阿拉善左旗近35年植被NDVI動態變化趨勢分析

黨夢嬌　劉雪娟　楊世榮　趙靜　馬克華　羅煒　圖布吉雅

摘要 采用像元二分模型法對阿拉善左旗1984—2018年植被TM遙感影像數據進行分析，獲取研究區不同年份的植被蓋度，結合一元線性回歸等方法分析了阿拉善左旗近35年植被NDVI變化趨勢。結果表明：（1）阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值為22.7%，1984—1989年植被蓋度等級從Ⅱ級逐漸降升高到Ⅰ級，1984—1992年植被蓋度Ⅱ級的比例占25%，土地類型為沙化土地，1992—2018年植被蓋度Ⅰ級的比例占75%，土地類型均為荒地，研究區植被NDVI整體狀況從低覆蓋度演變為極低覆蓋度，并且一直保持極低覆蓋度級別;（2）阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI的時空變化特征呈波動下降趨勢，植被NDVI的斜率為-0.006，植被NDVI的階段性變化特征明顯，第1階段（1984—1992年）、第3階段（2001—2010年）和第4階段（2010-2018年）植被NDVI均出現負增長趨勢，第2階段（1992—2001年）植被NDVI呈上升趨勢。阿拉善左旗35年植被NDVI空間分布特征總體呈下降趨勢，植被資源亟待保護。

關鍵詞 植被NDVI;變化趨勢;回歸分析;阿拉善左旗

中圖分類號：S718.54 文獻標識碼：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2022.04.003

Analysisof NDVI Dynamic Trend in Alxa Left Banner in Recent 35 years

Dang Mengjiao Liu Xuejuan Yang Shirong Zhao Jing Ma Kehua Luo Wei Tubujiya

（1.Alxa Institute of Forestry and Grassland，Alxa，750300，Inner Mongolia;2. Alxa Protection Station of Forest and Grassland，Alxa 75030，Inner Mongolia;3. Alxa Air Ranger Station，Alxa 750300，Inner Mongolia;4. Yabulai Station of Inner Mongolia Badanjilin Nature Reserve，Alxa 737300，Inner Mongolia）

AbstractIn this study，the Pixel bisection model was used to analyze the vegetation TM remote sensing data of Alxa Left Banner from 1984 to 2018，and the vegetation coverage of different years was obtained，using monadic linear regression and other methods to assess the NDVI trend of Alxa Left Banner Vegetation in recent 35 years. The results showed that： 1） the average NDVI value of Alxa Left Banner Vegetation was 22.7%，the vegetation coverage grade of Alxa Left Banner Vegetation gradually increased? from Grade Ⅱ to Grade Ⅰ from 1984 to 1989，and the vegetation coverage grade of Grade Ⅱ accounted for 25% from 1984 to 1922. The land type was sandy land. From 1992 to 2018，the proportion of Grade Ⅰ vegetation coverage was 75%，and the land type was wasteland. The overall vegetation NDVI status in the study area changed from low to very low coverage，and maintained extremely low coverage;2） the temporal and spatial variation characteristics of NDVI in Alxa Left Banner showed a fluctuating downward trend from 1984 to 2018，and the slope of NDVI was -0006. The periodic variation characteristic of NDVI was obvious，which NDVI in the first，third and fourth stages showed a negative growth trend，and NDVI in the second stage showed an upward trend. In conclusion，the spatial distribution characteristics of vegetation NDVI in Alxa Left Banner 35a showed a declining trend，and the vegetation resources are in urgent need of protection.

Key wordsvegetation NDVI;change trends;regression analysis;Alxa Left Banner722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，FVC）指植被冠層垂直投影面積占基準地表單位總面積的比例或百分比，它表現出了植被在水平方向上的密度情況[1]。植被覆蓋度是演示生態系統變化的重要指標[2]，通常用于陸表蒸發散計算、植被狀況評估、生態模型擬模或水土保持和荒漠化進程分析[3]。地表植被覆蓋是描述生態系統特征的基礎數據，環境變化、人類活動、自然災害等因素都會引起植被覆蓋度的變化[4]，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，不僅可以體現局部地區的自然生態環境健康情況[5]，對評價區域生態環境同樣具有重要現實意義[6]。因此，研究一個區域的植被覆蓋度變化趨勢對了解植被的演變，預測未來氣候變化下植被的變化特征具有重要價值[7]，有利于從宏觀層面實現對生態環境的全面監測[8]。

目前，基于長時間序列的歸一化指數數據集[9]，國內外應用廣泛、技術成熟的植被覆蓋度提取模型是像元二分模型[10]。像元二分模型是混合像元分解的一種方法[11]，除了植被，像元二分模型也被運用于其他方面，例如重金屬反演、水體提取等。章瓊等[12]將像元二分模型運用到土壤重金屬反演方面發現，經過像元二分模型處理的土壤反射率與重金屬Cr兩者敏感性顯著相關，取得較好效果。丁鵬飛等[13]將像元二分模型運用到水體指數提取研究中發現，像元二分模型對提取水體信息更精確，特別是對水陸模糊邊界區域提取精度效果較好。由于還未有人利用像元二分模型法探究阿拉善盟植被NDVI變化趨勢，基于此，本研究將用此方法，對1984—2018近35年阿拉善左旗植被的改善和退化狀況進行分析，探討研究區植被覆蓋度的空間分布特征，以期為解決阿拉善左旗植被改善與恢復等問題提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于賀蘭山以西的騰格里沙漠東北緣，地形由東南向西北傾斜，屬賀蘭山洪積扇邊緣，地勢開闊[14]，銜接起伏的沙丘，地表風蝕作用強，主要以固定、半固定沙地為主[15]。土壤類型以風沙土為主。氣候屬典型的溫帶大陸性氣候[16]，據研究區周邊3個國家基準氣象站（阿拉善左旗、吉蘭泰和巴彥淖爾）1978—2017年氣象資料，該區年均降水量100～200 mm，平均為142.0±35.6 mm，降雨主要集中在6—9月，約占全年的62%;年均氣溫為8.7±0.7 ℃，7月最高氣溫可達41.1 ℃，1月最低氣溫達-34.4 ℃;年均風速為7.1±0.4 m·s^-1，春季和冬季大風天數居多，最大風速可達26 m·s^-1。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

從地理數據空間云平臺下載1984—2018年的TM遙感影像數據，為最大程度消除云、霧、大氣和非生長季的影響，選取8月作為研究時段，該時段植被長勢旺盛，同時含云量控制在1%以內，數據質量好。受2013年之前波段的影響，本研究用近紅外波段和可見紅外波段遙感影像計算各期影像NDVI，進一步消除云、大氣等因素的干擾。收集研究區部分野外GPS調查數據和其他相關統計數據。采用 ENVI 軟件對影像進行裁剪、拼接等預處理，得到阿拉善左旗的遙感數據。

2.2研究方法

2.2.1歸一化植被指數歸一化植被指數是反映區域植被生態態勢的重要參數因子，被定義為近紅外波段與可見光紅外波段數值之差與這兩個波段數值之和的比值[17]，計算公式如下：

NDVI的范圍在[-1，1]之間，地物對可見光的反射越高，NDVI便越低，當值為負時表示地面覆蓋為水、雪或在空中受到了云的干擾等[18];若值為0，則表示為裸地或巖石等，而在有植被覆蓋時，NDVI為正，且值隨著植被覆蓋密度的增長而變大[19]。NDVI經比值處理，可以部分消除與太陽高度角、衛星觀測角、地形、云、陰影和大氣條件等有關的輻照度條件變化的影響[20]。式中，B_nir代表近紅外波段的反射值;B_red代表紅光波段的反射值;ND-VI是植物生長狀態及植被空間分布密度的最佳指示因子。

2.2.2 植被覆蓋度

像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法[21]，其原理為通過遙感傳感器所觀測到的信息S，可表達為由綠色植被成分所貢獻的信息S_veg和由土壤成分所貢獻的信息S_soil這兩部分組成，植被覆蓋度Fc就是像元中植被覆蓋所占的面積，計算公式如下：

2.2.3 趨勢分析

采用一元線性回歸分析法中的斜率公式計算生長季NDVI的年際變化趨勢（Slope）[22]，并進行顯著性檢驗。Slope的計算公式如下：

2.2.4 植被蓋度等級劃分依據 為更加直觀地展現近35年來阿拉善左旗植被覆蓋度變化情況，對歷年植被覆蓋度進行等比例閾值劃分。按照水利部2007年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》及相關研究成果[23]，結合研究區實況資料、野外調查點數據，對分類的結果進行了精度驗證[24]，在此基礎上，基于ArcGIS 軟件將植被覆蓋度等級劃分為5級，具體劃分標準為：極低植被覆蓋（Fc≤0.1）;低植被覆蓋（0.1

3 結果與分析

3.1 植被NDVI變化分析

阿拉善左旗多年植被NDVI平均值為22.7%，植被NDVI平均最高值為37%（1984年），最低值為7%（2018年）。由圖1可以看出，1984—2018年阿拉善左旗平均生長季植被NDVI增長率呈緩慢下降趨勢，將歷年植被NDVI的變化大致分為4個階段，即1984—1992年（第1階段）、1992—2001年（第2階段）、2001—2010年（第3階段）、2010—2018年（第4階段）。第1階段植被NDVI下滑幅度為4個階段中最大的一個階段，第2階段和第3階段下降速率則較為平穩，最后一階段的下滑幅度也較大，但比第1階段略小。由圖2可以看出：1984—1989年、1999—2004年、2014—2018年植被NDVI均呈大幅下降趨勢。其他階段植被NDVI則是小幅度上升。722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF

3.2 植被NDVI描述性統計分析

阿拉善左旗植被覆蓋平均值從1984年到2018年逐漸減小，1984年植被NDVI平均值最大，約為29%。各年植被NDVI的中值和均值均很接近，表明植被NDVI的中心趨向分布不被異常值所決定，標準差為0.07～0.12。變異系數（CV）表示隨機變量的離散程度，CV≤10%為弱變異性;10%

3.3 植物NDVI變化等級劃分

由表3可知，4個階段的植被蓋度等級從Ⅱ級逐漸降升高到Ⅰ級，Ⅰ級的植被NDVI閾值為0.1

3.4 植物NDVI線性回歸方程分析

從圖3可以看出1984—2018年阿拉善左旗植被NDVI的時空變化特征呈波動下降趨勢，植被NDVI的斜率為-0.006。同時，由圖4可知，植被NDVI的階段性變化特征明顯，1984—2018年阿拉善左旗植被NDVI變化斜率為-0.014～0.003，第2階段植被NDVI的斜率最大，呈上升趨勢。第1階段、第3階段和第4階段植被NDVI的斜率均為負增長，呈現負增長趨勢。

由圖4中的一元線性回歸方程和R2值可知，阿拉善左旗植被NDVI與植被發育的4個階段分別呈線性關系。從直線相關的變化方向看，第1階段、第2階段和第4階段均呈負相關關系，第3階段呈正相關關系，且線性均擬合較好。表4為圖4中方程的方差分析表。由表4可知，4個階段的概率P值均為0，且小于005，所以回歸方程式在置信水平α=005下是顯著的。可以看出阿拉善左旗植被NDVI與植被發育的4個階段線性回歸高度顯著，二者之間存在線性相關關系，回歸效果顯著，方程建立有意義。植被NDVI與植被發育的4個階段線性回歸系數分析詳見表5。由表5可以看出方程的回歸系數具有顯著意義，回歸效果顯著。

4 討論

阿拉善左旗常年氣候干旱且降雨量較少，植被NDVI值在第1階段出現大幅度下降，1984—1992年未開展造林工程及圍封保育措施，牲畜啃食及經濟發展建設導致植被覆蓋度驟降。植被NDVI值在第2階段出現小幅度上升，1992—2001開展了小幅度的封山育林及飛播造林工程，并取得了一定的成效。第3階段在小幅度上升后出現大幅度下降并保持穩定狀態，2001—2010年雖然進行了大幅度的飛播造林工程，但是由于技術不成熟導致植被成活率較低，且氣候惡化導致造林收益不高。第4階段出現大幅度下降趨勢，2010—2018雖然開展了大幅度的人工造林及飛播造林工程，也較大程度地實施了圍封保育措施，但基于歷年天然林的減少在一定程度上有了退化的趨勢，導致植被NDVI出現驟降。

基于對阿拉善左旗近35年植被NDVI的實時監測，可以更加直觀地對植被的改善及退化進行深層次的了解。黃棟等[25]研究表明，建設用地的擴張及人類活動驅動下土地利用變化是導致區域植被退化的關鍵因素，該結論與本研究結果一致。土壤質量會間接影響植被發育狀況，在經濟發展的同時更要注重植被恢復重建。劉洋洋等[26]研究表明，植被NDVI值往往更容易被干旱所影響，干旱會使植被增加抗性且快速適應環境。本研究結論與此相似。可以看出，在氣候干旱的環境中，植被所受到的脅迫也更加明顯，雖然植被會快速適應環境，同時也出現了逐漸退化的趨勢。基于此，在加大力度開展人工造林和飛播造林工程同時，天然林的退化趨勢及退化原因也是我們要研究的關鍵問題。

5 結論

基于像元二分模型、描述性統計分析和一元線性回歸分析等方法，分析了阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI隨時間變化趨勢。

5.1 阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值為22.7%，植被NDVI平均最高值為37%（1984年），最低值為7%（2018年）。1984—1989年、1999—2004年、2014—2018年植被NDVI均呈大幅下降趨勢，其他階段則植被NDVI則是小幅度上升。

5.2 阿拉善左旗1984—1989年植被NDVI平均值變異性較弱，離散程度較小，集中趨勢測度值的代表性較強。偏度系數均為正值。第2階段、第3階段和第4階段植被NDVI的峰度系數均為正值，第1階段峰度系數為負值。4個階段的植被NDVI數據均呈正態分布。

5.3 阿拉善左旗1984—1989年植被蓋度等級從Ⅱ級逐漸降升高到Ⅰ級，研究區植被NDVI整體狀況從低覆蓋度演變為極低覆蓋度，并且一直保持極低覆蓋度級別。

5.4 阿拉善左旗1984—2018年植被NDVI的時空變化特征呈波動下降趨勢，植被NDVI的斜率為-0.006。植被NDVI的階段性變化特征明顯，4個階段線性均擬合較好，回歸效果顯著。

參考文獻：

[1] 胡孟珂，于歡，孔博，等.2001—2020年嘉陵江流域植被覆蓋度時空變化特征[J].人民長江，2022（1）：82-89，96

[2] 姜萍，胡列群，肖靜，等.新疆植被NDVI時空變化及定量歸因[J].水土保持研究，2022（2）：212-220，242

[3] 劉瑞瑤，許麗，豐菲，等.2000-2018年烏海市植被覆蓋度時空變化[J].水土保持研究，2022（2）：265-273

[4] 郭金停，胡遠滿，布仁倉.中國東北多年凍土退化對植被季節NDVI的影響研究[J].內蒙古師范大學學報：自然科學漢文版，2022（1）：50-56

[5] 耿慶玲，陳曉青，赫曉慧，等.中國不同植被類型NDVI對氣候變化和人類活動的響應[J].生態學報，2022（9）：1-12

[6] 韋欽樺，羅文斐，李浩，等.基于無人機高光譜影像的植被覆蓋度遙感估算模型比較[J].華南師范大學學報：自然科學版，2021（6）：79-87

[7] 黃豪奔，徐海量，林濤，等.2001—2020年新疆阿勒泰地區NDVI時空變化特征及其對氣候變化的響應[J].生態學報，2022（7）：1-12722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF

[8] 滑永春，張恒，王冰，等.1982—2015年內蒙古地區NDVI時空變化及驅動力分析[J].西南林業大學學報：自然科學，2021（6）：175-182

[9] 劉詠梅，范鴻建，蓋星華，等.基于無人機高光譜影像的NDVI估算植被蓋度精度分析[J].自然資源遙感，2021（3）：11-17

[10] 丁鵬飛，劉漢湖.基于像元二分模型改進的水體指數提取方法研究[J].河南科學，2020（10）：1625-1632

[11] 張思源，聶瑩，張海燕，等.基于地理探測器的內蒙古植被NDVI時空變化與驅動力分析[J].草地學報，2020（5）：1460-1472

[12] 章瓊，郭云開，錢佳，等. 像元二分模型的土壤重金屬Cr的遙感反演[J]. 測繪科學，2020，45（4）： 58-63

[13] 丁鵬飛，劉漢湖.基于像元二分模型改進的水體指數提取方法研究[J].河南科學，2020，38（10）： 1625-1632

[14] 范子昂，魏文壽，陳峰，等.樹輪記錄的騰格里沙漠東緣1775—2005年降水變化[J].中國沙漠，2012（4）：996-1002

[15] 單鵬飛.騰格里沙漠東北緣末次冰期冰楔的首次發現及其意義[J].科學通報，1996（2）：160-163

[16] 田永禎，李埃新，龐德勝.騰格里沙漠東緣飛播固沙植物生長狀況的研究[J].內蒙古林學院學報，1999（2）：8-11

[17] 岳勝如，李瑞平，徐冰.內蒙古中部植被覆蓋度監測及氣象驅動力分析[J].湖北農業科學，2015（7）：1574-1577，1581

[18] 任世龍，宜樹華，陳建軍，等.高山草地植被蓋度對氣候變暖和人類活動的響應[J].草業科學，2013（4）：506-514

[19] 顏亮，周廣勝，張峰，等.內蒙古荒漠草原植被蓋度的空間異質性動態分析[J].生態學報，2012（13）：4017-4024

[20] 高清竹，段敏杰，李玉娥，等.1981-2006年藏西北地區草地植被蓋度動態變化分析[J].中國農業氣象，2010（4）：582-585

[21] 許旭，李曉兵，梁涵瑋，等.內蒙古溫帶草原區植被蓋度變化及其與氣象因子的關系[J].生態學報，2010（14）：3733-3743

[22] 劉同海，吳新宏，董永平.基于TM影像的草原沙漠化植被蓋度分析研究[J].干旱區資源與環境，2010（2）：141-144

[23] 滿多清，吳春榮，徐先英，等.騰格里沙漠東南緣荒漠植被蓋度月變化特征及生態恢復[J].中國沙漠，2005（1）：142-146

[24] 陳晉，陳云浩，何春陽，等.基于土地覆蓋分類的植被覆蓋率估算亞像元模型與應用[J].遙感學報，2001（6）：416-422，481

[25] 黃棟，李鵬，董南.近20 a環渤海地區GS_NDVI時空分異及其對氣候變化和LUCC的響應[J].生態環境學報，2021（12）：2275-2284

[26] 劉洋洋，任涵玉，呼天明，等.中國草地NDVI時空動態對多尺度干旱的響應[J].水土保持研究，2022（1）：153-161，168722673BD-DF0B-4179-A070-F58E45ED82FF