青海省主要類型天然草地EVI動態變化

陳 鐘,馮琦勝,黃曉東,梁天剛

（蘭州大學草地農業科技學院 農業部草地農業生態系統學重點實驗室,甘肅 蘭州 730020）

①增強型植被指數（Enhanced Vegetation Index,EVI）數據是搭載于對地觀測衛星（Earth Observing Satellites,EOS）系列上的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spect roradiometer,MODIS）的主要陸地產品之一。在歸一化植被指數（Normal Different Vegetation Index,NDVI）的基礎上,1988年Huete[1]提出抗土壤植被指數（Soil Adjusted Vegetation Index,SAVI）,1992年 Kaufman和Tanre[2]提出大氣抵抗植被指數（Atmospherically Resistant Vegetation Index,ARVI）,1995年Liu和Huete[3]成功引入反饋項,同時對大氣和土壤因素進行訂正,提出EVI,其計算公式為：

式中 ,ρNIR、ρRed和 ρBlue分別為近紅外、紅光和藍光波段的表觀反射率或者方向反射率,L為土壤調節參數,C1和C2是大氣調節參數,G為增益系數。在EVI計算中,通常取L=1,C1=6,C2=7.5,G=2.5[4]。

相對于NDVI,EVI在大氣校正、土壤噪音消除等方面有了明顯改善,提高了對高生物量區的敏感度,高覆蓋區不易飽和[5],季節變化明顯[6],但也有人認為在藏北高原NDVI較EVI能有效地估算草地地上生物量和綠色干物質獲得量[7]。基于EVI的草地研究日趨成熟,目前主要用于與地面數據結合建立生物量估測模型；與水、熱、土壤等因素結合分析草地時空變化；草地病蟲害、火災、旱災監測等方面。Yang等[8]利用EVI與地面實測數據對青藏高原草地地上生物量及其空間格局的研究表明,降水和土壤結構共同影響著高海拔地區的植物生長。陶偉國等[9]將草地利用狀況作為虛擬變量引入遙感估產模型,精度達79%。黃曉東等[10]、李霞等[12]發現,植被指數與水、熱的相關關系和植被生長狀況成正比。趙偉和李召良[12]利用HANTS變換算法對EVI數據進行去云處理和插值,得到更為精確的EVI時間序列數據。但對于EVI在更長時間尺度上的變化情況,還鮮有報道[13]。研究使用2002—2008年EVI數據和波動系數,對青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類草地植被指數的季節,年變化動態進行了初步探討,以期為更深入地利用EVI研究草地狀況提供科學依據。

1 研究區概況

青海省古稱西海、鮮水海、卑禾羌海,自十六國時期始稱青海。藏語稱錯溫波,蒙古語稱庫庫諾爾,均意為青色的湖。位于我國西北地區,地處青藏高原東北部,89°35′～ 103°04′E,31°39′～39°19′N,面積 70.82 萬 km2,毗鄰甘肅 、四川 、西藏、新疆。全省地貌復雜多樣,80%以上的地區為高原,平均海拔3 000 m以上。地形分為祁連山地,青海湖盆地、西寧盆地、柴達木盆地及青南高原三大自然區域。境內祁連山、巴顏喀拉山、阿尼瑪卿山、唐古拉山等山脈橫亙,青海湖是我國最大的內陸咸水湖。氣候屬典型的高原大陸氣候,干燥、少雨、多風、缺氧、寒冷,地區間差異大,垂直變化明顯。年平均氣溫-4.7～9.4℃,年降水量17.2～745.9 mm,年日照時數 2 255～3 183 h[14],利于草類植物[15]的生長。青海是長江、黃河、瀾滄江等大河的發源地,主要居住有漢、藏、回、蒙古、哈薩克等民族,少數民族人口約占總人口的39%。經濟以農牧業為主,全省天然草地面積3 636.97萬hm2,占全省土地面積的51.36%,位居全國第 4,天然草地中可利用草地面積達3 153.07萬hm2,理論載畜量2 870.01萬只羊/a[16]。高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類的草地面積之和占青海省天然草地總面積的85.64%（表1）,是青海省的主要草地類型。

表1 青海省各類草地面積及載畜能力[16]

2 材料與方法

2.1MODIS數據MODIS EVI數據是空間分辨率為 1 km的每月最大 EVI圖像,來自NASA/MODIS陸地產品組按照統一算法開發的MODIS植被指數產品MOD13A3數據集,數據下載自https：//wist.echo.nasa.gov,空間位置在全球正弦曲線投影（Sinusoidal projection,SIN）系統中的編號為h25v05和h26v05,格式為EOS-HDF,時間序列為2002年1月至2008年12月,共計84個時相168幅 EVI圖像,值域范圍-2 000～10 000。

2.2MODIS數據處理MODIS數據的處理方法主要包括：1）轉換投影和圖像格式,地圖拼接。利用MODIS Reprojection Tools將下載數據由HDF轉為TIF格式,地圖投影由SIN轉換為WGS84/Geographic,并完成圖像的空間拼接。2）提取植被指數。利用ArcMap的Conversion Tools模塊將圖像轉為Grid格式,使用Spatial Analyst Tool模塊進行歸一化處理,利用Data Management Tool模塊將投影轉為Krasovsky_1940_Albers,同時進行重采樣,像元大小為1 000 m,在青海省草地類型圖上針對高寒草甸、高寒草原、溫性草原3類草地隨機選取74個樣點,生成Grid格式的點文件,使用Spatial Analyst Tools模塊提取對應的EVI值。3）計算相同草地類型2002年1月至2008年12月采樣點EVI的逐月值、平均值、年最大值、逐月波動系數（Cv）。Cv計算公式為：

式中,n為樣點數,xi是每個樣點的EVI值,表示相同草地類型所有采樣點的EVI逐月平均值。

3 不同類型草地EVI月變化動態

3.1 高寒草甸類主要分布在青南高原、祁連山地、青海湖環湖等地,海拔 3 000～4 800 m,是青海省面積最大的草地類。主要為典型高寒草甸亞類、沼澤化高寒草甸亞類和鹽化高寒草甸亞類。典型高寒草甸亞類以高山早熟禾Poa alpina、高山嵩草Kobresia pygmaea、矮生嵩草K.humilis、線葉嵩草K.capillif olia、北方嵩草K.bellardii、禾葉嵩草K.gramini folia、大花嵩草K.macrantha、黑褐苔草Carex atrof usca、圓穗蓼Polygonum macrophyllum、珠芽蓼P.vivipa-rum等為優勢種,也有與高山柳Sali x taiwanalpina、金露梅Potentilla f ruticosa、杜鵑Rhododendron simsii等組成具灌叢景觀的高寒草甸；沼澤化高寒草甸亞類以西藏嵩草K.tibetica、藏北嵩草K.littledalei、甘肅嵩草K.kansuensis、華扁穗草Blysmus sinocompressus等為優勢種；沼澤化高寒草甸亞類主要以裸花堿茅Puccinellia nudi f lora等為優勢種。草群蓋度60%～90%,草層高度10～25 cm,鮮草產量2 955.30 kg/hm2[17],載畜能力0.98 hm2/（a·羊單位）（表1）。

青海省高寒草甸類EVI月動態如圖1所示。EVI為0.077 8～0.429 1。峰值出現在8月,5月草類植物返青,EVI月平均值由0.130 3增至0.178 2,此后進入快速生長期,6月至9月為盛草期,EVI同月平均值在0.308 6以上,9月至11月草類植物逐漸枯黃,EVI同月平均值降至0.119 1,之后進入休眠期。

高寒草甸類EVI波動系數月動態如圖2所示。Cv為6.80%～66.25%；5月達到峰值,同月平均值31.36%,5月至10月總體偏高,同月平均值在23.10%以上,說明高寒草甸類植物在該時段各地生長情況不盡相同,差異性明顯；1月至4月、11月、12月趨于穩定,平均值在 14.64%以下,12月最低,為11.11%,說明此時段不同地域高寒草甸的長勢趨同。高寒草甸類是3種草地類中同時段長勢差異最小的類型。

圖1 高寒草甸類EVI月動態

圖2 高寒草甸類EVI波動系數月動態

3.2高寒草原類主要分布于青南高原西部、北部,昆侖山內部山地及祁連山西段高山帶。以紫花針茅Stipa purpurea、青藏苔草C.moorcrof tii等為優勢種,常見伴生種有早熟禾Poaspp.、苔草Carexspp.等,草群蓋度 30%～50%,草層高度10～30 cm,鮮草產量1 321.95 kg/hm2[17],載畜能力3.44 hm2/（a·羊單位）。

青海省高寒草原類EVI月動態見圖3。EVI為0.070 6～0.217 9。同高寒草甸類EVI的月動態類似,5-10月植物長勢旺盛,EVI變化明顯,同月平均值在 0.108 1以上,8月最高,為0.209 1,其余各月趨于穩定,變化范圍0.087 3～0.090 7。

高寒草原類EVI波動系數月動態如圖4所示。Cv為16.44%～66.76%。5月至10月總體偏高,同月平均值在35.94%以上,8月達到峰值,為57.27%,此時植物生長差異性最大；1月至4月、11、12月較低,平均值在25.53%以下,3月最低,為 21.09%。

3.3 溫性草原類主要分布在祁連山地、共和盆地、青海湖盆地和柴達木盆地東部一帶,海拔2 800～3 500 m。以平原丘陵草原亞類、山地草原亞類為主。西北針茅S.sareptanavar.krylovii、芨芨草Achnatherum splendens、青海固沙草Orinus kokonorica、冰草Agropyron cristatum等為優勢種,伴生有草地早熟禾P.pratensis、冷蒿Artemisia f rigida、賴草Leymus secalinus、苔草、錦雞兒Caraganasp.等。草群蓋度30%～65%,草層高度 15～50 cm,平均鮮草產量2 118.68 kg/hm2[16],載畜能力1.48 hm2/（a·羊單位）。

圖3 高寒草原類EVI月動態

圖4 高寒草原類EVI波動系數月動態

圖5 溫性草原類EVI月動態

青海省溫性草原類EVI月動態如圖5所示。EVI為0.078 8～0.240 2。5月至10月變化明顯,EVI 5月平均值在0.131 2以上,7月最高,為0.224 2,1月至 4月、11月、12月為 0.085 7～0.099 1。

溫性草原類EVI波動系數月動態如圖6所示。Cv為19.42%～72.48%。5月至 10月,同月平均值在30.74%以上,5月即達到峰值61.00%,此時植物生長差異性最大,此后逐漸降低；1月至 4月、11月、12月同月平均值在28.54%以下,12月最低,為21.75%。

4 不同類型草地EVI年變化動態

圖6 溫性草原類EVI波動月動態

圖7 青海省3種草地類型EVI年動態

圖8 青海省3種草地類型EVI年最大值

青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類EVI年動態見圖7。3種草地類EVI值都具有波峰波谷相間連續變化的特點。高寒草甸類在整個生長季EVI值明顯高于另外2種草地類,呈陡升陡降；其他時間差值較??；最大值0.429 1出現在2004年8月,最小值0.077 8為2008年11月。高寒草原類在生長季EVI值略低于溫性草原類,且盛草期往往較溫性草原推后1個月；其他時間二者變化趨同。高寒草原類最大值0.279 1出現在2007年8月,最小值0.070 6為2008年11月。溫性草原類最大值為0.240 2,出現在2002年7月,最小值0.078 8為 2002年1月。2002—2008年,青海省高寒草甸類 EVI年最大值介于0.382 6～0.429 1,其最大值出現在 2004年,2008年EVI值最小；高寒草原類EVI年最大值介于0.202 4～0.217 9,其最大值出現在 2007年,2004年EVI值最?。粶匦圆菰怑VI年最大值介于0.210 8～0.240 2,其最大值出現在2002年,2003年EVI值最小（圖8）。由圖7和圖8得出,青海省高寒草原類和溫性草原類的EVI值比較接近,高寒草甸類EVI遠高于高寒草原類和溫性草原類的值；2003年和2008年高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類草地EVI值總體較低。

5 結論

5.1青海省高寒草甸類、高寒草原類和溫性草原類3種天然草地類型EVI月最大值可以較好地反映草地生長狀況及其月度變化過程,具有與草地生長變化較高的一致性。3種草地EVI都不同程度地反映出月度、季節差異,以高寒草甸類最為突出,變化差值達到0.35,其余依次為高寒草原、溫性草原,差值分別為0.16和0.04。溫性草原類差異最小,與EVI對低生物量的敏感性差于對高生物量的有關。而且生物量越高,其月度、季節變化的周期性越明顯,周期變化越完整。

5.2不同草地類型EVI年最大值變化趨勢各異。高寒草甸類年最大值在2004年,最小值在2008年；高寒草原類最大值在2007年,最小值在2004年；溫性草原類最大值在2003年,最小值在2002年。這種差異與氣候、土壤、草地組成等因素的綜合作用相關。

5.3同一草地類型內部,不同位置在同一時段的生長是有差異的。溫性草原類差異最大,高寒草甸類差異最小。不同草地類型在同一時段的差異不盡相同。青海省高寒草甸類、溫性草原類在5月達到峰值,高寒草原類在6月達到峰值。

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