2010～2021年新疆庫(kù)魯斯臺(tái)草原動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)變化分析

劉 亮,彭 建,李剛勇,韓萬(wàn)強(qiáng),劉玉佳,關(guān)靖云,劉程才,鄭江華,4

(1.新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046;2.新疆維吾爾自治區(qū)草原總站,烏魯木齊 830000;3.塔城地區(qū)林業(yè)和草原局,新疆塔城 834700;4.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046)

0 引 言

【研究意義】草地是地球上分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一,30%的陸地被草地覆蓋[1-2];草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)重要的碳庫(kù),占全球土壤碳儲(chǔ)量的20%[3-4]。中國(guó)天然草地393×104km2,約占國(guó)土總面積的40%[5]。傳統(tǒng)的草地退化監(jiān)測(cè)是通過(guò)實(shí)地走訪調(diào)查來(lái)確定草地退化現(xiàn)狀并分析導(dǎo)致退化的因素,該方法不僅效率低,成本高[6-7]。衛(wèi)星影像已有較高的時(shí)空分辨率,利用遙感影像進(jìn)行草地退化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)效率高,可通過(guò)時(shí)間序列過(guò)程分析退化草地的空間分布及變化[8]。基于衛(wèi)星影像的草地退化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可制定合理的草地保護(hù)與修復(fù)管理措施和方案,為草地生態(tài)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)和草地資源利用決策提供參考。【前人研究進(jìn)展】Taylor等[9]提取了新西蘭國(guó)家兩個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)的歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI),對(duì)研究區(qū)草地產(chǎn)草量變化進(jìn)行研究。Sun等[10]選取了凈初級(jí)生產(chǎn)力作為指標(biāo),分析了2001～2012年中國(guó)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟草地退化和恢復(fù)的驅(qū)動(dòng)力。但由于草地所處背景與不同的演替方式,選擇單一指標(biāo)對(duì)草地評(píng)價(jià)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)評(píng)估偏差的風(fēng)險(xiǎn)[11]。目前,更多的研究采用多個(gè)指標(biāo)構(gòu)建草地退化評(píng)價(jià)體系,該方法構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系更適用于不同研究區(qū)的特點(diǎn)且在草地評(píng)價(jià)時(shí)有較高的精度[12]。Wiesmair 等[13]基于NDVI和土壤調(diào)節(jié)指數(shù)(Soil-adjusted vegetation index,SAVI)建立與實(shí)測(cè)草地蓋度的評(píng)價(jià)模型,對(duì)格魯吉亞高加索地區(qū)的草地退化狀況進(jìn)行評(píng)估;徐劍波等[14]和李輝霞等[15]通過(guò)實(shí)測(cè)草地建群種的高度、蓋度及地上生物量,使用加權(quán)分析的方法綜合3個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為指標(biāo),構(gòu)建模型對(duì)研究區(qū)的草地退化進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。植被覆蓋度、高度及地上生物量是構(gòu)建草地退化模型時(shí)較為常見(jiàn)的遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)[16]。【本研究切入點(diǎn)】庫(kù)魯斯臺(tái)草原位于新疆塔城地區(qū),是全國(guó)第二大連片平原草場(chǎng)[17]。天然草地及濕地面積有所減少[18]。但目前尚未科學(xué)、系統(tǒng)的對(duì)庫(kù)魯斯臺(tái)草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估,且現(xiàn)有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不一定適用于庫(kù)魯斯臺(tái)草原,需要建立一套合理的草地評(píng)價(jià)體系,其中指標(biāo)參數(shù)應(yīng)最大程度反應(yīng)草地植被的變化狀況。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以新疆塔城地區(qū)的庫(kù)魯斯臺(tái)草原為對(duì)象,基于實(shí)地采樣點(diǎn)的草地蓋度、高度及地上生物量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計(jì)算GDI并對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分;將NDVI與GDI進(jìn)行線(xiàn)性回歸,并將其作為庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化的遙感監(jiān)測(cè)模型;對(duì)庫(kù)魯斯臺(tái)草原土地利用分類(lèi),提取草地分布及面積,分析庫(kù)魯斯臺(tái)草原各年份不同退化等級(jí)的空間分布、變化趨勢(shì)及變化強(qiáng)度,為草地資源管理和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

庫(kù)魯斯臺(tái)草原位于新疆塔城地區(qū)的額敏河流域,塔城—額敏盆地腹心[19]。該草原位于塔爾巴哈臺(tái)山脈與巴爾魯克山脈之間,地勢(shì)東高西低,地形平坦開(kāi)闊。由于受到額敏河水滋養(yǎng),為草地的生長(zhǎng)發(fā)育提供了優(yōu)良的條件,是新疆優(yōu)質(zhì)的天然草場(chǎng)[20]。庫(kù)魯斯臺(tái)草原是新疆典型的草原牧區(qū)之一。

遙感數(shù)據(jù):Landsat數(shù)據(jù)來(lái)自USGS(United States Geological Survey),時(shí)間序列為2010～2021年。選取遙感影像時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為每年5～7月且云量較少。對(duì)12年的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理。并在ENVI中使用支持向量機(jī)算法對(duì)研究區(qū)的土地利用進(jìn)行分類(lèi),提取研究區(qū)草地的面積,最后使用邊界數(shù)據(jù)裁剪出庫(kù)魯斯臺(tái)草原。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):根據(jù)庫(kù)魯斯臺(tái)草原的物候特點(diǎn)及植被生長(zhǎng)趨勢(shì),分別在2021年在5月、7月選擇典型草地類(lèi)型,采集草群的高度、覆蓋度及地上生物量。在整個(gè)庫(kù)魯斯臺(tái)草原所有的典型草地類(lèi)型中均勻地設(shè)置26個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置10個(gè)1 m×1 m的樣方,共計(jì)260個(gè)樣方數(shù)據(jù)。

1.2 方 法

1.2.1 指標(biāo)權(quán)重

將3個(gè)指標(biāo)做歸一化處理,其次將歸一化處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行因子分析,依據(jù)因子分析的結(jié)果計(jì)算不同指標(biāo)所占的權(quán)重。表1

表1 指標(biāo)權(quán)重

1.2.2 草地監(jiān)測(cè)指數(shù)

將草地監(jiān)測(cè)指數(shù)定義為地上生物量、覆蓋度和高度的加權(quán)。

(1)

式中,GDI為草地監(jiān)測(cè)指數(shù);Vi為各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Wi為各變量的權(quán)重;n為變量的個(gè)數(shù)。

1.2.3 植被指數(shù)

NDVI(歸一化植被指數(shù))=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED).

(2)

DVI(差值植被指數(shù))=ρNIR-ρRED.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

SAVI(土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù))=(ρNIR-ρRED)(1+0.5)/(ρNIR+ρRED+0.5).

(8)

式中,ρNIR為近紅外波段的反射值;ρRED為紅光波段的反射值;ρBLUE為藍(lán)光波段反射值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

分別計(jì)算2010～2021年的NDVI、DVI、EVI、RVI、PVI、RDVI及SAVI等7種植被指數(shù),并將以上7種植被指數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建

2.1.1 草地監(jiān)測(cè)指數(shù)與植被指數(shù)相關(guān)性

研究表明,GDI與NDVI相關(guān)性最高,R2為0.854;與EVI相關(guān)性最低,R2為0.458 9,利用NDVI進(jìn)行草地退化反演精度較高。圖1

圖1 GDI與7種植被指數(shù)相關(guān)性

2.1.2 構(gòu)建草地退化監(jiān)測(cè)模型

研究表明,以NDVI為自變量,GDI為因變量,構(gòu)建11種線(xiàn)性回歸模型。其中,線(xiàn)性回歸模型擬合性最好,R2為0.854,選用線(xiàn)性模型建立回歸擬合。表2

表2 NDVI與GDI的多種擬合模型統(tǒng)計(jì)及參數(shù)評(píng)估

GDI=0.860×NDVI+ 0.038.

(9)

2.2 歷史影像輻射配準(zhǔn)

研究表明,用2021年的歸一化植被指數(shù)圖像NDVI分別對(duì)2010～2020年的植被指數(shù)圖像NDVI10、NDVI11、NDVI12、NDVI13、NDVI14、NDVI15、NDVI16、NDVI17、NDVI18、NDVI19、NDVI20進(jìn)行輻射配準(zhǔn)。利用ArcGIS軟件在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選取100個(gè)點(diǎn),在2010～2020年的NDVI影像上提取這些隨機(jī)點(diǎn)的值,分別與2021年NDVI影像上提取的值進(jìn)行相關(guān)分析,獲得了2010～2021年的遙感影像的輻射配準(zhǔn)模型。圖2

圖2 2021年與2010～2020年輻射配準(zhǔn)

NDVI2021= 0.838 7×NDVI2010+ 0.069 0

(10)

NDVI2021= 0.858 8×NDVI2011+ 0.092 5

(11)

NDVI2021= 0.644 7×NDVI2012+ 0.137 8

(12)

NDVI2021= 0.745 3×NDVI2013+ 0.049 0

(13)

NDVI2021= 0.776 4×NDVI2014+ 0.083 4

(14)

NDVI2021= 0.787 8×NDVI2015+ 0.074 1

(15)

NDVI2021= 0.939 2×NDVI2016+ 0.023 9

(16)

NDVI2021= 0.853 2×NDVI2017+ 0.005 5

(17)

NDVI2021= 0.962 0×NDVI2018+ 0.007 4

(18)

NDVI2021= 0.936 4×NDVI2019+ 0.011 3

(19)

NDVI2021= 1.101 7×NDVI2020+ 0.027 1

(20)

2.3 草地退化分級(jí)

研究表明,以退化等級(jí)劃分節(jié)點(diǎn)GDI擬合的NDVI值作為遙感劃分退化等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn),再根據(jù)GDI的劃分標(biāo)準(zhǔn)擬合出NDVI的劃分標(biāo)準(zhǔn)。表3

表3 庫(kù)魯斯臺(tái)草原植被退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 庫(kù)魯斯臺(tái)草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

2.4.1 草地植被退化等級(jí)分類(lèi)

研究表明,2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化區(qū)域及改善區(qū)域有較大的空間異質(zhì)性且分布較為零散,其中2016～2019年間重度退化區(qū)域分布較為集中,主要集中于裕民縣北部,主要為荒漠植被,風(fēng)沙較大;重度退化區(qū)域還包括額敏縣西南部,庫(kù)魯斯臺(tái)草原中部地區(qū)為無(wú)退化及輕度退化。圖3

注：該圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2019)1698號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無(wú)修改,下同

2010～2021年間庫(kù)魯斯臺(tái)草原各退化等級(jí)面積比例變化明顯,無(wú)明顯退化面積呈現(xiàn)顯著增加,由209.77 km2增加到481.51 km2,增加量為271.74 km2。無(wú)明顯退化所占面積比例最大在2021年,最少面積比例在2012年。輕度退化面積變化不明顯,2010～2021年間僅減少了31.38 km2。中度退化面積顯著減少,由2010年的968.87 km2減少到590.49 km2,減少量為378.38 km2。重度退化面積也在減少,減少量為13.43 km2,在2012年所占比例較少。表4,表5

表4 庫(kù)魯斯臺(tái)草原植被退化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表5 庫(kù)魯斯臺(tái)草原變化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.2 草地植被變化趨勢(shì)

研究表明,庫(kù)魯斯臺(tái)草原變化趨勢(shì)在相鄰年份退化等級(jí)轉(zhuǎn)化較為明顯,轉(zhuǎn)變形式在空間上以斑塊狀為主,易發(fā)生轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要位于庫(kù)魯斯臺(tái)草原的西南部及東部地區(qū),主要由退化增強(qiáng)型轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶謴?fù)性。庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化等級(jí)主要是退化恢復(fù)性,東部地區(qū)的退化增強(qiáng)型區(qū)域已趨于穩(wěn)定,西南地區(qū)的退化增強(qiáng)型所占面積比例也有所減少。2014～2015年庫(kù)魯斯臺(tái)草原植被恢復(fù)明顯。圖4

圖4 2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原變化趨勢(shì)

2010年～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化等級(jí)的轉(zhuǎn)化關(guān)系是退化恢復(fù)及退化增強(qiáng)共存,但退化增強(qiáng)型面積比例較少,退化增強(qiáng)型面積比例較高的在2016～2017年,退化面積為285.62 km2,占變化趨勢(shì)總面積22.46%;最低在2014～2015年,退化面積為90.33 km2,占變化趨勢(shì)總面積的6.43%。退化恢復(fù)型面積比例較高的在2014～2015年,恢復(fù)面積為761.14 km2,占變化趨勢(shì)總面積的54.15%;最低在2011～2012年,恢復(fù)面積為133.38 km2,占變化趨勢(shì)總面積的8.63%。未變化型面積在逐年變化中所占比例較多,大部分年份超過(guò)了50%,最高的年份為2011～2012年,未變化面積為1 169.80 km2,占變化趨勢(shì)總面積的75.67%;未變化型在2014～2015年面積較少,為554.21 km2,占變化趨勢(shì)總面積的39.43%。庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化恢復(fù)型為668.45 km2,占變化趨勢(shì)總面積的44.24%;退化增強(qiáng)型面積為199.67 km2,占變化趨勢(shì)總面積的13.21%;未變化型面積為642.97 km2,占變化趨勢(shì)總面積的42.55%。表6

表6 2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原 變化趨勢(shì)面積變化

2.4.3 草地植被變化強(qiáng)度

研究表明,在2010～2021年變化強(qiáng)度主要為無(wú)變化,慢速變化主要分布在庫(kù)魯斯臺(tái)草原北部、裕民縣西部及額敏縣南部。快速及中速變化強(qiáng)度集中分布在裕民縣北部。2014～2015年的變化強(qiáng)度在空間分布上以慢速變化強(qiáng)度為主,較多年份主要是以無(wú)變化強(qiáng)度為主。圖5

圖5 2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原變化強(qiáng)度

2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原逐年變化強(qiáng)度主要以無(wú)變化為主,無(wú)變化面積在變化強(qiáng)度總面積中比例較大,大部分年份超過(guò)了50%。無(wú)變化面積比例較高的在2011～2012年,面積為1 169.8 km2,占變化強(qiáng)度總面積的75.66%;最低在2014～2015年,面積為554.21 km2,占變化強(qiáng)度總面積的39.43%。慢速比例較高的在2014～2015年,面積為847.69 km2,占變化強(qiáng)度總面積的60.30%;最低在2011～2012年,面積為371.65 km2,占變化強(qiáng)度總面積的24.04%。中速變化在2016～2017年面積較多,為456.66 km2,占變化強(qiáng)度總面積的3%;2014～2015年面積較少,為3.75 km2,占變化強(qiáng)度總面積的0.27%。快速變化強(qiáng)度所占面積比例較少。庫(kù)魯斯臺(tái)草原無(wú)變化面積為642.97 km2,占變化強(qiáng)度總面積的44.55%,慢速變化強(qiáng)度面積為727.10 km2,占變化趨勢(shì)總面積的48.12%,中速變化強(qiáng)度面積為139.92 km2,占變化強(qiáng)度總面積的9.26%,快速變化強(qiáng)度面積為1.09 km2,占變化強(qiáng)度總面積的0.07%。表7

表7 2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原 變化強(qiáng)度面積變化

3 討 論

3.1Guan等[21]和趙鵬等[22]對(duì)新疆植被生態(tài)系統(tǒng)研究都表明新疆植被以恢復(fù)為主,與研究對(duì)庫(kù)魯斯臺(tái)草原生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)得出的結(jié)論一致。草地退化與地下水位下降等有關(guān)[23-24],在2011年后陸續(xù)對(duì)庫(kù)魯斯臺(tái)草原進(jìn)行了生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程[25-26],2011年后草地退化面積呈減小趨勢(shì),退化恢復(fù)型面積增多,庫(kù)魯斯臺(tái)草原生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程取得了一定的成效[27]。雖然部分區(qū)域處于重度退化,這是由于生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程及地下水位的恢復(fù)需要一定的時(shí)間過(guò)程[28-29]。庫(kù)魯斯臺(tái)草原是亞洲飛蝗、意大利蝗典型的適生區(qū),做到精準(zhǔn)識(shí)別與防治至關(guān)重要[30]。

3.2氣候變化也是導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)退化及改善的主要因素[31],基于FLDAS數(shù)據(jù)集(https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets)統(tǒng)計(jì)了2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原氣溫、降水變化趨勢(shì),該數(shù)據(jù)集時(shí)間分辨率為月,空間分辨率為0.1°。2010～2021年庫(kù)魯斯臺(tái)草原年均溫呈上升趨勢(shì)、年總降水呈下降趨勢(shì),在我國(guó)干旱地區(qū)植被對(duì)氣溫、降水變化極為敏感,在一定范圍內(nèi),氣溫升高會(huì)促進(jìn)植被的光合作用,但當(dāng)氣溫上升超過(guò)植被生長(zhǎng)所需的閾值時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)量增大,降水稀少、氣溫升高兩者共同作用會(huì)嚴(yán)重限制植被的生長(zhǎng)[32-33]。在未來(lái)的研究中應(yīng)通過(guò)高質(zhì)量的氣象數(shù)據(jù),從氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)兩者共同對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響角度分析庫(kù)魯斯臺(tái)草原的動(dòng)態(tài)變化[34-35]。

4 結(jié) 論

4.1權(quán)重從大到小為草地覆蓋度(37.6%)>地上生物量(34.3%)>草地高度(28.1%)。

4.27個(gè)植被指數(shù)中與GDI相關(guān)性最高的是NDVI,建立庫(kù)魯斯臺(tái)草原GDI與NDVI的草地退化反演模型為GDI=0.860×NDVI+ 0.038(R2=0.854)。

4.3庫(kù)魯斯臺(tái)草原重度退化區(qū)域主要集中于裕民縣北部及額敏縣西南部,2010～2021年各退化等級(jí)面積變化顯著,無(wú)明顯退化等級(jí)面積顯著增加;草地變化趨勢(shì)以退化恢復(fù)型和未變化型為主,退化增強(qiáng)型面積為減少趨勢(shì);變化強(qiáng)度主要以無(wú)變化及慢速變化強(qiáng)度為主;近12年新疆庫(kù)魯斯臺(tái)草原退化過(guò)程減弱。