祁連山南坡主要河谷NDVI時(shí)空變化及影響因素分析

楊榮榮 曹廣超 曹生奎 蘭垚 張卓 陳治榮

摘 要：為進(jìn)一步保護(hù)祁連山生態(tài)環(huán)境及合理開(kāi)發(fā)利用河流沿線的植被資源，該文基于MODIS數(shù)據(jù)的NDVI產(chǎn)品及DEM數(shù)據(jù)集，對(duì)祁連山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生長(zhǎng)季的NDVI時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，并提取研究區(qū)的主要地形因子，分析其對(duì)河流谷地植被生長(zhǎng)季NDVI的影響。結(jié)果表明：隨著河流兩側(cè)緩沖區(qū)距離逐漸增大，各年份的NDVI值呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)再減少的分布特點(diǎn);2000—2018年研究區(qū)河谷NDVI的變化趨勢(shì)基本一致，整體表現(xiàn)出2010年出現(xiàn)了近20年的峰值;祁連山南坡河流谷地NDVI值，從斜坡（16°～25°）至急坡（41°～45°）增加的速率最大，說(shuō)明該區(qū)間為NDVI值突變區(qū)間。2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地的NDVI時(shí)空分布，可能受地形、氣溫和降水等自然因素影響較大，其受人為干擾因素影響較小，其中降水并非影響研究區(qū)河谷植被NDVI分布的主導(dǎo)因素，而氣溫可能是影響研究區(qū)河谷植被NDVI分布的主導(dǎo)因素。在地形因子中，存在較適合植被生長(zhǎng)的特定坡度區(qū)間，且太陽(yáng)輻射能量的增加有利于植被的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞： 河流谷地， NDVI， 時(shí)空分布， 影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3142（2021）03-0429-09

收稿日期：2019-07-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0404304）;青海省科技廳重大專(zhuān)項(xiàng)（2019-SF-A12）;國(guó)家自然科學(xué)基金（41361005）;青海省自然科學(xué)基金（2018-ZJ-903） [Supported by the National Key Research and Development Plan Project（2017YFC0404304）; Key Specitial Founation/Project of Science and Technology Department of Qinghai Province（2019-SF-A12）; the National Natural Science Foundation of China（41361005）; Qinghai Natural Science Foundation （2018-ZJ-903）]。

作者簡(jiǎn)介： 楊榮榮（1992-），碩士研究生，研究方向?yàn)檫b感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用，（E-mail）1370532120@qq.com。

通信作者：曹廣超，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事青藏高原地區(qū)環(huán)境變化與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究，（E-mail）caoguangchao@126.com。

Temporal and spatial variations of NDVI and analysis

of influencing factors in main valleys of southern slope of Qilian Mountains

YANG Rongrong1，2，3， CAO Guangchao2，3*， CAO Shengkui1，2，3， LAN Yao1，2，3， ZHANG Zhuo1，2，3， CHEN Zhirong1，2，3

（ 1. College of Geographical Science， Qinghai Normal University， Xining 810008， China; 2. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation， Xining 810008， China; 3. Key Laboratory of Qinghai Province Physical Geography and Environmental Processes， Xining 810008， China ）

Abstract：In order to protect the ecological environment of the Qilian Mountains and utilize the vegetation resources along the river， the spatial and temporal distribution characteristics of NDVI in the main growing valleys of the southern slope of Qilian Mountains on the vegetation growing season from 2000 to 2018 based on the NDVI products and DEM datasets of MODIS data， and extracts the main topographic factors of the study area was? analyzed. The results were as followes： With the increasing distance of buffers on both sides of the river， the NDVI values of each year showed increase first and then level off and then decreased. The trend of NDVI was basically same and the peak of the past 20 years appeared in 2010 in the study area from 2000 to 2018. The NDVI value of the river valley increased from the slope （16°-25°） to the steep slope （41°-45°） in the southern slope of the Qilian Mountains， indicating that the interval is the NDVI value mutation interval. The spatial and temporal distribution of NDVI may be affected by natural factors such as topography， temperature and precipitation， which were less affected by human disturbance factors， and the precipitation did not affect the NDVI distribution， and temperature may be the dominant factor affecting the distribution of NDVI in the valleys of the southern slope of Qilian Mountains from 2000 to 2018. Among the topographic factors， there was a specific slope interval that suitable vegetation growth， and the increase of solar radiation energy is beneficial to the growth of vegetation.

Key words： river valley， NDVI， time and space distribution， influencing factor

陸地是人類(lèi)進(jìn)行生產(chǎn)生活的重要場(chǎng)所，而植被又是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的一部分。鑒于此，研究陸地生態(tài)系統(tǒng)植被的健康狀況對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活具有非凡的意義（趙魯青，2011;袁文平等，2014）。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是判斷地球表面植被覆蓋度高低與生長(zhǎng)健康與否的重要指標(biāo)，可用于監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)（李小燕等，2013;王永鋒和靖娟利，2017）。Aburas et al.（2015）以馬來(lái)西亞芙蓉市的NDVI為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，分析了該地區(qū)土地覆蓋率和土地利用的變化情況;Maxwell & Sylvester（2012）以美國(guó)西南部的堪薩斯州為例，對(duì)其N(xiāo)DVI進(jìn)行了研究;國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者基于MODIS數(shù)據(jù)、Landsat數(shù)據(jù)及地形因子等數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)法、非參數(shù)檢驗(yàn)方法曼—肯德?tīng)柗ǎ∕ann-Kendall）檢驗(yàn)法、斜率變化趨勢(shì)分析法及復(fù)直線回歸分析法等一系列時(shí)間與空間分析方法，研究了山東省、青海高原、黃土高原、黃河源區(qū)、和田綠洲及西雙版納等地的歸一化植被指數(shù)（NDVI）的時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因子（宋鵬飛等，2019;陳海喜等，2019;劉鳳和曾永年，2019;劉詠梅等，2019;劉啟興等，2019;董弟文等，2019;趙桔超等，2019）;Gao et al.（2013）利用MODIS時(shí)間序列數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)蒙古草原2001年至2011年的地上生物量及其時(shí)空變化進(jìn)行了估算。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)歸一化植被指數(shù)進(jìn)行研究較多，可見(jiàn)歸一化植被指數(shù)在植被研究中的重要性，而國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)河流谷地NDVI的研究少有報(bào)道，因此河流谷地NDVI的變化規(guī)律有待于研究。同時(shí)，眾多學(xué)者對(duì)NDVI影響因素的研究主要集中在氣候因素的研究，而對(duì)地形因素的研究相對(duì)較少，尤其在地形地貌相對(duì)復(fù)雜的青藏高原，地形因素對(duì)植被生長(zhǎng)季NDVI的影響程度需要進(jìn)一步探究。鑒于此，本文基于MODIS數(shù)據(jù)對(duì)祁連山南坡主要河流谷地植被生長(zhǎng)季NDVI的時(shí)空分布特征及其影響因素進(jìn)行了研究，進(jìn)一步為研究區(qū)主要河流谷地植被的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

祁連山南坡雄踞于青藏高原東北邊緣，處于黃土高原向青藏高原的過(guò)渡地帶，集青藏高原和黃土高原的特征于一體（劉賢德和張學(xué)龍，2004）。研究區(qū)總面積約為2.4×104 km2，海拔為2 257～5 235 m（袁杰等，2019），冬季漫長(zhǎng)且寒冷，夏季短暫而溫涼，年平均降水量為400 mm，年均氣溫為-5.9 ℃（牛赟等，2014）。祁連山南坡地表徑流豐富，黑河、大通河、托勒河和八寶河等河流自西北向東南貫穿整個(gè)研究區(qū)（圖1）。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

中分辨率成像光譜儀（MODIS）是美國(guó)宇航局研制的大型空間遙感儀器，主要用于了解全球氣候的變化情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面各大圈層長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)（蘇慧敏等，2019）。文章中所研究的NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA網(wǎng)站的MOD13數(shù)據(jù)產(chǎn)品（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），行列號(hào)為h25v05和h26v05。借助ENVI 5.3軟件平臺(tái)對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并采用月最大化合成法（monthly maximum value composite，MVC）獲取植被生長(zhǎng)季的年NDVI，對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、重采樣等操作，并利用祁連山南坡河流緩沖區(qū)矢量文件進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 河流的選取及緩沖區(qū)的確定

從古至今以來(lái)，河流與人類(lèi)文明的起源就具有密切的關(guān)系（周長(zhǎng)勇，1992）。河流兩側(cè)一定范圍內(nèi)是人類(lèi)活動(dòng)的重要區(qū)域，同時(shí)也是植被分布范圍較廣、長(zhǎng)勢(shì)較好區(qū)域（梁軼等，2007）。因此，選取祁連山南坡主要河流兩側(cè)的緩沖區(qū)植被生長(zhǎng)季的NDVI進(jìn)行研究，對(duì)研究區(qū)河流兩側(cè)植被生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有指示性的意義。研究區(qū)內(nèi)分布的黑河、八寶河、托勒河及大通河等河流貫穿于整個(gè)研究區(qū)，呈現(xiàn)西北東南流向。本文同樣以主要河流為基準(zhǔn)線，以0.5 km作為最小緩沖區(qū)距離，以8 km作為河流兩側(cè)最大的影響范圍，依次等距離劃分為16個(gè)緩沖區(qū)（蔣蕊竹等，2011;林志東和武國(guó)勝，2015），研究各個(gè)緩沖區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI的空間分布及其影響因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 祁連山南坡主要河流谷地植被生長(zhǎng)季NDVI的時(shí)空分布

2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地各緩沖區(qū)的NDVI時(shí)空分布特點(diǎn)如圖2所示。從圖2可以看出，隨著河流兩側(cè)緩沖區(qū)距離逐漸增大，各年份的NDVI呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)再減少的分布特點(diǎn)，且變化趨勢(shì)基本一致。在距離河流0～1.5 km的范圍內(nèi)，隨著緩沖區(qū)距離的增加，NDVI值逐漸增大，其范圍在0.59～0.73之間，在此距離區(qū)間內(nèi)，河流谷地的NDVI與距離呈正相關(guān)關(guān)系;在距離河流1.5～4 km的范圍內(nèi)，隨著緩沖區(qū)距離的增加，NDVI值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且此距離區(qū)間屬于河流谷地NDVI的高值區(qū);在距離河流4～8 km的范圍內(nèi)，隨著緩沖區(qū)距離的增加，NDVI值逐漸減小，其范圍在0.57～0.72之間，在此距離區(qū)間內(nèi)，河流谷地的NDVI與距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地的NDVI值分布在0.57～0.73之間。2003年河流谷地各緩沖區(qū)的NDVI值均低于其他年份， 2018年河流谷地各緩沖區(qū)的NDVI值均高于其他年份，且其他各年份NDVI值在各緩沖區(qū)范圍內(nèi)均低于或高于某年份的NDVI值。個(gè)別年份某個(gè)緩沖區(qū)距離區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)NDVI突然增加或突然減少的現(xiàn)象，這可能由于此區(qū)間范圍人類(lèi)放牧活動(dòng)的增加或減少造成的。

祁連山南坡植被生長(zhǎng)季NDVI變化呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的特點(diǎn)（圖3）。其中，低值區(qū)（-0.03～0.45）主要位于祁連縣的央隆鄉(xiāng)、野牛溝鄉(xiāng)及研究區(qū)內(nèi)部分高海拔地區(qū)，占整個(gè)研究區(qū)面積的14.79%;中值區(qū)（0.45～0.75）遍布整個(gè)研究區(qū)，但主要分布于祁連縣的野牛溝鄉(xiāng)、柯柯里鄉(xiāng)、天峻縣木里鎮(zhèn)，占整個(gè)研究區(qū)面積的56.00%;高值區(qū)（0.75～0.9）主要分布于門(mén)源縣、祁連縣的扎麻什鄉(xiāng)、阿柔鄉(xiāng)、峨堡鎮(zhèn)及默勒鎮(zhèn)，占整個(gè)研究區(qū)面積的29.21%。這可能是由于海拔對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，隨著海拔的升高，植被覆蓋度會(huì)降低，即NDVI會(huì)減少。

3.2 地形因素對(duì)祁連山南坡主要河流谷地NDVI的影響

3.2.1海拔對(duì)河流谷地NDVI的影響

祁連山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生長(zhǎng)季NDVI隨著海拔的逐漸升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)（圖4，圖5）。2000—2018年研究區(qū)河谷NDVI的變化趨勢(shì)基本一致，整體表現(xiàn)出在2010年出現(xiàn)了近20年的峰值，其在海拔4 257～4 922 m的區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)得尤為突出，而其他年份的NDVI變化趨勢(shì)較為平緩。2000—2018年研究區(qū)河谷NDVI值在不同的海拔區(qū)間內(nèi)差距較大。其中，在2 257～4 257 m的海拔區(qū)間內(nèi)，NDVI值分布在0.54～0.77之間;在4 257～4 922 m的海拔區(qū)間內(nèi)，NDVI值分布在0.06～0.32之間;從3 757～4 257 m區(qū)間至4 257～4 757 m區(qū)間NDVI值降低的速率最大，表明該區(qū)間為NDVI值突變區(qū)間。

3.2.2 坡度對(duì)河流谷地NDVI的影響 祁連山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生長(zhǎng)季NDVI隨著坡度的逐漸升高呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)（圖4，圖6）。2000—2018年研究區(qū)河谷各坡度區(qū)間NDVI的變化趨勢(shì)基本一致，整體在2010年出現(xiàn)了近20年的峰值，而其他年份的NDVI變化趨勢(shì)較為平緩。2000—2018年研究區(qū)河谷NDVI值在不同的坡度區(qū)間內(nèi)存在差距，其N(xiāo)DVI值分布在0.57～0.70之間;且從斜坡（16°～25°）至急坡（41°～45°）NDVI值增加的速率最大。

4 討論與結(jié)論

4.1 研究區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI的時(shí)空分布

本研究得出的植被生長(zhǎng)季NDVI時(shí)空分布規(guī)律，主要由于在距離河流最近的緩沖區(qū)范圍內(nèi)， 河

流在流經(jīng)當(dāng)?shù)氐倪^(guò)程中會(huì)在兩岸堆積大量的泥沙，土壤類(lèi)型主要以沙質(zhì)土壤為主，其有機(jī)質(zhì)含量較小，因此植被發(fā)育欠佳，NDVI值較小;隨著緩沖區(qū)距離進(jìn)一步增加，河流為植被提供的水分適宜，且土壤發(fā)育良好適宜植被生長(zhǎng)，因此其N(xiāo)DVI達(dá)到最大值;隨著緩沖區(qū)距離的再次增加，河流供給水分的能力減弱，植被未能得到充沛的水源，其生長(zhǎng)能力減弱，NDVI的值再次達(dá)到較小。2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地的NDVI時(shí)空分布，可能受氣溫和降水等自然因素影響較大，受人為干擾因素影響較小。本研究與蘇軍德和李國(guó)霞（2019）對(duì)祁連山區(qū)植被NDVI的時(shí)空變化的研究結(jié)果相似，同樣得出NDVI的時(shí)空變化特征受到氣象因子和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響的結(jié)論。但國(guó)內(nèi)其他學(xué)者對(duì)NDVI時(shí)空變化規(guī)律的研究主要集中在應(yīng)用趨勢(shì)分析法、一元線性回歸法等傳統(tǒng)的研究方法（李新鴿等，2018;閆俊杰等，2018;位宏等，2019），而本研究中所提及的植被生長(zhǎng)季NDVI的空間分布主要是以河流為基準(zhǔn)線的緩沖區(qū)內(nèi)NDVI值的變化，這在相關(guān)的研究中是少有報(bào)道的。

4.2 地形因素對(duì)研究區(qū)NDVI的影響

眾多研究表明氣溫與降水對(duì)植被NDVI的影響較大（岳喜元等，2019;尤南山等，2019;李舒婷等，2019），但地形因子對(duì)植被NDVI的影響目前鮮有研究。本研究選取海拔、坡度等主要地形因子，將海拔按照等間隔標(biāo)準(zhǔn)、坡度按照平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險(xiǎn)坡等標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同的區(qū)間，研究各區(qū)間內(nèi)地形因子對(duì)河流谷地NDVI的影響。

隨著海拔的逐漸升高，植被生長(zhǎng)季NDVI呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，這與熊亞蘭等（2018）所得出的結(jié)論相反，其認(rèn)為高程與NDVI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且隨著海拔的逐漸升高，植被受到人類(lèi)活動(dòng)的影響較小，有利于植被生長(zhǎng)。而本研究認(rèn)為，由于青藏高原的海拔較高，隨著海拔的逐漸升高，氣溫變化幅度較大，海拔對(duì)植被生長(zhǎng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人類(lèi)活動(dòng)的影響。然而，此變化規(guī)律可能與當(dāng)?shù)貧鉁氐南嚓P(guān)性大于與降水的相關(guān)性。海拔每升高100 m氣溫下降0.6 ℃，這與本研究結(jié)果NDVI隨著海拔的變化規(guī)律一致，均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì);而隨著海拔的逐漸上升，降雨量呈現(xiàn)先增加后降低的“單峰型”曲線，與本研究結(jié)果NDVI隨著海拔的變化規(guī)律不一致。2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地NDVI隨著海拔的變化中，氣象要素中降水并非主導(dǎo)因素，而氣溫可能是影響研究區(qū)河谷植被NDVI分布的主導(dǎo)因素，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響較小。但該研究所得出的隨著海拔逐漸升高，植被NDVI值在逐漸減少與宋鴻等（2019）所得出的結(jié)論具有相似性，其認(rèn)為在高程大于400 m的區(qū)域，NDVI隨高程增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而由于研究區(qū)位于青藏高原其海拔最低值為2 257m，因此其植被NDVI值隨著海拔的逐漸增加呈減小趨勢(shì)的結(jié)論具有一定可靠性。

研究區(qū)不同坡度區(qū)間NDVI的變化趨勢(shì)說(shuō)明不同坡度NDVI值的變化受客觀因素影響較大。這與崔曉臨（2019）所得出的坡度在0°～45°的范圍內(nèi)，隨著坡度的逐漸增加，NDVI值呈增加趨勢(shì)的結(jié)論具有相似性。這主要是由于研究區(qū)位于青藏高原，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，隨著坡度的逐漸增加，植被接收太陽(yáng)輻射量在逐漸變化，當(dāng)坡度達(dá)到45°時(shí)，植被接收到的太陽(yáng)輻射能量越大，因此植被的NDVI值最大。2000—2018年祁連山南坡主要河流谷地存在適合植被生長(zhǎng)坡度區(qū)間，且太陽(yáng)輻射能量的增加有利于植被的生長(zhǎng)，青藏高原植被NDVI隨著坡度變化的主導(dǎo)因素為太陽(yáng)輻射量。

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（責(zé)任編輯 何永艷）