生态工程实施不同阶段祁连山植被覆盖变化特征

潘冬荣，韩天虎，闫浩文，孙 斌，姜佳昌，王红霞

(1. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院，兰州 730070；2. 甘肃省草原技术推广总站，兰州 730010)

祁连山地处中国东部季风湿润区、西北内陆干旱区和青藏高原区的交汇处[1]，生态极度脆弱，植被覆盖对气候及环境变化敏感[2]，是中国重要的生态屏障[3].东西跨度大，区域内海拔差异显著，水热条件差异明显.近年来，在气候变化和人类活动的影响下，祁连山区的生态环境发生了极大的变化，主要表现为草地退化、草地生物多样性减少、水土流失加剧等，引起了社会各界的广泛关注.

植被是陆地生态系统极其重要的组成部分，是连接土壤、大气和水分的重要纽带，在物质循环、能量流动和信息传递中具有重要作用[4]，其空间分布是对地区地形地貌、土壤、气候等要素长期适应的结果[5].植被覆盖变化过程不仅反映生态系统本身的变化，而且反映了自然和人类对生态系统的作用过程，利用遥感技术定量分析植被覆盖变化有助于陆地生态环境的演变规律[6].多年来，由于不合理的开矿、乱垦乱挖、过度放牧使得祁连山区生态系统植被遭到了极大的破坏，引起了一系列严重的生态环境问题.为此，中国政府自1998年开始分批次启动了天然林资源保护、退耕还林、退牧还草、已垦草原治理、森林草原防火和生态恶化土地治理等22个生态保护工程项目[7]，祁连山区作为中国西部生态保护工程和政策实施的重点区域，国务院于2003年开始在该区域逐步实施退牧还草工程、草原鼠害治理、草原补奖工程等措施.这些工程的实施使得祁连山区的植被得到了一定的恢复.然而，2016年中央环保督察认为祁连山生态环境问题依然严重，之后，甘青两省各部门在祁连山区开展了前所未有的生态恢复工程.生态工程的实施受政策和社会经济因素的影响，具有阶段性，实施周期一般为5 a[8].现有研究对祁连山1982-2006[9]、1982-2014[10]、1999-2007[11]、2000-2011[12]、2000-2017[13]年植被覆盖、高寒荒漠[14]以及草地植被[15]时空变化特征进行了研究，但对生态保护工程实施不同阶段植被覆盖变化关注较少，本研究以生态保护政策实施和转变为依据，利用SPOT-VGT-NDVI数据分析了祁连山生态工程实施不同阶段植被覆盖变化特征和趋势，以期为区域生态安全、生态工程建设提供理论基础和技术支持，进而为祁连山生态环境保护和植被修复提供科学依据.

1 研究区域和数据

1.1 研究区概况

祁连山地处甘肃和青海两省交界，是青藏高原东北部最大的边缘山系，东西长约850 km，南北宽约250～400 km，如图1所示；地形以高山、盆地为主，地势由西北向东南降低，海拔在2 100～4 500 m之间；气温和降水随海拔梯度变化明显，年均温0.6 ℃，年降水400～700 mm，降水量自东向西呈递减趋势，东、中段属大陆性半干旱高山草原气候，西段属大陆性干旱荒漠气候，是典型的高原大陆性气候特征；区内河流众多，水资源丰富，河流以冰川融水和山区降水补给为主；祁连山植被水平地带性和垂直地带性分布特征明显，独特的地理环境和气候条件使得区内分布有乔木、灌木、草本等各种植被[16-17].

图1 研究区域地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 数据及预处理

本研究以中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)提供的生态工程实施前1998年以来SPOT-VGT-NDVI为数据源，数据空间分辨率为1 km，时间分辨率为1 d.数据预处理时经几何校正和大气校正以保证数据质量，然后对数据进行拼接、投影和裁剪等处理，再采用最大合成法进一步排除云、大气等干扰，生成的1998年以来的月度、年度植被指数数据集.

1.3 生态工程阶段划分和植被覆盖划分

生态工程的实施周期一般为5 a，因此，以5 a为时间间隔，将祁连山生态工程划分为5个不同阶段，分别为：生态工程前(1998-2003年)、保护初期(2004-2008年)、保护中期(2009-2013年)、持续保护期(2014-2018年)、环保督查后(2016-2018年).

根据植被划分标准，将NDVI等间距划分为5个区间，分别为：低植被覆盖(0≤NDVI<0.2)、较低植被覆盖(0.2≤NDVI<0.4)、中植被覆盖(0.4≤NDVI<0.6)、较高植被覆盖(0.6≤NDVI<0.8)、高植被覆盖(0.8≤NDVI<1).

1.4 研究方法

1.4.1 均值法

将每月NDVI进行最大化合成，利用年最大合成值NDVImax进行趋势分析制作不同阶段NDVI变化图.

1.4.2 Hurst指数法

定义NDVI时间序列为NDVI(t)，其中t=1,2,…,n，对于任意正整数t≥1，该时间序列的均值序列为

(1)

累积离差序列为

(2)

极差序列为

R(τ)=maxX(t,τ)-minXt,τ,1≤t≤τ;τ=1,2,…,n.

(3)

标准差序列为

(4)

计算Hurst指数为

(5)

式中：H为Hurst指数；C为比例参数.

2 结果与分析

2.1 年际变化特征

1998-2018年植被NDVI总体呈波动上升趋势，年均NDVI值在0.34～0.43之间波动，增速为0.32 %/a.NDVI变化呈现出5个下降期和6个上升期，其中，2000-2001年，2002-2004年，2005-2008年，2010-2011年，2012-2016年呈现下降趋势，1998-2000年，2001-2002年，2004-2005年，2008-2010年，2011-2012年，2016-2018年呈上升趋势，如图2所示.对各年增长率统计分析可得，相对于上一年，21 a中增长率为正的年份有9 a，增长率为负的年份有11 a.这主要是因为祁连山区域近年的降水量增加[18]和2000年以来相关部门采取的退耕还林还草、天然林保护工程、草原减畜等保护工程措施[19]综合作用的结果.

图2 祁连山1998-2018年植被NDVI年变化趋势Fig.2 Annual variations trend of NDVI in the Qilian Mountains from 1998 to 2018

2.2 不同阶段植被覆盖变化率

正确评估生态保护工程对植被覆盖变化的影响，是判断生态工程布局是否合理和管理对策是否得当的重要依据.对祁连山生态工程不同阶段植被NDVI变化速率进行分析，发现NDVI增速在0.38～1.85 %/a之间，增长速率依次为：环保督察后>保护中期>持续保护期>保护初期>生态工程前，如表1所列.这主要是因为，环保督察后，甘青两省对祁连山的生态保护政策更加严格，保护中期的植被覆盖增长速率大于持续保护期和保护初期是因为在保护中期，生态工程效果初显，植被退化得到遏制，植被生长呈好转趋势[7]，而在保护初期，各方面的条件均达到了最好的状态，因此，植被增长迅速，而在持续保护期，植被间对水、热、营养物质等的竞争使得植被增长速率趋于平稳.

表1 生态工程实施不同阶段NDVI变化率

2.3 植被覆盖变化趋势

分别统计不同阶段各区间内NDVI所占的比例，发现从生态工程实施前到环保督察后，高植被覆盖区(0.8≤NDVI<1.0)所占比例增加并且增速较快，低植被覆盖区(0

2.4 空间分布特征及变化

从像元尺度上计算了各阶段祁连山NDVI的平均值，分别绘制了祁连山生态工程实施前、保护初期、保护中期、持续保护期、环保督察后NDVI分布图和所占比例，总体来看祁连山区域的植被NDVI偏低，并且植被NDVI从东南向西北逐渐减小，从生态工程实施前到环保督察后，祁连山植被覆盖总体呈增加趋势，西北部低植被覆盖区(黑色覆盖区)逐渐缩小，中部中植被覆盖区(灰色覆盖区)面积逐渐增大；东南部高植被覆盖区(白色覆盖区)明显增加.NDVI在0～0.2所占的比例从工程实施前的39.89%降至环保督察后的31.50%，NDVI在0.2～0.8所占的比例变化较小，NDVI在0.8～1所占的比例从0.15%增加至10.04%，如图4所示.祁连山植被NDVI从东南向西北逐渐减小，主要是因为祁连山东部受海洋季风的影响，中西部受西风影响，水汽来源的不同导致祁连山降水量自东向西呈递减趋势，造成植被覆盖东多西少[20]， 从生态工程实施前到环保督察后，祁连山植被覆盖总体呈增加趋势，西北部低植被覆盖区(黑色覆盖区)逐渐缩小，中部较低植被覆盖区、中植被覆盖区、较高植被覆盖区面积逐渐增大；东南部高植被覆盖区(白色覆盖区)明显增加，这主要归因于生态工程的实施和西北地区的暖湿化过程.

图3 生态工程实施不同阶段NDVI变化趋势Fig.3 Variation trend of NDVI in different stages of ecological engineering

图4 不同阶段NDVI空间分布及所占比例Fig.4 Spatial distribution and its proportions of NDVI in different stages

2.5 未来趋势

基于Hurst指数值域，对祁连山NDVI变化的可持续性进行分析，发现植被覆盖反持续性变化的面积为1.31×104km2，占祁连山总面积的7.12%；大部分区域的植被覆盖变化趋势与过去相同，呈持续上升趋势，面积为16.02×104km2，占祁连山总面积的92.88%，如图5所示.说明祁连山植被覆盖变化更多的是受生态工程的影响(持续性弱则说明是受自然因素的影响)[21].

图5 NDVI可持续性分析Fig.5 NDVI sustainability analysis

3 结论

植被覆盖变化是自然因素和人类活动因素共同作用的结果[22]，自然因素是植被变化的决定因素，而人类活动能够积极干预植被生态系统[23]，积极的保护措施能够改善植被变化状况，而不合理的开发利用措施使得植被状况发生退化.本文通过研究生态工程实施不同阶段祁连山植被覆盖时空变化特征，得出如下结论：1) 祁连山植被NDVI增速在0.38～1.85 %/a之间，增长速率依次为：环保督察后>保护中期>持续保护期>保护初期>生态工程前.2) 低植被覆盖区所占的比例从工程实施前的39.89%降至环保督察后的31.50%，较低植被覆盖区、中植被覆盖区、较高植被覆盖区所占的比例变化较小，髙植被覆盖区所占的比例从0.15%增加至10.04%.3) 祁连山区的植被覆盖反持续性变化的面积为1.31×104km2，占祁连山总面积的7.12%；大部分区域的植被覆盖变化趋势与过去相同，面积为16.02×104km2，占祁连山总面积的92.88%.