基于MODIS数据的黄河流域草地景观演变分析

刘 彬，杨 恒，徐 凡，陈子韶，徐 鹏，吴 卿*

(1.华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045； 2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

0 引言

全球气候暖化与陆地生态系统演变已成为全球变化研究的主要内容，气候变化对区域及全球生态系统的影响及其反馈成为国内外研究的热点[1].植被是陆地生态系统的重要组成，是大气圈、土壤圈和水圈之间相互耦合的纽带[2,3].其中草地植被生态系统作为最为重要的生态系统之一，是自然系统最为重要的天然屏障，发挥着重要的生态功能，包括防风固沙、调节气候、涵养水源、保持水土和促进生态平衡等[4,5].我国草地资源丰富、草地面积辽阔，是我国畜牧业发展的重要依托，对区域经济可持续发展扮演着极其重要的作用.

黄河流域草地生态意义巨大，然而快速的人口增长及其经济活动引发了诸多严重的生态及生产问题[6].当前，流域草原生态赤字不断上升，远高于区域生态承载力，生活生产开发对自然平衡造成严重破坏.当前，黄河流域草地资源退化、沙化，水土流失严重，草地面积不断缩小，生产力日趋降低，生物多样性不断减少，草地荒漠化问题日益突出，生态环境不断恶化[7,8].黄河流域草地景观的动态化监测与分析对流域的生态环境保护与管理具有重要的实际意义.遥感数据具有精度高、连续时间长、覆盖面积广等优点，其动态变化监测分析能够有效表征区域生态环境的演变特征[9-11].国内外诸多学者基于植被覆盖指数数据对植被覆盖变化趋势做了大量研究，指出 植被覆盖指数在植被动态监测、区域土地覆被分类及植被分类等方面具有广泛的应用前景.李双双[12]等采用斜率分析、Hurst指数等分析方法对西北陕甘宁黄土高原地区“退耕还林还草”的植被覆盖变化进行了深入分析，指出2000年至2009年间研究区植被覆盖呈现明显增加趋势.贺振[13]等基于1998年-2011年SPOT/VGT数据，对黄河流域植被覆盖指数时空分布特征以及年际变化趋势进行了初步探讨，指出1998年以来，黄河流域植被覆盖指数整体在不断提高，生态环境有所改善.杨胜天[14]等基于MSS、TM和环境星CCD等多源遥感数据，分析了黄河中游地区渭河段土地利用转变对植被的影响，指出了部分区域植被盖度显著恢复.

以上相关研究均取得了较为理想的研究成果，然而黄河流域地处我国干旱半干旱和半湿润地区，生态环境脆弱，在气候变化敏感，作为流域最大的景观构成，以草地景观的动态变化为重点的相关分析仍不多见.本文以独立的草地景观分析为切入点，为区域草地生态系统的治理与规划工作的开展提供参考.鉴于上述情况，本文以MODIS数据为基础，通过对大面积、长时间序列遥感数据的处理、分析，采用斜率分析和相关分析等方法，对黄河流域草地景观面积、草地景观植被时空变化特征及其生态响应进行深入探讨，以期为黄河流域草地生态系统的管理、保护工作提供理论借鉴.

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

黄河流域(32°35′～41°49′ N；95°10′～119°06′ E)幅员辽阔 (图1)，下垫面差异显著，地势西高东低，从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原 、黄土高原和黄淮海平原4个地貌单元，发源于青海省巴颜喀拉山，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古自治区、陕西、山西、河南和山东9省，在山东入渤海，流域面积为79.46×104km2.西部河源地区平均海拔在4000 m以上，中部地区海拔在1000～2000 m之间，水土流失严重，东部海拔不超过100 m，主要由黄河冲积平原形成.黄河流域属于大陆性气候，气候的差异显著，气候要素的年、季节变化大，降水为其主要限制性因素.流域年降水量200～600 mm，东南部属半湿润气候，中部气候较为干旱，西北部属干旱气候.流域内地貌类型多样，生态系统复杂，主要土地利用类型为草地、农地和林地等，其中草地资源退化较为严重，持续的农业开发和过度畜牧加剧了区域水土流失和风沙侵蚀，生态环境持续恶化.

图1 研究区示意图Fig. 1 Location of Yellow River Basin

1.2 数据来源与处理

遥感数据来源于美国NASA(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)的MODIS MCD12Q1和MOD13Q1[15]的土地覆被和归一化植被指数产品数据集，空间分辨率分别为500 m和1000 m.其中，MCD12Q1数据集进行加工生成逐年土地覆被数据，采用IGBP土地分类标准逐像元选取最高置信度进行土地覆被分类，时间范围为2001年-2013年.MOD13Q1数据集用以生成相同时间尺度的逐月平均归一化植被覆盖指数 (植被覆盖指数, Normalized differential vegetation index, NDVI).MODIS数据处理首先利用MRT (MODIS Reprojection Tool)等软件进行格式转换和投影转换，解译HDF格式数据，并采用最大值(MVC)合成法获取逐月、年均植被覆盖指数数据.其中，选取2010年草地面积对流域植被覆盖指数进行裁剪，并基于Fragstas4.4 对流域草地景观格局进行分析，最后通过Arcgis10.0、Origin 2017出图.

1.3 研究方法

斜率分析法是对所有年份黄河流域草地景观逐像元的变化趋势进行分析、模拟，有效地反映了多年间流域草地景观年均植被覆盖指数空间变化分布特征.其中斜率分析法是基于ArcGIS平台对研究区植被变化进行分析，计算公式如下：

(1)

式(1)中:n表示年份数，Yi表示不同的年份，Xi代表第i年要素值.当Slope>0时，呈增加趋势，反之，则呈减小趋势.

相关分析法是常用于研究两个变量之间密切程度的统计方法，用以描述、分析两要素之间的密切联系，其中相关系数取值范围位于[-1,1]之间，其计算公式如下：

(2)

2 结果与分析

2.1 流域草地景观空间分布特征

2001年-2013年黄河流域草地景观面积时间变化特征如图2所示.

图2 2001年-2013年黄河流域草地景观面积时间变化Fig. 2 Temporal variation of grassland landscape in the Yellow River Basin from 2001 to 2013

由图2可知，近13 a来黄河流域草地景观面积显著下降，净降幅达到了7.34%.其中，草地面积下降率达到了-5.49%/10a，决定系数为0.758，下降趋势为极显著(p<0.001).草地景观面积的逐年下降，反映了流域草地生态系统的明显退化，这与人类经济活动紧密相关，城镇化以及农业过度开发影响着区域草地景观面积的下降.2001年-2013年黄河流域草地景观空间变化，如图3、表1所示.基于MODIS土地利用类型数据，对黄河流域2001年、2013年草地景观进行对比分析.研究区草地景观面积下降明显，其中向农地转移最为显著，达到了7.3%，主要集中泾河、渭河以及汾河流域.草地面积增加以林地、未开发用地为主，达到了2.3%和1.5%，集中于西北的宁夏、内蒙古河套等地.草地景观空间变化特征反映了黄河流域工农业的快速发展是导致研究区草地面积不断缩减的重要原因，尤其是渭河、汾河等地区，该区域地势较为平坦，土壤较为肥沃.而宁夏、河套等地区草地面积的增加，则反映了该区域生态防护、管理工作的有效提高，区域“退耕还林还草”生态工程的开展促进了区域草地景观面积不断增加.

图3 2001年、2013年黄河流域草地景观空间变化红色反映草地景观面积减小；绿色表征草地景观面积增加Fig. 3 Spatial variation of grassland landscape in the Yellow River Basin in the 2001 and 2013

表1 2001年-2013年黄河流域草地景观空间变化及转移方向Tab. 1 Spatial transfer direction of grassland landscape in the Yellow River Basin from 2001 to 2013

注：A湿地，B林地，C草地，D农地，E建设用地，F荒地

2.2 流域草地景观植被覆盖指数空间分布特征

黄河流域草地景观植被覆盖指数空间分布特征，如图4所示.黄河流域草地景观年均植被覆盖指数(图4a)西南部和中东部较高，北部与西北部较低，植被覆盖指数高值区域集中于泾河、渭河流域以及南部秦岭山区，区域降水相对较多，土壤较为肥沃，部分地区草地年均植被覆盖指数达到了0.55以上.而北部和西部的六盘山、贺兰山等山地草原，气候较为干旱，降水稀少，多旱地草原，是流域草地景观中年均植被覆盖指数低值区.图4b所示，2001年-2013年流域年均植被覆盖指数变化趋势，呈东高西低的基本趋势.中东部草地景观植被覆盖指数明显增加，包括吕梁山地、陕北高原、宁夏中部等区域，部分植被覆盖指数增长率达到了0.08/10a，而草地景观明显退化区域集中于流域景观西部山区，尤其是黄土高原、甘肃祁连山地和青海中东部区域以及内蒙古河套地区，部分地区倾斜率达到了-0.05/10a.总体上，流域草地景观的变化趋势为中东部地区草地植被不断改善，而西部地区草地景观植被呈退化趋势.

图4 流域草地景观植被覆盖指数空间分布特征(a)与变化特征(b)红色表示植被覆盖指数趋于上升，蓝色趋于下降Fig. 4 Spatial distribution characteristics (a) and its variation (b) of NDVI in grassland landscape in the Yellow River Basin

2.3 流域草地景观植被覆盖指数时间分布特征

黄河流域草地景观年均植被覆盖指数分布特征.黄河流域从图 5a可以看出，草地景观年均 植被覆盖指数呈一定的下降趋势，其中2003年最高，2013年较低，年均 植被覆盖指数值在0.27～0.32之间波动，其中 2000年-2004 年草地植被覆盖指数 波幅较大，但不存在明显的趋势特征.2001年-2013年黄河流域草地景观月均植被覆盖指数分布特征，如图5b所示.黄河流域草地景观月均植被覆盖指数呈明显的季节性变化趋势，冬春较低，夏秋较高，与区域月均气温、降水变化相一致.月均植被覆盖指数与气温、降水进行相关系数分别达到了0.77、0.71，通过了0.001极显著检验.黄河流域草地景观8月植被覆盖指数最高，达到了0.55，而2月植被覆盖指数最低，仅为0.15左右.春季3-5月，区域气温不断回升，冰雪融水逐渐增加，区域草地开始返青与生长；夏季6-8月，黄河流域处于雨季，降水量相对充沛，草地植被处于生长期；秋季9-11月随着气温、降水的逐步下降，草地逐渐转枯，植被覆盖指数不断下降；冬季当年12月-次年2月，为植被休眠期，草地景观以雪被及裸土为主，月均植被覆盖指数处于全年中最低.

图5 流域草地景观植被覆盖指数年均和月均变化特征Fig. 5 Temporal variation of annual and monthly of NDVI grassland landscape in the Yellow River Basin

2.4 草地景观植被覆盖指数与气候因子的相关性

基于2001年-2013年黄河流域气象数据，对研究区13 a气温、降水变化趋势进行趋势分析，以多年单月气温降水的斜率变化反映流域气候要素增减趋势.分析表明(表2)，流域近13 a来各月气温均呈增暖趋势，冬春增温显著，夏秋次之，其中3、4、12月份增温通过了0.05显著检验.冬春降水有所增加，夏秋两季减少，3、11月降水通过0.05显著性检验.通过对逐月草地植被覆盖指数数据与同期、滞后1月、滞后2月和滞后3月的气温、降水进行相关分析(表3)，其分析显示流域草地景观植被覆盖指数与同期、滞后1～3月的气温、降水之间存在显著的正相关，与滞后1月气温、降水之间的相关性最强，分别为0.89和0.83，通过0.01显著性检验.草地景观植被覆盖指数的滞后性反映了植被生长对气温、降水变化的明显响应，随着滞后时长的增加，响应逐渐减弱.气温、降水是植被生长发育的主要限制因子，气候的变化必然引起草地植被发生变化，而植被覆盖指数与气温之间的高度相关性揭示了气温变化对草地植被生长的影响.

通过对近13 a年均植被覆盖指数与单月气温、降水量之间的相关分析，指出单月多年变化对年均植被覆盖指数的影响(表2).表2中指出 3、6、8、10及12月份气温呈增暖趋势，其对应月份相关系数也明显较高，说明草地植被覆盖指数随着气温的增暖而有所上升，春季3月气温的显著增暖促进了流域植被的返青与生长，6、8月雨热同季对草地植被生长影响显著，10、12月气温增暖延长了流域部分地区植被生长期和落叶期.流域冬春两季降水量与草地植被年均植被覆盖指数相关系数多呈正相关，据表2所示，10月至次年5月降水呈一定增加趋势，流域草地植被随着降水的增加，植被覆盖指数逐渐增加.

表2 黄河流域月均气温、降水的回归系数Tab. 2 Regression coefficient between monthly temperature,precipitation and years in the Yellow River Basin

注：St、Sp分别表征月均气温、降水的回归系数，

*和**分别表示通过0.05和0.01显著性检验

表3 流域草地景观植被覆盖指数与流域气温、降水滞后性分析Tab. 3 Hysteresis analysis between NDVI and temperature, precipitation of grassland landscape

注：Rt、Rp分别表示月均气温、降水与植被覆盖指数的相关系数，**表示通过0.01显著性检验

表4 黄河流域单月气温、降水与年均草地景观植被覆盖指数相关性分析Tab. 4 Correlation analysis of monthly temperature,precipitation and annual NDVI of grassland landscape

注：Rt、Rp分别表征月均气温、降水与年份的相关系数，

*和**分别表示通过0.05和0.01显著性检验

2.5 流域草地景观变化的生态特征

2001年-2013年黄河流域草地景观面积变化对流域景观系统的结构与功能的响应，如图6所示.景观的聚集性以及生物多样性指数是景观生态安全的重要评价指标，能够有效反映区域生态健康与安全，选取黄河流域景观的聚集性指数与生物多样性指数与草地面积变化进行拟合分析，以期分析草地面积变化对整个流域的生态健康的重要影响.草地景观是黄河流域生态系统最为重要的组成，草地面积占到了流域面积的71%～63%，而随着草地景观面积的不断缩小，必然对整个流域景观的结构与功能产生重要影响.2001年-2013年黄河流域草地景观面积与流域聚集性指数显著相关，拟合系数达到了0.914，通过了0.001的极显著检验，也反映了流域草地景观面积不断缩减是引起流域整体景观趋于聚集的重要原因.草地景观与SHDI、SIDI生物多样性指数都呈显著的负相关，随着草地面积的不断缩小，流域内生物多样性指数SHDI、SHID显著下降，决定系数都达到了0.9以上，通过了0.001的极显著检验，说明了随着草地面积的逐渐缩减，黄河流域生物多样性显著下降.总体上，草地景观面积的不断缩小，流域景观趋于聚集，景观破碎化程度下降，将会对流域物种的栖息地条件产生重要影响，而栖息地面积的减小是区域物种丰富性以及生态系统多样性下降的主要驱动因素，引起流域生态系统的稳定性与持续性不断下降.

图6 黄河流域草地景观面积变化与景观聚集性指数、生物多样性指数拟合变化Fig. 6 Fitting variation between landscape area and landscape aggregation index,biodiversity index in the Yellow River Basin

3 讨论

本文基于MODIS土地利用数据及植被数据，采用斜率分析以及相关分析等方法，对黄河流域草地景观的面积变化、时空演变特征以及对整个流域景观的结构与功能的响应进行深入探讨，得到以下基本结论：(1)2001年-2013年间黄河流域草地景观面积下降明显.近13 a间流域草地景观净面积下降0.43%，其中向农地转移最为显著，达到了7.3%，主要集中泾河、渭河以及汾河流域，而草地面积增加以林地、未开发用地为主，达到了2.3%和1.5%，集中于宁夏、内蒙古河套等地.(2)近13 a间流域草地景观西南和中东部地区年均植被覆盖指数较高，北部与西北部较低.中东部年均植被覆盖指数增长明显，部分地区增长率达到了0.08/10a，尤其是汾河、渭河流域等地区，而西部甘肃、青海中东部草地植被退化较为明显，局部下降率为-0.05/10a.(3)近13 a间流域草地景观年均 植被覆盖指数呈较明显的下降趋势，月均植被覆盖指数呈明显的季节性变化趋势.夏秋较高，冬春较低，8月植被覆盖指数最高的0.55，1月为最低的0.15.(4)流域草地景观植被覆盖指数与气温、降水之间存在较为明显的相关性.草地景观植被覆盖指数与滞后1月的气温、降水敏感性明显较高，决定系数分别为0.89、0.83，通过了0.01显著性检验.(5)流域草地景观的面积变化对黄河流域生态系统具有明显的响应.近13 a来草地景观面积变化与流域聚集性指数、生物多样性指数均呈显著的负相关，均通过了0.001的极显著检验，决定系数分别达到了0.914、0.94、0.99，说明了随着草地景观面积的不断缩小，流域景观格局的聚集性不断增强，生物多样性指数逐步下降，流域生态质量降低.

4 结论

本文研究结果能够有效地反映黄河流域草地景观及其植被覆盖的变化状况，对黄河区域草地生态环境的保护工作的开展、管理具有一定的实用性和针对性.同时本研究也存在着一定的局限性.首先，黄河流域地形复杂，气候差异性显著，生态变化敏感，归一化植被覆盖指数并不能充分描述流域范围内草地景观各类植被生长的动态变化特征.其次，草地景观变化受气候、人类活动的综合影响强烈，草地景观的植被变化并不能充分揭示流域生态健康演变规律，需进一步强化对整个流域景观变化的驱动因子进行分析.最后，本研究仅限于对黄河流域草地景观部分特征与规律进行反演与分析，接下来需结合流域地表反照率、土壤湿度、地表覆盖度、地表温度等影响因子的关系进行进一步探索，以期获取本地区草地景观动态变化更为翔实的特征与规律.