2000—2018年遼河流域植被NDVI變化及其與溫度、降水的響應(yīng)關(guān)系

朱麗亞, 胡克, 孫爽

2000—2018年遼河流域植被NDVI變化及其與溫度、降水的響應(yīng)關(guān)系

朱麗亞, 胡克*, 孫爽

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院, 北京 100083

在全球氣候變暖的背景下, 研究流域植被覆蓋度的時(shí)空變化及對(duì)氣候變化的響應(yīng)對(duì)遼河流域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要參考價(jià)值?；?000—2018年研究區(qū)分辨率為250 m×250 m的MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)、同期流域溫度和降水量數(shù)據(jù), 借助MVC最大合成、變異系數(shù)、趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)分析等方法, 得出遼河流域近19年植被覆蓋空間分布、變化特征、演變趨勢(shì)以及氣象要素對(duì)NDVI變化的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明: (1)在時(shí)間上, 遼河流域19年來(lái)NDVI月平均波峰值集中在6—8月份, 7月份達(dá)到最大。在年際變化方面, 遼河流域植被覆蓋呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。(2)在空間上, 遼河流域植被覆蓋度整體較好, 空間分布由東向西遞減, 低植被覆蓋區(qū)域(<0.3)約占流域總面積的37.78%, 高植被覆蓋區(qū)域(>0.4)約占流域總面積的14.93%。(3)植被覆蓋變異方面, 研究區(qū)整體呈低和較低波動(dòng)的變化狀態(tài), 共占90.60%。東西區(qū)域的波動(dòng)差異較為明顯。(4)在變化趨勢(shì)上, 約46.50% 的地區(qū)植被覆蓋得到了改善, 約36.99% 的區(qū)域植被覆蓋基本沒有發(fā)生變化。(5)溫度、降水對(duì)遼河流域植被生長(zhǎng)整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。近19年來(lái)遼河流域植被覆蓋整體在不斷改善。

歸一化植被指數(shù); 植被覆蓋; 時(shí)空分布; 遼河流域

0 前言

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次綜合報(bào)告指出, 全球平均地表溫度在1880—2012年間升高了0.85℃, 在1951—2012年間的升溫速率幾乎是1880年以來(lái)的兩倍[1]。全球氣候的持續(xù)變暖對(duì)陸地生態(tài)的影響正在逐步加深, 植被是連接土壤、大氣、水分的紐帶, 是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量交換的中樞[2]。NDVI為歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), 它能衡量植被吸收太陽(yáng)輻射的有效輻射比例, 在一定程度上能夠表征植被的覆蓋程度和生長(zhǎng)狀況, 是區(qū)域和全球尺度生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一[3-6]。植被覆蓋度極易受到氣候變化和人類活動(dòng)的影響[7-13]。遙感技術(shù)能大尺度、長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), NDVI數(shù)據(jù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)以及植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)已是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。全球氣候的波動(dòng)會(huì)影響區(qū)域氣候, 而NDVI對(duì)不同的氣候變化所做出的響應(yīng)存在差異, 植被類型不同對(duì)溫度、降水的響應(yīng)也會(huì)有一定的差別[14]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同的NDVI遙感數(shù)據(jù), 從不同空間尺度、時(shí)間尺度對(duì)區(qū)域植被覆蓋變化及驅(qū)動(dòng)因素做了大量研究, 并指出在氣象因素中溫度和降水是影響NDVI變化最主要的因素[8, 9, 15, 16]。

遼河流域是我國(guó)七大河流之一, 是東北地區(qū)南部最大的河流, 流域大部分地區(qū)屬于農(nóng)牧交錯(cuò)地帶。近年來(lái), 隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng), 流域內(nèi)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)、沿河工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及水利工程的修建等影響, 使得流域部分水質(zhì)污染[17]。在全球氣候變暖的背景下, 流域區(qū)域降水特征出現(xiàn)了較為明顯的改變[18], 影響著水資源、植被覆蓋的時(shí)空分布, 進(jìn)而影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。本文借助2000—2018年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù), 結(jié)合同期降水與溫度數(shù)據(jù), 分析遼河流域近19年植被覆蓋的時(shí)空變化特征、演變趨勢(shì)以及氣象要素對(duì)NDVI變化的響應(yīng)關(guān)系, 有助于遼河流域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

遼河流域位于我國(guó)東北地區(qū)西南部, 地處40°30′ N—45°10′ N, 117°00′ E—125°30′ E之間, 流域面積為21.9×104km2, 干流長(zhǎng)1430 km, 子流域包括西遼河、東遼河、渾河、遼河干流及支流。北面與松花江相接, 向南流入渤海(圖1), 流域共流經(jīng)內(nèi)蒙古、河北、遼寧和吉林4個(gè)省份[19]。流域地勢(shì)呈東西高中部低、北高南低, 遼河中游沖積平原海拔在200 m以下, 由河流沖積而成; 遼河下游為濱海平原, 地勢(shì)比較平坦, 海拔在50 m以下[19]。遼河流域的氣候?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)半干旱季風(fēng)氣候, 流域全年平均溫度在4—9 ℃之間, 南部溫度較高, 北部溫度較低, 平原溫度較高, 山地溫度較低。流域年累計(jì)降水量大約300—1000 mm, 各區(qū)域的降水差異較大, 遼河干流以東的區(qū)域達(dá)900 mm左右, 西遼河上游降水量在300 mm左右, 降水主要集中在6—8月份, 常會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降雨或暴雨的天氣。流域內(nèi)自然植被類型主要為暖溫帶落葉闊葉林和溫帶灌叢等[20]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)土地過程分布式數(shù)據(jù)中心(https://lpdaac.usgs.gov), 數(shù)據(jù)集為2000年2月—2018年12月的MOD13Q1, 空間分辨率250 m, 時(shí)間分辨率16 d。MODIS是搭載在Terra衛(wèi)星上的重要傳感器[21], NDVI數(shù)據(jù)集經(jīng)過水、云、氣溶膠處理, 以及輻射校正、大氣校正、幾何糾正等處理[22], 數(shù)據(jù)質(zhì)量和分辨率較高。利用NASA提供的MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理工具M(jìn)RT(MODIS Reprojection Tool, MRT), 原始NDVI數(shù)據(jù)的正弦曲線投影(SIN)重投影為通用橫軸墨卡托投影(UTM), 同時(shí)將HDF格式轉(zhuǎn)換為TIF格式。利用ArcGIS軟件批量掩模裁剪出遼河流域的NDVI數(shù)據(jù), 再進(jìn)行最大值合成處理, 得到每月NDVI柵格數(shù)據(jù)集, 這種方法能夠減弱太陽(yáng)高度角、云層和大氣環(huán)境的影響[23]。利用Python、ENVI、MATLAB和ArcGIS等軟件處理NDVI柵格數(shù)據(jù), 并進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、空間分析和重分類等操作, 從而獲得NDVI數(shù)據(jù)的趨勢(shì)斜率、Hurst指數(shù)、變異系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)等指標(biāo), 然后進(jìn)一步對(duì)所有指標(biāo)劃分等級(jí)、重分類。

圖1 研究區(qū)示意圖

Figure 1 Location of the study area

氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供, 利用Rstudio提取出遼河流域內(nèi)19個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù), 標(biāo)準(zhǔn)化處理成月值、年值數(shù)據(jù)。遼河流域19期月平均溫度和月降水量的空間分布圖由ArcGIS反距離加權(quán)平均差值工具(IDW)插值而成, 空間分辨率、投影信息及邊界信息與NDVI數(shù)據(jù)相一致。研究區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法

采用最大值合成(Maximum value composites, MVC)法處理NDVI數(shù)據(jù), 以獲得每月NDVI。

一年內(nèi)各月植被指數(shù)的均值作為年平均植被指數(shù), 該指標(biāo)能表征該年內(nèi)植被的總體生長(zhǎng)狀況, 可進(jìn)一步分析研究期間遼河流域植被的年際變化及趨勢(shì)。春、夏、秋、冬四季各月植被指數(shù)的均值作為季平均植被指數(shù), 該指標(biāo)用來(lái)表征植被覆蓋度的季節(jié)性變化。

2.2.2 趨勢(shì)分析法

回歸趨勢(shì)線是對(duì)變量進(jìn)行回歸分析, 要求變量隨時(shí)間變化[24]。采用趨勢(shì)分析法, 分析遼河流域2000—2018年每個(gè)像元的NDVI變化趨勢(shì), 得出研究區(qū)19年的NDVI變化趨勢(shì)圖, 計(jì)算過程如下:

2.2.3 Hurst指數(shù)分析法

英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出Hurst指數(shù), 用來(lái)表征觀測(cè)值序列數(shù)據(jù)的可持續(xù)性[25, 26], 在水文、生態(tài)、氣候?qū)W等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用法計(jì)算Hurst指數(shù), 計(jì)算公式如下:

極差序列:

標(biāo)準(zhǔn)差序列:

2.2.4 變異系數(shù)法

變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值, 是描述每一個(gè)觀測(cè)值變異程度的指標(biāo), 變異系數(shù)越小, 觀測(cè)序列穩(wěn)定, 波動(dòng)小; 反之, 序列較為不穩(wěn)定, 波動(dòng)大[27]。本文用變異系數(shù)來(lái)衡量研究期間每個(gè)像元值的變化情況。計(jì)算公式為:

2.2.5 偏相關(guān)分析

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)間尺度下NDVI的變化特征

3.1.1 NDVI季節(jié)變化

遼河流域全年NDVI月均值在0.16—0.64范圍內(nèi)波動(dòng), 整體呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì), 與平均溫度和降水的時(shí)間變化趨勢(shì)相吻合(圖2)。溫度、降水及NDVI的波峰都主要集中在6—8月份, NDVI均值分別為0.55、0.64、0.59, 其中最大值為7月份的0.64。波谷出現(xiàn)在1月份, NDVI值為0.16。在6—8月份, 平均溫度較高、降水充足, 相比其他月份水熱條件較好, 更適宜植被的生長(zhǎng), 所以NDVI達(dá)到最大值。月季尺度上NDVI的變化特征與植被生長(zhǎng)的周期特征一致, 1—8月為持續(xù)增長(zhǎng)期, 9—12月為下降期。根據(jù)NDVI各季節(jié)分布圖(圖6), 遼河流域地區(qū)植被覆蓋差異明顯, 整體表現(xiàn)為夏季NDVI>春季NDVI>秋季NDVI>冬季NDVI, 可見, 遼河流域植被覆蓋增加主要發(fā)生在夏季, 植被光合作用強(qiáng), 生長(zhǎng)較為明顯。2000—2018年, 大部分區(qū)域NDVI值在0.2—0.4范圍內(nèi)(圖6), 春季和秋季NDVI平均值為0.37, 夏季為0.74, 冬季為0.25。

3.1.2 NDVI年際變化

2000—2018年間, 遼河流域年平均溫度和年降水量呈上升趨勢(shì)。隨著全球氣候的持續(xù)變暖, 中國(guó)的平均溫度在100年的時(shí)間內(nèi)上升了0.5—0.8℃, 變化趨勢(shì)與全球相一致[28]。研究區(qū)域的年均溫度及年降水量波動(dòng)狀況如圖3所示, 其中年降水量最大值出現(xiàn)在2010年。根據(jù)遼河流域研究期間的年均溫度、年降水量的空間分布圖(圖4), 流域年降水量差別較大, 介于296.83—754.46 mm之間, 年平均溫度介于5.58—10.87 ℃之間, 空間分布均由東向西遞減, 西遼河平原整體上降水較少、平均溫度比較低。19年來(lái)流域年降水量累計(jì)為443.04 mm、平均溫度為7.73 ℃。

圖2 遼河流域降水量、溫度及NDVI變化特征

Figure 2 Variation of monthly-averaged precipitation, temperature and NDVI in Liao River Basin

圖3 遼河流域年降水量、平均溫度及NDVI年際變化特征

Figure 3 Variation of precipitation temperature and NDVI in Liao River Basin

利用均值法計(jì)算的年NDVI值作為遼河流域植被覆蓋度(圖3), 分析了19年間遼河流域植被覆蓋情況。研究期間, NDVI在波動(dòng)中呈緩慢增加的狀態(tài), 但整體相對(duì)穩(wěn)定, 像元NDVI均值最小為2000年的0.61; 最大為2012年的0.72。研究區(qū)NDVI有兩個(gè)減少與增長(zhǎng)的時(shí)間段, 減少時(shí)間段為2004—2006年、2008—2010年, 增長(zhǎng)時(shí)間段分別為2006—2008年、2015—2018年。2004—2006年間, 相對(duì)前一階段降水增加, 溫度降低, 相對(duì)濕度增大, 間接影響植被生長(zhǎng)發(fā)育。2008—2010年間, 降水變化異常, 溫度下降明顯, 水熱因子的改變超過了植被的適應(yīng)能力, 植被代謝過程減緩。2006—2008年間, 溫度有所上升, 降水相對(duì)上一階段略微減少, 水熱因子達(dá)到植被生長(zhǎng)的適宜條件, 利于植被生長(zhǎng)?？傊? 從年際變化分布來(lái)看, 2015年后, 整體溫度、降水量呈增加趨勢(shì), 與NDVI變化態(tài)勢(shì)相一致, 植被生長(zhǎng)較好。

3.2 植被覆蓋度的空間分布及變化特征

為了研究遼河流域植被2000—2018年NDVI的空間分布格局, 以像元為單位計(jì)算NDVI 19年的平均值, 將NDVI值劃分為五個(gè)級(jí)別并進(jìn)行重分類, 得到NDVI空間分布圖(圖5)。遼河流域年均植被NDVI值在0—0.8區(qū)間, 均值為0.33, 空間分布格局由東向西遞減。整體看, 遼河流域植被覆蓋高的區(qū)域所占總面積的62.22%, 說(shuō)明整體植被覆蓋較好。植被覆蓋度低(00.4)的區(qū)域面積為3.38×104km2, 占區(qū)域總面積的14.93%, 主要分布在渾太河子流域。研究區(qū)四季植被覆蓋度與年均植被覆蓋度分布情況較為一致(圖6)。遼河流域覆蓋面積較大, 各子流域內(nèi)地質(zhì)條件、土壤類型、植被類型、溫度、降水分布不均以及人為政策因素等共同作用, 致使其植被生長(zhǎng)有所差異, 進(jìn)而流域內(nèi)植被覆蓋度的也有所不同。

圖4 2000—2018年遼河流域平均溫度(A)與降水量(B)空間分布

Figure 4 Spatial distribution of average temperature(A) and precipitation(B) in the Liao River Basin in 2000-2018

圖5 遼河流域年均NDVI空間分布

Figure 5 Spatial distribution of annual average of NDVI in the Liao River Basin

3.3 NDVI變化趨勢(shì)分析

計(jì)算研究區(qū)2000—2018年間NDVI的趨勢(shì)斜率(k), 將計(jì)算結(jié)果重分類為5個(gè)等級(jí), 分別對(duì)應(yīng)于不同的NDVI變化性質(zhì)。從圖7可知, 近19年來(lái)遼河流域植被覆蓋整體有所改善, 面積比例約為46.51%, 主要分布在西遼河源頭老哈河、烏爾吉木河以及新開河流域, 明顯改善(k≥0.005)的面積1.12×104km2, 占總面積的5.26%, 稍有改善(0.001≤k<0.005)的面積為9.33×104km2, 占總面積的41.25%。流域植被基本沒有發(fā)生變化(-0.001≤k<0.001)的區(qū)域面積約為8.37×104km2, 占總面積的36.99%。僅有約16.5%的地區(qū)植被呈退化趨勢(shì), 主要分布在西遼河流域西部邊緣區(qū)域: 哈黑爾河、查干木倫河以及渾河流域東部邊緣區(qū)域; 其中, 明顯退化區(qū)域面積(k<-0.005)約為2.06×103km2, 占流域總面積的0.91%, 輕微退化(-0.005≤k<-0.001)區(qū)域面積為3.53×104km2, 占流域總面積的15.59%。

圖6 遼河流域NDVI四季分布圖

Figure 6 NDVI distribution of Liao River Basin in four seasons

3.4 NDVI可持續(xù)性分析

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和計(jì)算得到的Hurst指數(shù)值, 采用R/S法計(jì)算NDVI時(shí)間序列H值, 并將Hurst指數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類, 經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知(表1): 研究區(qū)Hurst指數(shù)空間差異明顯, 范圍在0.13—0.95之間, 平均值為0.49, 時(shí)間序列上流域整體呈弱反持續(xù)性。研究區(qū)未來(lái)植被覆蓋呈反向持續(xù)性變化的(0

3.5 植被覆蓋度的變異性分析

基于遼河流域2000—2018年NDVI數(shù)據(jù)的像元變異性計(jì)算結(jié)果, 對(duì)結(jié)果劃分相應(yīng)的等級(jí)得到植被覆蓋度波動(dòng)狀態(tài)圖(圖8)。將變異值分為5個(gè)等級(jí), 低波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)(0<C<0.05)、較低波動(dòng)變化(0≤C<0.1)、中波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)(0.1≤C<0.15)、較高波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)(0.15≤C<0.2)、高波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)(0.2≤C<1)。研究期間, 流域植被覆蓋呈較低和低波動(dòng)的變化態(tài)勢(shì)共占90.60%。從空間分布上看, 東西區(qū)域的波動(dòng)有顯著的差異, 西遼河流域波動(dòng)值較大, 主要由于該區(qū)域是生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的重點(diǎn)防治區(qū)域, 隨著生態(tài)建設(shè)工程的相繼實(shí)施, 植被生長(zhǎng)顯著改善, 同時(shí), 該地區(qū)植被類型主要是草地, 對(duì)比東遼河流域的林地, 更易受到人為因素和氣候變化的影響。

圖7 遼河流域NDVI變化斜率

Figure 7 Changing trend of NDVI in the Liao River Basin

表1 NDVI持續(xù)性特征

3.6 NDVI與溫度、降水關(guān)系

2000—2018年, 遼河干流東部、東遼河流域和渾河流域的年降水量均大于600 mm, 遼河干流和渾河流域的的大部分區(qū)域年平均溫度高于7 ℃; 西遼河流域年平均溫度較低, 氣候相對(duì)干燥。區(qū)域植被覆蓋度是由氣候環(huán)境和植被本身的理化特征共同決定[20]。氣候環(huán)境的變化會(huì)對(duì)影響植被的生長(zhǎng)環(huán)境, 從而會(huì)影響植被的生長(zhǎng), 進(jìn)而會(huì)影響植被覆蓋度。

以年為單位, 計(jì)算2000—2018年各像元的NDVI與平均溫度和年降水的偏相關(guān)系數(shù), 得出研究區(qū)溫度與NDVI偏相關(guān)系數(shù)A及降水與NDVI偏相關(guān)系數(shù)B的空間分布圖(圖9), 顯著性通過t統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)。圖9表明, NDVI對(duì)溫度和降水的響應(yīng)在空間上呈不均勻分布, 正負(fù)相關(guān)并存。NDVI與年平均溫度的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.91—0.91之間, 平均值為0.22, 偏相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域占研究區(qū)總面積的79.59%, 其中有21.92% 通過<0.05的檢驗(yàn), 呈負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)?0.41%, 無(wú)顯著負(fù)相關(guān)。正相關(guān)區(qū)域主要集中在地勢(shì)較高的西遼河子流域、山區(qū)向平原的過渡帶, 由于山區(qū)海拔較高, 相對(duì)于平原地區(qū)溫度較低, 熱量可能是影響植被生長(zhǎng)的主要因子, 在達(dá)到植被生長(zhǎng)的適宜溫度之前, 增溫會(huì)促進(jìn)植被的光合、呼吸等代謝過程, 土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放速度加快, 有利于植被生長(zhǎng)。與年降水的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.88—0.95之間, 平均值為0.10, 偏相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域占研究區(qū)總面積的60.30%, 其中有27.29%通過<0.05的檢驗(yàn), 呈負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)?9.70%, 有10.50%通過<0.05的檢驗(yàn)。正相關(guān)區(qū)域主要集中在西遼河流域, 對(duì)于干旱半干旱地區(qū)而言, 植被對(duì)降水的響應(yīng)更敏感, 降水會(huì)增加土壤的含水量, 加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸及植被的代謝過程, 從而促進(jìn)植被的生長(zhǎng)。值得注意的是, 遼河流域東南區(qū)域年均植被覆蓋度較高, 平均溫度在10 ℃以上、年降水量大于600 mm, 而NDVI與年平均溫度和降水量的偏相關(guān)系數(shù)卻很低甚至為負(fù), 相關(guān)系數(shù)很低說(shuō)明溫度、降水不是影響植被生長(zhǎng)的主要活動(dòng)因子, 可考慮人為因素的干擾。相關(guān)系數(shù)為負(fù)值的區(qū)域, 說(shuō)明該地區(qū)的水熱條件抑制了植被的生長(zhǎng)活動(dòng)。

圖8 遼河流域植被變異空間分布

Figure 8 Spatial distribution of variation coefficient of NDVI in the Liao River Basin

圖9 NDVI與溫度(A)、降水(B)的偏相關(guān)系數(shù)空間分布圖

Figure 9 Partial correlation coefficients between NDVI and average temperature(A), precipitation(B)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

遼河區(qū)域面積較大, 受氣候變化、人類活動(dòng)的影響, 流域內(nèi)植被的生長(zhǎng)存在差異, 直接影響植被覆蓋度。本研究表明, 遼河流域植被覆蓋整體較好, 季節(jié)尺度上, NDVI的變化特征與季節(jié)的氣候變化趨勢(shì)相關(guān), 植被增加主要發(fā)生在夏季和春季, 主要?dú)w因于當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境, 6—8月, 溫度較高, 雨水充足, 氣候更適宜植被生長(zhǎng), 冬季溫度較低, 植物生長(zhǎng)會(huì)受到一定的限制, 這與Sun等[29]對(duì)中國(guó)北方植被對(duì)氣候變化的研究結(jié)果一致。年際尺度上, NDVI在波動(dòng)中緩慢增加, 整體相對(duì)穩(wěn)定, 這與韋石等人得出的遼河流域植被覆蓋變化的結(jié)論一致[30]。空間分布上, 遼河流域植被覆蓋較好, 四季植被覆蓋度與年均植被覆蓋度分布情況較為一致, 高植被覆蓋主要分布在渾河流域, 這是因?yàn)樵摰貐^(qū)植被類型主要是林地, 且屬于長(zhǎng)白山森林生態(tài)功能區(qū), 植被覆蓋度相對(duì)較高[31], 而西遼河流域?qū)儆谵r(nóng)牧交錯(cuò)地帶, 植被主要為草地, 林地覆蓋較少, 面積只占流域總面積的10%, 整體看, 西遼河流域覆蓋度相對(duì)較低[32]。從變化趨勢(shì)上看, 46.51%的區(qū)域植被覆蓋得到了改善, 尤其是在科爾沁沙地地區(qū)表現(xiàn)最為明顯, 波動(dòng)性也較大, 此結(jié)果與呂嘉欣等[33]對(duì)科爾沁沙地植被時(shí)空變化的研究結(jié)果一致, 這是由于遼河流域是我國(guó)生態(tài)環(huán)境治理與恢復(fù)的重點(diǎn)研究區(qū)域, 截至目前, 已開展了一系列的生態(tài)建設(shè)工程。如: 1978年, 國(guó)家開始實(shí)施“三北”防護(hù)林, 其中西遼河流域內(nèi)的科爾沁沙地是重點(diǎn)防治區(qū)域。2000年, 內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)施退耕還林還草工程, 2014年, 通遼市進(jìn)行“雙千萬(wàn)畝”綜合治理, 隨著生態(tài)建設(shè)工程的相繼實(shí)施, 流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境有所改善。

氣候變化中, 水熱因子的組合機(jī)制決定了植被生長(zhǎng)、組織結(jié)構(gòu), 以及分布等動(dòng)態(tài)變化[34]。遼河流域東部為地勢(shì)平坦的平原地區(qū), 西部為海拔較高的干旱半干旱地區(qū)。NDVI對(duì)溫度和降水的響應(yīng)在空間上呈不均勻分布, 正負(fù)相關(guān)系數(shù)并存, 空間分布上, 年平均溫度和降水量分布由東向西遞減, 東部水熱條件更適宜植被生長(zhǎng), 植被覆蓋度較高, 與溫度、降水的相關(guān)系數(shù)較低, 水熱因子對(duì)植被生長(zhǎng)活動(dòng)的影響較小。在海拔高的山區(qū), 溫度較低, 降水不足, 植被對(duì)水熱因子的變化會(huì)更敏感, 與溫度、降水的相關(guān)系數(shù)值也相對(duì)較高。焦珂?zhèn)サ萚34]研究表明在年降水量大于600 mm的區(qū)域, 植被對(duì)熱量因子的響應(yīng)可能更敏感, 降水不是植被生長(zhǎng)的主要限制因子, 在半干旱地區(qū), 水分不足(年平均降水量小于600 mm), 植被生長(zhǎng)活動(dòng)受到抑制。例如在半干旱地區(qū)老哈河流域夏季溫度升高會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋減少, 降水增加有利于植被的生長(zhǎng)[35]。在黃土高原的半濕潤(rùn)地區(qū), 溫度對(duì)NDVI季節(jié)性的變化有利, 而在半干旱地區(qū), 溫度對(duì)NDVI的影響不顯著[36]。綜合來(lái)看, 研究期間, 溫度上升、降水增加對(duì)遼河流域植被生長(zhǎng)整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。這一結(jié)論與Sun等[29]的研究結(jié)果一致, 即在全球氣候變暖的背景下, 中國(guó)北方植被覆蓋度呈小幅上升趨勢(shì)[37]。同時(shí), 李本綱等[38]的研究也表明在全國(guó)范圍內(nèi)NDVI與溫度和降水相關(guān)顯著。Ichii等[39]對(duì)北半球植被動(dòng)態(tài)變化的研究中表明, 北半球中高緯度NDVI的增加與全球氣候變暖密切相關(guān)。

本文雖獲得了一些研究成果, 還存在以下不足之處: 1)植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有復(fù)雜性, 本文只分析溫度和降水對(duì)植被覆蓋度的影響, 并未考慮人類活動(dòng)、其他變量等驅(qū)動(dòng)因素, 研究應(yīng)明確各變量與植被變化的數(shù)量關(guān)系。2)根據(jù)遼河流域近19年植被覆蓋變化, 預(yù)測(cè)的未來(lái)趨勢(shì)變化沒有考慮未來(lái)的氣候變化、人類活動(dòng)等因素的影響。3)在全球變暖及極端事件頻發(fā)的氣候變化背景下, 應(yīng)考慮氣候的波動(dòng)變化及極端事件對(duì)區(qū)域植被生長(zhǎng)的影響。

4.2 結(jié)論

本文以2000—2018年MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)、同期流域降水和溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 借助MVC最大合成、趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)、變異系數(shù)節(jié)偏相關(guān)分析, 得出遼河流域近19年植被覆蓋時(shí)空變化特征、演變趨勢(shì)以及氣象要素對(duì)NDVI變化的響應(yīng)關(guān)系, 得出結(jié)論如下:

(1)NDVI在月季變化上表現(xiàn)出與植被生長(zhǎng)周期相符的階段性特征, NDVI月均值在0.16—0.64范圍內(nèi)波動(dòng), 整體呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)。年際變化上, NDVI在波動(dòng)中呈緩慢增加的狀態(tài), 整體變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定, 像元NDVI均值最大為2012年的0.72, 最小為2000年的0.61。

(2)空間分布上, 流域植被覆蓋整體較好, 空間分布格局由東向西遞減, 高植被覆蓋區(qū)主要分布在渾太河子流域。流域內(nèi)約16.5%的地區(qū)植被呈退化趨勢(shì), 主要分布在西遼河流域西部邊緣區(qū)域: 哈黑河、蘇吉高河和敖爾蓋河等; 46.50%的區(qū)域植被覆蓋得到了改善, 主要分布在西遼河源頭老哈河、烏爾吉木河以及新開河流域。

(3)植被覆蓋變異方面, 遼河流域植被覆蓋未來(lái)變化趨勢(shì)中反向特征會(huì)強(qiáng)于同向特征。Hurst指數(shù)范圍在0.13—0.95之間, 平均值為0.49, 時(shí)間序列上呈弱反持續(xù)性。流域植被覆蓋呈較低和低波動(dòng)的變化態(tài)勢(shì)共占90.60%。

(4)研究區(qū)域內(nèi)NDVI與平均溫度、降水的偏相關(guān)系數(shù)正負(fù)相關(guān)并存, 整體上呈正相關(guān)。NDVI與年平均溫度的偏相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域占比為79.59%, 與年降水的偏相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域占比為60.30%。整體來(lái)說(shuō), 溫度、降水對(duì)遼河流域植被生長(zhǎng)整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

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Vegetation NDVI changes in the Liao River Basin from 2000 to 2018 and its response to temperature and precipitation

ZHU Liya, Hu Ke*, SUN Shuang

School of Marine Sciences, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

Under the background of drastic global climate change, studying the spatiotemporal change of vegetation coverage and the response to climate change is of great significance to the ecological construction of the Liao River Basin. Based on MODIS-NDVI remote sensing data of 250 m×250 m, temperature and precipitation data in the study region from 2000-2018, Maximum Synthesis, and Spatial Superposition were used to analyze the spatial-temporal distribution, variation characteristics, evolution trend of vegetation, and response of meteorological elements to the alterations of NDVI in the Liao River Basin over the past 19 years. The results showed that: (1) In terms of time, the peaks of monthly average NDVI over the last 19 years occurred mainly in June-August, and the maximum was 0.64 in July. In the interannual variation, the vegetation coverage appeared a relatively slow growth tendency. (2) Spatially, the vegetation coverage in the Liao River Basin was relatively doing well during the study period. The spatial distribution of vegetation coverage decreased from east to west. The low vegetation coverage area with an average NDVI of less than 0.3 for many years accounted for approximately the total area of the basin 37.78%, and the area covered by high vegetation greater than 0.4 occupied about 14.93%. (3) In the NDVI variation, 90.06% vegetation coverage had a low fluctuation, thereinto the fluctuations between east and west are more obvious. (4) In terms of variation trends, about 46.50% of the area’s vegetation coverage was improved, and about 36.99% was remained basically untransformed. (5) Temperature and precipitation were positive factors for the overall vegetation growth in the study area. The overall vegetation coverage was continuously improving over the past years.

NDVI; vegetation coverage; spatiotemporal evolution; Liao River Basin

朱麗亞, 胡克, 孫爽. 2000—2018年遼河流域植被NDVI變化及其與溫度、降水的響應(yīng)關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(3): 203–213.

ZHU Liya, HU Ke, SUN Shuang. Vegetation NDVI changes in the Liao River Basin from 2000 to 2018 and its response to temperature and precipitation[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 203–213.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.024

S157.2

A

1008-8873(2022)03-203-11

2020-07-11;

2020-08-03

國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境治理專項(xiàng)(3-4-2014-175)

朱麗亞(1996—), 女, 新疆烏蘇市人, 博士研究生, 主要從事海岸帶地質(zhì)環(huán)境研究, E-mail: Zhuliya0911@163.com

胡克(1957—), 男, 教授, 主要從事海岸帶國(guó)土開發(fā)與資源環(huán)境研究, E-mail: huke@cugb.edu.cn