八步沙林场防沙治沙区植被覆盖度时空演变分析

胡晓娟，李 霞，王 讷

（1.甘肃省基础地理信息中心，甘肃 兰州 730000；2.八步沙林场，甘肃 古浪 733102）

植被覆盖度是衡量地表植被状况的重要指标，也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子，对于区域环境变化和监测研究具有重要意义。随着遥感技术的发展，植被覆盖度的测量方法已由传统的地面测量发展为遥感估算，这也为大面积植被覆盖度的监测提供了可能。

位于腾格里沙漠南端的古浪县是我国荒漠化重点监测县，风沙线长达132 km，重点风口达20多个，沙害面积大，沙丘类型复杂，长期危害着周边乡镇、耕地与道路。“八步沙六老汉”祖孙三代自1981年开始防沙治沙，使得区域植被覆盖度得以明显提升。为定量评估八步沙林场三代人治沙成效，本文以八步沙林场防沙治沙区域及其周边乡镇为研究区，利用植被覆盖度遥感估算方法探讨了区域内近28 a来植被覆盖变化的时空特征。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省古浪县北部，腾格里沙漠南缘，地理位置为103°28′E、37°36′N；海拔为1 620 m；年均气温为6.6℃，极端最高温为37.2℃，极端最低温为-26.4℃；年均降水量为207.7 mm，年均蒸发量为2 807.4 mm；最大风速为130 m/s，平均风速为3.8 m/s，年大风时间为182 d，年沙尘暴时间为30.5 d，多发生在冬、春季；无霜期为153 d；属风力吹蚀堆积而成的风沙地貌，包括流动沙丘、固定半固定沙丘、平缓覆沙地等地貌类型。

2 数据来源与处理

2.1 数据来源

结合古浪县八步沙林场防沙治沙的历史阶段与研究区植被生长旺盛期（6～9月），本文采用的数据为1991-06-25、1999-08-10、2005-07-25、2010-09-09、2015-08-14、2019-09-12等6景Landsat卫星遥感影像，轨道号为131/034，数据来源于地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。

2.2 数据处理

1）影像预处理。以ENVI5.3为遥感图像处理平台，对下载的6景原始影像进行辐射定标、大气校正等处理，并根据研究区边界矢量文件对目标区域进行裁剪。由于下载的影像已进行初步的几何纠正，具有较好的精度，因此本文无需对影像作几何校正。

2）归一化植被指数（NDVI）提取。NDVI是基于植物对红光波段和近红外波段的光谱通道来组合设计的，在提取植被信息方面具有较高的灵敏度，且能消除大部分的噪音、辐射、阴影等带来的误差。NDVI的计算公式为；

式中，Red为红光波段反射值，对应Landsat4/5 TM影像第三通道，对应Landsat8 OLI影像第四通道；NIR为近红外波段反射值，对应Landsat4/5 TM影像第四通道，对应Landsat8 OLI影像第五通道。

利用ENVI5.3中的NDVI工具计算各景影像的NDVI值，作为植被覆盖度计算的基础数据。

3）植被覆盖度计算。植被覆盖度是指植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。本文采用李苗苗[1]等在像元二分模型基础上研究的模型，利用NDVI近似估算植被覆盖度，即

式中，NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg为完全被植被覆盖区域的NDVI值，即纯植被的NDVI值。

在没有实测数据的情况下，在ENVI软件中根据NDVI累计频率表，提取累计频率为2%的NDVI值作为NDVIsoil，累计频率为99.5%的NDVI值作为NDVIveg。

在参考相关文献的基础上，结合研究区生态环境特点，本文将植被覆盖度等级划分为极高覆盖度（VFC＞0.7）、高覆盖度（0.5＜VFC≤0.7）、中覆盖度（0.3＜VFC≤0.5）、低覆盖度（0.1＜VFC≤0.3）和极低覆盖度（VFC≤0.1）5个等级。

3 研究结果分析

3.1 植被覆盖度总体变化趋势分析

本文通过计算得到1991年、1999年、2005年、2010年、2015年、2019年6期植被覆盖度等级分布数据，如图1所示，可以看出，1991-2019年区域内植被覆盖度明显提升，主要表现在两个方面；①以裸露沙地为主的极低植被覆盖度区域面积逐年减少，低植被覆盖度及以上等级所占面积逐年增加，区域植被覆盖由绿洲与沙漠接壤处向沙漠腹地延伸明显；②植被覆盖度等级提升明显，主要集中在2015-2019年，中植被覆盖度及以上等级所占面积显著增加。

图1 八步沙林场防沙治沙区域及其周边乡镇植被覆盖度分级图

3.2 研究区植被覆盖度时空演变分析

本文对相邻年度植被覆盖度数据进行矩阵运算，得到1991-1999年、1999-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2019年区域内各等级植被覆盖度面积转移矩阵，如表1～5所示。

表1 1991－1999年不同等级植被覆盖度面积转移矩阵/km2

由统计结果可知，1991-1999年区域内植被覆盖度变化主要为低植被覆盖度向极低植被覆盖度转换，转换量为355.82 km2；极低植被覆盖度向低植被覆盖度的转换量为162.93 km2；中植被覆盖度向低植被覆盖度的转换量为143.82 km2；其他类型转换面积相对较小，该时段内区域植被覆盖度降低，主要原因为恶劣天气影响，尤其是1993年的特大沙暴对区域内植被，尤其沙漠边缘植被产生了毁灭性影响。1999-2005年区域内植被覆盖度变化主要为极低植被覆盖度向低植被覆盖度的转换，转换量为309.02 km2，同时低植被覆盖度向极低植被覆盖度的转换量为149.61 km2，极低植被覆盖度的转出量大于转入量，因此极低植被覆盖度区域面积呈减少趋势；中植被覆盖度总转入量为117.62 km2，主要来源为低植被覆盖度；其他类型之间转换量较小。2005-2010年区域内植被覆盖度变化主要为极低植被覆盖度向低植被覆盖度的转换，转换量为545.65 km2，同时极低植被覆盖度的总转入量为76.66 km2，远小于转出量，因此呈明显减少趋势；低植被覆盖度向中植被覆盖度的转换量为69.07 km2，同时中植被覆盖度向低植被覆盖度的转换量为55.79 km2，中植被覆盖度转入量大于转出量；其他类型之间的转换量较小。2010-2015年区域内植被覆盖度变化仍以极低植被覆盖度向低植被覆盖度转换为主，转换量为883.84 km2，低植被覆盖度区域面积呈显著增加趋势；低植被覆盖度向中植被覆盖度及以上等级的转换量，以及中植被覆盖度向高植被覆盖度及以上等级的转换量也开始明显增加。2015-2019年区域内植被覆盖度主要为低植被覆盖度向中植被覆盖度及以上等级的转换，总转换量为1 078.79 km2；其中中植被覆盖度总转入量最大，为791.98 km2，主要来源于低植被覆盖度；高植被覆盖度总转入量为396.54 km2，主要来源于低植被覆盖度和中植被覆盖度；低植被覆盖度总转入量为298.36 km2，主要来源于极低植被覆盖度；极高植被覆盖度的转入量也明显增加，为123.05 km2，主要来源于中植被覆盖度、低植被覆盖度和高植被覆盖度，该时段内植被覆盖度转换比其他时段剧烈，植被覆盖度总体明显提升。

表2 1999－2005年不同等级植被覆盖度面积转移矩阵/km2

表3 2005－2010年不同等级植被覆盖度面积转移矩阵/km2

表4 2010－2015年不同等级植被覆盖度面积转移矩阵/km2

表5 2015－2019年不同等级植被覆盖度面积转移矩阵/km2

由此可见，区域内植被覆盖度时空变化包括2005年和2015年两个转折点，2005年之前，区域内植被覆盖度转换相对缓慢，表现为极低植被覆盖度与低植被覆盖度的相互转换、沙漠与低植被覆盖度植被的相互转变，区域内植被覆盖度规模小且不稳定，易受沙漠侵害；2005年以后，极低植被覆盖度区域开始明显减少，表现为植被面积快速增加、沙漠面积急速减少，区域内植被规模逐渐稳定且快速增加；2015之前，区域内植被覆盖度主要表现为极低植被覆盖度向低植被覆盖度的转换，即沙漠向植被转换；2015年以后，区域内植被覆盖度变化主要表现为植被覆盖度等级间的梯度递增。

3.3 研究区植被覆盖度变化影响因素分析

1）自然因素。气温与降水是影响区域植被覆盖度变化的主要自然因素，尤其是降水量对沙漠区域天然植被的生长具有决定性影响。由收集的古浪县1991-2019年年平均气温（图2）和年累积降水量资料（图3）可知，受全球气候变暖影响，监测区气温和降水量均呈波动上升趋势，2010年以后，降水量波动趋势减缓，整体处于研究时段的高水平，并在2019年达到最高值，这与研究区植被覆盖度时空演变的趋势一致，因此气温与降水的增加是植被覆盖度等级提升的重要影响因素。

图2 研究区年均气温趋势图

图3 研究区降水量趋势图

2）人为因素。独特的地理位置和地貌特征决定了古浪县的生态屏障地位。多年来，古浪县始终坚持把防沙治沙作为一项长期性、全局性的战略任务来抓，努力在风沙线上构建百里生态屏障；将八步沙林场探索形成的因地制宜、科学防沙治沙经验在全县范围内进行推广实施，并实施了国家重点生态功能区转移支付、沙化土地封禁保护区建设、省级防沙治沙、三北防护林等多项国家重点生态建设工程；将防沙治沙范围从城区机关扩大到全县各乡镇和社会团体，在沙区大规模开展义务压沙。为推动和鼓励全民参与治沙，将境内需要治理的宜林沙荒地以及治理后形成的灌木林地、未成林造林地实行承包经营。由植被覆盖度变化的区域特征可知，在重点防沙治沙、封育管护的区域植被覆盖度变化相对较显著。由此可见，大规模实施的防沙治沙和生态环境保护措施以及社会公众的积极响应与参与，是研究区植被覆盖面积持续扩展、生态环境改善的重要因素。

4 结 语

1）1991-2019 年研究区植被覆盖面积显著提升。极低植被覆盖度区域面积呈减少趋势，低植被覆盖度及以上等级区域面积呈增加趋势。

2）从植被覆盖度的时空演变特征来看，1991-2005年区域内植被覆盖度变化主要为极低植被覆盖度与低植被覆盖度之间的相互转换；2005-2015年区域内植被覆盖度变化主要为极低植被覆盖度向低植被覆盖度的转换；2015-2019年区域内植被覆盖度变化主要为低植被覆盖度向中植被覆盖度及以上等级的转换，植被覆盖度的转换量较其他时段更剧烈。

3）从植被覆盖度变化的区域来看，2015年之前，研究区内植被覆盖度变化以面积扩展为主，由绿洲与沙漠接壤处向腾格里沙漠腹地持续延伸；2015年以后植被覆盖度以等级提升为主，在重点防沙治沙和封育管护区域，植被覆盖度等级提升较显著。

4）研究区植被覆盖度的改善受自然和人为双重因素影响。气温、降水量的增加以及大规模防沙治沙与生态环境保护政策的实施、社会公众的积极参与，是研究区植被覆盖增加、生态环境改善的重要因素。