2010～2021年新疆库鲁斯台草原动态遥感监测变化分析

刘 亮,彭 建,李刚勇,韩万强,刘玉佳,关靖云,刘程才,郑江华,4

(1.新疆大学地理与遥感科学学院,乌鲁木齐 830046;2.新疆维吾尔自治区草原总站,乌鲁木齐 830000;3.塔城地区林业和草原局,新疆塔城 834700;4.新疆绿洲生态重点实验室,乌鲁木齐 830046)

0 引 言

【研究意义】草地是地球上分布最广的陆地生态系统之一,30%的陆地被草地覆盖[1-2];草地生态系统是一个重要的碳库,占全球土壤碳储量的20%[3-4]。中国天然草地393×104km2,约占国土总面积的40%[5]。传统的草地退化监测是通过实地走访调查来确定草地退化现状并分析导致退化的因素,该方法不仅效率低,成本高[6-7]。卫星影像已有较高的时空分辨率,利用遥感影像进行草地退化动态监测效率高,可通过时间序列过程分析退化草地的空间分布及变化[8]。基于卫星影像的草地退化动态监测可制定合理的草地保护与修复管理措施和方案,为草地生态系统安全评价和草地资源利用决策提供参考。【前人研究进展】Taylor等[9]提取了新西兰国家两个农业区的归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI),对研究区草地产草量变化进行研究。Sun等[10]选取了净初级生产力作为指标,分析了2001～2012年中国内蒙古锡林郭勒盟草地退化和恢复的驱动力。但由于草地所处背景与不同的演替方式,选择单一指标对草地评价时可能会出现评估偏差的风险[11]。目前,更多的研究采用多个指标构建草地退化评价体系,该方法构建的评价体系更适用于不同研究区的特点且在草地评价时有较高的精度[12]。Wiesmair 等[13]基于NDVI和土壤调节指数(Soil-adjusted vegetation index,SAVI)建立与实测草地盖度的评价模型,对格鲁吉亚高加索地区的草地退化状况进行评估;徐剑波等[14]和李辉霞等[15]通过实测草地建群种的高度、盖度及地上生物量,使用加权分析的方法综合3个实测数据作为指标,构建模型对研究区的草地退化进行综合评价。植被覆盖度、高度及地上生物量是构建草地退化模型时较为常见的遥感监测指标[16]。【本研究切入点】库鲁斯台草原位于新疆塔城地区,是全国第二大连片平原草场[17]。天然草地及湿地面积有所减少[18]。但目前尚未科学、系统的对库鲁斯台草原生态系统进行监测与评估,且现有的评价标准并不一定适用于库鲁斯台草原,需要建立一套合理的草地评价体系,其中指标参数应最大程度反应草地植被的变化状况。【拟解决的关键问题】以新疆塔城地区的库鲁斯台草原为对象,基于实地采样点的草地盖度、高度及地上生物量数据为基础,计算GDI并对其进行等级划分;将NDVI与GDI进行线性回归,并将其作为库鲁斯台草原退化的遥感监测模型;对库鲁斯台草原土地利用分类,提取草地分布及面积,分析库鲁斯台草原各年份不同退化等级的空间分布、变化趋势及变化强度,为草地资源管理和可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

库鲁斯台草原位于新疆塔城地区的额敏河流域,塔城—额敏盆地腹心[19]。该草原位于塔尔巴哈台山脉与巴尔鲁克山脉之间,地势东高西低,地形平坦开阔。由于受到额敏河水滋养,为草地的生长发育提供了优良的条件,是新疆优质的天然草场[20]。库鲁斯台草原是新疆典型的草原牧区之一。

遥感数据:Landsat数据来自USGS(United States Geological Survey),时间序列为2010～2021年。选取遥感影像时应满足与实测数据采集时间为每年5～7月且云量较少。对12年的遥感影像进行辐射定标、大气校正等预处理。并在ENVI中使用支持向量机算法对研究区的土地利用进行分类,提取研究区草地的面积,最后使用边界数据裁剪出库鲁斯台草原。

实测数据:根据库鲁斯台草原的物候特点及植被生长趋势,分别在2021年在5月、7月选择典型草地类型,采集草群的高度、覆盖度及地上生物量。在整个库鲁斯台草原所有的典型草地类型中均匀地设置26个采样点,每个采样点设置10个1 m×1 m的样方,共计260个样方数据。

1.2 方 法

1.2.1 指标权重

将3个指标做归一化处理,其次将归一化处理后数据导入SPSS软件进行因子分析,依据因子分析的结果计算不同指标所占的权重。表1

表1 指标权重

1.2.2 草地监测指数

将草地监测指数定义为地上生物量、覆盖度和高度的加权。

(1)

式中,GDI为草地监测指数;Vi为各指标实测数据的标准化值;Wi为各变量的权重;n为变量的个数。

1.2.3 植被指数

NDVI(归一化植被指数)=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED).

(2)

DVI(差值植被指数)=ρNIR-ρRED.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

SAVI(土壤调节植被指数)=(ρNIR-ρRED)(1+0.5)/(ρNIR+ρRED+0.5).

(8)

式中,ρNIR为近红外波段的反射值;ρRED为红光波段的反射值;ρBLUE为蓝光波段反射值。

1.3 数据处理

分别计算2010～2021年的NDVI、DVI、EVI、RVI、PVI、RDVI及SAVI等7种植被指数,并将以上7种植被指数与实测数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 草地监测模型的构建

2.1.1 草地监测指数与植被指数相关性

研究表明,GDI与NDVI相关性最高,R2为0.854;与EVI相关性最低,R2为0.458 9,利用NDVI进行草地退化反演精度较高。图1

图1 GDI与7种植被指数相关性

2.1.2 构建草地退化监测模型

研究表明,以NDVI为自变量,GDI为因变量,构建11种线性回归模型。其中,线性回归模型拟合性最好,R2为0.854,选用线性模型建立回归拟合。表2

表2 NDVI与GDI的多种拟合模型统计及参数评估

GDI=0.860×NDVI+ 0.038.

(9)

2.2 历史影像辐射配准

研究表明,用2021年的归一化植被指数图像NDVI分别对2010～2020年的植被指数图像NDVI10、NDVI11、NDVI12、NDVI13、NDVI14、NDVI15、NDVI16、NDVI17、NDVI18、NDVI19、NDVI20进行辐射配准。利用ArcGIS软件在试验区范围内随机选取100个点,在2010～2020年的NDVI影像上提取这些随机点的值,分别与2021年NDVI影像上提取的值进行相关分析,获得了2010～2021年的遥感影像的辐射配准模型。图2

图2 2021年与2010～2020年辐射配准

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 草地退化分级

研究表明,以退化等级划分节点GDI拟合的NDVI值作为遥感划分退化等级的标准,再根据GDI的划分标准拟合出NDVI的划分标准。表3

表3 库鲁斯台草原植被退化分级标准

2.4 库鲁斯台草原动态监测

2.4.1 草地植被退化等级分类

研究表明,2010～2021年库鲁斯台草原退化区域及改善区域有较大的空间异质性且分布较为零散,其中2016～2019年间重度退化区域分布较为集中,主要集中于裕民县北部,主要为荒漠植被,风沙较大;重度退化区域还包括额敏县西南部,库鲁斯台草原中部地区为无退化及轻度退化。图3

注：该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1698号的标准地图制作,底图无修改,下同

2010～2021年间库鲁斯台草原各退化等级面积比例变化明显,无明显退化面积呈现显著增加,由209.77 km2增加到481.51 km2,增加量为271.74 km2。无明显退化所占面积比例最大在2021年,最少面积比例在2012年。轻度退化面积变化不明显,2010～2021年间仅减少了31.38 km2。中度退化面积显著减少,由2010年的968.87 km2减少到590.49 km2,减少量为378.38 km2。重度退化面积也在减少,减少量为13.43 km2,在2012年所占比例较少。表4,表5

表4 库鲁斯台草原植被退化分级标准

表5 库鲁斯台草原变化分级标准

2.4.2 草地植被变化趋势

研究表明,库鲁斯台草原变化趋势在相邻年份退化等级转化较为明显,转变形式在空间上以斑块状为主,易发生转变的区域主要位于库鲁斯台草原的西南部及东部地区,主要由退化增强型转变为退化恢复性。库鲁斯台草原退化等级主要是退化恢复性,东部地区的退化增强型区域已趋于稳定,西南地区的退化增强型所占面积比例也有所减少。2014～2015年库鲁斯台草原植被恢复明显。图4

图4 2010～2021年库鲁斯台草原变化趋势

2010年～2021年库鲁斯台草原退化等级的转化关系是退化恢复及退化增强共存,但退化增强型面积比例较少,退化增强型面积比例较高的在2016～2017年,退化面积为285.62 km2,占变化趋势总面积22.46%;最低在2014～2015年,退化面积为90.33 km2,占变化趋势总面积的6.43%。退化恢复型面积比例较高的在2014～2015年,恢复面积为761.14 km2,占变化趋势总面积的54.15%;最低在2011～2012年,恢复面积为133.38 km2,占变化趋势总面积的8.63%。未变化型面积在逐年变化中所占比例较多,大部分年份超过了50%,最高的年份为2011～2012年,未变化面积为1 169.80 km2,占变化趋势总面积的75.67%;未变化型在2014～2015年面积较少,为554.21 km2,占变化趋势总面积的39.43%。库鲁斯台草原退化恢复型为668.45 km2,占变化趋势总面积的44.24%;退化增强型面积为199.67 km2,占变化趋势总面积的13.21%;未变化型面积为642.97 km2,占变化趋势总面积的42.55%。表6

表6 2010～2021年库鲁斯台草原 变化趋势面积变化

2.4.3 草地植被变化强度

研究表明,在2010～2021年变化强度主要为无变化,慢速变化主要分布在库鲁斯台草原北部、裕民县西部及额敏县南部。快速及中速变化强度集中分布在裕民县北部。2014～2015年的变化强度在空间分布上以慢速变化强度为主,较多年份主要是以无变化强度为主。图5

图5 2010～2021年库鲁斯台草原变化强度

2010～2021年库鲁斯台草原逐年变化强度主要以无变化为主,无变化面积在变化强度总面积中比例较大,大部分年份超过了50%。无变化面积比例较高的在2011～2012年,面积为1 169.8 km2,占变化强度总面积的75.66%;最低在2014～2015年,面积为554.21 km2,占变化强度总面积的39.43%。慢速比例较高的在2014～2015年,面积为847.69 km2,占变化强度总面积的60.30%;最低在2011～2012年,面积为371.65 km2,占变化强度总面积的24.04%。中速变化在2016～2017年面积较多,为456.66 km2,占变化强度总面积的3%;2014～2015年面积较少,为3.75 km2,占变化强度总面积的0.27%。快速变化强度所占面积比例较少。库鲁斯台草原无变化面积为642.97 km2,占变化强度总面积的44.55%,慢速变化强度面积为727.10 km2,占变化趋势总面积的48.12%,中速变化强度面积为139.92 km2,占变化强度总面积的9.26%,快速变化强度面积为1.09 km2,占变化强度总面积的0.07%。表7

表7 2010～2021年库鲁斯台草原 变化强度面积变化

3 讨 论

3.1Guan等[21]和赵鹏等[22]对新疆植被生态系统研究都表明新疆植被以恢复为主,与研究对库鲁斯台草原生态系统的动态监测得出的结论一致。草地退化与地下水位下降等有关[23-24],在2011年后陆续对库鲁斯台草原进行了生态保护修复工程[25-26],2011年后草地退化面积呈减小趋势,退化恢复型面积增多,库鲁斯台草原生态保护修复工程取得了一定的成效[27]。虽然部分区域处于重度退化,这是由于生态保护修复工程及地下水位的恢复需要一定的时间过程[28-29]。库鲁斯台草原是亚洲飞蝗、意大利蝗典型的适生区,做到精准识别与防治至关重要[30]。

3.2气候变化也是导致草地生态系统退化及改善的主要因素[31],基于FLDAS数据集(https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets)统计了2010～2021年库鲁斯台草原气温、降水变化趋势,该数据集时间分辨率为月,空间分辨率为0.1°。2010～2021年库鲁斯台草原年均温呈上升趋势、年总降水呈下降趋势,在我国干旱地区植被对气温、降水变化极为敏感,在一定范围内,气温升高会促进植被的光合作用,但当气温上升超过植被生长所需的阈值时会导致蒸发量增大,降水稀少、气温升高两者共同作用会严重限制植被的生长[32-33]。在未来的研究中应通过高质量的气象数据,从气候变化及人类活动两者共同对草地生态系统的影响角度分析库鲁斯台草原的动态变化[34-35]。

4 结 论

4.1权重从大到小为草地覆盖度(37.6%)>地上生物量(34.3%)>草地高度(28.1%)。

4.27个植被指数中与GDI相关性最高的是NDVI,建立库鲁斯台草原GDI与NDVI的草地退化反演模型为GDI=0.860×NDVI+ 0.038(R2=0.854)。

4.3库鲁斯台草原重度退化区域主要集中于裕民县北部及额敏县西南部,2010～2021年各退化等级面积变化显著,无明显退化等级面积显著增加;草地变化趋势以退化恢复型和未变化型为主,退化增强型面积为减少趋势;变化强度主要以无变化及慢速变化强度为主;近12年新疆库鲁斯台草原退化过程减弱。