黄土高原植被覆盖度动态变化分析研究.pdf

2023 Vol.55 No.3林 业 科 技 情 报基金项目:国家林草局西北院自主创新课题计划“无人机林草资源智能监管系统关键技术与标准研究”(XBY-KJCX-2021-21)。第一作者简介:崔涵(1982-),女,陕西杨凌人,工程师,本科,主要从事森林资源监测、林业调查规划设计。通信作者:刘喆(1978-),女,陕西西安人,高级工程师,硕士,主要从事森林资源监测、林业调查规划设计。黄土高原植被覆盖度动态变化分析研究崔 涵 刘 喆(国家林业和草原局西北调查规划院,西安 710048)摘 要 探析黄土高原植被覆盖演变及其驱动因素,有助于了解黄土高原生态现状。本研究以 MOD13A2 为主要数据源,采用像元二分模型、趋势分析法和相关性分析法对黄土高原地区植被覆盖度动态变化和驱动力进行分析。结果表明:(1)2000-2020 年整体植被覆盖度呈上升趋势,其增速为 0.005/a(p0.01)。其中,2000-2010 年增速为 0.006/a,2010-2020 年增速为0.004/a;(2)2000-2020 年植被 FVC 整体呈现从东南向西北逐渐递减的分布,但不同地区的变化趋势存在差异;(3)进一步分析表明,降水是黄土高原植被变化的主要驱动因素。关键词 黄土高原;植被覆盖度;动态变化;遥感数据中图分类号:Q948 文献标识码:A 文章编号:1009-3303(2023)03-0001-03Analysis of Dynamic Changes in Vegetation Coverage on the Loess PlateauCui Han Liu Zhe(Northwest Surveying and Planning Institute of National Forestry and Grassland Administration,Xian 710048,China)Abstract:Exploring the evolution of vegetation cover and its drivers in the Loess Plateau helps to understand the ecological status of the Loess Plateau.In this study,MOD13A2 was used as the main data source,and the dynamic changes and drivers of vegetation cover in the Loess Plateau region were analyzed using the like element dichotomous model,trend analysis method and correlation analysis meth-od.The results showed that(1)the overall vegetation cover showed an increasing trend from 2000 to 2020,and its growth rate was 0.005/a(p0.01).Among them,the growth rate was 0.006/a from 2000 to 2010 and 0.004/a from 2010 to 2020;(2)the overall vegetation FVC showed a gradual decreasing distribution from southeast to northwest from 2000 to 2020,but there were differences in the change trends in different regions;(3)further analysis showed that precipitation was the main driving factor of vegetation change in the Loess Plateau.Key words:Loess Plateau;fractional vegetation cover;dynamic change;remote sensing data植被覆盖度是评估植被生长状态和土壤侵蚀程度的重要指标之一。通过利用归一化植被指数(NDVI)采用像元二分模型可以近似估算植被覆盖度进而分析植被动态变化,可以揭示植被恢复和退化的趋势,为土地治理和生态保护提供科学依据。黄土高原是中国北方的一个重要生态区域,该地区的植被覆盖度对于水土保持、生态恢复和环境改善具有重要意义1。然而,由于气候变化、人类活动和土地利用变化等因素的影响,黄土高原的生态环境脆弱。随着遥感技术的发展,借助遥感数据进行植被覆盖度动态变化研究成为可能。1 研究区概况黄土高原位于中国大陆的中部和西北部(10054-11433E,3343-4116N),东临黄河中下游平原,西接内蒙古高原,南连四川盆地,北濒渭河平原。黄土高原是黄河流域的重要组成部分,面积约为 63.4104km2,该地区地貌多为丘陵和沟壑地貌,气候干旱,夏季炎热干燥,冬季寒冷干燥,年降水量较少且不均匀分布,气候条件对植被生长有着重要影响2。2 数据与方法2.1 数据源及预处理本研究所使用 MODIS 植被指数产品 MOD13A2来源于美国航天航空局发布的产品数据,下载地址(https:/modis.gsfc.nasa.gov/data/),数据空间分辨率为 1km1km,时间分辨率为 16d。利用 MRT 工具对其进行格式转换等预处理工作,为消除云、雾以及大气气溶胶等外界因素的影响,本研究采用最大值合成法(MVC)计算得到月最大 NDVI。本研究使用的气候数据来源于中国气象数据网(http:/ 2000-2020 年黄土高原及周边 103 个气象站点的逐日气温和逐日降水量数据。研究采用 MATLAB 软件对该数据集进行清洗和异常值处理,对于空缺数据采用双线性内插方法对其进行填补,最后采用 ANUS-PLIN 插值方法对其进行空间插值。1林 业 科 技 情 报2023 Vol.55 No.32.2 研究方法2.2.1 植被覆盖度反演方法根据研究区像元值大小,本研究采用像元二分模型利用 NDVI 近似估算植被覆盖度。即根据遥感影像中每个像元的光谱信息,将像元分为植被和非植被两个类别,并通过计算植被指数(如 NDVI)的近似值来估算植被覆盖度。FVC=NDVI-NDVIsNDVIv-NDVIs(1)其中:FVC 表示植被覆盖度,NDVIv表示完全被植被覆盖区的像元 NDVI,NDVIs表示完全是无植被或者裸土覆盖区的像元 NDVI。本研究参考前人研究3,提取累计频率为 2%的 NDVI 值作为 NDVIs,累计频率为 98%的 NDVI 值作为 NDVIv。2.2.2 趋势分析为定量反映研究区内植被覆盖度的时空变化,本研究对像元进行逐一线性回归拟合,即slope=n ni=1i FVCi-ni=1ini=1FVCin ni=1i2-(ni=1i)2(2)其中:slope表示斜率,用以表示植被覆盖度的变化趋势。3 结果分析3.1 黄土高原植被覆盖度时间变化趋势根据黄土高原 2000-2020 年各年份植被 FVC均值得到研究区多年年际变化趋势(图 1)。总体上,黄土高原 2000-2020 年期间年均植被 FVC 值波动变化较大(0.4770.610),但总体呈现波动上升趋势,其增速为 0.005/a(p0.01)(图 1a),说明黄土高原地区 21 年间生态恢复效果显著。分时间段来看,20002010 年期间植被 FVC 值由 0.477 增至0.551,其增速为 0.006/a(图 1b),由于 2001 年全面启动退耕还林(草)等生态修复工程,使得黄土高原地区植被覆盖度明显提高。2010-2020 年期间植被FVC 值由 0.546 增至 0.610,其增速为 0.004/a(图1c),其中在 2015 年植被 FVC 值处于低值状态,其原因可能是由于 2010-2015 年处于第一轮退耕还林(草)工程末期,部分地区出现复耕现象导致植被覆盖度有所下降。图 1 2000-2010 年、2010-2020 年和 2000-2020 年黄土高原地区植被 FVC 时间变化趋势3.2 黄土高原植被覆盖度空间变化趋势采用趋势分析法基于像元尺度来分析 2000-2010、2010-2020 和 2000-2020 年黄土高原植被FVC 空间分布特征(图 2)。结果表明,三个时间段植被 FVC 整体以增长趋势为主,其增长率分别为0.006/a、0.004/a 和 0.005/a。2000-2010 年植被FVC 占研究区 26.46%的区域呈现退化趋势,主要分布在库布齐沙漠北部、宁夏平原中部、陇中黄土高原北部、太行山脉西部和关中平原等地区;植被FVC 占研究区 73.54%的区域呈现改善趋势,主要分布在吕梁山脉中部和毛乌素沙地等地区;1999 年开始黄土高原地区实施了大规模的生态工程治理,包括退耕还林、草地恢复、水土保持等措施。这些治理措施有助于改善土壤质量、增加水源涵养和减少水土流失,从而提供了有利于植被生长的环境条件。2010-2020 年植被 FVC 占研究区 32.54%的区域呈现退化趋势,主要分布在库布齐沙漠北部、宁夏平原中部、陇中黄土高原北部等地区,其中退化趋势显著的地区主要分布在内蒙古巴彦淖尔和东胜、宁夏回族自治区银川、青海西宁、山西太原等区域等中大型城市,由于城镇化建设,人类活动的扰动越发强烈,使得植被呈现明显退化趋势;植被FVC 占研究区 67.46%的区域呈现改善趋势,主要分布在吕梁山脉中部、毛乌素沙地、子午岭山脉西部等地区,其中改善趋势显著的地区主要分布在同心、民和、环县、右玉等地区;由于 2010-2015 年处于第一轮退耕还林(草)工程末期,部分地区出现复耕现象导致植被覆盖度有所下降;2000-2020 年植被 FVC 整体呈现从东南向西北逐渐递减的分布,植被 FVC 占研究区 20.88%的区域呈现退化趋势,主要分布在库布齐沙漠北部、宁夏平原中部、陇中黄土高原北部等地区,植被 FVC 占研究区 79.12%的区域呈现改善趋势,主要分布在吕梁山脉中部等地区。退耕还林(草)等生态工程的实施,减少土壤的22023 Vol.55 No.3林 业 科 技 情 报流失和水源的丧失,为植被生长提供了更稳定的环境4-6。图 2 2000-2010 年、2010-2020 年和 2000-2020 年黄土高原地区植被 FVC 空间变化趋势3.3 黄土高原植被覆盖度与气候因子的相关性为了研究气温和降水变化对黄土高原生态系统的影响,本研究利用黄土高原植被覆盖度(FVC)的时序数据与年降水量、年均气温进行相关性分析,以探讨气温和降水对植被覆盖的关键影响。结果显示,与气温的相关系数最大值为 0.774,最小值为-0.780,整体区域的平均相关系数为 0.078(图3a)。适宜的水热条件有利于土壤水分的补给,从而促进植被的生长。然而,当气温超过植被适宜温度时,土壤水分蒸发加速,间接限制植被的生长。对于降水与植被 FVC 的相关性,相关系数的最大值为 0.922,最小值为-0.805,整体区域的平均相关系数为 0.237(图 3b)。降水量的增加能够补给大气和土壤中的水分,促进植被的生长。然而,过量的降水导致土壤松软,容易引发滑坡等自然灾害,从而间接限制了植被的生长7-8。图 3 黄土高原地区植被覆盖度与气温、降水相关性4 结论首先,2000-2020 年整体植被覆盖度呈上升趋势,其增长速率为 0.005/a(p0.01)。其中,2000-2010 年 增 速 为 0.006/a,2010-2020 年 增 速 为0.004/a;其次,2000-2020 年植被 FVC 整体呈现从东南向西北逐渐递减的分布,植被 FVC 占研究区79.12%的区域呈现改善趋势;最后,黄土高原年际植被覆盖度与年降水量、年平均气温的相关性均呈现正相关性,其中与降水量的相关性(0.237)略高于年平均气温(0.078)。参 考 文 献1王雄,张翀,李强.黄土高原植被覆盖与水热时空通径分析J.生态学报,2023,43(2):719-730.2丁文斌,王飞.植被建设对黄土高原土壤水分的影响J.生态学报,2022,42(13):5531-5542.3刘天弋,孙慧兰,卢宝宝,等.19982018 年新疆伊犁河谷植被覆盖度时空变化及驱动力J.东北林业大学学报,2023,51(4):68-74,79.4卢伟民.林业发展中营造林技术的有效应用探析J.林业科技情报,2023,55(1):3.5张龙齐,贾国栋,吕相融,等.黄土高原典型地区不同植被覆盖下坡面土壤侵蚀阈值研究J.水土保持学报,2023,37(2):12.6牛丽楠,邵全琴,宁佳,等.(2023).黄土高原生态恢复程度及恢复潜力评估J.自然资源学报,2023,38(3):779-794.7王婧姝,毕如田,贺鹏,等.气候变化下黄土高原植被生长期NDVI 动态变化特征J.生态学杂志,2023,42(1):67-76.8王海燕,张馨之,王海鹰,等.黄土高原生态系统保护修复潜在风险与优先发展领域J.陕西林业科技,2022,50(5):86-89.来稿日期:2023-05-223