近20年内蒙古黄河流域植被覆盖时空变化_申丛林.pdf

近2 0年内蒙古黄河流域植被覆盖时空变化申丛林1 杨光1 韩雪莹1 张雨1 贺帅1 温雅琴2(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院 呼和浩特市 0 1 0 0 1 8;2.呼和浩特市水资源与河湖保护中心 呼和浩特市 0 1 0 0 2 0)作者简介申丛林(1 9 9 8年),男,硕士研究生,主要从事荒漠化遥感监测。通讯作者杨光(1 9 7 4年),男,博士,硕士生导师,主要从事荒漠化遥感监测。基金项目内蒙古自治区科技重大专项“黄土沟壑丘陵区智慧水土保持技术”(2 0 2 1 G G 0 0 7 0)。摘 要 厘清黄河流域内蒙古段植被覆盖时空变化是了解环境变化的重要形式,对科学改善生态环境有着重要意义。本文基于S P O T/V E G E T A T I ONN D V I时序数据,运用均值法、变异系数法、动态度分析等方法,分析内蒙古黄河流域植被覆盖时空格局和演化趋势。结果表明:1 9 9 82 0 1 8年间,内蒙古黄河流域不同时间类型N D V I呈现出增长趋势,但增长速率存在差异性,其中夏秋两季植被覆盖增长速率较为明显,春冬两季植被覆盖增长速率不显著;内蒙古黄河流域植被覆盖整体上得到改善,退化区域较少,呈现零散分布。N D V I随时间变化相关性方面:生长季N D V I 年最大值N D V I 秋季N D V I 夏季N D V I 春季N D V I 冬季N D V I。N D V I变化总体处于高态势波动变化过程,增幅面积最大的为中植被覆盖土地类型;在动态度程度分析方面:高植被覆盖动态度较高植被覆盖动态度中植被覆盖动态度低植被覆盖动态度中低植被覆盖动态度。关键词 植被覆盖;归一化植被指数;时空变化;内蒙古黄河流域 引言全球变暖进程持续加快,干旱、冰雹等极端天气频发,加剧了生态退化1-4。生态退化不仅会阻碍经济的发展,而且还会危及到人类的生存和发展。植被是陆地生态系统的重要组成部分,也是生态环境变化的综合指示器,它连接着大气、水体和土壤,在维护区域生态平衡、调节地球能量平衡、调节区域气候、保持水土等方面发挥着积极重要的作用5-8。黄土高原为黄河流域的主要输沙源,加上黄河流域特殊的地理位置和气候条件,造成流域内生态环境脆弱,黄河流域已经成为中国水土流失严重区域9。植被覆盖动态变化的动态监测对本区生态保护具有重要意义。归一化植被指数(N o r m a l i z e dd i f f e r e n tv e g e t a t i o ni n d e x,N D V I)是R o u s e等人首次提出的概念1 0。归一化植被指数(N D V I)常用于表征植被覆盖度、植被生长状况及变化等植被活动的情况,相比于其他监督植被动态变化的植被指数,能够更好反映植被的动态变化1 1。分析归一化植被指数的时空变化趋势,可清晰地判断某地区植被变化的情况,了解植被时空变化的过程和机理,从中找到改善环境的方式方法,为构建人与自然和谐相处的关系,促进中国经济绿色可持续发展提供参考1 2。我国研究者分别从全国、省份、流域等不同尺度对N D V I变化趋势进行研究。如刘宪锋等人利用G I MM SN D V I、MO D I SN D V I和气象数据,分析了自1 9 8 2年后3 0年间中国植被覆盖的时空变化,得出1 9 8 22 0 1 2年间我国N D V I整体呈现缓慢增加趋势,中高纬度山区植被活动呈现下降趋势1 3。杨波等人基于MO D I S2 5 0 mN D V I数据对还林还草工程后榆林 市N D V I时 空 变 化 趋 势 进 行 分 析,结 果 表 明2 0 0 02 0 1 7年之间榆林市N D V I累计增长8 8.5 6%,年均增长率为4.9 2%1 4。但上述研究存在一些不足之处,研究时段多为N D V I起止时间,忽略了遥感影像时间序列连续性的特点。对连续时间序列的遥感影像研究,将会是植被覆盖的变化过程及趋势变化监测的重要内容1 5。因此,选取内蒙古黄河流域作为研究区,基于2 1年(1 9 9 82 0 1 8)S P OT/V E G E T AT I ON N D V I时序数据,运用均值法、变异系数法、动态度分析法等方法,分析近内蒙古黄河流域植被覆盖时空格局和演化趋势,旨为黄河流域生态文明建设提供建议,为黄河流域保护提供依据,保障内蒙古黄河流域生态保护和经济的高质量健康发展。1.研究区概况内蒙古黄河流域处于黄河中上游流域,位于北纬3 7 3 0 4 1 5 0,东经1 0 6 0 0 1 1 3 0 0,流经内蒙7个盟市4 1个旗县区,总面积约为1 5.21 04k m2,占整个黄河流域面积的1 9%。黄河部分上游和全部中游地段形成几字弯环抱地区1 6。由宁夏的石嘴山市进入内蒙古自治区,流经乌海市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市和呼和浩特市,由准格尔旗出境,全长约为8 3 0 k m。海拔9 0 01 5 0 0 m,多年平均天然年径流量为3 3 5.91 08m3。流域地貌类型多样,分布有沙漠、高原、丘陵、山地、平原,地处干旱、半干旱气候区,冬季漫长寒冷、春季干旱。多年平均气温在6.6 3左右,多年平均降水量1 2 0 mm4 2 0 mm。境内支流有都思兔河大黑河、纳林河、红柳河和乌兰木伦河等。471DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.050图1 内蒙古黄河流域研究区域图2.数据来源和研究方法2.1数据来源本文月度N D V I数据来源于中国科学院环境科学与数据中心(h t t p s:/www.r e s d c.c n/)。月度植被指数(N D V I)空间分布数据集是每1 0天基于S P OT/V E G E T AT I ONN D V I卫星遥感数据,采用最大值合成法生成。该数据集(2 5 2幅影像)能够有效地反应植被盖度时空分布和演变情况,对植被变化监测、植被资源合理利用和其他相关领域的研究有着非常重要的参考意义。根据内蒙古黄河流域边界线,利用A r c G I S 1 0.2中的裁剪工具进行裁剪获得内蒙古黄河流域N D V I数据集。2.2研究方法2.2.1均值法通过计算月N D V I累计后的平均值来计算内蒙古黄河流域不同类型N D V I1 7。计算公式为:(1)式中ND V I表示植被累计月均N D V I;mi=nND V It表示第t年第n月到第m月的N D V I累记值;k表示相隔月数。春季(35月)、夏季(68月)、秋季(91 1月)、冬季(1 2月1月)、生长季(59月)。2.2.2一元线性回归趋势分析法一元线性回归趋势分析法用于模拟每个栅格的变化趋势,能够反映不同时期N D V I变化趋势的空间特征1 8。与插值法相比,该方法消除了研究时段端点年份偶发性异常因素的影响。本文采用该方法模拟内蒙古黄河流域植被盖度的演化规律其计算公式为:(2)式子中,i为年序号;n为总年数;I N D V I,i为第i年生长季;s l o p e为各像元变化趋势的斜率,根据检验结果将变化趋势分为显著减少(s l o p e0)、显著增加(s l o p e0)和变化不 显著(s l o p e=0)三种情况。2.2.3转移矩阵分析法土地利用的转移矩阵就是通过研究同一个研究区域不同时间序列的土地覆盖变化的关系,求一个二维矩阵的过程。在转移矩阵中,行表示土地利用类型的转入面积,列则代表转出面积1 9。土地利用转移矩阵的数学形式如下:(3)公式中S i j为k时期第i种土地类型向j类土地类型的面积转化;i为两个时期中前一时期的土地利用类型;j为两个时期中后一时期的土地利用类型;n是一个时期内土地利用类型的总数。在A r c G I S平台下,对2期分类后数据进行分析,结合数理统计方法,在E x c e l中得到土地利用变化转移矩阵表,从而确定1 9 9 82 0 1 8年间土地利用相互转化的数量和方向。2.2.4动态度分析法本文采用单一动态度进行分析在一定时间范围内各类N D V I的土地面积的变化情况2 0。单一土地利用的动态度计算公式如下:(4)公式中K T表示在研究时段内某一N D V I土地利用 类 型 的 年 平 均 变 化 率;Ua表 示 起 初 研 究 的N D V I土地类型的面积;Ub表示研究期末的N D V I土地类型的面积;T为研究时长,以年为单位。2.2.5稳定性分析法本文 用 变 异 系 数 去 表 征 每 个 像 元 在2 1年 间N D V I值的变化情况。变异的系数大说明时间序列的波动大,时序不稳定;变异系数越小则说明时间序列数据分布集中,波动小,时序较稳定2 1。变异系数为标准差与平均数的比值,变异系数的计算方法为:(5)公式中,C V为变异系数;N D V I i为第i年的生长季或季节N D V I;N D V I为1 9 9 82 0 1 8年的N D V I平均值;n为研究年数。3.结果与分析3.1N D V I时间变化特征由图中2可知,1 9 9 8-2 0 1 8年,生长季N D V I呈现出显著增加趋势,增长速率为0.0 3 3/1 0 a;生长季N D V I最大值为0.3 0 4,出现在2 0 1 3年;生长季N D V I最小值约为0.2 0 5,出现在2 0 0 1年;生长季N D V I通过了置信度检验,R值为0.5 2。年最大值N D V I为每年1 1 2月份月N D V I数值最大值。从图中可知,2 1年来黄河流域内蒙古段年最大N D V I呈现显著的波动增加趋势并通过了置信水平571 资源综合P 0.0 0 1的显著性检验。N D V I最大值出现在2 0 1 2年,约为0.4 1 7;N D V I最小出现在2 0 0 1年,约为0.2 7 2;N D V I的变化速率为0.0 4 6/1 0 a,R值为0.5 1。春季N D V I呈现出平稳不显著逐年增加,增长速率只有0.0 0 6/1 0 a;N D V I并未通过显著性检验。夏季N D V I呈现出明显的波动增加趋势并通过置信水平P0.0 0 1的显著性检验;N D V I的变化速 率为0.0 3 8/1 0 a。秋季N D V I同样呈现出逐年增加的趋势,增长速率为0.0 2 3/1 0 a并通过了P年最大值N D V I 秋季N D V I 夏季N D V I春季N D V I 冬季N D V I。图2 1 9 9 82 0 1 8年内蒙古黄河流域植被时间变化3.2N D V I空间变化特征3.2.1N D V I空间分布特征研究内蒙古黄河流域1 9 9 82 0 1 8年N D V I的空间分布格局,本文从像元尺度计算了N D V I的2 1 a平均值,将N D V I分为5大类,分别为低植被覆盖度(0N D V I 0.2)、中低植被覆盖(0.2N D V I0.4)、中植被覆盖(0.4N D V I 0.6)和中高植被覆盖(0.6N D V I 0.8)、高植被覆盖(0.8N D V I 较高植被覆盖动态度中植被覆盖动态度低植被覆盖动态度中低植被覆盖动态度。在1 9 9 82 0 0 5年,较 高 植 被 覆 盖 动 态 度 为6.3 7%,增加面积为3.7 71 03k m2,主要由中植被覆盖土地转化。自2 0 0 5年绿水青山就是金山银山的科学论断的提出,较高植被覆盖动态度在2 0 0 52 0 1 2年和2 0 1 22 0 1 8年间趋 于稳定增长。2 0 0 52 0 1 2年,中低植被覆盖面积和低植被覆盖面积分别减少3.2 81 04k m2、6.7 11 03k m2;中植被覆盖和较高植被覆盖和高植被覆盖面积增加,但高植被覆盖面积增加较小为6 9 0.9 5 k m2;说明中低植被覆盖和低覆盖植被地区得到改善,高覆盖植被地区稳定性较好并呈现逐年段增加,封山育林育草、禁牧等措施得到成效。2 0 1 22 0 1 8年,低植被覆盖面积呈现增加是因为该区域主要分布在内蒙古黄河流域的西部地区,该地区天气异常干旱,水