近10年我国荒漠化地区植被长势变化分析

刘旭升,孙 涛

(国家林业局调查规划设计院,北京 100714)

近10年我国荒漠化地区植被长势变化分析

刘旭升,孙 涛

(国家林业局调查规划设计院,北京 100714)

利用全国2005—2014近10年的MODIS遥感卫星数据,通过对最具代表性的归一化植被指数的提取,对我国荒漠化地区近10年的植被长势进行趋势分析。结果表明：我国荒漠化地区近10年植被长势整体呈现持续好转趋势；近5年(2010—2014年)植被指数均值0.26,较前5年(2005—2009年)增加5.4%；呼伦贝尔、内蒙古东部和中部植被长势向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被长势略显增加,新疆趋势平稳。

植被长势；归一化植被指数；荒漠化；遥感监测；趋势分析

土地荒漠化是当前我国面临的最为严重的生态环境问题之一,它不仅严重威胁我国生态安全和经济社会的可持续发展,而且对人类的生活乃至生存造成重大影响。植被作为地球表层重要的再生资源,其生存及变化情况一直被各国科学家和政府所关注。宏观的监测植被覆盖变化,在全球变化研究中占有重要的地位,荒漠化地区植被生长状况及变化对于维持和稳定荒漠化地区生态系统发挥着决定性作用,在此背景下研究我国荒漠化地区植被长势变化具有重要意义。

植被指数是遥感领域中用来表征地表植被覆盖、生长状况的一个简单而有效的参数。归一化植被指数NDVI是目前长势监测中应用最广泛一种植被指数[1-2],并且具有快速、覆盖面广的特点,应用前景广阔[3-4]。由于归一化植被指数NDVI对低盖度植被反映较敏感,探测能力较强[5],鉴于我国荒漠化地区生态环境和植被的特征,我国荒漠化地区植被长势监测选择归一化植被指数NDVI比较适宜。本文应用自主研发的EOS-MODIS陆地植被长势监测系统,以MODIS环境遥感卫星数据作为数据源,采用归一化植被指数NDVI方法,建立了对受土地荒漠化影响地区进行全天候、全覆盖、定位、定性和定量的连续性植被长势监测系统,该系统现已成为荒漠化监测体系的重要组成部分,其监测结果丰富和补充了全国荒漠化监测成果,可为土地荒漠化防治规划和生态建设提供辅助决策服务。

1 研究区概况

研究区位于31°45′4″～51°1′43″N，73°54′9 ″～127°26′3″E之间,行政范围涉及北京、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等12个省(区)。该区是我国荒漠化土地集中分布地区,区域内沙漠、戈壁广阔,地形极其复杂,干燥少雨,日照时间长,太阳辐射能丰富,风力大,气候复杂多变。

为了对北方荒漠化区植被生长状况进行重点分析,根据气候、地表性质、经济活动等差异及荒漠化防治要求,将北方荒漠化区划分为呼伦贝尔、内蒙古东部、内蒙古中部、阿拉善高原和河西走廊、青海北部、北疆、南疆等7大区域。其中,贺兰山以西阿拉善高原和河西走廊、北疆和南疆为干旱区域,年降水量小于150mm；贺兰山以东内蒙古中部为半干旱区域,年降水量150～300mm；内蒙古东部和呼伦贝尔的亚湿润区,降水量在300～600mm。

近10年来,研究区普遍存在气温升高,北疆、华北北部等地区变暖明显。降水量总体增加,其中,北疆大部、南疆西部、甘肃中部、青海南部和内蒙古东部局部地区增加明显。大风日数、风速和沙尘暴明显减弱,尤其是北疆部分地区、河西走廊地区、青海东部地区以及内蒙古中东部部分地区、山西北部和河北西部等地区,减少的趋势非常明显[6]。

2 数据与方法

2.1 数据

应用近10年(2005—2014年)美国环境遥感卫星(EOS/MODIS),空间分辨率为星下点500m数据作为基本资料。 MODIS数据是一种相对较新的卫星遥感数据,利用其数据生成的植被指数能够比较精确地反映地表植被及其变化情况,可以满足精确定位、长周期、大范围、快速变化的环境监测,在干旱区监测中具有突出的优势。

2.2 方法

利用自主研发的EOS-MODIS卫星植被指数生成软件对MODIS影像数据进行转换、处理,获得我国荒漠化地区植被长势空间分布图,在此基础上利用GIS按预先确定的区域进行NDVI数据统计,再进一步进行合并、分析、制图,得到我国荒漠化地区植被生长状况动态变化数据表和面状图。

本研究采用的归一化植被指数NDVI方法是反映地表植被盖度及其生长状况的综合指标,主要是利用绿色植被在不同波段的光谱反射特征来计算。归一化植被指数被定义为近红外波段与可见光红波段数值之差和这两个波段数值之和的比值。计算公式为：

NDVI=(Band2-Band1)/(Band2+Band1)

式中：Band1为MODIS第1波段(红光波段)反射率,Band2为MODIS第2波段(近红外波段)的反射率。通常NDVI值越大,植被越茂密,相反,NDVI越小,地表植被生长越稀疏。

用归一化指数NDVI差值来表示植被在不同时间段(年际之间)的程度变化差异,理论上其差值在-11之间。根据多年监测结果及专家经验,对NDVI年际差值进行划分：植被指数差值在-0.65-0.06之间的,表示植被长势比上年差；植被指数差值在-0.060.06之间表示植被长势与上年相比基本无变化；而植被指数差值在0.061之间则表示植被长势好于上年。

3 结果与分析

根据《联合国防治荒漠化公约》关于荒漠化的定义,荒漠化潜在发生区域为湿润指数在0.05～0.65之间的地区。全国荒漠化土地监测每5年进行一次,2009年和2014年分别进行了第四次和第五次全国荒漠化监测,为了与全国荒漠化监测进行同步分析,将前5年(2005—2009年)和近5年(2010—2014年)监测数据分两期进行分析,并对监测年2009年和2014年数据进行对比。

分别对整个荒漠化地区和7个不同区域进行近10年(2005—2014年)植被指数NDVI的计算分析,表1为荒漠化地区近10年植被指数值,从中可以间接看出近10年来荒漠化地区动态趋势。

表1 荒漠化地区近10年植被指数值

3.1 荒漠化地区近10年植被长势趋势分析

图1所示为我国荒漠化地区近10年归一化植被指数均值趋势分析。我国荒漠化地区近10年(2005—2014年)植被长势整体呈持续好转趋势。2014年荒漠化地区植被指数值为0.254,较2009年增长4.5%,呈增长趋势。2006—2009年这4年植被指数值小于近10年平均值,其中2006年和2009年植被指数值最低,但植被长势变化相对较平稳；近5年(2010—2014年)植被指数值均大于近10年平均值,植被指数值处于较高水平,植被长势变化起伏较大,特别是 2012年植被指数值是近10年的峰值,其值较近10年均值增加5.9%,2013年为近10年第二峰值。总体分析,近10年我国北方荒漠化地区植被长势趋于转好,荒漠化地区生态环境进一步好转。

图2所示为7个区域近10年归一化植被指数均值趋势分析。近10年呼伦贝尔、内蒙古东部和中部植被长势趋势向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被长势略显增加趋势,北疆和南疆趋势平稳。

图1 荒漠化地区近10年植被指数变化

2014年与近10年均值比较,呼伦贝尔2014年植被指数均值是0.542,为近10年第一峰值,较近10年平均值增长6.9% ；内蒙古东部2014年植被指数值较近10年均值增加1.3%；内蒙古中部2014年0.334,与近10年均值基本持平；阿拉善高原和河西走廊2014年植被指数值0.149,仅低于2012年和2013年,较近10年均值增加2.8%;青海北部2014年植被指数值为0.205,略偏低近10年均值0.210;北疆和南疆2014年植被指数值0.178和0.127,较近10年均值减少3.8%和6.6%。其中,呼伦贝尔增幅最多为6.9%,南疆下降最多为6.6%。

图2 7个区域近10年植被指数变化

3.2 两个5年数据对比及分析

为更好地进行对比分析,并与5年一次的全国荒漠化监测数据时间保持一致,将监测数据分前5年(2005—2009年)和近5年(2010—2014年)两期进行对比分析。图3为荒漠化地区和7个区域两个5年植被指数变化图。

图3 荒漠化地区两期植被指数变化

由图3可知,荒漠化地区近5年本监测期(2010—2014年),植被指数均值0.26,较前期(2005—2009年)增加5.4%。本监测期荒漠化地区植被长势明显好转。贺兰山以东区域呼伦贝尔近5年植被指数均值0.520,较前5年增加5.5%,近5年呼伦贝尔沙地植被长势明显趋好,内蒙古东部近5年植被指数均值0.459,较前5年增加4.9%,内蒙古中部近5年植被指数均值0.355,较前期增加11.4%,近5年内蒙古东部和中部生态环境得较好恢复；贺兰山以西区域近5年植被指数也表现出不同程度的增加,阿拉善高原和河西走廊近5年植被指数均值0.150,较前5年增加7.2%；青海北部近5年植被指数均值0.217,较前5年增加2.8%；北疆和南疆近5年植被指数均值分别为0.187和0.138,较前5年增加2.3%和2.5%；由此可见,两期对比结果表明,近5年各个区域植被生长状况均较前5年转好,生态环境状况持续改善。

根据国家林业局发布的中国荒漠化和沙化状况公报[7],截至2014年,我国荒漠化土地面积261.16万km2,与 2009年相比,5年间荒漠化土地面积净减少12 120km2,年均减少2 424km2；土地荒漠化程度进一步减轻,植被状况进一步好转。植被长势监测与五次监测结果趋势一致。

4 结论与讨论

1) 我国荒漠化地区近10年植被长势整体呈现持续好转趋势,2014年北方荒漠化地区植被指数较2009年增长4.5%,呈增长趋势,荒漠化地区生态环境进一步改善。

2) 近5年(2010—2014年)植被指数均值0.26,较前5年(2005—2009年)增加5.4%,近5年(2010—2014年)北方荒漠化地区植被长势明显转好。

3) 近10年呼伦贝尔、内蒙古东部和中部植被长势趋势向好,阿拉善高原和河西走廊、青海北部植被长势略显增加趋势,北疆和南疆趋势平稳。本期2010—2014年北方7大区域植被均值分别不同程度的高于前期2005—2009年,内蒙古中部增幅最高达11.4%,北疆增幅最低为2.3%。本监测期7大区域植被长势均呈现好转趋势。

4)气候暖湿化是植被长势增长的有利自然因素,近10年来,北方荒漠化地区普遍存在气温升高、大风日数减少,降水量总体增多,植物生长期延长,植被长势增加。生态环境有所好转。但应同时看到,气候变化是自然界的一种正常现象,我国北方荒漠化地区生态环境脆弱,干旱区缺水少雨的基本状况没有改变,干旱区生态脆弱的特征也没有根本性改变,在自然和人为因素的共同影响下,生态环境极易遭到破坏,但也存在着恢复逆转的可能和潜力。

5) 除自然因素外,国家实施的天然林资源保护工程、退耕还林工程、退牧还草工程、三江源生态保护综合试验区工程、京津风沙源治理工程等一系列生态保护与建设工程,对促进这些地区天然植被自然修复和工程治理效果的提高及其成果的巩固发挥了明显作用,有利于植被的恢复和改善,对这些地区荒漠化趋于好转起到了积极影响。

总体上,近10年,我国北方荒漠化地区植被生长状况持续好转,主要是国家建立了一套有效的防沙治沙机制,采取了强有力的林草植被保护措施,启动了大规模的治理工程,以及近几年西北地区降水相对偏多等综合因素发挥作用。但必须清醒地看到,沙区生态状况的脆弱性、防治任务的艰巨性、治理与破坏的反复性、气候变化的不确定性等因素依旧存在,局部地区沙化土地仍在扩展,对防治荒漠化的长期性和艰巨性必须有一个充分的、客观的认识。目前荒漠化地区的生态状况还很脆弱,抵御外界干扰能力较低,植物群落恢复到稳定状态还需要较长的时间,导致环境恶化的人为因素仍然存在。因此,我们面临的形势依然严峻。

[1]吕建海,陈曦,王小平,等.大面积棉花长势的MODIS 监测分析方法与实践[J].干旱区地理.2004,27(1):118-123.

[2]扎西央宗.NOAA卫星资料在那曲地区牧草长势监测中的应用研究[J].西藏科技,2004(6):35-44.

[3]裴志远,杨邦杰.多时相归一化植被指数NDVI 的时空特征提取与作物长势模型设计[J].农业工程学报，2000,16(5):20-22.

[4]查勇,Gao Jay,倪绍祥.国际草地资源遥感研究新进展[J].地理科学进展,2003,22(6):607-617

[5]Edwards M C,Wellens J,Eisawi D.Monitoring the grazing resources of the Badia region,Jo rdan,using remote sensing [J].Applied Geography,1999,19(3):385-398.

[6]杨维西,郑新江,陆均天.近50年来中国荒漠化地区气候变化[M].北京:海洋出版社,2012.

[7]中国荒漠化和沙化状况公报[EB/OL].(2015-12-29)[2017- 04-18].http://www.forestry.gov.cn/main/69/content-831684.html.

Vegetation Growth Changes of the Desertificated Area in China over the Past Ten Years

LIU Xusheng SUN Tao

(AcademyofForestInventory&Planning,SFA,Beijing100714,China)

Land desertification has strong impact on eco-environment,ecological security and economic and social development.In addition,vegetation is regarded as one of the most important methods for land desertification control,so its growth analysis and changes detection become more and more important.In this article,MODIS,from 2005 to 2014,was used as the main data source to extract the NDVI(Normalized Differential Vegetation Index) for analyzing the trend of vegetation growth of desert areas in China over the past ten years.The results indicated that the vegetation growth showed a trend of continuous improvement in the desert regions of China in recent 10 years.The average NDVI in the period from 2010 to 2014 reached to 0.26,increasing 5.4% than that in the period from 2005 to 2009.The vegetation grew towards improvement in Hulun Buir,the middle and eastern part of Inner Mongolia and slightly increased in Alxa,Hexi Corridor and North Qinghai.The vegetation growth kept steady in Xinjiang region.

vegetation growth,NDVI,desertification,remote sensing monitoring,trend analysis

2017-05-05；

2017-06-01

国家林业局林业公益性行业项目(201204202)

刘旭升(1974-)，女,内蒙古商都人,高工,主要从事荒漠化沙化监测工作。Email：liuxush@163.com

Q948

A

1002-6622(2017)03-0031-04

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.007