候勇 陳文龍 鐘成

(教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢))，武漢，430074)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，在氣候調(diào)節(jié)、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮重要作用。植被覆蓋度指某一區(qū)域植被(包括葉、莖等)投影面積與該地域面積之比，是植物群落覆蓋地表狀況的綜合量化指標(biāo)[1]，對水文、生態(tài)、區(qū)域變化等都具有重要意義[2]。覆蓋度的檢測主要有地表實(shí)測和遙感監(jiān)測兩種方法[3]。由于植被覆蓋具有明顯的時(shí)空變化特征，實(shí)地抽樣的方法，很難獲得大尺度時(shí)空范圍的測量結(jié)果，而遙感技術(shù)擁有快速、宏觀、動態(tài)、實(shí)時(shí)、客觀等特點(diǎn)，并且具有良好的時(shí)間和空間連續(xù)性，能很好地完成對大尺度區(qū)域植被覆蓋度的估計(jì)[4]。

內(nèi)蒙古地處中國西北內(nèi)陸地區(qū)，農(nóng)牧交錯(cuò)帶穿插，生態(tài)環(huán)境脆弱，是全球氣候變化最為敏感的區(qū)域之一，也是中國北方溫帶草原的主體，對中國生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和改善發(fā)揮著不可替代的作用[5-6]。近年來，在氣候變化和人類活動的雙重作用下，內(nèi)蒙古地區(qū)資源環(huán)境問題日益突出，引起了國內(nèi)外學(xué)者的共同關(guān)注和重視[7-10]。由于數(shù)據(jù)源缺乏，限制了對內(nèi)蒙古地區(qū)植被時(shí)空特征變化的研究和時(shí)空定位能力。另外，當(dāng)前針對內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋變化方面的研究，主要集中在歸一化植被指數(shù)(INDV)[11-13]，而對其他類型的植被指數(shù)關(guān)注較少。增強(qiáng)植被指數(shù)(IEV)是對歸一化植被指數(shù)的發(fā)展和延續(xù)，從植被指數(shù)計(jì)算公式和合成方法兩方面做了改進(jìn)[14]；增強(qiáng)植被指數(shù)避免了歸一化植被指數(shù)在植被高覆蓋區(qū)易飽和的問題，也考慮了植被覆蓋度低的地區(qū)土壤背景對植被指數(shù)的影響[15]；增強(qiáng)植被指數(shù)時(shí)間序列季節(jié)性更明顯，能夠很好地表達(dá)高植被覆蓋區(qū)的季節(jié)性變化特征[16]。因此，本文利用2001—2015年的MODIS/EVI數(shù)據(jù)，對內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋類型及植被覆蓋度的分布和時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，不僅為該地區(qū)植被的變化趨勢提供生態(tài)預(yù)警，也為實(shí)現(xiàn)農(nóng)、林、牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國北部邊疆，由東北向西斜伸，呈狹長形，東西直線距離2 400 km，南北跨度1 700 km，橫跨東北、華北、西北三大區(qū)。土地總面積118.3萬km2，占全國總面積的12.3%。內(nèi)蒙古地區(qū)位于西北內(nèi)陸干旱、半干旱氣候向東南沿海濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候的過渡帶。氣溫-5～10 ℃，自東北向西南遞增；降水量35～530 mm，自東向西或自東南向西北遞減。受溫度和水分條件的綜合影響，植被帶主要表現(xiàn)為經(jīng)向的空間分異特征，從東到西依次為山地針葉林和闊葉林帶、森林草原帶、典型草原帶、荒漠草原帶和荒漠帶。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，遙感數(shù)據(jù)為MODIS中國合成產(chǎn)品MODEV1F(TERRA星)，計(jì)算方法采用MODEV1D，取月內(nèi)每5 d的最大值，經(jīng)過幾何校正和大氣校正。時(shí)間和空間分辨率分別為5 d和250 m，時(shí)間覆蓋2001年1月—2015年12月，每年72景，其中2004年與2008年數(shù)據(jù)缺失，共836景。利用內(nèi)蒙古自治區(qū)邊界矢量圖裁剪原始影像得到內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2015年逐月增強(qiáng)植被指數(shù)的柵格圖像。并對裁剪后的柵格圖像進(jìn)行歸一化操作，去掉奇異值的影響。再利用最大值合成法(MVC)對5 d分辨率的增強(qiáng)植被指數(shù)進(jìn)行最大化處理，得到2001年1月—2015年12月的月增強(qiáng)植被指數(shù)。內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2015年多年降水量、氣溫及畜牧數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)局社會公眾服務(wù)平臺。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度計(jì)算常用的方法是像元二分模型。張春桂等[17]在歸一化植被指數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)像元二分模型和增強(qiáng)植被指數(shù)建立植被覆蓋度遙感估算模型。其計(jì)算公式為：

式中：FVC為植被覆蓋度，IEV為增強(qiáng)植被指數(shù)，Iveg為純植被覆蓋像元的增強(qiáng)植被指數(shù)，Isoil為純土壤像元的增強(qiáng)植被指數(shù)。

由于受植被類型的影響，Iveg的值在不同的時(shí)空尺度上會發(fā)生相應(yīng)的改變；Isoil的理論值應(yīng)該接近零，但由于大氣影響及地表溫度、濕度、土壤類型等條件的不同，Isoil會在不同的時(shí)空尺度上發(fā)生相應(yīng)的改變。因此，本文在實(shí)際計(jì)算中，根據(jù)以往學(xué)者經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合影像DN值分布的累計(jì)頻率，以5%和95%置信度截取增強(qiáng)植被指數(shù)的上下限閾值，分別近似代表Iveg和Isoil[18]。則植被覆蓋度公式如下：

式中：I1和I2分別定義為植被整個(gè)生長季增強(qiáng)植被指數(shù)累計(jì)頻率為5%和95%的值。

2.3 Mann-Kendall 趨勢分析

與以往研究者采用的基于最小二乘法的時(shí)間序列線性回歸模型的檢驗(yàn)方法相比較[19-21]，Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[22]，不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)[23]。因此本文引入該方法對時(shí)間序列趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1，…，Xn)，是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算如下式：

當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)系統(tǒng)變量通過下式計(jì)算：

因此，在雙邊的趨勢檢驗(yàn)中，在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。當(dāng)Z>0時(shí)，處于上升趨勢；當(dāng)Z<0時(shí)，處于下降趨勢。Z的絕對值分別大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)，表示通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

為研究2001—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度的多年動態(tài)變化，采用Mann-Kendall時(shí)間序列對植被覆蓋度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。以|Z|等于1.28為臨界閾值，|Z|大于1.28表示置信水平小于0.10，即變化趨勢顯著；|Z|小于1.28表示置信水平大于0.10，即變化趨勢不顯著。將內(nèi)蒙古植被覆蓋度變化趨勢劃分為4種類型，同時(shí)統(tǒng)計(jì)不同級別的植被覆蓋度變化趨勢在影像中所占像元比，用來代替其實(shí)際面積比。

3 結(jié)果與分析

3.1 各植被覆蓋類型空間分布及面積變化趨勢

對內(nèi)蒙古地區(qū)多年MODIS/EVI數(shù)據(jù)求均值，采用隨機(jī)森林方法進(jìn)行分類[24]。

由圖1可知，內(nèi)蒙古植被覆蓋類型自東北向西呈徑向分布，依次為森林、森林草原、典型草原、荒漠草原和荒漠。

由表1可知，整體精度和Kappa系數(shù)分別達(dá)到82.03%和0.774 8。森林與荒漠的分類精度分別達(dá)到95.64%和95.80%，能很好地區(qū)分出森林和荒漠；由于森林草原、典型草原和荒漠草原的光譜相似性，導(dǎo)致森林草原、典型草原和荒漠草原的精度較低，分類精度分別為76.77%、69.01%和74.48%，但分類準(zhǔn)確性可以接受，因?yàn)槎际菍儆诓菰姆懂?。該分類結(jié)果與地理國情監(jiān)測平臺土地利用數(shù)據(jù)及王義鳳等[10]對內(nèi)蒙古植被地帶研究得到的分布結(jié)果基本吻合，表明該植被覆蓋類型劃分結(jié)果具有可靠性。

圖1 內(nèi)蒙古植被覆蓋類型空間分布

植被覆蓋類別森林森林草原典型草原荒漠草原荒漠總計(jì)生產(chǎn)者精度/%用戶精度/%森林640180 92216 92216 74 601383069995.6477.07森林草原26596505397231213584210754999676.7791.89典型草原2659621076415686546361273634669.0187.13荒漠草原179767876784707312558451185074.4891.97荒漠15352312506858215878215291884295.8085.12總計(jì)669338658288929732632010816468

整體精度=82.03%；Kappa系數(shù)=0.7748。

由圖2可知，截至2015年，典型草原面積最大，荒漠面積次之，森林草原與荒漠草原面積接近，但小于森林面積。從其變化趨勢來看，森林、森林草原和典型草原面積比例，整體上呈增加趨勢，荒漠及荒漠草原整體上呈下降趨勢。2001—2010年研究區(qū)內(nèi)典型草原、森林草原及森林面積占比呈下降趨勢，特別是典型草原面積的下降幅度最大(為4.82%)。2011—2015年，典型草原、森林及森林草原面積的比例持續(xù)增加，增加幅度分別達(dá)5.88%、2.67%和1.89%；荒漠及荒漠草原面積自2011年之后持續(xù)顯著減少，下降幅度分別為3.75%、6.68%。

由圖3和圖4可知，內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2015年畜牧業(yè)發(fā)展迅速，平均每年牲畜增加速率達(dá)到379.1頭。通過對草原面積與牲畜數(shù)量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，2001—2010年隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，草原覆蓋面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，特別是當(dāng)牲畜數(shù)量達(dá)到10 000頭之后，隨著牲畜數(shù)量的增加，草原面積下降趨勢更加明顯。但是，2011—2015年隨著牲畜總量的增長，草原面積整體上卻出現(xiàn)上升趨勢。由于2011年《內(nèi)蒙古自治區(qū)基本草原保護(hù)條例》的頒布及人類活動對草原面積的保護(hù)及恢復(fù)產(chǎn)生了積極的影響，同時(shí)促進(jìn)了該地區(qū)畜牧業(yè)的良性發(fā)展。

圖2 2001—2015年內(nèi)蒙古各植被覆蓋類型面積占總面積百分比年際變化

3.2 植被覆蓋度時(shí)空變化特征

3.2.1 植被覆蓋度分布特征

由圖5可知，內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度存在明顯的區(qū)域差異性。多年植被覆蓋度較高的區(qū)域，集中在內(nèi)蒙古東北大興安嶺等森林及森林草原區(qū)，多年平均植被覆蓋度為0.85，地跨呼倫貝爾市、興安盟等5個(gè)旗市。內(nèi)蒙古東北林草覆蓋地區(qū)多年植被覆蓋度均值適中，一般在0.75以上。該區(qū)域氣候上屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫約-1.5 ℃，無霜期76～120 d，年降水量300～450 mm；地形上為山地丘陵地形，中低山占96.2%，海拔在250～1 745 m，垂直分異明顯，植被類型更加多樣。同時(shí)，由于土層貧瘠，限制了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，受人類活動影響相對其他區(qū)域較小，自然生態(tài)保持良好。

圖3 2001—2015年內(nèi)蒙古牲畜數(shù)量年際變化

圖4 內(nèi)蒙古牲畜數(shù)量與草原面積占比散點(diǎn)圖

圖5 2001—2015年內(nèi)蒙古年植被覆蓋度空間分布

0.4

位于內(nèi)蒙古西部的荒漠區(qū)，多年植被覆蓋度均值較低，多年平均植被覆蓋度為0.23。該區(qū)域主要呈現(xiàn)典型的大陸性氣候。冬季干燥寒冷，夏季酷熱，年降水量40～120 mm，年均氣溫7.5 ℃，沙面溫度可達(dá)70～80 ℃。由于降水稀少，地表徑流不發(fā)育，且終年盛行西北風(fēng)和西風(fēng)，因此，植被覆蓋面積極少。

3.2.2 植被覆蓋度變化特征

由圖6可知，2001—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度基本未發(fā)生變化的區(qū)域占整個(gè)地區(qū)的面積較大，植被覆蓋度發(fā)生顯著改善的區(qū)域主要分布在呼倫貝爾市中部、錫林格勒盟中部以及興安盟、通遼市的大部，植被覆蓋度發(fā)生中度改善的區(qū)域主要分布在阿拉善盟中部、鄂爾多斯市和巴彥淖爾市東部以及赤峰市部分區(qū)域。

圖6 2001—2015年內(nèi)蒙古植被覆蓋度變化趨勢

由表2可知，2001—2015年植被覆蓋度基本不變的面積占整個(gè)研究區(qū)面積的比例為67.18%；植被覆蓋度發(fā)生改善面積的比例為32.82%；發(fā)生輕微改善的面積為5.63%，發(fā)生中度改善和顯著改善的面積比例相當(dāng)，分別占研究區(qū)面積的16.48%和10.86%。

表2 不同類型植被覆蓋度面積變化的比例

由圖7可知，2001—2015年研究區(qū)植被覆蓋度整體上呈波動上升趨勢(0.001 8/a)。其中，2001年植被覆蓋度最低，2001—2010年波動較大，尤其在2005、2007年出現(xiàn)兩次突變，最大振幅達(dá)0.08，但整體為上升趨勢。

由圖8可知，研究區(qū)2001—2003年年均降水量逐年上升，2003—2007年年均降水量變化為下降趨勢，2007—2010年年均降水量變化為波動上升狀態(tài)，與圖7中2001—2010年研究區(qū)的植被覆蓋度變化趨勢及波動狀態(tài)是一致的；而年均氣溫與相鄰年份的氣溫差別較小，總的趨勢為下降趨勢，與研究區(qū)相應(yīng)年份的植被覆蓋度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明2001—2010年年均降水量是影響內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度的主要因子，而年均溫對年植被覆蓋度的影響不明顯。另外，內(nèi)蒙古地區(qū)2015年遭受56年以來最嚴(yán)重的干旱，造成植被覆蓋度的突然下降，則說明研究區(qū)植被覆蓋度的突變與降水量密切相關(guān)。這一結(jié)果與我國北部地區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化對氣候變化響應(yīng)機(jī)制的研究結(jié)果是一致的[25]。

圖7 2001—2015內(nèi)蒙古植被覆蓋度年際變化

圖8 2001—2015年內(nèi)蒙古降水量與氣溫年際變化

2011年之后內(nèi)蒙古地區(qū)降水量逐年下降，但是植被覆蓋度卻呈穩(wěn)定上升趨勢。主要原因是2011年《內(nèi)蒙古自治區(qū)基本草原保護(hù)條例》的頒布及相關(guān)人類活動對其起到了正向干擾。說明2011年之后，國家關(guān)于草原保護(hù)的政策以及相關(guān)人類活動對植被覆蓋度的影響更加深刻。

4 結(jié)論

本文基于內(nèi)蒙古地區(qū)2001—2015年MODIS-EVI遙感數(shù)據(jù)，分別對研究區(qū)各植被覆蓋類型的空間分布和面積占比的年際變化、植被覆蓋度的分布特征和變化特征進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋類型從東北到西南依次為森林、森林草原、典型草原、荒漠草原、荒漠。截止2015年，面積由大到小的順序?yàn)椋旱湫筒菰?、荒漠、森林、森林草原、荒漠草原。其中?001—2010年研究區(qū)各植被覆蓋類型面積與該地區(qū)畜牧業(yè)的快速發(fā)展關(guān)系密切；2011—2015年由于受到政策的正向影響，內(nèi)蒙古地區(qū)森林、森林草原及典型草原面積逐漸上升，荒漠草原及荒漠面積逐漸下降。

(2)內(nèi)蒙古地區(qū)年均植被覆蓋度空間分布呈現(xiàn)東北高、西部低的特征。內(nèi)蒙古東北部森林覆蓋區(qū)，多年平均植被覆蓋度為0.85；中部森林草原、典型草原及荒漠草原等草原覆蓋區(qū)，多年平均植被覆蓋度為0.63；西部荒漠地區(qū)，多年平均植被覆蓋度為0.23。

(3)2001—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度基本不變的區(qū)域?yàn)?7.18%，植被覆蓋度提高的區(qū)域?yàn)?2.82%。植被覆蓋度輕微改善的面積為5.63%，中度改善和顯著改善的面積相當(dāng)，分別占研究區(qū)面積的16.48%和10.86%。

(4)從年際水平來看，2001—2015年內(nèi)蒙古植被覆蓋度整體以每年0.001 8的速率增大； 2001—2010年波動較大，分析說明植被覆蓋度的突變與年均降雨量關(guān)系密切，2011—2015年植被覆蓋度的增長，主要原因受草原保護(hù)條例、退牧還草等國家政策及人類活動的影響。