2000～2014年海流兔河流域植被覆蓋度變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析

潘桂行 喬曉英 黃金廷等

摘要基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，利用線性回歸法分析植被覆蓋度的時(shí)空變化趨勢(shì)。研究海流兔河流域2000～2014年間植被覆蓋度的變化規(guī)律，確定其變化的影響因素。結(jié)果表明，研究區(qū)96.9%的區(qū)域面積NDVI處于不斷上升的趨勢(shì)，區(qū)域年平均NDVI增量達(dá)到0.006 5。通過轉(zhuǎn)移矩陣法研究出該區(qū)3個(gè)時(shí)段4種不同等級(jí)植被覆蓋度的變化趨勢(shì)，各等級(jí)植被覆蓋度均有不同程度的增加。NDVI值<0.40的區(qū)域面積的百分比由88.0%降低到75.8%，尤其是<0.20的區(qū)域變化最為明顯，由最初占區(qū)域總面積的20.8%下降到3.5%。研究區(qū)15年來植被覆蓋度不斷增加，植被生態(tài)呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致這種變化的主要影響因素是人類活動(dòng)。

關(guān)鍵詞NDVI；時(shí)空變化；海流兔河流域；人類活動(dòng)

中圖分類號(hào)S181；Q948文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）31-264-04

Variation in Vegetation Cover and the Driving Factors in the Hailiutu River Catchment during 2000-2014

PAN Guixing1， QIAO Xiaoying1， 2*， HUANG Jinting3 et al

（1. School of Environmental Science and Engineering， Changan University， Xian， Shaanxi 710054； 2. Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas， Ministry of Education， Xian， Shaanxi 710054； 3. Xian Center of Geological Survey， CGS， Xian， Shaanxi 710054）

Abstract Based on MODIS NDVI data， using linear regression method， temporal and spatial variation of vegetation cover was analyzed. The variation law of vegetation cover in the Hailiutu River Catchment during 2000-2014 was studied， the influencing factors of the variation were determined. The results illustrated that in a 96.9% area NDVI has a rising trend， regional annual average NDVI increase to 0.006 5. Using transfer matrix method to research the change trend of different levels of vegetation coverage in the area. The percentage of area which NDVI value is less than 0.40， reduced from 88.0% to 75.8%， especially for area of NDVI value less than 0.20， reduced from 20.8% to 3.5%. In the study area， the vegetation cover degree is increasing， and the vegetation ecology is a positive development trend， the main influencing factor of this change is human activity.

Key words NDVI； Spatial and temporal changes； Hailiutu River； Human activity

植被覆蓋度是刻畫陸地表生植被數(shù)量的重要指標(biāo)，其變化是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)[1]。已有的研究表明，氣象因子（如降水和氣溫等）和人類活動(dòng)是植被覆蓋度變化的重要影響因素[2]。由于遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性和客觀性等優(yōu)勢(shì)，近年來已成為對(duì)地觀測(cè)研究的有力工具[3]，特別在大尺度土地利用與植被覆蓋變化規(guī)律的研究方面。遙感數(shù)據(jù)源具有信息量大、多時(shí)相性等特點(diǎn)，可以有效地記錄植被多年的變化狀況[4]，為干旱與半干旱地區(qū)多年以來植被的覆蓋度變化分析和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐[5-6]，從而為大面積監(jiān)測(cè)地表植被狀況的演化過程提供了技術(shù)的可能性。歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)，已有研究成果表明，NDVI與植被覆蓋度有著很好的線性關(guān)系[7]，能夠較好地反映地表植被的覆蓋和變化狀況[8-10]，被認(rèn)為是地表植被的最佳指示因子[11]。

海流兔河流域地處毛烏素沙地東南邊緣地區(qū)，由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是生態(tài)環(huán)境極度脆弱的干旱-半干旱區(qū)。2000年以來，該地區(qū)實(shí)施了退耕還林還草等生態(tài)恢復(fù)工程，生態(tài)環(huán)境有所改善。為了評(píng)估生態(tài)恢復(fù)工程的效果，該研究利用遙感技術(shù)對(duì)2000～2014年間海流兔河流域15年的植被覆蓋的時(shí)空變化過程及其趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并分析了植被覆蓋度變化的影響因素，對(duì)流域內(nèi)植物資源的恢復(fù)與保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1自然地理概況

海流兔河流域地處毛烏素沙地東南邊緣地區(qū)，位于38°00′～39°00′ N，108°30′～109°20′ E之間，為無定河流域的子流域，面積約2 600 km2[12]。流域的海拔高度介于1 020～1 480 m，其中流域北部為毛烏素沙地，地勢(shì)較高；向南向黃土高原過渡，地勢(shì)逐漸降低。流域內(nèi)主要以風(fēng)積沙丘地貌為主，西北部地區(qū)以及中部零星分布湖盆灘地地貌。流域中部為海流兔河，補(bǔ)浪河是其支流。河流下游地區(qū)U型河谷發(fā)育，為該區(qū)的主要耕地區(qū)。海流兔河流域地處溫帶大陸性氣候區(qū)，根據(jù)流域內(nèi)烏審旗氣象站的多年氣象資料，流域內(nèi)年降水量250～440 mm，降水年際和年內(nèi)變化大。夏季多降暴雨，最大日降水量可達(dá)100～200 mm，占全年降水60%～75%，尤以8月為多。降水年際變率大，多雨年為少雨年2～4倍。多年平均蒸散發(fā)量約為2 180 mm，其中5～6月蒸散發(fā)量最高，約為350 mm/月。流域內(nèi)日平均氣溫為8.1 ℃，日最高氣溫為38.6 ℃（1935年），日最低氣溫為-32.7 ℃（1954年）。流域內(nèi)的植被以旱生的草本、灌木為主，其次為人工種植的旱柳、楊樹等喬木。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

該研究采用NASA（美國國家航天局）EOS衛(wèi)星提供的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品（該數(shù)據(jù)來自于http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/），由于該數(shù)據(jù)包含的信息大、可免費(fèi)獲取、數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，已成為研究區(qū)域植被覆蓋變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該研究采用MODIS13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為柵格化的NDVI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為EOSHDF。該數(shù)據(jù)已對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行了一定的數(shù)據(jù)修正，其時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。

為減少數(shù)據(jù)處理的工作量，又能客觀地表示出植被生長的狀況，該研究采用整個(gè)植被生長期的14期影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品（第97～305天）。運(yùn)用ENVI軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換等處理，采用最大合成法（Maximum Value Composites，MVC）生成年度NDVImvc數(shù)據(jù)，作為該年的NDVI值。最大合成法可有效消除云的遮蔽、大氣氣溶膠的影響以及太陽高度角等的干擾[13]，能夠更精確反映地表的NDVI值。

Stow等運(yùn)用線性回歸方程的斜率來分析每個(gè)像元NDVI的年際變化趨勢(shì)[14-15]，該研究使用該方法模擬2000～2014年間NDVImvc的變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式為：

slope=n×ni=1（i×NDVIimvc）-ni=1ini=1NDVIimvcn×ni=1i2-（ni=1i）2（1）

式中，slope值為像元點(diǎn)趨勢(shì)線的斜率；變量i為1～15年的年序號(hào)；NDVIimvc為第i年NDVImvc。運(yùn)用ENVI中的Band Math功能，計(jì)算出2000～2014年間NDVImvc的變化趨勢(shì)，即slope。其中，slope>0表明該像元的NDVImvc在15年間是增加的，反之則是降低的。由于該趨勢(shì)線斜率并不是簡(jiǎn)單首尾兩年NDVImvc的斜率，可更加客觀反映植被覆蓋度的變化趨勢(shì)。

利用轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算不同等級(jí)植被覆蓋度的變化，然后將不同階段的植被等級(jí)影像進(jìn)行兩兩疊加計(jì)算，從而得出各等級(jí)植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣，并計(jì)算出各等級(jí)植被覆蓋度在不同階段的變化結(jié)果。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

3結(jié)果

3.1NDVImvc空間分布特征

圖1為研究區(qū)2000～2014年植被生長期（4～10月）的NDVImvc分布圖。從圖1可知，NDVImvc介于0～0.75之間。流域北部的巴音淖爾湖區(qū)由于地表水體的存在，植被覆蓋度極低，NDVImvc<0.10。NDVImvc<0.30的地區(qū)主要分布在北部、中南部以及流域分水嶺地區(qū)，大部分為風(fēng)積沙丘地貌區(qū)，在這些地區(qū)植被覆蓋度較差；NDVImvc介于0.30～0.40的區(qū)域主要分布在流域的中部，這些地區(qū)是地形較為平緩的沙丘區(qū)；NDVImvc介于0.40～0.60的區(qū)域主要分布在湖盆灘地區(qū)；NDVImvc>0.60的地區(qū)主要分布在海流兔河河谷區(qū)以及補(bǔ)浪河附近地區(qū)，為流域的主要農(nóng)耕區(qū)。總體來看，研究區(qū)的植被覆蓋南部優(yōu)于北部，尤其是河谷以及河流兩岸灘地地區(qū)，植被覆蓋最好。

3.2NDVImvc時(shí)間變化趨勢(shì)

總體上講，2000年以來，海流兔河流域年均NDVImvc值呈增加趨勢(shì)，年均增量約0.006 5（圖2）。但NDVImvc在不同時(shí)段內(nèi)變化特征不同，其中2000～2003年呈現(xiàn)較大的波動(dòng)增長趨勢(shì)，年均增量約為0.018；而2004～2014年則呈現(xiàn)較小幅度的波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均增量約為0.064。

盡管海流兔河流域年NDVImvc總體呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢(shì)，但其變化規(guī)律在空間上存在明顯差異。為了分析NDVImvc的空間變化規(guī)律，利用方程1計(jì)算出各像元的slope值（圖3）。從圖3可知，15年來海流兔河流域植被覆蓋度總體上為增加，僅在小部分區(qū)域出現(xiàn)減小。其中，NDVImvc增大的區(qū)域約占流域面積的97%，降低的區(qū)域僅約占總面積的3%。降低的地方主要為城鄉(xiāng)建設(shè)用地和工廠建設(shè)用地，其對(duì)植被覆蓋度的破壞極大。同時(shí)，該區(qū)域在西南部地區(qū)大面積開墾耕地也對(duì)生態(tài)造成一定破壞。

3.3不同植被覆蓋等級(jí)的面積變化

為了更好地研究2000～2014年NDVImvc值的分布和變化，同時(shí)考慮到現(xiàn)行的我國政府荒漠化監(jiān)測(cè)周期為5年，將研究期的15年劃分為2000～2004、2005～2009、2010～2014年3個(gè)5年的小時(shí)段。分別統(tǒng)計(jì)各時(shí)段內(nèi)NDVImvc值的分布情況，然后再比較各時(shí)段內(nèi)NDVImvc的轉(zhuǎn)移變化。為了有效避免部分柵格區(qū)域因異常年份擾動(dòng)而引起的NDVImvc異常值的影響，筆者以每5年的均值作為各時(shí)段NDVImvc值。該值可以較為客觀實(shí)際地反映研究區(qū)近15年以來的不同NDVI等級(jí)的變化差異。

利用轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算不同等級(jí)植被覆蓋度的變化，從而計(jì)算出各等級(jí)植被覆蓋度在不同階段的變化情況，計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可知，第1～2時(shí)段NDVImvc<0.20的區(qū)域變化顯著，由20.8%下降到9.7%，表明植被覆蓋較差的區(qū)域明顯減少，NDVImvc其他區(qū)間所占面積均有不同程度的增加。這就表明在第1～2時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)NDVImvc在總體上是增大的，意味著植被覆蓋度明顯增加，植被生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)；第2～3時(shí)段，NDVImvc<0.20的區(qū)域繼續(xù)下降，NDVImvc介于0.20～0.40的面積也開始下降，向NDVImvc較大的等級(jí)轉(zhuǎn)化。在第2～3時(shí)段NDVImvc顯著增大，表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)好轉(zhuǎn)。

對(duì)比圖3和圖4可更加直觀地看出研究區(qū)3個(gè)時(shí)段內(nèi)NDVImvc空間變化規(guī)律。第1～2時(shí)段NDVImvc降低的區(qū)域約為0.9%，基本穩(wěn)定的部分為86.9%，增加的部分為122%。第2～3時(shí)段NDVImvc降低的區(qū)域?yàn)?.5%，保持穩(wěn)定的部分約75.5%，增加的部分約23.0%。對(duì)圖4a和圖4b進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，第2時(shí)段比第1時(shí)段平均NDVImvc增

加了0.026，第3時(shí)段比第2時(shí)段增加了0.033。空間上，NDVImvc

降低的區(qū)域主要分布在西北部地區(qū)，局部分布在分

水嶺

4植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因素分析

4.1自然因素對(duì)植被覆蓋度變化的影響

氣象因素往往是區(qū)域植被變化的主要自然因素，尤其是降水與氣溫[16]。該研究利用烏審旗氣象資料。2000～2014年該區(qū)域年降水量和氣溫波動(dòng)變化，而NDVImvc呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。從圖5可知，NDVImvc與年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.24，相關(guān)性較差；而與年均氣溫相關(guān)系數(shù)為0.01，相關(guān)性極差。因此，該區(qū)植被變化與自然因素（降水和溫度）的相關(guān)性并不明顯，自然因素并不是驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度變化的主要原因。

4.2人為因素對(duì)植被覆蓋度變化的影響

自2000年以來，該區(qū)實(shí)施了一系列的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理工程，如退耕還林還草、飛播造林、天然林保護(hù)以及禁牧等。為了查明生態(tài)恢復(fù)工程與植被恢復(fù)的關(guān)系，利用流域所在的榆林市榆陽區(qū)和鄂爾多斯市烏審旗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了海流兔河流域植樹造林與植被覆蓋變化的關(guān)系。圖6為海流兔河流域榆陽區(qū)部分（榆陽區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)2003～2013年數(shù)據(jù)）和烏審旗部分（烏審旗國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)2007～2013年數(shù)據(jù)）植樹造林面積與NDVI的相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.80和0.85，且通過了0.05的置信度檢驗(yàn)。從圖6可知，研究區(qū)植樹造林與NDVI相關(guān)性較好，是植被覆蓋度增加的主要原因。

5討論

（1）2000年以來，我國西部生態(tài)環(huán)境總體上呈現(xiàn)不斷改

善的趨勢(shì)[17-19]。前人研究結(jié)果表明，這種改善表現(xiàn)在植被的低覆蓋區(qū)不斷減小，中、高覆蓋區(qū)不斷增加[20-21]，該研究結(jié)果也證實(shí)了前人的結(jié)論。但在局部地區(qū)也出現(xiàn)了植被退化的現(xiàn)象，如在毛烏素沙地的局部地區(qū)[22]和祁連山的部分河谷區(qū)[23]。該研究也發(fā)現(xiàn)，在海流兔河流域的河谷區(qū)出現(xiàn)了植被覆蓋度減小的情況。造成退化的原因主要是這些地區(qū)人口增加、人類活動(dòng)加劇造成的，雖然面積不大，但局部退化也應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。

（2）前人的研究結(jié)果表明，造成植被覆蓋度變化的主要因素包括降水、氣溫和人類活動(dòng)[23]。在人類活動(dòng)較少的地區(qū)（如青藏高原地區(qū)），氣象因子是短期或長期植被覆蓋度變化的主要原因[9]。而在人類活動(dòng)劇烈的地區(qū)，植被覆蓋度變化的受控因素比較復(fù)雜。植被覆蓋度的短期變化（月變化或是季節(jié)變化）主要是受氣象條件（如降雨和氣溫）控制[23]，而植被覆蓋度的穩(wěn)定增長一般是人為因素造成的，如在西北地區(qū)普遍觀測(cè)到的植被覆蓋度增加就與生態(tài)恢復(fù)工程具有密切的關(guān)系。

6結(jié)論

（1）研究區(qū)NDVImvc值主要分布在0.20～0.40之間，約占區(qū)域總面積的75.3%。分水嶺及風(fēng)積沙丘區(qū)為該區(qū)域植被覆蓋度低的主要地區(qū)，湖盆灘地為植被覆蓋中度地區(qū)，河流谷底及補(bǔ)浪河農(nóng)耕區(qū)為植被覆蓋最好的地區(qū)。

（2）2000～2014年的15年間，研究區(qū)NDVImvc平均值呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，年均增量0.006 5，但占總面積3.1%的區(qū)域仍呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。

（3）研究區(qū)NDVImvc值不斷增加，預(yù)示植被覆蓋度發(fā)生正向的轉(zhuǎn)移，植被覆蓋等級(jí)不斷在發(fā)生優(yōu)化，因而海流兔河流域植被覆蓋度呈良性發(fā)展的趨勢(shì)。

（4）自然因素的變化并不是研究區(qū)2000～2014年間植被覆蓋度變化的主要原因。自2000年來，大規(guī)模的植樹造林在一定程度上緩解了區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力，揭示人類活動(dòng)是該區(qū)域植被覆蓋度變化的主要因素。

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