21世紀初毛烏素沙地NDVI時空變化特征及影響因素

王靜璞　張曉鳳　宗敏

摘 要：該文利用MODIS歸一化植被指數（NDVI）對2000—2012年間毛烏素沙地NDVI的時空變化進行了研究，并分析了NDVI與氣候因子之間的關系，結論如下：（1）研究區植被生長呈現單峰型，月平均NDVI最大和最小值分別為8月和1月；（2）月平均NDVI與月平均降水量的相關系數為0.96**，與月平均溫度的相關系數為0.85**；（3）2000—2012年，研究區年平均NDVI值顯著增加（R=0.85**），增速為0.1/10a，NDVI隨降水量的增加而增加（R=0.53*）；（4）受氣候因素和人為因素的共同影響，研究區NDVI的空間變化沒有明顯的規律。

關鍵詞：MODIS NDVI 毛烏素沙地 時空變化 氣候因子 相關性分析

中圖分類號：X321.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0160-03

植被是大自然的“指示器”[1]，調節著全球的氣候和環境，影響著經濟社會的可持續發展。植被變化近年來被廣泛關注，特別是隨著遙感技術的發展，長時間序列的植被指數在陸地生態系統的研究中得到廣泛應用。植被指數是描述植被數量、質量、植被長勢和生物量等指標的重要指示參數[2-4]。

毛烏素沙地位于我國北方農牧交錯的中間地帶，是我國重要的生態屏障，其生態環境具有敏感性和脆弱性的特征[5-7]。對2000年以來毛烏素沙地植被生長狀況的時空變化特征的研究，對于客觀準確的評價21世紀以來我國毛烏素沙地沙漠化治理效果，并根據沙漠化發展情況及時采取有效控制措施具有重要意義。

該文以空間分辨率250 m、時間分辨率16day的MODIS NDVI數據為數據源，研究毛烏素沙地2000—2012年NDVI的時空變化特征及其與氣溫、降水的響應關系。

1 研究區概況

毛烏素沙地位于鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡地區，地理坐標為北緯36°49′～40°11′，東經106°20′～111°。沙地年平均氣溫6 ℃～8.5 ℃，年平均降水量由東南部的440 mm，向西遞減至250 mm，全區最大降水量集中在7～9月，相較我國西北地區其他沙漠降水較多；地表水和地下水也較豐富，地表徑流量達14億m3；全年蒸發量1800～2 500 mm，是降水量的4～10倍[8]。

2 數據與研究方法

2.1 基礎數據

毛烏素沙地鄂托克旗、伊金霍洛旗、鹽池縣、定邊縣、橫山縣、榆林縣、靖邊縣和神木縣8個氣象站，2000—2012年逐日溫度、降水量數據來自中國氣象科學數據共享服務網。

該文使用美國航空航天局提供的MODIS數據集，時間分辨率16 d，空間分辨率250 m。對獲取的2000—2012年研究區植被指數產品用MRT軟件進行投影變換、格式轉化，提取其中的NDVI圖層，得到研究區2013年NDVI時間序列數據。該MODIS NDVI數據集己經過了輻射校正、幾何校正、大氣校正等一系列校正，這些校正處理可以有效地消除噪音，去除云、其它大氣氣溶膠和冰雪等影響[9-10]。

2.2 數據處理與研究方法

利用最大值合成法，把一年中分辨率16d的23期NDVI影像合成為1年12期的月NDVI影像，進一步統計出NDVI多年各月平均值、各年平均值來分析研究區植被NDVI的時空變化，并在Excel表格中制成NDVI年內、年際變化曲線圖和趨勢圖，進而分析植被指數的時間變化特征。為了分析毛烏素沙地NDVI的空間變化情況，在ENVI軟件中利用掩膜方法，去除掉研究區以外的無用區域，并賦值為0。利用Band Math，計算不同期影像NDVI值的變化。

3 結果分析

3.1 NDVI年內變化及對氣候因子的響應

用均值法計算出毛烏素沙地2000—2012年各月的NDVI平均值，由此得到月平均NDVI值的年內變化特征曲線（圖1）。毛烏素沙地NDVI的年內變化有很強的季節性，植被生長呈現單峰型。NDVI最大值出現在8月，為0.31；1月達到最低值0.12。12月到次年3月NDVI基本無變化，是由于冬季（12月至次年2月），研究區植被生長處于停滯狀態；3月溫度增加，降水量增多，植被開始返青，NDVI值小幅上漲；4月，溫度穩步回升，降水急劇增加，植被進入快速生長階段，NDVI增加迅速，8月達到最大；9～11月研究區植被進入黃枯期，NDVI快速下降。相對于春、夏季NDVI增加的速度，秋季NDVI下降速度較快，這是因為秋季降水量急劇減少，廣泛生長在沙地的旱生植物受水分影響大，一旦水分不足，即處于休眠或假死狀態，且秋季大風次數增加，沙地用于治沙固沙防沙的人工植被沙柳、小葉楊等，都屬于落葉植物，強勁的風力加速了植被的落葉，使得秋季NDVI快速下降。2000～2012年，研究區月平均NDVI與月平均降水量的相關系數為0.96**（P=0.00），與月平均溫度的相關系數為0.85**（P=0.00），說明毛烏素沙地NDVI年內變化與氣候因子具有良好的相關性。

3.2 NDVI年際變化及對氣候因子的響應

采用NDVI均值法計算2000—2012年毛烏素沙地每年的NDVI平均值（圖2）。2000—2012年，研究區年平均NDVI值極顯著增加（P=0.00），從0.26增加到0.40，增速為0.1/10a，表明自2000年以來，研究區在水土保持生態工程、退耕還林工程、天然林保護工程、“三北”防護林工程、防沙治沙工程、生態建設重點縣[10]等一大批國家重點項目建設的支持下，人工固沙防沙措施開展并保持良好，植被覆蓋面積增加，生態環境明顯改善，沙漠化治理效果顯著。這些地區氣候條件較好，植被覆蓋情況越來越好。2000—2012年，研究區平均溫度明顯降低，年均降水量呈自然地年際波動，有微弱的增加趨勢。

為了進一步明確研究區NDVI與氣候因子的關系，利用年均NDVI、溫度和降水量數據，對這三者的相關性做了分析。結果表明，毛烏素沙地年均NDVI和年平均降水量的相關系數為0.53*（P=0.03），隨著降水量的增加，NDVI值明顯升高，植被覆蓋增加；年均NDVI和年平均溫度沒有顯著的相關性。這是由于沙漠地區氣候干燥、降水稀少、溫度較高、日照強烈，在沙漠中生長的旱生植物、沙生植物對水分都非常敏感，降水量的增加促進了沙地植被的生長。

3.3 NDVI空間變化

2000—2012年，毛烏素沙地NDVI的空間變化沒有明顯的規律。研究區植被復雜，主要有3類：一是在流動、半流動沙丘分布處生長的自然植被；二是被用于固沙治沙的人工植被；三是農田。研究區鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗廣泛分布著流動沙丘、半流動沙丘，受風力影響，沙丘移動較快，速度為3.5～9.5 m/a，沙丘的快速移動會對自然植被造成掩埋，而且這些植物對水分非常敏感，生長情況易受氣候因素的影響，變化性強、不穩定；研究區定邊縣、靖邊縣、橫山縣、榆林縣和神木縣開展了持續的固沙造林運動，大量適合在沙地生長的植物，被用于“前擋后拉”等固沙措施，以固定沙丘、改良沙地生態環境。由此可見，毛烏素沙地的植被不僅受到氣候因素的影響，還受到大量的人為因素的影響，所以植被的空間變化沒有明顯的規律。

4 結語

2000—2012年，毛烏素沙地NDVI的年內變化有很強的季節性，植被生長呈現單峰型。NDVI最大值出現在8月，為0.31；1月達到最低值0.12；NDVI年內變化與氣候因子具有良好的相關性，月平均NDVI與月平均降水量的相關系數為0.96**（P=0.00），與月平均溫度的相關系數為0.85**（P=0.00）。

2000—2012年，毛烏素沙地年平均NDVI顯著增加，增速為0.1/10a，植被覆蓋增加主要受降水量的影響，隨著降水量的增加，NDVI值明顯升高。由于研究區植被類型復雜，包括自然植被、人工植被和農田等，不僅受到氣候因素的影響，還受到大量人為因素的影響，所以NDVI的空間變化沒有明顯的規律。

參考文獻

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