我國(guó)典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化

林長(zhǎng)偉，王　寧

（定西師范高等?？茖W(xué)校地理系，定西743000）

我國(guó)典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化

林長(zhǎng)偉，王寧

（定西師范高等專科學(xué)校地理系，定西743000）

隨著全球氣候變暖，物候正在發(fā)生顯著變化。植物物候變化是植物對(duì)氣候與環(huán)境變化最敏感且易觀測(cè)的指示計(jì)，氣候變化對(duì)植物物候的影響及其響應(yīng)研究成為全球變化研究的熱點(diǎn)問題之一。傳統(tǒng)的物候觀測(cè)方法是野外觀測(cè)為基礎(chǔ)的目視觀測(cè)法，遙感等新技術(shù)的發(fā)展，為物候監(jiān)測(cè)、研究提供了新的手段，歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）正日益成為植被對(duì)氣候響應(yīng)研究的重要手段。本文基于MODIS16天合成NDVI產(chǎn)品，提取了全國(guó)34種典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化曲線，分析了其進(jìn)行植物物候監(jiān)測(cè)的能力。研究結(jié)果表明：1）自然植被群落的NDVI年內(nèi)變化特征明顯，大致可分為三種類型：第一種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)較大，第二種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)不大，但月內(nèi)變化較為劇烈，第三種植被群落的年內(nèi)NDVI變化曲線與第一種類型類似，但幅度較??；2）典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化曲線符合其實(shí)際生長(zhǎng)情況。

植物物候監(jiān)測(cè)；植被群落；NDVI；MODIS；動(dòng)態(tài)變化

1　引言

受環(huán)境（氣候、水文、土壤）影響而出現(xiàn)的以年為周期的自然現(xiàn)象，都是物候現(xiàn)象。物候?qū)W就是研究季節(jié)性現(xiàn)象同環(huán)境的周期性變化之間的相互關(guān)系的科學(xué)［1］。近100年來，尤其是在最近20多年，全球平均表面溫度出現(xiàn)了顯著上升。隨著全球氣候變暖，物候正在發(fā)生變化，表現(xiàn)為春季提前、生物量增加、生長(zhǎng)季延長(zhǎng)、CO2季節(jié)振幅不斷增大等［2］，許多動(dòng)植物通過改變與季節(jié)開始（主要是春季和秋季）相關(guān)的同步活動(dòng)以適應(yīng)更長(zhǎng)的生長(zhǎng)季。植物物候變化是氣候與環(huán)境變化最敏感且易觀測(cè)的指示計(jì)［3］，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多方面的影響。在全球變暖的背景下，氣候變化對(duì)植物物候的影響及其響應(yīng)研究成為全球變化研究的熱點(diǎn)問題之一［4］。

光譜植被指數(shù)（VI）是應(yīng)用得最為廣泛的遙感監(jiān)測(cè)量［5］。VI基于植物葉綠素在0.69μm的強(qiáng)吸收特征，通過紅外和近紅外波段比值或顯形組合實(shí)現(xiàn)對(duì)植被狀態(tài)信息的表達(dá)，有時(shí)也加入其他波段來消除土壤、大氣等的影響。VI可以用來診斷植被的一系列生物物理參量，如葉面積指數(shù)（LAI）、植被覆蓋度、生物量、光合有效輻射吸收系數(shù)（APAR）等［3］。VI中，以歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）最為常用。

NDVI能夠在大范圍內(nèi)相當(dāng)準(zhǔn)確地反映植被的綠度和光合作用強(qiáng)度，植被的代謝強(qiáng)度以及季節(jié)、年內(nèi)、年際變化，正日益成為植被對(duì)氣候響應(yīng)研究的重要手段［6］。本文基于MODIS16天合成NDVI產(chǎn)品（MOD13Q1，分辨率為250m），提取了全國(guó)34種典型植被群落（含自然植被群落28種和栽培植被群落6種）的NDVI動(dòng)態(tài)變化曲線，旨在分析其進(jìn)行植物物候監(jiān)測(cè)的能力。

2　數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1數(shù)據(jù)源

全國(guó)1：100萬(wàn)植被類型數(shù)據(jù)來源于國(guó)家自然科學(xué)基金委員“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn/）；MODIS16天合成NDVI產(chǎn)品（MOD13Q1）來源于美國(guó)NASA哥達(dá)德航天中心（http：//modis.gsfc.nasa.gov/），時(shí)間為2008年，分辨率為250m。

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1全國(guó)典型植被群落選取

對(duì)于全國(guó)植被類型數(shù)據(jù)，綜合考慮植被群落的分布面積、分布特點(diǎn)以及區(qū)域代表性等因素，選擇出全國(guó)范圍內(nèi)較有代表性的34種典型植被群落，含自然植被群落28種和栽培植被群落6種。

2.2.2MODIS植被產(chǎn)品預(yù)處理

基礎(chǔ)預(yù)處理：包括投影變換、圖幅拼接與裁切、波算運(yùn)算（原始數(shù)據(jù)經(jīng)過線性拉伸，需要進(jìn)行波段運(yùn)算以還原其真實(shí)值）等。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)值：分別計(jì)算上述34種典型植被的年內(nèi)NDVI動(dòng)態(tài)變化（儒略日與實(shí)際日期對(duì)照表見表1），統(tǒng)計(jì)值有最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表1　儒略日與實(shí)際日期對(duì)照表

3　結(jié)果分析

對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行整理，分別繪制了典型自然植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化圖（圖1）和典型栽培植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化圖（圖2）。

3.1我國(guó)典型植被的NDVI年內(nèi)變化特征

由圖1可知，28種典型自然植被群落大致可分為三種類型：第一種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)較大，代表群落為興安落葉松林，油松林，蒙古櫟林，白樺林，荊條、酸棗灌叢和白羊草草叢。一般在3月中旬（儒略日065），群落的NDVI開始穩(wěn)步上升，6月中旬至9月上旬（儒略日161-241）為生長(zhǎng)旺盛期，NDVI值在8月上旬（儒略日209）達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI迅速下降，在12月份達(dá)到最低值，高值與低值相差甚遠(yuǎn)（0.5-0.7）。第二種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)不大，但月內(nèi)變化較為劇烈，代表群落為甜櫧、米櫧林，毛竹林，馬尾松林（林下以白檀、白櫟、短柄樹為主的馬尾松林，林下以繼木、映山紅為主的馬尾松林和林下以南燭、碎米杜鵑為主的云南松林），亞熱帶、熱帶草叢（芒草、野古草、金茅草叢和刺芒野古草草叢），亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢（南燭、矮楊梅灌叢，繼木、烏飯樹、映山紅灌叢，茅栗、白櫟灌叢和雀梅藤、小果薔薇、火棘、龍須藤灌叢），杉木林和栓皮櫟、麻櫟林。一般在2月中下旬（儒略日033），群落的NDVI呈鋸齒狀緩慢上升，7月上旬至9月上旬（儒略日177-241）為生長(zhǎng)旺盛期，大部分群落NDVI值在8月上旬（儒略日209）達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI緩慢下降，高值與低值相差較少（0.3左右）。第三種植被群落的年內(nèi)NDVI變化曲線與第一種類型類似，但幅度較小，代表群落為大針茅草原，芨芨草草甸，小蒿草草甸，蘆葦草甸，紫花針茅草原，水母雪蓮、風(fēng)毛菊稀疏植被，風(fēng)毛菊、紅景天、垂頭菊稀疏植被，三指雪蓮花、西藏扁芒菊稀疏植被和墊狀駝絨藜荒漠。一般在4月中旬（儒略日097），群落的NDVI開始緩慢上升，7月上旬至9月上旬（儒略日177-241）為生長(zhǎng)旺盛期，NDVI值在8月上旬（儒略日209）達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI緩慢下降。除大針茅草原，芨芨草草甸和小蒿草草甸外，高值與低值相差不大（小于0.2），尤其是墊狀駝絨藜荒漠，幾乎沒有變化。

值得注意的是，2008年1月10日至2月底，我國(guó)發(fā)生了50年不遇的大范圍雪災(zāi)。這次雪災(zāi)波及上海、浙江、江蘇、安徽、江西、河南、湖北、湖南、廣東、廣西、重慶、四川、貴州、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等20個(gè)?。▍^(qū)、市），使得全國(guó)范圍內(nèi)眾多植被群落受到不同程度低溫、雨雪和冰凍災(zāi)害的影響，從而出現(xiàn)了圖1中1月下旬（儒略日017）的極低值。

3.2典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化

限于篇幅，分別選取了典型自然植被群落中的興安落葉松林群落和典型栽培植被群落中的春小麥、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亞麻田群落，分析其NDVI的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。

3.2.1興安落葉松林群落

興安落葉松林群落是寒溫帶山地針葉林，花期一般在5-6月，9月球果成熟。一到冬季，針葉全部脫落。其林下主要灌木有二色胡枝子、榛子、杜鵑和越桔等。

從圖1可以看出，興安落葉松林群落1月初（儒略日001）的NDVI值（黑色粗實(shí)線）為0.33，在1月下旬（儒略日017）略有上升。2月初到3月中旬（儒略日033-065），NDVI下降到0.25左右。經(jīng)查，2008年1月1日至3月18日，我國(guó)東北、華北等地發(fā)生嚴(yán)重冬春連旱，平均降水量?jī)H5.5毫米，為1951年以來歷史同期最少值。由于氣溫偏高，降水異常偏少，導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)受到限制。3月下旬到5月初（儒略日081-113），進(jìn)入春雨期，降水量增大，興安落葉松及其林間灌木開始發(fā)芽長(zhǎng)葉，NDVI隨之上升。從5月上旬到7月上旬（儒略日129-177），降水充足，日照增長(zhǎng)，氣溫升高，興安落葉松進(jìn)入花期，林間灌木生長(zhǎng)速度很快，NDVI快速上升。6月底到7月下旬（儒略日177-193），降水最多，植被生長(zhǎng)旺盛，NDVI達(dá)到最大值（0.85）。7月底到8月下旬（儒略日209-225），植被生長(zhǎng)依然旺盛，進(jìn)入終花期，NDVI略有下降。8月底到9月底（儒略日241-257），興安落葉松和林間灌木花朵凋謝，進(jìn)入果實(shí)成熟階段，NDVI繼續(xù)下降。10月到11月中旬（儒略日273-305），隨著氣溫下降，降雨減少，興安落葉松等植被的果實(shí)掉落，樹葉枯萎，NDVI迅速下降，11月下旬（儒略日321）的NDVI維持在0.2左右。12月份（儒略日337-353），地表被冰雪覆蓋，NDVI降到最低點(diǎn)（0.13）。

圖2　全國(guó)典型栽培植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化圖

總體而言，NDVI的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化曲線符合興安落葉松林的實(shí)際生長(zhǎng)情況，能準(zhǔn)確的反映出其生長(zhǎng)發(fā)育狀況。

3.2.2春小麥、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亞麻田群落

春小麥、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亞麻田群落的耕作制度為一年一熟，主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。生長(zhǎng)期分別為：春小麥4月中旬播種，7月中下旬成熟；中晚熟大豆6月上中旬種植，9月份收獲；高粱的種植可分為春作與秋作兩種。春作播種期約在農(nóng)歷3月底至4月中旬，秋作播種期則選在農(nóng)歷5月下旬至6月下旬之間；糖甜菜是二年生作物，第一年為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，第二年為生殖生長(zhǎng)階段；向日葵為一年生草本，3-4月份播種，從出苗到種子成熟要85-120天；亞麻為一年生草本，一般在4月下旬至5月上旬播種，生育期70-80天。

由圖2可知，1月初到6月中旬（儒略日001-161），春小麥等農(nóng)作物的NDVI值（紅色實(shí)線）都處于比較低的水平，但呈穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。其中，4月中旬（儒略日097），春小麥播種，需要對(duì)土地進(jìn)行翻整，NDVI值略有降低。4月下旬到6月中旬（儒略日113-161），氣溫回升，降水增多，春小麥和高粱出苗、分蘗，中晚熟大豆播種發(fā)芽，糖甜菜和向日葵幼苗生長(zhǎng)，田間農(nóng)作物逐漸增多，NDVI逐漸緩慢上升。6月中下旬到7月上旬（儒略日161-177），氣溫適宜，雨水充沛，田間農(nóng)作物生長(zhǎng)旺盛。此時(shí)春小麥和高粱正在拔節(jié)孕穗期，大豆發(fā)芽，糖甜菜葉叢快速生長(zhǎng)，向日葵和亞麻現(xiàn)蕾，NDVI快速上升到了0.66。7月中旬到8月上旬（儒略日193-209），春小麥、亞麻、向日葵等陸續(xù)成熟，大豆開花結(jié)莢，高粱進(jìn)入乳熟期，甜菜塊根生長(zhǎng)，NDVI上升到最高點(diǎn)（0.79）。8月中旬到9月底（儒略日225-273），隨著春小麥、亞麻、向日葵等農(nóng)作物的收割，NDVI快速下降。10月中下旬（儒略日289），大部分農(nóng)作物都已收割完畢，只有秋作高粱正進(jìn)入成熟期。11月（儒略日305-321），隨著秋作高粱的收割，NDVI下降到0.17。12月，田間農(nóng)作物稀少，地表只有殘茬、秸稈、落葉等覆蓋，NDVI值維持在0.17左右。

總體來看，NDVI的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化曲線符合我國(guó)春小麥等農(nóng)作物的實(shí)際生長(zhǎng)狀況，能準(zhǔn)確的反映其發(fā)展變化。

4　結(jié)論

4.1自然植被群落的NDVI年內(nèi)變化特征明顯

28種典型自然植被群落的NDVI年內(nèi)變化特征十分明顯，大致可分為三種類型。

第一種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)較大，代表群落為興安落葉松林，油松林，蒙古櫟林，白樺林，荊條、酸棗灌叢和白羊草草叢。3月中旬，群落的NDVI開始穩(wěn)步上升，6月中旬至9月上旬為生長(zhǎng)旺盛期，8月上旬達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI迅速下降，高值與低值相差甚遠(yuǎn)（0.5-0.7）。

第二種植被群落的年內(nèi)NDVI波動(dòng)不大，但月內(nèi)變化較為劇烈，代表群落為甜櫧、米櫧林，毛竹林，馬尾松林，亞熱帶、熱帶草叢，亞熱帶、熱帶常綠闊葉、落葉闊葉灌叢，杉木林和栓皮櫟、麻櫟林。2月中下旬，群落的NDVI呈鋸齒狀緩慢上升，7月上旬至9月上旬為生長(zhǎng)旺盛期，大部分群落在8月上旬達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI緩慢下降，高值與低值相差較少（0.3左右）。

第三種植被群落的年內(nèi)NDVI變化曲線與第一種類型，但幅度較小，代表群落為草原，草甸，高山植被和荒漠。一般在4月中旬，群落的NDVI開始緩慢上升，7月上旬至9月上旬生長(zhǎng)旺盛期，8月上旬達(dá)到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI緩慢下降，高值與低值相差不大（小于0.2）。

4.2典型植被群落的NDVI動(dòng)態(tài)變化曲線符合其實(shí)際生長(zhǎng)情況

對(duì)典型自然植被群落中的興安落葉松林群落和典型栽培植被群落中的春小麥、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亞麻田群落的NDVI年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果顯示：不論是興安落葉松林群落，還是春小麥、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亞麻田群落，NDVI的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化曲線均符合群落的實(shí)際生長(zhǎng)情況，能準(zhǔn)確的反映出其生長(zhǎng)發(fā)育狀況。

［1］竺可楨，宛敏渭.物候?qū)W［M］.北京：科學(xué)出版社，1980.

［2］方修琦，余衛(wèi)紅.物候?qū)θ蜃兣憫?yīng)的研究綜述.地球科學(xué)進(jìn)展，2002，17（5）：714.

［3］張學(xué)霞，葛全勝，鄭景云.遙感技術(shù)在植物物候研究中的應(yīng)用綜述［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：534-544.

［4］呂新苗，康世昌，朱立平，等.西藏納木錯(cuò)植物物候及其對(duì)氣候的響應(yīng)［J］.山地學(xué)報(bào)，2009，27（6）：648-654.

［5］R.B.Mynenl，C.D.Keeling，C.J.Tucker，etal.Increased plant growth in the northern high latitudes from 1981 to 1991［J］.Nature，1997（386）：698-701.

［6］Bradley C.Reed，Mark D.Schwartz，Xiangming Xiao.Remote Sensing Phenology：Status and the way forward［M］.New York：Springer，2009：231-246.

（2016-07-25收稿劉曉佳編輯）

The dynam ic changes in NDVI of vegetation communities in our country

LIN Chang-w ei et al
（Dingxi teachers college department of geography，Dingxi 743000，China）

With global warming，significant changes are taking place in phenology.Change of plant phenology is the most sensitive and easily observations gauge of plants to climate and environmental change.The affect of climate change on plant phenology and Its response research become one of the hot issues of global change.Traditional observation methods of phenology are the visual observation methods based on field observations，the development of remote sensing and other new technologies provides a new means for phenological monitoring and research. Normalized difference vegetation index（NDVI）is becoming important means of research responses of vegetation on climate. Based on MODIS16 day's synthesis of NDVI products，the author extracted dynamic curves of NDVI from 34 kinds of typical vegetation communities of our country，and then analyzed its ability to plant phenology monitoring.The results show that:1）Characteristics of changes in NDVI of natural vegetation communities during the year were obvious，they could be divided into three types:the first kind of vegetation communities fluctuated larger；the second kind fluctuated little，but its changes during month were intense；the third kind was sim ilar to the first type，but to be a lesser extent；2）the dynamic curve of NDVI of typical vegetation communities conformed its actual growth.

Plant phenology monitoring；Vegetation communities；NDVI；MODIS；The dynam ic changes

Q948

A

1003-7853（2016）04-0090-04

林長(zhǎng)偉（1983年-），女，碩士，講師。主要從事遙感、地理信息系統(tǒng)與景觀生態(tài)等方面的研究。