甘肅省草地植被NDVI時空變化特征及驅(qū)動因素研究

何國興，韓天虎，柳小妮*，張德罡，李 強，孫 斌，潘冬榮，劉志剛，關(guān)文昊，楊軍銀

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室(甘肅農(nóng)業(yè)大學)，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省草原技術(shù)推廣總站，甘肅 蘭州 730000)

草地生態(tài)系統(tǒng)是地球上分布最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)，約占陸地總面積的20%[1]。草地植被作為草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，是連接大氣圈、水圈、土壤圈和生物圈的紐帶[2]。它不僅能夠反映全球或區(qū)域生態(tài)環(huán)境的狀況，而且在生物多樣性保護，應(yīng)對全球氣候變化，維持生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳儲存，以及全球和區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著巨大的作用[3]。傳統(tǒng)草地植被變化研究主要通過實地采樣，既耗費人力物力又難以得到長時間序列、大區(qū)域范圍數(shù)據(jù)[4]。遙感技術(shù)的發(fā)展，為草地植被動態(tài)監(jiān)測提供了新思路。如利用傳感器紅外和近紅外波段組合后形成的植被指數(shù)反映植被的覆蓋程度，從而獲得長時間、大尺度范圍內(nèi)草地覆蓋的變化數(shù)據(jù)，不僅能夠克服傳統(tǒng)方法的不足，而且更加客觀地評價草地現(xiàn)狀，因此被廣泛應(yīng)用于植被動態(tài)變化的研究中[5]。歸一化植被指數(shù)(normalized different vegetation index,NDVI)對綠色植物具有高敏感性，可消除環(huán)境因素的影響，是監(jiān)測植被變化中使用最廣泛的植被指數(shù)，利用NDVI動態(tài)監(jiān)測草地已成為快速獲取植被生長動態(tài)的有效手段[6]。

20世紀以來，隨著全球氣候持續(xù)變暖和人類活動干擾不斷加大[7]，草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著的變化[4]。氣候變化、社會經(jīng)濟發(fā)展和牧區(qū)人口數(shù)量增長，造成我國草地大面積退化，嚴重威脅生態(tài)安全[8]。草地植被時空變化與氣候、人類活動之間關(guān)系的研究成為國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的焦點[9-11]。滿衛(wèi)東等[4]研究東北地區(qū)草地變化發(fā)現(xiàn)，氣候變暖、變干是造成草地退化的主要因素；宋偉宏等[12]研究發(fā)現(xiàn)氣候因素中，降水量變化對祁連山自然保護區(qū)不同草原植被NDVI的影響高于氣溫；李元春等[13]研究發(fā)現(xiàn)溫度和降水對甘南和川西北地區(qū)草地的變化起正向影響作用，而人類活動也在不同程度上影響著草地的變化。2000年以來，我國開始制定并實施“退耕還林”，“退牧還草”等一系列草地生態(tài)工程，以期改善西北地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境[14]。

甘肅省地處青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原的交匯帶，由于甘肅省草地所處的獨特的地理位置導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境脆弱。甘肅省草地生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)文明建設(shè)和“一帶一路”建設(shè)中扮演著重要角色，是維持中國西北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要屏障[15]。研究甘肅省近年來草地NDVI的變化，不同季節(jié)氣溫和降水對生長季NDVI的影響可以揭示驅(qū)動NDVI變化的因素。另外人類活動對甘肅省草地NDVI的影響研究有助于從宏觀評價生態(tài)工程對草地生態(tài)恢復(fù)的效果。本研究基于2000—2019年草地植被生長季MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)和地面氣象站臺觀測數(shù)據(jù)，分析甘肅省不同草地類型生長季NDVI均值年際變化、空間分布和穩(wěn)定性，揭示生態(tài)工程實施后甘肅省草地的時空變化，探討氣候與人類活動對生長季NDVI的影響，了解驅(qū)動草地覆蓋變化的主要因子，以期為氣候變化背景下未來甘肅省草地的科學管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省(92°13′～108°46′ E，32°11′～42°57′ N)位于中國西北部，地形狹長，地勢自西南向東北降低，海拔相差懸殊；年平均氣溫0～14℃，年均降水量42～760 mm，均自東南向西北降低，降水各季分配不均，主要集中在6—9月；年日照時數(shù)1 700～3 300 h，自東南向西北逐漸增多[16]。

甘肅省草地面積1.79×105km2，占土地資源總面積的42.04%，是全國重要牧區(qū)之一；草地資源主要分布在甘南高原、祁連山地、北部河西走廊和隴中黃土高原[17]，分為溫性草原、高寒草原、溫性荒漠、暖性灌草叢、低地草甸、山地草甸和高寒草甸(圖1a)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1草地類型及高程數(shù)據(jù) 將中國草業(yè)與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(http://www.ecograss.com.cn)提供的《中國1∶100萬草地資源圖》校正后與草地分類標準(NY/T2997—2016)[18]進行融合，得到甘肅省草地類型數(shù)據(jù)(圖1a)；甘肅省1∶100萬行政區(qū)劃圖來源于地球科學數(shù)據(jù)共享平臺(http://www.geodata.cn)；數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)的SRTM產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，重采樣為250 m(圖1b)。

圖1 甘肅省草地類型(a)及DEM、氣象站點空間分布(b)

1.2.2氣象數(shù)據(jù) 氣象(氣溫、降水)數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供。選用甘肅省境內(nèi)及周邊44個氣象站點2000—2019年氣溫、降水月數(shù)據(jù)(圖1b)。采用基于樣條函數(shù)插值理論的專業(yè)氣象插值軟件ANUSPLINE[19]，以DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，對氣溫和降水數(shù)據(jù)進行空間插值，得到250 m春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和生長季(5—9月)氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)。

1.2.3遙感數(shù)據(jù) MOD13Q1 NDVI產(chǎn)品來源于NASA對地觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺(EOS data gateway，http://delenn.gsfc.nasa.gov/-imswww/pub/imswel-come/)上，空間分辨率250 m，時間分辨率16 d，時間序列為2000—2019年。運用MRT(modis re-projection tool)讀取數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)換遙感影像的數(shù)據(jù)格式和地圖投影；利用ENVI 5.3中的Band math工具將MOD13Q1每個像元值縮小10 000倍，得到真實的NDVI值。在Arc GIS軟件中，采用最大值合成法(maximum value composites，MVC)[20]得到2000—2019年生長季NDVI數(shù)據(jù)，并用甘肅省草地類型圖對數(shù)據(jù)進行掩膜提取。

1.3 研究方法

1.3.1趨勢分析 采用一元線性回歸分析可以在像元尺度上模擬每個柵格的變化趨勢，從而分析2000—2019年甘肅省草地NDVI的變化趨勢。計算公式如下[21-22]：

式中：i為年變量，取值1～20；NDVIi為第i年生長季的NDVI；θSlope為草地NDVI在20年間的變化趨勢，θSlope<0，說明NDVI在這20年間是減少的；θSlope>0時，說明NDVI是增加的。另外，根據(jù)已有研究[23]利用ArcGIS中的Reclass命令將θslope的值劃分為5個等級：顯著增加、輕度增加、基本不變、輕度減少、顯著減少，并分別統(tǒng)計其面積百分比。

1.3.2變異系數(shù) 為了解甘肅省草地NDVI的穩(wěn)定性，本研究通過計算變異系數(shù)(variation coefficient,Cv)來反映草地NDVI的波動情況。Cv<0.150說明草地NDVI變化較小，草地生長狀況相對穩(wěn)定；Cv>0.150說明NDVI變化較大，草地生長狀況波動[24]。計算公式如下[25]：

1.3.3偏相關(guān)分析 偏相關(guān)分析是多因素影響下，研究其中一個因素對另外一個因素的相關(guān)程度時，暫時不考慮第3個變量的影響，單獨分析另外兩個變量之間相關(guān)程度[26]。利用偏相關(guān)系數(shù)分別計算春季、夏季、秋季、生長季均溫和春季、夏季、秋季、生長季累計降水量對生長季NDVI變化的影響。計算公式如下[25]：

式中，x表示NDVI,y代表降水量、z為氣溫，rxy表示生長季NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)，rxz表示生長季NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)，ryz表示降水與氣溫的相關(guān)系數(shù)。rxy,z為變量降水固定后NDVI與氣溫之間的偏相關(guān)系。NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)同上。

1.3.4殘差分析 在不考慮其他因素的條件下，天然草地的NDVI由自然因素和人類活動共同決定。通過殘差分析可以剔除自然因素，從而得到人類活動對草地的影響。選取氣象因子多元回歸后得到草地NDVI的預(yù)測值，即自然因素作用下的草地NDVI。NDVI真實值與預(yù)測值的殘差為人類活動對草地的影響[27]。計算公式如下：

ε=NDVIti-NDVIpi

式中：ε為第i年草地NDVI真實值與預(yù)測值的差，NDVIti為第i年草地NDVI的真實值，NDVIpi為第i年草地NDVI的預(yù)測值。當ε>0時，人類活動對草地NDVI為正向影響；當ε<0時，人類活動影響為負向；ε=0時，人類活動對草地無影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地生長季NDVI的時間變化

通過計算甘肅省草地生長季NDVI均值，得到2000—2019年間的時間特征(圖2)。20年間草地NDVI值為0.108～0.812，多年平均值0.366。甘肅省草地NDVI呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中在2003年、2008年、2013年和2018年分別出現(xiàn)拐點。

圖2 2000—2019年甘肅省各類草地NDVI平均值年際變化

從草地類型來看，不同草地類型NDVI的平均值不同。其中，暖性灌草叢、山地草甸和高寒草甸的NDVI高于其他草地類型；溫性荒漠類草地的面積是所有草地中面積最大，然而NDVI值卻最低，這直接影響了全區(qū)草地NDVI的平均值。高寒草甸NDVI最大值0.751，最小值0.687，差值0.064，說明高寒草甸NDVI較高且波動幅度較小。另外，山地草甸NDVI整體較高且波動上升，NDVI最大值和最小值出現(xiàn)在2018年和2019年，分別為0.812和0.741，差值0.071，波動幅度略大于高寒草甸類。

2.2 草地生長季NDVI的空間變化

2000—2019年間，甘肅省草地NDVI整體較低(圖3a)。其中NDVI低值(0～0.20)范圍的面積最大，占甘肅省草地面積的41.05%；較低值(0.20～0.40)范圍面積次之，占草地總面積的20.62%；中等、較高和高值(0.40

不同草地類型NDVI等級面積比例統(tǒng)計(圖3b)發(fā)現(xiàn)，溫性草原、高寒草原、溫性荒漠、低地草甸NDVI在低值范圍的面積分別占各類面積的52.37%，53.08%，84.48%和63.78%。暖性灌草叢、山地草甸和高寒草甸NDVI在較高值范圍的面積比例為59.09%，38.63%和41.10%，在高值范圍的面積比例為30.14%，54.08%，41.68%。

圖3 2000—2019年甘肅省草地NDVI均值分級(a)及不同等級面積比例(b)

2000—2019年，甘肅省生長季草地NDVI呈上升趨勢的面積占草地總面積的77.26%(圖4a)。其中顯著增加(P<0.05)的面積為3.72×104km2，主要分布在隴中黃土高原；輕度增加的面積占總面積的58.18%，主要分布于祁連山地和甘南高原；北山山地一帶，草地NDVI較穩(wěn)定。輕度減少和顯著減少(P<0.05)的面積分別占草地面積的0.47%和0.33%，零散分布于祁連山地。

統(tǒng)計各草地類型變化面積后發(fā)現(xiàn)不同類型草地輕度增加的面積比例較高(圖4b)。其中高寒草原、溫性荒漠和高寒草甸NDVI輕度增加的面積分別占草地總面積的87.30%，81.77%和87.63%；溫性草原和暖性灌草叢顯著增加的面積分別占43.23%和43.07%；溫性荒漠和低地草甸基本穩(wěn)定的面積分別占50.48%和43.42%。

圖4 2000—2019年甘肅省草地NDVI變化趨勢分級(a)及不同變化趨勢面積比例(b)

2.3 草地生長季NDVI穩(wěn)定性分析

甘肅省草地NDVI穩(wěn)定性分析結(jié)果表明(圖5a)：2000—2019年草地NDVI整體穩(wěn)定，波動較小的面積占總草地面積的55.98%，主要分布在甘南高原、祁連山地東段以及北山山地。其中，Cv<0.1的面積占36.24%，0.1≤Cv<0.15的面積占19.74%。草地NDVI相對不穩(wěn)定(Cv>0.2)的地區(qū)主要分布在祁連山地，占草地面積的24.89%。其中，高波動地區(qū)(Cv>0.3)面積為1.05×104km2，面積占比5.43%，主要分布在隴中黃土高原。

暖性灌草叢、山地草甸和高寒草甸NDVI穩(wěn)定較高，Cv<0.1的面積占比分別為53.57%，88.58%和82.93%。溫性草原、高寒草原、溫性荒漠和低地草甸NDVI的穩(wěn)定性較低，Cv>0.2的面積占比分別為45.13%，44.39%，24.93%和21.45%(圖5b)。

圖5 2000—2019年甘肅省草地NDVI變異系數(shù)分級(a)及各草地類型不同等級面積比例(b)

2.4 草地生長季NDVI的變化與降水量的偏相關(guān)分析

2000—2019年甘肅省草地生長季NDVI與不同季節(jié)累計降水量的偏相關(guān)分析結(jié)果表明(圖6)：降水與生長季NDVI呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域主要分布在河西走廊、北山山地和隴中黃土高原。春季、夏季、秋季和生長季累計降水量與生長季NDVI呈正相關(guān)關(guān)系的面積分別占草地總面積的84.67%，90.34%，69.67%和88.52%。其中，夏季降水量與NDVI的相關(guān)性最高(0.324)，生長季次之(0.310)，秋季最低(0.136)。

圖6 2000—2019年甘肅省草地NDVI與春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、生長季(d)降水量偏相關(guān)系數(shù)

2.5 草地生長季NDVI的變化與氣溫的偏相關(guān)分析

氣溫與草地生長季NDVI的偏相關(guān)分析表明(圖7)：生長季氣溫與NDVI呈正相關(guān)性的面積最高，主要分布在甘南高原、河西走廊和隴東黃土高原，占草地總面積的73.74%。其中相關(guān)性>0.45的面積為2.80×104km2；春季和秋季氣溫與NDVI呈正相關(guān)性的面積較低，分別占43.31%和40.59%；其中呈負相關(guān)性的區(qū)域主要分布在研究區(qū)祁連山地一帶。不同季節(jié)氣溫的偏相關(guān)系數(shù)平均值為：生長季(0.172)>夏季(0.146)>秋季(—0.056)>春季(—0.064)。從整體來看，春季和秋季氣溫升高對草地NDVI具有抑制作用，而夏季和生長季氣溫升高對草地NDVI有促進作用。

圖7 2000—2019年甘肅省草地生長季NDVI與春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和生長季(d)氣溫偏相關(guān)系數(shù)

2.6 人類活動對草地生長季NDVI的變化的影響

人類活動作為重要的因素影響著草地的生長狀況，殘差分析表明(圖8)：2000—2006年甘肅省草地生長季NDVI殘差介于—0.179～0.1315之間，平均殘差為—0.004，殘差小于0的面積占71.68%，其中殘差小于0的區(qū)域主要集中在黃土高原、河西走廊和北山山地；2007—2013年間甘肅省草地NDVI殘差介于—0.221～0.226之間，平均殘差為0.005，該時間段內(nèi)人類活動對甘肅省草地NDVI呈正向影響的面積高于負向影響，分別占草地面積的72.47%和7.53%，其中呈正向影響的區(qū)域主要分布在甘南高原、隴中、東黃土高原、祁連山地；2014—2019年間，甘肅省草地NDVI殘差介于—0.197～0.238之間，平均殘差-0.001，該時間段內(nèi)人類活動對草地NDVI負向影響的面積占63.38%，主要分布在甘南高原、隴中黃土高原和北山山地，而祁連山地區(qū)人類活動促進草地NDVI的增長。

整體來看(圖8 d)，2000—2019年間，人類活動對甘肅省30.72%草地的NDVI具有促進作用，分布在河西走廊、隴中和隴東黃土高原等草地面積較少的農(nóng)業(yè)地區(qū)；在甘南高原、祁連山地和北山山地以草地為主的地區(qū)，人類活動對草地NDVI的影響趨勢為持續(xù)的負向干擾。

3 討論

對甘肅省2000—2019年草地生長季NDVI時空變化特征分析表明，20年間草地NDVI呈現(xiàn)波動上升趨勢，隴中黃土高原草地NDVI顯著增加，這與甘肅省[14-15]、甘肅省河東地區(qū)[28]和河西荒漠地區(qū)植被[29]的相關(guān)研究一致。甘肅省草地NDVI由西北向東南呈增加趨勢，高NDVI地區(qū)分布在甘南高原和祁連山地，高寒草甸生長季NDVI處于較高水平，且波動性最小，這與李元春等[13]在甘南地區(qū)的研究結(jié)果相一致。

植被的生長與氣候有著密切的關(guān)系，季節(jié)和區(qū)域性氣候變化對植被生長的影響也不同。適宜的溫度和水分促進植物生理生化反應(yīng)，干旱高溫會抑制植物體內(nèi)正常的代謝反應(yīng)，導(dǎo)致植物生長緩慢、植株矮小、發(fā)育不良[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，降水量對草地生長季NDVI的影響中呈正相關(guān)性關(guān)系的面積大于呈負相關(guān)性關(guān)系的面積。生長季NDVI與夏季降水量相關(guān)性最高，與秋季降水量相關(guān)性最低，這與楊瑞瑞[30]在黃河源區(qū)甘肅部分的研究結(jié)果相一致。可能是因為草地植被的生長需要一定的時間，只有前期降水量的積累才能對植物后期的生長產(chǎn)生影響[31]，降水對草地植物生長影響有滯后性，相同時期的降水對NDVI影響表現(xiàn)不明顯[32]。

另外，甘肅省大部分區(qū)域氣候干旱、高溫少雨，主要草地類型為溫性草原和溫性荒漠，NDVI整體較低，對水分較為敏感。肖強等[33]的研究也說明降水量對甘肅省草地植被NDVI的影響較大。隴中黃土高原年均氣溫較高、水土流失嚴重，而河西走廊日照充足，年均降水量較少僅200 mm，干旱少雨成為限制這兩個地區(qū)草地植被生長的因素。偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，隴中黃土高原草地NDVI與降水量的相關(guān)性較高，這與其他學者在該地區(qū)的研究結(jié)果相一致[29,33]。而甘南高原地處青藏高原東北邊緣，是亞熱帶季風邊緣區(qū)和高寒氣候的過渡區(qū)[34]，降水充足，適宜草地植被的生長。因此，甘南高原草地NDVI和最主要的草地類(高寒草甸)整體較高且穩(wěn)定性較好[35]。

以高寒草原、高寒草甸和山地草甸為主的甘南高原和祁連山地海拔較高，降水量充足，制約該地區(qū)草地生長的主要因素是較低的年均氣溫，這與韓炳宏等[23]在青藏高原地區(qū)甘南和祁連山部分的研究結(jié)果相一致。不同季節(jié)氣溫對生長季草地植被NDVI的影響也不相同，整體來看，生長季氣溫與NDVI的相關(guān)性最高，而春季氣溫與生長季NDVI呈負相關(guān)關(guān)系。這可能是由于春季溫度與生長季NDVI在時間上存在一定差距，以至于春季累積氣溫不足以對生長季NDVI產(chǎn)生影響[36]。

由于城市化的發(fā)展和人口數(shù)量的增長，人類活動對草地NDVI有著一定程度的影響。1998年至2012年底，國家相繼實施了治理“三化”草原、退牧還草、禁牧草原、補播改良、建設(shè)人工飼草地和減畜達到草畜平衡等一系列生態(tài)工程措施來恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)功能，如2000年我國開始制定并實施“退耕還林還草”“退牧還草”等草地保護政策[14]；2003年甘肅、四川等8個省區(qū)開始推行“退牧還草”計劃，2005年甘肅省政府進一步加強了退牧還草工程管理[37]，對草地NDVI的增加起到了積極的作用。本研究也發(fā)現(xiàn)，2007—2013年人類活動對研究區(qū)草地NDVI呈正向驅(qū)動。

2000—2006年人類活動對草地NDVI表現(xiàn)為負影響，可能是由于生態(tài)工程實施面積有限，超載放牧的現(xiàn)象沒有得到大面積遏制，牧戶不合理的養(yǎng)殖管理方式等原因?qū)е碌腫8]。其中，甘南高原、河西走廊以及北山山地人類活動對草地NDVI的影響較大。因此，我國結(jié)合退耕還林還草工程和退牧還草工程存在的問題，對生態(tài)補獎進行適時調(diào)整，于2011—2015年和2016—2020年分別實施了第一、二輪生態(tài)補獎[38]，不斷提高補償標準，并由飼料糧補助轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)金補貼，對禁牧封育的草地進行補償性補助，對草地補播、舍飼棚圈、人工飼草等進行獎勵性補貼[8]，對甘肅省草地NDVI的增加均起到了積極的作用。如隴中黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，受人類活動和氣候變化的影響較大，草地變異系數(shù)較大，穩(wěn)定性差，但由于近年來夏季降水不斷增加，加之生態(tài)工程的持續(xù)推進，NDVI顯著增加。而三江源國家自然公園和祁連山國家級自然保護區(qū)的建立，對甘南高原和祁連山地草地生態(tài)系統(tǒng)的保護起到了決定性作用，草地NDVI處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

2000—2019年甘肅省草地生長季NDVI水平整體較低，呈波動上升趨勢，甘南高原和祁連山區(qū)域草地NDVI增加趨勢不明顯，隴中黃土高原地區(qū)草地NDVI呈顯著增加趨勢。草地整體生長狀況穩(wěn)定，大面積草地NDVI變異系數(shù)較小。不同草地類型中高寒草甸波動幅度最小，溫性草原波動幅度最大。降水對草地生長季NDVI主要表現(xiàn)為正影響，其中以夏季降水的影響最為明顯，秋季降水的影響最低；溫度對NDVI的影響小于降水。生態(tài)工程的實施對甘肅省草地NDVI具有一定促進作用，需長期實施。