吳小燕, 高 永, 黨曉宏, 張 超, 杜 斌, 張海龍, 包曉英

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測(cè)繪院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

植被覆蓋度(fractional vegetation cover， FVC)在一定程度上表征植被生長(zhǎng)狀況、檢測(cè)環(huán)境變化、衡量生態(tài)質(zhì)量[1-2]，是衡量區(qū)域植被變化情況甚至是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。目前對(duì)于植被覆蓋度提取方法主要分為實(shí)地測(cè)量和遙感影像提取，但實(shí)地測(cè)量耗時(shí)費(fèi)力，只適用于小區(qū)域的植被覆蓋度提取，并且結(jié)果受人為因素的影響較大，具有一定的局限性[4-6]，因此并不適宜在較大的空間尺度上進(jìn)行植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化的研究。遙感方法相較于實(shí)地測(cè)量在時(shí)效性、數(shù)據(jù)獲取、測(cè)量范圍等方面都存在著明顯優(yōu)勢(shì)，適合大范圍及長(zhǎng)時(shí)間序列植被覆蓋度監(jiān)測(cè)[7-8]。其中，基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation Index， NDVI)像元二分法模型進(jìn)行區(qū)域植被覆蓋度研究應(yīng)用較為廣泛[9-11]，在提取長(zhǎng)時(shí)間序列和大范圍植被覆蓋度時(shí)，其利用植被指數(shù)區(qū)分無(wú)植被覆蓋區(qū)域和植被覆蓋區(qū)域，從而估算區(qū)域植被覆蓋度，通過(guò)設(shè)定閾值對(duì)區(qū)域植被覆蓋面積進(jìn)行提取，結(jié)果具有較高的精度及科學(xué)性[12-13]。

庫(kù)布齊沙漠位于干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，植被的動(dòng)態(tài)變化在一定程度上影響著下一階段區(qū)域的植物保護(hù)、生態(tài)規(guī)劃和建設(shè)。目前學(xué)者們已經(jīng)明晰了庫(kù)布齊沙漠植被特征、土壤特征等[14-18]，對(duì)長(zhǎng)時(shí)序植被覆蓋度變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的結(jié)果止于2013年[19]，之后的植被動(dòng)態(tài)鮮有報(bào)道。鑒于此，本文以Landsat遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用NDVI像元二分法模型分析庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度的變化規(guī)律，從時(shí)間和空間尺度探究庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化，以期為庫(kù)布齊沙漠植被恢復(fù)及生態(tài)建設(shè)提供一定的參考和基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

庫(kù)布齊沙漠位于107°3′07″—111°23′06″E，40°34′22″—41°48′29″N，地處鄂爾多斯高原脊線的北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市的杭錦旗、達(dá)拉特旗和準(zhǔn)格爾旗的部分地區(qū)，面積約1.86×104km2，屬典型溫帶大陸性干旱—半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.0～7.5 ℃，沙漠東部年均降水量約400 mm，向西逐漸遞減至150 mm，年蒸發(fā)2 100～2 700 mm，呈由東向西遞增趨勢(shì)。西北風(fēng)為冬半年盛行風(fēng)向，年均風(fēng)速3.5 m/s，其中春季平均風(fēng)速為4.9 m/s，最大風(fēng)速為22 m/s，年大風(fēng)日數(shù)25～35 d，主要集中在春季。庫(kù)布齊沙漠植被主要包括：沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、四合木(Tetraenamongolica)、梭梭(Haloxylonammodendron)、藏錦雞兒(Caraganatibetica)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、沙柳(Salixcheilophila)等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以1989—2019年每5年1期共7期的Landsat影像為數(shù)據(jù)源，其中1989，1994，1999，2004和2009年選用的是Landsat 4—5 TM影像15景，2014和2019年Landsat 8OLI影像6景，共7期21景遙感影像，分辨率均為30 m，軌道號(hào)為127/32，128/32，129/32。為保證影像和地物之間均具有可比性，7期影像獲取時(shí)間均屬于庫(kù)布齊沙漠植被生長(zhǎng)季(6—9月)。

1.3 研究方法

利用ENVI 5.3軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌等預(yù)處理。植被覆蓋度計(jì)算采用基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)像元二分法模型[20-22]，計(jì)算公式為：

式中：FVC表示植被覆蓋度； NDVImin為NDVI最小值，表示裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值； NDVImax為NDVI最大值，表示完全由植被所覆蓋的純植被像元值。因外界條件變化會(huì)對(duì)NDVImin值、NDVImax值產(chǎn)生影響，所以對(duì)NDVImax和NDVImin賦值時(shí)需要結(jié)合影像的時(shí)相與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，本研究分別取NDVI的5%和95%代表NDVImin和NDVImax。)

參考相關(guān)文獻(xiàn)[23-24]對(duì)于植被覆蓋度的劃分，并結(jié)合庫(kù)布齊沙漠實(shí)際情況，將研究區(qū)植被覆蓋測(cè)度結(jié)果劃分為以下4個(gè)等級(jí)：①低植被覆蓋度(0

利用ArcGIS 10.2，根據(jù)質(zhì)心計(jì)算方法，分別計(jì)算不同等級(jí)植被覆蓋度1989—2019年各期遙感影像的重心坐標(biāo)，并繪制植被覆蓋度重心遷移圖[25-26]，從而體現(xiàn)庫(kù)布齊沙漠各級(jí)植被覆蓋度在空間分布上的變化趨勢(shì)。為能夠更直觀地體現(xiàn)出庫(kù)布齊沙漠1989—2019年的植被覆蓋度變化情況，利用GIS空間統(tǒng)計(jì)分析方法，分別將不同年份同一區(qū)域的植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行相減，獲取植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)，數(shù)值為正表示植被覆蓋度增加，植被覆蓋情況改善；數(shù)值為負(fù)表示植被覆蓋度減少，植被覆蓋情況退化；若數(shù)值變化不明顯，則說(shuō)明植被覆蓋基本未變。根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋度變化程度，將其劃分為7個(gè)等級(jí)[27-28]，分別為減少50%以上，減少30%～50%，減少10%～30%，基本未變，增加10%～30%，增加30%～50%，增加50%以上。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度時(shí)序變化特征

由圖1可知，1989—2019年庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均植被覆蓋度由0.104增長(zhǎng)到0.243。其中，平均植被覆蓋度1994—1999年變化較小，僅減少0.002，而1999—2004年、2009—2014年這兩個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)較大波動(dòng)，均呈下降趨勢(shì)，分別減少0.053，0.054。低植被覆蓋區(qū)占比總體呈降低趨勢(shì)，其中1999—2004年、2009—2014年呈增加趨勢(shì)，占比分別增加6.81%和24.44%，低植被覆蓋區(qū)占比在1989—2014年只減少4.78%，而2014—2019年減少30.86%；中低植被覆蓋度占比變化不明顯，總體保持平穩(wěn)；中植被覆蓋區(qū)占比呈增加趨勢(shì)，1989—2014年增加5.14%，而2014—2019年增加11.9%；高植被覆蓋區(qū)占比呈增加趨勢(shì)，1989—2014年增加6.13%，而2014—2019年增加2.38%。

圖1 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化情況

2.2 庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度空間變化特征

1989—2019年庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度在空間分布上呈現(xiàn)由西向東、向北增加的趨勢(shì)。由重心遷移圖發(fā)現(xiàn)，庫(kù)布齊沙漠低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度的重心向西遷移，中植被覆蓋度和高植被覆蓋度的重心均向東遷移(圖2—3)。從各時(shí)間段植被覆蓋度分布圖來(lái)看，低植被覆蓋度區(qū)域在沙漠的西部、中部及南部部分地區(qū)減少，尤其是在2014—2019年減少明顯，減少總面積達(dá)5 747.24 km2，但1999—2004年、2009—2014年低植被覆蓋度區(qū)域在沙漠的中部、西部和南部有所增加，2009—2014年增加尤為明顯，增加總面積達(dá)4 552.52 km2。中植被覆蓋度區(qū)域整體增加，變化主要發(fā)生在沙漠的東部、東南部及南部部分地區(qū)，但在1994—1999年、1999—2004年和2009—2014年中植被覆蓋度區(qū)域均有小面積的減少，減少總面積分別為225.42 km2，277.33 km2，679.97 km2。高植被覆蓋度區(qū)域整體呈增加趨勢(shì)，變化主要發(fā)生在東北部、北部和西北部邊緣以及中部小面積區(qū)域，特別是在2019年，高植被覆蓋度面積達(dá)2 367.12 km2，僅在1999—2004年高植被覆蓋度區(qū)域發(fā)生小范圍減少，減少總面積為845.63 km2，主要在北部和西北部邊緣減少。中低植被覆蓋度區(qū)域在1989—2004年變化不明顯，在2004—2019年有小幅度的變化，主要發(fā)生在沙漠西部、南部和中部的部分地區(qū)(圖2—3，表1)。

表1 不同等級(jí)植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì) km2

2.3 庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度的變化程度

通過(guò)對(duì)庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度變化程度分析(圖4，表2)，總體來(lái)看，1989—2019年庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋改善面積有所增加，退化面積有所減少。從各個(gè)時(shí)段來(lái)看，1989—1994年植被覆蓋以改善為主，改善面積為5 830.77 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、西部和北部邊緣，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的74.51%；1994—1999年植被覆蓋度基本保持不變，改善面積與退化面積相差僅有247.45 km2；1999—2004年植被覆蓋以退化為主，退化面積為3 870.22 km2，退化區(qū)域主要分布在沙漠北部和南部邊緣，退化程度以植被覆蓋度減少10%～30%為主，占退化總面積的71.45%；2004—2009年植被覆蓋以改善為主，改善面積為4 664.78 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、北部及中部小部分地區(qū)，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的78.70%；2009—2014年植被覆蓋以退化為主，退化面積為6 093.59 km2，退化區(qū)域主要分布在沙漠西部和中部，退化程度以植被覆蓋度減少10%～30%為主，占退化總面積的86.11%；2014—2019年植被覆蓋以改善為主，改善面積達(dá)8 880.53 km2，改善區(qū)域主要分布在沙漠東部、南部和北部地區(qū)，改善程度以植被覆蓋度增加10%～30%為主，占改善總面積的82.24%。

圖2 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度空間分布

圖3 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度重心遷移路徑

圖4 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化程度

表2 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年植被覆蓋度變化程度面積統(tǒng)計(jì)

2.4 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年氣溫和降水的變化

由圖5可以看出，近30 a來(lái)研究區(qū)年均降水量總體呈增加趨勢(shì)，年均氣溫雖呈上升趨勢(shì)但總體較為平穩(wěn)。多年平均降水量為293.45 mm，多年平均氣溫為7.83 ℃，其中1999—2004年年均降水量為270.01 mm，較多年平均值低23.44 mm，相應(yīng)時(shí)期研究區(qū)年均氣溫為8.00 ℃，高于多年平均值0.17 ℃；2009—2011年年均降水量?jī)H為237.61 mm，較多年平均值低55.84 mm，相應(yīng)時(shí)期年均氣溫為7.86 mm，高于多年平均值0.03 ℃，雖然在2012年降水量大幅度增加，達(dá)到年均降水量最大值(411.70 mm)，但植被對(duì)降水的響應(yīng)存在滯后[29]，所以1999—2004年、2009—2014年研究區(qū)處于相對(duì)干旱的時(shí)期。

3 討 論

降水和氣溫是影響沙漠地區(qū)植被覆蓋度變化的主要?dú)夂蛞蜃覽30-31]。李朝生等[32]同樣研究發(fā)現(xiàn)庫(kù)布齊沙漠影響植被的主要限制因子是水分，降水的變化對(duì)植被產(chǎn)生較大的影響；而氣溫的變化會(huì)對(duì)蒸騰作用產(chǎn)生影響，從而在一定程度會(huì)影響降水對(duì)植被的作用。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間變化上，庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度在1989—2019年整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均植被覆蓋度由0.104增長(zhǎng)到0.243，這可能與近30 a研究區(qū)年均降水量總體增加，年均氣溫雖上升但總體較為平穩(wěn)有關(guān)。研究區(qū)1999—2004年和2009—2014年植被覆蓋度降低，平均植被覆蓋度分別減少了0.053和0.054，退化面積分別為3 870.22和6 093.59 km2，分析其原因可能是由于1999—2004年和2009—2014年研究區(qū)處于相對(duì)干旱的時(shí)期，并且1999—2014年植被覆蓋度總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，累積平均植被覆蓋度減少0.043，且變化程度以減少為主，減少面積與增加面積相差3 094.02 km2，該結(jié)論與王黎[19]所得出的2002—2013年研究區(qū)植被覆蓋度提高不同，這可能是由于所采用的遙感數(shù)據(jù)時(shí)序不同以及對(duì)植被覆蓋度分級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)不同所導(dǎo)致，其在時(shí)序上是以1981—2002年、2002—2013年兩個(gè)時(shí)期分析植被覆蓋度變化，而本文選取每5 a一個(gè)時(shí)期分析植被覆蓋度變化。在空間分布上，庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度呈現(xiàn)由西向東、向北增加的特征，這與何亮等[33]、田海靜等[34]的研究結(jié)果一致，并且鄭玉峰等[35]研究得出1969—2018年庫(kù)布齊沙漠降水量在空間分布上呈由西向東遞增的趨勢(shì)，氣溫在空間分布上呈由西向東降低的趨勢(shì)，這與本文研究得出的庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度的空間分布特征存在一定關(guān)聯(lián)。

圖5 庫(kù)布齊沙漠1989—2019年年均降水量、氣溫變化趨勢(shì)

植被覆蓋變化是氣候、人為等多種因素共同作用的結(jié)果。研究期間“三北防護(hù)林體系”、封沙育林育草及“庫(kù)布齊沙漠生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目”等生態(tài)項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度增加起到一定促進(jìn)作用，但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口的增多，居民地的增加及城鎮(zhèn)化水平的提高在一定程度上造成植被的減少[36]，并且人類(lèi)活動(dòng)多種多樣，對(duì)植被覆蓋的影響也較為復(fù)雜，所以人為因素對(duì)研究區(qū)植被覆蓋的影響還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 在時(shí)間變化上，1989—2019年庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均植被覆蓋度由0.104增長(zhǎng)到0.243。在空間分布上，庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋度呈現(xiàn)由西向東、向北增加的特征。

(2) 庫(kù)布齊沙漠植被覆蓋在1999—2004年和2009—2014年均呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，平均植被覆蓋度分別減少了0.053和0.054，退化面積分別為3 870.22和6 093.59 km2，退化程度均以植被覆蓋度減少10%～30%為主。