楊淑霞，張文娟，馮琦勝，孟寶平，高金龍，梁天剛*

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 2. 青海省草原總站，青海 西寧 810000)

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基于MODIS逐日地表反射率數(shù)據(jù)的青南地區(qū)草地生長狀況遙感監(jiān)測研究

楊淑霞1，張文娟2，馮琦勝1，孟寶平1，高金龍1，梁天剛1*

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 2. 青海省草原總站，青海 西寧 810000)

大范圍草地生長狀況遙感監(jiān)測對研究草地變化動(dòng)態(tài)和草地畜牧業(yè)的管理具有重要意義。利用2010-2013年的草地外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和EOS Terra MODIS每日地表反射率產(chǎn)品MOD09GA，采用空間分析方法分別計(jì)算了生長季(5-9月)草地NDVImax,EVImax,NDVImean和EVImean4種植被指數(shù)，探討了這4種植被指數(shù)與草地地上生物量之間的遙感反演模型，分析了青南地區(qū)草地生長季多年NDVI平均值空間分布特征；根據(jù)所選的最優(yōu)模型反演了青南牧區(qū)近10年(2004-2013年)的草地地上生物量，統(tǒng)計(jì)分析了地上生物量的空間變化特征。結(jié)果表明，青南地區(qū)多年NDVI平均值和草地地上生物量總體上均具有由西北向東南逐漸增加的空間分布特點(diǎn)。不同草地類型的生物量差異顯著。近10年來山地草甸類的生物量最高，達(dá)1280 kg DW/hm2；其次為高寒草甸類、溫性草原類、溫性荒漠類和沼澤類，生物量介于244.9～902.4 kg DW/hm2；高寒草甸草原類、高寒荒漠類和高寒荒漠草原類生物量較小，在65 kg DW/hm2以下。海拔對生物量具有明顯的影響，在3500 m以上地區(qū)的草地生物量隨海拔的升高而減小。當(dāng)海拔介于3500～4000 m，最大生物量達(dá)1358.8 kg DW/hm2；海拔介于4000～4500 m，生物量小于920 kg DW/hm2；海拔介于4500～5000 m，生物量為574.2 kg DW/hm2；海拔大于5500 m，生物量僅為94.4 kg DW/hm2。統(tǒng)計(jì)分析近10年間的NDVI變化趨勢發(fā)現(xiàn)，三江源地區(qū)的黃河、長江和湄公河三大流域及各行政區(qū)的草地植被生長狀況以輕度改善和改善為主，總體趨于良好。

青南地區(qū)；草地地上生物量；NDVI；遙感監(jiān)測

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水土流失防治等方面起著舉足輕重的作用[1-2]。它不僅是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，還是維護(hù)陸地生態(tài)環(huán)境的天然屏障[3]。草地地上生物量(above ground biomass, AGB)是衡量天然草地生產(chǎn)力高低的重要參數(shù)[4],準(zhǔn)確評價(jià)草地生物量對草地資源的合理利用，草地在全球碳循環(huán)中的作用及其與氣候變化之間的互作機(jī)制具有重要作用[5-6]。草地生產(chǎn)力作為草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在一定程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[7]。草地生物量的研究為草地災(zāi)害管理、野生動(dòng)物分布狀況評價(jià)、生物多樣性的研究以及維持生態(tài)系統(tǒng)平衡分析可提供重要的參考依據(jù)[8]。因此，開展草地地上部分生物量動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究，對草畜平衡動(dòng)態(tài)分析及天然草地資源的合理利用具有重要意義。

自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者在草地地上生物量評估方面已開展了許多研究工作。周鑫等[9]利用新疆伊犁地區(qū)2012年7-8月草地外業(yè)調(diào)查資料與同期的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)數(shù)據(jù)，分析了增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)和歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)與實(shí)測草地地上生物量的一元線性、指數(shù)和二次多項(xiàng)式回歸模型，結(jié)果表明，以EVI建立的二次多項(xiàng)式回歸模型最優(yōu)，擬合模型平均估產(chǎn)精度達(dá)92.19%。周宇庭等[10]利用2010和2011年6-9月高寒蒿草草甸群落地上生物量數(shù)據(jù)和同期的MODIS數(shù)據(jù)，建立了西藏自治區(qū)拉薩當(dāng)雄高寒草甸的地上生物量遙感估算模型。結(jié)果表明，在所有模擬模型中EVI的線性模型模擬效果最好，在預(yù)測方面，冪函數(shù)模型最好，線性模型次之，其平均誤差分別僅為9.76%和10.8%。成平[11]利用2008年7月覆蓋若爾蓋地區(qū)的TM數(shù)據(jù)，提取NDVI、RVI、SAVI、MSAVI、PVI和GVI 6種植被指數(shù)，與同期地上生物量進(jìn)行分析的結(jié)果表明，RVI與地上生物量冪函數(shù)模型的模擬效果最好，決定系數(shù)R2達(dá)0.8177，擬合精度達(dá)93.20%。除多等[12]利用西藏高原中部2004年5-9月草地植被生長期的實(shí)測地上生物量，結(jié)合同期的MODIS 16d合成產(chǎn)品MOD13Q1 NDVI和EVI 數(shù)據(jù)，對草地生長期地上生物量遙感監(jiān)測模型的結(jié)果表明，MODIS NDVI的指數(shù)函數(shù)模型(R2=0.778，P<0.001)是估算西藏高原中部草地地上生物量的最優(yōu)模型。除多等[13]根據(jù)2004年8-9月草地植被地面觀測資料結(jié)合同期的EOS/MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)建立了藏北高原草地地上生物量、綠色干物質(zhì)與EOS/MODIS NDVI和EVI之間的關(guān)系，結(jié)果表明藏北高原草地地上生物量與NDVI和EVI之間的相關(guān)系數(shù)為0.793和0.706。Gao等[14]對內(nèi)蒙古錫林郭勒草原的研究結(jié)果表明，冪函數(shù)模型(R2=0.62)的均方根誤差和相對誤差最低(RMSE=22.92 g/m2,REE=0.27)，模型精度可達(dá)78%。Ma等[15]利用錫林郭勒MODIS 數(shù)據(jù)與野外實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建NDVI與地上生物量及地下生物量的關(guān)系，并探索了氣候因子對這些變量的影響，結(jié)果表明，每年地上生物量與生長季降水呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.82，P<0.001)，但是與生長季溫度關(guān)系不顯著(R2=0.61，P=0.003)，氣候因子影響地上生物量的空間分布，隨著生長季降水的增加，地上生物量增加，隨著溫度的增加，生物量減小。Barrachina等[16]以庇里牛斯山的草甸和草原為研究區(qū)，利用Landsat-5TM遙感數(shù)據(jù)計(jì)算的指數(shù)(植被指數(shù)和濕潤度指數(shù))分別與實(shí)測生物量構(gòu)建生物量模型，結(jié)果表明，2008和2009年夏季中期的R2、RMSE和pe分別為0.76，95 g/m2及27%；夏季末期的R2、RMSE和pe分別為0.74，128 g/m2及36%，結(jié)果表明植被指數(shù)和濕潤度指數(shù)與生物量的關(guān)系密切。

綜上所述，由于我國草地資源分布廣，空間異質(zhì)性強(qiáng)，因此草地生物量監(jiān)測主要依賴高時(shí)間分辨率及中度空間分辨率的MODIS資料，但是，在現(xiàn)有的草地地上生物量監(jiān)測方面，還存在植被指數(shù)和監(jiān)測模型的篩選及地面實(shí)測草地樣方與MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品在時(shí)空尺度上難以匹配等問題。

基于以上因素，本研究以青南地區(qū)作為研究區(qū)，結(jié)合2010-2013年的地面實(shí)測數(shù)據(jù)，采用Terra/MODIS的每日地表反射率產(chǎn)品MOD09GA數(shù)據(jù)與測產(chǎn)資料時(shí)相一致的植被指數(shù)數(shù)據(jù)，分析MOD09GA計(jì)算的生長季草地植被指數(shù)與生物量之間的相關(guān)關(guān)系，建立適合青南地區(qū)草地地上生物量遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測模型，分析草地生物量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，為大范圍的草地生物量監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

青南地區(qū)位于青藏高原腹地，地理位置介于100°53′ E-102°16′ E，34°05′ N-34°55′ N，青南地區(qū)是青海省的主要牧區(qū)，是我國黃河、長江、瀾滄江三大水系發(fā)源地，素有“中國水塔”之稱。該區(qū)隸屬3個(gè)自治州，包括14個(gè)純牧業(yè)縣，草原面積2098.97萬hm2，其中可利用面積1787.44 萬hm2。平均海拔在4000 m以上，年平均氣溫-5.6～4.9 ℃，年降水量615.5 mm，多集中在6-9月，夏季短暫，牧草生長期短，植物長勢低矮，產(chǎn)草量低，冷季長達(dá)7～8個(gè)月，草地類型主要由高寒草甸類和高寒干草原類組成[17]。

1.2數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1草地外業(yè)觀測數(shù)據(jù)草地地面觀測數(shù)據(jù)來源于青海省草原總站，野外調(diào)查時(shí)間為2010-2013年牧草生長季。 依據(jù)青南牧區(qū)的地形地貌、草地類型空間分布特點(diǎn)，樣地設(shè)置主要選擇在草地植被空間分布比較均一的區(qū)域。每個(gè)樣地設(shè)置2～3個(gè)1 m×1 m的樣方，共計(jì)736個(gè)樣地(圖1)。在進(jìn)行草地監(jiān)測時(shí)，主要記錄草層高度、蓋度、可食牧草生物量和總產(chǎn)草量等特征數(shù)據(jù)以及每個(gè)樣點(diǎn)隸屬的行政區(qū)、草地類型、坡度、坡向、草地利用狀況及觀測點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔，考慮到地面測產(chǎn)數(shù)據(jù)的異常值可能會(huì)影響估算模型的準(zhǔn)確性，因此在地面樣方數(shù)據(jù)整理過程中，對處于同一像元內(nèi)的地面觀測樣點(diǎn)的生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行了合并處理，用它們的平均值來代表與該像元對應(yīng)的地面實(shí)測的草地生物量。

圖1　2013年研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1　The spatial distribution of the in situ observations in the study area

1.2.2MODIS遙感數(shù)據(jù)遙感數(shù)據(jù)來自NASA MODIS 陸地產(chǎn)品組開發(fā)的Terra衛(wèi)星每日地表反射率產(chǎn)品MOD09GA。該產(chǎn)品包括空間分辨率為500 m的 MODIS 1-7通道每日地表反射率數(shù)據(jù)。本研究使用了近10年(2004-2013年)草地生長季(5-9月)MODIS 1-7通道的地表反射率數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF，覆蓋研究區(qū)的逐日產(chǎn)品在全球正弦曲線投影(sinusoidal projection，SIN)系統(tǒng)中編號(hào)為h25v05和h26v05兩景圖像，共計(jì)3306幅數(shù)字圖像。

1.2.3MOD09GA數(shù)據(jù)預(yù)處理MOD09GA數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括以下環(huán)節(jié)： 1)使用MRT(MODIS Reprojection Tool)，將MOD09GA圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和地圖投影轉(zhuǎn)換，將HDF轉(zhuǎn)換為Tiff格式，將SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。2) 在ArcGIS軟件中將Tiff轉(zhuǎn)為Grid格式，結(jié)合青南地區(qū)行政分區(qū)、草地資源類型、地面調(diào)查樣點(diǎn)等數(shù)據(jù)庫，采用MODIS NDVI和EVI的計(jì)算公式(1)和(2)，分別計(jì)算出每日NDVI和EVI數(shù)字圖像。為了減少陰天、云層等因素對植被指數(shù)的影響，應(yīng)用ArcGIS空間分析工具分別對MODIS逐日NDVI和EVI圖像進(jìn)行逐年生長季最大值和平均值合成處理，生成青南地區(qū)2004-2013年生長季NDVI和EVI的最大值及平均值數(shù)字圖像，并提取與地面實(shí)測樣點(diǎn)相對應(yīng)像元的逐年NDVI和EVI合成數(shù)據(jù)，分別記為NDVImax、EVImax、NDVImean和EVImean。

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

(1)

(2)

式中，NIR、RED和BLUE分別為近紅外波段、紅光波段和藍(lán)光波段經(jīng)過大氣校正的地表反射率值；L=1，為土壤調(diào)節(jié)參數(shù)；參數(shù)C1和C2分別為6.0和7.5。

1.3草地地上生物量遙感監(jiān)測模型構(gòu)建與精度評價(jià)

利用SPSS軟件的回歸分析方法，統(tǒng)計(jì)分析植被指數(shù)與地面測產(chǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，分別構(gòu)建基于青南地區(qū)草地生物量干重和MODIS植被指數(shù)(NDVImax、EVImax、NDVImean和EVImean)之間的線性、指數(shù)、對數(shù)和乘冪4種模型，分別利用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)比較分析不同模型的模擬精度，選取適合于青南地區(qū)草地生物量反演的最優(yōu)植被指數(shù)及模型。

1.4草地植被時(shí)序空間變化分析

利用一元線性趨勢分析方法，通過計(jì)算NDVI的年際變化率(SLOPE),分析2004-2013年青南地區(qū)逐像元(500 m×500 m)草地植被的變化趨勢，研究草地植被的生長狀況。若SLOPE>0[18-19]則表示植被生物量呈增加趨勢，植被生長狀況良好；若SLOPE<0，則表示植被的生物量呈減少趨勢，植被生長狀況變差。SLOPE的計(jì)算公式如下所示：

(3)

式中,SLOPE表示一元線性方程的回歸斜率；NDVIi表示第i年生長季NDVI值；n為監(jiān)測時(shí)間段的累積年數(shù)，本研究中n=10，i為1到n。

為了更進(jìn)一步探討草地生長狀況的空間分布格局，依據(jù)SLOPE大小劃分為惡化(<-0.01)、輕度惡化(-0.01～-0.001)、穩(wěn)定(-0.001～0.001)、輕度改善(0.001～0.01)和改善(>0.01),并對青南牧區(qū)按流域(長江流域、黃河流域和湄公河流域)和行政區(qū)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

標(biāo)準(zhǔn)差[19]是衡量一組地理數(shù)據(jù)與平均值的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明統(tǒng)計(jì)變量距離研究時(shí)段內(nèi)的平均值越遠(yuǎn)。本研究通過計(jì)算NDVI標(biāo)準(zhǔn)差來分析青南地區(qū)近10年逐像元(500 m×500 m)植被的波動(dòng)特征。標(biāo)準(zhǔn)差反映的是植被變化的幅度，而SLOPE則表示變化的方向。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式為：

(4)

式中，NDVIi表示第i年的NDVI值，NDVI表示多年平均NDVI值，n為監(jiān)測時(shí)間段的累積年數(shù)，i表示從1到n。

2　結(jié)果與分析

2.1青南牧區(qū)草地NDVI的空間變化

2.1.1青南牧區(qū)多年NDVI平均值的空間分布格局圖2是近10年(2004-2013)青南地區(qū)NDVI平均值的空間分布格局。從該圖可以看出，青南牧區(qū)NDVI總體呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸減少的趨勢。NDVI的高值區(qū)主要集中分布在青南牧區(qū)東部的貴南、澤庫、同德和河南等縣，另一個(gè)高值區(qū)出現(xiàn)在青南地區(qū)的東南部。NDVI值由中部向西北和西南方向逐漸減少。NDVI低值區(qū)主要出現(xiàn)在瑪多縣的東北和西北部，治多縣的西北部和格爾木代管縣的西北和西南部。究其原因發(fā)現(xiàn)，NDVI的變化與海拔關(guān)系密切，高海拔地區(qū)氣候寒冷干燥，氣溫低，熱量成為植被生長的主要限制性因素。高海拔地區(qū)土壤多為礫石和粗砂，對牧草的生長具有很大的影響，土壤肥力偏低，微生物活動(dòng)比較弱，有機(jī)質(zhì)積累強(qiáng)而分解緩慢，土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足，海拔越高的地方，NDVI越小，NDVI與海拔呈非正態(tài)分布，高海拔地區(qū)植被生長狀況普遍較差，NDVI值偏低。

2.1.2青南牧區(qū)NDVI年際變化趨勢圖3和圖4分別為2004-2013年青南牧區(qū)三大流域(長江、黃河和湄公河流域)和各個(gè)行政區(qū)的草地NDVI年際變化趨勢?？梢钥闯?，青南牧區(qū)NDVI年際變化趨勢在空間上的分布存在明顯的差異。從三大流域和各個(gè)行政區(qū)的草地NDVI年際變化趨勢看，總體上青南牧區(qū)的草地NDVI呈上升趨勢，上升趨勢由西北向東南逐漸遞增。草地植被以輕微改善和改善為主，表明隨著國家西部大開發(fā)、生態(tài)恢復(fù)工程及相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施，該地區(qū)草地植被恢復(fù)成效顯著。

統(tǒng)計(jì)分析長江流域、湄公河流域和黃河流域植被NDVI的變化(表1)發(fā)現(xiàn)，近10年三大流域草地植被變化的總體趨勢以輕度改善為主。其中，長江流域輕度改善所占比重最大，約為70.07%，其次為湄公河流域和黃河流域，分別為66.14%和60.97%。黃河流域14.65%的草地面積保持穩(wěn)定，其次為湄公河流域和長江流域，分別為13.30%和10.42%。三大流域草地惡化的面積所占比重比較小，依次為0.01%,0.01% 和0.22%。湄公河流域12.38%的草地呈輕度惡化現(xiàn)象，其次為長江流域和黃河流域。總體而言，三大流域草地以輕度改善為主，惡化面積所占比重比較小，草地植被生長狀況良好。

表2是青南地區(qū)各行政區(qū)草地NDVI變化趨勢統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。從該表可以看出，青南牧區(qū)近10年各行政區(qū)草地以輕度改善為主，輕度改善所占比重普遍在50%以上，改善面積存在較大差異，其中輕度改善比重大于70%的縣分別為格爾木代管區(qū)、治多、達(dá)日、貴南，其中，貴南所占比重最大，達(dá)79.49%；輕度改善大于60%的縣分別為澤庫、班瑪、久治、玉樹、雜多、稱多、囊謙、曲麻萊；輕度改善小于60%的縣分別為河南、同德、興海、瑪沁、甘德、瑪多。改善草地的比重也存在著較大差異，其中瑪多縣改善最多，達(dá)28.61%；改善比重介于10%～21%的縣包括同德、興海、達(dá)日、雜多、稱多、曲麻萊和格爾木代管區(qū)；其余縣所占比重均小于10%。

輕度惡化所占比重也存在著顯著差異性。甘德縣22.28%的草地呈現(xiàn)輕度惡化現(xiàn)象，輕度惡化介于10%～20%之間的分別為瑪沁、久治、玉樹、興海、河南、班瑪?shù)瓤h；其他縣輕度惡化基本小于10%。惡化的草地所占比重普遍比較少，除治多縣(0.17%)和瑪多縣(0.93%)的草地出現(xiàn)惡化，其他惡化草地所占比重不足0.1%，其中澤庫縣、河南縣、貴南縣、甘德縣、達(dá)日縣、久治縣、雜多縣和稱多縣未出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。草地穩(wěn)定狀態(tài)大于20%的縣包括河南、瑪沁、甘德、久治；穩(wěn)定比重介于10%～20%之間的縣包括澤庫、同德、興海、班瑪、玉樹、雜多、治多、稱多和囊謙；小于10%的縣包括貴南、達(dá)日縣、瑪多縣、曲麻萊縣和格爾木代管區(qū)?？傮w來說，青南地區(qū)草地以輕度改善為主，有少量不同程度的惡化，草地生長狀況良好。

圖2　2004-2013年青南地區(qū)草地植被生長季NDVI平均值空間分布Fig.2　Spatial distribution of average annual NDVI values in Qingnan Plateau during the period from 2004-2013

圖3　2003-2014年青南牧區(qū)三大流域植被NDVI變化趨勢Fig.3　NDVI variation trends in the Three River Headwaters of Qingnan region during the period from 2003 to 2014

圖4　2004-2013年青南牧區(qū)各行政區(qū)植被NDVI變化趨勢Fig.4　NDVI variation trends in different counties in Qingnan region during the period from 2003 to 2014

表1　2004-2013年青南牧區(qū)三大流域植被NDVI趨勢變化

表2　2003-2014年青南地區(qū)不同縣草地變化趨勢

2.1.3青南牧區(qū)NDVI的波動(dòng)狀況圖5表示青南牧區(qū)2004-2013年NDVI標(biāo)準(zhǔn)差空間分布格局。從該圖來看，草地植被年際波動(dòng)最大的地區(qū)主要分布在青南牧區(qū)東部及中部地區(qū)，這些地區(qū)的植被生長狀況年際間具有很大的變化；而青南牧區(qū)西北部及中部的NDVI標(biāo)準(zhǔn)差變化較小，說明草地植被年際變化小，草地基本保持穩(wěn)定。結(jié)合青南牧區(qū)草地NDVI變化趨勢可以看出，近年來青南牧區(qū)東部地區(qū)草地NDVI呈上升趨勢，并且草地植被生長狀況波動(dòng)較大。

2.2草地地上生物量反演模型及精度評價(jià)

生物量統(tǒng)計(jì)模型主要有線性和非線性模型。但是，由于各個(gè)研究區(qū)自然條件和植被生理特征存在差異，導(dǎo)致不同地區(qū)反演模型也存在較大差異。本研究通過SPSS軟件，統(tǒng)計(jì)分析了基于生長季NDVImax、EVImax、NDVImean和EVImean4種植被指數(shù)與青南牧區(qū)草地地上生物量實(shí)測值之間的線性、指數(shù)、對數(shù)和乘冪模型。表3分別列出了模擬模型的擬合度和決定系數(shù)。由該表可以看出：植被指數(shù)NDVImax(R2=0.371)、NDVImean(R2=0.284)、EVImean(R2=0.287)和EVImax(R2=0.212)的乘冪模型均優(yōu)于其他3種模型。在各種模型中，NDVImax(R2=0.371)的乘冪模型的決定系數(shù)最高，擬合效果最好。從精度評價(jià)的結(jié)果(表4)可以看出，4種植被指數(shù)的乘冪模型的決定系數(shù)基本高于其他模型，均方根誤差較低。這說明基于植被指數(shù)NDVImax構(gòu)建的乘冪模型反演的草地地上生物量與實(shí)測值最接近，能夠很好地模擬青南牧區(qū)的草地地上生物量。因此，青南牧區(qū)草地地上生物量的最優(yōu)模型為：

y=2028.773x2.556R2=0.371

式中，y為草地地上生物量(kg DW/hm2)；x為年最大MODIS NDVI值。

圖5　2004-2013年青南牧區(qū)多年NDVI變化的標(biāo)準(zhǔn)差空間分布Fig.5　Spatial distribution of standard deviation of NDVI variation in Qingnan region during the period from 2004 to 2013

表3　青南牧區(qū)不同草地植被指數(shù)與草地地上生物量回歸模型比較

2.3青南牧區(qū)草地產(chǎn)草量的空間變化特征

青南牧區(qū)2003-2014年草地產(chǎn)草量存在顯著的區(qū)域性差異。為了詳細(xì)分析草地產(chǎn)草量的空間變化特征，依據(jù)海拔變化特點(diǎn)，分別對青南地區(qū)海拔<3500 m、3500～4000 m、4000～4500 m、4500～5000 m、5000～5500 m和>5500 m的6個(gè)分區(qū)和不同草地類型分布區(qū)的生物量變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表5，6)。

表4　青南牧區(qū)草地植被指數(shù)與草地地上生物量反演模型精度評價(jià)

表5　2003-2014年青南地區(qū)不同海拔分區(qū)的平均草地地上生物量統(tǒng)計(jì)

由表5可知，近10年間青南地區(qū)各分區(qū)生物量存在較大差異，其中高程介于3500～4000 m分區(qū)的草地生物量高于其他5個(gè)分區(qū)，在每個(gè)高程分區(qū)中，2010年的生物量最大。高程小于3500 m分區(qū)的生物量介于716.6～1025.7 kg DW/hm2，其中近10年平均值為857.27 kg DW/hm2；高程介于3500～4000 m分區(qū)的生物量介于1164.2～1358.8 kg DW/hm2，平均值為1225.52 kg DW/hm2；高程介于4000～4500 m分區(qū)的生物量介于721.0～914.8 kg DW/hm2，近10年平均值為797.4 kg DW/hm2。高程大于5500 m時(shí)，生物量降到最低，僅為61.5～94.4 kg DW/hm2，平均值為75.14 kg DW/hm2?？傮w來說，青南地區(qū)的草地生物量隨著海拔的升高而減少。

從表6可以看出，不同草地類型的生物量存在很大差異。在近10年期間各類草地的生物量在2010年均達(dá)到最大值，其中山地草甸類的生物量高于其他草地類型，其最大值達(dá)1280 kg DW/hm2，平均值為1163 kg DW/hm2，其次為高寒草甸類、溫性草原類、溫性荒漠草原類和溫性荒漠類，生物量介于376～902 kg DW/hm2，高寒草甸類平均值為752 kg DW/hm2，溫性草原類的平均值為722 kg DW/hm2，溫性荒漠草原類的平均值為615 kg DW/hm2，溫性荒漠類的平均值為493 kg DW/hm2。沼澤類生物量介于245～333 kg DW/hm2，平均值為288 kg DW/hm2；高寒草甸草原類、高寒荒漠類和高寒荒漠草原類生物量較小，在65 kg DW/hm2以下。

表6　2003-2014年青南牧區(qū)不同草地類型地上生物量趨勢變化

3　討論

3.1青南地區(qū)草地植被生長狀況

本研究利用MODIS逐日植被指數(shù)產(chǎn)品及草地外業(yè)觀測數(shù)據(jù)，對青南地區(qū)草地生物量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及草地生長狀況分析的結(jié)果表明，近10年(2004-2013)以來青南地區(qū)草地局部惡化、整體恢復(fù)，以輕微改善為主，改善區(qū)主要集中在東部地區(qū)，其主要原因包括氣候變化的影響和國家相關(guān)政策因素這2個(gè)方面。

已有研究表明，高海拔地區(qū)氣候寒冷干燥，氣溫低，低溫比水分更能限制植被的生長，熱量是植被生長的限制性因子，高寒地區(qū)氣溫的升高能促進(jìn)植被的生長[20]。張鈦仁等[21]的研究表明,青南東部地區(qū)牧草的生長受制于熱量條件，而青南西部地區(qū)牧草的生長受制于水分條件，年降水量越多，牧草產(chǎn)量越高；青南東部的半濕潤地區(qū)，溫度對產(chǎn)量的影響大于降水對產(chǎn)量的影響。在全球氣候變暖的背景下，青南半濕潤地區(qū)，隨著氣溫的升高，牧草產(chǎn)量有所增加，在青南西部地區(qū)，氣候變暖加重了水分的散失，牧草的生長發(fā)育受到阻礙，牧草產(chǎn)量下降。呂曉蓉等[22]的研究表明，氣候暖干化趨勢導(dǎo)致青藏高原東北部環(huán)境不斷惡化，氣候變暖，降水減少，地表蒸發(fā)量大，造成河流斷流，湖泊沼澤干涸，草地退化，影響天然草地牧草生長。這與本研究的結(jié)果一致。從NDVI的時(shí)空變化狀況可以看出，青南地區(qū)東南部的貴南飛地、河南、澤庫和同德等縣的草地好于西部地區(qū)的格爾木代管區(qū)、治多、雜多等縣，這與氣候的暖干化有很大的關(guān)系，氣候的暖干化顯著影響著草地的變化。

在21世紀(jì)初，黨中央做出了實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重大決策，將生態(tài)環(huán)境作為根本和切入點(diǎn)。目前天然草地保護(hù)、退耕還林還草等重點(diǎn)工程為主要內(nèi)容的大規(guī)模西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得顯著成效。中國乃至亞洲重要的生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)區(qū)，青南地區(qū)的生態(tài)保護(hù)，關(guān)乎西北地區(qū)乃至全國的生態(tài)安全。三江源保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施近10年來，在較大的范圍內(nèi)開展了生態(tài)恢復(fù)和治理工作[23]。三江源自然保護(hù)區(qū)一期工程自2005年8月啟動(dòng)實(shí)施，于2013年10月完成，二期工程于2014年初開始實(shí)施。青南地區(qū)草地地上生物量近年來呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢，這表明該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)功能正在逐年提升，三江源區(qū)水源涵養(yǎng)功能將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，這對提升研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能意義重大[24]。此外，研究結(jié)果進(jìn)一步表明了三江源自然保護(hù)區(qū)一期工程實(shí)施成效的顯著性和二期工程及時(shí)啟動(dòng)的必要性。

3.2草地生物量遙感監(jiān)測算法

本研究結(jié)合大量的遙感資料、野外實(shí)測的草地生物量數(shù)據(jù)，建立了植被指數(shù)與生物量之間的關(guān)系，篩選出適合青南地區(qū)的最優(yōu)模型。雖然由于遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在空間尺度不匹配的問題，會(huì)引起遙感估算的生物量存在一定的誤差，但與基于樣方的生物量監(jiān)測的傳統(tǒng)方法相比，遙感估算不僅有更高的時(shí)效性，而且具有傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢，如可以監(jiān)測高寒無人區(qū)草地的變化動(dòng)態(tài)等。張連義等[25]利用錫林郭勒實(shí)測的草地地上生物量與植被指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)果表明錫林郭勒草地總生物量估產(chǎn)的最優(yōu)回歸模型為基于植被指數(shù)NDVI的S曲線(y=e5.983-0.479/x，R2=0.685，P<0.001), 他的研究最終選用了指數(shù)模型作為錫林郭勒草地生物量的最優(yōu)估算模型。目前，針對草地監(jiān)測的遙感模型的研究很多，但由于研究區(qū)草地類型、生態(tài)環(huán)境及所用遙感數(shù)據(jù)的不同，植被指數(shù)和生物量反演模型存在較大的差異。韓波[26]利用三江源的實(shí)測樣點(diǎn)生物量與其對應(yīng)的植被指數(shù)NDVI和EVI進(jìn)行模型擬合，最終確定植被指數(shù)EVI與地面實(shí)測樣點(diǎn)構(gòu)建的模型為最優(yōu)模型(y=348.769x0.783，R2=0.655，P<0.001)。韓波[26]的研究時(shí)間為2005-2014年，與本研究的時(shí)間(2004-2013年)基本一致，生物量反演模型均為乘冪模型，反演的三江源區(qū)高寒草地地上生物量的空間分布格局也具有從東南向西北逐漸減少的變化趨勢，本研究與此結(jié)果一致，但模型參數(shù)存在一定的差異，從而導(dǎo)致反演的生物量具有較大變化。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是研究區(qū)選用的遙感資料及地面實(shí)測數(shù)據(jù)不同，所建立的反演模型必然存在一定差異。韓波的研究所用的遙感數(shù)據(jù)為MOD13A1，其時(shí)空分辨率分別為16 d和500 m。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012-2014年的7月底-8月初，采集樣點(diǎn)包括41個(gè)高寒草甸和13個(gè)高寒草原。本研究選用的MOD09GA數(shù)據(jù)，為逐日反射率產(chǎn)品，具有更高的時(shí)間分辨率，所用的地面調(diào)查數(shù)據(jù)集中在2010-2013年牧草生長的盛草期(7-8月)，并且有更多的地面調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。大量研究表明，研究區(qū)草地及自然環(huán)境的差異，選用的遙感數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率和空間分辨率、地面生物量測定方法和所選植被指數(shù)的不同，對生物量反演模型的構(gòu)建均有較大的影響。牛志春等[27]研究利用TM 影像數(shù)據(jù)提取的5種植被指數(shù)與草地生物量的相關(guān)分析表明，不同植被指數(shù)與草地生物量存在較好的相關(guān)性，但不同植被指數(shù)與草地生物量相關(guān)性程度存在一定差別，其中，RVI與草地生物量相關(guān)性最好，其次為NDVI、SAVI與MSAVI，DVI與生物量的相關(guān)性最差。Yang等[28]的研究結(jié)合青藏高原2001-2004高寒草地地上生物量數(shù)據(jù)與增強(qiáng)型植被指數(shù)分析了地上生物量的空間分布特征，探究了地上生物量受到溫度和降水的影響，結(jié)果表明，地上生物量隨著生長季降水的增加而增加，與生長季溫度的總體趨勢不顯著，氣候干燥(降水量<200 mm)時(shí)，生物量與生長季溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；除此之外，地上生物量還受到土壤結(jié)構(gòu)的影響，生長季降水偏少使土壤含沙量增加，導(dǎo)致生物量的減少；土壤濕度的變化影響著草地的產(chǎn)草量，但是溫度和土壤結(jié)構(gòu)卻影響著高海拔地區(qū)植被的生長。因此，改進(jìn)地面觀測樣點(diǎn)的監(jiān)測范圍及其代表性(如采用無人機(jī)等技術(shù))，提高衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料與地面觀測數(shù)據(jù)的時(shí)空匹配性，是未來改進(jìn)草地生物量遙感反演模型精度的關(guān)鍵，也是草地遙感監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。

4　結(jié)論

本研究利用MOD09GA產(chǎn)品的1-7波段反射率數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了生長季草地的NDVI和EVI的最大值和平均值，利用2010-2013年外業(yè)觀測的草地地上生物量數(shù)據(jù)與MOD09GA的植被指數(shù)構(gòu)建了青南地區(qū)草地生物量遙感反演模型，分析了青南地區(qū)草地地上生物量及NDVI的時(shí)空變化特征。獲得如下主要研究結(jié)果：1) 在4種植被指數(shù)中，反演草地生物量的乘冪模型的R2均高于其線性、對數(shù)和指數(shù)模型，其中基于NDVImax構(gòu)建的乘冪模型(y=2028.773x2.556，R2=0.371)擬合效果優(yōu)于其他植被指數(shù)，乘冪模型的R2最高，為0.371；對數(shù)函數(shù)的模型R2為0.361；線性R2為0.242，指數(shù)模型的R2為0.222。2)青南牧區(qū)草地生物量呈由西北向東南逐漸增加的空間分布格局。山地草甸類的生物量高于其他草地類型，10年(2004-2013年)期間，山地草甸類的生物量普遍在1000 kg DW/hm2以上，其中2010年的最大，為1280 kg DW/hm2；溫性草原類的生物量介于573.8～902.4 kg DW/hm2之間，生物量平均值為722 kg DW/hm2；高寒草甸的生物量介于681.2～849.2 kg DW/hm2；溫性荒漠類生物量介于375.7～632.6 kg DW/hm2，生物量平均值為492.66 kg DW/hm2；高寒荒漠類和高寒草甸草原類的生物量介于28.6～63.3 kg DW/hm2之間；高寒荒漠草原類的生物量小于28 kg DW/hm2，最大生物量僅為28.0 kg DW/hm2。海拔對生物量也具有重要影響，海拔小于3500 m，生物量最大為1025.7 kg DW/hm2；海拔介于3500～4000 m，生物量最大達(dá)1358.8 kg DW/hm2；海拔介于4000～4500 m時(shí)，生物量最大為914.8 kg DW/hm2；海拔介于4500～5000 m，生物量最大為574.2 kg DW/hm2；海拔介于5000～5500 m，生物量最大為219.9 kg DW/hm2；海拔大于5500 m，生物量僅為94.4 kg DW/hm2。隨著海拔的升高，生物量減少。3)青南牧區(qū)多年NDVI平均值呈由東南向西北逐漸減少的空間分布特征。統(tǒng)計(jì)分析近10年的長江流域、黃河流域和湄公河流域三大流域草地植被的變化趨勢表明，青南地區(qū)輕度改善的草地所占比重最大，長江流域達(dá)70.07%；其次為湄公河流域和黃河流域；湄公河草地改善所占比重僅為8.18%；湄公河流域12.38%的草地呈輕度惡化趨勢，長江流域輕度惡化的比重最小為8.52%，黃河流域?yàn)?1.67%。三大流域草地穩(wěn)定狀態(tài)比重均在10%以上；長江流域和湄公河流域惡化的比重不足0.1%，黃河流域惡化比重為0.22%。統(tǒng)計(jì)分析青南地區(qū)近10年來的草地變化趨勢表明：青南地區(qū)草地以輕度改善為主，草地改善存在較大的差異性，改善比重普遍在50%以上，貴南輕度改善比重達(dá)79.49%，瑪多縣28.61%的草地呈改善狀態(tài)，改善比重小于10%的縣占到了10個(gè)，河南縣僅占0.89%；輕度惡化所占比重的差異也較大，其中介于10%～23%的縣達(dá)到了9個(gè)，甘德縣為22.28%，其余縣小于10%，格爾木代管區(qū)為4%；18個(gè)縣區(qū)，惡化比重均比較小，除瑪多縣和治多縣的惡化比重分別占0.93%和0.17%，其他縣均不足0.1%。青南地區(qū)草地穩(wěn)定狀態(tài)所占比重不盡相同，其中介于10%～27%的縣占到了13個(gè)，河南縣26.56%的草地保持穩(wěn)定，其他縣均小于10%，瑪多縣近5.67%的草地保持穩(wěn)定。

總體來說，青南地區(qū)草地具有局部惡化、整體恢復(fù)的特點(diǎn)，草地以輕度改善為主，草地植被生長狀況趨于良好。

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Monitoring of grassland herbage accumulation by remote sensing using MODIS daily surface reflectance data in the Qingnan Region

YANG Shu-Xia1, ZHANG Wen-Juan2, FENG Qi-Sheng1, MENG Bao-Ping1, GAO Jin-Long1,LIANG Tian-Gang1*

1.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China; 2.QinghaiProvinceGrasslandsStation,Xining810000,China

Monitoring of grassland herbage accumulation using remote sensing technology has a potentially important role in understanding seasonal changes in grasslands and optimizing animal husbandry and grazing management. In this study above ground biomass (AGB) and its spatial distribution was recorded using in-situ measurements during the growing seasons from 2010 to 2013 in southern Qinghai province, and regression models using in-situ AGB data and the corresponding daily surface reflectance product of Terra MODIS were established. The spatial analysis method was used to calculate four vegetation indices (NDVImax,EVImax,NDVImeanandEVImean) using MOD09GA data, and the accuracy of the inversion models was then analyzed, and the spatial distribution of the NDVI mean values in the previous 10 years characterized. With the algorithms optimized in this way, we estimated the aboveground grassland biomass and its spatial distribution for the previous 10 growing seasons. It was found that the aboveground biomass gradually increases from northwest to southeast, and different grassland types have characteristic biomass differences. The biomass of mountain meadow was highest among the grassland types included in this 10 year study, and reached 1280 kg DW/ha in 2010. The biomass of alpine meadow, warm steppe, warm desert and marsh ranged between 244.9 kg DW/ha and 902.4 kg DW/ha, The biomass values of alpine meadow grassland, alpine desert, and alpine desert grassland were much lower, and were below 65 kg DW/ha. The elevation had a marked effect on biomass, with grassland biomass decreasing with increasing elevation above 3500 m. At elevations between 3500 and 4000 meters, peak biomass was 1358.8 kg DW/ha; between 4000 and 4500 meters, the biomass was below 920 kg DW/ha, and between 4500 and 5000 meters the biomass averaged approximately 574.2 kg DW/ha. Above 5000 meters elevation, the biomass averaged approximately 94.4 kg DW/ha. The trend of NDVI mean values in last 10 years indicates that most regions in the Three River Headwater region (The Yellow River, The Yangtze River, and The Mekong River), which span different administrative areas, can be categorized as showing ‘mild improvement’ or ‘improvement’. Overall, the trend in grassland vegetation status is positive.

Qingnan region; aboveground biomass of grassland; NDVI; remote sensing monitoring

10.11686/cyxb2015455http://cyxb.lzu.edu.cn

楊淑霞, 張文娟, 馮琦勝, 孟寶平, 高金龍, 梁天剛. 基于MODIS逐日地表反射率數(shù)據(jù)的青南地區(qū)草地生長狀況遙感監(jiān)測研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(8): 14-26.

YANG Shu-Xia, ZHANG Wen-Juan, FENG Qi-Sheng, MENG Bao-Ping, GAO Jin-Long, LIANG Tian-Gang. Monitoring of grassland herbage accumulation by remote sensing using MODIS daily surface reflectance data in the Qingnan Region. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(8): 14-26.

2015-09-23；改回日期：2015-11-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31372367，31228021，41401472)，農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201203006)，長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13019)資助。

楊淑霞(1983-)，女，甘肅寧縣人，在讀博士。E-mail: yangshx2014@lzu.edu.cn

Corresponding author. E-mail: tgliang@lzu.edu.cn