2000—2021年紅古區草原歸一化植被指數分析

祁玉娟

（蘭州市紅古區林業工作站，甘肅 蘭州 730080）

草原植被在維持生態系統平衡、畜牧業生產、生物多樣性、碳儲量等方面意義重大，但受人類活動、氣候等因素影響較大[1-2]。

遙感技術時效快、范圍廣、時空分辨率高，被廣泛應用于生態監測和定量研究[3-5]，歸一化植被 指 數（normalized differential vegetation index，NDVI）由植物吸收波段和植物反射波段的遙感反射率計算而得，能夠很好地反映植被分布、覆蓋狀況和生長狀態，NDVI值越高，植被覆蓋、長勢等狀況越好。蘭州市紅古區屬于溫帶大陸性干旱氣候，植被以溫性草原和溫性荒漠草原為主，草原生態系統相對脆弱。本研究基于NDVI數據，采用Theil-Sen median趨勢分析、Mann-Kendall檢驗、Hurst指數法，分析2000—2021年蘭州市紅古區草原植被變化趨勢，以期指導草原植被保護和恢復實踐。

1 研究區概況

紅古區位于蘭州市遠郊，地處甘肅省中部，地理坐標102°50′～102°54′E、36°19′～36°21′N。紅古區屬北溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫7.6 ℃，年均降水227.7～349.9 mm，年均蒸發1 507.8 mm，年 均 日 照1 762～2 769 h，年 相 對 無 霜 期160～173 d。根據第三次全國國土調查數據，紅古區草原面積3.61萬hm2。紅古區轄4鎮3個街道，分別為海石灣、花莊、平安、紅古鎮和華龍、窯街、礦區街道。

2 數據與方法

2.1 數據及預處理

NDVI數據來自美國航空航天局發布的MODIS MOD13Q1 V006產品。下載紅古區2000-2021年歷月MOD13Q1產品數據，時間分辨率16 d，空間分辨率250 m，采用MODIS數據重投影工具進行格式轉換與轉投影，最大值合成法得到2000—2021年逐年最大NDVI數據集。采用第三次全國國土調查劃定的草原分布圖掩膜得到紅古區草原逐年NDVI數據用于分析。

2.2 分析方法

采用GIS分區統計功能計算紅古區及各鎮（街道）草原區2000—2021年NDVI逐年均值；采用Theil-Sen median趨勢分析計算SNDVI值，Mann-Kendall檢驗計算Z值，Hurst指數法計算H值[6]，分析草原生長變化趨勢及特征的空間分布。參考袁麗華等人[6]的分級方案，劃分NDVI時間序列變化趨勢為5級：明顯增加，輕微增加，穩定不變，輕微減少，明顯減少。

根據H值判斷NDVI序列是完全隨機還是具有持續性[6-7]：0.5＜H＜1，表明時間序列具有持續性，即未來變化與過去的變化趨勢一致，H越接近1，持續性越強；H=0.5，表明NDVI時間序列具有隨機性，即未來變化與過去無相關性；0＜H＜0.5，表明未來的變化趨勢與過去的變化趨勢相反，H越接近0，反持續性越強。疊加Hurst指數法、Theil-Sen median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗分析結果，以揭示植被變化趨勢及其持續性：1）變化趨勢不確定；2）持續輕微減少；3）持續明顯減少；4）持續穩定；5）持續輕微增加；6）持續明顯增加。其中，變化趨勢不確定包括隨機（H=0.5）和變化趨勢相反（0＜H＜0.5）的各種情況，具體疊加組合分級見表1。

表1 NDVI變化趨勢及Hurst指數分級方案

3 結果與分析

3.1 NDVI年際變化

由圖1可以看出，2000—2021年，紅古區各轄區草原NDVI值變化趨勢幾乎一致，均呈波動增加趨勢，其中礦區、窯街街道相對高于其他區域，平安鎮則相對較低；波動范圍0.1～0.6，幅度較大，2006、2015年為谷值，2003、2012、2018年為峰值，2018年以來下降幅度較大。2000—2021年，紅古區全區NDVI值呈同樣波動增加趨勢，NDVI值年均增加0.007 9，R2=0.412。上述結果表明，2000—2021年間，紅古區各轄區草原區植被狀況均呈大幅度波動式向好變化趨勢。

圖1 2000—2021年紅古區及各轄區NDVI值變化趨勢

3.2 NDVI變化趨勢分級

由表2可見，2000—2021年紅古區各轄區草原NDVI值以增加為主，輕微或明顯增加的面積均占絕大部分，保持穩定和輕微減少的面積僅占極少部分，均無明顯減少的面積。其中，礦區、華龍2個街道，全部為增加的面積，無輕微減少和穩定不變的面積；窯街街道明顯增加的面積雖然遠小于輕微增加的面積，仍然遠大于輕微減少的面積。上述結果表明，2000—2021年，紅古區草原植被狀況總體呈向好變化趨勢，無明顯向壞變化的現象。

表2 2000—2021年紅古區草原NDVI變化趨勢分級統計

3.3 NDVI變化的可持續性

由表3可見，2000—2021年間紅古區草原NDVI值變化趨勢不確定的面積較小，占比僅窯街街道、平安鎮大于5%；各轄區均無持續明顯減少的面積，持續輕微減少和持續穩定的面積均極少，占比低于0.4%；各轄區持續輕微增加和持續明顯增加的面積均較大，占比分別大于14%、24%。上述結果表明，2000—2021年，紅古區草原植被總體向好的變化趨勢具有持續性，即未來仍呈向好變化，僅窯街街道存在較大比例的草原植被變化趨勢具不確定性。

表3 2000—2021年紅古區草原NDVI值變化分級的可持續性分析

4 結論與討論

綜合上述分析，2000—2021年，紅古區草原植被總體呈大幅度波動向好變化趨勢，無明顯向壞變化現象，未來絕大部分草原植被仍將持續向好變化，僅窯街街道存在較大比例的草原植被變化趨勢具不確定性，需要引以重視。

2000—2021年，紅古區各轄區草原NDVI值均呈大幅度波動式增加，暗示全區草原植被脆弱敏感易變，各轄區NDVI值變化趨勢一致則表明紅古區草原植被變化的驅動因素相同?？紤]到草原面積變化幅度較小，且隨著草原保護政策的實施，對草原植被的人為干擾程度逐年降低。推測影響紅古區草原植被變化的主要是氣候因素，其中降水的年際變化是紅古區草原植被變化的主要驅動因素。因此，在降水稀少的干旱年份，應嚴格控制放牧等人為因素對草原植被的干擾，以便草原生態系統休養生息，避免植被狀況持續性地向壞變化現象。