李 璠， 徐維新

(青海省氣象科學(xué)研究所， 青海 西寧 810001)

歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)作為評價植被生長狀況的重要因子，不僅直觀地反映植被長勢在全球或區(qū)域尺度上的生長情況，亦可從長時間序列反映變化趨勢[1]，同時節(jié)省了傳統(tǒng)上地面調(diào)查所消耗的人力、物力和時間，在全球氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)研究中扮演著重要的角色。因此，近年來，以NDVI時空變化趨勢為基礎(chǔ)的相關(guān)研究成為全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的熱點內(nèi)容之一[2-4]。

青藏高原是氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，存在對比強(qiáng)烈的氣候帶，這種極端環(huán)境下發(fā)育的植被對氣候變化極為敏感，被認(rèn)為是研究生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化適應(yīng)與響應(yīng)機(jī)制的天然實驗室[5]。青海位于青藏高原東北部，地勢西高東低，氣候以高寒干旱為主，是典型的高原大陸性氣候，空氣稀薄，日照時數(shù)多。按照降水量和溫度的變化特征，形成了東部農(nóng)業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖區(qū)、三江源地區(qū)和柴達(dá)木盆地4個不同特點的生態(tài)功能區(qū)，各區(qū)承載著不同強(qiáng)度的生產(chǎn)生活任務(wù)，人類活動的強(qiáng)度也不同，且生態(tài)環(huán)境脆弱，是氣候變化的敏感區(qū)[6]。針對青海省的研究存在于前幾年[7-9]，且各功能區(qū)的研究較為獨(dú)立[10-13]，主要原因是每個功能區(qū)的草地承載力、生態(tài)系統(tǒng)類型、地形起伏、土壤理化性質(zhì)等均不相同，學(xué)者們以每個功能區(qū)為例，延伸到不同的生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化、放牧強(qiáng)度的響應(yīng)，然而這類研究深入討論了生態(tài)系統(tǒng)對變化的反饋，并未對不同生態(tài)系統(tǒng)之間做系統(tǒng)比較。以青海省的4個生態(tài)功能區(qū)為例，比較荒漠生態(tài)系統(tǒng)(柴達(dá)木盆地)、高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)(三江源地區(qū))、高寒草原生態(tài)系統(tǒng)(環(huán)青海湖區(qū))、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(東部農(nóng)業(yè)區(qū))之間的異同。不同生態(tài)功能區(qū)之間NDVI存在怎樣的時空變化特征,其差異如何,年際間波動特點有何異同,這些問題目前尚未形成定量結(jié)論。鑒于此，本研究以MODIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不同的生態(tài)功能區(qū)為研究對象，基于柵格單位，逐像元定量計算青海省NDVI分布現(xiàn)狀、變化趨勢和穩(wěn)定性特征，重點闡明各功能區(qū)植被NDVI變化特征及波動特點，以期在未來氣候變化和人類活動的雙重影響下，為青海省的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

青海省位于中國西部，青藏高原東北部，地處89°35′～103°04′E，31°39′～39°19′N，海拔介于1 650～6 860 m。屬于典型的高原大陸性氣候[14]，具有寒冷期長，太陽輻射強(qiáng)，氣溫日差較大，干旱少雨，降水比較集中等特點。根據(jù)青海氣象觀測資料分析，多年平均降水量為16.2～746.9 mm，平均氣溫為-6℃～9℃，太陽輻射量高達(dá)5 400～7 600 MJ·m-2，全年盛行偏西風(fēng)和偏東風(fēng)。省域北部與蒙新高原相接，東部與黃土高原交匯，境內(nèi)有中國地勢最高的內(nèi)陸盆地——柴達(dá)木盆地，最大的內(nèi)陸咸水湖——青海湖，長江、黃河、三江源的發(fā)源地——三江源及生物資源和農(nóng)業(yè)資源較豐富的東部農(nóng)業(yè)區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of the study area

2 數(shù)據(jù)分析與試驗方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文所利用的遙感數(shù)據(jù)來自美國NASA網(wǎng)站(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html) MOD13Q1陸地專題的產(chǎn)品，其中h25v5，h26v5文件覆蓋青海省，收集2000-2015年生長季(6-9月)MODIS16天合成產(chǎn)品，空間分辨率為250 m。利用MRT工具(MODIS Reprojection Tool)將原始數(shù)據(jù)Sinusoidal投影轉(zhuǎn)換成WGS84/Albers正軸等面積雙標(biāo)準(zhǔn)緯線圓錐投影。

采用最大合成法[15]MVC(Maximum Value Composites)獲取生長季NDVI數(shù)據(jù)，如此可最大限度地消除云、大氣、太陽高度角的影響[16]，合成逐年最大值時選取像元可靠性為0和1的數(shù)據(jù)，得到高質(zhì)量的NDVI數(shù)據(jù)集，并利用青海省矢量邊界圖裁剪出2000-2015年逐年最大NDVI柵格圖像，以下NDVI無特殊說明的情況下均為年最大NDVI。

2.2 研究方法

2.2.1趨勢分析 最小二乘法[17]常被用于擬合NDVI隨時間的變化速率。以時間t作為自變量，NDVI 作為因變量y，擬合的直線方程為y=a+bt，b為NDVI隨時間t變化的線性回歸系數(shù)。按照最小二乘法分析每個像元內(nèi)的時間變化特征，當(dāng)b>0時，NDVI在這16年間的變化趨勢是增加的；反之則是減少。即b的統(tǒng)計學(xué)意義是NDVI逐年增加(或減少)一個單位：

式中變量i為1～16的年序號，NDVIi表示第i年的最大化NDVI值。利用NDVI序列和時間序列(年份)的關(guān)系來判斷NDVI年際間變化的顯著性，b>0，表示NDVI在這16年間的變化趨勢是上升的,反之則下降。趨勢的顯著性采用F檢驗，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關(guān)。統(tǒng)計量計算公式為：

2.2.2變異系數(shù) 變異系數(shù)(Coefficient of Variation, CV)反映變異程度，廣泛運(yùn)用于波動水平的分析中[18]，即標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海省植物NDVI 的空間格局

青海省地形復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)局部小氣候差異顯著，植被NDVI空間分布差異較大。從整個區(qū)域來看(圖2)，2000-2015年青海省NDVI的平均值為0.364。表現(xiàn)為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征。該分布的決定因素為降水季節(jié)特征和地形差異。三江源地區(qū)夏季受孟加拉灣西南季風(fēng)暖濕氣流的影響，加上地形抬升，使得降水充沛；柴達(dá)木盆地在暖濕氣流翻越青藏高原腹地到達(dá)該地后，水汽大減，加上昆侖山及其支脈的北坡形成下沉氣流，使得該區(qū)域氣候干燥少雨，荒漠化現(xiàn)象十分嚴(yán)重；環(huán)湖地區(qū)受青海湖“調(diào)節(jié)”作用及祁連山地形起伏的影響，形成上升氣流，使該區(qū)域降水充沛；東部農(nóng)業(yè)區(qū)受海洋季風(fēng)、地形起伏、人為種植結(jié)構(gòu)的影響，該區(qū)域植被長勢好。

不同功能區(qū)平均NDVI存在差異(圖3)，東部農(nóng)業(yè)區(qū)NDVI最大，達(dá)0.619，柴達(dá)木盆地最小，僅為0.138。這是因為生長季時期東部農(nóng)業(yè)區(qū)種植大面積農(nóng)作物，致使植被NDVI較大，而柴達(dá)木地區(qū)受惡劣氣候條件的影響，荒漠化面積巨大，加之人為過度干擾(放牧、城鎮(zhèn)化等)導(dǎo)致該地區(qū)長期NDVI處于低值。4個功能區(qū)NDVI頻度分布表明(圖4)，東部農(nóng)業(yè)區(qū)NDVI多數(shù)分布在0.735～0.809之間；柴達(dá)木盆地NDVI分布比較集中，波峰范圍為0.048～0.069，這些NDVI低值區(qū)主要是盆地內(nèi)部沙漠分布區(qū)，面積大分布廣；三江源地區(qū)NDVI頻度分布范圍較廣，呈“M”型的雙峰模型，其中一個波峰約在0.127～0.311范圍內(nèi)，代表地區(qū)為西部高寒荒漠生態(tài)系統(tǒng)，另一個介于0.615～0.817之間，代表地區(qū)為東部常年森林生態(tài)系統(tǒng)，這是因為三江源地區(qū)氣候條件優(yōu)越，大部分地區(qū)為生物量較高的高寒草甸，東西兩邊明顯的差異使得三江源地區(qū)NDVI頻度分布表現(xiàn)為雙峰模型；環(huán)湖地區(qū)NDVI頻度分布趨勢與東部農(nóng)業(yè)區(qū)類似，但波峰范圍略低，介于0.637～0.761之間，這是因為相對于以高寒草原為主的環(huán)湖地區(qū)來說，以農(nóng)田為主的東部農(nóng)業(yè)區(qū)NDVI略高。

圖2 青海省植被NDVI的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Qinghai

圖3 2000-2015年各功能區(qū)NDVI平均值Fig.3 The average NDVI of functional area from 2000 to 2015

3.2 基于像元的NDVI年際變化特征

3.2.1NDVI時空穩(wěn)定性分析 2000-2015年NDVI年際間穩(wěn)定性程度用變異系數(shù)CV表示。從圖6和表1可以看出，東部農(nóng)業(yè)區(qū)NDVI以高穩(wěn)定水平面積分布(CV=0～0.054)最大，占植被覆蓋區(qū)的38.97%，其次是較低穩(wěn)定性(CV=0.114～0.520)，較低穩(wěn)定性分布在湟水河流域和黃河流域兩側(cè)，這里受人為因素的影響，波動性較大。柴達(dá)木盆地NDVI的穩(wěn)定性水平以較低穩(wěn)定性為主，占植被覆蓋區(qū)的40.12%，這里氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，微弱的氣候變化都會使該區(qū)域的NDVI發(fā)生較大波動。三江源地區(qū)NDVI的穩(wěn)定性水平以中等(CV=0.061～0.114)程度為主，占植被覆蓋區(qū)的39.99%，高穩(wěn)定的地區(qū)集中在東南部森林植被類型覆蓋區(qū)。環(huán)湖地區(qū)以較低穩(wěn)定性分布最廣，占植被覆蓋區(qū)的35.96%。青海湖北岸山區(qū)穩(wěn)定性較高，南岸分布一“條帶”狀的穩(wěn)定性高值區(qū)，這一“條帶”狀的地區(qū)依托青海湖的旅游業(yè)常年種植同一作物油菜，因此，穩(wěn)定性較高，加上青海湖的水汽調(diào)節(jié)作用，使得周邊水分條件優(yōu)于環(huán)湖周圍的其他地區(qū)?？梢钥闯?，青海省穩(wěn)定性由植被長勢和人類活動共同決定。植被長勢好、草地保護(hù)力度大，穩(wěn)定性則高，如三江源地區(qū)東部，有些地區(qū)雖然植被長勢好，但人口密度大、種植結(jié)構(gòu)頻繁調(diào)整，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，如東部農(nóng)業(yè)區(qū)的河湟谷地。

表1 青海省各功能區(qū)穩(wěn)定性水平面積比例/%Table 1 Classification of volatility level and corresponding proportions of area in functional zone

圖5 各功能區(qū)穩(wěn)定性水平分布Fig.5 The distribution of level of vegetation volatility in functional area

圖6 青海省植被NDVI穩(wěn)定性空間分布Fig.6 Spatial distribution of vegetation volatility of NDVI in Qinghai

3.2.2NDVI趨勢分析 圖7反映了青海省及各功能區(qū)NDVI在2000-2015年間的變化趨勢，圖8反映青海省植被NDVI空間變化?？梢钥闯觯谶^去16年間青海省變化率為0.012·10a-1，各功能區(qū)與其變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出波動性緩慢上升趨勢，各功能區(qū)變化率分別為，三江源地區(qū)0.008·10a-1、環(huán)湖地區(qū)0.018·10a-1、東部農(nóng)業(yè)區(qū)0.037·10a-1、柴達(dá)木盆地0.015·10a-1，其中東部農(nóng)業(yè)區(qū)和柴達(dá)木盆地NDVI增加趨勢達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)。柴達(dá)木盆地是青海省重要的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，也是我國重點循環(huán)經(jīng)濟(jì)試驗區(qū)之一，然而生態(tài)風(fēng)險累積和水環(huán)境影響尤為突出[19]，在采取防風(fēng)固沙和水資源保護(hù)利用等一系列綜合措施后，該區(qū)NDVI得到明顯改善。東部農(nóng)業(yè)區(qū)水熱條件匹配好，且處于低海拔地區(qū)，植被光合作用和水分利用率均高于其他地區(qū)，加之人為有利活動的影響，使該區(qū)NDVI處于高值且利好發(fā)展。三江源地區(qū)NDVI的變化趨勢雖然不顯著，但從圖8可以看出，三江源地區(qū)的東北部有明顯的好轉(zhuǎn)，這部分區(qū)域通過植樹造林和退耕還草的方式改善了地表覆蓋狀況，進(jìn)而提高NDVI。結(jié)合圖2和圖8可以看出,環(huán)湖地區(qū)植被長勢好的地方NDVI在減小，反之好轉(zhuǎn)，這可能與放牧強(qiáng)度有關(guān)，生物量越高意味著更高的載畜量，牧民一味追求牲畜數(shù)量，不斷挑戰(zhàn)該地區(qū)草地承載力，反而生物量低的地區(qū)載畜量低，放牧強(qiáng)度低，加上封育及工程措施使得植被長勢差的地方逐漸趨好。

圖7 2000-2015年植被NDVI年際變化Fig.7 Inter-annual change of NDVI from 2000-1015

圖8 青海省植被NDVI變化率Fig.8 Change rate of NDVI in Qinghai

NDVI的空間變化反映了土地的變化。2000-2015年間青海省NDVI變化趨勢顯著性分析表明(表2)，發(fā)生極顯著減少、顯著減少、輕微減少、保持不變、輕微增加、顯著增加和極顯著增加的植被面積分別占全區(qū)總面積的0.71%，1.28%，19.90%，3.98%，40.96%，8.88%和6.91%，結(jié)合3.2.2分析可知，近16年間青海省植被NDVI整體上呈增加趨勢，其中15.79%的增加趨勢達(dá)到顯著。

表2 2000-2015年青海省植被NDVI變化趨勢統(tǒng)計結(jié)果Table 2 The statistics of NDVI change trend in Qinghai from 2000 to 2015

從空間分布上看(圖9)，植被NDVI極顯著增加的區(qū)域主要分布在東部農(nóng)業(yè)區(qū)的川水地區(qū)和柴達(dá)木盆地邊緣地區(qū)。顯著增加的區(qū)域廣泛分布在柴達(dá)木盆地、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、青海湖南岸及黃河源頭。極顯著減少和顯著減少的區(qū)域分布在長江源區(qū)以東、黃河源區(qū)以南、瀾滄江源區(qū)及環(huán)湖地區(qū)北部。綜合分析青海省植被NDVI處于整體趨好，局地輕度惡化。

4 討論

NDVI能夠很好的反映植被覆蓋度、生物量和生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化，被認(rèn)為是監(jiān)測陸地植被變化的最佳指示因子[18]。

從整個區(qū)域來看(圖2)，研究時間段內(nèi)NDVI的平均值為0.364。表現(xiàn)為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征，這與劉櫟杉[8]的結(jié)果一致。NDVI的空間差異主要原因在于，第一：地形影響 祁連山脈位于青海省東北部，西面地勢高，平行嶺谷緊密相間；柴達(dá)木盆地位于西北部，周圍有阿爾金山、祁連山、昆侖山環(huán)繞；青南高原占據(jù)青海省南部的廣大地區(qū)，面積近全省的一半，海拔多在5 000 m以上。第二：水熱條件 年降水量由東南向西北逐次減少，柴達(dá)木盆地中、西部大部在50 m以下，與之相反的是，該地區(qū)熱量條件為全省最高，青南高原和祁連山區(qū)為低溫區(qū)。第三：青海湖 青海湖作為最大的內(nèi)陸咸水湖，對周邊生態(tài)環(huán)境的調(diào)節(jié)作用不容忽視,前兩點使得柴達(dá)木盆地NDVI處于低值。三江源地區(qū)東部森林植被豐富，西部高寒荒漠面積大，使得該區(qū)NDVI頻度分布呈“M”型的雙峰模式。環(huán)湖地區(qū)水熱條件匹配較好，NDVI值較高，僅次于東部農(nóng)業(yè)區(qū)。

圖9 各顯著水平上NDVI變化率(極顯著P<0.01，顯著P<0.05)Fig.9 Significance test of NDVI trend(Highly significant P<0.01，Significant P<0.05)

從穩(wěn)定性來看，植被長勢和人類活動共同作用影響著青海省植被的穩(wěn)定性。東部農(nóng)業(yè)區(qū)在湟水河流域和黃河流域兩側(cè)有明顯的較低穩(wěn)定性分布，這可能是人類活動的影響對該區(qū)起主要作用，東部農(nóng)業(yè)區(qū)氣候條件好，適宜種植的物種多，極有可能是人為改變種植結(jié)構(gòu)造成了穩(wěn)定性水平較低?？拷嗪：习队幸弧皸l帶”狀的穩(wěn)定性高值區(qū)，這是因為“條帶”所在區(qū)域是每年生長季旅游觀光的圣地，常年種植油菜花供游客賞玩，人為種植單一物種使得該區(qū)域穩(wěn)定性較高。三江源地區(qū)東部植被長勢好，且受相關(guān)保護(hù)政策，比如禁牧和休牧等措施，穩(wěn)定性較高，然而，三江源地區(qū)中部和西部大范圍地區(qū)由于氣候條件惡劣，人為活動(如放牧、采藥)影響,處于非常脆弱的狀態(tài)，穩(wěn)定性較低。

從時間變化趨勢上看，青海省植被NDVI整體趨好，局地輕度惡化。尤其以柴達(dá)木盆地邊緣和東部農(nóng)業(yè)區(qū)淺山、川水地區(qū)趨好較明顯，這與之前的結(jié)果相似[11]。三江源地區(qū)植被呈改善趨勢，其中東南部改善較為緩慢，這與先前的[20-21]的研究一致，但西北部改善及長江源區(qū)以東和瀾滄江源區(qū)的零散退化區(qū)尚未提及。這可能與時間序列、數(shù)據(jù)獲取和實驗手段的差異有關(guān)。環(huán)湖地區(qū)植被好轉(zhuǎn)，變化率僅次于東部農(nóng)業(yè)區(qū)，這可能得益于該區(qū)氣候變暖和春秋冬降水量增多[10]，值得一提的是，環(huán)湖地區(qū)南部的共和盆地NDVI趨于好轉(zhuǎn)，這與該地區(qū)實施優(yōu)化牲畜結(jié)構(gòu)、生態(tài)移民等一系列工程措施密不可分，然而從該地區(qū)穩(wěn)定性來看依然處于劣勢，因此，遏制共和盆地沙漠化任重道遠(yuǎn)。

青海省植被生長對氣候因子的依賴性強(qiáng)，從空間分布特征便可得知?dú)夂騼?yōu)劣(圖2)，然而人類活動逐漸的消弱了這種依賴性，如東部農(nóng)業(yè)區(qū)中部、柴達(dá)木盆地東部、環(huán)湖地區(qū)西部、三江源地區(qū)東北部植被逐漸趨好(圖8、9)，東部農(nóng)業(yè)區(qū)的NDVI增長最快，不同于其他3個功能區(qū)，該區(qū)實施退耕還林、退牧還草、封育等一系列生態(tài)恢復(fù)工程措施的力度大、效果好。在本文中僅分析4個功能區(qū)，雖然它們有各自不同的優(yōu)勢生態(tài)系統(tǒng)，但并不單一，沒有考慮不同生態(tài)系統(tǒng)下的NDVI變化特征；另外，未能將人類活動對不同功能區(qū)的影響量化，后期將從這兩點出發(fā)在以后的研究中應(yīng)予以思考和分析。

5 結(jié)論

本文基于MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)，通過趨勢分析和穩(wěn)定性分析，揭示了2000-2015年青海省各功能區(qū)逐像元尺度植被NDVI時空變化規(guī)律，結(jié)論如下：2000-2015年青海省年最大NDVI的平均值為0.364，表現(xiàn)為東南偏高，西北偏低，由東南向西北、由東向西逐漸遞減的分布特征。除三江源地區(qū)NDVI頻度分布表現(xiàn)為雙峰外，其余3個功能區(qū)均表現(xiàn)為單峰，由大到小依次為東部農(nóng)業(yè)區(qū)、環(huán)湖地區(qū)、柴達(dá)木盆地；各功能區(qū)穩(wěn)定性均有差異，其中東部農(nóng)業(yè)區(qū)最大，柴達(dá)木盆地最低；過去16年間，植被NDVI極顯著增加的區(qū)域主要分布在東部農(nóng)業(yè)區(qū)的川水地區(qū)和柴達(dá)木盆地邊緣地區(qū)。