呼伦贝尔草原区返青期的遥感监测研究

李政海，张　靖，刘　丽,2a，李梦娇,2b，

鲍雅静1，孟根其其格1,2a，李卓玲1

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605；2.内蒙古大学 a.生命科学学院；

b.环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 010021)



呼伦贝尔草原区返青期的遥感监测研究

李政海1，张靖1，刘丽1,2a，李梦娇1,2b，

鲍雅静1，孟根其其格1,2a，李卓玲1

(1.大连民族大学 环境与资源学院，辽宁 大连 116605；2.内蒙古大学 a.生命科学学院；

b.环境与资源学院，内蒙古 呼和浩特 010021)

摘要：以2000-2014年MODIS植被指数NDVI数据为基础，使用双Logistic函数作为NDVI时间序列的滤波函数，对呼伦贝尔草原返青期的时间与植被长势进行动态监测，同时分析“草原生态保护补助奖励机制”在呼伦贝尔草原区的实施效果。研究结果表明，呼伦贝尔草原返青期以4月份最为集中，实施“草原生态保护补助奖励机制”后，4月份返青的面积占比提高了13 %，表现出返青日期总体提前的趋势。植被返青时间主要受区域水热条件的影响，极端气候现象是导致返青期显著推迟或明显提前的重要原因。政策实施后，草原返青期植被生长状况表现出总体向好的态势。研究成果可为在草原区实行季节性放牧和草畜平衡制度提供重要的科学依据。

关键词：呼伦贝尔草原区；NDVI；返青期；草原生态保护补助奖励机制

The Remote Sensing Monitoring of Grassland Returning

天然草原是中国面积最大的陆地生态系统，在生态环境和国民经济中具有重要的地位和作用[1]。中国的草原生态系统主要分布在干旱半干旱地区，年降雨量偏少，草原群落结构比较简单。随降雨量与气温的波动变化，草原群落结构和生长状况会发生显著变化。由于长期的超载放牧和保护建设投入不足等原因，草原退化严重，可利用面积减少，生态功能降低，到目前有90 %的天然草原面临不同程度的退化。 2010年10月12日国务院总理温家宝主持召开了国务院常务会议，为扭转中国草原地区自然资源和生态环境的进一步恶化，恢复草原生态系统的可持续发展，决定建立“草原生态保护补助奖励机制”。内蒙古自治区2011年起全面实施了“草原生态保护补助奖励机制”。

草地返青期是指每年春季草地植被在温度和水分条件达到适宜状态时，牧草开始萌发、变绿、生长的过程。借助遥感技术持续观测不同地区草地返青状况及其动态变化，可以了解草地植被返青动态规律、植被生长发育状况[2]。草原返青期返青面积变化及返青期植被状况，不仅可以反映当年的气候条件，也是后期长势及生产力的基础监测因子。呼伦贝尔草原区是中国最有代表性的温带草原生态地理区域。

本研究采用呼伦贝尔草原区2000-2014年的MODIS NDVI遥感数据，利用遥感技术[3]对该区域草原返青期的时间与植被覆盖状况进行监测分析，同时对比分析政策实施前后的变化，进而深入了解草原植被春季发展进程与年度早期生长态势，全面、科学的评价“草原生态保护补助奖励机制”的实施效果，为在草原区落实“季节放牧”和“草畜平衡”制度提供科学依据。

1研究区概况

呼伦贝尔草原位于内蒙古自治区东北部，是世界三大草原之一，东望黑龙江省，南接兴安盟，西和西南与蒙古国毗壤，北和西北与俄罗斯为界。地处北纬47°05′～53°20′，东经115°31'E～123°00'E，纵跨纬度6°15′，南北相距700 km，横占经度7°29′，东西相距630 km，总面积约10万km2[4]。由东向西呈规律性分布，地跨森林草原、草甸草原和干旱草原三个地带。该区域属半干湿的中温带季风气候，东部为半湿润地带，西部为半干旱地带。昼夜温差较大，一般可达10℃左右，冬季漫长寒冷，夏季短暂凉爽，高原大陆性气候明显。年降水量在240～400 mm，平均气温在-1～0℃。年日照时数可达3 000 h，年蒸发量为1 600 mm，在牧业气候区划中属于呼伦贝尔温凉半干旱牧业区和呼伦贝尔西部温凉干旱牧业区。

2数据来源及预处理

基于遥感数据生成的归一化植被指数(NDVI)能在很大覆盖范围内相当精确地反映植被的绿度和光合作用强度，能较好地反映植被的代谢强度及其季节性变化和年际间变化[5]。与NOAA/AVHRR、Landsat TM、SPOT 等数据相比，MODIS同时具备了较高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和覆盖范围广等特点[6]。本研究所用的数据为16 d最大值合成的MODIS NDVI植被指数产品，空间分辨率为250×250 m，时间跨度为2000-2014年。文中研究采用 MODIS植被指数产品中的NDVI产品作为提取草原区返青期信息的数据源。利用ENVI遥感图像处理软件对2000-2014年的MODIS数据产品进行数据拼接、格式转换和投影转换等，最终得到15年该草原区的NDVI值。

3研究方法

3.1　NDVI时间序列重构

MODIS NDVI数据虽然使用最大化合成方法及云层检测算法进行处理，以消除传感器观测角及大气因素的影响，但仍存在奇异值，其表现为突降或针尖状突峰，这将影响到对时间序列分析的精度。要消除奇异值对NDVI曲线的影响，需要对NDVI时间序列进行重构(或滤波)。利用多时相NDVI数据集提取草原植被返青期特征的重要基础是对数据序列进行平滑处理重构，以最大可能减弱噪声影响，减少数据序列的空值点，从而提升其年际间和区域间的可对比性[7]。本研究采用时间序列卫星数据分析软件包TIMESAT[8]，并选用双Logistic函数拟合方法[9-11]，对NDVI时间序列进行重构及平滑处理，使得重建的NDVI曲线可以较好地描述NDVI时序数据中复杂的和微小的变化。

3.2　草原区返青期信息提取

经过平滑处理的NDVI时间序列曲线可以反映出草原植被生长的年内动态变化特征及植被物候信息，如返青期、枯黄期和生长季长度等。本研究依据草原植被生长过程曲线的变化特征，在重构的归一化植被指数(NDVI)基础上，采用动态阈值法，并充分考虑NDVI季节变化幅度。在NDVI曲线上升阶段，通过设定像元尺度上的动态阈值(以拟合的NDVI曲线上升期整体增幅的百分比作为动态阈值)，消除土壤背景值和植被类型的影响，再将NDVI拟合曲线增长到某一水平所对应的日期作为返青期开始时间，最终提取草地返青期，并形成序列图像。根据呼伦贝尔草原区样地定点监测数据的验证，确定该阈值的整体增幅在30 %比较适宜。

4结果与分析

4.1　呼伦贝尔草原区植被平均返青期的时间格局

呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励机制”前后多年平均返青面积对比如图1。结果表明，呼伦贝尔草原植被的返青期以4月份为主，其中4月下中旬返青面积比例最高。同时，以“草原生态保护补助奖励机制”前后返青期平均面积百分比进行对比可知，实施前返青期在4月上旬开始返青(面积占45.4 %)，到4月下旬返青面积达到77.65 %，返青日期虽然主要在4月份，但是在3月以及5月以后也占有较大比例，返青日期不集中。而在政策实施后，草原集中在4月上旬开始萌动(面积占38.58 %)，4月下旬开始全面返青，4月末返青面积达到80.63 %，即返青期大部分地区集中在4月份，返青的面积高出政策实施前13 %。整个草原区在实施奖励政策后返青日期比较集中，并在5月上旬基本全面返青(面积占92.37 %)。

图1　呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励

草原返青期的地区差异首先受区域水热条件，特别是早春气温差异的影响(如图2)，呼伦贝尔草原返青期也表现出一定的地带性变化规律，其中，东部和东北部林草交错区与草甸草原区的返青期主要集中在4月中下旬，中部地区的返青期偏早，以4月中上旬居多，同时又有一定比例的4月中下旬和3月返青的地区，整个草原区呈现出中部返青日期早于东西部地区的趋势。在实施“草原生态保护补助奖励机制”之后，中北部的陈巴尔虎旗和额尔古纳市草原的平均返青期有所提前，而西部新巴尔虎左旗部分地区返青期明显推迟。

图2　呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励

4.2　呼伦贝尔草原区植被返青期的年际变化

呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励机制”前后返青面积的统计见表1。2010-2014年呼伦贝尔草原区返青期遥感监测图如图3。结果表明，呼伦贝尔草原区不同地区植被的返青期存在显著的年际差异，通常情况下草原平均返青日期集中在4月份，并在4月末全面返青。2011年返青日期明显异常，在4月下旬草原植被才开始返青(面积占53.31 %)，5月上旬返青面积达到74.85 %，而在6月以后仍有14.65 %，整个草原区返青日期相比同期明显推迟。新巴尔虎右旗、满洲里市返青日期推迟尤其显著，大部分地区推迟到6月以后，较同期推迟30 d左右；新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗、鄂温克族自治旗等地区返青期明显推迟，较同期推迟15 d 左右。2014年同样是返青期异常年，中东部地区草原的返青日期明显提前，而西部地区草原返青期推迟，在4月上旬草原返青面积占到草原区总面积的68.52 %，4月下旬就基本全面返青(面积占86.29 %)。陈巴尔虎旗、鄂温克族自治旗尤其明显，返青期较同期提前15 d左右。2013年的变化则是整个呼伦贝尔草原区的返青期集中在4月中下旬。

表1　呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励机制”前后返青面积统计

图3　2010-2014年呼伦贝尔草原区返青期遥感监测图

4.3　呼伦贝尔草原区植被返青期的植被状况

通常以5月的植被发育状况来反映草原区返青期的植被长势。呼伦贝尔草原区“草原生态保护补助奖励机制”实施前后NDVI面积统计见表2。5月NDVI值分级图如图4。可以看出，在“草原生态保护奖励机制”实施1~2年时间里，因受异常气候以及草原植被逐步恢复等方面的影响，西部地区植被覆盖状况较差(NDVI值在0.15～0.3的面积较大)，其后，草原返青期植被覆盖状况NDVI值整体上升明显，2013年和2014年，大面积区域NDVI值分布在0.3～0.45的分级内，特别是草原区东部的林草交错区和草甸草原区域，NDVI值超过0.6的面积比例明显增多，说明在“草原生态保护补助奖励机制”实施后，草原区植被在生长季初始期表现出明显向好的态势，为实施季节放牧、实现草畜平衡以及加强草原生态环境保护奠定了坚实基础。

表2　呼伦贝尔草原区实施“草原生态保护补助奖励机制”前后NDVI面积统计

图4　实施“草原生态保护补助奖励机制”前后5月份NDVI值分级图

5讨论

(1)本研究通过比较“草原生态保护补助奖励机制”政策实施前(2000-2010年)和实施后(2011-2014年)草原返青期的时间格局，分析政策实施对于牧草返青时间和草原植被发育状况的影响效果。实施“草原生态保护补助奖励机制”，在牧草生长发育敏感季节进行休牧，减少牲畜对草原的践踏，有利于牧草萌动及生长[12]。但草原区植被返青期时间主要受地区水热条件的影响，特别是极端气候年份，草原返青期会出现明显推迟或明显提前的现象。在上一年的暖冬和当年的春季降水、气温条件较好年份，牧草的返青期有所提前，春季雨水较少和气温较低的条件下，可能导致牧草的返青期推迟。

2011年呼伦贝尔草原返青期较2010年明显推迟。经查证，内蒙古呼伦贝尔市1月份各地降雪偏多，降雪量创7年新高。其中，新巴尔虎右旗、扎兰屯市降雪量偏多3倍，海拉尔偏多1.5倍。牧区东部和南部出现了中度到重度白灾。各旗市降雪为2003年以来最多的一年，也是牧区白灾最为严重的一年，同时受冷空气影响，出现持续低温，最终导致2011年返青日期明显推迟。2014年呼伦贝尔草原返青期明显提前的原因，主要是2013年11月至2014年2月，呼伦贝尔平均气温为-16.8℃，较常年同期偏高1.3℃，为近3年同期最高，导致2014年返青日期提前[13]。由此可以说明，返青期不仅受草原放牧、休牧等政策实施影响，也受水分条件和热量条件的影响，其中温度和降水的影响尤其显著。

(2)对比“草原生态保护补助奖励机制”实施前后草原返青期植被生长状况的结果表明，返青期植被生长状况与受气候条件影响的返青期时间早晚有关，如2011年和2014年返青期时间及其对应年份的NDVI的差异。同时，实施“草原生态保护补助奖励机制”政策，牧区实行季节放牧，减轻草场放牧压力，对生长季初期的植被长势具有较好的促进作用，可以有效地促进差异植被的生态恢复，但这种恢复进程具有一定的时滞效应，如2011年和2012年，中西部返青期植被生长状况较差，既有异常气候因素的影响，也说明草原植被的恢复是一个渐进的过程，在政策实施3～4年后则有了较好的显现。

6结论

利用2000-2014年15年的 MODIS NDVI 数据，对呼伦贝尔草原返青期进行动态监测，分析了2010年实施“草原生态保护补助奖励机制”前后返青期时间与植被生长状况的动态变化，得出以下主要结论:

(1)呼伦贝尔草原返青期以4月份最为集中，4月份之前有80 %以上的区域开始返青。实施“草原生态保护补助奖励机制”后，4月份返青的面积占比高出政策实施前13 %，表现出返青日期总体提前的趋势，中部尤其显著。

(2)植被返青期受多种因素的影响，与季节性放牧、草畜平衡等草原政策的实施有关，更主要的是受区域水热条件的影响，极端气候现象是导致返青期显著推迟或明显提前的重要原因。

(3)政策实施后，草原返青期植被生长状况表现出总体向好的态势，返青期植被恢复是一个渐进的过程，在政策实施3～4年后，草原返青期植被覆盖度普遍有较为明显的提高。

参考文献：

[1] 柴晓兰, 王志军. 浅析草原生态保护补助奖励机制[J]. 新疆畜牧业, 2010(4): 14-16.

[2] 李刚勇, 马丽, 张云玲. 新疆天然草原植被返青期阈值对比分析[J]. 草食家畜, 2014,11(6): 47-49.

[3] 刘爱军, 韩建国. 草原关键生育期遥感模式与信息提取方法[J]. 草地学报, 2007,15(3): 201-205.

[4] 赵慧颖. 呼伦贝尔草原沙化现状及防治对策[J]. 草业学报, 2007,16(3): 114-119.

[5] 方修琦, 余卫红. 物候对全球变暖响应的研究综述[J]. 地理科学进展, 2002,17(5): 714-719.

[6] 王颖, 张科利, 李峰. 基于10年 MODIS 数据的锡林郭勒盟草原植被覆盖度变化监测[J]. 干旱区资源与环境, 2012,26(9): 165-169.

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(责任编辑邹永红)

Green Period in Hulun Buir Grassland

LI Zheng-hai1，ZHANG Jing1，LIU Li1,2a，LI Meng-jiao1,2b，

BAO Ya-jing1, Menggenqiqige1,2a，LI Zhuo-ling1

(1.College of Environment and Resources，Dalian Minzu University，Dalian Liaoning 116605，China;

2.a.College of Life Science;b.College of Environment and Resources，

Inner Mongolia University，Huhhot Inner Mongolia 010021，China)

Abstract:In this paper, based on the data of MODIS-NDVI vegetable index from 2000 to 2014, we monitored the returning green period and the vegetation growth of Hulun Buir Grassland by using the double Logistic (D-L) as the function fitting methods of NDVI time-series. We also analyzed the effect of the “Grassland ecological protection and compensation mechanism”in Hulun Buir Grassland. The results showed that Hulun Buir Grassland returning green period is most concentrated in April. And after the implementation of the “grassland ecological protection and compensation mechanism”, the return green area in April increased proportion by 13%, showing that the general trend of the returning green period was advanced. The vegetable returning green period is mainly affected by the regional hydrothermal conditions. Extreme climate phenomena is an important reason to affect the returning green period to be significantly delayed or clearly advanced. After the implementation of the policy, the steppe returning green period and vegetation growth states showed overall trend become better. The research results can provide important scientific basis for the implementation of seasonal grazing and forage livestock balance system in the steppe area.

Key words:Hulun Buir Grassland；NDVI；rturning green period；grassland ecological protection and compensation mechanism

中图分类号：Q149

文献标志码：A

文章编号：2096-1383(2016)01-0001-06

作者简介：李政海(1962-)，男，河北秦皇岛人，教授，博士，学校优秀学术带头人，主要从事区域生态学研究。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC201501070201，DC201501070403)；环境保护部公益性行业科研专项资助项目(201109025-3)。

收稿日期：2015-12-16