基于NDVI變化的吉林省遼河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策研究

莊雨適 林曉晟 李景新

摘要：指出了在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)防治流域的水污染是世界各國(guó)都面臨過(guò)的共同難題，尤其是我國(guó)這樣一個(gè)水資源人均占有量少，時(shí)空分布不均衡的發(fā)展中國(guó)家，流域水污染治理面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，遼河流域?yàn)槲覈?guó)“十二五”重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃流域之一，流域的水土流失亦日益加重，且有人為破壞速度大于治理速度的問(wèn)題。以吉林省內(nèi)遼河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于MODIS L1B數(shù)據(jù)，分析了2001～2016年間氣溫、降雨和歸一化植被指數(shù)（NDVI）的變化規(guī)律，以此研究近16年間氣候因子對(duì)植被覆蓋變化的影響，結(jié)合流域土地利用現(xiàn)狀，提出了流域生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與保護(hù)對(duì)策，以期為吉林省遼河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃制定提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：水污染治理;流域生態(tài)保護(hù);NDVI變化;氣候因子

中圖分類(lèi)號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1074-9944（2018）14-0074-05

1 引言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，既是氣候變化的承受者，同時(shí)又對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，在全球變化研究中起著“指示器”的作用。全球氣候變化已?jīng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)造成顯著影響，我國(guó)在過(guò)去100年中，氣溫升高0. 5～0.8℃，降水的波動(dòng)地區(qū)間差異顯著，植被作為表征生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器，研究植被時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)一直是國(guó)內(nèi)外全球變化研究的重要內(nèi)容。目前已經(jīng)定義了40多種植被指數(shù)，廣泛地應(yīng)用在全球與區(qū)域土地覆蓋、植被分類(lèi)和環(huán)境變化，第一性生產(chǎn)力分析，作物和牧草估產(chǎn)-、干旱監(jiān)測(cè)等方面，歸一化植被指數(shù)（ NDVI）是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，它能夠相當(dāng)精確地反映植被綠度、光合作用強(qiáng)度，因此，NDVI是監(jiān)測(cè)地區(qū)或全球植被和生態(tài)環(huán)境變化的有效指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不僅利用NDVI進(jìn)行植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究，有學(xué)者逐漸把研究領(lǐng)域擴(kuò)展到植被及其驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)關(guān)系上來(lái)。李本綱等對(duì)AVH RR/NDV I與氣候因子作了相關(guān)分析，認(rèn)為中國(guó)大部分地區(qū)植物生長(zhǎng)情況與降水和氣溫顯著相關(guān)，崔林麗等（2012）研究了中國(guó)華東及其周邊地區(qū)NDVI與四季氣候的響應(yīng)，結(jié)果表明在研究區(qū)內(nèi)植被NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)大于降水。Zhou等（2010）對(duì)中國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫、降雨量和NDVI的變化分析表明NDVI變化與二者之間存在響應(yīng)關(guān)系。此外，植被對(duì)氣候變化存在滯后性，即前期氣候變化對(duì)后期植被NDVI也會(huì)產(chǎn)生影響，并且不同地區(qū)、不同時(shí)期的植被狀況對(duì)前期氣候變化的滯后效應(yīng)也會(huì)存在差異。J.Wang等（2003）對(duì)北美大草原Kansas州NDVI與氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩者之間存在滯后相關(guān)性，Ji和Peters提到如果加入季節(jié)性因素，每月的NDVI與標(biāo)準(zhǔn)降水系數(shù)之間的回歸模型會(huì)優(yōu)于兩者直接的回歸模型。但這些工作最然都忽略了NDVI數(shù)據(jù)的累積性，特定時(shí)間的ND VI是植被前期及同期生長(zhǎng)狀況累積效果的綜合反映。這種累積性很好地解釋了累積降水對(duì)NDVI最大值等具有較高的相關(guān)性。

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，流域水污染嚴(yán)重并進(jìn)一步惡化、水污染事故頻發(fā)，流域水污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻。因此，如何適應(yīng)流域生態(tài)特征，保證流域的水質(zhì)安全，協(xié)調(diào)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境關(guān)系成為了制約區(qū)域發(fā)展的重要問(wèn)題。遼河流域一直以來(lái)是我國(guó)環(huán)境治理的重要流域，特點(diǎn)是本世紀(jì)初，我國(guó)加大了對(duì)遼河流域環(huán)境治理的力度，開(kāi)展了大量的研究工作和治理工程，對(duì)改善流域環(huán)境起到了重要作用。

本文基于MODIS LIB數(shù)據(jù)，計(jì)算吉林省內(nèi)遼河流域NDVI值，通過(guò)分析流域植被變化的規(guī)律，提出了相關(guān)的生態(tài)恢復(fù)與建設(shè)措施，以期為吉林省遼河流域的保護(hù)與利用提供技術(shù)支撐。

2數(shù)據(jù)和方法

2.1研究區(qū)概況

吉林省遼河流域位于吉林省西南部，地處東經(jīng)123°18'～125°36 7，北緯42°36'～44°10 '（圖1），南接遼寧省鐵嶺市，兩界內(nèi)蒙古自治區(qū)哲里木盟，北緣吉林省長(zhǎng)春市和松原市，東鄰吉林省通化市和吉林市，流域面積15 746 km²，約占全省總土地面積的8%，主要河流有東遼河和招蘇臺(tái)河。

2.2 MODIS LIB數(shù)據(jù)

MODIS即中分辨率成像光譜儀，是對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)EOS計(jì)劃中重要的傳感器之一，1992年12月發(fā)射的Tera衛(wèi)星及2002年5月發(fā)射的Aqua衛(wèi)星都搭載有MODIS傳感器。MODIS LIB數(shù)據(jù)提供了36個(gè)波段的數(shù)據(jù)，可用于陸地、海洋、大氣等方面的研究。本研究是在美國(guó)國(guó)家宇航局LAADS WEB網(wǎng)站下載2001～2016年MODIS LIB影像共192景，空間分辨率為250 m×250 m。利用遙感影像處理軟件ENVI 4.8對(duì)2001～2016年192個(gè)月份共192景MODIS影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正、重投影操作。

2.3 NDVI計(jì)算

歸一化植被指數(shù)（ NDVI）是基于不同色素在紅光波段和近紅外波段反射值之差與兩者之和的比值（式1-1） 。NDVI指示植被變化的重要因子之一，取值范圍在-1到1之間。

式（1）中，RED代表紅光波段的反射值，NIR代表近紅外波段反射值。

2.4 趨勢(shì)分析

一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨，本文利用該方法來(lái)模擬多年平均NDVI的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

式（2）中：變量i為1～16的年序號(hào)，表示第i年的平均NDVI值。變化趨勢(shì)圖則反映了在16年的時(shí)間序列中，研究區(qū)的NDVI的變化趨勢(shì)。某像點(diǎn)的趨勢(shì)線是這個(gè)像點(diǎn)16年的年均NDVI值用一元線性同歸模擬出來(lái)的一個(gè)總的變化趨勢(shì)。Slopc即這條趨勢(shì)線的斜率。其中，Slope>0則說(shuō)明NDVI在16年間的變化趨勢(shì)是增加的。反之則是減少。

2.5氣溫和降雨量數(shù)據(jù)

氣溫和降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，收集流域內(nèi)58個(gè)氣象站點(diǎn)2001～2016年月均氣溫、月均最高氣溫、月均最低氣溫和月均降雨量數(shù)據(jù)。在ArcGISl0下，通過(guò)克里金插值法進(jìn)行插值，并剪裁，最終得到流域的氣象網(wǎng)子變化空間數(shù)據(jù)。

2.6相關(guān)分析

利用相關(guān)分析法，逐像元的對(duì)年均NDVI與降雨量、氣溫做相關(guān)分析。利用sPss線性同歸模塊預(yù)測(cè)不同土地類(lèi)型的NDVI與氣溫的相關(guān)分析模型。同期降雨沒(méi)有對(duì)NDVI變化產(chǎn)生影響，本研究分別對(duì)滯后1、2個(gè)月的降雨量對(duì)NDVI變化的相關(guān)性做了分析。

3結(jié)果分析

3.1氣溫、降雨量變化規(guī)律

研究區(qū)2 001～2016年氣象因子空間變化如圖2所示，西北部地區(qū)（雙遼市、公主嶺市）年均氣溫較高，變化范圍為6. 4～7. 23℃。東南部地區(qū)（遼源市南部）年均氣溫較低，變化范圍為2. 34～3.43℃。降雨量的空間分布表明：研究區(qū)西北部地區(qū)（雙遼市北部）年均降雨量低，變化范圍為368.1～406.1 mm，西南部地區(qū)（遼源市南部）年均降雨量較大，變化范圍為516. 0～570.5 mm。年均氣溫與降雨最的變化是顯著相關(guān)的，相關(guān)系數(shù)為-0.804（P<0.01）。

3.2 NDVI變化規(guī)律

通過(guò)分析2001～2016年研究區(qū)NDVI變化情況表明（圖3），本研究區(qū)的NDVI值受季節(jié)變化影響較大，4月開(kāi)始增加到7月出現(xiàn)最高峰值，而后下降，研究區(qū)4月進(jìn)入春季，植被返青，故NDVI值逐漸增加，11月到次年3月為冰封期，NDVI值較小且變化不明顯。不同地類(lèi)NDVI變化情況表明，林地和旱田的NDVI值較大，說(shuō)明研究區(qū)植被覆蓋主要以林地和旱田為主，其次為草地和水田。

NDVI是表明植被覆蓋的重要因子之一，為探討研究區(qū)植被覆蓋的變化趨勢(shì)，利用一元線性回歸分析，逐像元的計(jì)算研究區(qū)20 01～2016年共16年NDVI變化。結(jié)果見(jiàn)圖4。

研究區(qū)2001～2016年間重度退化植被占全區(qū)面積3.13%。31.5%的植被呈輕度退化趨勢(shì)，此部分植被多為東南部林地。29.74%的植被得到了改善，得到改善的植被區(qū)主要為西南部的耕地和草地。研究時(shí)段內(nèi)32. 52%的植被NDVI保持穩(wěn)定。人口的增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及對(duì)土地的開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致森林、草地等植被區(qū)面積降低，農(nóng)業(yè)用地面積增加，使研究區(qū)植被狀況呈退化趨勢(shì)。

3.3 NDVI變化與氣候因子變化的響應(yīng)關(guān)系

逐像元的分析研究區(qū)NDVI、氣溫、降雨量變化的相關(guān)性，結(jié)果如圖5所示。研究區(qū)上游NDVI與氣溫呈正相關(guān)，該地區(qū)雨水量充沛，氣溫較低。下游地區(qū)與氣溫呈負(fù)相關(guān)，該地區(qū)氣溫較高，雨水量少，植被對(duì)溫度變化較敏感。溫度的增加導(dǎo)致NDVI相應(yīng)的降低。研究區(qū)中東部NDVI與降雨量呈負(fù)相關(guān)，此地區(qū)位于二龍山水庫(kù)，氣溫較低，植物光合作用等各種生理活動(dòng)較慢，降水的增加不利于植被的生長(zhǎng)。

綜合分析，流域由自東南向西北，氣候因子對(duì)NDVI的影響呈降水顯著相關(guān)向氣溫顯著相關(guān)的轉(zhuǎn)變，流域上游地區(qū)氣候?qū)χ脖簧L(zhǎng)影響呈顯著的降水驅(qū)動(dòng)型，下游地區(qū)呈顯著的氣溫驅(qū)動(dòng)型。

為了進(jìn)一步了解NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)變化規(guī)律，分析了三者之間的關(guān)系，見(jiàn)圖6。

相關(guān)結(jié)果表明，植被指數(shù)與氣象因子呈指數(shù)關(guān)系，- DVI與氣溫的相關(guān)性較好R²=0.612（ P< 0.01）;ND-VI與降雨量的相關(guān)性較差R²=0.3898（ P<0. 05）。針對(duì)北方地區(qū)植被生長(zhǎng)狀況，對(duì)研究區(qū)4～10月氣溫、降雨量與同期、滯后1個(gè)月、滯后2個(gè)月的NDVI相關(guān)分析如表1歷示。

不同時(shí)期氣溫與NDVI主要呈負(fù)相關(guān)，這種負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)在氣溫對(duì)滯后2個(gè)月的NDVI指數(shù)上表現(xiàn)尤為顯著，氣溫變化對(duì)同期4、7、8月份的NDVI以及6～10月份滯后一個(gè)月的NDVI表現(xiàn)為正相關(guān)。對(duì)不同時(shí)期氣溫與NDVI相關(guān)系數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，同期>滯后1個(gè)月>滯后2個(gè)月，說(shuō)明，氣溫對(duì)NDVI的影響主要為同期影響。降雨量與NDVI主要呈正相關(guān)，通過(guò)對(duì)降雨量與NDVI相關(guān)系數(shù)的比較得出，降雨量對(duì)NDVI的影響具有滯后性，對(duì)滯后2個(gè)月的NDVI影響最大。

4 結(jié)論

歸化植被指數(shù)（ NDVI）的變化反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化，同時(shí)受氣象、水資源、人為活動(dòng)的影響，研究區(qū)NDVI的變化規(guī)律研究可為流域環(huán)境規(guī)劃編制和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)流域生態(tài)保護(hù)規(guī)劃的制定與實(shí)施，可以最大限度地控制水土流失，維持土地資源的持續(xù)生產(chǎn)能力，提高流域水體污染防治，優(yōu)化流域內(nèi)產(chǎn)：業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)流域內(nèi)可再生資源的恢復(fù)與發(fā)展，促進(jìn)流域內(nèi)生物多樣性，協(xié)調(diào)和改善流域內(nèi)各種資源尤其是自然資源和人力資源的管理，合理安排產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)的良性循環(huán)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。