基于遙感的晉北沙化區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)1)

朱世忠

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，太原，030012)

基于遙感的晉北沙化區(qū)植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)1)

朱世忠

(山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，太原，030012)

以山西省晉北沙化區(qū)為研究區(qū)，基于長(zhǎng)時(shí)序的歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)分析方法，從年份、季節(jié)和月份3個(gè)尺度系統(tǒng)分析了研究區(qū)的植被變化時(shí)空特征。研究發(fā)現(xiàn)：2000—2012年晉北沙化區(qū)的植被活動(dòng)在增強(qiáng)，年增加率為14.61%，研究區(qū)89.57%的區(qū)域植被活動(dòng)在增強(qiáng)，其中秋季植被活動(dòng)增強(qiáng)最為明顯，表明近13 a晉北地區(qū)的土地沙化趨勢(shì)在減弱，在該區(qū)實(shí)施的京津風(fēng)沙源治理工程的生態(tài)效應(yīng)正在呈現(xiàn)。但研究區(qū)整體植被覆蓋仍較低，69.93%的區(qū)域?yàn)檩^少植被區(qū)。因此，京津風(fēng)沙源治理工程在該區(qū)需繼續(xù)實(shí)施，才能保證植被恢復(fù)到理想的狀態(tài)。

植被動(dòng)態(tài)；長(zhǎng)時(shí)間序列；歸一化植被指數(shù)；晉北沙化區(qū)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是其中最為活躍和敏感的因子，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中溫室氣體濃度上升等方面具有不可替代的作用[1]。20世紀(jì)以來(lái)，在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下，植被變化過(guò)程日趨復(fù)雜，在生態(tài)脆弱區(qū)開(kāi)展植被變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)于正確理解植被變化與氣候變化之間的相互作用，加深人類活動(dòng)對(duì)植被變化的影響的認(rèn)識(shí)都具有重要的科學(xué)意義[2-4]?；哪谝欢ǔ潭壬媳憩F(xiàn)為植被退化、植被蓋度、生物量、凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP等的動(dòng)態(tài)變化，均是荒漠化過(guò)程中植被生產(chǎn)力的重要反映，也是荒漠化過(guò)程發(fā)展或者逆轉(zhuǎn)的重要指示因子[5-7]。因此，植被動(dòng)態(tài)變化在一定程度上可以反映荒漠化的動(dòng)態(tài)變化，研究植被變化可以探知荒漠化的動(dòng)態(tài)變化。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)成為對(duì)植被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)最方便快捷且行之有效的手段。研究長(zhǎng)時(shí)間序列的歸一化植被指數(shù)(NDVI)變化是研究植被變化的主要途徑[8-10]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用長(zhǎng)時(shí)序的NDVI變化在對(duì)荒漠化動(dòng)態(tài)方面做了不少研究[11-13]。例如，樸世龍等[13]利用NDVI分析了1982—1999年中國(guó)荒漠化區(qū)NDVI的年際變化，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)的NDVI在上升，表明我國(guó)的荒漠化面積在減少。

山西省晉北沙化區(qū)是我國(guó)北方生態(tài)脆弱農(nóng)牧區(qū)的重要組成部分，也是我國(guó)較為重要的防沙、治沙工程試點(diǎn)之一[14-16]。2000年以來(lái)，我國(guó)在該區(qū)實(shí)施了著名的京津風(fēng)沙源治理工程。目前工程的一期建設(shè)已完畢，迫切需要對(duì)該區(qū)工程實(shí)施的生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)估。因此，研究晉北沙化區(qū)的植被變化不僅為生態(tài)脆弱區(qū)的植被變化提供理論依據(jù)，也可為京津風(fēng)沙源治理工程在該區(qū)的生態(tài)效益評(píng)估提供一定的科學(xué)依據(jù)，也為二期工程的規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

晉北沙化區(qū)為山西省土地沙化較為嚴(yán)重的地區(qū)，行政區(qū)范圍包括大同市的南郊區(qū)、新榮區(qū)、渾源縣、大同縣等，朔州市的平魯區(qū)、右玉縣、應(yīng)縣等，忻州市的偏關(guān)縣、河曲縣、五寨縣、繁峙縣、代縣等，共計(jì)20個(gè)區(qū)縣(圖1)，國(guó)土面積約為3.18萬(wàn)km2。全區(qū)平均海拔在1 500 m，黃土普遍分布，地勢(shì)種類繁雜多樣。該區(qū)是我國(guó)黃土高原最為重要的部分，也是山西省資源、礦產(chǎn)等自然資源的集中分布區(qū)，人類的活動(dòng)對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的干擾較為劇烈。該區(qū)屬溫帶氣候，溫差較大、干旱且常年多風(fēng)沙。年平均溫度為6.2 ℃，年光照時(shí)間為2 300～2 900 h。全年平均降水量為425 mm，首要月份主要聚集在6—9月，年水蒸發(fā)量為1 700～2 300 mm，濕度為50%～60%，≥8級(jí)的風(fēng)沙時(shí)間年平均在30 d。地區(qū)性植被已被重度損壞，地帶性植被已被完全破壞，當(dāng)代地表景觀以亞熱帶半干旱草原與部分半濕潤(rùn)森林草原為中心。大多數(shù)現(xiàn)有的植被多以1年生灌木和草類為主[14-16]。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

本文所采用的NDVI數(shù)據(jù)為2000—2012年的中分辨率成像光譜儀(MODIS)逐月1 km NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD13A3)。MODIS數(shù)據(jù)集由美國(guó)宇航局LPDAAC下載，每個(gè)時(shí)段覆蓋研究區(qū)的產(chǎn)品包括3個(gè)景據(jù)(h26v04，h27v04，h26v05)，研究中采用MRT(Modis二次投影工具)對(duì)3個(gè)景數(shù)據(jù)進(jìn)行批量的拼接和裁剪處理。年NDVI平均值由12個(gè)月中月INDV≥0.05得到[17-18]。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：i為月份，INDVi為1—12月的各月NDVI的值。

2.1 植被綠度變化率

本研究采用植被綠度變化率(GRC)方法研究晉北沙化區(qū)的植被變化[19]。該方法的定義為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)年際變化最小次方線性回歸代數(shù)方程的回歸系數(shù)，其表達(dá)式如下：

(2)

翻模結(jié)構(gòu)為外模采用5mm鋼板做面板、布置間距50cm的8號(hào)槽鋼作為縱橫肋操作平臺(tái)。操作平臺(tái)由上操作平臺(tái)和下操作平臺(tái)組成。上操作平臺(tái)主要供操作人員進(jìn)行鋼筋的接長(zhǎng)、綁扎及堆放一些施工機(jī)具使用；下操作平臺(tái)供穿、拆拉桿用。內(nèi)模使用組合模板拼裝，直徑50mm的電焊管為肋，φ20mm的鋼筋外套硬塑料管，間距1.2m×1.2m作為對(duì)拉桿。內(nèi)工作平臺(tái)跟隨內(nèi)模提升，既保證了作業(yè)人員的安全，又方便了使用吊車將高墩主筋將每一循環(huán)的用量吊入平臺(tái)上，經(jīng)測(cè)定，每循環(huán)可減少1d的作業(yè)時(shí)間。翻模時(shí)須用塔吊協(xié)助，具體操作程序如下：

2.2 植被變化率

植被變化率是指某一時(shí)間段內(nèi)植被活動(dòng)整體趨勢(shì)的變化。其計(jì)算公式如下[20]：

RC=(S×N/m)×100%。

(3)

其中：RC為植被變化率，S為N年NDVI變化的斜率，m為N年的NDVI的平均值，N是所研究NDVI的時(shí)間序列長(zhǎng)度。該變化率在數(shù)值上相當(dāng)于N年內(nèi)NDVI的末期值與初期值之差，表示N年內(nèi)植被活動(dòng)整體的變化情況。

3 晉北沙化區(qū)植被變化時(shí)空特征

3.1 植被覆蓋的空間分布

2000—2012年晉北沙化區(qū)NDVI的年平均值空間分布如圖2所示，可反映研究區(qū)近13a來(lái)植被覆蓋的空間分布特征。從圖2中可以看出，研究區(qū)NDVI的年平均值的空間差異相對(duì)較大，晉北沙化區(qū)植被覆蓋從西北向東南遞增。其中，植被覆蓋較高的區(qū)域主要集中應(yīng)縣、渾源縣、代縣和繁峙縣的部分區(qū)域。植被覆蓋較低的區(qū)域集中在大同市的南郊區(qū)和朔州市平魯區(qū)的部分區(qū)域。從整體的分布情況來(lái)看，研究區(qū)年INDV分布范圍0.15～0.30，表明晉北沙化區(qū)的植被覆蓋總體偏低。根據(jù)晉北地區(qū)的實(shí)際情況和參考國(guó)際通用辦法[21-22]，本文將NDVI分為裸地(INDV≤0.10)；稀疏植被(0.100.60)6個(gè)等級(jí)(表1)。從表中可以看出，晉北沙化區(qū)較少植被的分布面積最大，約占整個(gè)研究區(qū)的69.93%。其次是適中植被，約占27.42%。茂密植被、稀疏植被和很密植被的百分比分別為3.12%、0.06%和0.04%。表明京津風(fēng)沙源工程在該區(qū)實(shí)施以來(lái)，研究區(qū)的稀疏植被面積已較小，但是茂密植被和很密植被的比例同樣也較小。因此，京津風(fēng)沙源治理工程在該區(qū)需繼續(xù)實(shí)施，才能保證植被恢復(fù)到預(yù)期的效果。

圖2 研究區(qū)植被指標(biāo)2000—2012年間平均值的空間分布

植被覆蓋狀況INDV值占總面積百分比/%裸地≤0.100 稀疏植被>0.10～0.150.06較少植被>0.15～0.3069.93適中植被>0.30～0.4527.42茂密植被>0.45～0.603.12很密植被>0.600.04

3.2 晉北沙化區(qū)植被覆蓋的年際變化

利用GRC方法和年NDVI值，系統(tǒng)分析了2000—2012年晉北沙化區(qū)植被活動(dòng)的年際變化和空間分布(圖3和圖4)。從圖3中可以看出，近13a研究區(qū)的NDVI呈顯著增加的趨勢(shì)(R=0.648,P=0.017)，年增加趨勢(shì)為0.003 25，增加率為14.61%(表2)，表明晉北沙化區(qū)近13a的植被總體狀況向著改善的方向發(fā)展。NDVI的谷值出現(xiàn)在2000年和2001年，在該區(qū)沒(méi)有實(shí)施生態(tài)工程時(shí)，研究區(qū)的植被覆蓋較低。而峰值出現(xiàn)在2012年，在該區(qū)生態(tài)工程實(shí)施后，研究區(qū)的植被活動(dòng)在明顯增加。從圖4中可以看出，2000—2012年晉北沙化區(qū)植被活動(dòng)整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但空間差異較大。其中圖4中綠色表示植被活動(dòng)呈增加趨勢(shì)，紅色表示植被活動(dòng)呈下降趨勢(shì)。研究區(qū)的大部分區(qū)域植被活動(dòng)呈增加趨勢(shì)，如研究區(qū)的西南部，保德縣、五寨縣等。而植被活動(dòng)呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)的區(qū)域僅在大同市的南郊區(qū)、陽(yáng)高縣的北部和繁峙縣南部等小部分地區(qū)。統(tǒng)計(jì)表明，研究區(qū)89.57%的區(qū)域植被活動(dòng)在增強(qiáng)，其中顯著增加的區(qū)域約占整個(gè)研究區(qū)的47.03%，而顯著下降的區(qū)域僅占研究區(qū)面積的1.85%(表3)。因此，從時(shí)空角度均可看出，晉北沙化區(qū)2000—2012年的植被活動(dòng)在增強(qiáng)，表明研究區(qū)的沙化趨勢(shì)在減弱，也進(jìn)一步說(shuō)明京津風(fēng)沙源治理工程的生態(tài)效應(yīng)正在呈現(xiàn)。

圖3 晉北沙化區(qū)2000—2012年NDVI年際變化特征

圖4 晉北沙化區(qū)2000—2012年植被變化趨勢(shì)的空間分布

季節(jié)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差年變化趨勢(shì)變化率/%春季0.198±0.01240.0022814.96夏季0.457±0.04850.0063318.01秋季0.325±0.02270.0051320.52全年0.289±0.01960.0032514.61

3.3 晉北風(fēng)沙區(qū)季節(jié)尺度的植被變化

在對(duì)晉北沙化區(qū)植被活動(dòng)年際變化特征分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)一步分析了研究區(qū)植被活動(dòng)的季節(jié)變化特征，從而得出不同季節(jié)植被活動(dòng)變化對(duì)年尺度植被活動(dòng)變化的貢獻(xiàn)。其中春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的NDVI值為相應(yīng)3個(gè)月份NDVI的平均值。

3.3.1 研究區(qū)植被活動(dòng)的季節(jié)變化

晉北風(fēng)沙區(qū)春季、夏季和秋季的INDV的平均值分別為0.198、0.457和0.325(表2)，整個(gè)晉北風(fēng)沙區(qū)各個(gè)季節(jié)植被活動(dòng)均呈增加的趨勢(shì)，但是3個(gè)季節(jié)的增加趨勢(shì)存在一定的差異(圖5)。秋季植被活動(dòng)的增加趨勢(shì)最為明顯(R=0.879，P<0.001),年增加趨勢(shì)為0.005 13，增加率為20.52%，其中秋季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2010、2012年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年和2006年；其次是夏季(R=0.507,P=0.076)，年增加趨勢(shì)為0.006 33，增加率為18.01%，其中夏季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2010年和2012年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年；最后是春季，年增加趨勢(shì)為0.002 28，增加率為14.96%，其中春季NDVI較好的年份出現(xiàn)在2005和2008年，NDVI較低的年份出現(xiàn)在2001年。從上面的分析可知，3個(gè)季節(jié)NDVI值較低的年份主要集中在生態(tài)工程實(shí)施的前期，而NDVI較高的年份集中在生態(tài)工程實(shí)施的后期，進(jìn)一步表明生態(tài)工程的生態(tài)效應(yīng)正在呈現(xiàn)。因此，3個(gè)季節(jié)植被活動(dòng)的共同增加是導(dǎo)致研究區(qū)年植被活動(dòng)上升的主要原因，其中秋季貢獻(xiàn)最大，增加最為緩慢的季節(jié)為春季。

圖5 晉北沙化區(qū)2000—2012年春季、夏季和秋季的植被變化特征

3.3.2 研究區(qū)植被活動(dòng)季節(jié)的空間變化

基于GRC方法進(jìn)一步分析了晉北風(fēng)沙區(qū)2000—2012年不同季節(jié)NDVI的空間變化趨勢(shì)，從圖6中可以明顯看出，春季、夏季和秋季晉北沙化區(qū)的植被活動(dòng)均呈增加的趨勢(shì)。本節(jié)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)不同等級(jí)植被活動(dòng)變化百分比。從表3中可以看出，秋季植被活動(dòng)增加最為顯著，占整個(gè)研究區(qū)的92.35%，顯著增加的區(qū)域?yàn)?0.97%，顯著下降的區(qū)域僅為1.12%。保德縣、五寨縣、偏關(guān)縣等研究區(qū)西南部區(qū)域植被活動(dòng)增加尤為明顯，而大同市南郊區(qū)的東部、懷仁縣北部、繁峙縣南部的部分區(qū)域植被活動(dòng)則在下降。其次是夏季，研究區(qū)89.48%的區(qū)域植被在增加，顯著增加的區(qū)域?yàn)?1.25%，顯著下降的區(qū)域僅為1.22%，與秋季植被活動(dòng)的空間分布類似，研究區(qū)的西南部如神池縣、偏關(guān)縣、保德縣植被活動(dòng)呈增加的趨勢(shì)，而研究區(qū)的中部與東南部等縣均有不同程度的植被活動(dòng)在下降。最后是春季，研究區(qū)約89.16%的區(qū)域植被活動(dòng)在增加，其中顯著上升的區(qū)域?yàn)?0.56%，顯著下降的區(qū)域僅為1.07%，其中研究區(qū)的西部保德縣、偏關(guān)縣、河曲縣整個(gè)縣的植被活動(dòng)在增強(qiáng)，而大同市南郊區(qū)的東部、懷仁縣北部、繁峙縣南部的部分區(qū)域植被活動(dòng)在下降。因此，從圖3和圖5可以看出，3個(gè)季節(jié)大部分研究區(qū)的植被活動(dòng)增加是導(dǎo)致該區(qū)年植被活動(dòng)增加的主要原因，而春季繁峙縣南部植被活動(dòng)的下降和夏季大同市南郊區(qū)和陽(yáng)高縣北部植被活動(dòng)的下降是導(dǎo)致這些區(qū)域植被活動(dòng)下降的主要原因。

表3 2000—2012年不同季節(jié)不同等級(jí)植被變化率 %

3.4 晉北沙化區(qū)月尺度的植被變化

為了進(jìn)一步分析不同月份NDVI值對(duì)全年NDVI變化的貢獻(xiàn)，研究了晉北沙化區(qū)2000—2012年每月NDVI的平均值和月NDVI變化趨勢(shì)(圖7)。從圖中可以看出，晉北風(fēng)沙區(qū)NDVI最大值出現(xiàn)在8月，最小值則出現(xiàn)在1、12月。從月NDVI變化的趨勢(shì)中可以看出，晉北風(fēng)沙區(qū)2000—2012每個(gè)月植被活動(dòng)均呈增加的趨勢(shì)，表明整個(gè)研究區(qū)的植被活動(dòng)呈增加的趨勢(shì)。其中10月植被增加趨勢(shì)最顯著，其次是7月和8月。從圖中可以看出，秋季(9—11月)的植被活動(dòng)增加比較明顯，進(jìn)一步表明秋季植被活動(dòng)的增加對(duì)全年的貢獻(xiàn)最大。

圖6 研究區(qū)2000—2012年春季、夏季和秋季植被變化趨勢(shì)的空間分布

4 結(jié)論與討論

本文利用2000—2012年的MODISNDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用GRC趨勢(shì)分析方法，系統(tǒng)研究了晉北沙化區(qū)13a的年、季節(jié)和月植被變化時(shí)空特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，晉北沙化區(qū)的整體植被活動(dòng)呈改善的趨勢(shì)，表明在該區(qū)實(shí)施的生態(tài)工程效應(yīng)正在呈現(xiàn)。從時(shí)間上看，2000—2012年研究區(qū)的植被活動(dòng)在增強(qiáng)，年增加率為14.61%。其中植被活動(dòng)增加最大的季節(jié)為秋季，增加率為20.52%，春季植被增加最為緩慢，增加率為14.96%。研究區(qū)12個(gè)月NDVI變化均呈增加的趨勢(shì)，其中10月增加最高，其次是7月和8月。從空間上看，研究區(qū)大部分區(qū)域植被活動(dòng)呈增加趨勢(shì)，植被活動(dòng)減少主要發(fā)生在大同市南郊區(qū)，繁峙縣南部和陽(yáng)高縣北部等部分區(qū)域。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，89.57%的區(qū)域植被活動(dòng)在增加，顯著增加的區(qū)域?yàn)?7.03%，顯著下降的區(qū)域僅為1.85%。植被活動(dòng)增加的區(qū)域主要是由春、夏和秋3個(gè)季節(jié)植被活動(dòng)共同增加作用的結(jié)果，其中秋季貢獻(xiàn)最大。晉北沙化區(qū)植被覆蓋總體上從西北向東南遞增，但整體研究區(qū)的植被覆蓋較低，69.93%的區(qū)域?yàn)檩^低植被。本文的研究成果可以加深典型生態(tài)工程區(qū)植被變化的理論研究，也可為京津風(fēng)沙源治理工程在該區(qū)的生態(tài)工程效益評(píng)價(jià)和二期工程的規(guī)劃決策提供一定科學(xué)依據(jù)。

圖7 研究區(qū)2000—2012年月尺度NDVI平均值和變化趨勢(shì)

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Vegetation Dynamics in the Desertification Area of Northern Shanxi Province Based on the Remote Sensing Data/

Zhu Shizhong

(Shanxi Forestry Survey and Design Institute, Taiyuan 030012, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-69～74

Vegetation dynamics; Long time-series; Normalized difference vegetation index (NDVI); Desertification area of northern Shanxi Province

1) 國(guó)家“十二五”科技重大專項(xiàng)(20121101011)資助。

朱世忠，男，1957年8月生，山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，高級(jí)工程師。

2014年4月18日。

S718.5

責(zé)任編輯：潘 華。