青藏高原草地植被指數時空變化特征

馬琳雅，黃曉東，方 金，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)

自1999年起,美國開始了第二階段對地觀測系統(earth observation system,EOS)計劃,TERRA-MODIS數據將逐步取代NOAA-AVHRR數據。相對于AVHRR傳感器來說,MODIS數據在保留了AVHRR功能的同時,在數據波段數目和數據應用范圍、數據分辨率、數據接收和數據格式等方面都作了相當大的改進[1-2]。增強型植被指數(enhanced vegetation index，EVI)是對AVHRR-NDVI的繼承和改進，它依托MODIS提供的豐富信息，以及過去10年對植被指數的研究，在植被指數和合成算法方面都作了改進。增強型植被指數MODIS-EVI 原理和特點:(1)MODIS-EVI對基礎數據進行全面的大氣校正；(2)MODIS-EVI采用“大氣抵抗植被指數”對殘留的氣溶膠做了進一步校正；(3)MODIS-EVI采用“抗土壤植被指數”對土壤背景影響做了校正；(4)MODIS-EVI綜合處理土壤、大氣飽和問題。此外還發現，EVI 計算對原始數據質量有嚴格要求，如果有殘留云霧或其他大氣噪音，可能產生異常大的EVI 值，為后續合成增加了困難。所以，嚴格的去云處理和大氣校正是EVI計算和合成的前提。此外，對EVI性能改善檢驗，還需要用其他生物物理參數(如NPP,LAI)，尤其是對地面實測數據進行驗證。MODIS-EVI的合成算法的確提高了選擇小視角最佳像元的機會。MODIS-EVI 使植被指數與不同覆蓋程度植被的線性關系得到明顯改善，尤其在高覆蓋區表現良好[3]。

鑒于青藏高原獨特的植被地域特征，本研究對青藏高原的不同草地類型植被指數的時空變化特征進行全面分析。研究過程中選擇各種草地類型的地面實測樣點,以實測的草地覆蓋度、草群高度等輔助數據分析植被指數的變化特征,為植被指數的時空變化特征分析提供參照信息,對草地類型監測、草地產量估測具有十分重要的意義。

1 研究區域概況

研究區草地植被的覆蓋面積為117.7萬km2,占其植被總面積的63.9%。研究區草地類型以及地面實測樣點數據具體分布如圖1所示，草地類型圖的比例尺為1∶400萬。青藏高原面積最大的生態系統是草地生態系統，而青藏高原草地類生態系統的穩定性,關系著我國氣候的穩定[4-5]。雖然青藏高原平均海拔超過4 000 m，高寒草地類占草地總面積的94%，但因輻射特強，日照豐富，牧草品質優良，營養豐富，具有高蛋白、高脂肪、高無氮浸出物及產熱值和低纖維素“四高一低”的特點，成為我國發展草地畜牧業的主要基地之一[6-7]。草地是發展畜牧業的重要物質基礎,開展草地畜牧業可持續發展的研究具有十分重要的意義[6]。近年來，人為活動的干擾,草地生態系統受到嚴重破壞,土壤水分保持功能逐漸減弱,江河源頭日漸干涸,青藏高原自然生態環境呈現惡化的趨勢[8-9]。

圖1 研究區草地類型以及地面實測樣點分布

2 數據獲取與處理

2.1MODIS數據處理及EVI 提取 目前廣泛應用的植被指數NDVI的缺陷主要表現在:由于對原始數據大氣噪音處理有限,被迫采用可以部分消除大氣噪音但有明顯缺陷的比值算式,結果NDVI在高植被覆蓋區容易飽和。此外,NDVI也沒有考慮背景土壤噪音的影響,MMVC(monthly maximum value composite)合成方法也不能確保選取最小視角內的最佳像元等。這些缺陷可能使某些定量研究的質量受到一定影響。MODIS增強型植被指數——EVI對原始數據經過較好的大氣校正,所以EVI的設計避免了基于比值的植被指數的飽和問題。同時,利用藍光和紅光對氣溶膠的差異,采用“抗大氣植被指數”可進一步減小氣溶膠的影響,采用“土壤調節植被指數”可減少土壤背景的影響,耦合以上兩種植被指數,開發了同時減少大氣和土壤背景影響的“增強型植被指數(EVI)”。EVI在這些方面的改進,為遙感定量研究提供了較好的基礎[10]。綜上所述，本研究選擇MODIS-EVI數據。采用月最大值合成方法MMVC生成,其中EVI 優先選擇晴天時傳感器視角最小的像元進行合成[3]。

EVI=2.5×(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+C1ρRed-C2ρBlue+L)

式中,ρNIR、ρRed和ρBlue分別為經過大氣校正的地面反射率；L=1,為土壤調節參數；C1和C2分別為6.0和7.5,可通過ρBlue修正大氣對ρRed的影響。對提取出來的EVI值作歸一化處理,計算各月相同草地類型的EVI的平均值、標準偏差和波動系數[11]。

由于5-10月的數據變化幅度大，能夠表現出草地植被的生長變化趨勢，因此選擇5-10月的數據進行分析。不同月份的標準差和波動系數的數值均在正常范圍內浮動(表1)，說明植被指數數據離散程度不大，距離植被指數平均值的變化幅度合理。

總體上看，各種草地類型植被指數波動系數變化不大，各種草地類型植被指數波動系數最大值平均為11.606%，最小值平均為1.973%，沼澤類的植被指數平均波動最大，為8.662%；高寒草原類的植被指數平均波動最小，為3.672%(表2)。說明沼澤類植被指數距離平均值變化幅度較大，高寒草原類植被指數距離平均值變化幅度較小，其他草地類型植被指數的變化幅度在兩者之間。

表1 各種草地類型7年月均EVI值統計特征

表2 不同草地類型的植被指數波動特征

2.2地面實測數據 地面觀測數據來自青海和西藏的樣點(圖1)，樣方總數1 690個。共11種草地類型，包括高寒草甸草原、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草原、高寒灌叢草甸、山地草甸、山地草原、溫性草原、沼澤、溫性荒漠、低地草甸，各種草地類型的具體樣點統計情況見表3，樣方面積均為1 m2。實測數據包括草地蓋度和高度，用來輔助分析遙感數據(根據樣點提取2002-2008年共84個月的MODIS數據)，時間范圍為2005和2006年7-9月，因為研究區7-9月達到最大盛草期[12]。

表3 不同草地類型樣點統計

3 草地植被指數月際以及年際變化分析

3.1植被指數月際變化動態

3.1.1高寒草甸類植被指數月際變化特征 高寒草甸類草地的氣候屬于高原大陸性氣候，具有氣溫低、雨量充沛、日照充足、輻射強、無絕對無霜期等特點，主要出現在高寒草甸土上。高寒草甸類是青藏高原草地的主體，約占青藏高原天然草地的1/3左右，由多年生中生草本植物為主而形成的低草草地[13-14]，是長期適應所處的氣候條件而形成的以嵩草屬(Kobresia)植物為建群種或優勢種的植物群落,草地生態系統極其脆弱，以嵩草(K.bellardii)為主的草甸是青藏高原和亞洲中部高山帶的一個特有類型。該草地類型主要植物種類包括嵩草、委陵菜(Potentillachinensis)、早熟禾(Poaannua)、苔草(Carextristachya)、蓼科(Polygonaceae)植物、羊草(Leymuschinensis)等。根據植物生活型特點，草地植被可以分為禾草(Gramineae)、雜草和豆科(Leguminosae)草[15]。5月牧草開始返青，EVI值由0.200 0增至0.327 0，增幅明顯，表明植被在5-6月生長迅速，平均每日增長0.004 2(圖2)。EVI峰值出現在8月，為0.438 0。5-10月草地植被茂盛，植被指數呈現出先上升后下降的趨勢，符合自然條件下植被的生長變化情況，10月后草地開始枯黃，植被指數開始明顯下降，進入休眠期，1-4月和11、12月相比植被指數變化不明顯。此種草地類型波動系數11月最大，1月最小(表2)。

3.1.2山地草甸類植被指數月際變化特征 山地草甸類草地因分布范圍廣，面積大，草質好，產草量高，被各地視為優良的天然草地，不僅可以用來放牧各種家畜，而且還是各地的天然割草地。山地草甸類的生產力隨水、熱條件的變化而變化，在植物種類組成上，以中生的多年生草本植物為主，但山地草甸類的形成主要決定于大氣降水和大氣濕度[13-16]。以針茅(Stipacapillata)、芨芨草(Achnatherumsplendens)和冰草(Agropyroncristatum)為主要優勢種,賴草(L.dasystachys)、中華羊茅(Festucasinensis)和冷地早熟禾(P.crymophila)為常見種[17]。地面實測植物種有嵩草、苔草、針茅、委陵菜、早熟禾、披堿草(Elymusdahuricus)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、冷蒿(Artemisiafrigida)等。EVI為0.104 0～0.421 0,峰值均出現在7月。5月草地返青后,植被指數在7月達到最大值。8月仍是盛草期,由于氣候轉冷,植被指數下降,但變化緩慢。9月植被指數下降明顯，EVI每日降幅為0.003 0(圖2)。隨著天氣進入冬季,山地草甸類進入枯草期。EVI波動最大在10月,波動最小在11月(表2)。

圖2 高寒草甸與山地草甸EVI月際變化比較

3.1.3高寒草原類植被指數月際變化特征 高寒草原類是青藏高原廣泛水平地帶性分布的植被類型之一，它不僅是亞洲中部高寒環境中典型的生態系統之一，而且在世界高寒地區也極具代表性[18]。生態系統為以紫花針茅(S.purpurea)為建群種的叢生禾草或根莖苔草高寒草原,群落混生有較多青藏苔草(C.moorcroftii),形成二者共優的高寒草原生態系統,此區主要土壤類型為莎嘎土(高寒草原土)[19-20]。草群稀疏，低矮；生長季節短，草產量低；營養價值高，適口性好[13]。研究區該類草地主要有早熟禾、委陵菜、披堿草、黃芪(Astragalussp.)等植被種類。EVI為0.092 0～0.275 0,峰值出現在8 月(圖3)。高寒草原類5月返青,此時EVI值為0.137 0,之后的6和7月植被指數不斷增加,至8月達最大值,但明顯小于青藏高原高寒草甸類最大值。9-10月氣溫逐漸降低,植被指數變小,平均每日EVI降幅是0.002 6。11月開始進入冬季，植被指數繼續降低,但11月后植被指數降幅較小，趨于不變,11月EVI為0.101 0,草地進入休眠期。植被指數波動最大值出現在5月，最小值出現在4月(表2)。

3.1.4溫性草原類植被指數月際變化特征 溫性草原類是由典型旱生或廣旱生植物組成的，以旱生叢生禾草為優勢，伴生著少量中旱生牧草，有時混生旱生灌木或小半灌木群落[21]。主要伴生植物有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、唐古特韭(Alliumtanguticum)、異葉青蘭(Dracocephalumheterophyllum)、豬毛菜(Salsolacollina)、黃芪、藜(Chenopodiumalbum)、冷蒿等[22]。地面實測還有冰草、固沙草(Orinusthoroldii)、嵩草等植物種。草地群落中多年生非草類植物占優勢,多年生禾草次之,一年生非禾草類植物最少[23]。EVI為0.102 0～0.296 0(圖3)。與高寒草甸類、高寒草原類相比，溫性草原類植被指數整個生長期內變化趨勢相似，EVI 最大值出現在8月。EVI值5月開始增長，在7-8月增幅較小,8月達到最大值后開始減小，9月植被指數開始下降，進入草原的休眠期。11月后EVI值趨于不變。植被指數最大波動在5月,最小波動在3月(表2)。

圖3 高寒草原、溫性草原、高寒草甸草原EVI月際變化比較

3.1.6高寒荒漠草原類植被指數月際變化特征 青藏高原西部，平均海拔4 500 m以上分布有高寒荒漠草原類，該地區氣候寒冷干旱，植物群落結構簡單，產草量極低[14]。研究區該類草地實測主要植物種類有苔草、嵩草、火絨草、針茅、委陵菜等。EVI為0.075 0～0.139 0,峰值出現在8月(圖4)。高寒荒漠草原5月EVI值為0.081 0,之后的6和7月植被指數雖不斷增加,但升幅較小，至8月達最大值,但較前幾種草地類型明顯偏低。9-10月氣溫逐漸降低,植被指數變小。11月開始進入冬季，植被指數繼續降低,但11月后植被指數趨于穩定,11月EVI為0.079 0,草地進入休眠期。植被指數波動最大值出現在6月，最小值出現在2月(表2)。

3.1.7溫性荒漠類植被指數月際變化特征 溫性荒漠類草地是在極端干旱的氣候條件下,由旱生的灌木和半灌木植物組成的植被類型[25]。溫性荒漠類草地土壤種子庫與草甸草原、矮嵩草草原及荒漠草原相比種子數量貧乏[26-28]。這一方面是因為溫性荒漠草地植被稀疏,蓋度較小；另一方面長期的過度放牧利用和砍伐薪柴導致一些植物不能形成生殖枝,不能正常開花結實。蒿類半灌木荒漠草地是主要類型，蒿類半灌木春季返青晚,生長勢弱,一年生草萌發早,生長快,早春在草群中占據一定地位[29]。地面實測有冷蒿、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、狗哇花(Heteropappushispidus)、合頭草(Sympegmaregelii)、豬毛菜、黃毛頭(K.sinicum)等植物種類。研究區溫性荒漠5月牧草開始返青，EVI值由0.063 0增至0.069 0，增幅不明顯(圖4)。EVI峰值出現在8月，為0.108 0，與其他草地類型比較是最低值。5-10月草地植被相對茂盛，雖然植被指數也呈現出先上升后下降的趨勢，但變化較小，10月后草地開始枯黃，植被指數在11月下降到0.069 0，進入休眠期，1-4月和11、12月植被指數都處于極其低下的水平。此種草地類型波動系數2月最大，5月最小(表2)。

3.2不同草地類型植被指數月際變化特征分析 11種草地類型在2002-2008年EVI平均值由大到小依次為:高寒灌叢草甸類、高寒草甸類、山地草甸類、沼澤類、山地草原類、溫性草原類、高寒草原類、高寒草甸草原類、低地草甸類、高寒荒漠草原類、溫性荒漠類(圖5)。研究區不同草地類型在4月開始返青，5-6月期間,植被指數增長最快,特別是高寒灌叢草甸類和沼澤類，增幅相對較大。不同草地類型EVI值多在8月達全年最大值，只有高寒灌叢草甸類和山地草甸類在7月達最大值，之后植被指數開始下降,在各種草地類型中高寒灌叢草甸類EVI的變化最大。11種草地類型的植被指數月變化趨勢相似，符合草地的自然生長狀況。同其他植被類型相比,溫性荒漠類植被指數在生長季的各個時期均最低,植被指數變化較小。在草地進入枯草期的幾個月中，各種草地類型的EVI值均在0.1左右，從4月開始，部分草地類型植被指數增幅相對較高但并不明顯，5-7月，植被指數增長迅速的草地類型與緩慢的草地類型之間差距加大。在盛草期，EVI值出現分層，第1層是高寒灌叢草甸類，EVI值最大；高寒草甸類、山地草甸類、沼澤類次之，這3種草地EVI較接近,為第2層；山地草原類、溫性草原類、高寒草原類、高寒草甸草原類4種草地類型為第3層；低地草甸類、高寒荒漠草原類、溫性荒漠類為第4層，這3種草地類型EVI最低。

圖4 高寒荒漠草原類與溫性荒漠類EVI月際變化比較

圖5 不同草地類型EVI變化曲線

3.3植被指數與草地覆蓋度和草群高度的關系

3.3.1植被指數與草地覆蓋度的關系 已有研究表明，植被指數與植被的蓋度有較好的相關性[30-31]，也能指示植被的宏觀類型、生長狀況和季候特征變化[32-33]。通過比較2006年8月的實地測量的草地覆蓋度發現，隨著草地覆蓋度的增加，EVI值也逐漸變大，且升幅較穩定，呈線性關系，其相關性高達0.996 5(圖6)。植被指數與草地覆蓋度的高度相關，印證了前人的研究結果，說明植被指數對于植被覆蓋度有極強的指示作用。

3.3.2植被指數與草群平均高度的關系 目前缺乏對于草群高度和EVI關系的研究資料，但已知草地覆蓋度與EVI高度正相關，而一般草地覆蓋度較高的區域，其草地生長狀況較好，植被也較為茂盛，草群較為高大，所以推斷草群高度與EVI的關系可能為正相關。分析草群高度與增強型植被指數的關系可以發現，在草群平均高度為20 cm以下時，草群平均高度與EVI平均值相關性為0.864 1，呈高度正相關(圖7)，草群高度在30 cm以下時EVI為0.435 8，而當草群高度達到70 cm時EVI反而下降為0.400 4，可能是由于隨著高度的增加其覆蓋度趨于穩定。

圖7 草群平均高度與增強型植被指數的關系

通過上述分析，草地蓋度和草群高度是影響植被指數變化的兩個主要因子。相同草地類型因為立地條件不同，草地蓋度和草群高度亦有差別，這也是導致不同地區相同草地類型植被指數變化差異較大的一個原因。所以，分析草地蓋度和草群高度對植被指數變化的影響，可以對有效地利用植被指數動態監測草地健康狀況以及草地生產力具有十分重要的意義。

4 青藏高原牧區植被指數時空變化特征

選取植被狀況最好的8月份MODIS數據生成的EVI合成圖像，得到2002-2008年8月青藏高原草地EVI分級分布圖(圖8) 。將EVI值按照0～0.09、0.09～0.19、0.19～0.31、0.31～0.45、0.45～0.70的值域劃分為5級,這種分級基本可以較詳細地體現不同草地類型的空間差異和過渡性。如果分級過于簡單，不能切實反映類別間的差異，而不同草地類型在地域上有連續性；分類過于精細不利于反映草地生長狀況的空間變化趨勢。每年的植被指數分級分布圖都體現了青藏高原各類草地的空間分布差異性、連續性和過渡性，體現了各類草地空間分布的實際特征。通過7年的植被指數分級圖之間相互比較可以發現，5種等級的草地類型隨時間變化顯現出差異性，2002-2008年7年間，植被指數變化不大，說明青藏高原各種等級草地植被面積在7年間無顯著變化。各個級別EVI值域對應不盡相同的草地類型區，而在各種草甸草原與荒漠之間無明顯的界線，有一定重疊，所以通過EVI分級分布所顯示的空間差異也不是很明顯，而是漸變性的，EVI值由小到大，對應的草地類型為荒漠→草原→草甸的變化趨勢。雖然所反映的草地類型有重疊，但其變化趨勢是相同的，正好反映了各類草地之間在特征上的過渡性和在空間上的重疊性。其中當EVI值為0時，一般代表水體，比如青海湖；0～0.09值域區間主要為荒漠，散布于青藏高原西北部邊境；0.09～0.19值域區間主要散布于青藏高原中西部的草原化荒漠地區，基本呈裸地，在北部也有分布，但面積較小；0.19～0.31值域區間為大面積分布于中部和西南部的荒漠草原區，但在東北部也有零星分布，這些地區由于鄰近荒漠草原，植被覆蓋較低，體現了荒漠和草原之間的過渡性；0.31～0.45值域區間主要分布于東南部，東北部也有少量分布，為典型草原區，體現了草原和草甸之間的過渡性。與0.19～0.31值域區不同，它在相對位置上表現為遠離荒漠區和接近草甸草原區；0.45～0.70值域區間主要分布于青藏高原東北部和東南部的草甸區，即與0.31～0.45值域區間同時分布，基本上反映了二者的同一性。這說明草甸草原和典型草原在生長特征上的共性和在空間上的連續性，植被覆蓋相對稠密，在草甸草原區域有零星分布。從分級圖整體分析可以看出，植被指數由西北到東南方向逐漸增加，在交錯部分零星散布著不同植被指數分級區域，體現出不同草地類型在地域上的連續性、過渡性和空間上的差異性。

圖8 2002-2008年研究區8月植被指數分級圖

5 結論與展望

結合2006年8月的地面實測數據，對青藏高原2002-2008年的植被指數(MODIS-EVI)數據進行統計分析，得出了不同草地類型植被的時空變化情況，以及草地植被指數與草地覆蓋度、草群高度的關系。

MODIS-EVI能最大限度地減少環境因子的影響，具有較高的時間和空間分辨率，能很好地反映各草地類型的生長過程及其空間差異性。本研究選用MODIS-EVI植被指數數據，對青藏高原不同草地類型2002-2008年共計84個月的植被變化進行了分析。研究發現，草地蓋度和草群高度是影響植被指數變化的兩個重要因子。MODIS 植被指數對季節變化、土地覆蓋變化和生物物理參數變化比較敏感。本研究選用8月的合成數據，通過對MODIS-EVI值域分級可以反映荒漠草原、典型草原和草甸草原的變化趨勢，在此基礎上加上草地覆蓋度、草群高度信息就可以從多個角度更詳盡、準確地反映各草地類型的空間地域分布特征，而且可以更具體、更精確地把握各種草地類別的實際狀況，達到更有效地動態監測青藏高原草地的目標。在以后的研究工作中，通過利用新一代衛星遙感數據MODIS，結合氣候因子和實測數據，分析影響草地生物量變化的主導因素，監測草地生產力的時空變化動態，為研究區草地資源的合理利用提供科學依據。

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