2011—2020年寧夏植被覆蓋時空變化分析

李存厚，馮克鵬,2,3

(1.寧夏大學土木與水利工程學院,銀川 750001；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,銀川 750021)

0 引 言

植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其作用不僅體現(xiàn)在通過光合作用釋放氧氣，還能調(diào)節(jié)生物圈中的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，并影響土壤特性、提供棲息地、涵養(yǎng)水資源。同時，植被的年際和年內(nèi)變化都比較顯著，在全球變化研究中起到了“指示器”的作用[1]。因此，對植被生長和覆蓋狀況進行動態(tài)監(jiān)測已成為全球變化領(lǐng)域的研究熱點[2-5]。

現(xiàn)階段，植被覆蓋監(jiān)測方法已由傳統(tǒng)的地面測量轉(zhuǎn)向利用遙感數(shù)據(jù)進行大規(guī)模反演。自1972年以來，科研人員就試圖通過植物的光譜特性來監(jiān)測其生長狀態(tài)。結(jié)果表明，將可見光和近紅外波段進行組合得到的各種植被指數(shù)能夠定性、定量地評價植被覆蓋及其生長情況[6-7]。在多種植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)因其與植被覆蓋呈明顯線性相關(guān)，成為反映植被覆蓋狀況的最佳指標因子，得到了廣泛應(yīng)用[8-12]。與傳統(tǒng)地面測量相比，借助遙感技術(shù)能夠快速完成大尺度空間范圍、長時間序列的植被變化動態(tài)監(jiān)測，但在以往研究中對于遙感數(shù)據(jù)的獲取、儲存、預(yù)處理等工作依然要消耗研究人員大量的時間和精力。為了能有效地利用海量遙感數(shù)據(jù)，同時讓研究人員從繁瑣的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理工作中抽身，更加專注于科學問題本身，2011年谷歌公司主導(dǎo)開發(fā)出GEE(Google earth engine)平臺。借助GEE平臺，科研人員可以在線處理全球尺度的遙感數(shù)據(jù)和其它對地觀測資料，從而避免了繁瑣的預(yù)處理步驟，從根本上解決了現(xiàn)有存儲能力和處理算法不能高效利用海量遙感數(shù)據(jù)的問題，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)情評估、土地利用/土地覆被變化、 地表水體及植被變化等領(lǐng)域[13-17]。

寧夏回族自治區(qū)(簡稱寧夏)地處西北內(nèi)陸，屬于典型的溫帶大陸性氣候，東、西、北三面被沙漠包圍，是全國荒漠化最嚴重的省區(qū)之一。寧夏工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟、人口的核心區(qū)域都在北部，分布在黃河沿線,在沙漠環(huán)伺的微小銀川平原，依賴黃河水形成了一塊綠洲。整個寧夏地處我國干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)的過渡帶，屬于“荒漠生態(tài)，綠洲經(jīng)濟”，生態(tài)環(huán)境脆弱。因此，該地區(qū)的植被覆蓋狀況也受到了極大關(guān)注。顏長珍等[18]結(jié)合RS技術(shù)與GIS技術(shù)處理TM影像，得出了寧夏草地覆蓋情況及空間分布特征。喬鋒等[19]基于2個時相的TM影像數(shù)據(jù)，以NDVI為參數(shù)構(gòu)建像元分解模型對鹽池縣植被覆蓋度的動態(tài)變化展開研究。黃悅悅等[20]以MOD13Q1植被指數(shù)產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源反演了寧夏植被的動態(tài)變化特征，結(jié)果表明2000—2016年寧夏植被覆蓋總體呈增加趨勢。在以往研究中，基于本地平臺下載和處理遙感影像數(shù)據(jù)的效率低，廣泛采用的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品空間分辨率較低，受數(shù)據(jù)獲取方式所限往往只能選擇云層覆蓋較少的特定時期遙感影像數(shù)據(jù)，不能快捷、連續(xù)、全面地揭示寧夏植被時空變化特征以及可持續(xù)演變分析。

本文基于GEE平臺和30 m空間分辨率Landsat長時間序列數(shù)據(jù)，以NDVI作為衡量植被覆蓋的指標，研究近10 a寧夏植被覆蓋的動態(tài)變化并分析其可持續(xù)趨勢，以期為寧夏植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境政策的制定提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏位于我國西北部的黃河中上游地區(qū)，介于35 14′～39 23′N和104 17′～107 39′E之間，總面積6.64萬km2。全境高程在1 000.00 m以上，地勢南高北低。寧夏南部的六盤山平均海拔在2 500.00 m以上，最高峰2 942.00 m；北部是地勢平坦的銀川平原；西北部的賀蘭山是天然的綠色屏障，最高峰3 556.00 m。 由于地勢落差較大，不同地區(qū)之間的氣候條件也一定差異。各地年平均氣溫5.6～10.1 ℃，由南向北遞增；年降水量在167.2～618.3 mm之間，由南向北遞減。從小空間尺度來看，根據(jù)寧夏自然地理的特點，可將整個地區(qū)分為3個子區(qū)。北部引黃灌區(qū)屬于氣候干旱區(qū)，雖有黃河過境，灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達，歷史悠久，但仍屬于“沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)”的典型綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)；中部干旱帶則屬于先天性缺水地帶；南部山區(qū)為黃土丘陵和六盤山山地，水土流失嚴重，自然災(zāi)害多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)低效且不穩(wěn)定(圖1)。寧夏深居西北內(nèi)陸，大氣降水較為貧乏，但年均水面蒸發(fā)量為1 250 mm，因而成為我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。自然植被類型主要有草原、森林、灌叢、濕地等，此外還有大量的栽培植被。南部的六盤山區(qū)分布著廣袤的森林；中部干旱帶栽培植被和碎塊草原交錯分布，還集中了全區(qū)大部分荒漠；北部引黃灌區(qū)以栽培植被為主，賀蘭山區(qū)森林資源也比較豐富。

圖1 寧夏高程及地理分區(qū)圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文通過GEE平臺調(diào)用了2011—2020年覆蓋寧夏的Landsat 5，7，8衛(wèi)星地表反射率產(chǎn)品(Landsat SR)數(shù)據(jù)共2069景。GEE云端存檔的Landsat SR數(shù)據(jù)都已經(jīng)過幾何校正和大氣校正，通過對其行時空篩選、去云處理并構(gòu)建歸一化函數(shù)，即可用于計算研究區(qū)NDVI，計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中:NIR表示近紅外波段；R表示紅光波段；NDVI∈[-1,1]。

GEE平臺中Landsat5，7，8衛(wèi)星地表反射率產(chǎn)品的相關(guān)信息如表1所示。

表1 GEE平臺中Landsat SR數(shù)據(jù)的相關(guān)信息表

2.2 方 法

覆蓋面積較廣的衛(wèi)星遙感影像普遍受到云層的干擾，最大值合成法可在一定程度上削弱云層對影像的影響[21]。經(jīng)過最大值合成法處理的NDVI能夠很好地反映出研究時段內(nèi)植被長勢的最高水平，還可有效降低植被物候引起的干擾。故本文基于GEE平臺生成了2011—2020年每年的最大值合成NDVI數(shù)據(jù)，再取其像元平均值以代表該年寧夏植被覆蓋狀態(tài)。為了詳細地描述寧夏植被NDVI在空間上的分布及變化特征，根據(jù)研究區(qū)植被特點，本文將NDVI分成5個等級：NDVI≤0.2(低覆蓋區(qū))、0.20.65(高覆蓋區(qū))。

2.2.1變化趨勢分析

本文采用一元線性回歸分析法在像元尺度計算NDVI年際變化趨勢，以線性回歸方程的斜率slope表征寧夏植被的年際變化趨勢。計算公式如下：

(2)

式中:slope為NDVI變化斜率，n為年數(shù)，m為年份序號，NDVIm為第m年NDVI值。slope>0，表示NDVI隨時間增大；slope<0，表示NDVI隨時間減小；slope=0，表示NDVI隨時間變化不明顯。

2.2.2持續(xù)性分析

Hurst指數(shù)最早由英國水文學家Hurst[22]提出并應(yīng)用于河流水文要素的長期觀測，近年來也廣泛被應(yīng)用于植被NDVI的未來趨勢預(yù)測[23-24]，已成為描述自相似性及長期依賴性現(xiàn)象的有效方法[25]。本文通過R/S分析法計算Hurst指數(shù)實現(xiàn)NDVI變化趨勢的預(yù)測。

對長時間序列NDVIi(i=1,2,3,…,n)，構(gòu)造任一子序列m：

(1) 計算差分序列

ΔNDVIi=NDVIi-NDVIi-1

(3)

(2) 計算均值序列

(4)

(3) 求累計離差

(5)

(4) 計算極差

(6)

(5) 計算標準差

(m=1,2,3,…,n)

(7)

對于比值R(m)/S(m)≌R/S，若有R/S∝mH，則存在Hurst現(xiàn)象。H值為Hurst指數(shù)，H>0.5，表示NDVI具有持續(xù)性；H<0.5，表示NDVI具有反持續(xù)性；H=0.5，表示NDVI變化趨勢不具有長期規(guī)律性。

2.2.3植被NDVI改善或退化的判定

根據(jù)公式(2)計算寧夏2011—2020年的NDVI線性變化趨勢，趨勢率為正，表示植被NDVI增加，植被得到了改善；反之，表示NDVI減少，植被有退化趨勢。參考前人有關(guān)研究[26]，結(jié)合逐像元NDVI趨勢率及顯著性檢驗結(jié)果，將NDVI的變化趨勢分成6個等級，即極顯著改善、顯著改善、不顯著改善、極顯著退化、顯著退化和不顯著退化,NDVI變化程度分級見表2。

表2 NDVI變化程度分級表

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI年際變化

2011—2020年寧夏植被年平均NDVI值如圖2所示。可以看出，近10 a植被NDVI平均值為0.399，各年植被NDVI平均值在0.332～0.462之間波動并逐漸增大。寧夏植被NDVI在2011年和 2020年的年均值分別為0.332和0.426，10 a間增大了0.094，增長率達到28.31%，經(jīng)歷了兩個明顯先增大后減小的波動過程。兩個過程中峰值所對應(yīng)的年份分別為2013年和2018年，其中2018年的植被NDVI年均值也是10 a中的最大值，表明寧夏植被覆蓋在該年份達到近10年最好水平。在2017年以前，各年植被NDVI平均值大都低于多年平均值；但自2017年起，各年植被NDVI平均值連續(xù)4 a都高于多年平均。線性擬合的結(jié)果表明，2011—2020年寧夏植被NDVI年均值以0.0106/a的速率呈現(xiàn)出顯著增大趨勢(P<0.01)，表明近年來寧夏植被覆蓋狀況整體向好。

圖2 寧夏植被年平均NDVI變化趨勢圖

3.2 植被覆蓋空間變化

按照5個植被覆蓋等級將NDVI柵格數(shù)據(jù)進行重分類，得到2011—2020年寧夏不同等級植被覆蓋空間分布,具體見圖3。同時統(tǒng)計5種覆蓋區(qū)占研究區(qū)總面積的比例，得到2011—2020年寧夏植被覆蓋分級占比，具體見圖4。

圖3 2011—2020年寧夏植被NDVI空間分布圖

圖4 2011—2020年寧夏植被各覆蓋區(qū)占比變化圖

從圖3～4可以看出，2011—2020年寧夏中低覆蓋區(qū)所占面積最大，各年占比都超過了30%，2011年更是高達39.83%，主要分布于中部干旱帶、賀蘭山東麓和城市建成區(qū)。低覆蓋區(qū)所占面積總體上呈現(xiàn)出減小趨勢，由2011年的25.11%波動減小至2020年的16.51%，主要分布于中部干旱帶、石嘴山市北部。中覆蓋區(qū)所占面積基本保持不變，主要分布于中部干旱帶和南部山區(qū)的交匯過渡地帶以及寧夏東部地區(qū)。中高覆蓋區(qū)所占面積最小，除2017年和2018年外各年占比都在15%以下，主要分布于南部山區(qū)。高覆蓋區(qū)所占面積明顯增大，由2011年的8.82%增大至2020年的22.14%，特別是自2018年起連續(xù)3 a占比超過20%，表明近年來寧夏生態(tài)環(huán)境保護工作成效顯著，高覆蓋區(qū)主要分布于六盤山區(qū)、黃河兩岸以及北部引黃灌區(qū)。

3.3 植被改善和退化分析

為了進一步探究近10 a寧夏植被覆蓋的變化情況，統(tǒng)計出改善和退化區(qū)域的空間分布及占研究區(qū)總面積的比例,分別見圖5和表3。可以看出，近10 a寧夏全域有86.22%的地區(qū)植被覆蓋呈改善趨勢。其中，極顯著改善區(qū)域占11.56%，主要集中于鹽池縣中部、固原市東部及黃河沿岸地區(qū)；顯著改善區(qū)域占16%，一部分集中于海原縣和同心縣，其余大多散布在極顯著改善區(qū)域周圍；不顯著改善區(qū)域占比最大，為58.67%，主要分布于中部干旱帶。極顯著退化和顯著退化區(qū)域占比極小，分別為0.46%和0.81%，主要集中于銀川、吳忠、中衛(wèi)等地市的建成區(qū)。不顯著退化區(qū)域占12.50%，主要分布于引黃灌區(qū)和中部干旱帶的交匯過渡地帶。植被覆蓋的改善和退化通常會受到氣候變化和人類活動的雙重影響[27]，黃悅悅等[20]通過相關(guān)性分析法、殘差分析法探究了2000—2016年寧夏植被覆蓋變化的驅(qū)動力，結(jié)果表明：寧夏植被改善主要受溫度和濕潤指數(shù)整體增加影響，與氣溫的相關(guān)性不高；人類活動對寧夏植被產(chǎn)生正干擾的區(qū)域占全區(qū)的42.19%，也是植被改善的重要原因；同時植被退化多由城鎮(zhèn)擴張引起。

圖5 2011—2020年寧夏NDVI變化趨勢分布圖

表3 NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計表

3.4 植被覆蓋變化的持續(xù)性

本文采用R/S計算出2011—2020年寧夏植被Hurst指數(shù)分布，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，寧夏植被NDVI的Hurst指數(shù)在0.1056～1均有分布，Hurst<0.5的區(qū)域占28.05%，Hurst>0.5的區(qū)域占71.95%，說明寧夏植被NDVI的持續(xù)性較強。將Hurst指數(shù)與寧夏植被變化趨勢疊加分析，預(yù)測出植被覆蓋的未來趨勢見圖7。未來寧夏有高達71.17%的區(qū)域植被覆蓋保持基本不變，空間分布表現(xiàn)為中部干旱帶>南部山區(qū)>北部引黃灌區(qū) 。植被覆蓋持續(xù)改善的區(qū)域占20.49%，主要分布于引黃灌區(qū)和固原市東部，表明這些地區(qū)的植被覆蓋狀況將持續(xù)向好。植被覆蓋反持續(xù)改善的區(qū)域占7.07%，主要分布于中部干旱帶的東西兩側(cè)，表明這些地區(qū)的植被可能會呈現(xiàn)較弱的退化趨勢。植被覆蓋持續(xù)退化的區(qū)域占1.04%，零星的分布于城市建成區(qū)，也表明隨著城市化進程的推進，城市周邊以及城市內(nèi)部的植被可能會被建筑用地侵占。植被覆蓋反持續(xù)退化的區(qū)域僅占0.24%，沒有明顯的分布規(guī)律。

圖6 2011—2020年寧夏植被Hurst指數(shù)分布圖

圖7 寧夏植被覆蓋未來趨勢預(yù)測圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

從時間上看，采用年最大值合成法處理NDVI并求出其像元平均值，結(jié)果表明2011—2020年寧夏植被年平均NDVI值在0.332～0.462之間波動并逐漸增大，增速為0.0106/a，且p<0.01。

從空間上看，2011—2020年寧夏植被低覆蓋區(qū)和中低覆蓋區(qū)總體約占全區(qū)總面積的50%，主要分布于中部干旱帶并呈現(xiàn)出減小趨勢；中覆蓋區(qū)主要分布于中部干旱帶和南部山區(qū)的交匯過渡地帶，所占面積基本保持不變；高覆蓋區(qū)和中高覆蓋區(qū)主要分布于引黃灌區(qū)和南部山區(qū)，近10 a來所占面積明顯增大。

2011—2020年寧夏有86.22%的區(qū)域植被覆蓋得到改善，其中極顯著改善占寧夏總面積的11.56%，顯著改善占16%，不顯著改善占58.67%；同時僅有1.27%的區(qū)域植被覆蓋呈極顯著、顯著退化，充分表明近年來自治區(qū)貫徹落實各項生態(tài)保護政策收效顯著。

未來寧夏植被覆蓋狀況以基本不變?yōu)橹鳎既珔^(qū)總面積的71.17%。同時有20.49%的區(qū)域植被覆蓋狀況將持續(xù)改善，有7.07%的區(qū)域植被覆蓋狀況可能由改善轉(zhuǎn)為退化，植被覆蓋狀況呈持續(xù)、反持續(xù)退化的區(qū)域占比較小，分別為1.04%和0.24%。

綜上，建議繼續(xù)在寧夏推行退耕還林還草以及禁牧政策，在北部引黃灌區(qū)和中部干旱帶的交匯過渡地帶實施有針對性的生態(tài)建設(shè)工程，如人工造林、防風固沙、水資源保護等，同時在城鎮(zhèn)化過程中盡量減少對植被的侵占、提高城市綠化水平，切實踐行“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷。

4.2 討 論

總體而言，近10 a來寧夏植被覆蓋狀況呈改善趨勢，空間分布上表現(xiàn)為引黃灌區(qū)和南部山區(qū)的植被覆蓋狀況好于中部干旱區(qū)，這與以往研究結(jié)果保持一致[28-29],也表明寧夏自2000年開始實施的退耕還林工程取得了良好的生態(tài)效益。同時，寧夏植被覆蓋狀況呈極顯著、顯著退化的區(qū)域僅占1.27%且主要集中于城市建成區(qū)，表明禁牧封育條例對草原和林地植被起到了保護作用，但高速的城市化進程不可避免地破壞了少量植被。

本文在研究過程中僅分析了2011—2020年寧夏植被覆蓋的時空變化并預(yù)測了其未來趨勢，沒有探究影響因子對其產(chǎn)生的擾動。實際上，任何一個地區(qū)植被覆蓋狀況的動態(tài)變化不僅受氣候變化的影響，還和人類活動密不可分。因此，下一步研究中，將著重分析寧夏植被覆蓋狀況動態(tài)變化與氣候因子和人為因子的關(guān)系。