2010～2021年新疆庫魯斯臺草原動態遙感監測變化分析

劉 亮,彭 建,李剛勇,韓萬強,劉玉佳,關靖云,劉程才,鄭江華,4

(1.新疆大學地理與遙感科學學院,烏魯木齊 830046;2.新疆維吾爾自治區草原總站,烏魯木齊 830000;3.塔城地區林業和草原局,新疆塔城 834700;4.新疆綠洲生態重點實驗室,烏魯木齊 830046)

0 引 言

【研究意義】草地是地球上分布最廣的陸地生態系統之一,30%的陸地被草地覆蓋[1-2];草地生態系統是一個重要的碳庫,占全球土壤碳儲量的20%[3-4]。中國天然草地393×104km2,約占國土總面積的40%[5]。傳統的草地退化監測是通過實地走訪調查來確定草地退化現狀并分析導致退化的因素,該方法不僅效率低,成本高[6-7]。衛星影像已有較高的時空分辨率,利用遙感影像進行草地退化動態監測效率高,可通過時間序列過程分析退化草地的空間分布及變化[8]。基于衛星影像的草地退化動態監測可制定合理的草地保護與修復管理措施和方案,為草地生態系統安全評價和草地資源利用決策提供參考。【前人研究進展】Taylor等[9]提取了新西蘭國家兩個農業區的歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index,NDVI),對研究區草地產草量變化進行研究。Sun等[10]選取了凈初級生產力作為指標,分析了2001～2012年中國內蒙古錫林郭勒盟草地退化和恢復的驅動力。但由于草地所處背景與不同的演替方式,選擇單一指標對草地評價時可能會出現評估偏差的風險[11]。目前,更多的研究采用多個指標構建草地退化評價體系,該方法構建的評價體系更適用于不同研究區的特點且在草地評價時有較高的精度[12]。Wiesmair 等[13]基于NDVI和土壤調節指數(Soil-adjusted vegetation index,SAVI)建立與實測草地蓋度的評價模型,對格魯吉亞高加索地區的草地退化狀況進行評估;徐劍波等[14]和李輝霞等[15]通過實測草地建群種的高度、蓋度及地上生物量,使用加權分析的方法綜合3個實測數據作為指標,構建模型對研究區的草地退化進行綜合評價。植被覆蓋度、高度及地上生物量是構建草地退化模型時較為常見的遙感監測指標[16]。【本研究切入點】庫魯斯臺草原位于新疆塔城地區,是全國第二大連片平原草場[17]。天然草地及濕地面積有所減少[18]。但目前尚未科學、系統的對庫魯斯臺草原生態系統進行監測與評估,且現有的評價標準并不一定適用于庫魯斯臺草原,需要建立一套合理的草地評價體系,其中指標參數應最大程度反應草地植被的變化狀況。【擬解決的關鍵問題】以新疆塔城地區的庫魯斯臺草原為對象,基于實地采樣點的草地蓋度、高度及地上生物量數據為基礎,計算GDI并對其進行等級劃分;將NDVI與GDI進行線性回歸,并將其作為庫魯斯臺草原退化的遙感監測模型;對庫魯斯臺草原土地利用分類,提取草地分布及面積,分析庫魯斯臺草原各年份不同退化等級的空間分布、變化趨勢及變化強度,為草地資源管理和可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

庫魯斯臺草原位于新疆塔城地區的額敏河流域,塔城—額敏盆地腹心[19]。該草原位于塔爾巴哈臺山脈與巴爾魯克山脈之間,地勢東高西低,地形平坦開闊。由于受到額敏河水滋養,為草地的生長發育提供了優良的條件,是新疆優質的天然草場[20]。庫魯斯臺草原是新疆典型的草原牧區之一。

遙感數據:Landsat數據來自USGS(United States Geological Survey),時間序列為2010～2021年。選取遙感影像時應滿足與實測數據采集時間為每年5～7月且云量較少。對12年的遙感影像進行輻射定標、大氣校正等預處理。并在ENVI中使用支持向量機算法對研究區的土地利用進行分類,提取研究區草地的面積,最后使用邊界數據裁剪出庫魯斯臺草原。

實測數據:根據庫魯斯臺草原的物候特點及植被生長趨勢,分別在2021年在5月、7月選擇典型草地類型,采集草群的高度、覆蓋度及地上生物量。在整個庫魯斯臺草原所有的典型草地類型中均勻地設置26個采樣點,每個采樣點設置10個1 m×1 m的樣方,共計260個樣方數據。

1.2 方 法

1.2.1 指標權重

將3個指標做歸一化處理,其次將歸一化處理后數據導入SPSS軟件進行因子分析,依據因子分析的結果計算不同指標所占的權重。表1

表1 指標權重

1.2.2 草地監測指數

將草地監測指數定義為地上生物量、覆蓋度和高度的加權。

(1)

式中,GDI為草地監測指數;Vi為各指標實測數據的標準化值;Wi為各變量的權重;n為變量的個數。

1.2.3 植被指數

NDVI(歸一化植被指數)=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED).

(2)

DVI(差值植被指數)=ρNIR-ρRED.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

SAVI(土壤調節植被指數)=(ρNIR-ρRED)(1+0.5)/(ρNIR+ρRED+0.5).

(8)

式中,ρNIR為近紅外波段的反射值;ρRED為紅光波段的反射值;ρBLUE為藍光波段反射值。

1.3 數據處理

分別計算2010～2021年的NDVI、DVI、EVI、RVI、PVI、RDVI及SAVI等7種植被指數,并將以上7種植被指數與實測數據進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 草地監測模型的構建

2.1.1 草地監測指數與植被指數相關性

研究表明,GDI與NDVI相關性最高,R2為0.854;與EVI相關性最低,R2為0.458 9,利用NDVI進行草地退化反演精度較高。圖1

圖1 GDI與7種植被指數相關性

2.1.2 構建草地退化監測模型

研究表明,以NDVI為自變量,GDI為因變量,構建11種線性回歸模型。其中,線性回歸模型擬合性最好,R2為0.854,選用線性模型建立回歸擬合。表2

表2 NDVI與GDI的多種擬合模型統計及參數評估

GDI=0.860×NDVI+ 0.038.

(9)

2.2 歷史影像輻射配準

研究表明,用2021年的歸一化植被指數圖像NDVI分別對2010～2020年的植被指數圖像NDVI10、NDVI11、NDVI12、NDVI13、NDVI14、NDVI15、NDVI16、NDVI17、NDVI18、NDVI19、NDVI20進行輻射配準。利用ArcGIS軟件在試驗區范圍內隨機選取100個點,在2010～2020年的NDVI影像上提取這些隨機點的值,分別與2021年NDVI影像上提取的值進行相關分析,獲得了2010～2021年的遙感影像的輻射配準模型。圖2

圖2 2021年與2010～2020年輻射配準

NDVI2021= 0.838 7×NDVI2010+ 0.069 0

(10)

NDVI2021= 0.858 8×NDVI2011+ 0.092 5

(11)

NDVI2021= 0.644 7×NDVI2012+ 0.137 8

(12)

NDVI2021= 0.745 3×NDVI2013+ 0.049 0

(13)

NDVI2021= 0.776 4×NDVI2014+ 0.083 4

(14)

NDVI2021= 0.787 8×NDVI2015+ 0.074 1

(15)

NDVI2021= 0.939 2×NDVI2016+ 0.023 9

(16)

NDVI2021= 0.853 2×NDVI2017+ 0.005 5

(17)

NDVI2021= 0.962 0×NDVI2018+ 0.007 4

(18)

NDVI2021= 0.936 4×NDVI2019+ 0.011 3

(19)

NDVI2021= 1.101 7×NDVI2020+ 0.027 1

(20)

2.3 草地退化分級

研究表明,以退化等級劃分節點GDI擬合的NDVI值作為遙感劃分退化等級的標準,再根據GDI的劃分標準擬合出NDVI的劃分標準。表3

表3 庫魯斯臺草原植被退化分級標準

2.4 庫魯斯臺草原動態監測

2.4.1 草地植被退化等級分類

研究表明,2010～2021年庫魯斯臺草原退化區域及改善區域有較大的空間異質性且分布較為零散,其中2016～2019年間重度退化區域分布較為集中,主要集中于裕民縣北部,主要為荒漠植被,風沙較大;重度退化區域還包括額敏縣西南部,庫魯斯臺草原中部地區為無退化及輕度退化。圖3

注：該圖基于自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2019)1698號的標準地圖制作,底圖無修改,下同

2010～2021年間庫魯斯臺草原各退化等級面積比例變化明顯,無明顯退化面積呈現顯著增加,由209.77 km2增加到481.51 km2,增加量為271.74 km2。無明顯退化所占面積比例最大在2021年,最少面積比例在2012年。輕度退化面積變化不明顯,2010～2021年間僅減少了31.38 km2。中度退化面積顯著減少,由2010年的968.87 km2減少到590.49 km2,減少量為378.38 km2。重度退化面積也在減少,減少量為13.43 km2,在2012年所占比例較少。表4,表5

表4 庫魯斯臺草原植被退化分級標準

表5 庫魯斯臺草原變化分級標準

2.4.2 草地植被變化趨勢

研究表明,庫魯斯臺草原變化趨勢在相鄰年份退化等級轉化較為明顯,轉變形式在空間上以斑塊狀為主,易發生轉變的區域主要位于庫魯斯臺草原的西南部及東部地區,主要由退化增強型轉變為退化恢復性。庫魯斯臺草原退化等級主要是退化恢復性,東部地區的退化增強型區域已趨于穩定,西南地區的退化增強型所占面積比例也有所減少。2014～2015年庫魯斯臺草原植被恢復明顯。圖4

圖4 2010～2021年庫魯斯臺草原變化趨勢

2010年～2021年庫魯斯臺草原退化等級的轉化關系是退化恢復及退化增強共存,但退化增強型面積比例較少,退化增強型面積比例較高的在2016～2017年,退化面積為285.62 km2,占變化趨勢總面積22.46%;最低在2014～2015年,退化面積為90.33 km2,占變化趨勢總面積的6.43%。退化恢復型面積比例較高的在2014～2015年,恢復面積為761.14 km2,占變化趨勢總面積的54.15%;最低在2011～2012年,恢復面積為133.38 km2,占變化趨勢總面積的8.63%。未變化型面積在逐年變化中所占比例較多,大部分年份超過了50%,最高的年份為2011～2012年,未變化面積為1 169.80 km2,占變化趨勢總面積的75.67%;未變化型在2014～2015年面積較少,為554.21 km2,占變化趨勢總面積的39.43%。庫魯斯臺草原退化恢復型為668.45 km2,占變化趨勢總面積的44.24%;退化增強型面積為199.67 km2,占變化趨勢總面積的13.21%;未變化型面積為642.97 km2,占變化趨勢總面積的42.55%。表6

表6 2010～2021年庫魯斯臺草原 變化趨勢面積變化

2.4.3 草地植被變化強度

研究表明,在2010～2021年變化強度主要為無變化,慢速變化主要分布在庫魯斯臺草原北部、裕民縣西部及額敏縣南部。快速及中速變化強度集中分布在裕民縣北部。2014～2015年的變化強度在空間分布上以慢速變化強度為主,較多年份主要是以無變化強度為主。圖5

圖5 2010～2021年庫魯斯臺草原變化強度

2010～2021年庫魯斯臺草原逐年變化強度主要以無變化為主,無變化面積在變化強度總面積中比例較大,大部分年份超過了50%。無變化面積比例較高的在2011～2012年,面積為1 169.8 km2,占變化強度總面積的75.66%;最低在2014～2015年,面積為554.21 km2,占變化強度總面積的39.43%。慢速比例較高的在2014～2015年,面積為847.69 km2,占變化強度總面積的60.30%;最低在2011～2012年,面積為371.65 km2,占變化強度總面積的24.04%。中速變化在2016～2017年面積較多,為456.66 km2,占變化強度總面積的3%;2014～2015年面積較少,為3.75 km2,占變化強度總面積的0.27%。快速變化強度所占面積比例較少。庫魯斯臺草原無變化面積為642.97 km2,占變化強度總面積的44.55%,慢速變化強度面積為727.10 km2,占變化趨勢總面積的48.12%,中速變化強度面積為139.92 km2,占變化強度總面積的9.26%,快速變化強度面積為1.09 km2,占變化強度總面積的0.07%。表7

表7 2010～2021年庫魯斯臺草原 變化強度面積變化

3 討 論

3.1Guan等[21]和趙鵬等[22]對新疆植被生態系統研究都表明新疆植被以恢復為主,與研究對庫魯斯臺草原生態系統的動態監測得出的結論一致。草地退化與地下水位下降等有關[23-24],在2011年后陸續對庫魯斯臺草原進行了生態保護修復工程[25-26],2011年后草地退化面積呈減小趨勢,退化恢復型面積增多,庫魯斯臺草原生態保護修復工程取得了一定的成效[27]。雖然部分區域處于重度退化,這是由于生態保護修復工程及地下水位的恢復需要一定的時間過程[28-29]。庫魯斯臺草原是亞洲飛蝗、意大利蝗典型的適生區,做到精準識別與防治至關重要[30]。

3.2氣候變化也是導致草地生態系統退化及改善的主要因素[31],基于FLDAS數據集(https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets)統計了2010～2021年庫魯斯臺草原氣溫、降水變化趨勢,該數據集時間分辨率為月,空間分辨率為0.1°。2010～2021年庫魯斯臺草原年均溫呈上升趨勢、年總降水呈下降趨勢,在我國干旱地區植被對氣溫、降水變化極為敏感,在一定范圍內,氣溫升高會促進植被的光合作用,但當氣溫上升超過植被生長所需的閾值時會導致蒸發量增大,降水稀少、氣溫升高兩者共同作用會嚴重限制植被的生長[32-33]。在未來的研究中應通過高質量的氣象數據,從氣候變化及人類活動兩者共同對草地生態系統的影響角度分析庫魯斯臺草原的動態變化[34-35]。

4 結 論

4.1權重從大到小為草地覆蓋度(37.6%)>地上生物量(34.3%)>草地高度(28.1%)。

4.27個植被指數中與GDI相關性最高的是NDVI,建立庫魯斯臺草原GDI與NDVI的草地退化反演模型為GDI=0.860×NDVI+ 0.038(R2=0.854)。

4.3庫魯斯臺草原重度退化區域主要集中于裕民縣北部及額敏縣西南部,2010～2021年各退化等級面積變化顯著,無明顯退化等級面積顯著增加;草地變化趨勢以退化恢復型和未變化型為主,退化增強型面積為減少趨勢;變化強度主要以無變化及慢速變化強度為主;近12年新疆庫魯斯臺草原退化過程減弱。