2021年第3期
2CXX>2020年祁连山南坡植被覆盖
变化及驱动力研究
马福元1曹广超"3蒋刚"
(1.青海师范大学地理科学学院青海省自然地理与环境过程重点实验室，西宁810008;
2.青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室，西宁810008;
3.高原科学与可持续发展研究院，西宁810008)
摘要：以祁连山南坡为研究区，基于2000-2020年250m分辨率的MODIS NDVI数据，采用最大合成法分别获取6、7、8月NDVI值，然后对6、7、8月NDVI值采用均值法获得年平均NDVI值，利用像元二分法获得植被覆盖度，用退化率做出植被覆盖的变化，再结合DEM数据和气象数据进行植被覆盖驱动力分析。结果表明：2000~2020年祁连山南坡植被覆盖度空间分布趋势整体为西北低东南高，且多以高覆盖、中高覆盖和极高覆盖为主的植被覆盖面积近20年均有所增加，但是植被覆盖占比较少的中高覆盖、极高覆盖面积基本上成减少的趋势。所以，2000-2020年植被覆盖总体上呈增长趋势。在人类活动相对集中的祁连县和门源县，植被退化明显。
海拔3870m时植被覆盖最高，3870m以上植被覆盖随海拔的升高逐渐减少，小于3870m的植被覆盖度随海拔高度逐渐减少；植被覆盖度随坡度的增加而逐渐减少。
关键词：植被覆盖度；MODIS NDVI；驱动力分析；祁连山南坡
中图分类号：Q948文献标识码：A文章编号：1005-9393(2021)03-0056-09
植被是环境的重要组成因子，也是反映区域生态环境的最好标志之一，同时也是土壤、水、生命和大气之间的重要联系，对环境变化高度敏感"役植被指数是利用卫星多光谱通道影像的反射值得到的，常用来描述植被的生理状态，估计植被覆盖度大小、植物光合能力、叶面指数、现有绿生物量、植礎产力等叫目前常用植被指数主要包括比值植被指数(RVI,Ratio Vegetation Index)>归一化植被指数(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index)[5\差值植被指数(DVI,Difference Vegetation Index)、正交植被指数(PVI,Perpendicular Vegetation Index)问。归一化植被指数(NDVI)的遥感反演是以晴空状态下的地表反射为输入，因此预先合成多天晴空状态的地表反射率，并进行去云及其它噪音处理，采用改进的最小可见光波段选择的合成算法[7]0植被生长情况一般受自然因素和人为因素的影响[8-9]o植被覆盖高度反映了生态系统的结构和功能。植被指数是研究植被变化的常用指标凹，归一化植被是使用最广泛的指标问，能够很好地反映植被覆盖的变化。
随着社会经济飞速的发展，人地关系作用也越来越明显，植被覆盖变化是人地关系最明显的表现之一。
祁连山是我国重要的地理分界线之一，位于青藏高寒地区、西北半干旱区和东部湿地,
基金项目：青海省创新平台建设专项青海省自然地理与环境过程重点实验室(2020-2J-Y06)；青海省自然基金面上项目(2020-ZJ-903)o
作者简介：马福元，(1997-)，本科。
■■科技2021年第3期
西北至东南的平行山脉和宽阔的山谷对维护西部生态安全起着重要作用[12]o
目前，借助3S技术手段应用在植被涵养区域中的研究也日益普遍。国内学者目前研究较多的主要问题是祁连山地区植被覆盖物的变化规律，如武正丽等基于MODIS NDVI的统计数据，采用最大合成法、均值法、斜率分析法、相关分析法，研究近10年来祁连山5-9月的植被在全国范围内覆盖在一定长度和空间上的变异以及祁连山区域内的植被和覆盖地带与气候密切相关。结果显示：祁连山地区的山脉和植被以东多西少为主要的分布特征，2000年至2011年5月至9月，祁连山植被覆盖度呈上升趋势，5月增幅最大，7月次之, 8月增幅最小。金晓媚等问采用像元二分法定量分析了祁连山以北地区植被指数变化的趋势。研究表明：黑河中游的酒泉盆地和张掖盆地，石羊河流域的武威盆地和金昌盆地，多年植被指数呈上升趋势；而黑河下游的额济纳旗，多年植被指数呈负相关，绿洲呈现萎缩趋势。本文利用从美国航空
航天局网站下载的2000—2020年的MODIS 数据，分析祁连山南坡6-8月植被生长状况在时间和空间上的变化，并结合地形数据和气象数据，分析植被生长状况变化的直接影响因素。对研究区近20年来植被覆盖度的演变进行综述，研究植被覆盖度变化对解决植被生态环境问题具有重要意义叫为祁连山国家公园青海片区的建设提供参考。
1研究区概况
祁连山南坡位于青海省东北部，与甘肃省接壤，地理位置为北纬37。03，17"〜39。05,56"、东经98。08，13"〜102。38，16"；行政区划包含祁连县、门源回族自治县的大部分，以及天峻、刚察、海晏县的部分地区，总面积约24000平方公里，海拔2257~5235m；是祁连山国家公园的重要组成部分，该地区以山地景观和复杂的地形地貌为主，相对高差显著，主要地貌地形为高、中、低山地阶地、湖盆和谷地等。该区是典型的高原大陆性气候，昼夜温差大，年平均气温为-5.9%：，年降水量在300mm~400mm左右[14]o该地区植被类型主要有：青海云杉、祁连圆柏、高山湿性灌丛、中低山干性灌丛、高寒草甸、高寒草地、高山草地及温性草地等。
图1研究区区位图
2数据与方法
2.1数据来源和预处理
本文采用2000-2020年6〜8月的MODIS NDVI 数据，从美国航空航天局网站LAADS(htiMandsweb. v/search)获取MOD13Q1植被指数数据，其轨道号分别为h25v05和h26v05，空间分辨率为250m，时间分辨率16d。利用MRT (MODIS Reprojection Tool)软件对MODIS数据提取波段、拼接、投影、重采样等进行一系列预处理，目的是减少噪声，消除云、大气和太阳高度角的干扰叫使用ArcGIS对每月数据进行最大合成法MVC处理，得到的月最大NDVI来代表相应月的NDVI值。其公式为：
M ndiu=Max(ND Vh,NDVh)(1)
式中：i表示月份，取值范围为6〜8月；M ndve表 示第i月的NDVI值；NDVI】表示第i月上半月的NDVI值,NDVI2表示第i月下半月的NDVI值。
DEM数据来源于地理空间数据云( www.gscloud/search)，空间分辨率为30m X30m o 气象数据来源于全国温室数据系统(http:〃data.
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sheshiyuanyi/WeatherData/），采用了研究区及附近门源、祁连、刚察、托勒、野牛沟等气象站2000-2020年的气象数据。
2.2研究方法
研究植被覆盖的方法通常有像元二分方法、均值法、斜率分析法、相关分析法、植被指数法等，本文主要采用了均值法、像元二分法。
2.2.1均值法
用祁连山南坡2000-2020年6~8月的平均值计算植被的年NDVI平均值来代表年NDVI，从而反映祁连山南坡植被覆盖的年际变化。其公式为：
NDVIn Xij
（2）式中而匹，表示年平均NDVI;j表示一年中6、7、8月的某一月；X》表示i年的j月份的NDVIo 植被累计平均NDVI是对2000-2020年间每年的6~8月累计NDVI值的平均值，反映祁连山南坡植被覆盖的一般特征。其公式为：
_________21
NDVIy=YL
曰j
（3）式中NDV!y表示研究区21年平均NDVI；i表示的是第i年；j表示第i年j月份的NDVI；殉表示i年的j月份的NDVI。
2.2.2像元二分方法mt®
假设每个像元只包含植被和非植被两种对应的地表计算植被覆盖度的公式为：
C=（NDVI-NDV^/（、
式中FVC为植被覆盖度；ND%.为植被覆盖的NDVI最力值；ND%*为植被所覆盖的NDVI最大值。
2.2.3年际植被覆盖变化表达方法
本文中的植被退化指数是指研究区2000~ 2020年间退化的植被覆盖度呵。其公式为：
E X2000j p X2020j
~Z（5）
J=6,7,83>6,7,8J X7式中g表示研究区21年间的植被退化指数;j表示6~8月的某一月份；X2000j和X2020j分别表示2000年和2020年j月份的植被覆盖度。
2.2.4植被覆盖度驱动力分析方法
采用祁连山南坡DEM数据提取海拔、坡度、坡向地形数据。对提取的海拔进行重分类得到10个不同的高程，将每一个高度范围存为一个shap 文件，然后用提取的边界对植被图层进行裁剪，将裁剪处的数据有植被的赋1、无植被赋0，最后统计每一个高度范围内的植被覆盖度面积和退化面积，以两者之比作为变化率，再用重分类、裁剪、统计处理坡度，从而计算植被退化面积和退化率；对于坡向，以正北方向为0。，22.5。为步长，将研究区分为平地（-1°）、北（0°~22.5°和337.5。~360。）、东北（22.5。〜67.5。）、东（67.5°〜112.5。）、东南（112.5。〜157.5。）、南（157.5。〜202.5。）、西南（202.5。〜247.5。）、西（247.5。〜292.5。）、西北（292.5°~337.5）9个坡向带［18］o
3结果分析
3.1植被覆盖空间分布格局
用均值法计算年累计NDVI，再根据像元二分法得到祁连山南坡2000-2020年平均植被覆盖度图（图2），
结合研究区的实际，根据呼和孟古拉等［8］前人研究将研究区植被覆盖度划分为5个等级，即低覆盖（FVC W0.45）、中覆盖（0.45> FVC v0.6）、高覆盖（0.6>FVC<0.75）、中高覆盖（0.75>FVC V0.9）、极高覆盖（FVC三0.9）。从图中可以看出祁连山南坡植被覆盖度整体上呈现东南高西北低的分布趋势，其中，祁连山南坡低覆盖植被主要分布在祁连、门源、天峻、刚察、海晏等海拔较高的山区，主要植被类型为裸地或冰川。中覆盖、高覆盖以及中高覆盖植被主要分布在人类活动较少的地区，主要植被类型为高寒草原和典型草原。极高覆盖植被主要分布在离祁连和门源县城较近的地区，其中以东南部门源地区植被覆盖居多，主要植被类型为森林、高寒草原和典型草原DM。
青滴科技
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100° E 99° E 1016 E 102* E
98° E
图2 2000-2020年平均植被覆盖度
3.2植被覆盖年际变化特征
先通过均值法计算2000-2020年平均NDVI,
再根据年平均NDVI 用像元二分法分别作出2000、
2005、2010、2015、2020年植被覆盖度等级图（图
3 ），然后根据植被覆盖度等级图分别统计每个等 级所覆盖的面积（表1）。
2000年
2010年2015年
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98°E
2020年
图32000-2020年祁连山南坡植被覆盖分布图
表12000-2020年祁连山南坡植被覆盖度面积表
覆盖等级低覆盖中覆盖高覆盖中高覆盖极高覆盖
2000年面积/km22952.842794.724351.2710419.8348131百分比％12.311.6418.1343.4114.51
环境变化2005年面积/km23394.633191.185748.29557.172109.76百分比％14.1413.323.9539.828.79
2010年面积/km23455.423589.35791.349110.792052.77百分比％14.414.9615.837.968.55
2015年面积/km23559.013427.416366.958735.541910.11百分比％14.8314.2826.5336.47.96
2020年面积/km23211.763163.736162.619069.082393.42百分比％13.3813.1825.6737.799.97
2000-2020年变化面积/km2258.92369.011811.341350.721087.89变化率％  1.08  1.547.54-5.62-4.54
从图3和表1中可以看岀2000〜2020年祁连山南坡低覆盖植被面积逐渐有所增加，到2020年有所下降，20年间所占比率增加了1.08%，面积增加了258.92km2，这说明2000~2020年祁连山南坡冰川和裸地的面积在不断的增加；中覆盖植被面积先增加后减少，但总体上成增加的趋势，所占比率增加了1.54%，
面积增加了369.01km2；高覆盖植被面积总体上也成增加的趋势，而且是这5类等级中面积增加最多的植被覆盖类型，所占比率增加了7.54%，面积增加了1811.34km2，同时，高覆盖植被主要分布在距离人类居住环境较近的地区，说明人类活动如退耕还林还草等，是导致高覆盖面积增加的原因之一；中高覆盖面积在21年间一直在减少，宜到2020年有所增加，所占比率减少了5.62%，面积减少了1350.72km2；极高覆盖面积总体上也是趋于减少的趋势，所占比率减少了4.54%，面积减少了1087.89km2o
3.3植被动态变化空间分布
根据年际变化特征分别作出2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年植被覆盖度变化图（如图4）。