毛烏素沙地植被生長狀況的時(shí)空變化

毛烏素沙地植被生長狀況的時(shí)空變化

沙漠是指由各種因素引起的干旱、半干旱和干旱地區(qū)的土壤侵蝕。這是影響21世紀(jì)人類可持續(xù)發(fā)展的最重要因素之一。中國是世界上受荒漠化影響最為嚴(yán)重的國家之一,據(jù)2011年國家林業(yè)局公布的《中國荒漠化和沙化狀況公報(bào)》顯示:截至2009年底,全國荒漠化土地總面積262.37×104km2,占國土面積的27.33%。植被作為地球表層系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)于立地環(huán)境具有較好的指示作用而被廣泛應(yīng)用于荒漠化遙感監(jiān)測中[2~4]。利用植被的近紅外和紅光的反射率為參數(shù)構(gòu)建線性或非線性的植被指數(shù)模型,能較好地反映植被類型、生長狀況和生物量等信息[5~11],是快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)荒漠化定量遙感監(jiān)測的一個(gè)重要工具。利用遙感手段定量研究多年內(nèi)植被指數(shù)的年際變化,對(duì)于客觀反映研究區(qū)荒漠化現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展過程具有重要意義。毛烏素沙地位于中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的中部,處于森林-草原-荒漠的生態(tài)應(yīng)力帶上,是中國重要的生態(tài)屏障區(qū),其生態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的敏感性和脆弱性。深入研究21世紀(jì)以來毛烏素沙地的植被生長狀況的時(shí)空變化特征,對(duì)于客觀評(píng)價(jià)中國農(nóng)牧交錯(cuò)帶的荒漠化的治理效果,以及根據(jù)荒漠化發(fā)展實(shí)況及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施具有重要意義。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究數(shù)據(jù)1.1氣候類型及降水量毛烏素沙地位于37°27′~39°22′N、107°20′~111°30′E之間,總面積約為40000km2(圖1)。海拔多為1100~1300m,西北部稍高為1400~1500m,個(gè)別地區(qū)可達(dá)1600m左右,東南部河谷低至950m。氣候類型為中溫帶向暖溫帶過渡地帶,多年平均氣溫為6.0~8.5℃,多年平均降水量為250~440mm,降水量在空間分布上自東南向西北遞減,東部年降水量達(dá)400~440mm,西北部降水量為250~300mm。植被和土壤反映出過渡性特點(diǎn),向西北過渡為棕鈣土半荒漠地帶,向西南到鹽池一帶過渡為灰鈣土半荒漠地帶,向東南過渡為黃土高原暖溫帶灰褐土森林草原地帶。1.2被指數(shù)和eviMODIS作為TERRA/AQUA衛(wèi)星上的重要傳感器,具有較高的光譜分辨率和時(shí)間分辨率。本文采用NASA提供的2000~2011年毛烏素沙地植被生長季(3~10月)MOD13Q1陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(編號(hào):049~289),對(duì)MOD13Q1產(chǎn)品進(jìn)行圖幅拼接和投影轉(zhuǎn)換,采用的投影類型為Albers等積割圓錐投影。歸一化植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù),但是由于NDVI算式本身并非線性,對(duì)于覆蓋較好的天然植被和農(nóng)作物,使用NDVI造成的紅光飽和問題比較嚴(yán)重,背景的土壤噪聲也在一定程度上損害NDVI的空間一致性。Liu等構(gòu)建了一個(gè)能同時(shí)校正土壤和大氣影響的增強(qiáng)型植被指數(shù)(EnhancedVegetationIndex,EVI),則較好地解決NDVI的紅光飽和、土壤和大氣噪聲的影響。EVI(下式表示為EEVI)的計(jì)算公式為:其中,ρNIR、ρRed和ρBlue分別為MODIS的近紅外波段、紅光波段和藍(lán)光波段的光譜反射率;L為背景調(diào)整項(xiàng);C1和C2為擬合系數(shù);G為增益因子;計(jì)算MO-DIS-EVI時(shí),L=1,C1=6,C2=7.5,G=2.5。對(duì)每年的EVI序列采用國際通用的最大值合成法(MaximumValueComposite,MVC)進(jìn)行處理,最終獲得可以供直接使用的包括研究區(qū)的2000~2011年空間分辨率為250m×250m的年EVI最大值序列圖譜。2結(jié)果與分析2.1植被生長情況本文引入EVI距平的概念以定量評(píng)價(jià)不同年份間植被生長變化特征,EVI距平是指某一研究時(shí)間尺度水平的EVI與多年該尺度的EVI平均值之差,正距平表明植被生長狀況較常年偏好,反之則植被生長狀況偏差。在像元尺度水平上計(jì)算每年EVI與多年平均EVI的距平(該值下文表示為ΔEEVI),統(tǒng)計(jì)獲得2000~2011年毛烏素沙地ΔEEVI(表1)。分析表明2000~2011年ΔEEVI以輕微的波動(dòng)變化為主,-0.1≤ΔEEVI≤0.1地區(qū)的面積均占總面積的98.467%以上。其中ΔEEVI<-0.2的面積以2000年最大,2001年次之,2005年最小,分別占總面積0.023%,0.018%和0.001%;-0.2≤ΔEEVI<-0.1的面積以2001年最大,2000年次之,2009年最小,分別占總面積1.341%,1.198%和0.074%;-0.1≤ΔEEVI<0的面積以2001年最大,2000年次之,2010年最小,分別占總面積88.235%%,80.507%和23.581%;ΔEEVI=0的面積以2007年最大,2005年次之,2001年最小,分別占總面積的0.020%,0.019%和0.005%;0<ΔEEVI≤0.1的面積以2010年最大,2009年次之,2001年最小,分別占總面積的75.648%,64.779%和10.248%;0.1<ΔEEVI≤0.2的面積以2002年最大,2009年次之,2001年最小,分別占總面積的1.050%,0.692%和0.138%;ΔEEVI>0.2的面積以2004年最大,2010年次之,2005年最小,分別占總面積的0.079%,0.050%和0.010%。分析2000~2011年毛烏素沙地全區(qū)平均ΔEEVI(圖2),發(fā)現(xiàn)全區(qū)植被生長狀況相對(duì)較差的年份有2000、2001、2003、2005和2006年,其中以2001年最小,2000年次之,ΔEEVI均值分別為-0.029和-0.021;全區(qū)植被生長狀況相對(duì)較好的年份有2002、2004、2007~2011年,其中以2010年最大,2002年次之,ΔEEVI均值分別為0.015和0.011。2000~2011年毛烏素沙地全區(qū)平均ΔEEVI按0.0025/a的速度遞增,植被整體生長狀況趨于改善。2.2毛烏素沙地aevi空間分異特征1)趨勢特征。按照時(shí)間順序排列的某一系列數(shù)值的變化趨勢可以用線性擬合的斜率表達(dá),斜率為正值表示該系列數(shù)值趨于增大,反之則表示該系列數(shù)據(jù)趨于減小。在毛烏素沙地植被生長變化趨勢研究中,2000~2011年ΔEEVI構(gòu)成的序列譜可以用12維ΔEEVI矩陣表達(dá),在像元尺度水平對(duì)這12維數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得到斜率數(shù)值空間分布圖(圖3)。式中,Sslope為線性擬合的斜率,x為自變量對(duì)應(yīng)研究的年份,y為因變量對(duì)應(yīng)ΔEEVI。2000~2011年ΔEEVI變化趨勢Sslope統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:像素尺度水平上的ΔEEVI年均增長率介于-0.060~0.071之間,Sslope=0.002分布頻率最高,占全區(qū)總面積的8.32%。全區(qū)植被生長狀況呈變差趨勢(Sslope<0)的面積為6940.63km2,占總面積的18.084%,主要分布在毛烏素沙地北部(神木縣西北、烏審旗北)、西部(鄂托克旗東南、鄂托克前旗東部)和中南部(烏審旗西南)地區(qū)。全區(qū)植被生長狀況趨于改善(Sslope>0)的面積為31438.94km2,占總面積的81.916%,主要分布在毛烏素沙地的中部、東部、和南部等大部分地區(qū)。2)波動(dòng)特征。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)被作為重要的指示因子廣泛應(yīng)用于數(shù)組的離散程度的定量評(píng)價(jià)中。標(biāo)準(zhǔn)差是一組數(shù)值自平均值分散開來程度的一種測量觀念。變異系數(shù)(CoefficientofVariance,CV,下文表示為CCV)作為衡量資料中各觀測值變異程度的統(tǒng)計(jì)量,是標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比率,可消除單位或平均數(shù)不同對(duì)兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度比較的影響以反映單位均值的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為表示為:其中,σ為標(biāo)準(zhǔn)差,μ為數(shù)組的平均值,x為數(shù)組。為了增強(qiáng)不同空間范圍內(nèi)EVI年最大值波動(dòng)程度的可比性,本文采用變異系數(shù)作為波動(dòng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)以定量評(píng)價(jià)毛烏素沙地ΔEEVI變異程度。對(duì)2000~2011年毛烏素沙地ΔEEVI時(shí)間序列譜進(jìn)行計(jì)算處理,獲得其CV空間分布圖(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)2000~2011年毛烏素沙地全區(qū)像元尺度水平ΔEEVI變異系數(shù)主要在0.06≤CCV<0.24范圍內(nèi),面積占全區(qū)總面積的95.98%。CCV峰值出現(xiàn)在0.102處,0.06≤CCV<0.12地區(qū)的面積占全區(qū)總面積的43.75%,0.12≤CCV<0.18地區(qū)的面積占總面積的41.87%,0.18≤CCV<0.24地區(qū)的面積占總面積的10.35%。CCV>0.24地區(qū)的面積占總面積的2.51%,主要分布在主要分布在毛烏素沙地的北部(烏審旗北和神木縣西)、西北部(鄂托克旗東南)、西南(定邊縣北)部和東南部(烏審旗南、靖邊縣北和榆陽區(qū)西北)。3)空間分異特征。植被生長狀況的趨勢特征表征植被生長狀況的總體未來發(fā)展趨勢,相當(dāng)于空間向量的方向;波動(dòng)特征則反映了該時(shí)段內(nèi)植被生長狀況的變異程度,相當(dāng)于空間向量的模。趨勢和波動(dòng)特征的結(jié)合則可以同時(shí)反映植被生長狀況的發(fā)展方向和大小,能夠較好地描述植被生長狀況的發(fā)展特征。本文采用變化趨勢和波動(dòng)程度相結(jié)合的方式對(duì)毛烏素沙地植被生長空間分異特征進(jìn)行定量分級(jí)(表2)。Sslope>0表示植被生長呈改善趨勢,Sslope<0表示植被生長呈退化趨勢。結(jié)合2000~2011年毛烏素沙地ΔEEVI的CCV分布頻率,在主要分布頻率(≥95.98%)范圍0.06≤CCV≤0.24內(nèi),以0.06為步長把植被變化波動(dòng)程度分為正常、輕度、中度、重度和特重度5級(jí)。按構(gòu)建的植被生長狀況空間分異系統(tǒng)對(duì)2000~2011年毛烏素沙地Sslope和CCV分布結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分類,得出2000~2011年毛烏素沙地植被空間分異特征(圖5)。分析2000~2011年毛烏素沙地植被生長空間分異特征,分類統(tǒng)計(jì)不同趨勢和波動(dòng)程度地區(qū)的面積和所占比例(表3)。結(jié)果表明2000~2011年毛烏素沙地植被生長特重度波動(dòng)退化區(qū)面積為276.06km2,占總面積的0.719%,零星分布在毛烏素沙地的北部(神木縣西和烏審旗北)、西部(鄂托克旗東南)、南部(定邊縣東北)和東部(榆陽區(qū)中南)地區(qū)。重度波動(dòng)退化區(qū)面積為756.06km2,占總面積的1.970%,主要分布在毛烏素沙地西部(鄂托克旗東南和鄂托克前旗東北)和西南部(定邊縣東北)。中度波動(dòng)退化區(qū)面積為2753.50km2,占總面積的7.174%,主要分布在毛烏素沙地西部(鄂托克旗東南和鄂托克旗東)和中南部(烏審旗西南)。輕度波動(dòng)退化區(qū)面積為3022.94km2,占總面積的7.876%,主要分布在毛烏素沙地西南部(鄂托克前旗東和烏審旗南)。正常波動(dòng)退化區(qū)和正常波動(dòng)改善區(qū)面積為分別為132.06km2和446.06km2,占總面積的0.344%和1.162%,零星分布在毛烏素沙地中部(烏審旗西和東南)和東部(榆陽區(qū)西北)。輕度波動(dòng)改善區(qū)面積為13770.00km2,占總面積的35.878%,主要分布在毛烏素沙地中部(烏審旗北部和中部)和東部(榆陽區(qū)中部和西部)。中度波動(dòng)改善區(qū)面積為13316.56km2,占總面積的34.697%,主要分布在毛烏素沙地西南部(鹽池縣東北、定邊縣西北)、東南部(靖邊縣北、橫山縣西)和東北部(神木縣西)。重度波動(dòng)改善區(qū)面積為3216.63km2,占總面積的8.381%,主要分布在毛烏素沙地西南部(定邊縣西北)和東南部(橫山縣西)。極重度波動(dòng)改善區(qū)面積為689.69km2,占總面積的1.797%,零星分布在毛烏素沙地北部(烏審旗西北)、西南部(定邊縣西北)和東南部(靖邊縣北)。3植被生長狀況隨時(shí)間的變化基于MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1計(jì)算EVI序列譜,以植被指數(shù)距平、斜率和變異系數(shù)等指標(biāo)對(duì)2000~2011年毛烏素沙地植被生長變化的時(shí)空特征進(jìn)行了研究,主要得出以下結(jié)論:1)2000~2011年毛烏素沙地EVI年最大值以輕微的波動(dòng)變化為主,-0.1≤ΔEEVI≤0.1地區(qū)的面積均占總面積的98.467%以上。ΔEEVI<-0.2的面積以2000年最大、2005年最小;-0.2≤ΔEEVI<-0.1的面積以2001年最大,2009年最小;-0.1≤ΔEEVI<0的面積以2001年最大,2010年最小;ΔEEVI=0的面積以2007年最大,2001年最小;0<ΔEEVI≤0.1的面積以2010年最大,2001年最小;0.1<ΔEEVI≤0.2的面積以2002年最大,2001年最小;ΔEEVI>0.2的面積以2004年最大,2005年最小。2)全區(qū)植被生長狀況相對(duì)較差的年份有2000、2001、2003、2005和2006年,其中以2001年最差,2000年次之;全區(qū)植被生長狀況相對(duì)較好的年份有2002、2004、2007~2011年,其中以2010年最好,2002年次之。全區(qū)EVI年最大值按0.0025/a的速度遞增,植被整體生長狀況趨于改善。3)全區(qū)植被生長狀況趨于改善的面積占總面積的81.916%,主要分布在毛烏素沙地的中部、東部和南部等大部分地區(qū);生長狀況呈變差趨勢的面積占總面積的18.084%,主要分布在毛烏素沙地北部、西部和中南部地區(qū)。4)全區(qū)植被生長狀況以輕度和中度波動(dòng)改善為主,二者面積分別占總面積的35.878%和34.697%,主要分布在毛烏素沙地的西南、中部和東部地區(qū);重度波動(dòng)改善區(qū)、輕度和中度波動(dòng)退化區(qū)的面積也處于相對(duì)較高的水平,分別占總面積的8.381%,7.876%和7.174%,重度波動(dòng)改善區(qū)主要分布在毛烏素沙地西南部和東南部。輕度和中度波動(dòng)退化區(qū)主要分布在毛烏素沙地的西南部、西部和中南部。分析毛烏素沙地氣溫和降水量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)2000~2011年氣溫平均以0.0094℃/a的速度逐漸降低;降水量以1.3661mm/a的速度呈增加趨勢,與ΔEEVI變化趨勢一致。對(duì)應(yīng)到不同年份,2000年降水量為166.3mm,比多年平均降水量低42.19%,嚴(yán)重的干旱使全區(qū)植被生長狀況較差,2001年降水量超過多年平均降水量6.97%,但受到前期干旱的影響其植被生長狀況仍相對(duì)較差;2002年降水量