祁连山南坡主要河谷NDVI时空变化及影响因素分析

杨荣荣 曹广超 曹生奎 兰垚 张卓 陈治荣

摘 要：為进一步保护祁连山生态环境及合理开发利用河流沿线的植被资源，该文基于MODIS数据的NDVI产品及DEM数据集，对祁连山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生长季的NDVI时空分布特征进行了研究，并提取研究区的主要地形因子，分析其对河流谷地植被生长季NDVI的影响。结果表明：随着河流两侧缓冲区距离逐渐增大，各年份的NDVI值呈现先增加后平稳再减少的分布特点;2000—2018年研究区河谷NDVI的变化趋势基本一致，整体表现出2010年出现了近20年的峰值;祁连山南坡河流谷地NDVI值，从斜坡（16°～25°）至急坡（41°～45°）增加的速率最大，说明该区间为NDVI值突变区间。2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地的NDVI时空分布，可能受地形、气温和降水等自然因素影响较大，其受人为干扰因素影响较小，其中降水并非影响研究区河谷植被NDVI分布的主导因素，而气温可能是影响研究区河谷植被NDVI分布的主导因素。在地形因子中，存在较适合植被生长的特定坡度区间，且太阳辐射能量的增加有利于植被的生长。

关键词： 河流谷地， NDVI， 时空分布， 影响因素

中图分类号：Q948

文献标识码：A

文章编号：1000-3142（2021）03-0429-09

收稿日期：2019-07-16

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0404304）;青海省科技厅重大专项（2019-SF-A12）;国家自然科学基金（41361005）;青海省自然科学基金（2018-ZJ-903） [Supported by the National Key Research and Development Plan Project（2017YFC0404304）; Key Specitial Founation/Project of Science and Technology Department of Qinghai Province（2019-SF-A12）; the National Natural Science Foundation of China（41361005）; Qinghai Natural Science Foundation （2018-ZJ-903）]。

作者简介： 杨荣荣（1992-），硕士研究生，研究方向为遥感与地理信息系统应用，（E-mail）1370532120@qq.com。

通信作者：曹广超，教授，博士研究生导师，主要从事青藏高原地区环境变化与地理信息系统应用研究，（E-mail）caoguangchao@126.com。

Temporal and spatial variations of NDVI and analysis

of influencing factors in main valleys of southern slope of Qilian Mountains

YANG Rongrong1，2，3， CAO Guangchao2，3*， CAO Shengkui1，2，3， LAN Yao1，2，3， ZHANG Zhuo1，2，3， CHEN Zhirong1，2，3

（ 1. College of Geographical Science， Qinghai Normal University， Xining 810008， China; 2. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation， Xining 810008， China; 3. Key Laboratory of Qinghai Province Physical Geography and Environmental Processes， Xining 810008， China ）

Abstract：In order to protect the ecological environment of the Qilian Mountains and utilize the vegetation resources along the river， the spatial and temporal distribution characteristics of NDVI in the main growing valleys of the southern slope of Qilian Mountains on the vegetation growing season from 2000 to 2018 based on the NDVI products and DEM datasets of MODIS data， and extracts the main topographic factors of the study area was  analyzed. The results were as followes： With the increasing distance of buffers on both sides of the river， the NDVI values of each year showed increase first and then level off and then decreased. The trend of NDVI was basically same and the peak of the past 20 years appeared in 2010 in the study area from 2000 to 2018. The NDVI value of the river valley increased from the slope （16°-25°） to the steep slope （41°-45°） in the southern slope of the Qilian Mountains， indicating that the interval is the NDVI value mutation interval. The spatial and temporal distribution of NDVI may be affected by natural factors such as topography， temperature and precipitation， which were less affected by human disturbance factors， and the precipitation did not affect the NDVI distribution， and temperature may be the dominant factor affecting the distribution of NDVI in the valleys of the southern slope of Qilian Mountains from 2000 to 2018. Among the topographic factors， there was a specific slope interval that suitable vegetation growth， and the increase of solar radiation energy is beneficial to the growth of vegetation.

Key words： river valley， NDVI， time and space distribution， influencing factor

陆地是人类进行生产生活的重要场所，而植被又是陆地生态系统中重要的一部分。鉴于此，研究陆地生态系统植被的健康状况对人类的生产生活具有非凡的意义（赵鲁青，2011;袁文平等，2014）。归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）是判断地球表面植被覆盖度高低与生长健康与否的重要指标，可用于监测植被的生长动态变化及其对全球气候变化的响应（李小燕等，2013;王永锋和靖娟利，2017）。Aburas et al.（2015）以马来西亚芙蓉市的NDVI为基础数据源，分析了该地区土地覆盖率和土地利用的变化情况;Maxwell & Sylvester（2012）以美国西南部的堪萨斯州为例，对其NDVI进行了研究;国内众多学者基于MODIS数据、Landsat数据及地形因子等数据，采用相关系数法、非参数检验方法曼—肯德尔法（Mann-Kendall）检验法、斜率变化趋势分析法及复直线回归分析法等一系列时间与空间分析方法，研究了山东省、青海高原、黄土高原、黄河源区、和田绿洲及西双版纳等地的归一化植被指数（NDVI）的時空变化特征及其驱动因子（宋鹏飞等，2019;陈海喜等，2019;刘凤和曾永年，2019;刘咏梅等，2019;刘启兴等，2019;董弟文等，2019;赵桔超等，2019）;Gao et al.（2013）利用MODIS时间序列数据，对内蒙古草原2001年至2011年的地上生物量及其时空变化进行了估算。目前，国内外学者对归一化植被指数进行研究较多，可见归一化植被指数在植被研究中的重要性，而国内外学者对河流谷地NDVI的研究少有报道，因此河流谷地NDVI的变化规律有待于研究。同时，众多学者对NDVI影响因素的研究主要集中在气候因素的研究，而对地形因素的研究相对较少，尤其在地形地貌相对复杂的青藏高原，地形因素对植被生长季NDVI的影响程度需要进一步探究。鉴于此，本文基于MODIS数据对祁连山南坡主要河流谷地植被生长季NDVI的时空分布特征及其影响因素进行了研究，进一步为研究区主要河流谷地植被的动态监测提供数据支撑。

1 研究区概况

祁连山南坡雄踞于青藏高原东北边缘，处于黄土高原向青藏高原的过渡地带，集青藏高原和黄土高原的特征于一体（刘贤德和张学龙，2004）。研究区总面积约为2.4×104 km2，海拔为2 257～5 235 m（袁杰等，2019），冬季漫长且寒冷，夏季短暂而温凉，年平均降水量为400 mm，年均气温为-5.9 ℃（牛赟等，2014）。祁连山南坡地表径流丰富，黑河、大通河、托勒河和八宝河等河流自西北向东南贯穿整个研究区（图1）。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源及预处理

中分辨率成像光谱仪（MODIS）是美国宇航局研制的大型空间遥感仪器，主要用于了解全球气候的变化情况，可实现对地球表面各大圈层长时间序列的观测（苏慧敏等，2019）。文章中所研究的NDVI数据来源于NASA网站的MOD13数据产品（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），行列号为h25v05和h26v05。借助ENVI 5.3软件平台对NDVI数据进行格式转换，并采用月最大化合成法（monthly maximum value composite，MVC）获取植被生长季的年NDVI，对NDVI数据进行投影、重采样等操作，并利用祁连山南坡河流缓冲区矢量文件进行裁剪，得到研究区NDVI数据。

2.2 河流的选取及缓冲区的确定

从古至今以来，河流与人类文明的起源就具有密切的关系（周长勇，1992）。河流两侧一定范围内是人类活动的重要区域，同时也是植被分布范围较广、长势较好区域（梁轶等，2007）。因此，选取祁连山南坡主要河流两侧的缓冲区植被生长季的NDVI进行研究，对研究区河流两侧植被生长的动态监测具有指示性的意义。研究区内分布的黑河、八宝河、托勒河及大通河等河流贯穿于整个研究区，呈现西北东南流向。本文同样以主要河流为基准线，以0.5 km作为最小缓冲区距离，以8 km作为河流两侧最大的影响范围，依次等距离划分为16个缓冲区（蒋蕊竹等，2011;林志东和武国胜，2015），研究各个缓冲区植被生长季NDVI的空间分布及其影响因素。

3 结果与分析

3.1 祁连山南坡主要河流谷地植被生长季NDVI的时空分布

2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地各缓冲区的NDVI时空分布特点如图2所示。从图2可以看出，随着河流两侧缓冲区距离逐渐增大，各年份的NDVI呈现先增加后平稳再减少的分布特点，且变化趋势基本一致。在距离河流0～1.5 km的范围内，随着缓冲区距离的增加，NDVI值逐渐增大，其范围在0.59～0.73之间，在此距离区间内，河流谷地的NDVI与距离呈正相关关系;在距离河流1.5～4 km的范围内，随着缓冲区距离的增加，NDVI值达到稳定状态，且此距离区间属于河流谷地NDVI的高值区;在距离河流4～8 km的范围内，随着缓冲区距离的增加，NDVI值逐渐减小，其范围在0.57～0.72之间，在此距离区间内，河流谷地的NDVI与距离呈负相关关系。2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地的NDVI值分布在0.57～0.73之间。2003年河流谷地各缓冲区的NDVI值均低于其他年份， 2018年河流谷地各缓冲区的NDVI值均高于其他年份，且其他各年份NDVI值在各缓冲区范围内均低于或高于某年份的NDVI值。个别年份某个缓冲区距离区间内会出现NDVI突然增加或突然减少的现象，这可能由于此区间范围人类放牧活动的增加或减少造成的。

祁连山南坡植被生长季NDVI变化呈现由西北向东南逐渐增加的特点（图3）。其中，低值区（-0.03～0.45）主要位于祁连县的央隆乡、野牛沟乡及研究区内部分高海拔地区，占整个研究区面积的14.79%;中值区（0.45～0.75）遍布整个研究区，但主要分布于祁连县的野牛沟乡、柯柯里乡、天峻县木里镇，占整个研究区面积的56.00%;高值区（0.75～0.9）主要分布于门源县、祁连县的扎麻什乡、阿柔乡、峨堡镇及默勒镇，占整个研究区面积的29.21%。这可能是由于海拔对植被生长的影响，随着海拔的升高，植被覆盖度会降低，即NDVI会减少。

3.2 地形因素对祁连山南坡主要河流谷地NDVI的影响

3.2.1海拔对河流谷地NDVI的影响

祁连山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生长季NDVI随着海拔的逐渐升高呈现逐渐降低的趋势（图4，图5）。2000—2018年研究区河谷NDVI的变化趋势基本一致，整体表现出在2010年出现了近20年的峰值，其在海拔4 257～4 922 m的区间内表现得尤为突出，而其他年份的NDVI变化趋势较为平缓。2000—2018年研究区河谷NDVI值在不同的海拔区间内差距较大。其中，在2 257～4 257 m的海拔区间内，NDVI值分布在0.54～0.77之间;在4 257～4 922 m的海拔區间内，NDVI值分布在0.06～0.32之间;从3 757～4 257 m区间至4 257～4 757 m区间NDVI值降低的速率最大，表明该区间为NDVI值突变区间。

3.2.2 坡度对河流谷地NDVI的影响 祁连山南坡主要河流谷地2000—2018年植被生长季NDVI随着坡度的逐渐升高呈现逐渐增加的趋势（图4，图6）。2000—2018年研究区河谷各坡度区间NDVI的变化趋势基本一致，整体在2010年出现了近20年的峰值，而其他年份的NDVI变化趋势较为平缓。2000—2018年研究区河谷NDVI值在不同的坡度区间内存在差距，其NDVI值分布在0.57～0.70之间;且从斜坡（16°～25°）至急坡（41°～45°）NDVI值增加的速率最大。

4 讨论与结论

4.1 研究区植被生长季NDVI的时空分布

本研究得出的植被生长季NDVI时空分布规律，主要由于在距离河流最近的缓冲区范围内， 河

流在流经当地的过程中会在两岸堆积大量的泥沙，土壤类型主要以沙质土壤为主，其有机质含量较小，因此植被发育欠佳，NDVI值较小;随着缓冲区距离进一步增加，河流为植被提供的水分适宜，且土壤发育良好适宜植被生长，因此其NDVI达到最大值;随着缓冲区距离的再次增加，河流供给水分的能力减弱，植被未能得到充沛的水源，其生长能力减弱，NDVI的值再次达到较小。2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地的NDVI时空分布，可能受气温和降水等自然因素影响较大，受人为干扰因素影响较小。本研究与苏军德和李国霞（2019）对祁连山区植被NDVI的时空变化的研究结果相似，同样得出NDVI的时空变化特征受到气象因子和人类活动的共同影响的结论。但国内其他学者对NDVI时空变化规律的研究主要集中在应用趋势分析法、一元线性回归法等传统的研究方法（李新鸽等，2018;闫俊杰等，2018;位宏等，2019），而本研究中所提及的植被生长季NDVI的空间分布主要是以河流为基准线的缓冲区内NDVI值的变化，这在相关的研究中是少有报道的。

4.2 地形因素对研究区NDVI的影响

众多研究表明气温与降水对植被NDVI的影响较大（岳喜元等，2019;尤南山等，2019;李舒婷等，2019），但地形因子对植被NDVI的影响目前鲜有研究。本研究选取海拔、坡度等主要地形因子，将海拔按照等间隔标准、坡度按照平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡和险坡等标准划分为不同的区间，研究各区间内地形因子对河流谷地NDVI的影响。

随着海拔的逐渐升高，植被生长季NDVI呈现逐渐降低的趋势，这与熊亚兰等（2018）所得出的结论相反，其认为高程与NDVI呈极显著正相关关系，且随着海拔的逐渐升高，植被受到人类活动的影响较小，有利于植被生长。而本研究认为，由于青藏高原的海拔较高，随着海拔的逐渐升高，气温变化幅度较大，海拔对植被生长的影响远远大于人类活动的影响。然而，此变化规律可能与当地气温的相关性大于与降水的相关性。海拔每升高100 m气温下降0.6 ℃，这与本研究结果NDVI随着海拔的变化规律一致，均呈现降低的趋势;而随着海拔的逐渐上升，降雨量呈现先增加后降低的“单峰型”曲线，与本研究结果NDVI随着海拔的变化规律不一致。2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地NDVI随着海拔的变化中，气象要素中降水并非主导因素，而气温可能是影响研究区河谷植被NDVI分布的主导因素，人类活动对其影响较小。但该研究所得出的随着海拔逐渐升高，植被NDVI值在逐渐减少与宋鸿等（2019）所得出的结论具有相似性，其认为在高程大于400 m的区域，NDVI随高程增加呈现减小趋势，而由于研究区位于青藏高原其海拔最低值为2 257m，因此其植被NDVI值随着海拔的逐渐增加呈减小趋势的结论具有一定可靠性。

研究区不同坡度区间NDVI的变化趋势说明不同坡度NDVI值的变化受客观因素影响较大。这与崔晓临（2019）所得出的坡度在0°～45°的范围内，随着坡度的逐渐增加，NDVI值呈增加趋势的结论具有相似性。这主要是由于研究区位于青藏高原，太阳辐射强度较大，随着坡度的逐渐增加，植被接收太阳辐射量在逐渐变化，当坡度达到45°时，植被接收到的太阳辐射能量越大，因此植被的NDVI值最大。2000—2018年祁连山南坡主要河流谷地存在适合植被生长坡度区间，且太阳辐射能量的增加有利于植被的生长，青藏高原植被NDVI随着坡度变化的主导因素为太阳辐射量。

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（责任编辑 何永艳）