川西高原植被狀況及其與氣候變化關(guān)系的遙感研究

李曉鈴，馮建東，王 鑫

(四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川 成都 610000)

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川西高原植被狀況及其與氣候變化關(guān)系的遙感研究

李曉鈴，馮建東，王 鑫

(四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川 成都 610000)

利用近年來(lái)川西高原遙感影像和氣象數(shù)據(jù)，分別以年和季為時(shí)間分辨率分析川西高原的植被長(zhǎng)勢(shì)及其與氣候變化關(guān)系。研究結(jié)果顯示：近年來(lái)川西高原植被長(zhǎng)勢(shì)呈顯著增加趨勢(shì)；除夏季外，各季植被長(zhǎng)勢(shì)增長(zhǎng)顯著；川西高原夏季，反應(yīng)植被長(zhǎng)勢(shì)的NDVI值與季均溫、季平均積溫、季平均降雨量表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；春、冬季NDVI值與溫度、積溫的相關(guān)性優(yōu)于降水；春、夏兩季平均活動(dòng)積溫和平均降雨量對(duì)川西高原NDVI值的綜合影響比季均溫和季平均降雨量的綜合影響要強(qiáng)，冬季則相反。

川西高原；植被遙感；歸一化差值植被指數(shù)；氣候變化

1　引言

川西高原位于四川省西部，屬青藏高原的東南緣(97°E～104°E、27°N～34°N)，由阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州2個(gè)行政州組成。其地處長(zhǎng)江中上游生態(tài)屏障區(qū)，是全國(guó)五大牧區(qū)之一的川西北牧區(qū)的重要組成部分，也是我國(guó)天然林的主要分布區(qū)域。該區(qū)生態(tài)環(huán)境特殊多樣，植被資源豐富，其84.14%的土地面積分布著高寒草甸、高寒灌叢草甸、喬木林地和灌木林地[1]。

植被是維持川西高原生態(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要資源，其生長(zhǎng)發(fā)育、空間分布都與氣候因子關(guān)系密切。在氣候變化的背景下研究川西高原植被變化情況以及其與氣候變化關(guān)系有助于指導(dǎo)高原畜物業(yè)生產(chǎn)和植被資源保護(hù)。在以往的研究中專門針對(duì)川西高原開(kāi)展的相關(guān)研究較少，雖然已有學(xué)者對(duì)川西高原的植被覆蓋與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究，但研究以年為時(shí)間單位且研究的時(shí)間范圍距今較久[2]。本文使用1999年1月～2013年2月的相關(guān)遙感資料和氣象數(shù)據(jù)，主要以季節(jié)為時(shí)間尺度，開(kāi)展相關(guān)研究。

2　植被狀況的表征

由Rouse等提出的歸一化差值植被指數(shù)NDVI值，是目前已有的40多種植被指數(shù)中應(yīng)用最廣的一種，該指數(shù)對(duì)綠色植被反應(yīng)敏感且可比性強(qiáng)，常用來(lái)進(jìn)行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究[3～7]。可反應(yīng)川西高原的植被長(zhǎng)勢(shì)狀況。NDVI的取值范圍在-1.0～1.0之間，大于0.1為有植被覆蓋，值越大表示植被長(zhǎng)勢(shì)越好。其計(jì)算公式為：

式中，A1為紅光波段反射率，A2為近紅外波段反射率。

3　遙感資料來(lái)源及處理

使用SPOT衛(wèi)星VGT傳感器NDVI10日合成遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，下載地址為http://www.vito-eodata.be。由于SPOT影像NDVI數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成0?250的NDV值，在ENVI平臺(tái)上采用公式NDVI=NDV×0.004-0.1進(jìn)行波段運(yùn)算，將數(shù)據(jù)還原，再與川西高原邊界做掩膜處理，得到川西高原NDVI旬?dāng)?shù)據(jù)。為保證陸面信息的完整性，采用最大值合成法計(jì)算NDVI月最大值。NDVI月最大值等權(quán)平均后得到季均、年均NDVI值。為保證研究時(shí)間段的完整性，使用1999年1月～2012年12月的數(shù)據(jù)進(jìn)行年際平均分析(表1)，選用1999年3月～2013年2月的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱橫向的季平均分析。

4　川西高原植被長(zhǎng)勢(shì)變化情況

4.1以年為時(shí)間尺度的植被長(zhǎng)勢(shì)變化情況

在ENVI平臺(tái)上統(tǒng)計(jì)1999～2012年川西高原區(qū)域年均NDVI值，并對(duì)其做年際變化趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)川西高原區(qū)域NDVI均值隨年份呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)趨勢(shì)系數(shù)為0.0027，達(dá)到 0.01顯著性水平。研究時(shí)間段內(nèi)，1999年植被長(zhǎng)勢(shì)最差，NDVI均值僅為0.399，最高值出現(xiàn)在2011年，NDVI均值為0.442。對(duì)研究時(shí)段內(nèi)川西高原NDVI年均值圖像進(jìn)行單像元分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)以單像元為單位的最大NDVI值呈現(xiàn)出更加明顯的年際增長(zhǎng)趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.841。單像元最大NDVI值出現(xiàn)在2011年，為0.801，見(jiàn)圖1。

ENVI平臺(tái)上計(jì)算植被長(zhǎng)勢(shì)最好年(2011年)與最差年(1999年)的NDVI差值，運(yùn)算結(jié)果如圖2所示。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋狀況最好年與最差年之間的差值在-0.287～0.230之間。2011年川西高原僅零星區(qū)域植被狀況差于1999年。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，94.6%的區(qū)域植被長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于1999年，其中，NDVI差值在0.03～0.06之間的區(qū)域最多，約占整個(gè)高原面積的43.1%；其次是差值在0～0.03的區(qū)域，占比為25.1%；差值在0.06～0.09之間的區(qū)域面積也較大，占比為21.2%；差值為-0.35～0和0.09～0.25之間的區(qū)域較少，僅占高原總面積的5.4%和5.2%。

表1　NDVI年平均值統(tǒng)計(jì)

圖1　區(qū)域年均NDVI值變化趨勢(shì)

4.2以季節(jié)為尺度的植被狀況變化分析

對(duì)比分析川西高原四季NDVI均值分布情況，可以更細(xì)致地了解其空間變化。按照氣候?qū)W的四季劃分標(biāo)準(zhǔn)，將四季分為3～5月春季，6～8月夏季，9～11月秋季，12～2月冬季。圖3是1999～2012年川西高原四季平均NDVI值空間分布圖，該圖顯示，川西高原四季均有綠色植被覆蓋(NDVI>0.2)。在高原中部、南部、東北部部分區(qū)域常年植被長(zhǎng)勢(shì)較好。夏、秋季植被長(zhǎng)勢(shì)較好。由于高原北部草場(chǎng)生長(zhǎng)旺盛，夏季高原北部大部地區(qū)平均NDVI值可達(dá)0.7以上，局部區(qū)域可達(dá)0.8以上。

圖2植被覆蓋狀況最好年與最差年平均NDVI差值分布

對(duì)川西高原各季NDVI均值作趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，除夏季外，其余三季植被覆蓋均在置信度90%的水平上呈顯著性增長(zhǎng)，春季的增長(zhǎng)速度最快，回歸系數(shù)為0.0042，且春季NDVI年際增長(zhǎng)在置信度99%的水平上仍呈顯著性。川西高原1999～2012年各季平均NDVI值及其變化趨勢(shì)如表2、表3所示。

圖3　四季平均NDVI空間分布

表2　季平均NDVI值統(tǒng)計(jì)

表3　四季平均NDVI值變化趨勢(shì)

注：“**”為信度在0.01時(shí)達(dá)到顯著性水平，“*”為信度在0.1時(shí)達(dá)到顯著性水平

5　川西高原植被狀況與氣候變化的關(guān)系

5.1氣候變化分析

選擇與植被生長(zhǎng)密切聯(lián)系的溫度、積溫、降水3個(gè)氣候因子，分析氣候變化情況。統(tǒng)計(jì)1999年春季～2012年冬季川西高原31個(gè)氣象站點(diǎn)各季實(shí)測(cè)日均溫度、季活動(dòng)積溫、季降雨量，再進(jìn)行等權(quán)平均得到各因子區(qū)域均值。由于川西高原海拔較高，植被以冷季禾本科牧草為主，計(jì)算活動(dòng)積溫的生物學(xué)下限溫度取零攝氏度。

分別對(duì)各季氣候因子進(jìn)行年際變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)：各季均溫，呈略微的增長(zhǎng)趨勢(shì)，回歸系數(shù)均為正數(shù)，但除夏季顯著性水平在0.1以上外，其余均不具備顯著性；各季平均積溫變化的趨勢(shì)系數(shù)，除冬季為負(fù)值外，其余均為正值，但僅夏季的變化趨勢(shì)在0.05的顯著性水平以上，其余三季均不具備顯著性；季平均降雨量除秋季外，其余趨勢(shì)系數(shù)均為負(fù)值，但各季均不具備顯著相關(guān)性。1999年春季～2012年冬季，各季氣候因子變化的趨勢(shì)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4　各季氣候因子變化的趨勢(shì)系數(shù)

注：“**”為信度在0.01時(shí)達(dá)到顯著性水平，“*”為信度在0.1時(shí)達(dá)到顯著性水平

5.2與單個(gè)氣候因子的相關(guān)分析

植被的生長(zhǎng)與溫度、降水等氣候因子聯(lián)系密切，而積溫則從強(qiáng)度和作用時(shí)間兩個(gè)方面反應(yīng)了溫度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。許多學(xué)者在不同的地區(qū)采用不同的方法研究NDVI和氣候因子的相關(guān)性，得到的相關(guān)程度不盡相同[2、8～10]。將川西高原各季平均NDVI值與相應(yīng)季均溫、季平均活動(dòng)積溫、季平均降雨量分別計(jì)算一元線性回歸方程，并用相關(guān)系數(shù)R進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：春、夏、冬三季NDVI值與各氣候因子的相關(guān)性相對(duì)較好，其中夏季最好。夏季NDVI值與3個(gè)氣候因子均呈顯著的相關(guān)性，相關(guān)性由強(qiáng)到弱表現(xiàn)為：季平均降雨量>季均溫>季平均活動(dòng)積溫，與季平均降雨量的相關(guān)性在0.01的信度上顯著，說(shuō)明降水是夏季川西高原影響植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣候因子。春季和冬季的NDVI值只與季均溫、季平均活動(dòng)積溫相關(guān)性顯著，春季活動(dòng)積溫的相關(guān)性要強(qiáng)于均溫，可能是因?yàn)榇杭緸橹参锇l(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期。表5反應(yīng)了川西高原各季節(jié)NDVI均值與單個(gè)氣候因子關(guān)系的密切程度。

表5　季平均NDVI值與單個(gè)氣候因子的相關(guān)系數(shù)

注：“**”為信度在0.01時(shí)達(dá)到顯著性水平，“*”為信度在0.1時(shí)達(dá)到顯著性水平

5.3與多個(gè)氣候因子的二元綜合分析

植被的生長(zhǎng)受多種氣候因子的綜合影響?；谝辉貧w分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)川西高原各季NDVI均值與季均溫、季平均降雨量，季平均活動(dòng)積溫、季平均降雨量計(jì)算二元回歸方程，同時(shí)用F值來(lái)評(píng)價(jià)兩種氣候因子對(duì)川西高原各季平均NDVI值的綜合影響。F值檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6　季平均NDVI值與氣候因子的二元回歸分析

注：“**”為信度在0.01時(shí)達(dá)到顯著性水平，“*”為信度在0.1時(shí)達(dá)到顯著性水平

由表4可以看出春季和夏季NDVI值與兩種組合的氣候因子的相關(guān)性都較為顯著。夏季可達(dá)到信度為0.01的顯著性水平。未發(fā)現(xiàn)秋季NDVI值與綜合氣候因子具有顯著性。冬季平均NDVI值僅與季均溫、季平均降雨量關(guān)系密切，達(dá)到信度為0.1的顯著性水平。

6　結(jié)語(yǔ)

川西高原1999～2012年植被長(zhǎng)勢(shì)呈顯著增長(zhǎng)趨

勢(shì)。以季節(jié)為時(shí)間單元來(lái)看，研究時(shí)間段內(nèi)各季植被長(zhǎng)勢(shì)也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，春、秋、冬三季這種變化趨勢(shì)具有顯著性。在反應(yīng)氣候變化的氣候因子分析中，雖然僅發(fā)現(xiàn)夏季均溫、季平均活動(dòng)積溫的變化呈現(xiàn)出顯著性，但仍可看出各季溫度和積溫基本呈現(xiàn)略微增高趨勢(shì)，降水基本呈略微下降趨勢(shì)。除秋季外，川西高原各季植被長(zhǎng)勢(shì)與溫度和積溫表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，春、冬季與溫度和積溫的相關(guān)性總體優(yōu)于降水，而夏季與降雨的關(guān)系更密切。春、夏兩季積溫和降水對(duì)川西高原植被覆蓋的綜合影響比均溫和降雨量要強(qiáng)，冬季則相反。

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2016-06-16

李曉鈴(1987—)，女，助理工程師，碩士，主要從事環(huán)境遙感和環(huán)境管理的研究和應(yīng)用工作。

Q948

A

1674-9944(2016)14-0031-04