基于NDVI綠洲-荒漠過渡帶寬度識別
——以河西走廊中部荒漠綠洲為例

常學禮,季樹新,喬榮榮,白雪蓮,王理想

魯東大學資源與環境工程學院,煙臺 264025

綠洲-荒漠過渡帶是由綠洲和多種相鄰生態系統在一定范圍內形成的與原生生態系統在群落外貌、物種組成以及生態功能等諸方面差異明顯的區域。其在規模上介于狹義過渡帶(交錯群落)和廣義過渡帶(農牧交錯區)之間,是綠洲生態系統穩定和區域生物多樣性保護研究中重點關注焦點之一[1-2]。近些年來,隨著人類活動加劇導致的綠洲擴張,使綠洲-荒漠過渡帶在格局、結構和生產力等方面發生了明顯變化[3-5],因此以綠洲-荒漠過渡帶為研究對象從植被空間異質性、生產力以及景觀格局變化等方面進行了卓有成效的研究[6-8]。這些研究解釋了綠洲-荒漠過渡帶概念、性質并強調了過渡帶在生態學研究中特有的敏感性和區域特色[3],指出了植被和地形地貌對過渡帶結構的影響機制[5]。特別是在植物多樣性尺度效應研究中,指出了過渡帶植物多樣性隨空間尺度增加而依賴性減弱,當樣地面積為100 m2時,為種多樣性-面積曲線的拐點[9]。在過渡帶植被與土壤水分關系研究中,揭示了植被蓋度與0—20 cm和20—40 cm兩層土壤含水量顯著負相關,與120—140 cm和140—160 cm兩層土壤濕度顯著正相關[10]。在過渡帶景觀研究中,解釋了梭梭林和耕地面積變化是影響景觀變化主導因素,如民勤綠洲案例研究表明,1960—2005年綠洲-荒漠過渡帶向外圍擴張了2—3 km[8]。此外,策勒綠洲研究明確指出,從綠洲邊界到過渡帶外緣NDVI呈減少趨勢,依據變化趨勢可將過渡帶可分為單向漸變型、雙向漸變型和突變型過渡帶三種類型[4]。從過渡帶寬度研究來看,其內緣邊界以人類活動強烈干擾的農田、林地(防護林與片林)占絕對優勢,是研究中容易識別且爭議極少的界線,而外緣邊界位置(寬度)在不同尺度和地域研究中存在差異[4,8,11-12]?？偟膩砜?綠洲-荒漠過渡帶研究既涉及到了過渡帶優勢植物群落空間格局與土壤性質演化以及土地覆蓋類型變化對蒸散的影響[13-17],也結合了植被格局分析中的灌叢“肥島”效應和降水截留特征等生態學主要研究內容[18-19]。

需要強調地是在涉及綠洲-荒漠過渡帶生態與環境變化研究方面[2-5,8,10],過渡帶內的植被、土壤和微氣候特點等要素存在變化梯度的事實被明確指出[4-5],但過渡帶寬度與確定方法以及過渡帶類型對寬度影響等定量化研究尚未完善。從相鄰學科類似研究來看,“景觀邊界厚度”與“綠洲-荒漠過渡帶寬度”在概念上具有異曲同工之處。特別是景觀邊界概念不僅開始關注“邊界厚度”,同時對邊界空間格局(直線、鋸齒和破碎等)做了分類[20],指出了邊界類型變化在景觀研究中的特殊意義[21-22]。從這個角度來看,對綠洲-荒漠過渡帶寬度進行研究,在方法論上對景觀格局分析也具有借鑒意義。此外,從研究手段可行性來看,基于遙感數據研究明確指出,利用地表反射光譜特征獲取的NDVI(歸一化植被指數,Normalized Difference Vegetation Index)、溫度植被干旱指數(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI)、條件植被溫度指數(Vegetation Temperature Condition Index,VTCI)等可以捕捉到不同生態系統之間和同一生態系統之內植被生產力水平梯度差異[23-25],為綠洲-荒漠過渡帶寬度識別提供了條件保障。

因此,本文選擇張掖綠洲北部典型區為研究對象,該區包括了綠洲與石質裸山、礫質荒漠、沙質荒漠和人工固沙區等具有代表性景觀的鑲嵌格局。擬解決的科學問題是綠洲外緣NDVI變化趨勢特征以及由此識別出不同類型過渡帶寬度。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

研究區選擇在河西走廊黑河流域中游的張掖市臨澤縣平川鎮綠洲-荒漠交錯區,該區綠洲邊緣擴張在我國綠洲區具有典型性[6-7,15]。該區多年平均降水量為117 mm,其中7—9月占65%；多年平均蒸發量為2390 mm,平均氣溫為7.6℃,最高氣溫39.1℃,最低氣溫-27.3℃。研究區范圍內綠洲生態系統分別與沙質荒漠(沙漠)、人工固沙區(流沙治理區)、礫質荒漠和石質裸山等4種類型相鄰(圖1)。

圖1 研究區位置圖

1.2 研究方法

1.2.1遙感數據與解譯

遙感數據采用2015年8月28日OLI _TIRS影像產品(軌道號133—33,紅和近紅波段分辨率30 m,熱紅外波段為100 m),研究區云量為0。在解譯前利用ENVI5.5軟件對遙感影像進行幾何/正射校正,輻射定標,FLAASH大氣校正和研究區影像裁剪。然后,采用面向對象監督分類把綠洲等5種類型解譯出來,隨后在ArcGIS環境中用dissolve命令對5種類型中的“噪音”斑塊進行融合(圖2)。

1.2.2過渡帶類型劃分與樣區設置

從圖1、2可以看出,綠洲主體分別與石質裸山等四種生態系統相鄰。針對這種現狀將過度帶劃分為4種類型(表1)。同時,為了保證影響因素的一致性,在相對集中區域設置了4種過渡帶樣區,取樣面積為2000 m×2500 m(圖2)。

圖2 綠洲范圍與過渡帶樣區位置(A: 石質裸山；B: 礫質荒漠；C: 人工固沙區；D: 沙質荒漠)

表1 不同過渡帶類型描述

1.2.3過渡帶范圍識別

在遙感技術應用中,用Landsat數據(30 m)獲取植物種組成、群落類型等信息不可行,只能采用相對成熟的NDVI(代表植被生產力)分析綠洲植被生產力空間梯度變化[26],因為即使用MODIS NDVI數據(250 m)研究植被生產力格局亦可獲得滿意的結果[27]。

具體流程：首先對圖1用buffer命令正負緩沖分析功能形成綠洲與其它景觀類型之間最小外切多邊形,用外切多邊形與各生態系統相鄰邊界代表綠洲邊界(過渡帶內緣線)(圖2)。該邊界把綠洲內部防護林、水域和綠洲內部荒漠等都融合到綠洲主體,把綠洲邊緣防護林和游離主體綠洲的新墾農田從綠洲主體剝離。其次以綠洲邊界為目標進行緩沖分析,分析梯度分別為：在0—300 m范圍內,30 m為緩沖間隔；在300—600 m范圍內,60 m為緩沖間隔；在600—1000 m,100 m為緩沖間隔；>1000 m,200 m為緩沖間隔；最大緩沖距離為1600 m。最后在綠洲與4種景觀類型相鄰處設置面積為2000 m×2500 m的樣區各一個,在完全覆蓋緩沖范圍基礎上用Clip命令分別取樣分析(圖2)。

考慮到植被尺度依賴特點和分區難題[6,9],本文對NDVI數據進行焦點分析,采用30 m×30 m(原始分辨率)、90 m×90 m、210 m×210 m和330 m×330 m 4個尺度。即,每個柵格NDVI分別以原始值和以原始值為中心的3倍、7倍和11倍范圍內所有柵格平均值表示,結果見圖3。這種方法導致過渡帶相對由“窄”變“寬”、由“零散”變“集中”的現象是由分析尺度變化導致,也是本文過渡帶寬度尺度效應的分析基礎。

此外,在NDVI變化拐點(邊界寬度)判斷中,考慮到過渡帶植被生產力格局是一個多級別鑲嵌體(mosaic)且空間變化復雜是一個包容型等級結構[28-30]。因此,采用分段線性趨勢分析法判斷過渡帶寬度。文中所有統計分析用SPSS22計算,線性趨勢顯著性分析(F檢查)閥值采用P=0.05和P=0.001。當,P>0.05時不顯著；0.001≤P≤0.05時為顯著；P<0.001時為極顯著。

2 結果

在綠洲-石質裸山過渡帶,分析尺度為30 m時,NDVI變化趨勢在距邊界165 m左右存在一個急劇下降區(圖4),NDVI由0.0983下降到0.0653,平均減少0.0200/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)；距離超過150m變化明顯減弱且NDVI波動變化在0.0522—0.0629之間,平均減少0.0007/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結果來看(圖4),隨尺度增加,NDVI變化趨勢交點距離增大,在330 m尺度達到220 m。但是在小于90 m尺度時,交點位置無變化,僅使交點后165—210 m間NDVI變化趨向平緩(圖4中黑點),而這種效果隨尺度增加保持穩定。

圖4 綠洲-石質裸山邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-礫質荒漠過渡帶,分析尺度為30 m時,NDVI變化在距邊界330 m間也存在一個急劇下降區(圖5),NDVI由0.1351下減少到0.0758,平均減少0.0180/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)；距離超過330 m變化減弱且NDVI波動變化在0.0606—0.0731之間,平均減少0.0010/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)。不同尺度分析結果表明(圖5),隨尺度增加NDVI變化趨勢交點位置都在330 m處且線性趨勢方程都為極顯著(P<0.001)。

圖5 綠洲-礫質荒漠邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-沙質荒漠過渡帶,30 m尺度的NDVI變化在距邊界230 m間存在一個急劇下降區(圖6),NDVI由0.1017下降到0.0730,平均減少0.0125/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)；距離超過230 m NDVI變化減弱且波動在0.0674—0.0730之間,平均減少0.0004/100 m,線性變化趨勢顯著(P<0.05)。從不同尺度分析結果來看(圖6),隨尺度增加NDVI變化趨勢交點距離呈增加趨勢,在尺度超過210 m后,交點距離穩定在290 m,但是其線性趨勢都不顯著(P>0.05)。

圖6 綠洲-沙質荒漠邊界過渡帶NDVI緩沖分析

在綠洲-人工固沙區過渡帶,分析尺度為30 m時,NDVI變化趨勢與其它過渡帶不同,出現2個交點(圖7)。在距邊界240 m第一次出現,在這一階段NDVI由0.1448下降到0.1085,平均變幅0.0151/100 m,線性變化趨勢極顯著(P<0.001)；在580 m處第二次出現,其間的NDVI變化明顯減弱且轉為顯著增加趨勢(P<0.05),變化在0.1118—0.1146之間,平均變幅0.0008/100 m,；當距離超過580 m,NDVI又呈極顯著下降趨勢(P<0.001),由0.1111下降到0.0903,平均變幅0.0021/100 m。從不同尺度分析結果來看(圖7),隨尺度增加NDVI趨勢線第一交點出現距離呈減小趨勢,在小于90 m尺度時交點位置不變,當大于90 m時,第一交點距離減少到210 m。從線性變化顯著檢查來看,除210 m尺度達到顯著外(圖7),其它尺度變化不顯著(P>0.05)。第二交點出現位置變化不大,除30 m尺度外,其它尺度都為580 m,線性變化趨勢也都達到極顯著(P<0.001)。

圖7 綠洲-梭梭林固沙區邊界過渡帶NDVI緩沖分析

從不同過渡帶寬度比較來看,在綠洲-人工固沙區過渡帶最寬,這與研究區綠洲防護體系建設密切相關,從梭梭林樹齡判斷已經有40多年治理周期。綠洲-石質裸山過渡帶寬度最窄,是因為研究區綠洲擴展受到了合黎山余脈影響,山前洪積沖積物上發育植被稀疏,NDVI空間衰減明顯。沙質和礫質荒漠過渡帶介于二者之間,其中綠洲-礫質荒漠過渡帶大于沙質荒漠。

3 討論

在干旱區研究中,綠洲-荒漠過渡帶具有重要生態緩沖功能,是綠洲生態系統可持續性發展的重要保障,過渡帶寬度是影響其緩沖功能的重要指標[3,31]。

從本文過渡帶寬度確定方法來看,在其既有明確內涵定義,又缺乏空間范圍條件約束的情況下[3-5],以NDVI為度量指標,采用綠洲邊界確定→判定要素尺度特征分析→始于邊界的要素趨勢分析流程可對綠洲-荒漠過渡帶寬度進行確定(圖2—7)。張掖綠洲典型案例分析表明,綠洲邊界外緣NDVI存在二種差異明顯的變化速率(圖4—7),二種變化趨勢的交點位置距綠洲邊界距離可判定為邊界寬度。

不同類型過渡帶寬度存在差異,其中綠洲-石質裸山過渡帶寬度在165—220 m之間(圖4)。當分析尺度大于90 m時,趨勢線交點逐漸遠離綠洲邊界,出現明顯的尺度依賴現象,過渡帶寬度逐漸增加到220 m；當分析尺度小于90 m時,無尺度依賴特征,過渡帶厚度穩定在165 m。綠洲-礫質荒漠過渡帶寬度穩定在330 m,無尺度依賴特征。綠洲外緣NDVI存在二種差異明顯的線性趨勢(P<0.001,圖5),表明在該類型過渡帶植被生產力空間格局與石質裸山區別明顯。綠洲-沙質荒漠過渡帶寬度變化在230—290 m間,當分析尺度小于210 m,過渡帶寬度存在尺度依賴特征,即隨分析尺度增加寬度逐漸增加,在210 m尺度時過渡帶寬度達到最大；大于210 m,尺度依賴特征消失(圖6)。過渡帶內NDVI線性趨勢極顯著,過渡帶外NDVI變化趨勢不顯著(最小P=0.025),表明進入流沙生境后,植被斑塊呈隨機出現。綠洲-人工固沙區過渡帶寬度變化存在異質性,變化趨勢有2個交點,總體上過渡帶厚度變化在570—580m之間。其中第一個交點位置在210—240 m間,將過渡帶NDVI變化分為二個部分(圖7)。在靠近綠洲部分,隨分析尺度增加NDVI迅速減少,在210 m尺度時過渡帶寬度穩定在210 m；外側部分NDVI變化較小,在90 m尺度時過渡帶厚度就穩定在570 m。從變化特點來看,靠近綠洲部分不同尺度NDVI變化都達到了極顯著水平；外側部分只有210 m尺度達到顯著(圖7),其它尺度不顯著。在過渡帶之外區域,不同尺度NDVI變化都達到了極顯著,說明在距離邊界570—580 m之外區域的NDVI變化與過渡帶內NDVI變化存在差異。從綠洲-人工固沙區過渡帶存在第二交點的事實可以推斷,在靠近綠洲區植被生長狀況較好,這一現象隨距邊界距離增加而減弱,大約在240 m處這種現象消失并進入平緩變化區,隨距離再延深至距綠洲邊界約570—580 m處時,NDVI變化趨勢又發生了變化(趨勢線斜率由正變為負),達到人工植被與天然植被交匯點(圖7)。因此,在該類過渡帶進行科學試驗活動時要考其內NDVI變化存在二種規律的現象。

總的來看,在30—330 m分析尺度范圍內,綠洲-荒漠過渡帶NDVI變化呈現由綠洲邊界向過渡帶外緣衰減趨勢,這種現象與策勒綠洲-沙漠過渡帶研究結果一致[4-5]。NDVI衰減現象與過渡帶類型無關,但變化趨勢在不同過渡帶存在差別。從共性來看,綠洲外緣區NDVI變化存在二種(或二種以上)趨勢,其交點距綠洲邊界距離可認定為過渡帶寬度。從差異性來看,過渡帶寬度尺度依賴特征各不相同,在綠洲與礫質荒漠和人工固沙區過渡帶表現很弱(最大相差10 m)；在綠洲-石質裸山過渡帶其影響較強,呈現出隨分析尺度增加過渡帶邊界寬度增加趨勢。在綠洲-沙質荒漠過渡帶,尺度效應對過渡帶寬度影響超過210 m后消失。此外,從采用遙感數據識別綠洲-荒漠過渡帶寬度的準確性來看,僅用NDVI指數尚不能保證識別精度,在后續工作中將引入溫度條件指數(Temperature Condition Index,TCI)與NDVI相互印證可提高識別精度,因為已有研究表明TCI可捕捉到地表亮度量化特征并成功反演溫度變化[32-33],這將為提高綠洲-荒漠過渡帶厚度識別精度提供方法保障。

4 結論

在綠洲-荒漠過渡帶寬度識別中NDVI是一個有效度量指標,因為其在綠洲邊界向外梯度上呈明顯衰減趨勢,這種趨勢與邊界類型有關。過渡帶內、外存在的NDVI變化趨勢差異可用分段線性趨勢分析捕捉到交點(即過渡帶寬度閾值)。不同類型過渡帶寬度有差別,其中綠洲-人工固沙區過渡帶寬度最大為570—580 m,其內NDVI存在二種變化趨勢,在距離綠洲邊界240 m范圍內變化趨勢極顯著(P<0.001),超出此閾值變化趨勢不顯著(P>0.05)。再其它類型過渡帶內NDVI僅有一種變化趨勢,其中綠洲-礫質荒漠過渡帶寬度為330 m,隨后依次為綠洲-沙質荒漠過渡帶和石質裸山過渡帶,寬度分別變化在230—290 m和165—220 m。在分析尺度30—330 m范圍內,人工固沙區和礫質荒漠過渡帶寬度的尺度效應不明顯,隨分析尺度增加寬度增加10 m；石質裸山和沙質荒漠過渡帶寬度尺度效應相對明顯,隨分析尺度增加過渡帶寬度分別增加55 m和60 m。