生態(tài)工程實(shí)施不同階段祁連山植被覆蓋變化特征

潘冬榮，韓天虎，閆浩文，孫 斌，姜佳昌，王紅霞

(1. 蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅省草原技術(shù)推廣總站，蘭州 730010)

祁連山地處中國(guó)東部季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)、西北內(nèi)陸干旱區(qū)和青藏高原區(qū)的交匯處[1]，生態(tài)極度脆弱，植被覆蓋對(duì)氣候及環(huán)境變化敏感[2]，是中國(guó)重要的生態(tài)屏障[3].東西跨度大，區(qū)域內(nèi)海拔差異顯著，水熱條件差異明顯.近年來(lái)，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，祁連山區(qū)的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了極大的變化，主要表現(xiàn)為草地退化、草地生物多樣性減少、水土流失加劇等，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注.

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)極其重要的組成部分，是連接土壤、大氣和水分的重要紐帶，在物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞中具有重要作用[4]，其空間分布是對(duì)地區(qū)地形地貌、土壤、氣候等要素長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果[5].植被覆蓋變化過(guò)程不僅反映生態(tài)系統(tǒng)本身的變化，而且反映了自然和人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用過(guò)程，利用遙感技術(shù)定量分析植被覆蓋變化有助于陸地生態(tài)環(huán)境的演變規(guī)律[6].多年來(lái)，由于不合理的開(kāi)礦、亂墾亂挖、過(guò)度放牧使得祁連山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被遭到了極大的破壞，引起了一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題.為此，中國(guó)政府自1998年開(kāi)始分批次啟動(dòng)了天然林資源保護(hù)、退耕還林、退牧還草、已墾草原治理、森林草原防火和生態(tài)惡化土地治理等22個(gè)生態(tài)保護(hù)工程項(xiàng)目[7]，祁連山區(qū)作為中國(guó)西部生態(tài)保護(hù)工程和政策實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域，國(guó)務(wù)院于2003年開(kāi)始在該區(qū)域逐步實(shí)施退牧還草工程、草原鼠害治理、草原補(bǔ)獎(jiǎng)工程等措施.這些工程的實(shí)施使得祁連山區(qū)的植被得到了一定的恢復(fù).然而，2016年中央環(huán)保督察認(rèn)為祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題依然嚴(yán)重，之后，甘青兩省各部門(mén)在祁連山區(qū)開(kāi)展了前所未有的生態(tài)恢復(fù)工程.生態(tài)工程的實(shí)施受政策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，具有階段性，實(shí)施周期一般為5 a[8].現(xiàn)有研究對(duì)祁連山1982-2006[9]、1982-2014[10]、1999-2007[11]、2000-2011[12]、2000-2017[13]年植被覆蓋、高寒荒漠[14]以及草地植被[15]時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，但對(duì)生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施不同階段植被覆蓋變化關(guān)注較少，本研究以生態(tài)保護(hù)政策實(shí)施和轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)，利用SPOT-VGT-NDVI數(shù)據(jù)分析了祁連山生態(tài)工程實(shí)施不同階段植被覆蓋變化特征和趨勢(shì)，以期為區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)工程建設(shè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，進(jìn)而為祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)和植被修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

祁連山地處甘肅和青海兩省交界，是青藏高原東北部最大的邊緣山系，東西長(zhǎng)約850 km，南北寬約250～400 km，如圖1所示；地形以高山、盆地為主，地勢(shì)由西北向東南降低，海拔在2 100～4 500 m之間；氣溫和降水隨海拔梯度變化明顯，年均溫0.6 ℃，年降水400～700 mm，降水量自東向西呈遞減趨勢(shì)，東、中段屬大陸性半干旱高山草原氣候，西段屬大陸性干旱荒漠氣候，是典型的高原大陸性氣候特征；區(qū)內(nèi)河流眾多，水資源豐富，河流以冰川融水和山區(qū)降水補(bǔ)給為主；祁連山植被水平地帶性和垂直地帶性分布特征明顯，獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件使得區(qū)內(nèi)分布有喬木、灌木、草本等各種植被[16-17].

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

本研究以中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的生態(tài)工程實(shí)施前1998年以來(lái)SPOT-VGT-NDVI為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為1 d.數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)經(jīng)幾何校正和大氣校正以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影和裁剪等處理，再采用最大合成法進(jìn)一步排除云、大氣等干擾，生成的1998年以來(lái)的月度、年度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集.

1.3 生態(tài)工程階段劃分和植被覆蓋劃分

生態(tài)工程的實(shí)施周期一般為5 a，因此，以5 a為時(shí)間間隔，將祁連山生態(tài)工程劃分為5個(gè)不同階段，分別為：生態(tài)工程前(1998-2003年)、保護(hù)初期(2004-2008年)、保護(hù)中期(2009-2013年)、持續(xù)保護(hù)期(2014-2018年)、環(huán)保督查后(2016-2018年).

根據(jù)植被劃分標(biāo)準(zhǔn)，將NDVI等間距劃分為5個(gè)區(qū)間，分別為：低植被覆蓋(0≤NDVI<0.2)、較低植被覆蓋(0.2≤NDVI<0.4)、中植被覆蓋(0.4≤NDVI<0.6)、較高植被覆蓋(0.6≤NDVI<0.8)、高植被覆蓋(0.8≤NDVI<1).

1.4 研究方法

1.4.1 均值法

將每月NDVI進(jìn)行最大化合成，利用年最大合成值NDVImax進(jìn)行趨勢(shì)分析制作不同階段NDVI變化圖.

1.4.2 Hurst指數(shù)法

定義NDVI時(shí)間序列為NDVI(t)，其中t=1,2,…,n，對(duì)于任意正整數(shù)t≥1，該時(shí)間序列的均值序列為

(1)

累積離差序列為

(2)

極差序列為

R(τ)=maxX(t,τ)-minXt,τ,1≤t≤τ;τ=1,2,…,n.

(3)

標(biāo)準(zhǔn)差序列為

(4)

計(jì)算Hurst指數(shù)為

(5)

式中：H為Hurst指數(shù)；C為比例參數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 年際變化特征

1998-2018年植被NDVI總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均NDVI值在0.34～0.43之間波動(dòng)，增速為0.32 %/a.NDVI變化呈現(xiàn)出5個(gè)下降期和6個(gè)上升期，其中，2000-2001年，2002-2004年，2005-2008年，2010-2011年，2012-2016年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1998-2000年，2001-2002年，2004-2005年，2008-2010年，2011-2012年，2016-2018年呈上升趨勢(shì)，如圖2所示.對(duì)各年增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)分析可得，相對(duì)于上一年，21 a中增長(zhǎng)率為正的年份有9 a，增長(zhǎng)率為負(fù)的年份有11 a.這主要是因?yàn)槠钸B山區(qū)域近年的降水量增加[18]和2000年以來(lái)相關(guān)部門(mén)采取的退耕還林還草、天然林保護(hù)工程、草原減畜等保護(hù)工程措施[19]綜合作用的結(jié)果.

圖2 祁連山1998-2018年植被NDVI年變化趨勢(shì)Fig.2 Annual variations trend of NDVI in the Qilian Mountains from 1998 to 2018

2.2 不同階段植被覆蓋變化率

正確評(píng)估生態(tài)保護(hù)工程對(duì)植被覆蓋變化的影響，是判斷生態(tài)工程布局是否合理和管理對(duì)策是否得當(dāng)?shù)闹匾罁?jù).對(duì)祁連山生態(tài)工程不同階段植被NDVI變化速率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NDVI增速在0.38～1.85 %/a之間，增長(zhǎng)速率依次為：環(huán)保督察后>保護(hù)中期>持續(xù)保護(hù)期>保護(hù)初期>生態(tài)工程前，如表1所列.這主要是因?yàn)椋h(huán)保督察后，甘青兩省對(duì)祁連山的生態(tài)保護(hù)政策更加嚴(yán)格，保護(hù)中期的植被覆蓋增長(zhǎng)速率大于持續(xù)保護(hù)期和保護(hù)初期是因?yàn)樵诒Ｗo(hù)中期，生態(tài)工程效果初顯，植被退化得到遏制，植被生長(zhǎng)呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)[7]，而在保護(hù)初期，各方面的條件均達(dá)到了最好的狀態(tài)，因此，植被增長(zhǎng)迅速，而在持續(xù)保護(hù)期，植被間對(duì)水、熱、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的競(jìng)爭(zhēng)使得植被增長(zhǎng)速率趨于平穩(wěn).

表1 生態(tài)工程實(shí)施不同階段NDVI變化率

2.3 植被覆蓋變化趨勢(shì)

分別統(tǒng)計(jì)不同階段各區(qū)間內(nèi)NDVI所占的比例，發(fā)現(xiàn)從生態(tài)工程實(shí)施前到環(huán)保督察后，高植被覆蓋區(qū)(0.8≤NDVI<1.0)所占比例增加并且增速較快，低植被覆蓋區(qū)(0

2.4 空間分布特征及變化

從像元尺度上計(jì)算了各階段祁連山NDVI的平均值，分別繪制了祁連山生態(tài)工程實(shí)施前、保護(hù)初期、保護(hù)中期、持續(xù)保護(hù)期、環(huán)保督察后NDVI分布圖和所占比例，總體來(lái)看祁連山區(qū)域的植被NDVI偏低，并且植被NDVI從東南向西北逐漸減小，從生態(tài)工程實(shí)施前到環(huán)保督察后，祁連山植被覆蓋總體呈增加趨勢(shì)，西北部低植被覆蓋區(qū)(黑色覆蓋區(qū))逐漸縮小，中部中植被覆蓋區(qū)(灰色覆蓋區(qū))面積逐漸增大；東南部高植被覆蓋區(qū)(白色覆蓋區(qū))明顯增加.NDVI在0～0.2所占的比例從工程實(shí)施前的39.89%降至環(huán)保督察后的31.50%，NDVI在0.2～0.8所占的比例變化較小，NDVI在0.8～1所占的比例從0.15%增加至10.04%，如圖4所示.祁連山植被NDVI從東南向西北逐漸減小，主要是因?yàn)槠钸B山東部受海洋季風(fēng)的影響，中西部受西風(fēng)影響，水汽來(lái)源的不同導(dǎo)致祁連山降水量自東向西呈遞減趨勢(shì)，造成植被覆蓋東多西少[20]， 從生態(tài)工程實(shí)施前到環(huán)保督察后，祁連山植被覆蓋總體呈增加趨勢(shì)，西北部低植被覆蓋區(qū)(黑色覆蓋區(qū))逐漸縮小，中部較低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)面積逐漸增大；東南部高植被覆蓋區(qū)(白色覆蓋區(qū))明顯增加，這主要?dú)w因于生態(tài)工程的實(shí)施和西北地區(qū)的暖濕化過(guò)程.

圖3 生態(tài)工程實(shí)施不同階段NDVI變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of NDVI in different stages of ecological engineering

圖4 不同階段NDVI空間分布及所占比例Fig.4 Spatial distribution and its proportions of NDVI in different stages

2.5 未來(lái)趨勢(shì)

基于Hurst指數(shù)值域，對(duì)祁連山NDVI變化的可持續(xù)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋反持續(xù)性變化的面積為1.31×104km2，占祁連山總面積的7.12%；大部分區(qū)域的植被覆蓋變化趨勢(shì)與過(guò)去相同，呈持續(xù)上升趨勢(shì)，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%，如圖5所示.說(shuō)明祁連山植被覆蓋變化更多的是受生態(tài)工程的影響(持續(xù)性弱則說(shuō)明是受自然因素的影響)[21].

圖5 NDVI可持續(xù)性分析Fig.5 NDVI sustainability analysis

3 結(jié)論

植被覆蓋變化是自然因素和人類(lèi)活動(dòng)因素共同作用的結(jié)果[22]，自然因素是植被變化的決定因素，而人類(lèi)活動(dòng)能夠積極干預(yù)植被生態(tài)系統(tǒng)[23]，積極的保護(hù)措施能夠改善植被變化狀況，而不合理的開(kāi)發(fā)利用措施使得植被狀況發(fā)生退化.本文通過(guò)研究生態(tài)工程實(shí)施不同階段祁連山植被覆蓋時(shí)空變化特征，得出如下結(jié)論：1) 祁連山植被NDVI增速在0.38～1.85 %/a之間，增長(zhǎng)速率依次為：環(huán)保督察后>保護(hù)中期>持續(xù)保護(hù)期>保護(hù)初期>生態(tài)工程前.2) 低植被覆蓋區(qū)所占的比例從工程實(shí)施前的39.89%降至環(huán)保督察后的31.50%，較低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)所占的比例變化較小，髙植被覆蓋區(qū)所占的比例從0.15%增加至10.04%.3) 祁連山區(qū)的植被覆蓋反持續(xù)性變化的面積為1.31×104km2，占祁連山總面積的7.12%；大部分區(qū)域的植被覆蓋變化趨勢(shì)與過(guò)去相同，面積為16.02×104km2，占祁連山總面積的92.88%.