錫林河流域植被葉面積指數(shù)時空變化特征及其對地形因子的響應(yīng)

段利民, 李 瑋, 羅艷云, 劉廷璽, Buren Scharaw, 于長翔

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護與利用重點實驗室, 呼和浩特 010018; 3.Application Center for System Technologies, Fraunhofer IOSB, Ilmenau 98693, Germany; 4.通遼市水土保持局, 內(nèi)蒙古 通遼 028099)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過光合、呼吸和蒸騰等生物物理過程實現(xiàn)土壤—植被—大氣間的物質(zhì)、能量和動量交換[1]。葉片是植被進行光合、呼吸等作用的主要載體，對其進行定量描述(如LAI)是開展地球系統(tǒng)碳、氮、水循環(huán)模擬等研究的關(guān)鍵[2]。LAI通常被定義為單位地表面積上綠葉總面積的一半[3]，用于表征葉片的疏密程度和冠層結(jié)構(gòu)特征[4-5]，是植被生態(tài)模型和陸面過程模型中重要的變量和參數(shù)[6-11]。遙感是目前獲取LAI最有效快捷的方式，其中，光學遙感在空間覆蓋和觀測頻率等方面優(yōu)勢明顯，是用于估算長時間序列LAI最常用的數(shù)據(jù)源[12-13]。植被實際LAI與通過遙感地表反射率所計算的LAI存在很強的正相關(guān)性，直接將地表反射率表示為LAI的經(jīng)驗函數(shù)，在小區(qū)域內(nèi)可以獲得較高精度的LAI[2]。植被指數(shù)通過幾個波段的比值或經(jīng)歸一化處理，在突出植被信息的同時，可減小冠層陰影、土壤背景、大氣污染和角度效應(yīng)等影響[14]。

就目前而言，研究多集中在植被LAI的反演方法和單一年份LAI的空間分布特征[15-22]，缺少采用長時間跨度的高分辨率遙感影像，對LAI時空變化特征進行定量分析。另外，以往的研究多是從降水和溫度方面研究外部環(huán)境條件對LAI時空變化的影響[6,21]，將地表形態(tài)這一重要環(huán)境因子考慮在內(nèi)的研究還很少見。為提高生態(tài)和陸面過程等模型模擬預(yù)測結(jié)果的可靠性，減小陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯估算的不確定性，十分有必要深入研究LAI的時空特征、變化規(guī)律及其影響因素等。

在近幾十年，由于氣候變化和人類活動的不斷加劇，錫林河流域草原“三化”面積占草原總面積的比例高達75%，草原質(zhì)量下降，生產(chǎn)力降低，嚴重影響當?shù)啬撩竦纳a(chǎn)生計，嚴重威脅我國北方城市特別是京津冀地區(qū)的生態(tài)安全[22]。本文利用Landsat系列30 m分辨率影像，基于ARVI統(tǒng)計模型的LAI反演算法，生成1985—2015年中4期(1987年、1995年、2006年、2015年)代表不同年代的LAI數(shù)據(jù)集，對近30 a錫林河流域LAI的時空變化特征和規(guī)律進行分析，并探究LAI空間分布格局對地形因子的響應(yīng)。以期為草原型流域生態(tài)系統(tǒng)均衡發(fā)展以及抵御和減少極端生態(tài)惡化等提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為錫林河流域，其位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟境內(nèi)，屬歐亞大陸大草原地帶。流域面積1.08 萬km2，地理坐標43°24′—44°39′N，115°25′—117°15′E，海拔900～1 650 m，地勢由東南向西北逐漸降低。地貌具有明顯的成層性和分帶性，南部為三級玄武巖臺地，眾多小型火山錐散布其間，其他區(qū)域低山丘陵和草原相間分布。植被從上游的草甸、羊草草原向下游過渡為大針茅和克氏針茅草原。在氣候區(qū)劃上，屬溫帶半干旱氣候，多年平均降水量約300 mm，蒸發(fā)量達1 900 mm(φ20 cm口徑)，冬季嚴寒漫長、夏季溫和短促。

1.2 數(shù)據(jù)及處理分析方法

Landsat系列衛(wèi)星遙感影像，覆蓋周期為16 d。利用7月底或8月初的影像可以反演錫林河流域一年中植被最大的LAI，因為此期間是植被生長的旺盛期[23-24]。但該時期降水較多，云霧對遙感影像的影響較大，給數(shù)據(jù)獲取帶來一定困難[25]。本論文計劃從1985—2015年中每隔10 a選一年作為代表年份，由于1985年、1986年、2005年7月和8月的影像云量過大，無法估算出合理的LAI，因此，分別選擇了鄰近的1987年、2006年，最終選用1987年、1995年、2006年、2015年4個代表年份7月和8月的Landsat TM和OIL遙感影像。遙感影像從USGS(United States Geological Survey,http:∥glovis.usgs.gov/)數(shù)據(jù)中心獲取，采用ENVI 5.3進行幾何校正、輻射校正、影像鑲嵌和裁剪等處理。選取2015年遙感影像作為基準，對其他年份遙感影像進行幾何校正，總體誤差(RMS)小于1像元。輻射校正采用快速大氣校正法，得到反射率圖像，與地面觀測誤差相比小于10%[26]。數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)采用中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)的空間分辨率為30 m的ASTER GDEM V2，利用ArcGIS 10.4軟件刻畫出整個錫林河流域及15個子流域，從上游至下游依次編號。

1.2.1 LAI反演方法 基于ARVI的統(tǒng)計模型來反演LAI，輸入?yún)?shù)較少，不需要復(fù)雜的運算，因此成為利用遙感估算LAI的便捷且模擬效果較好的方法[16,27]。ARVI是NDVI的改進，其使用藍色波段矯正大氣散射的影響。ARVI值的范圍是-1+1，一般綠色植被區(qū)的范圍是0.2～0.8[26-27]。計算公式為：

(1)

式中：ρR，ρB，ρNIR分別為紅色、藍色和近紅外波段的反射率。

反演LAI的計算公式如下：

LAI=3.611×ARVI2-1.577×ARVI+0.9783

(2)

該模型是針對內(nèi)蒙古典型草原構(gòu)建的定量估算草原LAI的有效模型，經(jīng)過由葉面積指數(shù)儀LAI-2000獲取的實測數(shù)據(jù)檢驗，適用于錫林河流域[16]。

1.2.2 LAI變化趨勢分析方法 LAI變化特征分析采用一元線性回歸趨勢線模擬，分析每個像元在1987—2015年內(nèi)的變化趨勢，并估計變化幅度，模擬LAI的變化趨勢及空間分布規(guī)律。變化趨勢圖反映了在1987—2015年，某像元的LAI趨勢線是這個像元用一元線性回歸模擬出來總的變化趨勢。slope即是這條趨勢線的斜率，這個趨勢線并不是簡單的最后一年與第一年的連線。若slope>0，說明LAI在1987—2015年的變化趨勢是增加，反之則是減少。將流域LAI的slope采用幾何間隔分類法劃分為0.10～0.90，0.05～0.10，0.00～0.05和-0.90～0.00，分別對應(yīng)明顯恢復(fù)、中度恢復(fù)、輕度恢復(fù)和退化4種等級。其計算公式為[6]：

(3)

式中：n為1，2，3，…,n的年序號；xi為第i年的某計算像元的LAI值。

1.2.3 LAI變化矩陣分析方法 在不同時間段內(nèi)同一區(qū)域的不同等級植被LAI的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系采用轉(zhuǎn)移矩陣進行分析。一般用二維表來表示，從二維表中可以反映出各等級LAI間相互轉(zhuǎn)化的具體情況，例如某等級的LAI有多少轉(zhuǎn)化成了其他等級，某等級的LAI是由哪些等級的LAI轉(zhuǎn)化而來的。根據(jù)錫林河流域LAI空間分布范圍將其劃分為0.78～0.82，0.82～0.86，0.86～0.92，0.92～1.5，1.5～3.0五個等級。采用ArcGIS 軟件中面積制表工具分別計算1987—1995年，1995—2006年，2006—2015年三個時期LAI的轉(zhuǎn)移矩陣。

1.2.4 地形因子對LAI的影響分析方法 將4個代表年份5個等級的LAI分別與流域的高程、坡度和坡向分級數(shù)據(jù)進行空間疊加統(tǒng)計，分析各代表年不同等級LAI隨高程、坡度和坡向的空間分布特征。

將高程按100 m高差劃分為5個等級(圖1A)，分級方式和所占面積比例如下：900～1 000 m(15%)，1 000～1 100 m(22%)，1 100～1 200 m(30%)，1 200～1 300 m(20%)和1 300～1 650 m(13%)。對坡度按照1°間隔并將面積占比較小的等級進行合并后劃分出5個等級(圖1B)，分級方式和所占面積比例如下：0°～1°(26%)，1°～3°(38%)，3°～5°(17%)，5°～8°(11%)和8°～50°(8%)。將坡向劃分為東、南、西、北、東南、西南、西北和東北8個類型(圖1C)。針對不同的高程、坡度和坡向等級(類型)，統(tǒng)計各年各等級(類型)LAI所占的面積比例(每一高程、坡度和坡向等級(類型)內(nèi)各等級LAI面積比例和為1)，分析在不同高程、坡度和坡向條件下，各等級(類型)LAI所占面積的變化趨勢。

在此基礎(chǔ)上，采用通經(jīng)分析法，確定不同地形因子(高程、坡度和坡向)對LAI的影響效應(yīng)。具體方法如下：計算研究區(qū)4個代表年份的LAI平均值，即多年平均LAI；提取研究區(qū)內(nèi)各柵格單元的多年平均LAI和地形因子；將多年平均LAI與地形因子進行相關(guān)分析，得到多年平均LAI與各地形因子的相關(guān)系數(shù)，進一步采用通徑分析將相關(guān)系數(shù)分解為直接影響系數(shù)和間接影響系數(shù)，進而可分析地形因子對LAI空間分布的影響效應(yīng)。

圖1 錫林河流域地形因子空間分布

2 結(jié)果與分析

2.1 LAI時空變化特征

近30 a錫林河流域植被LAI總體呈增加趨勢，增長速率為0.068/a，多年平均值為1.003(圖2)。1987—1995年期間，LAI呈增加趨勢，植被生長狀態(tài)有所提高，增長率為0.012/a。1995—2006年，LAI呈下降趨勢，植被退化，下降率為0.005/a。2006—2015年期間，LAI呈增加趨勢，植被長勢良好，增長率為0.018/a。

選用1987年、1995年、2006年、2015年4個代表年份LAI的平均值來反映錫林河流域近30 a植被覆蓋空間分布狀況。由附圖10可知，LAI呈圖斑鑲嵌交錯分布，自東南向西北呈帶狀遞減。流域上游東南部地區(qū)LAI較高，多大于0.92，局部地區(qū)大于1.50。在錫林河兩側(cè)，特別是錫林河水庫地區(qū)LAI也大于1.50。大部分地區(qū)LAI在0.82～1.50，其中0.82～0.86的面積占總流域面積的28.2%，0.86～0.92的面積占28.8%，0.92～1.50的面積占25.1%。LAI小于0.82的區(qū)域主要分布在下游西北部，占總流域面積的6.4%。

由附圖11可以看出，錫林河流域植被恢復(fù)狀況在空間上存在明顯的差異，明顯恢復(fù)區(qū)域的面積占流域總面積的23%(表1)，主要集中在東南部；中度恢復(fù)區(qū)域的面積僅占流域總面積的12%；輕度恢復(fù)區(qū)域的面積占比較大，為39%，主要集中在流域中下游；退化區(qū)域的面積占流域總面積的26%，位于流域的南部。

圖2 錫林河流域植被LAI年際變化趨勢

植被恢復(fù)狀況Slope面積百分比/%明顯恢復(fù)0.10～0.9023中度恢復(fù)0.05～0.1012輕度恢復(fù)0.00～0.0539退化-0.90～0.0026

2.2 不同LAI等級的動態(tài)變化

1987—1995年，錫林河流域44%的區(qū)域轉(zhuǎn)向LAI更高的等級，主要表現(xiàn)為1987年LAI為0.78～0.82的區(qū)域轉(zhuǎn)為0.82～0.86及0.92～1.5，0.82～0.92轉(zhuǎn)為0.92～1.5，0.86～0.92轉(zhuǎn)為0.92～1.5；39%的區(qū)域保持在原等級；僅有18%的區(qū)域轉(zhuǎn)向LAI低等級，如0.82～0.86轉(zhuǎn)為0.78～0.82，見表2。

1995—2006年，轉(zhuǎn)向LAI更高等級的區(qū)域較少，僅有25%，表現(xiàn)為1995年LAI為0.86～0.92轉(zhuǎn)為0.92～1.5；39%的區(qū)域保持在原等級；36%的區(qū)域轉(zhuǎn)向LAI低等級，主要是0.82～0.86轉(zhuǎn)為0.78～0.82，0.86～0.92轉(zhuǎn)為0.78～0.86，0.92～1.5轉(zhuǎn)為0.78～0.92，1.5～3.0轉(zhuǎn)為0.92～1.5。

2006—2015年，近50%的區(qū)域轉(zhuǎn)向LAI更高的等級，主要表現(xiàn)為2006年LAI為0.78～0.82轉(zhuǎn)為0.82～0.86及0.92～1.5，0.82～0.92轉(zhuǎn)為0.82～1.5，0.86～0.92轉(zhuǎn)為0.92～1.5，0.92～1.5轉(zhuǎn)為1.5～3.0；33%的區(qū)域保持在原等級；17%的區(qū)域轉(zhuǎn)向LAI低等級，如0.82～0.86轉(zhuǎn)為0.78～0.82。

2.3 地形因子對LAI的影響

2.3.1 高程對LAI的影響 由圖3可以看出，各典型年LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面積比例隨著海拔的升高而降低。LAI在0.86～0.92所占面積比例則表現(xiàn)為在海拔高度1 100～1 200 m以下，隨著海拔的升高而增大，在1 100～1 200 m以上時，規(guī)律則相反。LAI在0.92～1.5，1.5～3.0所占面積比例隨著海拔的升高而增大。當LAI值大于0.92時，分布面積隨海拔的升高而增大，小于0.92時，規(guī)律則相反?？傮w看來，高程對于不同級別LAI的分布影響明顯。

2.3.2 坡度對LAI的影響 由圖4可以看出，各典型年LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面積比例隨著坡度的升高而降低。LAI在0.86～0.92所占面積比例保持穩(wěn)定，基本不受坡度的影響。當LAI大于0.92時，其所占面積比例隨著坡度的升高而逐漸增大?？傮w看來，坡度對不同級別LAI的分布具有一定的影響。

2.3.3 坡向?qū)AI的影響 1987年在各坡向上LAI的面積占比呈現(xiàn)出0.78～0.82>0.82～0.86>0.92～1.50>0.86～0.92>1.50～3.0；1995年、2015年，呈現(xiàn)相同的趨勢，即：0.92～1.50>0.78～0.82>0.82～0.86>0.86～0.92>1.50～3.0；2006年的規(guī)律為0.78～0.82>0.92～1.50>0.82～0.86>0.86～0.92>1.50～3.0?？傮w而言，LAI等級為0.78～0.82的面積占比都較大，1.50～3.0的面積占比均最小。另外，0.78～0.82，0.82～0.86在東南方向上的面積占比大于其他方向，而0.92～1.50，1.50～3.0在西、西南方向上的面積占比大于其他方向(圖5)。

2.3.4 地形因子對LAI的影響效應(yīng) 將高程、坡度和坡向3個地形因子與多年平均LAI進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)依次為：0.498，0.175，0.074，可以看出，高程、坡度與多年平均LAI的相關(guān)性最強。在此基礎(chǔ)上，進一步利用通徑分析方法研究二者對LAI影響的貢獻率，由表3可知，高程對多年平均LAI的直接影響效應(yīng)為0.438，遠大于通過坡度的間接影響效應(yīng)0.060，并且坡度通過高程對LAI的間接影響效應(yīng)為0.171也大于其通過自身對LAI的直接影響效應(yīng)0.004。地形因子可以解釋多年平均LAI空間變化的75%，其中高程的對LAI的直接影響效應(yīng)遠大于坡度和坡向的影響。

表2 錫林河流域不同等級植被LAI轉(zhuǎn)移矩陣

圖3 錫林河流域不同代表年份植被LAI隨高程的變化趨勢

圖4 錫林河流域不同代表年份植被LAI隨坡度的變化趨勢

圖5 錫林河流域不同代表年份植被LAI隨坡向的變化趨勢

表3 高程、坡度對LAI的影響程度

3 討論與結(jié)論

近30 a來，錫林河流域草原植被經(jīng)歷了1987—1995年向好，1995—2006年退化，2006—2015年變好的階段性演變過程。尤其是在90年代末期，草地退化嚴重，生態(tài)環(huán)境急劇惡化。因此，在2000年之后，錫林河流域?qū)嵤┝恕半p權(quán)一制”、“圍封禁牧”等生態(tài)環(huán)境保護措施。但生態(tài)環(huán)境問題具有復(fù)雜性和長期性的特點，在政策因素的引導(dǎo)初期2006年之前，環(huán)境改善不明顯，隨著各項政策和生態(tài)工程的持續(xù)有力實施，2006之后牲畜數(shù)量得到了有效控制，生態(tài)環(huán)境得到很好改善[28]。

錫林河流域LAI呈圖斑狀鑲嵌交錯分布，自東南向西北呈帶狀遞減。這種空間分布規(guī)律主要受海拔、土壤特性、水分和光熱等條件影響[29-31]。研究區(qū)東南部屬大興安嶺低山與中山區(qū)域，是錫林河發(fā)源地，海拔高、栗鈣土層厚，水分、日照充足，植被狀況最好。流域中部及錫林浩特市以下的廣大地區(qū)地表大面出露火山巖、栗鈣土層薄，載畜量偏高，加之錫林浩特市以下河道常年沒有地表水，這些綜合因素導(dǎo)致流域中下游地區(qū)植被狀況與上游地區(qū)相差較大。

地形對錫林河流域植被長勢和分布也有重要影響[32-33]。總體而言，LAI在0.78～0.82，0.82～0.86所占面積比例隨著海拔、坡度的升高而降低，在東南方向上的面積占比大于其他方向；0.92～1.5，1.5～3.0所占面積比例隨著海拔、坡度的升高而增大，在西、西南方向上的面積占比大于其他方向。高程對LAI空間分布的直接影響程度最大，坡度的影響程度次之。

研究區(qū)植被恢復(fù)狀況在空間上存在明顯的差異，明顯恢復(fù)的區(qū)域主要位于流域東南部，占總流域面積的23%。退化區(qū)域的面積高達26%，主要位于錫林浩特市上游錫林河河谷兩側(cè)及高階地區(qū)域。退化區(qū)域所占比例如此之高，必須引起足夠的重視，因為該區(qū)域是聯(lián)合國教科文組織劃定的“人與生物圈計劃”保護區(qū)，具有深刻的生態(tài)保護意義和國際影響力[34-35]。但是，目前該區(qū)域載畜量仍然偏高，人類活動強度偏大。從2016年開始，錫林河流域自然保護區(qū)已逐步開始實施生態(tài)移民，嚴禁任何形式的破壞草原的活動，隨著生態(tài)保護政策的逐步推進，錫林河流域生態(tài)環(huán)境將得到明顯改善，植被覆蓋度也將有所提高。