甘肅中東部植被時空變化及其對坡度的響應

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(1.甘肅農業大學 資源與環境學院，蘭州 730070；2.甘肅農業大學 管理學院，蘭州 730070)

0 引言

良好生態環境的稀缺是目前全球關注的一大熱點問題[1]。植被作為陸地生態系統中的敏感成員，其覆蓋情況表征著區域生態環境狀況[2-3]，覆蓋變化情況也可反映區域生態保護與修復工程的治理效果[4-5]。目前生態保護與修復工程治理效果方面的研究主要集中在對于土壤微生物的改善[6-7]、針對特殊區域的生態效益評價[8-10]、實施現狀及問題分析[11]。定量指標歸一化植被指數(normalized differential vegetation index，NDVI)與植被覆蓋之間呈正相關關系[12-14]。因此，可引入NDVI來探究生態保護與修復工程背景下植被覆蓋變化情況，從而實現生態保護與修復工程對生態環境影響的初步探究。NDVI的應用研究主要集中在區域植被覆蓋變化評價及驅動力分析方面[15-17]和項目區單一對象的變化研究方面[18-20]。基于生態保護與修復工程背景，對植被覆蓋變化進行的研究鮮有涉及。

鑒于黃土高原地區是全國生態環境最為脆弱、水土流失最為嚴重、生態治理最受關注的地區之一[2]。其植被覆蓋改善狀況備受關注。甘肅中東部黃土高原地區多種生態工程治理多年，近幾年該區域植被覆蓋變化鮮有研究。因此，本文擬選擇2008—2017年為研究時段，采用MOD09Q1數據，運用MRT(MODIS reprojection tool)工具對研究時段內的數據進行相應的處理，基于ENVI Classic 5.3+IDL 8.5與ArcGIS 10.2平臺計算獲取研究時段內的NDVI，研究多種生態保護與修復工程實施對植被覆蓋的影響，從而分析其生態環境變化狀況，以實現對黃土高原區域生態保護與修復工程治理效果的定性分析，并進一步指導生態環境恢復。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

本研究選取的區域為甘肅省中東部的定西市、天水市、平涼市和慶陽市4個市區，其地理位置區位圖如圖1所示。平涼市與慶陽市屬于隴東地區，定西市屬于隴中地區，天水市屬于隴南山地。隴東地區生態環境十分脆弱，耕地面積分布雖廣，但多為旱作坡耕地，河谷川臺地和溝壩地。定西市屬于甘肅中部偏南地處黃土高原西部邊緣地帶和西秦嶺末端。天水市位于祁連與北秦嶺兩大造山帶共同作用的交叉大地構造帶，構造帶作用的結果是形成了本區向斜構造以及斷陷谷地。研究區均屬于典型的黃土高原丘陵溝壑區，黃土梁峁與黃土塬分布較廣，由于黃土高原地區的氣候、植被與降水均呈現出自東南至西北地帶性分異的規律，土壤干化程度也自東南至西北呈現出逐漸加重的趨勢。自1999年區域內實施的退耕還林還草工程使區域內植被覆蓋相應增加，生態環境得到極大改善以來，東部百萬畝土地整治、山水林田湖、中西部精準扶貧土地整治等旨在改善區域生態環境、提高人民生活水平的重大生態保護與修復工程陸續開展。

圖1 地理位置區位圖

1.2 數據來源與預處理

本研究中2008—2017年的MODIS數據產品MOD09Q1由美國LP DAAC(Land Process Distributed Active Archive Center，U.S.A)提供，采用美國USGS EROS數據中心開發的MRT軟件完成對影像波段子集(第1、第2波段)的格式轉換、投影轉換以及重采樣。DEM數據是ASTER GDEM V2 30 m分辨率數字高程，來源于美國地質勘探局。

MOD09Q1產品是全球250 m地表反射率8天合成的3級產品。本研究基于ENVI Classic 5.3+IDL 8.5與ArcGIS 10.2平臺，計算得到每一期影像的NDVI數據，采用ENVI插件小熊工具箱V3.0批量裁剪出研究區，并結合MRT實現數據的批處理。由于時序數據會受到氣溶膠、太陽光照角度以及傳感器觀測角度等的影響，會出現異常值，產生噪聲等情況，故對其進行濾波處理。本研究采用最小二乘法對NDVI數據進行濾波，即S-G(savitzky-colay)濾波，它用最小二乘卷積擬合來平滑和計算一組相鄰值或光譜值的導數，其設計思想是找到合適的濾波系數以保護高階距，即在對基礎函數進行近似時，使用高階多項式，實現滑動窗內的最小二乘法擬合[21-22]。采用最大值合成法合成得到月度NDVI數據[24]。

1.3 研究方法

1)最大值合成法。本研究采用最大值合成法MVC(maximum value composites，MVC)獲取3—11月份的月NDVI最大值，可以有效減少大氣中來自云、氣溶膠、云陰影、傳感器觀測視角以及太陽高度角的影響。具體公式為：

MaxNDVIi=MaxNDVI1，NDVI2，NDVI3，NDVI4

(1)

式中：MaxNDVIi表示月NDVI最大值；i表示月份，取值為3～11；NDVI1、NDVI2、NDVI3、NDVI4、分別表示相應月份內8天合成的原始影像預處理后的NDVI值。

2)Savtzky-Golay濾波法。Savtzky-Golay濾波法是由Savitzky、Golay提出的一種用于平滑時間序列數據的基于最小二乘的卷積算法[23]。它用一定長度的過濾器和待處理數據做卷積，對待處理的數據作加權多項式擬合，擬合的目標是求得最小均方根誤差，而一些遠離大多數點的邊緣點不會參與擬合。這樣擬合時過于偏離正常生長趨勢線的噪聲部分會被丟棄。其基本公式為：

(2)

式中：Y、Y*分別表示原始及平滑后的NDVI數值；Ci為S-G多項式擬合的系數，表示從濾波器首部開始的第i個NDVI值的權重；N為濾波器的長度，其大小等于2m+1。

3)趨勢分析法。趨勢分析法[24]是指用一元線性回歸分析的方法對區域內植被指數在時間尺度上的變化趨勢和其強度進行分析。其中，回歸方程的斜率slope代表研究時段內每個柵格點植被指數的變化趨勢。若slope>0，代表該柵格內植被狀況有改善，且數值越大說明改善效果越明顯；若slope<0，則表明該柵格內植被狀況變差；若slope=0，則表示區域內植被狀況無變化。

(3)

式中：slope是趨勢線的斜率；n是時間序列的長度，本研究中為10年(2008—2017年)；i是第i年；NDVIi是第i年春夏秋NDVI值(3—11月)。

2 結果與分析

2.1 甘肅中東部2008—2017年植被時空變化特征

1)甘肅中東部2008—2017年植被時間變化特征。本研究基于MOD09Q1產品的第1波段(Red，620～670 nm)和第2波段(NIR，841～876 nm)計算8天合成的地表反射率得到8天時長的NDVI數據，采用最大值合成法進行月度NDVI值合成(3—11月)，再運用月度NDVI值求取2008—2017年年際NDVI均值變化，如圖2(a)所示。同理，分別求取2008—2017年春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)NDVI均值變化，如圖2(b)所示。

圖2 甘肅中東部2008—2017年NDVI年際與季度變化圖

由圖2可知，總體上年際與季度NDVI均值均呈現出增加趨勢，且以0.001 3/年的速率增加，2012年是一個明顯的突變點。季度NDVI則顯示出夏季NDVI>秋季NDVI>春季NDVI。

2008—2011年，圖2(a)中顯示年際NDVI均值變化相對穩定，圖2(b)中顯示春夏兩季NDVI均值呈現出下降的趨勢，但秋季NDVI均值則是上升的。研究區屬于典型的黃土丘陵溝壑區，水土流失嚴重，是生態工程實施的重點區域。2008—2011年全省退耕還林還草面積保存率與管護率均在99%以上，種植業內部糧經飼結構比例由退耕前的73∶12∶15調整至60∶15∶25，廣種薄收的觀念得到改觀，以苜蓿為主的飼草作物多種植在夏季，于秋季長勢凸顯，對區域NDVI貢獻較大。2011—2012年，年際NDVI變化最大，達到了0.021 3，春夏兩季NDVI也顯著增加，而秋季NDVI則減少。這說明近年來2011年的最大退耕還林還草面積于2012年成效顯著，2008年以來開展的土地整治，特別注重旨在提高適宜耕作區土地生產力的黃土高原地區旱坡地的整理，其在滯后期兩年后成效凸顯，土地生產力提高，秋季糧食作物收割后導致秋季NDVI稍有下降。

2012—2015年，圖2(a)中顯示年際NDVI快速上升，2013年達到最高后保持基本穩定。圖2(b)中顯示季度NDVI有所波動，2013年后秋季NDVI 有所下降。2013年研究區內的土地整治首先針對黃土梁峁與黃土塬區嚴重的水土流失進行治理，截止2015年共實施了57個土地整治自項目，土地生產力顯著提高，收入顯著提高。2014與2015年開展的新一輪退耕還林還草注重林果業特色經濟的發展，導致NDVI變化相對穩定。2015—2017年，圖2(a)中顯示年際NDVI回升，圖2(b)中顯示春夏兩季NDVI均值是下降的，但秋季NDVI均值是上升的。這說明新一輪退耕還林還草更注重生態效益與經濟效益兼優，實施成效顯著，各地充分認識到山水林田湖生態保護與修復的重要性與迫切性，生態環境明顯改善。

2)甘肅中東部2008—2017年植被空間變化特征。基于ENVI 5.3平臺，基于band-math與趨勢分析模型，對2008—2017年甘肅中東部的植被的空間變化情況進行分析，具體變化如圖3所示。

圖3 甘肅中東部2008—2017年NDVI空間變化及變化趨勢圖

由圖3(a)2008—2017年NDVI空間變化圖可知，隴東地區NDVI明顯增加，植被覆蓋情況明顯改善，尤其以黃土梁峁區最明顯；天水南部、定西西部以及平涼西北部NDVI變化較小，植被狀況改善較少，天水最南端呈現出負增加，植被覆蓋相應減少。由圖3(b)2008—2017年slope圖可知，slope值介于-0.038 7～0.030 2之間，依據羅敏等人的劃分依據[25]，說明區域內植被變化相對穩定，并未出現退化現象。slope值比較高的區域分布在研究區內的低山丘陵(黃土梁峁)以及平原地區(沖積洪積平原)，說明這些地區NDVI上升、植被覆蓋相應增加，植被狀況明顯改善。slope值比較低甚至為負值的區域主要分布在隴東地區南部的黃土塬、定西與天水交界處以及定西西北角處的中起伏山地，說明這些區域NDVI稍有下降趨勢，植被覆蓋減少，可歸因于退耕還林還草工程導致的土壤干層致使部分植被死亡。統計顯示并無slope為0值的區域。

為進一步分析研究NDVI年度空間變化情況，基于ENVI 5.3計算得到2008—2017年NDVI空間上的年度變化情況如圖4所示。總體來說，NDVI年度空間變化始于研究區東部的黃土梁峁區，逐漸轉向整個研究區。但期間有不同程度的小幅下降情況，這說明已實施的生態保護與修復工程并未形成一套系統完整的體系，客觀上出現了各自為戰的情況，整體實施成效不太理想。近年來總結經驗，以習近平總書記提出的山水林田湖生命共同體為指引，實現區域植被覆蓋增加，生態環境全面改善與修復。

由圖4可知，前三年NDVI變化均為正值且變化量較大的區域主要集中慶陽市北部與平涼市中部的黃土梁峁區，慶陽市的黃土塬區，其植被覆蓋明顯增加。2011—2012年是NDVI年際變化最大的時段，由其空間變化圖可以看出NDVI的變化量主要歸因于黃土梁峁、黃土塬以及少部分低山丘陵。2013年開始注重改善定西市與天水市周邊的山地。截止2016年，整個研究區內植被狀況明顯改善，較2015年其最大變化值達到了0.463 9，NDVI變化高值區分布普遍較廣，這主要歸因于注重系統內部有機聯系的山水林田湖生態保護與修復工程的實施。2017年定西市NDVI變化相對較大，這與涉及到研究區內定西市的甘肅省中西部精準扶貧土地整治重大工程項目緊密相關，區域內植被覆蓋增加，生態環境明顯改善。

圖4 甘肅中東部2008—2017年NDVI年度空間變化圖

2.2 甘肅中東部2008—2017年年際NDVI對坡度的響應分析

為探究生態保護與修復工程實施情況下坡度對NDVI的影響，本研究依據研究區內兩大主要的生態保護與修復工程——土地整治與退耕還林還草實施中針對不同坡度所采取的不同措施，將坡度分為6°以下，6°～15°，15°～25°，25°～35°和35°以上共1～5五級。首先基于ArcGIS 10.2，根據研究區DEM數據計算得到研究區的坡度圖如圖5所示，再對坡度圖進行重分類、柵格轉面以及合并等得到不同等級坡度下的矢量圖，統計得到不同等級坡度區間內2008—2017年的NDVI變化情況如圖6所示。

圖5 甘肅中東部地區坡度圖

圖6 甘肅中東部2008—2017年不同坡度等級下NDVI年度變化圖

從坡度圖中可以得到1～5級坡度分別占研究區的16.79%，40.48%，32.34%，90.5%，1.35%。結合圖5與圖6可知，年度NDVI均值變化趨勢基本一致，態勢良好并于2013年后趨于穩定。其中變化較大的區間為是25°～35°和35°以上，黃土丘陵溝壑區的退耕區主要在25°以上的坡耕地，且區域內該類坡耕地資源豐富。2011年以來NDVI均值明顯上升，2013年達到最大，生態效益顯著，可主要歸功于2011年大面積的退耕還林還草于2012及2013年有所成效。2014年基于前一階段顯著的生態效益，開展了新一輪的退耕還林還草，大力發展生態效益與經濟效益兼優的特色林果業，并優先安排生態區位重要、生態環境相對脆弱地區。同時進一步加強退耕地保護，退耕經營權適度流轉，使得2014年以來該區間上的NDVI變化相對穩定。

15°～25°區間內既包含了重要水源地坡耕地中的非基本農田區域退耕，也包含了土地整治中對該區域內的土地進行土地整治，尤其以坡改梯為主，水土流失治理成效顯著，土地生產力提高。6°以下和6°～15°為土地整治的主要區域，6°以下一般對環境的擾動不大，并且道路的修整、灌排設施的進一步完善以及農田防護林的建設使得農業耕種及生產相對提高，作物生長季間對區域NDVI的貢獻加大，從而使得區域NDVI有所提高。6°～15°區間內的土地整治均會或多或少對環境有所影響，該部分區域整治前多以坡耕地為主，沙化土地較多，土地生產力相對低下，故2010年以前其NDVI均值低于6°以下的區域，之后增加并一直高于6°以下區域的NDVI值。

3 結束語

甘肅中東部地區地處黃土丘陵溝壑區，生態環境相對脆弱，水土流失嚴重，嚴重影響區域經濟發展，故對于其生態環境的治理顯得尤為重要。趙安周等人基于GIMMS NDVI 3 g數據研究得到大規模的生態工程建設對區域研究時段內的生長季NDVI增加有重要影響[4]。石玉瓊等人利用MODIS NDVI數據研究得到榆林地區植被覆蓋狀況總體得到改善，7°～35°坡度上植被明顯改善的面積達 51%以上，退耕還林還草取得了明顯的效果[26]。

秦國玲通過對土地整治前后NDVI的變化研究得到土地整治能使區域NDVI變化趨于穩定[8]。以上均可說明大型生態工程對NDVI均會產生或多或少的影響，對于甘肅中東部的黃土丘陵溝壑區，經濟發展相對落后可歸因于其廣泛分布的坡耕地，且坡度較大，土地生產力不高，土地整治與退耕還林還草等工程的實施，一方面可在一定程度上改變由大量分布的坡耕地所導致的經濟落后現象，提高土地生產力，改善人民生活；另一方面也可使得區域植被指數增加，并使之區域穩定，明顯改善區域生態環境，加快國家生態安全屏障建設。

從時間層面上來說，2008—2017年NDVI呈現出增加趨勢，且以0.001 3/年的速率增加，2012年為一個明顯的突變點；從空間層面上來說，2008—2017年NDVI空間變化圖與slope圖均顯示區域內低山丘陵區以及沖積平原區NDVI明顯增加，植被覆蓋狀況明顯改善；部分中起伏山地植被覆蓋出現減少的現象。年度空間變化顯示期間NDVI有不同程度的下降，但后期避免了客觀上存在的各自為戰情況的出現，加之管護力度的加大，植被覆蓋回升并有所增加，生態環境得到明顯改善。不同坡度等級下，NDVI年際變化趨勢基本一致并于2013年后趨于穩定。6°以下區域多以土地平整，完善灌排設施、田間道路修整為主；6°～15°區域為土地整治重點區域，且整治前多以坡耕地、沙化土地為主，整治后土地在生產力顯著提高。15°～25°區域既有坡耕地中非基本農田的退耕也有坡改梯，水土流失治理成效顯著。變化較大的區25°～35°和35°以上區域以退耕為主，以營造水土保持林為目標，利用區域資源優勢，發展特色經濟。

本研究在生態保護與修復工程背景下，對甘肅中東部區域NDVI進行的探究可為甘肅省農業產量提高，農民脫貧致富提供相應的理論依據,也可為改善工程區生態面貌和加快國家生態安全屏障建設提供參考。本研究只針對多種生態修復工程背景下的NDVI時空變化及其對坡度的響應進行了分析，對于氣溫降水等氣候因子變化對區域NDVI的影響并未涉及，在后續工作中將進行進一步分析研究。