古爾班通古特沙漠西部春季荒漠化監(jiān)測(cè)研究

李春麗，韓忠玲，程勇翔，吳 玲

（1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；2.石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000）

古爾班通古特沙漠是中國(guó)面積最大的固定、半固定沙漠，沙漠內(nèi)植物種類豐富，可達(dá)208 種，常見物種92 種。其中，草本植物有75 種，占總物種數(shù)的81.5%，短命植物占草本植物物種數(shù)的53.3%，梭梭是該生境中的主要建群種[1]。近幾十年來(lái)，隨著區(qū)域環(huán)境溫度的升高和降水分布格局的變化，古爾班通古特沙漠西部地區(qū)植被各物種的群落數(shù)量特征正在發(fā)生方向性改變，表現(xiàn)為建群種植物梭梭出現(xiàn)嚴(yán)重退化，而群落中短命植物類群發(fā)展迅速[2]。該生境中植被群落演替方向?qū)Υ杭净哪潭鹊挠绊懹写钊胙芯俊?/p>

目前，關(guān)于荒漠化監(jiān)測(cè)的方法主要有：基于指標(biāo)（植被及裸沙覆蓋度）的荒漠化監(jiān)測(cè)研究、基于遙感植被指數(shù)時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析的荒漠化監(jiān)測(cè)研究和基于Albedo-NDVI 特征空間的荒漠化監(jiān)測(cè)研究。其中，對(duì)基于指標(biāo)的荒漠化監(jiān)測(cè)含有野外樣方調(diào)查監(jiān)測(cè)，但該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于大面積調(diào)查研究[3]。除此之外，利用遙感影像，通過(guò)圖像分類獲取荒漠化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，從而用于荒漠化監(jiān)測(cè)的報(bào)道也不在少數(shù)[4-5]。該方法荒漠化監(jiān)測(cè)的結(jié)果主要取決于監(jiān)測(cè)指標(biāo)的圖像分類精度?；谶b感植被指數(shù)的時(shí)間序列分析，較適用于長(zhǎng)時(shí)序、大范圍荒漠化監(jiān)測(cè)，所得結(jié)果在荒漠化變化趨勢(shì)的探討上意義明顯[6-7]。曾永年使用的Albedo-NDVI 特征空間法是生物物理意義明確的荒漠化監(jiān)測(cè)方法，繪制的特征空間能夠?qū)⑸衬恋氐乇砀采w、水熱組合變化直觀地反映出來(lái)，所構(gòu)建的沙漠化遙感監(jiān)測(cè)差值指數(shù)（DDI），有利于沙漠化定量分析和監(jiān)測(cè)[8]。近年來(lái)，基于該方法的荒漠化監(jiān)測(cè)研究較常見[9-11]。

綜上所述，在荒漠化監(jiān)測(cè)的主要方法中，構(gòu)建特征空間是目前較為流行的荒漠化監(jiān)測(cè)手段，但該方法在特征空間穩(wěn)定性上還存在一些不足。本研究擬采用構(gòu)建NIR-NDVI 特征曲線這一新的荒漠化監(jiān)測(cè)手段，克服特征空間分析的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)荒漠化狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)介紹

本文選取古爾班通古特沙漠西部作為研究對(duì)象（見圖1），地理位置為東經(jīng)85°6′26″～86°37′44″，北緯44°45′7″～45°17′25″。年平均溫度4.3～7.9℃，年降水量70～150 mm，蒸發(fā)量2 000～2 800 mm，為典型溫帶干旱荒漠區(qū)[12]。該區(qū)域地勢(shì)整體為東南高，西北低。東部沙丘海拔較高，為典型沙丘地貌；西部為小沙丘和龜裂地相間排列，其間有零星鹽漬化土壤分布；北部地勢(shì)低平，有大量鹽漬化土壤分布，是鹽生植物的主要分布區(qū)；南部和綠洲區(qū)域犬牙交錯(cuò)，研究區(qū)典型植被群落類型為梭梭群系[13]。近年來(lái)，研究區(qū)環(huán)境氣候特征表現(xiàn)為越熱越濕，即溫度升高，降水增加，但是大氣相對(duì)濕度降低（見圖2），短命植物類群受到環(huán)境氣候變化的影響而蓬勃發(fā)展。

圖1 研究區(qū)地理位置

圖2 研究區(qū)1952-2016年間相關(guān)數(shù)據(jù)年平均值變化數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

為增加結(jié)果的可比性，用于比較的各期數(shù)據(jù)在日期選擇上盡量相近，本研究從地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）下載了2016年春季Landsat 8 OLI 5月23日、Landsat 5 2009年5月20日和1998年5月22日三期遙感影像，它們間的最大時(shí)間差為4 d。同時(shí)，對(duì)下載的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，在預(yù)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步去除建筑物、水體和沙漠公路部分。為減小各期數(shù)據(jù)范圍變化對(duì)分析結(jié)果的影響，本研究又進(jìn)一步制作了三期影像的公共范圍（見圖3），結(jié)果用于比較分析；另外，本研究又下載了2000-2016年MODIS MODND1M 5月NDVI 數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)計(jì)算近年來(lái)研究區(qū)5月NDVI 變化趨勢(shì)（利用式（1）來(lái)說(shuō)明），結(jié)果用于荒漠化監(jiān)測(cè)的驗(yàn)證。

式中，bj為第j像元NDVI 線性回歸斜率；xi為第i年份，為統(tǒng)計(jì)的年份平均值；yij為第i年份，第j像元NDVI 值；為第j像元統(tǒng)計(jì)年份的NDVI 平均值。

圖3 公共比較區(qū)范圍

1.2 選擇NIR-NDVI 特征曲線衡量荒漠化的依據(jù)

NDVI 值的大小可反映荒漠植物生長(zhǎng)狀況，NIR值大小可反映地表類型的變化?；哪脖桓采w區(qū)域，表現(xiàn)為NIR 值增加，NDVI 值增加；而非植被覆蓋區(qū)，表現(xiàn)為NIR 值增加，NDVI 值減小，如圖4、圖5所示。

圖4 各波段的NIR 光譜特征描述

圖5 NIR 波段與相應(yīng)NDVI 的關(guān)系柱狀圖

研究通過(guò)NIR 與相應(yīng)NDVI 值的分段統(tǒng)計(jì)（以NIR值每升高50 為一段）構(gòu)建特征曲線，突顯了二者之間的變化規(guī)律。人們從變化規(guī)律中可探尋出劃分荒漠植被覆蓋區(qū)與荒漠區(qū)范圍的特征曲線臨界閾值。結(jié)果可用于構(gòu)建荒漠程度量化指標(biāo)及監(jiān)測(cè)指標(biāo)臨界閾值劃分。

1.3 荒漠化程度量化指標(biāo)的構(gòu)建及監(jiān)測(cè)區(qū)域的劃分

依據(jù)荒漠植被覆蓋區(qū)和荒漠區(qū)NIR 與相應(yīng)NDVI變化規(guī)律，利用二者比值研究構(gòu)建了荒漠程度量化指標(biāo)（Degree of desertification，DD），如式（2）所示。圖6 虛線右側(cè)是荒漠化監(jiān)測(cè)區(qū)，該區(qū)域表現(xiàn)為DD 越大，荒漠化程度越高。圖6 虛線和實(shí)線相交處是DD臨界閾值的取值。

圖6 基于DD 荒漠化監(jiān)測(cè)的原理模式

2 結(jié)果與分析

2.1 古爾班通古特沙漠西部春季荒漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果

本研究利用春季三幅影像，分別繪制了各期NIR-NDVI 特征曲線，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)分析，2016年荒漠植被覆蓋區(qū)與荒漠區(qū)劃分的臨界點(diǎn)較同期兩年最靠右，其NDVI 峰值最高。2016年前一年12月與當(dāng)年1-5月累積降水量為232.8 mm，高于2009年99.7 mm，高于1998年60.3 mm（數(shù)據(jù)基于石河子氣象站點(diǎn)分析）。因此，降水最多、短命植物生長(zhǎng)良好的2016年春季荒漠植被總體生長(zhǎng)狀況最好。春季三期特征曲線中2016年與1998年均出現(xiàn)兩個(gè)NDVI 峰值，研究稱此現(xiàn)象為“斜臺(tái)現(xiàn)象”。分析原因可知，“斜臺(tái)現(xiàn)象”的出現(xiàn)與短命植物的生長(zhǎng)狀況緊密相關(guān)?！靶迸_(tái)現(xiàn)象”中的兩個(gè)NDVI 峰值將特征曲線劃分為三段，分析可知第一段NDVI 峰值較低，NIR 值也較小，即可代表梭梭群系等“灰綠”荒漠多年生植被類群；第二段NDVI 峰值最高，NIR 值較大，即可代表短命植物等“葉綠”荒漠植被類群；第三段曲線為NIR 值增大，NDVI 值單調(diào)遞減的部分，代表無(wú)植被覆蓋或極低植被覆蓋的荒漠區(qū)域。

圖7 春季NIR 及相應(yīng)NDVI 值分段統(tǒng)計(jì)特征曲線

隨著裸沙面積增加，植被覆蓋度減小，NIR 值增大，相應(yīng)NDVI 值減小，荒漠程度量化指標(biāo)值DD 增大，代表荒漠化程度加重。由春季三期荒漠程度量化指標(biāo)結(jié)果可知（見圖8），2009 春季年監(jiān)測(cè)曲線位于其余兩年之上，同一NIR 值處的DD 值最大，代表該年荒漠化程度最重。2016 春季監(jiān)測(cè)曲線位于最下方，DD 值最小，代表該年荒漠化程度最輕。1998 春季監(jiān)測(cè)曲線位于前兩者之間，荒漠化程度較2016年重，較2009年輕。就春季監(jiān)測(cè)結(jié)果整體來(lái)看，自1998年至2016年，古爾班通古特沙漠西部春季荒漠化有所減輕。

圖8 基于DD 值的監(jiān)測(cè)結(jié)果

為進(jìn)一步比較春季三期影像荒漠化的相對(duì)變化，本研究以植被生長(zhǎng)最好的2016年春季為基準(zhǔn)，選取當(dāng)年NDVI 最大峰值以及植被覆蓋區(qū)與荒漠區(qū)臨界線對(duì)應(yīng)的NIR 值（2774.7）作為判斷條件，利用式（1）計(jì)算相應(yīng)DD 臨界值（10 493）作為相對(duì)荒漠化臨界閾值，將其余兩期相對(duì)判定結(jié)果與2016年荒漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖9、圖10所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，2016年春季較2009年植被恢復(fù)區(qū)域面積為1.86×105hm2。2016年春季較1998年植被恢復(fù)區(qū)域面積為2.02×105hm2。

圖9 2016 較2009年植被恢復(fù)區(qū)域

圖10 2016 較1998年植被恢復(fù)區(qū)域

2.2 討論

降水增加利于荒漠植被NDVI 值的升高，旱生植物的生長(zhǎng)受降水影響很大。在近幾十年總降水量增加的趨勢(shì)下，研究區(qū)水熱配合相關(guān)系數(shù)呈下降趨勢(shì)（見圖2），證明降水主要集中在一年中的兩端，該變化有利于短命植物的生繁。在此背景下，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往受短命植物影響表現(xiàn)為荒漠化程度有所減輕。

相關(guān)研究表明，古爾班通古特沙漠植被NDVI 值于每年第145 天明顯起伏[14]。該時(shí)期正是研究區(qū)選取制作特征曲線的時(shí)段，這一時(shí)期短命植物生長(zhǎng)最為繁茂，此時(shí)群落NDVI 值達(dá)到一年中的最高峰。2016年及1998年5月春季特征曲線均出現(xiàn)“斜臺(tái)現(xiàn)象”，分析可知“斜臺(tái)”的出現(xiàn)主要是由短命植物大量生長(zhǎng)引起的。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，短命植物生長(zhǎng)狀況與前一年冬季及當(dāng)年春季降水密切相關(guān)，研究中2016年該時(shí)段降水明顯高于其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)年份，“斜臺(tái)現(xiàn)象”也最明顯[14]。三年中2009年降水最少，表現(xiàn)為特征曲線沒有出現(xiàn)明顯峰值，也無(wú)“斜臺(tái)現(xiàn)象”。另有研究結(jié)果表明，古爾班通古特沙漠植被覆蓋度在2007-2009年急劇下降，達(dá)近10年來(lái)的最低值，該結(jié)論與研究2009年春季特征曲線沒有明顯峰值、NDVI 值較低的結(jié)果相符[15]。研究所得2016 較2009年植被恢復(fù)區(qū)域與蔣超亮依據(jù)MODIS NDVI所得研究結(jié)果基本一致[16]。另外，研究又利用2000-2016年MODND 1M 5月NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算逐個(gè)像元植被指數(shù)變化趨勢(shì)，將趨勢(shì)線斜率作圖，結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出紅色部分為植被覆蓋度增長(zhǎng)的區(qū)域，黃色為無(wú)明顯變化的區(qū)域，該結(jié)果與研究監(jiān)測(cè)所得植被恢復(fù)區(qū)在空間位置上相重疊，證明研究結(jié)果是正確的。NDVI 變化趨勢(shì)及植被恢復(fù)區(qū)域疊加效果如圖12所示。

圖11 研究區(qū)2000-2016年5月NDVI 變化趨勢(shì)分析

圖12 NDVI 變化趨勢(shì)及植被恢復(fù)區(qū)域疊加效果

Albedo-NDVI 特征空間法是當(dāng)下最常用的荒漠化監(jiān)測(cè)手段。但該方法會(huì)因研究位置選擇的不同，導(dǎo)致Albedo-NDVI 特征空間散點(diǎn)圖也變得不同，不同的散點(diǎn)圖會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析。為此，本研究又計(jì)算短波長(zhǎng)Albedo，利用分段統(tǒng)計(jì)的方法（以Albedo 每升高50 為一段）制作了Albedo-NDVI 特征曲線（見圖13），并得出了Albedo 和NDVI 比值，所得結(jié)果與NIR 和NDVI 比值（DD）在曲線形狀、趨勢(shì)規(guī)律上一致，進(jìn)一步說(shuō)明利用NIR-NDVI 特征曲線表征荒漠化是合理并可行的[17]。特征曲線較特征空間優(yōu)勢(shì)在于特征曲線是基于整個(gè)研究區(qū)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得的，不涉及特征空間的選擇，所以特征曲線的結(jié)果能夠一覽研究區(qū)全貌，并且穩(wěn)定性好。

圖13 基于Albedo-NDVI 比值監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本研究構(gòu)建的NIR-NDVI 特征曲線能夠準(zhǔn)確描述地表類型與植被覆蓋度的內(nèi)在聯(lián)系。據(jù)此構(gòu)建的荒漠程度量化指標(biāo)可以直觀反映荒漠化程度。古爾班通古特沙漠西部的環(huán)境變化趨勢(shì)有利于短命植物的生繁，在春季降水好的年份表現(xiàn)尤為明顯，特征曲線因短命植物的大量生長(zhǎng)出現(xiàn)“斜臺(tái)現(xiàn)象”，荒漠化程度明顯減輕。春季荒漠化監(jiān)測(cè)中，受降水影響，2016年相較1998年植被恢復(fù)區(qū)域面積為2.02×105hm2，相較于2009年植被恢復(fù)區(qū)域面積為1.86×105hm2。研究區(qū)短命植物蓬勃發(fā)展，是古爾班通古特沙漠西部春季荒漠化得以減輕的主要原因。