潘冬榮，韓天虎，閆浩文

1. 蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070 2. 甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州 730010

引 言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對環(huán)境因子變化敏感，其空間分布和生長變化狀態(tài)是對相應地區(qū)各環(huán)境要素長期適應的結果，在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中充當著“指示器”的作用[1]。 植被覆蓋變化過程既反映了生態(tài)系統(tǒng)自身的變化，又反映了自然因素和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的作用過程。 區(qū)域植被覆蓋變化監(jiān)測是全球變化研究的熱點內容，對全球氣候變化應對和環(huán)境保護政策制定具有重要意義[2]。 植被覆蓋變化容易受到氣候和人類活動的共同影響，多年來，由于人類不合理的開發(fā)利用，陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到了極大的破壞，嚴重阻礙了社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，威脅著人類的生存與發(fā)展。

祁連山是中國東部季風濕潤區(qū)、西北內陸干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)的交匯處，其生態(tài)極度脆弱，植被覆蓋對氣候及環(huán)境變化敏感，極易受到氣候變化和人類活動的影響[3]。 祁連山區(qū)植被穩(wěn)定性的維持對中國西部生態(tài)安全具有至關重要的作用，是國家“一帶一路”規(guī)劃順利實施的重要保障。 近年來，受氣候變化和人類活動的雙重影響，祁連山區(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極大的變化[4]，引起了學者和政府部門的廣泛關注。 自1998年開始，中國分批次啟動了天然林資源保護、退牧還草、退耕還林和生態(tài)惡化土地治理等22個生態(tài)保護工程項目[5]，祁連山是這些工程的重點區(qū)域。 2016年中央環(huán)保督察組對甘肅省開展環(huán)境保護督察工作，認為祁連山生態(tài)環(huán)境問題嚴重。 之后，甘青兩省各部門在祁連山區(qū)開展了前所未有的生態(tài)恢復工程。

目前常用的遙感光譜NDVI主要有GIMMS-NDVI，SPOT-VGT-NDVI和MODIS-NDVI[6]，Chen利用MODIS和NOAA等遙感數(shù)據(jù)源研究了2000年—2017年全球植被覆蓋變化情況，發(fā)現(xiàn)在過去18年全球植被覆蓋呈增加趨勢，其中，中國和印度的貢獻率最大。 Fang等利用GIMMS研究了中國植被變化趨勢，認為中國植被活動在增強，西部地區(qū)植被增加尤其顯著。 金凱等利用GIMMS-NDVI3g數(shù)據(jù)對中國區(qū)域1982年—2015年植被覆蓋變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)中國植被恢復明顯，并且在中國接近70%的區(qū)域人類活動對植被變化的影響大于氣候因素。 王志偉等利用GIMMS-NDVI和MODIS-NDVI數(shù)據(jù)對青藏高原植被生長趨勢進行了分析，發(fā)現(xiàn)青藏高原區(qū)植被顯著增加，氣溫是影響植被增加的主要因素[7]。 趙舒怡研究發(fā)現(xiàn)華北不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋度變化速率有所不同。 有學者研究發(fā)現(xiàn)祁連山中西部植被覆蓋呈增加趨勢、東部植被覆蓋呈減小趨勢，荒漠呈萎縮趨勢而草地呈增加趨勢。 可見，植被覆蓋變化因類型和所處的生態(tài)區(qū)有所不同，但現(xiàn)有的研究并未關注祁連山生態(tài)保護工程實施后不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋變化速率和未來趨勢，為此，本研究利用SPOT-VGT-NDVI光譜數(shù)據(jù)分析了生態(tài)工程實施后祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI時空特征和動態(tài)變化規(guī)律，探尋植被覆蓋變化的敏感區(qū)域，為區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)工程建設提供理論基礎和技術支持，進而為林草部門制定祁連山保護規(guī)劃和植被恢復提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域概況

祁連山位于亞歐大陸中部，是青藏高原東北部最大的邊緣山系，東起烏鞘嶺，西至當金山口，北鄰河西走廊，南接柴達木盆地，東西長約850 km，南北寬約250～400 km；地勢由西北向東南降低，由多條西北—東南走向的平行山脈和谷地組成，海拔在2 100～4 500 m之間，最高峰團結峰高達5 826.8 m；水熱條件差異大，年均溫0.6 ℃，年降水400～700 mm，自東向西呈增加趨勢。 河流以冰川融水和山區(qū)降水補給為主，主要有黨河、北大河、大通河、湟水和河西走廊三的大內陸河： 黑河、石羊河、疏勒河等；祁連山獨特的地理環(huán)境和氣候條件使得區(qū)內分布有喬木、灌木、草本等各種植被[3]。 根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型和地理特征的差異，按照中國生態(tài)區(qū)的分類標準，可將祁連山劃分為7個生態(tài)區(qū)(圖1)，各生態(tài)區(qū)編號、面積及所占比例見表1。

圖1 祁連山生態(tài)區(qū)劃分Fig.1 The ecological regionalizationof Qilian Mountains

表1 祁連山不同生態(tài)區(qū)面積及比例Table 1 Area and proportion of different ecologicalzones in Qilian Mountains

1.2 光譜數(shù)據(jù)來源及預處理

考慮到生態(tài)工程對植被覆蓋變化的影響，選擇了與祁連山生態(tài)工程實施起始年份同期的1998年以來的基于連續(xù)時間序列的SPOT-VGT-NDVI衛(wèi)星光譜遙感數(shù)據(jù)集作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，通過幾何校正和大氣校正控制數(shù)據(jù)質量，然后對數(shù)據(jù)進行拼接、投影和裁剪等處理。 數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時間分辨率為1 d，采用最大合成法排除云、大氣等干擾，生成1998年—2018年月度、年度植被指數(shù)。

1.3 方法

1.3.1 均值法

利用年最大合成值NDVImax進行趨勢分析制作NDVI年際變化圖。 將每月最大合成值NDVImax數(shù)據(jù)按不同月份進行分類，求取平均值，制作NDVI月際變化圖，分析NDVI隨時間變化的特征。

1.3.2 趨勢分析法

使用一元線性趨勢線模型，逐像元擬合植被NDVImaxk年際變化趨勢，反演近21年祁連山區(qū)植被時空變化格局，植被NDVI年際變化趨勢計算公式如式(1)

(1)

式(1)中：n為監(jiān)測年數(shù)；k為年序列數(shù); NDVImaxk為第k年的最大值;θslope為變化斜率。

按照自然斷點法[8]將NDVI變化趨勢在ArcGIS平臺上進行重分類為5個等級，定義為： 明顯惡化，輕微惡化，基本不變，輕微改善，明顯改善。

1.3.3 變異系數(shù)法

變異系數(shù)是標準差與平均數(shù)的比值，表征觀測值的變異程度。 用變異系數(shù)表征每個像元NDVI值的時序變化情況。 變異系數(shù)越大，表明時序越不穩(wěn)定；反之，則表明時序較為穩(wěn)定。 變異系數(shù)的計算公式如式(2)

(2)

按照自然斷點法[8]將植被覆蓋變異系數(shù)在ArcGIS平臺上重分類為5類，定義為： 低波動區(qū)域，較低波動區(qū)域，中波動區(qū)域，較高波動區(qū)域和高波動區(qū)域。

1.3.4 疊置分析法

持續(xù)性分析—Hurst指數(shù)法： 定義NDVI時間序列為NDVI(t)，其中t=1, 2, …,n，對于任意正整數(shù)τ≥1，該時間序列的均值序列為

(3)

累積離差序列為

(4)

極差序列為

R(τ)=maxX(t，τ)-minX(t，τ)

(5)

(1≤t≤τ；=1, 2, …,n)

標準差序列為

(6)

(τ=1, 2, …,n)

計算Hurst指數(shù)為

(7)

式(7)中：H為Hurst指數(shù)；C為比例參數(shù)。

空間疊置分析法： 將NDVI空間變化趨勢和持續(xù)性在ArcGIS平臺上進行空間疊加，將耦合的結果分為8類，定義為： 反持續(xù)輕微惡化、反持續(xù)明顯改善、反持續(xù)明顯惡化、反持續(xù)輕微改善、持續(xù)明顯惡化、持續(xù)輕微惡化、持續(xù)明顯改善、持續(xù)輕微改善[8]。

2 結果與討論

2.1 時間變化特征

祁連山植被NDVI月均值變化如圖2所示，波峰出現(xiàn)在7月—8月，5月—10月的NDVI值分別為0.16，0.28，0.37，0.38，0.30和0.20。 NDVI月最大值變化趨勢與月均值變化趨勢相同。

圖2 祁連山植被NDVI月變化Fig.2 Monthly variations of NDVI inthe Qilian Mountains

祁連山1998年—2018年均植被NDVI總體呈波動上升趨勢，NDVI值在0.34～0.43之間波動，增速為0.32%·a-1(圖3)，主要是近年來祁連山區(qū)降水量增加和1998年以來相關部門采取的退耕還林還草、天然林保護工程、草原減畜等保護工程措施[5]綜合作用的結果。

圖3 祁連山1998年—2018年植被NDVI年變化趨勢

對祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI變化趨勢進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)： 柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)和帕米爾—昆侖山—阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)NDVI變化率較小，僅為0.14%·a-1和0.27%·a-1，而內蒙古高原中部草原化荒漠生態(tài)區(qū)和江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的變化率較大，分別為0.54%·a-1和0.57%·a-1(表2)。 主要是因為荒漠生態(tài)區(qū)是在極度缺水的干旱區(qū)域形成的，高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)是溫性荒漠向溫性草原的過渡區(qū)，分布的植物種主要為耐旱的小灌木和半灌木，其對氣候變化和人類保護措施的響應不及草本植物，因此，其NDVI變化率較小。 草原化荒漠生態(tài)區(qū)是溫性草原向溫性荒漠的過度地帶，在氣候和保護措施適當?shù)臈l件下可能發(fā)育為溫性草原，其中分布的針茅、長芒草等對水熱條件響應敏感，近年來降水量的增加使得草原化荒漠生態(tài)區(qū)植被覆蓋變化率較大，江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)植被NDVI變化率較大的原因主要為近年來實施的退牧還草、草原補獎等政策的實施減輕了放牧壓力，使得惡化草原發(fā)生正向演替，植被覆蓋度和生物量增加。

將NDVI等間距分為5個區(qū)間，分別統(tǒng)計各NDVI區(qū)所占的面積比例(圖4)，發(fā)現(xiàn)21年間高值區(qū)(0.8≤NDVI<1.0)所占面積比例增加(增速為54.4%·a-1)，低值區(qū)(0

表2 祁連山不同生態(tài)區(qū)植被NDVI變化率

圖4 不同區(qū)間NDVI變化趨勢Fig.4 Variation trends of NDVI in the Qilian Mountains

圖5 不同區(qū)間NDVI空間分布及所占比例Fig.5 Spatial distribution of NDVI

2.2 空間分布特征

逐像元統(tǒng)計21年間NDVI均值并繪制分布圖(圖6)。 總體來看祁連山植被NDVI偏低，從東南向西北逐漸減小，這主要是因為祁連山東部受海洋季風的影響，中西部受西風影響，水汽來源的不同導致祁連山降水量自東向西呈遞減趨勢，造成植被覆蓋東多西少。 東部地區(qū)主要植被類型為森林、高寒草甸和典型草原；中部地區(qū)主要植被類型為高寒草原和典型草原；西部地區(qū)主要植被類型為荒漠草原[9]。 NDVI<0.4的面積占祁連山總面積的56.34%，主要分布在柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)、帕米爾—昆侖山—阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)的中西部、祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)以及江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的西北部。 其中，00.4的面積占祁連山總面積的43.66%，主要分布在祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)、江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的東南部、內蒙古高原中部草原化荒漠生態(tài)區(qū)以及內蒙古高原中部-隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)。 其中，0.4≤NDVI<0.6的面積為2.63×104km2，占總面積的14.40%。 0.6≤NDVI<0.8的面積為5.00×104km2，占總面積的27.40%。 0.8≤NDVI<1.0的面積為0.34×104km2，占總面積的1.85%。

2.3 空間變化特征

祁連山植被NDVI變化斜率介于-0.035～0.045之間，變化趨勢分布圖顯示，40.76%區(qū)域的植被呈改善(包括輕微改善和明顯改善)趨勢，零散分布于除柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)的各生態(tài)區(qū)(圖7)。 這與桂娟[9]等的研究結果一致，主要原因可能為氣候的暖濕化及人類的保護措施。 28.37%區(qū)域的植被呈惡化(包括輕微退化和明顯退化)趨勢，集中分布于柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)西北部區(qū)域。 零散分布的惡化區(qū)域可分為3部分，分別為高海拔雪線附近的高寒草原和高寒荒漠、城鎮(zhèn)周圍以及河湖周圍。 水熱條件的精確耦合以及人類的合理利用有助于植被恢復[10]，雪線附近惡化可能是水熱條件惡劣和野生動物增多綜合作用的結果[5]，城鎮(zhèn)周圍惡化是由于城鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展，占用了部分林地、草地，植被NDVI表現(xiàn)出惡化趨勢[11]。 青海湖、哈拉湖和其他河岸、湖岸周圍植被呈惡化趨勢主要是因為2004年以來的降水量增加以及高溫導致的高山積雪消融和冰川消融使得水位上升[12]，湖岸線上升5.52 km淹沒周圍草地導致NDVI出現(xiàn)大幅下降[13]。

圖6 祁連山NDVI空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of NDVIin the Qilian Mountains

圖7 祁連山1998年—2018年NDVI變化趨勢空間分布及所占比例Fig.7 Spatial distribution trends of NDVI in the Qilian Mountains from 1998 to 2018

祁連山植被NDVI變異系數(shù)介于0.018～3.98之間，總體表現(xiàn)為東南區(qū)域變化較小，西北區(qū)域較大，各生態(tài)區(qū)域內沒有明顯的規(guī)律性(圖8)。 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，低波動區(qū)域和較低波動區(qū)域主要分布在祁連山東部，占祁連山總面積的91.11%，這些區(qū)域的植被類型為森林、高寒草甸、山地草甸、溫性草原等，植被結構穩(wěn)定，受到氣候和人類活動影響較小，因此波動較小。 較高波動和高波動變化區(qū)域零散分布于祁連山西部區(qū)域，占1.21%。 結合DEM數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，高波動區(qū)域是海拔為4 500 m以上的常年積雪區(qū)域周圍的高寒荒漠和高寒草原區(qū)，這些區(qū)域正是植被脆弱區(qū)，也是植被惡化區(qū)域，極易受到自然和人為因素的影響，近年來國家雖然在祁連山區(qū)域實施了諸多的生態(tài)工程計劃，但這些區(qū)域海拔較高，交通不便，人類的圍欄、補播等保護性措施較少[5]，生態(tài)保護引起的野生動物增多是導致區(qū)域植被惡化的重要原因[14]，此外，增溫誘發(fā)的干旱也是引起高寒荒漠和高寒草原惡化的重要原因。 針對此區(qū)域，國家應該實施嚴格的政策性禁牧制度，以達到植被恢復的目的。

圖8 祁連山1998年—2018年NDVI變異系數(shù)空間分布及所占比例Fig.8 Spatial distribution variation coefficients of NDVI in Qilian Mountains from 1998 to 2018

2.4 未來演化趨勢

基于Hurst指數(shù)值域，對祁連山1998年—2018年NDVI變化的可持續(xù)性進行分析，并與植被覆蓋變化趨勢進行疊加分析(圖9)，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋反持續(xù)性變化的面積為1.31×104km2，占祁連山總面積的7.12%；大部分區(qū)域的植被覆蓋變化趨勢與過去相同，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%。

圖9 祁連山NDVI未來演化趨勢空間分布Fig.9 Spatial distribution future evolution trendsof NDVI in the Qilian Mountains

圖例字母表示意義如下：

fcx+qwth： 反持續(xù)輕微惡化；fcx+xzgs： 反持續(xù)明顯改善；fcx+xzth： 反持續(xù)明顯惡化；fcx+qwgs： 反持續(xù)輕微改善；cx+xzth： 持續(xù)明顯惡化；cx+qwth： 持續(xù)輕微惡化；cx+xzgs： 持續(xù)明顯改善；cx+qwgs： 持續(xù)輕微改善。

對演化趨勢進行統(tǒng)計分析(表3)，發(fā)現(xiàn)未來植被覆蓋呈良性發(fā)展趨勢和惡性發(fā)展趨勢的面積分別占祁連山總面積的42.83%和26.40%，其中持續(xù)性惡化的面積占25.56%。

表3 祁連山NDVI演化趨勢特征Table 3 Evolution trend characteristics ofNDVI in the Qilian Mountains

3 結 論

基于時序光譜遙感指數(shù)數(shù)據(jù)SPOT-VGT-NDVI，分析了祁連山1998年—2018年不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋時空變化特征，得出如下結論：

(1)祁連山植被NDVI變化呈波動上升趨勢，平均增速為0.32%·a-1。

(2)祁連山不同生態(tài)區(qū)植被覆蓋增速的不同是由植被類型對水熱條件和保護措施響應的敏感性差異導致。

(3)祁連山植被呈整體改善，局部惡化趨勢，惡化區(qū)域為雪線附近、城鎮(zhèn)周圍和湖岸周圍，雪線附近惡化是由水熱條件惡劣和野生動物增多所致，城鎮(zhèn)周圍惡化由城鎮(zhèn)發(fā)展所致，湖岸周圍惡化由湖岸線上升淹沒周圍草地所致。

(4)祁連山植被波動率較小，未來呈良性發(fā)展趨勢和惡性發(fā)展趨勢的面積分別占祁連山總面積的42.83%和26.40%，持續(xù)性惡化的面積占25.56%，該區(qū)域應設定為未來保護的重點區(qū)域。