八步沙林場防沙治沙區(qū)植被覆蓋度時空演變分析

胡曉娟，李 霞，王 訥

（1.甘肅省基礎(chǔ)地理信息中心，甘肅 蘭州 730000；2.八步沙林場，甘肅 古浪 733102）

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的重要指標(biāo)，也是影響土壤侵蝕與水土流失的主要因子，對于區(qū)域環(huán)境變化和監(jiān)測研究具有重要意義。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被覆蓋度的測量方法已由傳統(tǒng)的地面測量發(fā)展為遙感估算，這也為大面積植被覆蓋度的監(jiān)測提供了可能。

位于騰格里沙漠南端的古浪縣是我國荒漠化重點(diǎn)監(jiān)測縣，風(fēng)沙線長達(dá)132 km，重點(diǎn)風(fēng)口達(dá)20多個，沙害面積大，沙丘類型復(fù)雜，長期危害著周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、耕地與道路?！鞍瞬缴沉蠞h”祖孫三代自1981年開始防沙治沙，使得區(qū)域植被覆蓋度得以明顯提升。為定量評估八步沙林場三代人治沙成效，本文以八步沙林場防沙治沙區(qū)域及其周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究區(qū)，利用植被覆蓋度遙感估算方法探討了區(qū)域內(nèi)近28 a來植被覆蓋變化的時空特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省古浪縣北部，騰格里沙漠南緣，地理位置為103°28′E、37°36′N；海拔為1 620 m；年均氣溫為6.6℃，極端最高溫為37.2℃，極端最低溫為-26.4℃；年均降水量為207.7 mm，年均蒸發(fā)量為2 807.4 mm；最大風(fēng)速為130 m/s，平均風(fēng)速為3.8 m/s，年大風(fēng)時間為182 d，年沙塵暴時間為30.5 d，多發(fā)生在冬、春季；無霜期為153 d；屬風(fēng)力吹蝕堆積而成的風(fēng)沙地貌，包括流動沙丘、固定半固定沙丘、平緩覆沙地等地貌類型。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

結(jié)合古浪縣八步沙林場防沙治沙的歷史階段與研究區(qū)植被生長旺盛期（6～9月），本文采用的數(shù)據(jù)為1991-06-25、1999-08-10、2005-07-25、2010-09-09、2015-08-14、2019-09-12等6景Landsat衛(wèi)星遙感影像，軌道號為131/034，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

1）影像預(yù)處理。以ENVI5.3為遙感圖像處理平臺，對下載的6景原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等處理，并根據(jù)研究區(qū)邊界矢量文件對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行裁剪。由于下載的影像已進(jìn)行初步的幾何糾正，具有較好的精度，因此本文無需對影像作幾何校正。

2）歸一化植被指數(shù)（NDVI）提取。NDVI是基于植物對紅光波段和近紅外波段的光譜通道來組合設(shè)計的，在提取植被信息方面具有較高的靈敏度，且能消除大部分的噪音、輻射、陰影等帶來的誤差。NDVI的計算公式為；

式中，Red為紅光波段反射值，對應(yīng)Landsat4/5 TM影像第三通道，對應(yīng)Landsat8 OLI影像第四通道；NIR為近紅外波段反射值，對應(yīng)Landsat4/5 TM影像第四通道，對應(yīng)Landsat8 OLI影像第五通道。

利用ENVI5.3中的NDVI工具計算各景影像的NDVI值，作為植被覆蓋度計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3）植被覆蓋度計算。植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。本文采用李苗苗[1]等在像元二分模型基礎(chǔ)上研究的模型，利用NDVI近似估算植被覆蓋度，即

式中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，即純植被的NDVI值。

在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，在ENVI軟件中根據(jù)NDVI累計頻率表，提取累計頻率為2%的NDVI值作為NDVIsoil，累計頻率為99.5%的NDVI值作為NDVIveg。

在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，本文將植被覆蓋度等級劃分為極高覆蓋度（VFC＞0.7）、高覆蓋度（0.5＜VFC≤0.7）、中覆蓋度（0.3＜VFC≤0.5）、低覆蓋度（0.1＜VFC≤0.3）和極低覆蓋度（VFC≤0.1）5個等級。

3 研究結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度總體變化趨勢分析

本文通過計算得到1991年、1999年、2005年、2010年、2015年、2019年6期植被覆蓋度等級分布數(shù)據(jù)，如圖1所示，可以看出，1991-2019年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度明顯提升，主要表現(xiàn)在兩個方面；①以裸露沙地為主的極低植被覆蓋度區(qū)域面積逐年減少，低植被覆蓋度及以上等級所占面積逐年增加，區(qū)域植被覆蓋由綠洲與沙漠接壤處向沙漠腹地延伸明顯；②植被覆蓋度等級提升明顯，主要集中在2015-2019年，中植被覆蓋度及以上等級所占面積顯著增加。

圖1 八步沙林場防沙治沙區(qū)域及其周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被覆蓋度分級圖

3.2 研究區(qū)植被覆蓋度時空演變分析

本文對相鄰年度植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，得到1991-1999年、1999-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2019年區(qū)域內(nèi)各等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣，如表1～5所示。

表1 1991－1999年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

由統(tǒng)計結(jié)果可知，1991-1999年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為低植被覆蓋度向極低植被覆蓋度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換量為355.82 km2；極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量為162.93 km2；中植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量為143.82 km2；其他類型轉(zhuǎn)換面積相對較小，該時段內(nèi)區(qū)域植被覆蓋度降低，主要原因?yàn)閻毫犹鞖庥绊?，尤其?993年的特大沙暴對區(qū)域內(nèi)植被，尤其沙漠邊緣植被產(chǎn)生了毀滅性影響。1999-2005年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換量為309.02 km2，同時低植被覆蓋度向極低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量為149.61 km2，極低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)出量大于轉(zhuǎn)入量，因此極低植被覆蓋度區(qū)域面積呈減少趨勢；中植被覆蓋度總轉(zhuǎn)入量為117.62 km2，主要來源為低植被覆蓋度；其他類型之間轉(zhuǎn)換量較小。2005-2010年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換量為545.65 km2，同時極低植被覆蓋度的總轉(zhuǎn)入量為76.66 km2，遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)出量，因此呈明顯減少趨勢；低植被覆蓋度向中植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量為69.07 km2，同時中植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量為55.79 km2，中植被覆蓋度轉(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)出量；其他類型之間的轉(zhuǎn)換量較小。2010-2015年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化仍以極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度轉(zhuǎn)換為主，轉(zhuǎn)換量為883.84 km2，低植被覆蓋度區(qū)域面積呈顯著增加趨勢；低植被覆蓋度向中植被覆蓋度及以上等級的轉(zhuǎn)換量，以及中植被覆蓋度向高植被覆蓋度及以上等級的轉(zhuǎn)換量也開始明顯增加。2015-2019年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度主要為低植被覆蓋度向中植被覆蓋度及以上等級的轉(zhuǎn)換，總轉(zhuǎn)換量為1 078.79 km2；其中中植被覆蓋度總轉(zhuǎn)入量最大，為791.98 km2，主要來源于低植被覆蓋度；高植被覆蓋度總轉(zhuǎn)入量為396.54 km2，主要來源于低植被覆蓋度和中植被覆蓋度；低植被覆蓋度總轉(zhuǎn)入量為298.36 km2，主要來源于極低植被覆蓋度；極高植被覆蓋度的轉(zhuǎn)入量也明顯增加，為123.05 km2，主要來源于中植被覆蓋度、低植被覆蓋度和高植被覆蓋度，該時段內(nèi)植被覆蓋度轉(zhuǎn)換比其他時段劇烈，植被覆蓋度總體明顯提升。

表2 1999－2005年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表3 2005－2010年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表4 2010－2015年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 2015－2019年不同等級植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

由此可見，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度時空變化包括2005年和2015年兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2005年之前，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度轉(zhuǎn)換相對緩慢，表現(xiàn)為極低植被覆蓋度與低植被覆蓋度的相互轉(zhuǎn)換、沙漠與低植被覆蓋度植被的相互轉(zhuǎn)變，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度規(guī)模小且不穩(wěn)定，易受沙漠侵害；2005年以后，極低植被覆蓋度區(qū)域開始明顯減少，表現(xiàn)為植被面積快速增加、沙漠面積急速減少，區(qū)域內(nèi)植被規(guī)模逐漸穩(wěn)定且快速增加；2015之前，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度主要表現(xiàn)為極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換，即沙漠向植被轉(zhuǎn)換；2015年以后，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要表現(xiàn)為植被覆蓋度等級間的梯度遞增。

3.3 研究區(qū)植被覆蓋度變化影響因素分析

1）自然因素。氣溫與降水是影響區(qū)域植被覆蓋度變化的主要自然因素，尤其是降水量對沙漠區(qū)域天然植被的生長具有決定性影響。由收集的古浪縣1991-2019年年平均氣溫（圖2）和年累積降水量資料（圖3）可知，受全球氣候變暖影響，監(jiān)測區(qū)氣溫和降水量均呈波動上升趨勢，2010年以后，降水量波動趨勢減緩，整體處于研究時段的高水平，并在2019年達(dá)到最高值，這與研究區(qū)植被覆蓋度時空演變的趨勢一致，因此氣溫與降水的增加是植被覆蓋度等級提升的重要影響因素。

圖2 研究區(qū)年均氣溫趨勢圖

圖3 研究區(qū)降水量趨勢圖

2）人為因素。獨(dú)特的地理位置和地貌特征決定了古浪縣的生態(tài)屏障地位。多年來，古浪縣始終堅持把防沙治沙作為一項(xiàng)長期性、全局性的戰(zhàn)略任務(wù)來抓，努力在風(fēng)沙線上構(gòu)建百里生態(tài)屏障；將八步沙林場探索形成的因地制宜、科學(xué)防沙治沙經(jīng)驗(yàn)在全縣范圍內(nèi)進(jìn)行推廣實(shí)施，并實(shí)施了國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)轉(zhuǎn)移支付、沙化土地封禁保護(hù)區(qū)建設(shè)、省級防沙治沙、三北防護(hù)林等多項(xiàng)國家重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程；將防沙治沙范圍從城區(qū)機(jī)關(guān)擴(kuò)大到全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和社會團(tuán)體，在沙區(qū)大規(guī)模開展義務(wù)壓沙。為推動和鼓勵全民參與治沙，將境內(nèi)需要治理的宜林沙荒地以及治理后形成的灌木林地、未成林造林地實(shí)行承包經(jīng)營。由植被覆蓋度變化的區(qū)域特征可知，在重點(diǎn)防沙治沙、封育管護(hù)的區(qū)域植被覆蓋度變化相對較顯著。由此可見，大規(guī)模實(shí)施的防沙治沙和生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施以及社會公眾的積極響應(yīng)與參與，是研究區(qū)植被覆蓋面積持續(xù)擴(kuò)展、生態(tài)環(huán)境改善的重要因素。

4 結(jié) 語

1）1991-2019 年研究區(qū)植被覆蓋面積顯著提升。極低植被覆蓋度區(qū)域面積呈減少趨勢，低植被覆蓋度及以上等級區(qū)域面積呈增加趨勢。

2）從植被覆蓋度的時空演變特征來看，1991-2005年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為極低植被覆蓋度與低植被覆蓋度之間的相互轉(zhuǎn)換；2005-2015年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為極低植被覆蓋度向低植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換；2015-2019年區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度變化主要為低植被覆蓋度向中植被覆蓋度及以上等級的轉(zhuǎn)換，植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換量較其他時段更劇烈。

3）從植被覆蓋度變化的區(qū)域來看，2015年之前，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度變化以面積擴(kuò)展為主，由綠洲與沙漠接壤處向騰格里沙漠腹地持續(xù)延伸；2015年以后植被覆蓋度以等級提升為主，在重點(diǎn)防沙治沙和封育管護(hù)區(qū)域，植被覆蓋度等級提升較顯著。

4）研究區(qū)植被覆蓋度的改善受自然和人為雙重因素影響。氣溫、降水量的增加以及大規(guī)模防沙治沙與生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施、社會公眾的積極參與，是研究區(qū)植被覆蓋增加、生態(tài)環(huán)境改善的重要因素。