黑河上游植被覆蓋時空變化特征及其未來趨勢

雷聲劍, 張福平, 燕玉超, 劉 筱

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

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黑河上游植被覆蓋時空變化特征及其未來趨勢

雷聲劍, 張福平, 燕玉超, 劉 筱

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 分析黑河上游近14 a來植被覆蓋時空變化特征及其未來趨勢，為區域生態保護提供決策參考。[方法] 基于2001—2014年MODIS-NDVI數據，采用線性趨勢和Hurst指數等數理方法進行定量分析。[結果] 研究區植被覆蓋整體處于緩慢增加趨勢，年際變化呈現“波動—改善”趨勢，空間分布呈現自東南向西北逐漸降低的分布特征，且具有明顯經向地帶性；植被覆蓋改善區和退化區的面積分別占47.74%和21.81%，其中改善區主要分布在研究區中部和西北部，以高寒草原改善為主，退化區主要位于研究區東南部，以高寒草甸退化為主；未來的NDVI將向著改善的方向發展。[結論] 近14 a來黑河上游植被覆蓋良好，且未來向著改善趨勢發展，但對祁連、民樂和山丹縣境內的持續退化區需要采取保護措施。

關鍵詞：黑河上游; NDVI; 時空變化

文獻參數： 雷聲劍, 張福平, 燕玉超, 等.黑河上游植被覆蓋時空變化特征及其未來趨勢[J].水土保持通報，2016,36(3)：159-164.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.029

植被是陸地生態系統的主體，是土地覆蓋最主要的類型，其覆蓋變化是反映區域性環境狀況的重要指標之一，對全球能量循環和物質的生物化學循環具有重要的影響[1]。而作為表征地表覆蓋特征的重要參數，植被指數蘊含著豐富的地表結構和功能信息[2].常用的植被指數有歸一化植被指數，增強植被指數，比值植被指數，土壤調節指數等，其中，歸一化植被指數與植被覆蓋度、生長狀況、生物量和光合作用強度等密切相關[3-4]，能夠在時空尺度上反映研究區的植被覆蓋情況[5-8]。運用植被指數研究植被覆蓋變化，可快速監測地區生態系統穩定性，為減緩退化過程甚至恢復原有自然環境提供科學依據和決策服務[9-10]。

西北地區氣候干旱，生態環境脆弱，是中國氣候變化的敏感地帶，地表植被覆蓋變化的研究對于該地區農業生產，環境保護和生態建設具有重要的意義[11-12]。而黑河作為西北干旱區第二大內陸河，其植被覆蓋變化對當地生態環境影響重大。劉憲鋒等[13]運用R/S方法研究三江源區植被覆蓋變化，得出長江源區和黃河源區北部的植被未來將由改善轉為退化，而瀾滄江源區的植被未來將由退化轉為改善；張翀等[14]探討了黃土高原地區植被覆蓋變化的時空差異及未來趨勢，結果表明，未來的地表植被覆蓋改善區域有向北部擴展的趨勢，退化區有向南部擴展的趨勢；李芳等[15]探討了張掖地區植被覆蓋變化，并對其進行預測，得出近10 a來植被覆蓋呈增加趨勢，旱地和人工草地未來將會繼續增加；李旭譜等[16]通過NDVI(normalized difference vegetation index)變化度模型對黑河流域1999—2010年植被覆蓋變化進行分析，結果表明研究區植被覆蓋呈逐步改善趨勢，尤其是中游地區改善明顯，但流域植被覆蓋水平整體較差。趙銘石等[17]從時間和空間尺度上，對黑河流域25 a來植被覆蓋變化行研究，表明在年際尺度上NDVI的變化與溫度的變化關系更為密切，黑河中游年均NDVI對溫度的響應明顯高于上、下游。

綜上所述，運用R/S分析法對西北地區植被未來變化的研究以取得一定成果，因此將其用于研究黑河上游植被未來變化有一定依據，加上黑河流域關于植被覆蓋的研究主要是集中在植被的時空變化特征，以及植被與氣候因子相關性的探討上，而關于黑河上游地區植被變化的未來趨勢尚不明確。基于此，本文利用MODIS-NDVI數據，運用最大值合成法(maximum value composites,MVC)、線性趨勢分析、Hurst指數分析方法，研究黑河上游近14 a來植被覆蓋的時空變化特征，并對植被未來的變化趨勢進行預測，以期為區域可持續發展，生態環境保護提供一些理論依據。

1研究區概況

黑河流域是中國西北干旱區第2大內陸河流，發源于祁連山脈，經河西走廊，最后注入內蒙古北部的額濟納旗。本文以黑河上游為研究區，地理位置位于37°30′—39°41′N，97°28′—101°16′E，包括祁連縣和肅南縣的大部分，民樂縣和山丹縣的小部分，總面積約為2.85×104km2，海拔介于1 618～5 544 m。研究區氣候陰濕寒冷，為典型的大陸性高寒半干旱氣候，多年平均氣溫-5～4 ℃，年降水量250～500 mm，年蒸發量700 mm左右。由于高寒氣候的影響，黑河上游植被類型主要以高寒草甸、高寒草原為主，另有部分灌叢、針葉林。土壤類型主要包括高山寒漠土、高山草甸土、亞高山草甸土、高山灌叢草甸土、亞高山灌叢草甸土、高山草原土、森林灰褐土、山地灰鈣土等。黑河上游社會經濟發展水平較低，主要以牧業為主，人口8.61萬人，牲畜250萬頭，以細毛羊、藏羊和牦牛為主，是黑河流域重要的畜牧業基地[18]。

2數據和方法

2.1數據來源與處理

研究采用的遙感數據為2001年1月到2014年12月的Terra/Modis NDVI數據，數據來源于互聯網(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)下載的MODIS植被指數產品MOD13 Q1，該數據為250 m分辨率的16 d合成植被指數產品。植被類型圖來自寒區旱區科學數據中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)的1∶100萬黑河流域植被類型圖。

由表4可知，在相同負荷量和架空線型號的情況下，第④種配網拓撲模型即“負荷全部集中于10 kV中壓線路的末端”時最大允許供電半徑最小，即在該種情形下線路輸送電能的能力最弱，認為是“木桶效應”中的“短板”，該短板將直接決定線路末端電壓質量是否合格。因此，參考第④種配網拓撲模型下的最大允許供電半徑進行中壓架空線路的選型將不會出現中壓線路末端低電壓問題，這里將該供電半徑定義為“合理供電半徑”，不同線徑及負荷下的合理供電半徑具體情況如表5所示。

利用MRT(modis reprojection tools)工具、ENVI軟件，對影像進行拼接、重投影、裁剪等一系列預處理操作。為了消除云、大氣以及太陽高度角的干擾，本文根據MVC計算求得月最大NDVI來代表相應月份的NDVI值，并依據本文得出的植被覆蓋月歷圖，選取全區NDVI均值達到0.3時的6—9月為黑河上游植被的生長季，再利用生長季期間的月NDVI求均值得到每年的年NDVI，并根據年NDVI求均值得到14 a來黑河上游的年平均NDVI，以此來反映黑河上游植被覆蓋的空間分布特征。另根據植被類型圖，合并黑河上游荒漠和無植被地帶，并將其統稱為非植被區。

2.2研究方法

2.2.1線性趨勢分析一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢，通過提取不同時期單個像元的變化特征，綜合反映一定時間序列的區域格局演變規律，其優點在于利用不同時段數據值的擬合，消除異常因素對植被覆蓋的影響，真實地反映植被覆蓋的演化趨勢[19]。Slope反映了在14 a的時間序列中，黑河上游地區NDVI的變化趨勢。計算公式如下：

式中：Slope——單個像元NDVI回歸方程的斜率; NDVIi——第i年的NDVI值;n——研究時段跨度(2001—2014共14 a)。若Slope為正時，表明隨時間變化NDVI 升高，區域植被狀況趨于正向發展趨勢，且值越大正向趨勢越明顯;反之則為退化趨勢。

2.2.2R/S分析與Hurst指數自相似性和長期依賴性是自然界普遍存在的現象，Hurst指數是定量描述時間序列信息的長期依賴性的有效方法[20]。基于重標極差(R/S)分析方法的Hurst指數最早由英國水文學家Hurst在研究尼羅河水庫流量和存儲能力的關系時提出，在水文、氣候、地質和地震等領域有著廣泛運用，其基本原理如下[21]：

NDVI時間序列NDVIi，i=1,2,3，…，n，對于任意正整數m，定義該時間序列：

(1) 差分序列： ΔNDVIi=NDVIi-NDVIi-1

(4) 極差：R(m)(m=1,2,…,n)

(5) 標準差：S(m)(m=1,2，…,n)

考慮比值R(m)/S(m)≌R/S，若存在R/S∝mH,則說明時間序列存在Hurst現象，H成為Hurst指數。在雙對數坐標系(lni,lnR/S)下通過最小二乘法擬合得到。不同的Hurst指數取值范圍為H(0

3結果與分析

3.1黑河上游NDVI時間變化特征

3.1.1植被NDVI年際變化特征為研究黑河上游植被NDVI隨年份變化的特點，取每年的年NDVI影像中區域的NDVI平均值，代表當年植被覆蓋狀態，并作NDVI年際變化圖(圖1)。由圖1可知，在時間尺度上，近14 a來黑河上游的植被NDVI總體覆蓋呈現緩慢增加趨勢，增速為0.022/10 a，略快于整個祁連山地區2000—2011年NDVI植被平均增長速率0.015/10 a[22]。2001年NDVI處于14 a的最低值，為0.303，2014年NDVI值相比于2001年增加了0.054，其中2001—2002，2008—2010年NDVI表現出明顯的上升趨勢，且于2010年達到最大值0.364，植被覆蓋狀況整體以良性發展為主，并呈現出波動緩慢發展態勢。

圖1　2001-2014年黑河上游NDVI均值變化趨勢

3.1.2植被NDVI月變化特征統計2001—2014年黑河上游所有像元逐月NDVI均值，并繪制NDVI月度變化圖(圖2)。圖中：每一行代表NDVI在1 a中各月的變化特征，每一列代表NDVI在14 a中對應月的年際變化特征。從月NDVI年內變化特征可知：每年的1—5，10—12月NDVI基本位于0.3以下，且隨月增長緩慢，是植被生長的緩慢季節，而從6月開始，NDVI逐月增大，并在7或8月達到年內NDVI峰值，介于0.4～0.44，而后又開始逐月降低。從月NDVI年際變化特征可知：每年對應月份的NDVI均存在一定程度上的波動，且2002，2007，2010，2012年生長季內的NDVI明顯高于其他年份，與前文NDVI年際變化的4個波峰相互吻合。從總體上看，月尺度年內NDVI的變化規律為6—9月是植被生長的旺盛季節，10月到來年5月是植被生長的緩慢季節。

3.2黑河上游NDVI空間差異特征

3.2.1NDVI空間分布特征利用2001—2014年的年均NDVI數據，計算14 a平均值求得NDVI均值空間分布圖(圖3a)，并以經度0.5°為間隔統計每0.5°范圍內所有像元的NDVI均值，得到NDVI經向變化圖(圖3b)。從圖3a可知，黑河上游植被NDVI空間分布呈現出自東南向西北逐漸降低的分布特征。其中，NDVI高值區主要位于研究區的東南部，該區域廣泛分布著高寒草甸、高寒草原、灌叢以及部分針葉林，是黑河上游最重要的畜牧業基地；而低值區主要位于研究區西北部和北部，該區域多荒漠和極高山，且植被類型以半荒漠化草原為主，NDVI值較小，而極高山地區又終年冰雪覆蓋，植被無法生長。從圖3b可知，從東經97.3°向東到101°，黑河上游NDVI由0.041增長到0.488，且隨經度增大，NDVI值迅速增加，自東向西的變化規律為-0.115/1°，具有經向地帶性(R2=0.936，p<0.001)，這是因為中部極高山的影響，阻滯了水汽的運輸，導致了地區水熱條件的差異，并使自西向東的植被類型表現為由半荒漠草原，到高寒草原，再到高寒草甸及灌叢的特征。

圖2　黑河上游植被覆蓋月歷

圖3　研究區NDVI均值空間分布及經向變化規律

3.2.2NDVI變化趨勢性分析為了更好的評價黑河上游植被變化趨勢，參照已有研究[23]，將Slope分為7個等級：嚴重退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、中度改善、明顯改善(表1)，并得到NDVI變化趨勢圖(附圖9)。由附圖9可知，改善區域在空間上主要分布在研究區的中部和西北部，其中明顯改善區域一部分位于中部祁連縣境內的高山地區，這與全球氣候變暖趨勢，導致高山地區溫度升高，高山植被長勢變好有一定關系，另一部分位于肅南縣北部邊緣地帶，中度改善和輕微改善區域則主要分布在研究區西北部，退化區域主要分布在研究區的東南部和中部，以輕度退化為主，中度退化和嚴重退化占比較小，且該退化區正是黑河上游的NDVI高值區域，植被類型主要以半濕潤的高寒草甸為主，是黑河流域的主要牧場，說明該區域的人類活動已經嚴重危害著該區域的生態環境。

為進一步分析不同植被類型下NDVI的變化趨勢，將植被類型數據和NDVI變化趨勢圖進行疊加，統計不同植被類型下退化與改善的面積及其比例(表1)。由表1可知，黑河上游NDVI整體呈現出改善趨勢，中度改善和輕微改善的區域所占比例分別為15.92%和28.45%，幾乎覆蓋全區面積1/2，明顯改善區域占比較小，僅為3.37%。其中，明顯改善和中度改善的植被均以高寒草地為主，輕微改善的植被是以高寒草甸為主。而NDVI退化區域占研究區的21.81%，且以輕度退化為主，但在3種退化等級下，均以高寒草甸的退化最為嚴重。

從植被類型看，研究區主要以高寒草甸分布為主，高寒草原次之，其余植被分布較少。其中，高寒草甸退化面積占其總面積的25.44%，改善面積占比40.57%，高寒草原退化面積占其總面積的11.38%，改善面積占比67.77%，說明高寒草甸比高寒草原退化更為嚴重，這是因為相比高寒草原，單位高寒草甸的草地生物量更多，導致人類對高寒草甸的放牧利用強度更大，對植被的破壞也越為嚴重。

3.2.3NDVI變化持續性分析利用研究區2001—2014年NDVI數據，基于R/S分析原理，運用MATLAB軟件編程求得研究區每個像元的Hurst指數，根據已有研究[24]，將其劃分為6個等級，并獲得NDVI變化的Hurst指數空間分布圖(附圖10)。統計得知，研究區Hurst指數值域范圍為0.211～0.826，平均值為0.657，根據等間距原則將持續性和反持續性各分為弱、強、很強3種類別。其中，反持續序列僅占研究區NDVI比重的10.74%，持續性序列占到研究區NDVI比重的89.26%，表明黑河上游NDVI的正向持續性明顯強于反持續性。

表1　不同植被類型下NDVI變化面積及比例

從空間分布上看，黑河上游地區正向持續性序列幾乎遍布全區，其中大于0.6的中高值區主要分布在研究區的東南部和西北部，而介于0.5～0.6之間的弱持續性區域則廣泛分布于全區，加之2001—2014年呈退化趨勢的面積占全區的21.81%，由此預測黑河上游大部分區域植被覆蓋變化仍將得到改善。反持續性序列主要集中分布于研究區中部，以肅南縣分布居多，且均為弱反持續性，強反持續性和很強反持續性序列分布極少，說明這些地區的植被變化仍具有反向特征，但由于比重較少，并不能改變研究區當前植被改善的大趨勢。

3.2.4NDVI變化的未來趨勢分析為了進一步研究黑河上游NDVI變化的未來趨勢，對一元線性回歸的slope值與Hurst指數進行疊加分析(overlay)，得出研究區退化或者改善趨勢與可持續性的耦合結果，合并得到6種黑河上游NDVI的未來變化趨勢(附圖11)，再將其和植被類型圖疊加分析，得到不同植被類型下的未來變化趨勢統計表(表2)。

表2　研究區不同植被類型下NDVI未來變化趨勢統計

結合附圖9可看出，未來的黑河上游NDVI持續改善面積占研究區比重的51.26%，主要分布在研究區的中部和西北部，以肅南縣居多；而持續退化區僅占比13.20%，主要分布在研究區東南的祁連、民樂和山丹境內，另有少量零星分布研究區中部；保持不變區域占比23.50%，主要在研究區西北部的無植被地帶周邊聚集分布，這些地區多為半荒漠和極高山地區，植被覆蓋很少，NDVI值較低，變化不大；一部分地區未來將由改善轉為退化區，該區占比6.33%，主要分布在肅南縣東北部；而退化轉為改善區僅占研究區的1.24%；另有一分部地區是未來趨勢無法確定，即不確定是退化還是改善，其比例占研究區的4.47%。

從植被類型看，草甸持續改善面積為5 292.56 km2，占其總面積的47.21%，持續改善面積比例升高，退化面積比例降低。而高寒草原持續改善面積比例則由當前的67.77%下降到64.14%，呈微弱降低趨勢。又有灌叢、針葉林、栽培植物和高山植被的改善面積均明顯高于其他變化趨勢，說明黑河上游植被未來變化仍將以改善為主。但是持續退化面積仍然是以高寒草甸和高寒草原為主，對于以畜牧業經濟為主的地區來說，高寒草甸和高寒草地的持續退化都將成為該地區良好發展的制約性因素。

因此建議相關人員能對黑河上游東南區的持續退化區域進行保護，限制該區域的牲畜數量，縮短夏季放牧時間，延長禁牧時間，降低東南區的放牧強度，引導牧戶向西北域持續改善區域進行放牧，緩解東南區群落界面上的資源競爭，同時對于由改善轉為退化區和未來趨勢不確定區域也應當進行一定程度的保護，從而起到恢復和保護草原的作用。

4討論與結論

(1) 在時間上，黑河上游NDVI在年尺度上呈現出“波動—緩慢改善”趨勢；在月尺度年內NDVI在6—9月是植被生長的旺盛季節。在空間上，多年NDVI均值有自東南向西北逐漸降低的分布特征。

(2) 近14 a黑河上游NDVI整體呈現改善趨勢，改善區域占比47.74%，主要分布在研究區中部和西北部，以高寒草原和高山植被改善為主，而退化區域占比21.81%，集中分布于研究區東南部，以高寒草甸退化為主。

(3) 研究區Hurst指數介于0.211～0.826之間，均值為0.657，正向持續性較強，并散布全區，反持續性較弱，主要分布于肅南縣東北部。

(4) 黑河上游未來的NDVI變化將向著改善的大方向發展，持續改善面積將占比51.26%，集中分布在研究區的中部和西北部，以肅南縣居多，但仍存在13.20%持續退化區域，以高寒草甸退化為主，同時該區域又是黑河上游的優質牧場，其退化所帶來的環境和經濟問題不可估量，因此引導牧戶合理放牧，保護區域生態環境將是當地相關人員亟待解決的問題。

文本通過Slope值和Hurst指數的疊加分析對研究區的NDVI改善與退化趨勢進行定量研究，將其植被未來變化趨勢成圖顯示，有助于促進區域生態環境的保護，具有一定實用價值。但本研究也存在一定局限性，沒有深入考慮不同植被類型的經濟價值，以便進一步估算不同植被退化所帶來的經濟損失；也缺少對植被覆蓋變化的原因分析。

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收稿日期：2015-03-26修回日期：2015-06-15

通訊作者：張福平(1973—),男(漢族),山西省呂梁縣人,博士,副教授,碩士生導師,主要從事資源環境遙感與GIS應用研究。E-mail:laolei220@126.com。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0159-06

中圖分類號：Q948.1

Spatial-temporal Changes and Future Trends of Vegetation Cover in Upper Reaches of Heihe River

LEI Shengjian, ZHANG Fuping, YAN Yuchao, LIU Xiao

(CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] To study the spatial-temporal changes of vegetation cover in the past 14 years and its future trend in the upper reaches of the Heihe river in order to provide a support for the regional ecological protection. [Methods] Based on the MODSI-NDVI data from 2001 to 2014, we did the quantitative analysis by linear trend analysis and Hurst index. [Results] The vegetation cover in the study area had been improving slowly, showing a “volatility-improvement” trend on year scale, the mean NDVI decreased gradually from southeast to northwest and shows a meridional zonality. The area with increased vegetation cover accounted for 47.74%, whereas the area with deceased vegetation cover accounted for 21.81%. The improved areas are mainly distributed in the central and northwestern parts of study area with alpine steppe significantly improved. The degraded areas are mainly located in the southeast of study area with alpine meadow significantly degenerated. The vegetation cover in the upper reaches of the Heihe river will increase in the future. [Conclusion] The vegetation cover in the upper reaches of the Heihe river is high and the future trends of the vegetation cover is toward improving, but we need to take measures to protect areas still degenerating in Qilian, Minle and Shandan County.

Keywords:upper reaches of the Heihe river; NDVI; spatial-temporal changes

資助項目：國家科技支撐項目“敦煌生態修復關鍵技術研究與示范”(2012BAC08B07); 陜西師范大學中央高校基本科研業務費專項資金項目(GK201101002)

第一作者：雷聲劍(1989—),男(漢族),湖北省襄陽市人,碩士研究生,研究方向為資源環境遙感與GIS應用。E-mail:laolei220@126.com。