基于NDVI指數(shù)的渾善達(dá)克沙地植被時空變化規(guī)律分析

朱芳瑩，鹿化煜，弋雙文，王曉勇

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 地貌過程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093；2.中國人民解放軍61243部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000)

基于NDVI指數(shù)的渾善達(dá)克沙地植被時空變化規(guī)律分析

朱芳瑩1,2，鹿化煜1，弋雙文1，王曉勇1

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 地貌過程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093；2.中國人民解放軍61243部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)；時空變化規(guī)律；植被覆蓋度；渾善達(dá)克沙地

為從宏觀上認(rèn)識沙地綠色植被在年、月時間尺度的變化規(guī)律，為防沙治沙工作提供理論依據(jù)，分析了渾善達(dá)克沙地1982—2006年共25年的植被指數(shù)數(shù)據(jù)。研究認(rèn)為，渾善達(dá)克沙地植被生長期為每年的5月下旬至10月，其中7月下旬和整個8月綠色植被生長量達(dá)到峰值；1982—2006年的25年間，渾善達(dá)克沙地綠色植被覆蓋度以每年0.1百分點(diǎn)的速率緩慢增長，其中沙地西部治沙成果顯著，但沙地中東部，原本的中、高植被覆蓋區(qū)，植被的衰退和顯著衰退面積竟然高達(dá)總面積的27%。同樣的防沙治沙工作，為何在渾善達(dá)克沙地的東、西部出現(xiàn)了截然相反的局面，這需要引起我們的反思和高度重視。

我國北方四大沙地(呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地、毛烏素沙地)總面積超12萬km2，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件最為嚴(yán)酷、生態(tài)環(huán)境最為脆弱、人地矛盾和人水矛盾最為突出、土沙轉(zhuǎn)換最為頻繁、防治難度最大的地區(qū)，而綠色植被，正是這片廣袤土地上最有力的生力軍。研究綠色植被歷年的生長變化特點(diǎn)，有助于我們從宏觀上認(rèn)識沙地植被在年、月時間尺度上的生長變化規(guī)律,有利于我們尋找和發(fā)現(xiàn)在防沙治沙過程中存在的問題，為防沙治沙工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原南端，總面積約3.1萬km2[1]，是離北京最近的沙源。沙地內(nèi)部，風(fēng)沙土上生長的植被主要是草原沙地錦雞兒、柳、蒿灌叢等，河流谷地為禾草、雜草類草甸；沙地西部棕鈣土上是以戈壁針茅為主的草原，在栗鈣土上廣泛分布著克氏針茅草原；沙地的南部零星分布著些許糧田，以耕種耐寒耐旱的大豆、玉米為主；沙地的東部，靠近大興安嶺的區(qū)域，植被茂密且種類繁多，主要是以虎榛子、繡線菊、線葉菊灌叢和羊草、貝加爾針茅等植物為主的草原；在各河流流經(jīng)的區(qū)域，或內(nèi)陸河的發(fā)源地、分叉處，有少量的落葉小葉林生長。由于沙地孔隙充分吸收降水和攔截源于南部山地的地表水和地下潛流的補(bǔ)給，因而潛水儲量豐富，沙地中散布著眾多大小不等的沼澤洼地，形成了草原與沙地、沙地與濕地、濕地與湖泊、農(nóng)田等多種生態(tài)系統(tǒng)的綜合交錯區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

GIMMS NOAA/AVHRRNDVI全球植被指數(shù)變化數(shù)據(jù)集由全球總量監(jiān)測和模擬研究組收集處理。該數(shù)據(jù)集涵蓋1981—2006年共26年的月值植被指數(shù)數(shù)據(jù)，采用ALBERS投影，時間分辨率是15 d，空間分辨率是8 km。由于數(shù)據(jù)集中1981年的數(shù)據(jù)不全，故只分析1982—2006年的數(shù)據(jù)。GIMMS數(shù)據(jù)集的處理過程包括校正遙感器靈敏度隨時間的變化、太陽高度角、衛(wèi)星軌道的漂移等影響，消除EL Chichon和Pinatubo火山爆發(fā)導(dǎo)致的大氣氣溶膠的影響。GIMMS數(shù)據(jù)集具有時間序列長、覆蓋范圍廣、時空可比、較強(qiáng)的植被動態(tài)變化表征能力等特點(diǎn)[2-3]，已被廣泛應(yīng)用于全球及區(qū)域尺度的植被動態(tài)研究之中。

2.2NDVI數(shù)據(jù)處理

2.2.1 最大值合成法(MVC)

對于NDVI的處理方法，采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)，用來獲取全年、全月NDVI最大值，該方法可以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾[4-7]。求取年最大NDVI值的計(jì)算公式為

NDVIi=MAX(MNDVI1，MNDVI2，…，MNDVI12)

(1)

式中：i為年序號；MNDVI1，MNDVI2，…，MNDVI12分別為當(dāng)年的1，2，…，12月的NDVI值。

2.2.2 植被覆蓋度(fg)的計(jì)算及分級

根據(jù)GUTMAN[8]提出的亞像元模型計(jì)算植被覆蓋度，該方法將像元分為均一像元和混合像元兩種。

對于均一像元，也就是植被完全覆蓋的像元，其植被覆蓋度fg=1，像元的NDVI值主要受到植被層狀結(jié)構(gòu)的影響，表達(dá)式為

NDVIg=NDVI∝-(NDVI∝-NDVI0)e-kLg

(2)

式中：NDVI∝為Lg無窮大時的NDVI值，在研究中取所有年份中最大的NDVI值為NDVI∝；NDVI0為裸土的NDVI值，在此處設(shè)為0.1[9]；k為消光系數(shù)，通常認(rèn)為草地的消光系數(shù)取值范圍是0.8

對于混合像元，一個像元是由植被覆蓋部分和非植被覆蓋部分兩方面構(gòu)成[12]，該像元的NDVI讀數(shù)(從數(shù)據(jù)中直接讀取的值)為植被覆蓋部分NDVIg值和非植被覆蓋部分NDVI0值的加權(quán)平均值。此時，可求得該混合像元的植被覆蓋度(fg)為

fg=(NDVI-NDVI0)/(NDVIg-NDVI0)

(3)

式中：NDVIg的計(jì)算方法見式(2)，NDVI值可以是月值或年值。

在研究中，將渾善達(dá)克沙地分為極低植被覆蓋度(fg≤20%)、低植被覆蓋度(20%80%)共5級[11]。

3 綠色植被覆蓋狀況及生長期分析

使用GIMMSNDVI數(shù)據(jù)，計(jì)算各年份年最大NDVI值，求取多年NDVI的平均值，獲得1982—2006年渾善達(dá)克沙地多年平均植被覆蓋度圖。經(jīng)計(jì)算，渾善達(dá)克沙地多年平均植被覆蓋度為43%，空間分布上表現(xiàn)為自西部到東部植被覆蓋度逐步增大，呈逐步過渡態(tài)勢，如圖1所示。

圖1 渾善達(dá)克沙地植被覆蓋度空間分布

研究認(rèn)為，植物越冬后，由黃色變?yōu)榫G色并恢復(fù)生長，即為返青，一個地區(qū)半數(shù)植被返青的時間點(diǎn)被認(rèn)為是返青期；同理，當(dāng)一個地區(qū)60%的植被枯黃后，認(rèn)為枯黃期隨之到來。返青期與枯黃期之間的時段，稱為綠色植被生長期。所以，當(dāng)植被覆蓋度大于等于43%×50%=21.5%時，即NDVI月≥0.25時，我們認(rèn)為植被的返青期到來；當(dāng)植被覆蓋度小于43%×(1-60%)=17.2%時，即NDVI月<0.22時，植被進(jìn)入枯黃期。通過累年各月NDVI變化圖可知，渾善達(dá)克沙地在5月下旬迎來植被的返青，7月下旬和整個8月綠色植被達(dá)到峰值，10月下旬進(jìn)入枯黃期，沙地植被生長期為每年的5月下旬至10月，如圖2所示。接下來，通過fg的分級，逐月分析渾善達(dá)克沙地植被覆蓋度的空間演變，如圖3所示。

圖2 渾善達(dá)克沙地累年各月NDVI變化

注：圖中a表示上半月、b表示下半月。

圖3 渾善達(dá)克沙地植被生長期覆蓋度空間變化

5月，沙地超過90%的土地綠色植被覆蓋度低于20%，圖上幾乎呈現(xiàn)全黑狀態(tài)，僅沙地東部不到10%的土地綠色植被覆蓋度高于20%。

6月，沙地近一半的土地開始轉(zhuǎn)綠，其中灤河周邊約2.5%的土地綠色植被覆蓋度率先突破40%，綠色植被覆蓋度有較快的提升。

7月，植被快速返青，到7月末，綠色植被覆蓋度超過60%的土地面積已占到總面積的30%。

8月，植被長勢達(dá)到巔峰狀態(tài)，但沙地西部的沙丘鏈區(qū)域，在植被長勢最好的8月仍然地表裸露，是常年不長植被的裸露沙地的典型代表，這片區(qū)域約占沙地總面積的5%。

9月開始，植被生長從巔峰態(tài)勢進(jìn)入回落階段，沙地綠色植被覆蓋度逐步下降，至9月末，沙地東部綠色植被幾乎全部開始枯黃，綠色植被覆蓋度逐漸向低于40%的方向轉(zhuǎn)變。

10月，沙地逐步進(jìn)入枯黃期，至10月末，沙地的整體綠色植被覆蓋度不足14%，沙地完全進(jìn)入植被枯黃期。

4 1982—2006年沙地綠色植被的時空變化

從渾善達(dá)克沙地植被覆蓋度年際變化曲線看(圖4)，沙地以中、低植被覆蓋度(20%

圖4 渾善達(dá)克沙地植被覆蓋度年際變化曲線

分析年植被覆蓋度與不同覆蓋度區(qū)域面積比例的相關(guān)性(見表1)發(fā)現(xiàn)，渾善達(dá)克沙地年植被覆蓋度的變化與極低、低覆蓋度區(qū)的變化在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)；與中、高、極高覆蓋度區(qū)的變化在0.01水平上呈顯著正相關(guān)。據(jù)此認(rèn)為，渾善達(dá)克沙地25年來植被覆蓋度以波動緩慢提升為主，主要表現(xiàn)為極低、低植被覆蓋度區(qū)向中、高植被覆蓋度區(qū)的轉(zhuǎn)變。

表1 渾善達(dá)克沙地年植被覆蓋度與不同覆蓋度區(qū)域面積比例相關(guān)性分析

注：標(biāo)“**”表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，標(biāo)“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

選取NDVI值最小的1987—1989年和NDVI值最大的2002—2004年的渾善達(dá)克沙地年NDVI值，通過柵格計(jì)算器，分析25年來沙地植被覆蓋的空間變化狀況。在分析中，將NDVI變化值大于0.1的區(qū)域劃分為植被顯著變化區(qū)，包括顯著衰退和顯著增長兩部分，NDVI變化值在-0.1～0.1之間的區(qū)域，以0為界限，分為植被衰退區(qū)和植被增長區(qū)。

由分析可知，渾善達(dá)克沙地西部是植被增長和顯著增長的區(qū)域，此處位于蘇尼特右旗境內(nèi)，植被覆蓋度極低，風(fēng)沙活動劇烈，是近年來防沙治沙的關(guān)鍵區(qū)域，且治沙效果顯著；相反，沙地中、東部，原本的中、高植被覆蓋區(qū)(圖1)，卻出現(xiàn)綠色植被的衰退和顯著衰退，沙地植被衰退和顯著衰退的面積占全區(qū)面積的27%(圖5)。同樣的防沙治沙工作，為何在渾善達(dá)克沙地的東、西部出現(xiàn)了如此截然相反的局面，這需要引起我們的反思和高度重視。

圖5 渾善達(dá)克沙地植被覆蓋度空間變化

5 結(jié) 論

(1)渾善達(dá)克沙地多年平均植被覆蓋度為43%，空間分布上表現(xiàn)為：沙地自西部到東部，植被覆蓋度逐步增大，呈逐步過渡態(tài)勢。

(2)渾善達(dá)克沙地植被生長期為每年的5月下旬至10月，其中7月下旬和整個8月綠色植被達(dá)到峰值。

(3)25年來，沙地年均植被覆蓋度以每年0.1百分點(diǎn)的速率緩慢增長。

(4)25年來，沙地西部是防沙治沙的關(guān)鍵區(qū)域，也是綠色植被增長和顯著增長的區(qū)域；相反，沙地中、東部(原中、高植被覆蓋區(qū))出現(xiàn)植被的衰退和顯著衰退，沙地植被衰退面積占全區(qū)面積的27%。

(致謝：感謝吳霜葉教授、曾琳先生等的幫助！)

[1] 朱芳瑩,鹿化煜,張文超,等.中國北方沙漠(沙地)地理底圖繪制與地表動態(tài)過程分析——基于3S技術(shù)的新結(jié)果[J].第四紀(jì)研究,2013,33(2):197-205.

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

庫姆塔格沙漠科學(xué)綜合考察項(xiàng)目(2012FY111700)；戈壁生態(tài)系統(tǒng)地質(zhì)本底調(diào)查；中國沙漠沙地志編寫項(xiàng)目

S157

A

1000-0941(2017)03-0031-04

朱芳瑩(1989—)，女，江蘇啟東市人，助理工程師，碩士，主要從事沙漠生態(tài)調(diào)查、生態(tài)修復(fù)等研究。

2016-04-19