祁连山NDVI的时空变化及其对海拔的响应

摘要 基于2000、2005、2010、2015和2020年的5期MODIS NDVI数据，运用均值法、线性趋势分析法和GIS空间分析法，研究分析了祁连山年平均植被生长趋势、不同海拔差异对植被覆盖变化的影响。结果表明：祁连山整体植被覆盖度由西向东增加，西部稀疏、东部茂盛；主要植被类型为高山灌丛草甸。祁连山年际植被覆盖度有明显的改善，低覆盖度面积由34.70%降低到25.29%，高覆盖度面积从15.21%增加到23.97%，整体覆盖程度逐渐上升；2000—2020年祁连山年平均植被NDVI总体呈良好发展趋势，改善的植被占比28.19%，主要分布在东部和南部；海拔偏高和海拔偏低植被覆盖度均很低，海拔在2 000 m以上植被覆盖度较高，尤其是在海拔高度3 500～4 000 m时，植被覆盖度最高，适宜植物生长。

关键词 MODIS NDVI；祁连山；植被覆盖度；海拔；GIS

中图分类号 Q 948  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）21-0090-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.21.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Spatiotemporal Change of NDVI in the Qilian Mountains and Response to Altitude

YANG He 2， ZHU Shu-xian 2，3， LI Li 2 et al

（1.School of Urban and Environment， Yunnan University of Finance and Economics， Kunming， Yunnan 650221;2.Wildlife Management and Ecosystem Health Center， Yunnan University of Finance and Economics， Kunming， Yunnan 650221；3.Heping County Land Improvement Center， Heyuan， Guangdong 517200）

Abstract Based on the MODIS NDVI data from 2000 to 2020， through the extraction and analysis of pixel-by-pixel information， the average value method， linear trend analysis and GIS spatial analysis are used to study and analyze the Qilian Mountains’ annual average， vegetation growth trends， and differences in altitudes leading to the degree of vegetation coverage changes. The results of the study showed： The overall vegetation coverage of Qilian Mountains increases from west to east， sparse in the west and luxuriant in the east， and the main vegetation type is alpine scrub meadow. The inter-annual vegetation cover of Qilian Mountains has improved significantly， with the area of low cover decreasing from 34.70% to 25.29% and the area of high cover increasing from 15.21% to 23.97%， with the overall cover gradually increasing. In the past 20 years， the overall average annual vegetation NDVI of Qilian Mountains has shown a good development， with 28.19% of the improved vegetation， mainly distributed in the east and south. The vegetation coverage is very low at high altitude and low altitude， and the vegetation coverage is higher at an altitude of more than 2 000 meters， especially when the altitude is 3 500-4 000 meters， the vegetation coverage is the highest， which is suitable for plant growth.

Key words MODIS NDVI;Qilian Mountains;Vgetation coverage;Altitude;GIS

植被覆盖是作为反映区域性生态环境发展状况的重要衡量指标之一，对于物质的生态化学循环和全球能量循环有着至关重要的影响［1］。归一化植被指数（NDVI）是植被长势和营养信息的重要参数，是植被和生态环境变化最重要的指标之一，近年来许多国内外学者对不同时空尺度上地表植被覆盖变化长时间序列的NDVI数据集进行了深入分析［2］。李茜荣等［3］结合2000—2018年成渝经济圈内气象站点气温、降水等气候指标，分析了该地区NDVI 的时空变化特征及气候对其的影响。Shabanov等［4］利用AVHRR数据分析了我国北部植被的变化。张华等［5］基于祁连山国家公园植被NDVI等数据，运用地理探测器模型分析2000—2019 年祁连山国家公园植被 NDVI 时空变化特征和植被 NDVI 变化的驱动因素。李卓等［6］基于MODIS NDVI数据，预测了2005—2015年京津冀植被未来发展趋势，得出京津冀地区植被以持续恢复为主的结论；石玉琼等［7］基于MODIS NDVI数据，研究了2000—2014年榆林地区植被的季节变化、年际变化和空间变化，结果表明退耕还林还草取得明显成效。

祁连山是我国西部重要的生态安全屏障，是冰川与水源涵养国家重点生态功能区，对于祁连山我国实行国家公园体制，目的是为了保持祁连山自然生态系统的原真性和完整性，保护生物多样性和生态安全屏障。虽然祁连山拥有得天独厚的自然资源，但目前对于祁连山植被仍缺乏研究，存在林地、草地数据不清晰，资源空间重叠，自然资源价值的实现目前仍存在诸多困难。研究祁连山植被覆盖的变化，在保护和维持自然生态多样性及气候的稳定性等方面起着重要作用［8］，这不仅可以更深入地了解祁连山植被的生长条件和影响因素，也为监测其稳定性、预警灾害的发生和减缓退化的过程提供科学依据，同时还为特殊动植物保护提供参考价值。

笔者利用NDVI和DEM数据研究2000—2020年祁连山NDVI的时空变化，了解祁连山植被的生长条件及其受海拔的影响，运用均值法、线性趋势分析法和GIS空间分析法对祁连山整个区域植被NDVI的数据进行了空间分析，并综合分析了祁连山植被覆盖动态变化的特点与影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

祁连山是我国西北部主要山脉，坐落在青海省和甘肃省，西与当金山口接壤，北部为河西走廊，南部是柴达木盆地，东南部为秦岭和六盘山（图1）。祁连山西北高东南低，从东到西长约1 000 km，从北到南宽300 km，总面积约18.5×104 km2，大多数祁连山脉的平均海拔为3 500～5 000 m。祁连山的累计降水量相对较小，年平均累计降水量的整体分布从东南到西北呈现逐渐递减趋势［9］。植被分布呈现垂直地带性特征，海拔由低到高分布有灌丛地、荒漠草原、高山草原、高山灌丛草甸、高寒草甸、高寒稀疏草甸。

1.2 数据来源与处理

数据来源于NASA（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）2000、2005、2010、2015和2020年的MOD13Q1数据，空间分辨率为250 m×250 m，时间为每年8月，排除了冬天被冰雪覆盖的可能性，且此时也是全年植被生长最好的季节。将MODIS的原始数据计算方法应用于ENVI的band 数学中，NDVI为-1～1。图像经过拼接，重新开始进行图像投影并再次使用新的MRT进行图像裁剪；然后通过最大的图像合成切割方式重新获得月份的图像NDVImax，以tif的格式重新进行图像输出。全球数字空间高程数据（DEM，30 m×30 m）来源于中国科学数据云地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn），在ArcGIS中利用空间特征分析模块结合实际观测的数据将海拔地形特征因子进行提取。

1.3 研究方法

1.3.1 均值法。

均值法是把祁连山植被各年累计NDVI值归在一起计算的平均值，并用植被的年累积平均NDVI值反映2000—2020年祁连山生长期植被覆盖度的总体特征［10］，公式为

NDVI= 20j=1 12i=1NDVIji/20（1）

式中，NDVI为植被年累计平均NDVI；NDVIji表示第j年第i月的NDVI。

年平均NDVIx周期分析是指2020—2020年祁连山地区NDVI年均变化，持续时间约12个月，代表整个年度的NDVI及其直接反映的祁连山地区植被覆盖率的平均年际周期性其及变化特征。公式为

NDVIx=（ 12i=1NDVIji）/12（2）

式中，NDVIx表示年平均NDVI，j=2000，200 …，2020年。

由于每个研究区植被覆盖和研究方法的不同，对于植被覆盖的分级学术界目前仍存在多种方法及标准。笔者结合前人研究，根据祁连山植被覆盖的特点，根据植被覆盖度类型的重分类（表1），将植被覆盖度分为低覆盖度、中低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度和高覆盖度5类，分别从不同角度分析祁连山植被覆盖的变化情况。

1.3.2 线性趋势分析法。

利用线性趋势分析法模拟2000—2020年祁连山植被NDVI年平均值的空间变化。根据趋势线斜率S的改变幅值范围［11-12］，定义显著增加、轻微增加、显著减少、轻微减少、基本不变的变化区间，分别计算5个变化区间的面积和变化百分比，并通过对数据进行比较和仿真的结果，进行了S<0.05的明显显著性水平检验。使用图像差分法分析NDVI的空间变化，综合分析祁连山植被覆盖动态变化的特点与影响，计算公式为

S=n· nj=1NDVIj- nj=1 j nj=1NDVIjn· nj=1j2-（ nj=1 j）（3）

式中，n为监测年数；NDVIj为第j年NDVI的一个倾向平均值：S为趋势图曲线的斜向曲率，其中，S>0，说明NDVI在n～j年间的倾向变动使其倾向通常呈逐渐性增加，反之则可能逐渐减小［13］。同时根据S的季度变动幅值范围，使用标准差法定义为极度变差、显著变差、基本不变、显著变好和极度变好5个变化区间，并统计面积及其面积百分比。

2 结果与分析

2.1 植被的基本特征

图2反映了祁连山地区2000—2020年分阶段植被覆盖的基本空间特征。根据祁连山植被土地覆盖的重分类情况可知（表2），森林植被及其覆盖范围主要有高山灌丛草甸与高山草原。祁连山东南部地区，年累计平均NDVI最大，值接近于 主要植被类型为高山灌丛草甸。在祁连山中部地区和东部地区，年累计平均NDVI 值位居第2，接近于0.6，主要植被类型高山草原。在祁连山西部，年累计平均NDVI值接近于0，植被覆盖度相对较小，主要高原地区植被覆盖的类型有寒冻风化带和裸地，最西端的荒漠草原地区植被覆盖的程度最小，年累积植被平均值在NDVI中逐渐减少出现负值，主要部分于大沙漠地区［14］。

2.2 NDVI的时间变化