2000-2015年青海省不同功能區NDVI時空變化分析

李 璠， 徐維新

(青海省氣象科學研究所， 青海 西寧 810001)

歸一化植被指數(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)作為評價植被生長狀況的重要因子，不僅直觀地反映植被長勢在全球或區域尺度上的生長情況，亦可從長時間序列反映變化趨勢[1]，同時節省了傳統上地面調查所消耗的人力、物力和時間，在全球氣候變化和生態系統研究中扮演著重要的角色。因此，近年來，以NDVI時空變化趨勢為基礎的相關研究成為全球變化與陸地生態系統的熱點內容之一[2-4]。

青藏高原是氣候變化的敏感區和脆弱區，存在對比強烈的氣候帶，這種極端環境下發育的植被對氣候變化極為敏感，被認為是研究生態系統對氣候變化適應與響應機制的天然實驗室[5]。青海位于青藏高原東北部，地勢西高東低，氣候以高寒干旱為主，是典型的高原大陸性氣候，空氣稀薄，日照時數多。按照降水量和溫度的變化特征，形成了東部農業區、環青海湖區、三江源地區和柴達木盆地4個不同特點的生態功能區，各區承載著不同強度的生產生活任務，人類活動的強度也不同，且生態環境脆弱，是氣候變化的敏感區[6]。針對青海省的研究存在于前幾年[7-9]，且各功能區的研究較為獨立[10-13]，主要原因是每個功能區的草地承載力、生態系統類型、地形起伏、土壤理化性質等均不相同，學者們以每個功能區為例，延伸到不同的生態系統對氣候變化、放牧強度的響應，然而這類研究深入討論了生態系統對變化的反饋，并未對不同生態系統之間做系統比較。以青海省的4個生態功能區為例，比較荒漠生態系統(柴達木盆地)、高寒草甸生態系統(三江源地區)、高寒草原生態系統(環青海湖區)、農田生態系統(東部農業區)之間的異同。不同生態功能區之間NDVI存在怎樣的時空變化特征,其差異如何,年際間波動特點有何異同,這些問題目前尚未形成定量結論。鑒于此，本研究以MODIS數據為基礎，不同的生態功能區為研究對象，基于柵格單位，逐像元定量計算青海省NDVI分布現狀、變化趨勢和穩定性特征，重點闡明各功能區植被NDVI變化特征及波動特點，以期在未來氣候變化和人類活動的雙重影響下，為青海省的生態環境保護建設提供基礎數據和科學參考。

1 研究區概況

青海省位于中國西部，青藏高原東北部，地處89°35′～103°04′E，31°39′～39°19′N，海拔介于1 650～6 860 m。屬于典型的高原大陸性氣候[14]，具有寒冷期長，太陽輻射強，氣溫日差較大，干旱少雨，降水比較集中等特點。根據青海氣象觀測資料分析，多年平均降水量為16.2～746.9 mm，平均氣溫為-6℃～9℃，太陽輻射量高達5 400～7 600 MJ·m-2，全年盛行偏西風和偏東風。省域北部與蒙新高原相接，東部與黃土高原交匯，境內有中國地勢最高的內陸盆地——柴達木盆地，最大的內陸咸水湖——青海湖，長江、黃河、三江源的發源地——三江源及生物資源和農業資源較豐富的東部農業區(圖1)。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographic location of the study area

2 數據分析與試驗方法

2.1 數據來源及預處理

本文所利用的遙感數據來自美國NASA網站(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html) MOD13Q1陸地專題的產品，其中h25v5，h26v5文件覆蓋青海省，收集2000-2015年生長季(6-9月)MODIS16天合成產品，空間分辨率為250 m。利用MRT工具(MODIS Reprojection Tool)將原始數據Sinusoidal投影轉換成WGS84/Albers正軸等面積雙標準緯線圓錐投影。

采用最大合成法[15]MVC(Maximum Value Composites)獲取生長季NDVI數據，如此可最大限度地消除云、大氣、太陽高度角的影響[16]，合成逐年最大值時選取像元可靠性為0和1的數據，得到高質量的NDVI數據集，并利用青海省矢量邊界圖裁剪出2000-2015年逐年最大NDVI柵格圖像，以下NDVI無特殊說明的情況下均為年最大NDVI。

2.2 研究方法

2.2.1趨勢分析 最小二乘法[17]常被用于擬合NDVI隨時間的變化速率。以時間t作為自變量，NDVI 作為因變量y，擬合的直線方程為y=a+bt，b為NDVI隨時間t變化的線性回歸系數。按照最小二乘法分析每個像元內的時間變化特征，當b>0時，NDVI在這16年間的變化趨勢是增加的；反之則是減少。即b的統計學意義是NDVI逐年增加(或減少)一個單位：

式中變量i為1～16的年序號，NDVIi表示第i年的最大化NDVI值。利用NDVI序列和時間序列(年份)的關系來判斷NDVI年際間變化的顯著性，b>0，表示NDVI在這16年間的變化趨勢是上升的,反之則下降。趨勢的顯著性采用F檢驗，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關。統計量計算公式為：

2.2.2變異系數 變異系數(Coefficient of Variation, CV)反映變異程度，廣泛運用于波動水平的分析中[18]，即標準差與平均值的比值。

3 結果與分析

3.1 青海省植物NDVI 的空間格局

青海省地形復雜，區域內局部小氣候差異顯著，植被NDVI空間分布差異較大。從整個區域來看(圖2)，2000-2015年青海省NDVI的平均值為0.364。表現為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征。該分布的決定因素為降水季節特征和地形差異。三江源地區夏季受孟加拉灣西南季風暖濕氣流的影響，加上地形抬升，使得降水充沛；柴達木盆地在暖濕氣流翻越青藏高原腹地到達該地后，水汽大減，加上昆侖山及其支脈的北坡形成下沉氣流，使得該區域氣候干燥少雨，荒漠化現象十分嚴重；環湖地區受青海湖“調節”作用及祁連山地形起伏的影響，形成上升氣流，使該區域降水充沛；東部農業區受海洋季風、地形起伏、人為種植結構的影響，該區域植被長勢好。

不同功能區平均NDVI存在差異(圖3)，東部農業區NDVI最大，達0.619，柴達木盆地最小，僅為0.138。這是因為生長季時期東部農業區種植大面積農作物，致使植被NDVI較大，而柴達木地區受惡劣氣候條件的影響，荒漠化面積巨大，加之人為過度干擾(放牧、城鎮化等)導致該地區長期NDVI處于低值。4個功能區NDVI頻度分布表明(圖4)，東部農業區NDVI多數分布在0.735～0.809之間；柴達木盆地NDVI分布比較集中，波峰范圍為0.048～0.069，這些NDVI低值區主要是盆地內部沙漠分布區，面積大分布廣；三江源地區NDVI頻度分布范圍較廣，呈“M”型的雙峰模型，其中一個波峰約在0.127～0.311范圍內，代表地區為西部高寒荒漠生態系統，另一個介于0.615～0.817之間，代表地區為東部常年森林生態系統，這是因為三江源地區氣候條件優越，大部分地區為生物量較高的高寒草甸，東西兩邊明顯的差異使得三江源地區NDVI頻度分布表現為雙峰模型；環湖地區NDVI頻度分布趨勢與東部農業區類似，但波峰范圍略低，介于0.637～0.761之間，這是因為相對于以高寒草原為主的環湖地區來說，以農田為主的東部農業區NDVI略高。

圖2 青海省植被NDVI的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Qinghai

圖3 2000-2015年各功能區NDVI平均值Fig.3 The average NDVI of functional area from 2000 to 2015

3.2 基于像元的NDVI年際變化特征

3.2.1NDVI時空穩定性分析 2000-2015年NDVI年際間穩定性程度用變異系數CV表示。從圖6和表1可以看出，東部農業區NDVI以高穩定水平面積分布(CV=0～0.054)最大，占植被覆蓋區的38.97%，其次是較低穩定性(CV=0.114～0.520)，較低穩定性分布在湟水河流域和黃河流域兩側，這里受人為因素的影響，波動性較大。柴達木盆地NDVI的穩定性水平以較低穩定性為主，占植被覆蓋區的40.12%，這里氣候條件惡劣，生態環境脆弱，微弱的氣候變化都會使該區域的NDVI發生較大波動。三江源地區NDVI的穩定性水平以中等(CV=0.061～0.114)程度為主，占植被覆蓋區的39.99%，高穩定的地區集中在東南部森林植被類型覆蓋區。環湖地區以較低穩定性分布最廣，占植被覆蓋區的35.96%。青海湖北岸山區穩定性較高，南岸分布一“條帶”狀的穩定性高值區，這一“條帶”狀的地區依托青海湖的旅游業常年種植同一作物油菜，因此，穩定性較高，加上青海湖的水汽調節作用，使得周邊水分條件優于環湖周圍的其他地區。可以看出，青海省穩定性由植被長勢和人類活動共同決定。植被長勢好、草地保護力度大，穩定性則高，如三江源地區東部，有些地區雖然植被長勢好，但人口密度大、種植結構頻繁調整，導致穩定性較差，如東部農業區的河湟谷地。

表1 青海省各功能區穩定性水平面積比例/%Table 1 Classification of volatility level and corresponding proportions of area in functional zone

圖5 各功能區穩定性水平分布Fig.5 The distribution of level of vegetation volatility in functional area

圖6 青海省植被NDVI穩定性空間分布Fig.6 Spatial distribution of vegetation volatility of NDVI in Qinghai

3.2.2NDVI趨勢分析 圖7反映了青海省及各功能區NDVI在2000-2015年間的變化趨勢，圖8反映青海省植被NDVI空間變化。可以看出，在過去16年間青海省變化率為0.012·10a-1，各功能區與其變化趨勢基本一致，均呈現出波動性緩慢上升趨勢，各功能區變化率分別為，三江源地區0.008·10a-1、環湖地區0.018·10a-1、東部農業區0.037·10a-1、柴達木盆地0.015·10a-1，其中東部農業區和柴達木盆地NDVI增加趨勢達到了顯著性水平(P<0.05)。柴達木盆地是青海省重要的經濟開發區，也是我國重點循環經濟試驗區之一，然而生態風險累積和水環境影響尤為突出[19]，在采取防風固沙和水資源保護利用等一系列綜合措施后，該區NDVI得到明顯改善。東部農業區水熱條件匹配好，且處于低海拔地區，植被光合作用和水分利用率均高于其他地區，加之人為有利活動的影響，使該區NDVI處于高值且利好發展。三江源地區NDVI的變化趨勢雖然不顯著，但從圖8可以看出，三江源地區的東北部有明顯的好轉，這部分區域通過植樹造林和退耕還草的方式改善了地表覆蓋狀況，進而提高NDVI。結合圖2和圖8可以看出,環湖地區植被長勢好的地方NDVI在減小，反之好轉，這可能與放牧強度有關，生物量越高意味著更高的載畜量，牧民一味追求牲畜數量，不斷挑戰該地區草地承載力，反而生物量低的地區載畜量低，放牧強度低，加上封育及工程措施使得植被長勢差的地方逐漸趨好。

圖7 2000-2015年植被NDVI年際變化Fig.7 Inter-annual change of NDVI from 2000-1015

圖8 青海省植被NDVI變化率Fig.8 Change rate of NDVI in Qinghai

NDVI的空間變化反映了土地的變化。2000-2015年間青海省NDVI變化趨勢顯著性分析表明(表2)，發生極顯著減少、顯著減少、輕微減少、保持不變、輕微增加、顯著增加和極顯著增加的植被面積分別占全區總面積的0.71%，1.28%，19.90%，3.98%，40.96%，8.88%和6.91%，結合3.2.2分析可知，近16年間青海省植被NDVI整體上呈增加趨勢，其中15.79%的增加趨勢達到顯著。

表2 2000-2015年青海省植被NDVI變化趨勢統計結果Table 2 The statistics of NDVI change trend in Qinghai from 2000 to 2015

從空間分布上看(圖9)，植被NDVI極顯著增加的區域主要分布在東部農業區的川水地區和柴達木盆地邊緣地區。顯著增加的區域廣泛分布在柴達木盆地、東部農業區、青海湖南岸及黃河源頭。極顯著減少和顯著減少的區域分布在長江源區以東、黃河源區以南、瀾滄江源區及環湖地區北部。綜合分析青海省植被NDVI處于整體趨好，局地輕度惡化。

4 討論

NDVI能夠很好的反映植被覆蓋度、生物量和生態系統參數的變化，被認為是監測陸地植被變化的最佳指示因子[18]。

從整個區域來看(圖2)，研究時間段內NDVI的平均值為0.364。表現為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征，這與劉櫟杉[8]的結果一致。NDVI的空間差異主要原因在于，第一：地形影響 祁連山脈位于青海省東北部，西面地勢高，平行嶺谷緊密相間；柴達木盆地位于西北部，周圍有阿爾金山、祁連山、昆侖山環繞；青南高原占據青海省南部的廣大地區，面積近全省的一半，海拔多在5 000 m以上。第二：水熱條件 年降水量由東南向西北逐次減少，柴達木盆地中、西部大部在50 m以下，與之相反的是，該地區熱量條件為全省最高，青南高原和祁連山區為低溫區。第三：青海湖 青海湖作為最大的內陸咸水湖，對周邊生態環境的調節作用不容忽視,前兩點使得柴達木盆地NDVI處于低值。三江源地區東部森林植被豐富，西部高寒荒漠面積大，使得該區NDVI頻度分布呈“M”型的雙峰模式。環湖地區水熱條件匹配較好，NDVI值較高，僅次于東部農業區。

圖9 各顯著水平上NDVI變化率(極顯著P<0.01，顯著P<0.05)Fig.9 Significance test of NDVI trend(Highly significant P<0.01，Significant P<0.05)

從穩定性來看，植被長勢和人類活動共同作用影響著青海省植被的穩定性。東部農業區在湟水河流域和黃河流域兩側有明顯的較低穩定性分布，這可能是人類活動的影響對該區起主要作用，東部農業區氣候條件好，適宜種植的物種多，極有可能是人為改變種植結構造成了穩定性水平較低。靠近青海湖南岸有一“條帶”狀的穩定性高值區，這是因為“條帶”所在區域是每年生長季旅游觀光的圣地，常年種植油菜花供游客賞玩，人為種植單一物種使得該區域穩定性較高。三江源地區東部植被長勢好，且受相關保護政策，比如禁牧和休牧等措施，穩定性較高，然而，三江源地區中部和西部大范圍地區由于氣候條件惡劣，人為活動(如放牧、采藥)影響,處于非常脆弱的狀態，穩定性較低。

從時間變化趨勢上看，青海省植被NDVI整體趨好，局地輕度惡化。尤其以柴達木盆地邊緣和東部農業區淺山、川水地區趨好較明顯，這與之前的結果相似[11]。三江源地區植被呈改善趨勢，其中東南部改善較為緩慢，這與先前的[20-21]的研究一致，但西北部改善及長江源區以東和瀾滄江源區的零散退化區尚未提及。這可能與時間序列、數據獲取和實驗手段的差異有關。環湖地區植被好轉，變化率僅次于東部農業區，這可能得益于該區氣候變暖和春秋冬降水量增多[10]，值得一提的是，環湖地區南部的共和盆地NDVI趨于好轉，這與該地區實施優化牲畜結構、生態移民等一系列工程措施密不可分，然而從該地區穩定性來看依然處于劣勢，因此，遏制共和盆地沙漠化任重道遠。

青海省植被生長對氣候因子的依賴性強，從空間分布特征便可得知氣候優劣(圖2)，然而人類活動逐漸的消弱了這種依賴性，如東部農業區中部、柴達木盆地東部、環湖地區西部、三江源地區東北部植被逐漸趨好(圖8、9)，東部農業區的NDVI增長最快，不同于其他3個功能區，該區實施退耕還林、退牧還草、封育等一系列生態恢復工程措施的力度大、效果好。在本文中僅分析4個功能區，雖然它們有各自不同的優勢生態系統，但并不單一，沒有考慮不同生態系統下的NDVI變化特征；另外，未能將人類活動對不同功能區的影響量化，后期將從這兩點出發在以后的研究中應予以思考和分析。

5 結論

本文基于MODIS NDVI遙感數據，通過趨勢分析和穩定性分析，揭示了2000-2015年青海省各功能區逐像元尺度植被NDVI時空變化規律，結論如下：2000-2015年青海省年最大NDVI的平均值為0.364，表現為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征。除三江源地區NDVI頻度分布表現為雙峰外，其余3個功能區均表現為單峰，由大到小依次為東部農業區、環湖地區、柴達木盆地；各功能區穩定性均有差異，其中東部農業區最大，柴達木盆地最低；過去16年間，植被NDVI極顯著增加的區域主要分布在東部農業區的川水地區和柴達木盆地邊緣地區。