民勤县近30年植被覆盖度时空变化特征研究

秦 雯

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060）

1 引言

植被是联结大气、水、土壤的重要纽带，不但可以净化空气、调节气候，还能涵养水源、保持水土，是一个区域自然环境特征的重要标志[1-2]。植被覆盖度指植物群落总体或个体的地上部分的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，是反映植被分布多少和茂密程度的重要定量化指标，常用于植被变化研究[3-7]，其获取手段主要有实地观测和遥感估算法，前者适用于实时和有限观测点的观测，而后者可以实现长时间序列和大范围区域植被覆盖状况的监测。

民勤县三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，在石羊河的灌溉下，形成了民勤绿洲，成为阻断两大沙漠交汇和扩张的重要屏障。自20世纪50年代以来，随着人口的增多和上游用水的增加，民勤绿洲水资源短缺，生态环境不断恶化，风沙加剧，沙丘移动频繁，荒漠化问题突出，严重威胁甘肃乃至国家生态安全[8]。近年来，民勤县作为国家沙漠化监控和防治的重点县，大力开展屏障区建设、防沙治沙和节水工程，使得区域植被覆盖得到改善。文章以民勤县整个县域为研究对象，利用遥感估算法评估区域荒漠化防治成效，探索近30年植被时空变化特征，以为区域生态建设提供决策依据。

2 研究区概况

民勤县隶属甘肃省武威市，介于东经101°49′46″—104°12′09″、北纬38°4′18″—39°27′38″之间，地处甘肃省中部，南邻凉州，西毗金昌，总面积约1.6万km2，由绿洲和风沙地貌组成，平均海拔1 400 m，位于石羊河流域下游，境内无自产地表径流，属温带大陆性气候，大陆性沙漠气候特征显著，多年平均降水量为113.2 mm，年均蒸发量为2 675.6 mm，春季风大沙大，年风沙日达140 d。土壤类型以风沙土、灰棕漠土、栗钙土、棕漠土为主。植被大多属于荒漠植被，主要有梭梭、怪柳、毛条、胡杨、沙枣、白刺等。东西北三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围（图1），生态脆弱，是我国荒漠化危害最严重的地区之一。

图1 民勤县卫星影像

3 数据与研究方法

3.1 数据来源与预处理

为较高精度评估民勤县近30年的植被覆盖时空变化，研究选用在轨时间最长对地观测卫星美国NASA的陆地卫星（Landsat）数据，从美国地质调查局（USCS）官网平均每隔5年下载1990—2020年研究区植被生长旺盛期（6—7月）云量最少的2景30×30 m分辨率影像，其行列号分别为131/033和132/033。包括5期Landsat5 TM影像和2期Landsat8 OLI影像，影像为WGS84下UTM 投影坐标系。为纠正影像变形、降低大气对光谱的影响，提高数据质量，利用ENVI5.2对下载影像逐一进行了几何校正、辐射定标和大气校正等预处理。

3.2 研究方法

（1）归一化植被指数（NDVI）。研究将归一化植被指数（NDVI）作为植被覆盖度计算的基础数据。归一化植被指数（NDVI）是一种利用植物反射光谱特征，将红光波段和近红外波段组合提取植被信息，以降低大气、地形、仪器等造成的植被信息误差的遥感指标[9]。NDVI的计算公式为：

式中：NIR为近红外波段反射值，对应Landsat 4/5TM影像第四通道和Landsat8 OLI影像第五通道；Red为红光波段反射值，对应Landsat 4/5TM影像第三通道和Landsat8 OLI影像第四通道，NDVI取值范围为-1～1，由ENVI 5.2里NDVI工具计算得到。

（2）像元二分模型。植被覆盖度根据像元二分模型计算得到。该模型认为一个像元的NDVI值实际由像元内有植被覆盖地表的NDVI和无植被覆盖地表的NDVI以线性加权混合而成，两者的权重是各自的面积占像元面积的比重，其中植被覆盖度可以看作是有植被覆盖地表的权重[10-11]，计算公式如下：

式中：FVC为植被覆盖度；NDVI为像元NDVI值；NDVIsoil为裸地像元NDVI值，NDVIveg为完全被植被覆盖像元NDVI值，由于卫星获取影像时外界因素不同，结合区域实际情况，研究分别采用区域累计频率为5%和95%的NDVI值作为NDVIsoil值和NDVIveg值。

利用ArcGIS重分类功能，在前人研究的基础上[12]，结合民勤县植被覆盖实际情况，将研究区植被覆盖度划分为6个等级:①裸地（FVC<0.05)；②低覆盖度（0.05

（3）一元线性回归趋势分析法。文章采用一元线性回归趋势分析法，拟合每个像元1990—2020年取值的斜率，对研究区植被覆盖度时空变化趋势进行定量分析，最终揭示植被覆盖度变化的时空特征[13-15]。计算公式为：

式中：lslope为各像元FVC变化斜率；n为取样年数；fi为第i年的像元FVC值。当lslope>0，表明在研究期间内植被覆盖度呈增长趋势；lslope<0，表明植被覆盖度呈下降趋势；lslope=0，表明植被覆盖度呈稳定状态。lslope绝对值越大，研究期间植被覆盖度变化越明显。

4 研究结果

4.1 植被覆盖度时序变化特征

为获取研究区植被覆盖度总体时序变化特征，在计算得到像元植被覆盖度的基础上统计分析了全域各期植被覆盖度平均值，统计结果显示，民勤县1991年、1995年、2000年、2006年、2010年、2014年和2020 年平均植被覆盖度依次为0.108、0.086、0.103、0.145、0.132、0.115、0.125，多年平均植被覆盖度为0.116，植被覆盖度整体偏低，但总体呈增长趋势。1995—2000年、2000—2006年、2014—2020年这3个时间段平均植被覆盖度增大，尤以2000—2006年增幅最大，增加了0.042。1991—1995年、2006—2010年、2010—2014年平均植被覆盖度下降，1991—1995年下降最大，降低了0.022。

为揭示区域植被覆盖度具体变化情况，研究将全域植被覆盖度划分为裸地、低覆盖度、中低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度和高覆盖度6个等级，分级结果如图2所示，并逐期对各级植被覆盖度土地总面积进行汇总，汇总结果见表1。

表1 1991—2020年民勤县不同等级植被覆盖度面积统计表 单位：km

由表1分析得出，民勤县裸地占全域土地比重较大，但呈下降趋势，从1991年到2020年共下降了1 257.52 km2。低植被覆盖度土地面积整体呈上升趋势，除1991—2000年，其他时间段均有所增加或变化不明显。中低植被覆盖度土地面积无明显变化，总体保持平稳。中植被覆盖度土地面积占比波动较大，其中1991—2000年面积增加，2000—2014年面积减少，2014—2020年面积又有所增加。中高植被覆盖度土地面积变化幅度和增减情况几乎与中植被覆盖度同步。高植被覆盖度土地面积在1991—2000年不断减少，2006—2014年不断增加，2020年又有所减少。

4.2 植被覆盖度空间变化特征

基于一元线性回归模型，计算得到民勤县1990—2020年各像元植被覆盖度变化斜率。计算结果显示，研究区内某些相邻像元取值接近，这些像元植被覆盖度变化趋势情况相似，为此，为揭示民勤县植被覆盖度空间宏观变化情况，结合ArcGIS自然断点法，将植被覆盖度变化趋势划分为了5个等级：lslope<-0.0322，归为明显退化趋势；-0.03220.0334，属明显改善。根据植被覆盖度变化趋势分级结果，得到植被覆盖度变化趋势图（图3）及各级植被覆盖度变化面积和比例统计表（表2）。通过对图3和表2分析得出，1990—2020年，研究区83.47%的土地植被覆盖度无明显变化，呈基本稳定状态，主要分布在两大沙漠腹地。植被呈明显退化趋势的区域面积为92.256 3 km2，主要散布在绿洲内部，以红崖山水库及县城周围的苏武乡和三雷镇分布最多。植被呈轻微退化趋势的区域面积为661.978 8 km2，以斑点状散布在沙漠腹地和绿洲内部，以条带状分布在沙漠与绿洲交界地带，其中，绿洲内部轻微退化的像元多位于严重退化像元周围，对照高清卫星影像发现，这些像元主要坐落于耕地和耕地及村庄的周边。两大沙漠中，腾格里沙漠轻微退化区域呈零星状遍布，而巴丹吉林沙漠轻微退化区分布较为集中，主要分布在白圪垯、城门洞子沟周边及菊花塘和小西湖之间的3个区域。绿洲北侧、东侧边缘有明显的轻微退化带，主要分布在西渠镇的北端、东湖镇东北边缘和收成乡东部的裕东公路两侧。民勤县植被覆盖改善区域面积较大，轻度改善区面积为1 111.081 5 km2，明显改善域面积为782.719 2 km2，两者共占比11.83%，主要位于生态林建设区、退耕还林还地块和草场修复区。

图3 民勤县1990—2020年植被覆盖度变化趋势

5 讨论和结论

文章基于Landsat TM数据，采用像元二分模型、一元线性回归趋势分析等方法，对民勤县1990—2020年近30年的土地植被覆盖变化情况进行分析，为民勤县生态环境建设与治理提供参考，以进一步推动地方可持续发展。

（1）1990—2020年，民勤县土地以裸地为主，裸地主要分布在两大沙漠覆盖的区域，民勤绿洲边缘和内部也有大面积裸地分布，区域生态环境建设任重而道远。

（2）从总体上看，民勤县整个区域多年平均植被覆盖度呈上升趋势，裸地面积占比不断下降，低植被覆盖区占比明显上升，区域多年生态建设和修复工作取得了一定成效，尤其是人工造林区、封沙育林区和草场改良区植被明显增加。

（3）民勤县0.58%的土地植被覆盖度呈明显退化趋势，4.13%的土地植被覆盖度呈轻微退化趋势，其中植被明显退化的区域主要散布在绿洲内部，以红崖山水库及县城周围的苏武乡和三雷镇分布最多。轻微退化的区域主要位于腾格里沙漠和绿洲，其中，绿洲轻微退化区多围绕明显退化区分布，主要坐落于耕地和耕地及村庄的周边。西渠镇的北端、东湖镇东北边缘和收成乡东部的裕东公路两侧轻微退化区呈带状分布，这些区域应作为重点沙漠化防治区域。

与传统方法相比，利用遥感观测法获取植被覆盖信息极大地提高了工作时效性，实现了大范围区域、长时间序列的植被覆盖度的动态变化监测。但由于受气候和人为因素的影响，同一区域不同年份植被物候可能存在提前或滞后，利用遥感影像提取植被信息会存在一定误差，这是遥感观测法存在的局限性。