2000-2012年鄂爾多斯禁牧區植被覆蓋度變化監測

佟斯琴， 劉桂香， 包玉海

(1.內蒙古師范大學 地理科學學院， 內蒙古 呼和浩特 010022;

2.中國農業科學院 草原研究所， 內蒙古 呼和浩特 010022;

3.內蒙古師范大學 內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010022)

2000-2012年鄂爾多斯禁牧區植被覆蓋度變化監測

佟斯琴1， 劉桂香2， 包玉海3

(1.內蒙古師范大學 地理科學學院， 內蒙古 呼和浩特 010022;

2.中國農業科學院 草原研究所， 內蒙古 呼和浩特 010022;

3.內蒙古師范大學 內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010022)

摘要：[目的] 評估鄂爾多斯實施禁牧、休牧政策以來獲得的成效。[方法] 以MODIS長時間序列的植被指數產品為數據源，利用像元二分模型研究了2000—2012年植被生長期5—9月份鄂爾多斯禁牧區的植被覆蓋度及其時空變化特征。并采用轉移矩陣的方法，分析了年度間植被覆蓋度高低變化的方向。[結果] 研究區植被覆蓋度自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究區植被覆蓋度總體呈上升趨勢,均有低等級植被覆蓋度向高等級植被覆蓋度轉化的趨勢；2008—2012年植被恢復狀況比2000—2004年和2004—2008年這兩個階段更優。[結論] 禁牧政策使研究區植被長勢逐年改善，禁牧、休牧政策對草原生態恢復起到了良好的作用。

關鍵詞：鄂爾多斯禁牧區; 植被覆蓋度； MODIS; 像元二分模型

植被是干旱區生態建設中的重要部分，而覆蓋度是評判生態環境狀況的重要指標[1]。土壤風蝕已成為干旱半干旱區農牧業發展的限制因素之一[2]。植被覆蓋度作為重要的生態參數，不僅與區域水土流失、水資源儲備有關，還與土壤風蝕等密切相關[3-4]。因此，如何準確快速地監測、估算植被覆蓋度和提高植被覆蓋度對區域生態建設有著舉足輕重的作用。

遙感觀測為研究大尺度、長時間序列的植被覆蓋變化狀況提供了一種有效的手段。其中，歸一化植被指數(normal difference vegetation index, NDVI)是目前最為廣泛應用的表征植被狀況的指數，利用NDVI數據分析植被覆蓋度變化趨勢，國內學者[5-9]已針對不同空間尺度的植被覆蓋開展了大量研究，并取得了良好的效果。就內蒙古地區而言，陳效逑等[10]利用NOAA/AVHRR NDVI數據對內蒙古地區植被帶進行了分時段的劃分，并以典型草原植被帶為例，分析了植被覆蓋度時空變化及其與水熱因子的關系。張宏斌等[11]利用MODIS NDVI數據，研究了內蒙古草原7種草地類型的主要植被類型9 a來年度NDVI空間變化趨勢、波動程度、出現時間等植被指數時空特征。王海梅等[12]利用上世紀NOAA/AVHRR數據和2002—2007年MODIS數據以NDVI值得消長變化分析了草原植被覆蓋的分布狀況及年代間的變化規律。李營等[13]利用SPOT_VGT數據、土地利用數據，采用時間序列植被指數(NDVI)動態變化監測方法，分析了研究區植被覆蓋的時空演變特征。姚雪茹等[14]利用1982—2006年的NOAA/AVHRR NDVI數據和當地同期氣象資料，研究了鄂爾多斯高原地區植被覆蓋變化及其與氣象因子的關系。然而，上述對內蒙古地區的研究都是直接用NDVI值分析，未將NDVI進一步轉化為植被覆蓋度直觀地展示草原植被覆蓋狀況，且未對植被覆蓋等級變化進行量化分析。同時，對實施禁牧、休牧后的區域草原植被覆蓋研究較少。針對以往研究的不足，本研究采用較長時間序列(2000—2012年)的MODIS-NDVI數據，定量研究鄂爾多斯市禁牧區植被覆蓋度空間分布及時間動態變化規律，探討禁牧政策實施以來的成效，進而為禁牧、休牧政策的實施提供科學依據。

1研究區概況

鄂爾多斯高原地處內蒙古自治區西南部，西、北、東3面為黃河圍繞，地理坐標為北緯37°35′24″—40°51′40″，東經106°42′40″—111°27′20″。屬于溫帶半干旱至干旱強大陸性氣候，年平均氣溫為5～8 ℃，≥10 ℃活動積溫為2 600～3 200 ℃，降水量為160～400 mm，自東向西有規律降低。鄂爾多斯高原是我國土地荒漠化最嚴重的地區之一，高原的南北部分別有庫布齊沙漠和毛烏素沙地，是我國東部沙塵源地之一。該區為沙漠和黃土交接地帶，農牧鑲嵌分布，生態環境脆弱，對全球氣候變化敏感[15]。從2000年起，鄂爾多斯市實行了禁牧、休牧、劃區輪牧政策[16]，使草原生態快速恢復，取得了明顯的生態效益、社會效益和經濟效益。因此，本研究選取全面實行禁牧令的東勝、準格爾、達拉特、伊金霍洛4個旗(區)為研究區域。

2資料與方法

2.1　數據來源和預處理

研究所用的數據為16 d最大值合成的MODIS植被指數產品(MOD12 A2)，空間分辨率為1 km，時間跨度為2000年5月至2012年9月。采用MODIS植被指數產品中的NDVI產品作為計算植被覆蓋度的數據源。利用ENVI圖像處理軟件對MODIS數據產品進行子集提取、數據格式轉換和投影轉換等，得到NDVI數據。選取可更好解釋植被生長狀況的5—9月份(第129至第273 d合成的NDVI數據)作為研究時間段。在此基礎上，通過ENVI軟件波段運算實現背景賦值為NaN(Not a Number)、消除研究區負值影響，計算年平均NDVI等操作，然后進行研究區邊界裁剪，最終得到13 a該區的NDVI值。

2.2　植被覆蓋度計算方法

植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比，是描述生態系統的重要基礎數據。采用基于NDVI的像元二分模型反演植被覆蓋度。其基本原理為：假設每個像元都可分解為純植被和純土壤兩個部分，所得到的光譜信息(如NDVI)也是兩種純組分的以面積比例加權的線性組合；其中，純植被所占的面積百分比即為研究區的植被覆蓋度，計算公式為：

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：VFC——植被覆蓋度； NDVI，NDVIsoil，NDVIveg——任意像元、純土壤像元和純植被像元的NDVI。也可得：

VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(2)

式中：NDVImax，NDVImin——區域內最大值和最小值。

由于不可避免存在噪聲，NDVImax，NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值，置信度的取值主要根據圖像實際情況來定。參考李苗苗[17]提出的估算NDVImax和NDVImin的方法，提取研究區統計結果中NDVI值的累積概率為5%和95%的NDVI值作為NDVImin和NDVImax。根據上述方法計算得到各時期植被覆蓋度分布圖，同時將計算結果分為5個等級，即0～0.2(極低覆蓋度)，0.2～0.4(低覆蓋度)，0.4～0.6(中覆蓋度)，0.6～0.8(高覆蓋度)，0.8～1(極高覆蓋度)。

3結果與分析

3.1　研究區2000-2012年平均植被覆蓋度空間分布

圖1為2000—2012年研究區平均植被覆蓋度分布圖。圖1表明，研究區植被覆蓋度整體變化趨勢為自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部。極高覆蓋度和極低覆蓋度均出現在達拉特旗，其中極低覆蓋度出現是由于庫布齊沙漠的存在。東勝市、伊金霍洛旗和準格爾旗主要以中覆蓋度和高覆蓋度為主。

圖1　研究區2000-2012年平均植被覆蓋度分布

3.2　植被覆蓋度動態變化分析

為分析植被覆蓋度的年際變化，每隔4 a計算研究區的植被覆蓋度。從2000，2004，2008和2012年各等級植被覆蓋度的空間分布圖(圖2)和面積統計表(表1)可知，極低覆蓋度面積在4個監測年里持續減少，2000年為22.88%，2004年為14.94%，下降了7.94%；2004—2008年該面積沒有明顯變化；2008—2012年由14.43%下降到11.01%。減少面積主要分布在研究區西北部達拉特旗。低覆蓋度面積同樣呈下降趨勢，從2000年的32.41%減少到2012年的14.03%，下降了18.38%；下降面積主要分布在研究區中部。中覆蓋度面積先增后減，由2000年的26.10%增加到2004年的31.93%，2004年以后出現下降，2008年下降到26.66%，2012年下降到24.18%。高覆蓋度面積持續增加，由2000年的9.96%增加到2012年的31.38%。極高覆蓋度面積同樣呈增加的趨勢，從2000—2012年增加了10.73%。分析表明，2000—2012年極低覆蓋度面積和低覆蓋度面積呈現持續下降趨勢；高覆蓋度面積和極高覆蓋度面積呈增加趨勢；中覆蓋度面積先增后減，可能是由于極低覆蓋度和低覆蓋度轉化為中覆蓋度致其面積增加，2004年后出現減少是由于更多的中覆蓋度面積轉為高覆蓋度和極高覆蓋度面積。

表1　研究區2000，2004，2008和2012年

3.3　不同等級植被覆蓋度動態變化

在ENVI 4.2軟件中運用決策樹分類和波段運算功能，對不同時期的植被覆蓋度等級結果進行運算，得到2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年研究區各植被覆蓋度等級的轉移量，其中位于對角線上的表示等級未發生轉移(表2—4)。

由表2可以看出，2000—2004年期間極低覆蓋度有57.49%未轉移，主要轉為低植被覆蓋度，轉移率為33.04%；低覆蓋度有44.27%未轉移，43.58%轉移為中覆蓋度；中覆蓋度有54.08%未轉移，主要轉為高覆蓋度34.59%，有極少的8.73%轉為低覆蓋度；高覆蓋度有61.59%未轉移，15.74%轉為中覆蓋度，僅次于向極高覆蓋度轉化的量(21.26%)；極高覆蓋度有86.65%未轉移，主要轉移為高覆蓋度，占2000年極高覆蓋度面積的11.68%。

由表3可以看出，2004—2008年期間極低覆蓋度的78.54%未發生變化，19.82%轉為低覆蓋度；低覆蓋度48.47%未轉移，主要轉為中覆蓋度(37.80%)；中覆蓋度有44.34%未轉移，40.86%轉移為高覆蓋度；高覆蓋度有45.72%未轉移，36.80%轉為極高覆蓋度，15.36%轉為中覆蓋度；極高覆蓋度有80.59%未轉移，有15.56%轉為高覆蓋度。

轉移矩陣中對角線上的轉移率表明(表4)，2008—2012年期間，各等級未發生轉移的面積幾乎在1/2以上。除去未轉移的，極低覆蓋度主要轉為低覆蓋度，占2008年極低覆蓋度面積的37.07%；低覆蓋度主要轉移到中覆蓋度，占2008年低覆蓋度面積的50.04%；中覆蓋度主要轉化為高覆蓋度，占2008年中覆蓋度面積的44.60%；高覆蓋度主要轉為極高覆蓋度，占2008年高覆蓋度面積的25.13%；極高覆蓋度主要轉移為高覆蓋度，占2008年極高覆蓋度面積的23.99%。

圖2　研究區2000，2004，2008和2012年植被覆蓋度等級分布圖

總體而言，2000—2004年植被迅速恢復，禁牧政策在初期就取得了明顯的成效。

相對于2000—2004年的植被狀況，2004—2008年和2008—2012年的植被長勢更好。表明隨著禁牧實施年限的增加，研究區植被長勢逐年變好。2000—2004年、2004—2008年和2008—2012年三個時期植被覆蓋度呈現出由低等級向高等級轉移的趨勢。由極低覆蓋度和低覆蓋度向高等級植被覆蓋度轉換的轉移率2008—2012年相對顯著，表明2008—2012年覆蓋度較低的植被恢復比2000—2004年和2004—2008年好。

研究區較差的植被有改善的趨勢，研究區植被長勢逐年改善，禁牧、休牧政策對草原生態恢復、沙化土地的改善起到了良好的作用。

表2　研究區2000-2004年植被覆蓋度等級轉移矩陣　km2

注：表中括號外數字表示轉移面積，括號內的數字表示轉移率(%)。下同。

表3　研究區2004-2008年植被覆蓋度等級轉移矩陣　km2

表4　研究區2008-2012年植被覆蓋度等級轉移矩陣　km2

4結 論

(1) 研究區植被覆蓋度變化趨勢是自東向西逐漸減小，東部高于西部，北部高于南部；2000—2012年研究區植被覆蓋度總體呈上升趨勢。

(2) 2000—2004年，2004—2008年和2008—2012年3個時期植被覆蓋度有低等級向高等級轉移的趨勢。3個時期里極低覆蓋度向低覆蓋度，低覆蓋度轉為高覆蓋度的轉移率2008—2012年相對顯著，2008—2012年覆蓋度較低的植被恢復狀況比2000—2004年和2004—2008年更優。

(3) 研究區的禁牧實踐表明，禁牧、休牧能夠大面積快速改善植被生長及生態環境的恢復，實施禁牧的年限越長得到的效果越好。然而，植被長勢還與當地的水熱因素等有關，本研究單純從禁牧、休牧來考慮植被覆蓋度的狀況過于片面，應與當地的降水、溫度等氣象因素綜合考慮來探討禁牧政策的成效更為合理。

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Monitoring of Vegetation Coverage Changes in Graze-prohibited Area of Ordos From 2000 to 2012

TONG Siqin1, LIU Guixiang2, BAO Yuhai3

(1.CollegeofGeographicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China; 2.GrasslandResearchInstitute,CAAS,Hohhot，InnerMongolia010010,China; 3.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformationSystem,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010022,China)

Abstract：[Objective] To evaluate effects of graze-prohibited policy implemented in Ordos area. [Methods] Using the the coverage index elicited by two-pixel model from MODIS-NDVI as the data source, to evaluate the spatial-temporal changes of growth seasonal vegetation coverage in no grazing district from 2000 to 2012, and to analyze the annual change using transfer matrix. [Results] The vegetation coverage reduced gradually from east to west, the vegetation coverage in the eastern division was higher than that in the west, the coverage in the north was higher than that in the south. The vegetation cover generally increased from 2000 to 2012, with a changing tendency from low to high vegetation cover. In the periods of 2008—2012, the vegetation coverage was better than that of 2000—2004 and 2004—2008. [Conclusion] The study area had a significant increase in the vegetation coverage, which indicates that the graze-prohibited policy have a great effect on the grassland ecological restoration.

Keywords:Ordos graze-prohibited area; vegetation cover; MODIS; two-pixel model

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0136-05

中圖分類號：P948.15

通信作者：劉桂香(1962—),女(漢族)，內蒙古察哈爾右翼中旗人，博士，研究員，主要從事草地資源和生態環境監測評價、草原火災預警及3S技術在草業科學的應用研究。E-mail:lgx804@163.com。

收稿日期：2014-03-25修回日期：2014-04-13
資助項目：國家科技支撐計劃項目“重大自然災害風險評估技術研究”(2013BAK05B01-03)
第一作者：佟斯琴(1991—),女(蒙古族),內蒙古自治區興安盟人,碩士研究生,研究方向為資源與環境遙感。E-mail:tsq118446@163.com。