2000-2019年青海省同仁市NDVI時空動態(tài)變化

徐 佳, 高云飛, 劉偉偉, 黨恬敏, 曾建青

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021；2.青海省水土保持中心, 青海 西寧 810000； 3.互助縣水利局， 青海 海東 810500)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受到土壤、氣候和人類活動的綜合影響，是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)。2000年以后，大規(guī)模的退耕還林還草、封禁、坡改梯等生態(tài)工程的實施，使得黃土高原的植被覆蓋顯著提高，生態(tài)環(huán)境明顯改善[1-4]。一方面，黃土高原植被建設(shè)取得了舉世矚目的成效，另一方面，局部地區(qū)的植被退化仍然存在。研究表明，黃土高原中部、東南部地區(qū)的植被恢復(fù)明顯，而西北部地區(qū)的植被恢復(fù)卻受到一定程度的抑制[5-6]。黃河源區(qū)高寒草地的退化趨勢沒有得到有效遏制[7]。城鎮(zhèn)化建設(shè)導(dǎo)致大量農(nóng)田和林地被侵占，植被面積減少[8]。由于地形地貌、水熱條件、地理位置和植被類型的不同，植被的變化趨勢可能存在很大的差異[9-10]。

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是利用植物葉片在近紅外波段具有高反射值，葉綠素在紅光波段具有強吸收的特征，在多光譜遙感影像中，用近紅外(IR)/紅波段(R)，通過反映植被綠度變化來表征植被生長狀況的指標(biāo)，是目前公認(rèn)的表征陸地植被覆蓋度和生長狀況的有效指標(biāo)[11-13]，同時NDVI具有時空的連續(xù)性，因此在區(qū)域植被變化研究中得到了廣泛應(yīng)用[6,14-15]。目前最常用的NDVI 數(shù)據(jù)包括SPOTVGT NDVI[8]、AVHRR NDVI[16]和MODIS NDVI[17]。其中，MODIS-NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率相對較高，具有時間序列較長、數(shù)據(jù)源較穩(wěn)定的優(yōu)勢，適用于市、縣或小流域尺度的植被變化研究[18-19]。目前的生態(tài)治理工程大多以縣級行政區(qū)為單元進行實施，以縣為單元研究植被變化情況，可以更為細(xì)致地分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理效果，為下一步治理決策提供切實可行的依據(jù)。

青海省同仁市位于黃土高原最西端，區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境差異較大，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對人類活動和氣候變化的響應(yīng)敏感。作為隆務(wù)河省級水土流失重點治理區(qū)，近年來，同仁市實施了大面積的生態(tài)工程。本研究采用時間連續(xù)的MODIS遙感影像，對2000—2019年同仁市NDVI動態(tài)變化進行研究，分析NDVI與土地利用、海拔高度的關(guān)系，并對NDVI未來變化趨勢進行預(yù)測，旨在客觀評價同仁市20 a來的植被變化情況，為下一步生態(tài)治理提供參考，為黃土高原農(nóng)牧交錯區(qū)水土流失防治提供依據(jù)，助推黃河流域生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

同仁市地處青海省東南部(35°00′—35°47′N， 101°37′—102°27′E)，南北長85 km，東西寬75 km，全市面積3 465 km2。同仁市位于黃土高原最西端，與青藏高原接壤，屬于農(nóng)、牧業(yè)交錯區(qū)，大陸性高原涼溫、冷溫半干旱氣候，溫度垂直變化明顯，氣溫日差較大，光照充足，年均降水量401 mm，降水變率大，雨熱同季，年平均氣溫5.6 ℃。

黃河一級支流隆務(wù)河縱貫全市南北，形成東西部山區(qū)和中部河谷地區(qū)。境內(nèi)山巒起伏，溝谷相間，地勢南高北低，地形可分為河谷川地、低山丘陵、中高山腦山、高山4個區(qū)域，海拔2 181～4 954 m。境內(nèi)草場資源豐富，約占全市面積的70%。耕地沿隆務(wù)河河谷呈帶狀分布，多年來實施了大規(guī)模的梯田、封禁、造林、小流域綜合治理等生態(tài)工程，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。同仁市主要存在水力侵蝕和凍融侵蝕兩種土壤侵蝕類型，水力侵蝕主要分布在中部隆務(wù)河谷地區(qū)；凍融侵蝕主要分布在東西部山區(qū)的高海拔地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)通過NASA網(wǎng)站(https:∥search.earthdata.nasa.gov/)下載，分辨率250m。已有的研究表明，研究區(qū)NDVI在每年的7—8月達到峰值[20]，因此本研究采用最大合成法對2000—2019年7—8月NDVI數(shù)據(jù)進行最大化處理，消除云、大氣等因素的干擾。海拔高度數(shù)據(jù)采用DEM數(shù)據(jù)提取，DEM數(shù)據(jù)通過地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)下載，分辨率為30m。土地利用數(shù)據(jù)采用2018年青海省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果，分辨率為2 m。

1.3 分析方法

1.3.1 趨勢分析 趨勢分析采用一元線性回歸分析方法，對2000—2019年的20個 NDVI圖層進行逐像元擬合，得到線性回歸方程的斜率，即NDVI多年變化趨勢Slope圖層，表示多年植被覆蓋變化的方向和速率[21]。若Slope>0，則NDVI呈現(xiàn)上升趨勢；若Slope<0，則NDVI呈現(xiàn)下降趨勢；Slope絕對值越大，表示NDVI值變化越快。Slope的計算公式為：

(1)

式中：Slope為NDVI與時間變量擬合的一元線性回歸方程的斜率；i為時間變量，等于1到n的整數(shù)；n為研究時段的年數(shù)，取值20； NDVIi為第i年的NDVI值。

1.3.2F檢驗F檢驗[22]又叫做聯(lián)合假設(shè)檢驗，假設(shè)回歸方程很好地符合數(shù)據(jù)集要求，用來檢驗回歸方程中被解釋變量與解釋變量之間線性關(guān)系在總體上是否顯著。本研究采用F檢驗對NDVI變化趨勢進行顯著性分析，用于檢驗NDVI變化趨勢置信度的高低。F檢驗法只代表趨勢變化的置信度，與變化快慢程度無關(guān)。

1.3.3 高海拔和低海拔區(qū)域界定 野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同仁市高海拔地區(qū)存在凍融侵蝕造成的植被退化現(xiàn)象，為了進一步分析凍融侵蝕對植被的影響，本研究結(jié)合凍融侵蝕區(qū)邊界，將NDVI變化趨勢圖和凍融侵蝕區(qū)相結(jié)合，分析不同海拔區(qū)域NDVI變化情況。本研究采用第一次全國水利普查青藏高原區(qū)凍融侵蝕區(qū)邊界的確定方法(公式2)[23]，利用經(jīng)緯度計算凍融侵蝕區(qū)海拔下界，即該界限以上為凍融侵蝕發(fā)生的主要區(qū)域，本文將該界限以上定義為高海拔地區(qū)，該界限以下定義為低海拔地區(qū)。

(2)

式中：H為凍融侵蝕區(qū)下界的海拔(在此界限以上的區(qū)域，地表處于凍結(jié)或凍融交替的狀態(tài)，為凍融侵蝕區(qū),m)；X1為緯度(°)；X2為經(jīng)度(°)。

1.3.4 Hurst指數(shù) Hurst指數(shù)是基于重標(biāo)極差(R/S)的分析方法，用來定量描述植被覆蓋的長程依賴性[20,24]，基本原理是給定一個時間序列{ξ(t)},t=1,2,…，對于任意正整數(shù)τ=1，定義均值系列:

(3)

式中：{ξ(t)}為一個給定的時間序列，其中，t=1,2,…。τ為任意正整數(shù)，τ=1,2,…。

(4)

式中：X(t,τ)為累積離差，1≤t≤τ。

(5)

式中：R(τ)為極差，τ=1,2,…

(6)

式中：S(τ)為標(biāo)準(zhǔn)差，τ=1,2,…

(7)

式中：H為Hurst指數(shù)；yi為第i年的lnR/S值；n為研究時序。

若存在R/S∝τH，則說明時間序列{ξ(t)},t=1,2,…存在Hurst現(xiàn)象，H值稱為Hurst指數(shù)，主要有3種形式(詳見表1)。H值可在雙對數(shù)坐標(biāo)系(lnτ,lnR/S)中用最小二乘法擬合得到。

表1 Hurst指數(shù)存在形式

2 結(jié)果與分析

2.1 2000-2019年同仁市NDVI時間動態(tài)變化

圖1為2000—2019年同仁市NDVI平均值年際變化情況，可以看出NDVI總體呈波動上升趨勢，平均上升速率為0.027/10 a。2000年為研究時段內(nèi)的最低值0.649 5，2019年上升到0.711 7。整個研究時段內(nèi)NDVI最大值出現(xiàn)在2018年，為0.749 4。 2000—2019年NDVI變化大致可以分為4個階段：①2000—2005年，NDVI值持續(xù)上升，由2000年的0.649 5，上升到2005年的0.718 7；②2005—2010年，NDVI先下降，然后波動上升，2010年上升至0.738 2；③2010—2015年，NDVI值先下降，后又上升至0.737 0，隨后波動下降，之后緩慢持續(xù)下降，至2015年降至0.694 0；④2015—2019年，NDVI波動變化幅度較大，2018年NDVI為研究時段內(nèi)最高值0.749 4。

圖1 2000-2019年青海省同仁市NDVI平均值年際變化

近年來黃土高原NDVI整體呈現(xiàn)的波動上升趨勢[1,5,25]與本研究結(jié)果基本一致，隨著國家和整個社會對生態(tài)環(huán)境的日益重視，退耕、退牧、封禁等植被保護措施的廣泛實施，黃土高原植被整體改善。由于黃土高原半干旱的氣候特征，年際降水量的變化是造成NDVI波動的主要原因，降雨量偏少的年份NDVI值可能出現(xiàn)明顯下降。

2.2 2000-2019年同仁市NDVI空間動態(tài)變化

圖2為2000年和2019年同仁市NDVI空間分布圖。與2000年相比，2019年NDVI分布圖深色區(qū)域明顯增加，淺色區(qū)域明顯減少，即高覆蓋度植被面積增加，低覆蓋度面積減少。以NDVI值介于0.1～0.5的區(qū)域為例，2000年該區(qū)域為661.54 km2，占全市面積的19.09%；2019年該區(qū)域為350.21 km2，占全市面積10.11%。NDVI值介于0.8～1的區(qū)域2000年為388.63 km2，占全市面積的11.22%；2019年增長到1 066.92 km2，占全市面積的30.79%(表2)。從2000年到2019年，低覆蓋度植被向高覆蓋度轉(zhuǎn)化明顯。隆務(wù)河河谷地區(qū)NDVI增加主要歸因于造林和小流域綜合治理的廣泛實施。東西部山區(qū)主要是在實施退牧和封禁措施后，植被自然恢復(fù)形成，東西部山區(qū)是高覆蓋度植被的主要分布區(qū)。

表2 2000年和2019年同仁市NDVI分布區(qū)間面積和比例

圖2 2000-2019年青海省同仁市NDVI空間分布特征

圖3為2000—2019年同仁市NDVI變化趨勢Slope的空間分布圖。Slope為正值的區(qū)域，即NDVI上升的區(qū)域，為2 635.82 km2，占全市面積的84.42%(圖3,表3)，廣泛分布在隆務(wù)河谷地區(qū)和周圍山區(qū)，其中林地626.13 km2，草地2 094.11 km2。

Slope為負(fù)值的區(qū)域，即NDVI下降的區(qū)域，為495.63 km2，占全市面積的15.58%。NDVI下降的區(qū)域有一小部分在隆務(wù)河河谷地區(qū)，是人類活動密集的區(qū)域，主要由于城鎮(zhèn)建設(shè)造成；大部分則分布在西部和南部山區(qū)。NDVI下降的區(qū)域中林地105.58 km2，草地393.10 km2(表3)。由于草地是同仁市的主要植被類型，NDVI下降的區(qū)域植被類型也主要是草地，NDVI下降的草地占全市草地總面積的15.80%。建設(shè)用地中有24.21 km2的區(qū)域NDVI上升，而10.07 km2的區(qū)域NDVI下降。

圖3 2000-2019年青海省同仁市NDVI變化趨勢空間分布

表3 不同土地利用類型NDVI變化區(qū)域面積和比例

總體來看，同仁市NDVI在2000—2019年顯著上升，Slope值主要分布在0～0.01之間(圖4)，這部分區(qū)域占全市面積的81.94%，Slope值介于0.01～0.02的區(qū)域占全市面積的2.47%，介于0.02～0.03的區(qū)域占0.02%。

圖4 2000-2019年青海省同仁市Slope值比例

采用F檢驗法進一步對同仁市NDVI變化趨勢的顯著性進行分析，結(jié)果表明，2000—2019年，同仁市NDVI極顯著上升的區(qū)域占46.68%，顯著上升的區(qū)域占16.20%；極顯著下降的區(qū)域占2.42%，顯著下降的區(qū)域占2.64%(圖5)?？梢钥闯?，同仁市植被整體上顯著改善，但仍然有部分區(qū)域植被存在退化趨勢。

圖5 2000-2019年青海省同仁市NDVI變化顯著水平空間分布

2.3 NDVI變化和海拔高度關(guān)系

同仁市海拔高度在2 081～4 954 m之間，根據(jù)公式(2)計算得到同仁市凍融侵蝕下限海拔為3 583 m，因此本研究將同仁市海拔2 181～3 583 m的地區(qū)定為“低海拔地區(qū)”，將海拔3 583～4 954 m的地區(qū)定為“高海拔地區(qū)”(圖6)，低海拔地區(qū)面積2 005.62 km2，高海拔地區(qū)面積1 459.38 km2。

將Slope柵格圖和海拔高度圖進行疊加分析(圖7)，可以看出，在低海拔地區(qū)，NDVI整體呈上升趨勢，NDVI上升的區(qū)域占92.16%，NDVI下降的區(qū)域僅占7.84%；在高海拔地區(qū)，NDVI下降趨勢明顯，NDVI上升的區(qū)域占73.71%，下降的區(qū)域占26.29%。從全市范圍來看，NDVI上升的區(qū)域主要分布在低海拔地區(qū)，而NDVI下降的區(qū)域主要分布在高海拔地區(qū)。

圖6 青海省同仁市低海拔和高海拔地區(qū)分布特征

圖7 青海省同仁市NDVI變化和海拔關(guān)系分布特征

2.4 NDVI未來變化趨勢預(yù)測

基于同仁市2000—2019年NDVI數(shù)據(jù)，采用Hurst指數(shù)對同仁市未來NDVI變化趨勢進行預(yù)測(表4)。結(jié)果表明，同仁市NDVI的Hurst指數(shù)介于0.259 4～0.893 5之間，平均值為0.647 5。其中，Hurst指數(shù)>0.5的區(qū)域，即未來NDVI變化呈現(xiàn)正向演化特征的區(qū)域占92.28%，Hurst指數(shù)<0.5的區(qū)域，即未來NDVI變化呈現(xiàn)負(fù)向演化特征的區(qū)域占7.72%。

表4 2000-2019年青海省同仁市不同海拔地區(qū)NDVI變化面積和比例

將NDVI變化趨勢Slope柵格圖(圖3)與Hurst指數(shù)柵格圖進行疊加，得出NDVI未來變化趨勢(圖8)?？梢钥闯?，同仁市NDVI未來持續(xù)上升的區(qū)域占79.17%，持續(xù)下降的區(qū)域占13.13%，由下降轉(zhuǎn)為上升的區(qū)域占2.45%，由上升轉(zhuǎn)為下降的區(qū)域占5.27%。同仁市NDVI未來整體上持續(xù)上升，但仍有部分區(qū)域存在下降趨勢。未來持續(xù)下降區(qū)域主要分布在西部和南部的高海拔地區(qū)，少部分分布在隆務(wù)河谷的城鎮(zhèn)周邊。

圖8 青海省同仁市NDVI未來變化趨勢

3 討 論

2000—2019年同仁市NDVI整體顯著上升，和2000年相比，2019年NDVI高值區(qū)明顯增加，主要分布在東西部山區(qū)。NDVI上升的面積占全市的84.42%，廣泛分布在隆務(wù)河谷地區(qū)和周圍山區(qū)。近年來，同仁市實施的一系列生態(tài)工程促進了植被恢復(fù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止2015年，同仁市實施草地禁牧面積693 km2，退牧、輪牧等草場保護措施促進了草地資源的恢復(fù)。在生產(chǎn)建設(shè)活動中，人們的生態(tài)環(huán)境保護意識也在不斷提高，對于城鎮(zhèn)區(qū)域的綠化也更加重視，同仁市建設(shè)用地中有24.21 km2的區(qū)域植被得到改善。人類生產(chǎn)、生活方式的改變促進了植被的恢復(fù)。

與此同時，同仁市NDVI呈下降趨勢的面積占全市的15.58%，少部分分布在隆務(wù)河河谷地區(qū)，主要由于城鎮(zhèn)化建設(shè)造成，大部分則分布在西部和南部山區(qū)，而且主要分布在高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)NDVI下降的面積占全市NDVI下降總面積的70.93%。作為高海拔地區(qū)水土流失加劇的重要原因，凍融侵蝕改變和破壞著土壤的物理性質(zhì)，降低了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)能力[26]。研究人員針對青海省興海盆地凍融侵蝕區(qū)植被的研究表明，凍融侵蝕會造成草被層呈斑狀、鱗片狀分布，草皮層在水平方向上撕裂，在垂直方向上與下面土層分離[27]。高海拔地區(qū)受季節(jié)性凍融作用的影響，土壤流失量的50%以上都發(fā)生在凍土層解凍時期[28]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同仁市高海拔地區(qū)的坡面存在凍融侵蝕造成的草皮撕裂現(xiàn)象，草甸沿坡面向下滑動，造成土壤或基巖裸露，原本覆蓋度很高的坡面大片變?yōu)槁愕亍τ诟吆０蔚貐^(qū)植被退化還需要結(jié)合廣泛的外業(yè)調(diào)查來進一步研究。

已有研究顯示，多年凍土在黃土高原西北部緩慢退化，導(dǎo)致表層土壤水分減少，對植被產(chǎn)生不利影響[6]。寒冷干旱環(huán)境下，低溫和干旱雙重脅迫，導(dǎo)致植被對氣候變化的響應(yīng)更加復(fù)雜[29-30]。青藏高原及其附近的高山區(qū)是凍融侵蝕分布最集中且侵蝕最強烈的區(qū)域[31]。降雨的增加一方面可以改善植被，另一方面會加劇凍融侵蝕，造成植被破壞[27]。

同仁市NDVI未來變化趨勢整體上持續(xù)上升，但仍有部分地區(qū)存在下降趨勢。同仁市處于黃土高原和青藏高原的過渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng)敏感，受人類活動影響較大。NDVI存在下降趨勢的區(qū)域是在科學(xué)研究和生態(tài)環(huán)境治理中需要重點關(guān)注的區(qū)域。氣候變暖可能造成部分區(qū)域植被改善，也可能造成高海拔地區(qū)表層土壤水分減少、凍融侵蝕加劇，最終造成植被退化。目前對于凍融侵蝕的野外原地貌觀測研究很少[32]。在未來的研究中，建議加強對高海拔地區(qū)植被變化和土壤侵蝕的野外定位觀測，對NDVI下降區(qū)域進行深入分析，為制定合理的植被保護和恢復(fù)措施提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文從時間尺度和空間尺度分析了青海省同仁市2000—2019年NDVI動態(tài)變化，初步分析了植被與土地利用、海拔高度的關(guān)系，對植被未來變化趨勢進行了預(yù)測。

(1) 2000—2019年同仁市NDVI整體呈波動上升趨勢，平均上升速率為0.027/10 a，2000年NDVI平均值為0.6495，2019年達到0.7117。NDVI高值區(qū)域增加明顯，NDVI值介于0.8～1的區(qū)域由2000年的388.63 km2增加到2019年的1 066.92 km2，主要分布在東西部山區(qū)，主要為草地。

(2) 從全市范圍來看，2000—2019年NDVI顯著上升，NDVI上升區(qū)域為2 925.21 km2，占全市面積的84.42%，其中NDVI極顯著上升的區(qū)域占46.68%，顯著上升的區(qū)域占16.20%。NDVI上升的區(qū)域廣泛分布在隆務(wù)河河谷地區(qū)和周圍山區(qū)，林地NDVI上升的面積為626.13 km2，草地NDVI上升的面積為2 094.11 km2。

(3) 同仁市NDVI下降區(qū)域為539.79 km2，占全市面積的15.58%。NDVI下降的區(qū)域有少部分分布在隆務(wù)河河谷地區(qū)，主要為建設(shè)用地；大部分分布在西部和南部山區(qū)。林地和草地NDVI下降的面積分別為105.58 km2和393.10 km2。NDVI下降區(qū)域在海拔3 583 m以上和以下范圍內(nèi)的面積分別為383.62 km2和157.19 km2，分別占全市NDVI下降區(qū)域總面積的70.93%和29.07%，NDVI下降區(qū)域主要分布在高海拔地區(qū)。

(4) 同仁市NDVI未來整體上將持續(xù)上升，但仍有部分區(qū)域存在下降趨勢。持續(xù)上升的區(qū)域占全市面積的79.17%，持續(xù)下降的區(qū)域占13.13%。由下降轉(zhuǎn)為上升的區(qū)域占2.45%，由上升轉(zhuǎn)為下降的區(qū)域占5.27%。