杜佳梦，刘佳美，杨晓颖

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特010022；2.内蒙古大学生态与环境学院，呼和浩特010022)

1 引言

植被在风沙保护、水土保持等生态方面具有不可替代的功能，是地球系统的一个活跃成分。陆地环境的任何变化，将不可避免地与植物的类型、数量或质量相对应。气候变化和人为活动对植物生长环境的影响是不可避免的[1]。同时，植物生长是最能反映区域气候变化的最直观、最敏感的生态指标[2]。植被覆盖度(Fractional vegetation coverage，

FVC)指植物群落总体或各个体的地上部分(包括叶、茎、枝)的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，是反映植物群落生长季节和描述生态系统关键基本数据的重要指标，它对区域生态系统环境的变化有重要的指示[3～4]。归一化差值植被指数(Normalized difference vegetation index ,NDVI)被广泛应用于表示地表植被覆盖的情况，NDVI的大小可以直接反映植被覆盖的高低和植被长势的优劣， NDVI值高则表示植被覆盖良好[5]。NDVI可以消除大部分的影响，比如校准仪器、太阳角落、地形、云层以及与大气条件相关的辐射条件的变化，增强了对植被的响应能力，是植被覆盖度的最佳指示因子[6]。特别是在大尺度上植被变化的研究中，具有很大的优势，典型的地表覆盖类型在遥感影像上有明显的区分，植被可以得到有效突出。近年来随着生态环境的恶化，草原生态系统的变化情况备受关注。造成环境恶化的原因是多方面且非常复杂的，但其中的一个原因是比较明显的，这就是盲目和过度的开垦、开发以及过度放牧。21世纪的退耕还草还林、发展畜牧业是草原地区实施党中央提出的西部大开发战略部署的一个重要内容，也是保护生态环境、实现可持续发展的一个重要战略方针[7]。这个生态战略提出至今已经十几年了，使得草原生态系统得到了很好的保护。从此次研究可以看到，退耕还草的战略效果显著。内蒙古草原是我国北方重要的生态屏障，锡林郭勒草原在其中发挥着举足轻重的作用, 乌珠穆沁草原位于锡林郭勒草原的东北部，因此对西乌珠穆沁旗进行植被覆盖变化研究具有重要意义。本研究综合运用ENVI、ArcGIS、Matlab、IDL和一元线性回归趋势线相关方法和技术，分析西乌珠穆沁旗2001～2016年5～9月的NDVI的时空分布特征，仅从植被变化的角度考察植被对环境区域生态的影响，目前只是将2001～2016年5月到9月的气象数据简单的做了一个趋势线图，来作为2001～2016年NDVI变化与气象因子间关系的参考，但不能准确得出二者间的相关性。本研究分别从不同的时空尺度分析了近16年来西乌珠穆沁旗的植被覆盖度变化情况，主要探讨研究区植被覆盖的变化趋势。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

西乌珠穆沁旗(简称西乌旗)是隶属于内蒙古自治区锡林郭勒盟的一个旗，位于锡林郭勒盟东部，地处43°57'～45°23'N、116°21'～119°31'E，与通辽市、赤峰市及锡林郭勒盟的8个旗县相毗邻[8]，是距京津地区较近的草原牧区，也是重要的生态屏障。全旗土地面积为22434.5km2，地势由东南向西北倾斜，海拔为 835～1957m[9]。山地占全旗面积的24.9%，多分布在东部地区，相对高差在200m以上[10]。温带干旱、半干旱大陆性气候，夏季温热，冬季寒冷且漫长[9]。全旗年均温度在 0～1℃左右，日照时长2893.9h，年均降水为345mm[10]。草原以山地草甸草原、河泛地湖盆低地草甸草原、低山丘陵草甸草原、沙丘沙地草原和波状高平原草甸草原为主[11]。

2.2 数据来源及预处理

2.2.1遥感数据

本研究的遥感数据来源于美国航空航天局(http://modis.gsfc.nasa.gov/)提供的免费下载的2001～2016年间的Terra/MODIS NDVI 数据集，时间分辨率为16d，空间分辨率为1km。由于西乌旗地区冬季长期被积雪覆盖和大多数植被在冬季处于停止生长时期，所以选取每年的第129～273d间的数据，即5～9月份的数据，以此来研究生长季的NDVI变化情况,再利用MMRT和ENVI软件对所下载的NDVI数据进行格式转换、投影转换等处理[1]，获取2001～2016年间研究区生长季时间序列数据。然后将每年的16个NDVI数据进行平均值计算，获取年平均NDVI和16年平均NDVI以及月平均NDVI，以此来分析NDVI变化趋势。

2.2.2气象数据

气象数据来自中国气象科学数据共享服务网，为2001～2016年5～9月的西乌旗的平均温度和降水量，并将其进行多年平均处理。

2.3 研究方法

2.3.1一元线性回归趋势线分析

本文应用线性趋势分析法对2001～2016年5～9月的研究区NDVI变化趋势进行整体研究。通过NDVI像元尺度分析，可以准确分析研究区NDVI的时空变化[12]。

(1)

在上式中：a为线性变化趋势，即为斜率，当a>0时，说明NDVI在16年间呈现增加的趋势，当a<0时，则呈减少的趋势；n为年数；NDVIi为第i年的NDVI[13]。

2.3.2显著性检验

研究近16年来平均NDVI变化的空间分布趋势，逐年年平均 NDVI 与年份之间在 MATLAB环境下，进行逐像元的线性回归分析后得到逐像元的斜率a值与显著性P值，以表达NDVI变化的空间分布特征及显著性。如果相关系数通过0.1显著性水平(P<0.1)，则认为NDVI呈显著增加或显著下降。因此基于此假设，对斜率a值和显著性P值图像在ENVI下进行决策树分类，可以获得基于像元尺度的多年平均NDVI的空间分布趋势图。分别可以获得4种植被覆盖空间变化趋势，分别为：①a<0，显著减小(P<0.1)；②a<0，不显著(P>0.1)减小；③a>0，显著增加(P<0.1)；④a>0，不显著增加(P>0.1)。进而分析过去16年间的植被覆盖时空变化趋势。

3 结果分析

3.1 年平均NDVI的空间格局

运用2001～2016年逐年的平均植被NDVI值(The multi-year mean normalized difference vegetation index, YMNDVI)，借助ArcGIS软件得到西乌旗多年平均NDVI的空间分布图(见图1)。从2001～2016年平均NDVI的空间分布图可以明显看出，该图反映了西乌旗NDVI值总体呈现出东南高西北低的特征。如图1所示, 西乌旗NDVI总体上分布相对较为集中，自东南向西北逐渐降低，因为研究区东南部多为山地，山地的植被覆盖度较其他地貌的植被覆盖度大。其中，NDVI值大的地区主要集中分布在研究区东南部，YMNDVI值高于0.55；NDVI值较小的区域主要分布在研究区的中部区域，在研究区的西南部及北部地区也有极少数的分布，其YMNDVI值在0.42～0.54之间；植被覆盖度小的地区主要分布区域为研究区西北部，在东南部也有零星分布，其YMNDVI值小于0.41。

图1 西乌珠穆沁旗16年平均NDVI空间分布特征

3.2 植被覆盖度年际变化及空间特征

从2001～2016年西乌旗NDVI变化空间分布来看(图2)，NDVI显著增加的区域零星分布在中部地区；显著减少的区域主要分布在研究区东南部,其余均有零星的分布；无显著增加的区域主要分布在研究区西北部和中部地区，零星分布在其他区域；无显著减少区域分布在研究区的大部分区域。从研究区近16年来NDVI值变化来看(图3)，总体上西乌旗NDVI值有逐渐平稳增加的趋势。2001～2006年NDVI无明显的波动；2006～2012年NDVI波动比较大；2009年降至2001年以来最小值，NDVI值为0.35；之后逐年增加，到2012年升至2001年以来最高值，NDVI值为0.51；2013～2016年NDVI值逐年降低。总体而言，NDVI年际趋势为缓慢增加。

图2 研究区2001～2016年NDVI的变化趋势

图3 研究区2001～2016年平均NDVI的变化

3.3 平均NDVI月变化的空间特征及变化趋势

从图4可以看出，西乌旗近16年来5～9月每个月的平均NDVI都呈现出不同的变化趋势，并且有着较大的空间差异。从区域变化情况看，16年来5月份的平均NDVI变化绝大部分地区呈减少趋势，仅在东北部巴彦花镇和高日罕镇的零星地区呈增加趋势(图4-a)；6月份的平均NDVI值呈现由东向西逐渐降低的趋势，零星地区呈现显著减少的趋势(图4-b)；7月份NDVI显著增加的地区在东南部，零星分布在全区(图4-c)；8月平均NDVI变化趋向降低的趋势，只有东南部零星地区显著增加；9月呈现显著增加的地区有东南部及中部地区，西部地区平均NDVI有所减少，而东北部零星地区显著减少。从月际NDVI变化趋势看，5月到6月大部分地区的NDVI显著增加，这应该与气温的升高和降水的增加有关；而7月和8月的NDVI则减少，这是因为气温过高导致土壤中的水分蒸发过快而造成干旱，使植被覆盖增长缓慢；9月份的NDVI呈现增加趋势，可能是因为气温增长延长了植被的生长期[7]。从时间变化来看，研究区2001～2016年5～9月每个月的NDVI变化都有所差异。从图5可以看出，16年来5月份和9月份的NDVI呈增加趋势，而且5月的NDVI要比9月的增长快，但总体上9月的NDVI要比5月份的高；6月、7月和8月的NDVI呈现缓慢下降的趋势。

图5 研究区16年间5月、6月、7月、8月、9月的NDVI的变化

3.4 研究区2001～2016年气温和降水的变化

由于没有研究气象因子和NDVI的相关性，只能将2001～2016年5～9月的年际气象数据作为参考。由图6可以看到，16年来西乌旗的均温呈下降趋势，下降速率为0.04℃/a；而降水量呈明显的上升趋势(0.88mm/a)。前述西乌旗16年来的平均NDVI呈增加趋势，可能与该地区的降水量有显著正相关的关系，这还有待于今后进一步研究。

图6 2001～2016年的年际的气温和降水量的变化

4 讨论

基于2001～2016年共16年MODIS NDVI遥感数据，本文获取了西乌旗地表植被覆盖的时空变化信息，分别从年际和月际尺度分析了近16年西乌旗的植被覆盖度变化情况。植被变化与气候因素之间的关系已经有许多研究[12～ 15]，但本文仅从植被覆盖变化角度分析了植被变化对区域生态环境的影响，粗略考虑了2001～2016年5～9月的年平均NDVI和年均温和降水之间的关系，没有考虑气候因子、地形及人类活动对植被覆盖的影响，所以对每个月植被覆盖变化的原因不能准确的给出，只能做出推测。如果对西乌旗植被覆盖变化的各种因素进行综合全面分析，就可以揭示各因素对植被生长的作用和机理。由于没有进行NDVI和气温与降水的相关分析，所以16年来的平均气温和降水只能作为参考来分析植被覆盖变化情况，不能准确的表达西乌旗植被覆盖变化对气象因子的响应特征，但可以推测出研究区降水量对植被覆盖度的影响很大，因而具体结论有待进一步研究。 西乌旗NDVI值16年来缓慢增加是导致植被覆盖增加的主要因素，但这个结果与焦全军等[14]得到的锡林郭勒草原东部区域西乌旗等东部地区存在植被退化的现象等结论存在分异，这种分异可能与导致植被覆盖变化的气候因素和人类活动有关，与研究的时间尺度的不同也有很大关系。在对研究区总体变化趋势的研究中,本文基于本次数据的现象并引用其他一些研究结果来做解释, 并没有进一步研究这些现象的原因，主要是由于本研究并未涵盖所有相关数据，如果有相关数据就可以进一步探讨导致植被变化的原因。

21世纪以来实施的退耕还草、禁牧休牧轮牧等生态保护与恢复工程，保护了植被生长环境，对促进西乌旗2001～2016年植被覆盖度的缓慢增加有一定的作用。本文应用MODDIS NDVI遥感数据，分析了西乌旗2001～2016年5～9月份的植被覆盖度变化情况，从像元尺度分别对空间格局、年际变化和月际变化分析了16年来的植被覆盖度变化情况，所得结果可以为西乌旗生态建设和环境保护提供依据。 但是，在研究中如果结合旬的NDVI数据并使用更高分辨率的遥感影像进行数据提取，那么结果会更加精确，具体研究将在今后的工作中开展。

5 结论

5.1西乌旗植被覆盖度呈东南高西北低、自东南向西北逐渐降低的特征，NDVI较高值主要集中分布在研究区的东南部；低值区集中在西部及西北部地区。

5.2西乌旗2001～2016年5～9月份植被覆盖度变化波动较大，但总体上呈逐渐升高趋势，16年间NDVI的变化为缓慢增加。植被覆盖度显著增加的区域零星分布在中西部和中东部地区，显著减少的区域主要分布在研究区东南部，无显著增加的区域主要分布在研究区西北部和中部地区，无显著减少区域散布在大部分区域。

5.3西乌旗2001～2016年5～9月份温度呈降低趋势，降水量则为明显上升的趋势，降水量对研究区植被的作用要高于温度。