到，根據(jù)海拔、年均氣溫、≥0℃年積溫、≥10℃年積溫、NDVI、EVI等要素的地上生物量反演結(jié)果有很好效果。而年降水量、干燥度、濕潤指數(shù)等要素地上生物量反演的效果不是很理想，主要與年降水量、干燥度、濕潤指數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量有關(guān)。

圖2 地上生物量與不同要素的回歸分析

圖3 單因素的地上生物量反演

續(xù)圖3 單因素的地上生物量反演Continued Fig.3 The above-ground biomass inversed with each factor

要素Factor權(quán)重參數(shù)Weightingparameters要素Factor權(quán)重參數(shù)Weightingparameters海拔Altitude0.300干燥度Aridity0.025年均氣溫Averageannualtemperature0.150濕潤指數(shù)Humidityindex0.025≥0℃年積溫≥0℃temperature0.0508月EVI指數(shù)EVIindexinAugust0.025≥10℃年積溫≥10℃temperature0.0258月NDVI指數(shù)NDVIindexinAugust0.300年均降雨Averageannualrainfall0.100

2.4 地上生物量綜合反演

圖4 草地地上生物量綜合反演結(jié)果Fig.4 The above-ground biomass of grassland with integrated model

為了平衡各要素對地上生物量的影響，運(yùn)用主成分分析法，分析了NDVI、EVI、海拔、年降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等各項(xiàng)因子對地上生物量影響權(quán)重參數(shù)，融合各因子對伊犁地上生物量貢獻(xiàn)(表2)。采用加權(quán)統(tǒng)計(jì)分析方法，運(yùn)用ArcGIS軟件進(jìn)行插值分析，反演1 km分辨率的新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量的空間分布圖(圖4)。

從反演的地上生物量空間分布圖分析，新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量呈明顯的地帶性分布規(guī)律：高海拔地帶的高寒草甸產(chǎn)草量在500 kg/hm2左右；低海拔地帶的荒漠化草原和溫性荒漠產(chǎn)草量在500 kg/hm2以下；海拔為1500～2000 m的半山地帶的山地草甸和草甸草原產(chǎn)草量在1300 kg/hm2左右。昭蘇縣、特克斯縣、新源縣以及尼勒克縣地上生物量分布較高；而霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、鞏留縣以及伊寧縣處在河谷地帶，地上生物量較低。

通過對反演的地上生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻度統(tǒng)計(jì)分析(圖5)，反演數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。最高值為1839.34 kg/hm2，頻度分布最大值的地上生物量為1200～1300 kg/hm2，而500 ～1600 kg/hm2的地上生物量數(shù)據(jù)占總生物量的88%，與伊犁地區(qū)草地平均地上生物基本吻合。

2.5 新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量反演結(jié)果驗(yàn)證

本文用另一組57個樣地的樣方數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖6)。結(jié)果表明，其散點(diǎn)分布基本聚集在1∶1周邊，估計(jì)值與實(shí)測值之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.8532；相關(guān)方程斜率為1.0039，趨近于1。方差分析結(jié)果，F(xiàn)值為319.785，P<0.001，表明回歸極顯著。估計(jì)值與實(shí)測值之間的均方根誤差(RMSE)為216.559 kg/hm2，總體偏離約為22.9257%，平均預(yù)測精度達(dá)80%。

圖5 地上生物量頻度分布Fig.5 Frequency distribution of the above-ground biomass

圖6 反演數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship of the simulated data with the measured data

3 結(jié)論

1)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析表明，新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量平均704.96 kg/hm2，與第一次全國草地資源調(diào)查產(chǎn)草量比較：山地草甸、草甸草原、溫性草原、打草場產(chǎn)草量趨于穩(wěn)定；而荒漠草原、溫性荒漠及高寒草甸產(chǎn)草量有下降趨勢。

2)新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量與NDVI、EVI、海拔、年降水、年均氣溫、積溫、干燥度、濕潤指數(shù)等各項(xiàng)因子具有一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2平均達(dá)0.7以上；但單因子的地上生物量反演并不完全有較好的效果，這與各要素的原數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)系。

3)采用多數(shù)據(jù)源對新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量在空間上的反演，可以反映伊犁地區(qū)草地植被地上生物量的分布規(guī)律。反演結(jié)果得到檢驗(yàn)，并通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，預(yù)測精度約80%，可以為新疆伊犁地區(qū)草地資源合理利用與評價提供參數(shù)。

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Assessment of above-ground Biomass of Grassland using remote sensing,Yili, Xinjiang

ZHANG Xu-Chen1,2, ZHU Hua-Zhong2, ZHONG Hua-Ping2*, CHENG Yao-Dong1, JIN Gui-Li3,SHAO Xiao-Ming4

1.LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China; 2.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 3.XinjiangAgriculturalUniversity,Urumchi830052,China; 4.ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China

The relationship between the above-ground biomass of grassland vegetation in Yili, Xinjiang (assessed with cut quadrats) and the normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI), altitude, annual precipitation, annual mean temperature, accumulated temperature and dryness and wetness indices was analyzed using regression. Subsequently, an ArcGIS interpolation method was used to map the spatial distribution of above ground biomass of the grassland. There was a strong relationship between above-ground biomass and the independent factors assessed; the multiple regression coefficient (R2) was 0.85 and the RMSE was 216.56 kg/ha. It was concluded that the simulation data used in the study could be used to reliably monitor and assess grassland productivity and dynamics.

grassland vegetation; GIS; above-ground biomass; remote sensing inversion

10.11686/cyxb2014478

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-11-25；改回日期：2015-04-07

科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2012FY111900-2)資助。

張旭琛(1989-)，女，甘肅隴西人，碩士。E-mail:312077807@ qq.com *通訊作者Corresponding author. E-mail: zhonghp@igsnrr.ac.cn

張旭琛, 朱華忠, 鐘華平, 程耀東, 靳瑰麗, 邵小明. 新疆伊犁地區(qū)草地植被地上生物量遙感反演. 草業(yè)學(xué)報, 2015, 24(6): 25-34.

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