吉林西部地表植被歸一化植被指數(shù)的時(shí)空分布特征1)

楊淑杰 李曉東 王蘭蕓 韓智平 陳劍

(白城師范學(xué)院，白城，137000)(白城市氣象局)

歸一化差異植被指數(shù)(the normalized difference vegetation index，ND，V，I)對(duì)綠色植被表現(xiàn)敏感，常被用來研究區(qū)域和全球植被的狀況，是研究全球植被變化非常理想的植被指數(shù)。植被也具有涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學(xué)的良性循環(huán)［1－3］?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究長時(shí)間序列植被指數(shù)數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確反映植被指數(shù)的生長變化以及時(shí)空分布規(guī)律，并進(jìn)一步揭示植被指數(shù)本身以及相關(guān)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)的地學(xué)意義［4－6］。

吉林西部東俯東北平原腹地，西接呼倫貝爾草原，南鄰科爾沁沙地，北臨大興安嶺林區(qū)，地理區(qū)位意義重大。隨著近年來氣候變化加劇，荒漠化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。開展吉林西部地表植被分布特點(diǎn)的相關(guān)研究，可以更深入了解本區(qū)域植被生態(tài)狀況，能夠?yàn)橹脖槐Ｗo(hù)和農(nóng)、牧業(yè)種植方式調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

文中基于GIMMS ND，V，I數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)吉林西部過去11 a(1998—2008年)的歸一化植被指數(shù)的生長情況和它的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了研究分析。

1 材料與方法

采用的遙感數(shù)據(jù)為國家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”組制作的1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT－NDVI數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集采用最大值合成法，能最大限度地消除云等其他因素的影響，減小由于校準(zhǔn)而產(chǎn)生的植被指數(shù)變化，增加對(duì)短期大氣氣溶膠、火山噴發(fā)的懸浮顆粒物、太陽天頂角等的校正。比較適合于全省范圍的中長期植被變化趨勢(shì)研究。該數(shù)據(jù)集被國內(nèi)很多學(xué)者用于植被及生態(tài)環(huán)境的研究，都取得了比較好的應(yīng)用效果［7－10］。

以空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為研究手段，對(duì)吉林西部植被指數(shù)的生長狀況以及空間分布特征進(jìn)行分析。地表植被指數(shù)最大值的獲取及處理是在遙感軟件ERDAS8.0下通過Modeler編程自動(dòng)化執(zhí)行的，地表植被指數(shù)的趨勢(shì)分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，具體實(shí)現(xiàn)是在遙感軟件ERDAS8.0下通過Modeler編程運(yùn)算得到所需的結(jié)果;對(duì)植被指數(shù)的空間特性分析是基于GIS軟件Surfer7.0中的樣點(diǎn)提取工具得到空間地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的點(diǎn)對(duì)數(shù)列，而后將其作為初始輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)入GS+7.0軟件中，進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省西部植被指數(shù)的時(shí)序變化特征

2.1.1 植被指數(shù)的生長季節(jié)內(nèi)變化特征

提取吉林西部1998—2008年生長季(5—9月份)的植被指數(shù)值，對(duì)生長季內(nèi)各月份求多年平均值，得到吉林省11 a來的生長季各月均植被指數(shù)的時(shí)間序列(表1)。由表1可以看出，吉林西部植被的生長季內(nèi)的月均植被指數(shù)變化顯著。5月份的月均植被指數(shù)最小，為0.136 7。從5月份開始，植被指數(shù)迅速增加，5—7月份增加速度尤為明顯，7月份以后植被指數(shù)增加開始緩慢，8月份植被指數(shù)達(dá)到全年最大值，為0.313 6。與8月份植被指數(shù)數(shù)值相比較，9月份因?yàn)楦鞣N植物群落枝葉枯萎，植被指數(shù)數(shù)值開始降低。

2.1.2 植被指數(shù)的年際變化特征

提取吉林西部1998—2008年生長季(5—9月份)的植被指數(shù)值，對(duì)生長季內(nèi)各月份求11 a來的歸一化植被指數(shù)的變化斜率數(shù)值，可看出吉林西部11 a來的生長季各月份植被指數(shù)的月增量變化(表2)?？傮w上吉林西部年均植被指數(shù)呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，研究區(qū)的植被改善情況明顯。生長季內(nèi)的各月植被指數(shù)，在不同時(shí)間段內(nèi)變化趨勢(shì)有所不同。

表1 吉林西部1998—2008年生長季各月份植被指數(shù)

表2 吉林西部1998—2008年生長季各月份植被指數(shù)的月增量變化

2.2 吉林省西部植被指數(shù)的空間分布特點(diǎn)

2.2.1 研究區(qū)1998—2008年的植被指數(shù)在空間上的趨勢(shì)分析

提取吉林西部1998—2008年的植被指數(shù)年值，求多年變化斜率，得到吉林省西部11 a植被指數(shù)年值的變化趨勢(shì)空間分布圖(圖1)。

圖1 1998—2008年吉林西部植被指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布

由圖1可以看出:地表植被生長趨勢(shì)Kn，v≤0的區(qū)域多出現(xiàn)在吉林西部的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，即主要以科爾沁沙地為中心展開分布，在內(nèi)蒙古草原的東側(cè)邊緣也有較大面積的Kn，v≤0區(qū)域存在;在吉林西部鹽堿分布區(qū)內(nèi)，也存在著地表植被長勢(shì)Kn，v≤0區(qū)域分布面積較大且比較集中的特點(diǎn);空間分析可知，總體上研究區(qū)的地表植被衰退區(qū)主要分布在吉林西部的農(nóng)牧交錯(cuò)帶上的鹽堿區(qū)和沙地區(qū)。

2.2.2 研究區(qū)1998—2008年地表植被的空間格局特點(diǎn)

在GS+7.0地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析軟件支持下，對(duì)吉林西部歸一化植被指數(shù)(ND，V，I數(shù)值)的空間格局進(jìn)行空間自相關(guān)分析，結(jié)果如圖2。

圖2 Moran’s I系數(shù)分析

吉林西部植被指數(shù)的全局Moran’s I系數(shù)顯示表明:吉林西部植被指數(shù)在全局范圍內(nèi)的空間自相關(guān)數(shù)值為0.109 4，吉林西部地表植被分布的空間格局是顯性的。相關(guān)系數(shù)較小說明代表單元之間有差異，且分布不集中;相近的植被指數(shù)數(shù)值聚集在一起的傾向較弱，吉林西部地表植被在空間分布上表現(xiàn)出的整體性較差;宏觀上，吉林西部地表植被可以分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的植被類型單元。

表3 吉林西部地表植被數(shù)值的Moran’s I系數(shù)

吉林西部植被指數(shù)的南—北方向、東北—西南方向、東—西方向與西北—東南4個(gè)不同方向的Moran’s I系數(shù)顯示表明(圖2，表3):吉林西部植被指數(shù)數(shù)值在不同方向上具有較明顯的各向異性特征。吉林西部的地表植被在西北—東南方向上呈現(xiàn)空間相關(guān)(0.042 6)數(shù)值最小，表明這一方向上地表的植被類型變化較大，植被相對(duì)來講比較破碎。從實(shí)際的分布情況看，本研究區(qū)域西北方向臨近嫩江，該區(qū)域?qū)儆谝廴氚坠こ痰霓r(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，東南方向上是我國三大鹽堿地之一的蘇打鹽堿分布區(qū);自然條件差異是造成西北—東南方向植被破碎的重要因素。

3 結(jié)論與討論

1998—2008 年吉林省生長季月均植被指數(shù)總體上呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)。農(nóng)牧交錯(cuò)帶以東大部分地區(qū)的地表植被長勢(shì)11 a來呈現(xiàn)上升趨勢(shì);研究區(qū)的植被改善情況明顯，生長季內(nèi)的各月植被指數(shù)變化增長說明隨著氣候變暖植被生長季也慢慢提前，7月份和8月份的植被生長最好，分別為0.297 8、0.313 6;不可忽視的是，在吉林西部的鹽堿地、沙地分布區(qū)內(nèi)有大面積的植被退化區(qū)域存在，而且分布集中。

由趨勢(shì)分析可知，地表植被衰退區(qū)(植被生長趨勢(shì)Kn，v≤0的區(qū)域)主要分布在吉林西部的農(nóng)牧交錯(cuò)帶上的鹽堿區(qū)和沙地區(qū)。全局Moran’s I系數(shù)分析表明，吉林西部植被指數(shù)在全局范圍內(nèi)呈現(xiàn)正的空間自相關(guān)，但是空間自相關(guān)數(shù)值較小(0.109 4)，這表明本研究區(qū)植被空間分布的整體性較差;相似的植被指數(shù)值聚集在一起的傾向弱，局部地表植被分布呈現(xiàn)破碎化、斑塊狀。

在空間分布上，氣溫與地表植被相關(guān)性的空間分布與土地鹽堿程度的南北逐漸遞減的空間分布相一致，所以吉林西部的地表植被在東—西方向上和東北—西南方向空間正相關(guān)程度較大，而在南—北方向和西北—東南方向上呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān)。

近幾年來，東北地區(qū)氣候變化平穩(wěn)。從已有的研究情況來看，本研究區(qū)域的氣溫和最低氣溫變化對(duì)植被的影響要普遍大于降水等其他因子［11］。溫度上升引起植被生長季的提前和生長期的延長是導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)總體植被呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的主要原因。在總體增加的大背景下，植被類型不同，植被覆蓋增加與減少的面積和比例有所差異。耕地受人類活動(dòng)影響顯著，耕作條件的提高大大增加了耕地面積，導(dǎo)致了研究區(qū)域內(nèi)耕地植被像元植被指數(shù)顯著增加;而對(duì)于林地、草地等類型植被，生態(tài)保護(hù)和環(huán)境建設(shè)等人為措施，如植物造林、草地圍欄封育也是導(dǎo)致這些植被有所增加的重要原因。

同時(shí)，不可忽視的一點(diǎn)是，隨著今年農(nóng)業(yè)耕地面積的擴(kuò)大，位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶上的研究區(qū)內(nèi)發(fā)生了局部植被退化的現(xiàn)象，尤其是草本類植被和林地，人為因素是引起其退化的重要因素。人類活動(dòng)具有兩面性是一把雙刃劍。

致謝:在數(shù)據(jù)的整理過程中得到了楊超、王立艷、李宥渝、張麗微、曹瑞芬、姚希奎、婁思文等同學(xué)的大力幫助，特此感謝。

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