劉旭升,孫 濤

(國家林業(yè)局調查規(guī)劃設計院,北京 100714)

近10年我國荒漠化地區(qū)植被長勢變化分析

劉旭升,孫 濤

(國家林業(yè)局調查規(guī)劃設計院,北京 100714)

利用全國2005—2014近10年的MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù),通過對最具代表性的歸一化植被指數(shù)的提取,對我國荒漠化地區(qū)近10年的植被長勢進行趨勢分析。結果表明：我國荒漠化地區(qū)近10年植被長勢整體呈現(xiàn)持續(xù)好轉趨勢；近5年(2010—2014年)植被指數(shù)均值0.26,較前5年(2005—2009年)增加5.4%；呼倫貝爾、內蒙古東部和中部植被長勢向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被長勢略顯增加,新疆趨勢平穩(wěn)。

植被長勢；歸一化植被指數(shù)；荒漠化；遙感監(jiān)測；趨勢分析

土地荒漠化是當前我國面臨的最為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一,它不僅嚴重威脅我國生態(tài)安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,而且對人類的生活乃至生存造成重大影響。植被作為地球表層重要的再生資源,其生存及變化情況一直被各國科學家和政府所關注。宏觀的監(jiān)測植被覆蓋變化,在全球變化研究中占有重要的地位,荒漠化地區(qū)植被生長狀況及變化對于維持和穩(wěn)定荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著決定性作用,在此背景下研究我國荒漠化地區(qū)植被長勢變化具有重要意義。

植被指數(shù)是遙感領域中用來表征地表植被覆蓋、生長狀況的一個簡單而有效的參數(shù)。歸一化植被指數(shù)NDVI是目前長勢監(jiān)測中應用最廣泛一種植被指數(shù)[1-2],并且具有快速、覆蓋面廣的特點,應用前景廣闊[3-4]。由于歸一化植被指數(shù)NDVI對低蓋度植被反映較敏感,探測能力較強[5],鑒于我國荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境和植被的特征,我國荒漠化地區(qū)植被長勢監(jiān)測選擇歸一化植被指數(shù)NDVI比較適宜。本文應用自主研發(fā)的EOS-MODIS陸地植被長勢監(jiān)測系統(tǒng),以MODIS環(huán)境遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,采用歸一化植被指數(shù)NDVI方法,建立了對受土地荒漠化影響地區(qū)進行全天候、全覆蓋、定位、定性和定量的連續(xù)性植被長勢監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)現(xiàn)已成為荒漠化監(jiān)測體系的重要組成部分,其監(jiān)測結果豐富和補充了全國荒漠化監(jiān)測成果,可為土地荒漠化防治規(guī)劃和生態(tài)建設提供輔助決策服務。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于31°45′4″～51°1′43″N，73°54′9 ″～127°26′3″E之間,行政范圍涉及北京、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆等12個省(區(qū))。該區(qū)是我國荒漠化土地集中分布地區(qū),區(qū)域內沙漠、戈壁廣闊,地形極其復雜,干燥少雨,日照時間長,太陽輻射能豐富,風力大,氣候復雜多變。

為了對北方荒漠化區(qū)植被生長狀況進行重點分析,根據(jù)氣候、地表性質、經(jīng)濟活動等差異及荒漠化防治要求,將北方荒漠化區(qū)劃分為呼倫貝爾、內蒙古東部、內蒙古中部、阿拉善高原和河西走廊、青海北部、北疆、南疆等7大區(qū)域。其中,賀蘭山以西阿拉善高原和河西走廊、北疆和南疆為干旱區(qū)域,年降水量小于150mm；賀蘭山以東內蒙古中部為半干旱區(qū)域,年降水量150～300mm；內蒙古東部和呼倫貝爾的亞濕潤區(qū),降水量在300～600mm。

近10年來,研究區(qū)普遍存在氣溫升高,北疆、華北北部等地區(qū)變暖明顯。降水量總體增加,其中,北疆大部、南疆西部、甘肅中部、青海南部和內蒙古東部局部地區(qū)增加明顯。大風日數(shù)、風速和沙塵暴明顯減弱,尤其是北疆部分地區(qū)、河西走廊地區(qū)、青海東部地區(qū)以及內蒙古中東部部分地區(qū)、山西北部和河北西部等地區(qū),減少的趨勢非常明顯[6]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

應用近10年(2005—2014年)美國環(huán)境遙感衛(wèi)星(EOS/MODIS),空間分辨率為星下點500m數(shù)據(jù)作為基本資料。 MODIS數(shù)據(jù)是一種相對較新的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),利用其數(shù)據(jù)生成的植被指數(shù)能夠比較精確地反映地表植被及其變化情況,可以滿足精確定位、長周期、大范圍、快速變化的環(huán)境監(jiān)測,在干旱區(qū)監(jiān)測中具有突出的優(yōu)勢。

2.2 方法

利用自主研發(fā)的EOS-MODIS衛(wèi)星植被指數(shù)生成軟件對MODIS影像數(shù)據(jù)進行轉換、處理,獲得我國荒漠化地區(qū)植被長勢空間分布圖,在此基礎上利用GIS按預先確定的區(qū)域進行NDVI數(shù)據(jù)統(tǒng)計,再進一步進行合并、分析、制圖,得到我國荒漠化地區(qū)植被生長狀況動態(tài)變化數(shù)據(jù)表和面狀圖。

本研究采用的歸一化植被指數(shù)NDVI方法是反映地表植被蓋度及其生長狀況的綜合指標,主要是利用綠色植被在不同波段的光譜反射特征來計算。歸一化植被指數(shù)被定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值。計算公式為：

NDVI=(Band2-Band1)/(Band2+Band1)

式中：Band1為MODIS第1波段(紅光波段)反射率,Band2為MODIS第2波段(近紅外波段)的反射率。通常NDVI值越大,植被越茂密,相反,NDVI越小,地表植被生長越稀疏。

用歸一化指數(shù)NDVI差值來表示植被在不同時間段(年際之間)的程度變化差異,理論上其差值在-11之間。根據(jù)多年監(jiān)測結果及專家經(jīng)驗,對NDVI年際差值進行劃分：植被指數(shù)差值在-0.65-0.06之間的,表示植被長勢比上年差；植被指數(shù)差值在-0.060.06之間表示植被長勢與上年相比基本無變化；而植被指數(shù)差值在0.061之間則表示植被長勢好于上年。

3 結果與分析

根據(jù)《聯(lián)合國防治荒漠化公約》關于荒漠化的定義,荒漠化潛在發(fā)生區(qū)域為濕潤指數(shù)在0.05～0.65之間的地區(qū)。全國荒漠化土地監(jiān)測每5年進行一次,2009年和2014年分別進行了第四次和第五次全國荒漠化監(jiān)測,為了與全國荒漠化監(jiān)測進行同步分析,將前5年(2005—2009年)和近5年(2010—2014年)監(jiān)測數(shù)據(jù)分兩期進行分析,并對監(jiān)測年2009年和2014年數(shù)據(jù)進行對比。

分別對整個荒漠化地區(qū)和7個不同區(qū)域進行近10年(2005—2014年)植被指數(shù)NDVI的計算分析,表1為荒漠化地區(qū)近10年植被指數(shù)值,從中可以間接看出近10年來荒漠化地區(qū)動態(tài)趨勢。

表1 荒漠化地區(qū)近10年植被指數(shù)值

3.1 荒漠化地區(qū)近10年植被長勢趨勢分析

圖1所示為我國荒漠化地區(qū)近10年歸一化植被指數(shù)均值趨勢分析。我國荒漠化地區(qū)近10年(2005—2014年)植被長勢整體呈持續(xù)好轉趨勢。2014年荒漠化地區(qū)植被指數(shù)值為0.254,較2009年增長4.5%,呈增長趨勢。2006—2009年這4年植被指數(shù)值小于近10年平均值,其中2006年和2009年植被指數(shù)值最低,但植被長勢變化相對較平穩(wěn)；近5年(2010—2014年)植被指數(shù)值均大于近10年平均值,植被指數(shù)值處于較高水平,植被長勢變化起伏較大,特別是 2012年植被指數(shù)值是近10年的峰值,其值較近10年均值增加5.9%,2013年為近10年第二峰值。總體分析,近10年我國北方荒漠化地區(qū)植被長勢趨于轉好,荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步好轉。

圖2所示為7個區(qū)域近10年歸一化植被指數(shù)均值趨勢分析。近10年呼倫貝爾、內蒙古東部和中部植被長勢趨勢向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被長勢略顯增加趨勢,北疆和南疆趨勢平穩(wěn)。

圖1 荒漠化地區(qū)近10年植被指數(shù)變化

2014年與近10年均值比較,呼倫貝爾2014年植被指數(shù)均值是0.542,為近10年第一峰值,較近10年平均值增長6.9% ；內蒙古東部2014年植被指數(shù)值較近10年均值增加1.3%；內蒙古中部2014年0.334,與近10年均值基本持平；阿拉善高原和河西走廊2014年植被指數(shù)值0.149,僅低于2012年和2013年,較近10年均值增加2.8%;青海北部2014年植被指數(shù)值為0.205,略偏低近10年均值0.210;北疆和南疆2014年植被指數(shù)值0.178和0.127,較近10年均值減少3.8%和6.6%。其中,呼倫貝爾增幅最多為6.9%,南疆下降最多為6.6%。

圖2 7個區(qū)域近10年植被指數(shù)變化

3.2 兩個5年數(shù)據(jù)對比及分析

為更好地進行對比分析,并與5年一次的全國荒漠化監(jiān)測數(shù)據(jù)時間保持一致,將監(jiān)測數(shù)據(jù)分前5年(2005—2009年)和近5年(2010—2014年)兩期進行對比分析。圖3為荒漠化地區(qū)和7個區(qū)域兩個5年植被指數(shù)變化圖。

圖3 荒漠化地區(qū)兩期植被指數(shù)變化

由圖3可知,荒漠化地區(qū)近5年本監(jiān)測期(2010—2014年),植被指數(shù)均值0.26,較前期(2005—2009年)增加5.4%。本監(jiān)測期荒漠化地區(qū)植被長勢明顯好轉。賀蘭山以東區(qū)域呼倫貝爾近5年植被指數(shù)均值0.520,較前5年增加5.5%,近5年呼倫貝爾沙地植被長勢明顯趨好,內蒙古東部近5年植被指數(shù)均值0.459,較前5年增加4.9%,內蒙古中部近5年植被指數(shù)均值0.355,較前期增加11.4%,近5年內蒙古東部和中部生態(tài)環(huán)境得較好恢復；賀蘭山以西區(qū)域近5年植被指數(shù)也表現(xiàn)出不同程度的增加,阿拉善高原和河西走廊近5年植被指數(shù)均值0.150,較前5年增加7.2%；青海北部近5年植被指數(shù)均值0.217,較前5年增加2.8%；北疆和南疆近5年植被指數(shù)均值分別為0.187和0.138,較前5年增加2.3%和2.5%；由此可見,兩期對比結果表明,近5年各個區(qū)域植被生長狀況均較前5年轉好,生態(tài)環(huán)境狀況持續(xù)改善。

根據(jù)國家林業(yè)局發(fā)布的中國荒漠化和沙化狀況公報[7],截至2014年,我國荒漠化土地面積261.16萬km2,與 2009年相比,5年間荒漠化土地面積凈減少12 120km2,年均減少2 424km2；土地荒漠化程度進一步減輕,植被狀況進一步好轉。植被長勢監(jiān)測與五次監(jiān)測結果趨勢一致。

4 結論與討論

1) 我國荒漠化地區(qū)近10年植被長勢整體呈現(xiàn)持續(xù)好轉趨勢,2014年北方荒漠化地區(qū)植被指數(shù)較2009年增長4.5%,呈增長趨勢,荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步改善。

2) 近5年(2010—2014年)植被指數(shù)均值0.26,較前5年(2005—2009年)增加5.4%,近5年(2010—2014年)北方荒漠化地區(qū)植被長勢明顯轉好。

3) 近10年呼倫貝爾、內蒙古東部和中部植被長勢趨勢向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被長勢略顯增加趨勢,北疆和南疆趨勢平穩(wěn)。本期2010—2014年北方7大區(qū)域植被均值分別不同程度的高于前期2005—2009年,內蒙古中部增幅最高達11.4%,北疆增幅最低為2.3%。本監(jiān)測期7大區(qū)域植被長勢均呈現(xiàn)好轉趨勢。

4)氣候暖濕化是植被長勢增長的有利自然因素,近10年來,北方荒漠化地區(qū)普遍存在氣溫升高、大風日數(shù)減少,降水量總體增多,植物生長期延長,植被長勢增加。生態(tài)環(huán)境有所好轉。但應同時看到,氣候變化是自然界的一種正?，F(xiàn)象,我國北方荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,干旱區(qū)缺水少雨的基本狀況沒有改變,干旱區(qū)生態(tài)脆弱的特征也沒有根本性改變,在自然和人為因素的共同影響下,生態(tài)環(huán)境極易遭到破壞,但也存在著恢復逆轉的可能和潛力。

5) 除自然因素外,國家實施的天然林資源保護工程、退耕還林工程、退牧還草工程、三江源生態(tài)保護綜合試驗區(qū)工程、京津風沙源治理工程等一系列生態(tài)保護與建設工程,對促進這些地區(qū)天然植被自然修復和工程治理效果的提高及其成果的鞏固發(fā)揮了明顯作用,有利于植被的恢復和改善,對這些地區(qū)荒漠化趨于好轉起到了積極影響。

總體上,近10年,我國北方荒漠化地區(qū)植被生長狀況持續(xù)好轉,主要是國家建立了一套有效的防沙治沙機制,采取了強有力的林草植被保護措施,啟動了大規(guī)模的治理工程,以及近幾年西北地區(qū)降水相對偏多等綜合因素發(fā)揮作用。但必須清醒地看到,沙區(qū)生態(tài)狀況的脆弱性、防治任務的艱巨性、治理與破壞的反復性、氣候變化的不確定性等因素依舊存在,局部地區(qū)沙化土地仍在擴展,對防治荒漠化的長期性和艱巨性必須有一個充分的、客觀的認識。目前荒漠化地區(qū)的生態(tài)狀況還很脆弱,抵御外界干擾能力較低,植物群落恢復到穩(wěn)定狀態(tài)還需要較長的時間,導致環(huán)境惡化的人為因素仍然存在。因此,我們面臨的形勢依然嚴峻。

[1]呂建海,陳曦,王小平,等.大面積棉花長勢的MODIS 監(jiān)測分析方法與實踐[J].干旱區(qū)地理.2004,27(1):118-123.

[2]扎西央宗.NOAA衛(wèi)星資料在那曲地區(qū)牧草長勢監(jiān)測中的應用研究[J].西藏科技,2004(6):35-44.

[3]裴志遠,楊邦杰.多時相歸一化植被指數(shù)NDVI 的時空特征提取與作物長勢模型設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2000,16(5):20-22.

[4]查勇,Gao Jay,倪紹祥.國際草地資源遙感研究新進展[J].地理科學進展,2003,22(6):607-617

[5]Edwards M C,Wellens J,Eisawi D.Monitoring the grazing resources of the Badia region,Jo rdan,using remote sensing [J].Applied Geography,1999,19(3):385-398.

[6]楊維西,鄭新江,陸均天.近50年來中國荒漠化地區(qū)氣候變化[M].北京:海洋出版社,2012.

[7]中國荒漠化和沙化狀況公報[EB/OL].(2015-12-29)[2017- 04-18].http://www.forestry.gov.cn/main/69/content-831684.html.

Vegetation Growth Changes of the Desertificated Area in China over the Past Ten Years

LIU Xusheng SUN Tao

(AcademyofForestInventory&Planning,SFA,Beijing100714,China)

Land desertification has strong impact on eco-environment,ecological security and economic and social development.In addition,vegetation is regarded as one of the most important methods for land desertification control,so its growth analysis and changes detection become more and more important.In this article,MODIS,from 2005 to 2014,was used as the main data source to extract the NDVI(Normalized Differential Vegetation Index) for analyzing the trend of vegetation growth of desert areas in China over the past ten years.The results indicated that the vegetation growth showed a trend of continuous improvement in the desert regions of China in recent 10 years.The average NDVI in the period from 2010 to 2014 reached to 0.26,increasing 5.4% than that in the period from 2005 to 2009.The vegetation grew towards improvement in Hulun Buir,the middle and eastern part of Inner Mongolia and slightly increased in Alxa,Hexi Corridor and North Qinghai.The vegetation growth kept steady in Xinjiang region.

vegetation growth,NDVI,desertification,remote sensing monitoring,trend analysis

2017-05-05；

2017-06-01

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)項目(201204202)

劉旭升(1974-)，女,內蒙古商都人,高工,主要從事荒漠化沙化監(jiān)測工作。Email：liuxush@163.com

Q948

A

1002-6622(2017)03-0031-04

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.007