李政海，張　靖，劉　麗,2a，李夢嬌,2b，

鮑雅靜1，孟根其其格1,2a，李卓玲1

(1.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116605；2.內(nèi)蒙古大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院；

b.環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

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呼倫貝爾草原區(qū)返青期的遙感監(jiān)測研究

李政海1，張靖1，劉麗1,2a，李夢嬌1,2b，

鮑雅靜1，孟根其其格1,2a，李卓玲1

(1.大連民族大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116605；2.內(nèi)蒙古大學(xué) a.生命科學(xué)學(xué)院；

b.環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

摘要：以2000-2014年MODIS植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用雙Logistic函數(shù)作為NDVI時間序列的濾波函數(shù)，對呼倫貝爾草原返青期的時間與植被長勢進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，同時分析“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”在呼倫貝爾草原區(qū)的實施效果。研究結(jié)果表明，呼倫貝爾草原返青期以4月份最為集中，實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”后，4月份返青的面積占比提高了13 %，表現(xiàn)出返青日期總體提前的趨勢。植被返青時間主要受區(qū)域水熱條件的影響，極端氣候現(xiàn)象是導(dǎo)致返青期顯著推遲或明顯提前的重要原因。政策實施后，草原返青期植被生長狀況表現(xiàn)出總體向好的態(tài)勢。研究成果可為在草原區(qū)實行季節(jié)性放牧和草畜平衡制度提供重要的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：呼倫貝爾草原區(qū)；NDVI；返青期；草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制

The Remote Sensing Monitoring of Grassland Returning

天然草原是中國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在生態(tài)環(huán)境和國民經(jīng)濟中具有重要的地位和作用[1]。中國的草原生態(tài)系統(tǒng)主要分布在干旱半干旱地區(qū)，年降雨量偏少，草原群落結(jié)構(gòu)比較簡單。隨降雨量與氣溫的波動變化，草原群落結(jié)構(gòu)和生長狀況會發(fā)生顯著變化。由于長期的超載放牧和保護(hù)建設(shè)投入不足等原因，草原退化嚴(yán)重，可利用面積減少，生態(tài)功能降低，到目前有90 %的天然草原面臨不同程度的退化。 2010年10月12日國務(wù)院總理溫家寶主持召開了國務(wù)院常務(wù)會議，為扭轉(zhuǎn)中國草原地區(qū)自然資源和生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，決定建立“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”。內(nèi)蒙古自治區(qū)2011年起全面實施了“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”。

草地返青期是指每年春季草地植被在溫度和水分條件達(dá)到適宜狀態(tài)時，牧草開始萌發(fā)、變綠、生長的過程。借助遙感技術(shù)持續(xù)觀測不同地區(qū)草地返青狀況及其動態(tài)變化，可以了解草地植被返青動態(tài)規(guī)律、植被生長發(fā)育狀況[2]。草原返青期返青面積變化及返青期植被狀況，不僅可以反映當(dāng)年的氣候條件，也是后期長勢及生產(chǎn)力的基礎(chǔ)監(jiān)測因子。呼倫貝爾草原區(qū)是中國最有代表性的溫帶草原生態(tài)地理區(qū)域。

本研究采用呼倫貝爾草原區(qū)2000-2014年的MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)，利用遙感技術(shù)[3]對該區(qū)域草原返青期的時間與植被覆蓋狀況進(jìn)行監(jiān)測分析，同時對比分析政策實施前后的變化，進(jìn)而深入了解草原植被春季發(fā)展進(jìn)程與年度早期生長態(tài)勢，全面、科學(xué)的評價“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”的實施效果，為在草原區(qū)落實“季節(jié)放牧”和“草畜平衡”制度提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

呼倫貝爾草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，是世界三大草原之一，東望黑龍江省，南接興安盟，西和西南與蒙古國毗壤，北和西北與俄羅斯為界。地處北緯47°05′～53°20′，東經(jīng)115°31'E～123°00'E，縱跨緯度6°15′，南北相距700 km，橫占經(jīng)度7°29′，東西相距630 km，總面積約10萬km2[4]。由東向西呈規(guī)律性分布，地跨森林草原、草甸草原和干旱草原三個地帶。該區(qū)域?qū)侔敫蓾竦闹袦貛Ъ撅L(fēng)氣候，東部為半濕潤地帶，西部為半干旱地帶。晝夜溫差較大，一般可達(dá)10℃左右，冬季漫長寒冷，夏季短暫涼爽，高原大陸性氣候明顯。年降水量在240～400 mm，平均氣溫在-1～0℃。年日照時數(shù)可達(dá)3 000 h，年蒸發(fā)量為1 600 mm，在牧業(yè)氣候區(qū)劃中屬于呼倫貝爾溫涼半干旱牧業(yè)區(qū)和呼倫貝爾西部溫涼干旱牧業(yè)區(qū)。

2數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

基于遙感數(shù)據(jù)生成的歸一化植被指數(shù)(NDVI)能在很大覆蓋范圍內(nèi)相當(dāng)精確地反映植被的綠度和光合作用強度，能較好地反映植被的代謝強度及其季節(jié)性變化和年際間變化[5]。與NOAA/AVHRR、Landsat TM、SPOT 等數(shù)據(jù)相比，MODIS同時具備了較高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和覆蓋范圍廣等特點[6]。本研究所用的數(shù)據(jù)為16 d最大值合成的MODIS NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為250×250 m，時間跨度為2000-2014年。文中研究采用 MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品中的NDVI產(chǎn)品作為提取草原區(qū)返青期信息的數(shù)據(jù)源。利用ENVI遙感圖像處理軟件對2000-2014年的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換等，最終得到15年該草原區(qū)的NDVI值。

3研究方法

3.1　NDVI時間序列重構(gòu)

MODIS NDVI數(shù)據(jù)雖然使用最大化合成方法及云層檢測算法進(jìn)行處理，以消除傳感器觀測角及大氣因素的影響，但仍存在奇異值，其表現(xiàn)為突降或針尖狀突峰，這將影響到對時間序列分析的精度。要消除奇異值對NDVI曲線的影響，需要對NDVI時間序列進(jìn)行重構(gòu)(或濾波)。利用多時相NDVI數(shù)據(jù)集提取草原植被返青期特征的重要基礎(chǔ)是對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平滑處理重構(gòu)，以最大可能減弱噪聲影響，減少數(shù)據(jù)序列的空值點，從而提升其年際間和區(qū)域間的可對比性[7]。本研究采用時間序列衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析軟件包TIMESAT[8]，并選用雙Logistic函數(shù)擬合方法[9-11]，對NDVI時間序列進(jìn)行重構(gòu)及平滑處理，使得重建的NDVI曲線可以較好地描述NDVI時序數(shù)據(jù)中復(fù)雜的和微小的變化。

3.2　草原區(qū)返青期信息提取

經(jīng)過平滑處理的NDVI時間序列曲線可以反映出草原植被生長的年內(nèi)動態(tài)變化特征及植被物候信息，如返青期、枯黃期和生長季長度等。本研究依據(jù)草原植被生長過程曲線的變化特征，在重構(gòu)的歸一化植被指數(shù)(NDVI)基礎(chǔ)上，采用動態(tài)閾值法，并充分考慮NDVI季節(jié)變化幅度。在NDVI曲線上升階段，通過設(shè)定像元尺度上的動態(tài)閾值(以擬合的NDVI曲線上升期整體增幅的百分比作為動態(tài)閾值)，消除土壤背景值和植被類型的影響，再將NDVI擬合曲線增長到某一水平所對應(yīng)的日期作為返青期開始時間，最終提取草地返青期，并形成序列圖像。根據(jù)呼倫貝爾草原區(qū)樣地定點監(jiān)測數(shù)據(jù)的驗證，確定該閾值的整體增幅在30 %比較適宜。

4結(jié)果與分析

4.1　呼倫貝爾草原區(qū)植被平均返青期的時間格局

呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后多年平均返青面積對比如圖1。結(jié)果表明，呼倫貝爾草原植被的返青期以4月份為主，其中4月下中旬返青面積比例最高。同時，以“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后返青期平均面積百分比進(jìn)行對比可知，實施前返青期在4月上旬開始返青(面積占45.4 %)，到4月下旬返青面積達(dá)到77.65 %，返青日期雖然主要在4月份，但是在3月以及5月以后也占有較大比例，返青日期不集中。而在政策實施后，草原集中在4月上旬開始萌動(面積占38.58 %)，4月下旬開始全面返青，4月末返青面積達(dá)到80.63 %，即返青期大部分地區(qū)集中在4月份，返青的面積高出政策實施前13 %。整個草原區(qū)在實施獎勵政策后返青日期比較集中，并在5月上旬基本全面返青(面積占92.37 %)。

圖1　呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵

草原返青期的地區(qū)差異首先受區(qū)域水熱條件，特別是早春氣溫差異的影響(如圖2)，呼倫貝爾草原返青期也表現(xiàn)出一定的地帶性變化規(guī)律，其中，東部和東北部林草交錯區(qū)與草甸草原區(qū)的返青期主要集中在4月中下旬，中部地區(qū)的返青期偏早，以4月中上旬居多，同時又有一定比例的4月中下旬和3月返青的地區(qū)，整個草原區(qū)呈現(xiàn)出中部返青日期早于東西部地區(qū)的趨勢。在實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”之后，中北部的陳巴爾虎旗和額爾古納市草原的平均返青期有所提前，而西部新巴爾虎左旗部分地區(qū)返青期明顯推遲。

圖2　呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵

4.2　呼倫貝爾草原區(qū)植被返青期的年際變化

呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后返青面積的統(tǒng)計見表1。2010-2014年呼倫貝爾草原區(qū)返青期遙感監(jiān)測圖如圖3。結(jié)果表明，呼倫貝爾草原區(qū)不同地區(qū)植被的返青期存在顯著的年際差異，通常情況下草原平均返青日期集中在4月份，并在4月末全面返青。2011年返青日期明顯異常，在4月下旬草原植被才開始返青(面積占53.31 %)，5月上旬返青面積達(dá)到74.85 %，而在6月以后仍有14.65 %，整個草原區(qū)返青日期相比同期明顯推遲。新巴爾虎右旗、滿洲里市返青日期推遲尤其顯著，大部分地區(qū)推遲到6月以后，較同期推遲30 d左右；新巴爾虎左旗、陳巴爾虎旗、鄂溫克族自治旗等地區(qū)返青期明顯推遲，較同期推遲15 d 左右。2014年同樣是返青期異常年，中東部地區(qū)草原的返青日期明顯提前，而西部地區(qū)草原返青期推遲，在4月上旬草原返青面積占到草原區(qū)總面積的68.52 %，4月下旬就基本全面返青(面積占86.29 %)。陳巴爾虎旗、鄂溫克族自治旗尤其明顯，返青期較同期提前15 d左右。2013年的變化則是整個呼倫貝爾草原區(qū)的返青期集中在4月中下旬。

表1　呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后返青面積統(tǒng)計

圖3　2010-2014年呼倫貝爾草原區(qū)返青期遙感監(jiān)測圖

4.3　呼倫貝爾草原區(qū)植被返青期的植被狀況

通常以5月的植被發(fā)育狀況來反映草原區(qū)返青期的植被長勢。呼倫貝爾草原區(qū)“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”實施前后NDVI面積統(tǒng)計見表2。5月NDVI值分級圖如圖4?？梢钥闯?，在“草原生態(tài)保護(hù)獎勵機制”實施1~2年時間里，因受異常氣候以及草原植被逐步恢復(fù)等方面的影響，西部地區(qū)植被覆蓋狀況較差(NDVI值在0.15～0.3的面積較大)，其后，草原返青期植被覆蓋狀況NDVI值整體上升明顯，2013年和2014年，大面積區(qū)域NDVI值分布在0.3～0.45的分級內(nèi)，特別是草原區(qū)東部的林草交錯區(qū)和草甸草原區(qū)域，NDVI值超過0.6的面積比例明顯增多，說明在“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”實施后，草原區(qū)植被在生長季初始期表現(xiàn)出明顯向好的態(tài)勢，為實施季節(jié)放牧、實現(xiàn)草畜平衡以及加強草原生態(tài)環(huán)境保護(hù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

表2　呼倫貝爾草原區(qū)實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后NDVI面積統(tǒng)計

圖4　實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后5月份NDVI值分級圖

5討論

(1)本研究通過比較“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”政策實施前(2000-2010年)和實施后(2011-2014年)草原返青期的時間格局，分析政策實施對于牧草返青時間和草原植被發(fā)育狀況的影響效果。實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”，在牧草生長發(fā)育敏感季節(jié)進(jìn)行休牧，減少牲畜對草原的踐踏，有利于牧草萌動及生長[12]。但草原區(qū)植被返青期時間主要受地區(qū)水熱條件的影響，特別是極端氣候年份，草原返青期會出現(xiàn)明顯推遲或明顯提前的現(xiàn)象。在上一年的暖冬和當(dāng)年的春季降水、氣溫條件較好年份，牧草的返青期有所提前，春季雨水較少和氣溫較低的條件下，可能導(dǎo)致牧草的返青期推遲。

2011年呼倫貝爾草原返青期較2010年明顯推遲。經(jīng)查證，內(nèi)蒙古呼倫貝爾市1月份各地降雪偏多，降雪量創(chuàng)7年新高。其中，新巴爾虎右旗、扎蘭屯市降雪量偏多3倍，海拉爾偏多1.5倍。牧區(qū)東部和南部出現(xiàn)了中度到重度白災(zāi)。各旗市降雪為2003年以來最多的一年，也是牧區(qū)白災(zāi)最為嚴(yán)重的一年，同時受冷空氣影響，出現(xiàn)持續(xù)低溫，最終導(dǎo)致2011年返青日期明顯推遲。2014年呼倫貝爾草原返青期明顯提前的原因，主要是2013年11月至2014年2月，呼倫貝爾平均氣溫為-16.8℃，較常年同期偏高1.3℃，為近3年同期最高，導(dǎo)致2014年返青日期提前[13]。由此可以說明，返青期不僅受草原放牧、休牧等政策實施影響，也受水分條件和熱量條件的影響，其中溫度和降水的影響尤其顯著。

(2)對比“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”實施前后草原返青期植被生長狀況的結(jié)果表明，返青期植被生長狀況與受氣候條件影響的返青期時間早晚有關(guān)，如2011年和2014年返青期時間及其對應(yīng)年份的NDVI的差異。同時，實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”政策，牧區(qū)實行季節(jié)放牧，減輕草場放牧壓力，對生長季初期的植被長勢具有較好的促進(jìn)作用，可以有效地促進(jìn)差異植被的生態(tài)恢復(fù)，但這種恢復(fù)進(jìn)程具有一定的時滯效應(yīng)，如2011年和2012年，中西部返青期植被生長狀況較差，既有異常氣候因素的影響，也說明草原植被的恢復(fù)是一個漸進(jìn)的過程，在政策實施3～4年后則有了較好的顯現(xiàn)。

6結(jié)論

利用2000-2014年15年的 MODIS NDVI 數(shù)據(jù)，對呼倫貝爾草原返青期進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，分析了2010年實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”前后返青期時間與植被生長狀況的動態(tài)變化，得出以下主要結(jié)論:

(1)呼倫貝爾草原返青期以4月份最為集中，4月份之前有80 %以上的區(qū)域開始返青。實施“草原生態(tài)保護(hù)補助獎勵機制”后，4月份返青的面積占比高出政策實施前13 %，表現(xiàn)出返青日期總體提前的趨勢，中部尤其顯著。

(2)植被返青期受多種因素的影響，與季節(jié)性放牧、草畜平衡等草原政策的實施有關(guān)，更主要的是受區(qū)域水熱條件的影響，極端氣候現(xiàn)象是導(dǎo)致返青期顯著推遲或明顯提前的重要原因。

(3)政策實施后，草原返青期植被生長狀況表現(xiàn)出總體向好的態(tài)勢，返青期植被恢復(fù)是一個漸進(jìn)的過程，在政策實施3～4年后，草原返青期植被覆蓋度普遍有較為明顯的提高。

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(責(zé)任編輯鄒永紅)

Green Period in Hulun Buir Grassland

LI Zheng-hai1，ZHANG Jing1，LIU Li1,2a，LI Meng-jiao1,2b，

BAO Ya-jing1, Menggenqiqige1,2a，LI Zhuo-ling1

(1.College of Environment and Resources，Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116605，China;

2.a.College of Life Science;b.College of Environment and Resources，

Inner Mongolia University，Huhhot Inner Mongolia 010021，China)

Abstract:In this paper, based on the data of MODIS-NDVI vegetable index from 2000 to 2014, we monitored the returning green period and the vegetation growth of Hulun Buir Grassland by using the double Logistic (D-L) as the function fitting methods of NDVI time-series. We also analyzed the effect of the “Grassland ecological protection and compensation mechanism”in Hulun Buir Grassland. The results showed that Hulun Buir Grassland returning green period is most concentrated in April. And after the implementation of the “grassland ecological protection and compensation mechanism”, the return green area in April increased proportion by 13%, showing that the general trend of the returning green period was advanced. The vegetable returning green period is mainly affected by the regional hydrothermal conditions. Extreme climate phenomena is an important reason to affect the returning green period to be significantly delayed or clearly advanced. After the implementation of the policy, the steppe returning green period and vegetation growth states showed overall trend become better. The research results can provide important scientific basis for the implementation of seasonal grazing and forage livestock balance system in the steppe area.

Key words:Hulun Buir Grassland；NDVI；rturning green period；grassland ecological protection and compensation mechanism

中圖分類號：Q149

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-1383(2016)01-0001-06

作者簡介：李政海(1962-)，男，河北秦皇島人，教授，博士，學(xué)校優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人，主要從事區(qū)域生態(tài)學(xué)研究。

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC201501070201，DC201501070403)；環(huán)境保護(hù)部公益性行業(yè)科研專項資助項目(201109025-3)。

收稿日期：2015-12-16