民勤縣近30年植被覆蓋度時空變化特征研究

秦 雯

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

植被是聯結大氣、水、土壤的重要紐帶，不但可以凈化空氣、調節氣候，還能涵養水源、保持水土，是一個區域自然環境特征的重要標志[1-2]。植被覆蓋度指植物群落總體或個體的地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分數，是反映植被分布多少和茂密程度的重要定量化指標，常用于植被變化研究[3-7]，其獲取手段主要有實地觀測和遙感估算法，前者適用于實時和有限觀測點的觀測，而后者可以實現長時間序列和大范圍區域植被覆蓋狀況的監測。

民勤縣三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，在石羊河的灌溉下，形成了民勤綠洲，成為阻斷兩大沙漠交匯和擴張的重要屏障。自20世紀50年代以來，隨著人口的增多和上游用水的增加，民勤綠洲水資源短缺，生態環境不斷惡化，風沙加劇，沙丘移動頻繁，荒漠化問題突出，嚴重威脅甘肅乃至國家生態安全[8]。近年來，民勤縣作為國家沙漠化監控和防治的重點縣，大力開展屏障區建設、防沙治沙和節水工程，使得區域植被覆蓋得到改善。文章以民勤縣整個縣域為研究對象，利用遙感估算法評估區域荒漠化防治成效，探索近30年植被時空變化特征，以為區域生態建設提供決策依據。

2 研究區概況

民勤縣隸屬甘肅省武威市，介于東經101°49′46″—104°12′09″、北緯38°4′18″—39°27′38″之間，地處甘肅省中部，南鄰涼州，西毗金昌，總面積約1.6萬km2，由綠洲和風沙地貌組成，平均海拔1 400 m，位于石羊河流域下游，境內無自產地表徑流，屬溫帶大陸性氣候，大陸性沙漠氣候特征顯著，多年平均降水量為113.2 mm，年均蒸發量為2 675.6 mm，春季風大沙大，年風沙日達140 d。土壤類型以風沙土、灰棕漠土、栗鈣土、棕漠土為主。植被大多屬于荒漠植被，主要有梭梭、怪柳、毛條、胡楊、沙棗、白刺等。東西北三面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍（圖1），生態脆弱，是我國荒漠化危害最嚴重的地區之一。

圖1 民勤縣衛星影像

3 數據與研究方法

3.1 數據來源與預處理

為較高精度評估民勤縣近30年的植被覆蓋時空變化，研究選用在軌時間最長對地觀測衛星美國NASA的陸地衛星（Landsat）數據，從美國地質調查局（USCS）官網平均每隔5年下載1990—2020年研究區植被生長旺盛期（6—7月）云量最少的2景30×30 m分辨率影像，其行列號分別為131/033和132/033。包括5期Landsat5 TM影像和2期Landsat8 OLI影像，影像為WGS84下UTM 投影坐標系。為糾正影像變形、降低大氣對光譜的影響，提高數據質量，利用ENVI5.2對下載影像逐一進行了幾何校正、輻射定標和大氣校正等預處理。

3.2 研究方法

（1）歸一化植被指數（NDVI）。研究將歸一化植被指數（NDVI）作為植被覆蓋度計算的基礎數據。歸一化植被指數（NDVI）是一種利用植物反射光譜特征，將紅光波段和近紅外波段組合提取植被信息，以降低大氣、地形、儀器等造成的植被信息誤差的遙感指標[9]。NDVI的計算公式為：

式中：NIR為近紅外波段反射值，對應Landsat 4/5TM影像第四通道和Landsat8 OLI影像第五通道；Red為紅光波段反射值，對應Landsat 4/5TM影像第三通道和Landsat8 OLI影像第四通道，NDVI取值范圍為-1～1，由ENVI 5.2里NDVI工具計算得到。

（2）像元二分模型。植被覆蓋度根據像元二分模型計算得到。該模型認為一個像元的NDVI值實際由像元內有植被覆蓋地表的NDVI和無植被覆蓋地表的NDVI以線性加權混合而成，兩者的權重是各自的面積占像元面積的比重，其中植被覆蓋度可以看作是有植被覆蓋地表的權重[10-11]，計算公式如下：

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為像元NDVI值；NDVIsoil為裸地像元NDVI值，NDVIveg為完全被植被覆蓋像元NDVI值，由于衛星獲取影像時外界因素不同，結合區域實際情況，研究分別采用區域累計頻率為5%和95%的NDVI值作為NDVIsoil值和NDVIveg值。

利用ArcGIS重分類功能，在前人研究的基礎上[12]，結合民勤縣植被覆蓋實際情況，將研究區植被覆蓋度劃分為6個等級:①裸地（FVC<0.05)；②低覆蓋度（0.05

（3）一元線性回歸趨勢分析法。文章采用一元線性回歸趨勢分析法，擬合每個像元1990—2020年取值的斜率，對研究區植被覆蓋度時空變化趨勢進行定量分析，最終揭示植被覆蓋度變化的時空特征[13-15]。計算公式為：

式中：lslope為各像元FVC變化斜率；n為取樣年數；fi為第i年的像元FVC值。當lslope>0，表明在研究期間內植被覆蓋度呈增長趨勢；lslope<0，表明植被覆蓋度呈下降趨勢；lslope=0，表明植被覆蓋度呈穩定狀態。lslope絕對值越大，研究期間植被覆蓋度變化越明顯。

4 研究結果

4.1 植被覆蓋度時序變化特征

為獲取研究區植被覆蓋度總體時序變化特征，在計算得到像元植被覆蓋度的基礎上統計分析了全域各期植被覆蓋度平均值，統計結果顯示，民勤縣1991年、1995年、2000年、2006年、2010年、2014年和2020 年平均植被覆蓋度依次為0.108、0.086、0.103、0.145、0.132、0.115、0.125，多年平均植被覆蓋度為0.116，植被覆蓋度整體偏低，但總體呈增長趨勢。1995—2000年、2000—2006年、2014—2020年這3個時間段平均植被覆蓋度增大，尤以2000—2006年增幅最大，增加了0.042。1991—1995年、2006—2010年、2010—2014年平均植被覆蓋度下降，1991—1995年下降最大，降低了0.022。

為揭示區域植被覆蓋度具體變化情況，研究將全域植被覆蓋度劃分為裸地、低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度6個等級，分級結果如圖2所示，并逐期對各級植被覆蓋度土地總面積進行匯總，匯總結果見表1。

表1 1991—2020年民勤縣不同等級植被覆蓋度面積統計表 單位：km

由表1分析得出，民勤縣裸地占全域土地比重較大，但呈下降趨勢，從1991年到2020年共下降了1 257.52 km2。低植被覆蓋度土地面積整體呈上升趨勢，除1991—2000年，其他時間段均有所增加或變化不明顯。中低植被覆蓋度土地面積無明顯變化，總體保持平穩。中植被覆蓋度土地面積占比波動較大，其中1991—2000年面積增加，2000—2014年面積減少，2014—2020年面積又有所增加。中高植被覆蓋度土地面積變化幅度和增減情況幾乎與中植被覆蓋度同步。高植被覆蓋度土地面積在1991—2000年不斷減少，2006—2014年不斷增加，2020年又有所減少。

4.2 植被覆蓋度空間變化特征

基于一元線性回歸模型，計算得到民勤縣1990—2020年各像元植被覆蓋度變化斜率。計算結果顯示，研究區內某些相鄰像元取值接近，這些像元植被覆蓋度變化趨勢情況相似，為此，為揭示民勤縣植被覆蓋度空間宏觀變化情況，結合ArcGIS自然斷點法，將植被覆蓋度變化趨勢劃分為了5個等級：lslope<-0.0322，歸為明顯退化趨勢；-0.03220.0334，屬明顯改善。根據植被覆蓋度變化趨勢分級結果，得到植被覆蓋度變化趨勢圖（圖3）及各級植被覆蓋度變化面積和比例統計表（表2）。通過對圖3和表2分析得出，1990—2020年，研究區83.47%的土地植被覆蓋度無明顯變化，呈基本穩定狀態，主要分布在兩大沙漠腹地。植被呈明顯退化趨勢的區域面積為92.256 3 km2，主要散布在綠洲內部，以紅崖山水庫及縣城周圍的蘇武鄉和三雷鎮分布最多。植被呈輕微退化趨勢的區域面積為661.978 8 km2，以斑點狀散布在沙漠腹地和綠洲內部，以條帶狀分布在沙漠與綠洲交界地帶，其中，綠洲內部輕微退化的像元多位于嚴重退化像元周圍，對照高清衛星影像發現，這些像元主要坐落于耕地和耕地及村莊的周邊。兩大沙漠中，騰格里沙漠輕微退化區域呈零星狀遍布，而巴丹吉林沙漠輕微退化區分布較為集中，主要分布在白圪垯、城門洞子溝周邊及菊花塘和小西湖之間的3個區域。綠洲北側、東側邊緣有明顯的輕微退化帶，主要分布在西渠鎮的北端、東湖鎮東北邊緣和收成鄉東部的裕東公路兩側。民勤縣植被覆蓋改善區域面積較大，輕度改善區面積為1 111.081 5 km2，明顯改善域面積為782.719 2 km2，兩者共占比11.83%，主要位于生態林建設區、退耕還林還地塊和草場修復區。

圖3 民勤縣1990—2020年植被覆蓋度變化趨勢

5 討論和結論

文章基于Landsat TM數據，采用像元二分模型、一元線性回歸趨勢分析等方法，對民勤縣1990—2020年近30年的土地植被覆蓋變化情況進行分析，為民勤縣生態環境建設與治理提供參考，以進一步推動地方可持續發展。

（1）1990—2020年，民勤縣土地以裸地為主，裸地主要分布在兩大沙漠覆蓋的區域，民勤綠洲邊緣和內部也有大面積裸地分布，區域生態環境建設任重而道遠。

（2）從總體上看，民勤縣整個區域多年平均植被覆蓋度呈上升趨勢，裸地面積占比不斷下降，低植被覆蓋區占比明顯上升，區域多年生態建設和修復工作取得了一定成效，尤其是人工造林區、封沙育林區和草場改良區植被明顯增加。

（3）民勤縣0.58%的土地植被覆蓋度呈明顯退化趨勢，4.13%的土地植被覆蓋度呈輕微退化趨勢，其中植被明顯退化的區域主要散布在綠洲內部，以紅崖山水庫及縣城周圍的蘇武鄉和三雷鎮分布最多。輕微退化的區域主要位于騰格里沙漠和綠洲，其中，綠洲輕微退化區多圍繞明顯退化區分布，主要坐落于耕地和耕地及村莊的周邊。西渠鎮的北端、東湖鎮東北邊緣和收成鄉東部的裕東公路兩側輕微退化區呈帶狀分布，這些區域應作為重點沙漠化防治區域。

與傳統方法相比，利用遙感觀測法獲取植被覆蓋信息極大地提高了工作時效性，實現了大范圍區域、長時間序列的植被覆蓋度的動態變化監測。但由于受氣候和人為因素的影響，同一區域不同年份植被物候可能存在提前或滯后，利用遙感影像提取植被信息會存在一定誤差，這是遙感觀測法存在的局限性。