2000—2017年鄭州市植被NDVI的時(shí)空變化特征分析

邢文娟， 張靜靜

（鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，鄭州 450044）

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有顯著的年際和季節(jié)變化特點(diǎn). 作為連接大氣、水分和土壤的“自然紐帶”，植被具有保土固土、調(diào)節(jié)氣候、減少水土流失等多方面的作用［1］. 植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比. 植被覆蓋度能較好地表示地表植被生長(zhǎng)情況，其時(shí)空變化受到土壤、氣候、人文等多種因素的共同影響［2］. 在全球氣候變暖的背景下，陸地植被的覆蓋度會(huì)因氣候變化對(duì)陸地植被生長(zhǎng)過(guò)程的影響而改變［3-4］. 探究植被覆蓋度的時(shí)空變化可以為應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供科學(xué)依據(jù)，在全球氣候變化研究中具有重要意義.

歸一化植被指數(shù)（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）在遙感影像中表示為近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和，這一指數(shù)在一定程度上可以較好地反映植被覆蓋度的變化［3-5］，因此在植被覆蓋變化研究中，眾多學(xué)者用歸一化植被指數(shù)（NDVI）表示植被覆蓋度. 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者依據(jù)不同的NDVI數(shù)據(jù)對(duì)不同地區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化開展了大量研究并得出了一些重要結(jié)論. 劉憲鋒等人分析了西北地區(qū)NDVI變化特征，認(rèn)為不同氣候因子（氣溫、降水）對(duì)植被活動(dòng)的影響具有明顯的空間差異性［6］. Myneni等人利用NDVI對(duì)北半球植被活動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在1981—1991年期間，由于氣候變暖使得研究區(qū)植被活動(dòng)趨勢(shì)增強(qiáng)，其中中緯度地區(qū)較為明顯［7］. 王宗明等采用1982—2003 年?yáng)|北地區(qū)的GIMMS NDVI數(shù)據(jù)、植被類型數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析了東北地區(qū)植被NDVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)［8］. 信忠保等通過(guò)分析1981—2006 年的NDVI 數(shù)據(jù)，指出黃土高原植被生長(zhǎng)期延長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力是氣候變暖，降水起伏是植被覆蓋變化的重要驅(qū)動(dòng)因素［9］. 就我國(guó)而言，目前關(guān)于植被覆蓋度的研究大多數(shù)是針對(duì)大尺度的地理單元進(jìn)行分析［10-12］，而對(duì)鄭州市植被覆蓋的時(shí)空變化研究較少，難以為鄭州市生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考. 因此，本文基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，借助ArcGIS、SPSS等軟件操作平臺(tái)，輔以均值法、最大值合成法、一元線性回歸模擬等方法對(duì)2000—2017年鄭州市植被覆蓋的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，以期為鄭州市的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

鄭州市位于河南省的北部和華北平原的南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′.地形特征表現(xiàn)為自西南向東北呈階梯狀降低. 氣候類型屬北溫帶大陸性季風(fēng)季候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨. 全市現(xiàn)轄6區(qū)（金水區(qū)、中原區(qū)、管城區(qū)、二七區(qū)、上街區(qū)、惠濟(jì)區(qū)）、5市（鞏義市、新鄭市、新密市、滎陽(yáng)市、登封市）、1縣（中牟縣），總面積7 446.2 km2.

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文所運(yùn)用的MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）提供的2000—2017 年植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD13Q1），其時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m. 利用MRT工具、ArcGIS軟件等對(duì)下載好的2000—2017年鄭州市MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影、裁剪等處理.

2.2 研究方法

本文采用最大值合成法、均值法、一元線性回歸模擬法［13］對(duì)2000—2017年鄭州市植被NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州市植被NDVI的時(shí)間變化特征

3.1.1 鄭州市月均植被NDVI 變化特征 從圖1

圖1 2000—2017年鄭州市月均植被NDVI變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of monthly average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

可以看出，2000—2017年鄭州市月均植被NDVI整體呈先增加后減小的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為1—4 月的月均植被NDVI 呈上升趨勢(shì)，5 月呈現(xiàn)出微下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)?月鄭州市種植的冬小麥被大量收割，所以植被覆蓋度降低. 6—8 月的月均植被NDVI 呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，并且在7 月達(dá)到了一年的最高值，這是因?yàn)?—8月是夏季，鄭州市高溫多雨的氣候條件有利于植被的生長(zhǎng)，所以此時(shí)植被最為茂盛，植被覆蓋度最高，但因?yàn)樵?月初也有部分冬小麥被收割，所以6月的月均植被NDVI稍低于7月和8月，同時(shí)因?yàn)?月中下旬又會(huì)種植新的作物，所以導(dǎo)致6月的月均植被NDVI稍高于5月. 從9月開始月均植被NDVI逐漸降低，但是因?yàn)橹脖簧L(zhǎng)具有一定的“滯后效應(yīng)”，所以9月的月均植被NDVI下降較少，10—12月植被逐漸枯萎，所以月均植被NDVI 在10—12月呈顯著下降趨勢(shì). 整體來(lái)看，2000—2017年鄭州市月均植被NDVI的變化規(guī)律與鄭州市的氣候特點(diǎn)以及農(nóng)作物種植特點(diǎn)相符合.

3.1.2 鄭州市季均植被NDVI 變化特征 圖2 和表1 展示了2000—2017 年鄭州市季均植被NDVI 的變化特征. 從圖2 可以看出，四個(gè)季度中植被NDVI 最大的是夏季，其次是春季、秋季、冬季，這符合一般情況. 但2005年、2008年、2011年和2014年這四年秋季的季均植被NDVI均大于春季，且夏季的季均植被NDVI都有所下降. 因?yàn)檫@四年的夏季降水較多，植被生長(zhǎng)作物收割延遲，所以導(dǎo)致這四年夏季的季均植被NDVI 降低，秋季的季均植被NDVI升高. 從變化趨勢(shì)來(lái)看，鄭州市四季的季均植被NDVI有上升也有下降，其中春夏兩季的季均植被NDVI呈下降趨勢(shì)，秋冬兩季的季均植被NDVI呈上升趨勢(shì). 分析原因發(fā)現(xiàn)，近些年來(lái)隨著鄭州市城建用地面積的不斷增長(zhǎng)，導(dǎo)致可供生長(zhǎng)植被的土地面積逐漸減少，這也就使得鄭州市春季的季均植被NDVI逐漸降低. 同時(shí)，也正是由于可供生長(zhǎng)植被的土地面積減少以及春季種植作物減少，才相應(yīng)地使得夏季植被覆蓋度降低，再加上近些年來(lái)臺(tái)風(fēng)頻繁，夏季降水較多，不利于植被的生長(zhǎng)，從而使得鄭州市夏季的季均植被NDVI也明顯下降. 秋冬兩季的季均植被NDVI呈上升趨勢(shì)，考慮一方面是由于受夏季氣候的影響，秋季植被生長(zhǎng)作物收割延遲，同時(shí)由于氣候變暖導(dǎo)致秋季氣溫稍微升高，所以植被枯萎減緩，這也就使得秋季的季均植被NDVI呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)；另一方面是由于近些年來(lái)鄭州地區(qū)較多暖冬，冬季氣溫比早些年要高，降雪量減少以及冬雪覆蓋植被的時(shí)間變短等因素有利于作物的生長(zhǎng)，所以使得冬季植的季均植被NDVI呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).

圖2 2000—2017年鄭州市季均植被NDVI變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of seasonal average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

表1 2000—2017年鄭州市季均植被NDVI和年均植被NDVI變化趨勢(shì)的線性回歸方程及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Linear regression equation and significance test results of the change trend of seasonal average vegetation NDVI and annual average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

3.1.3 鄭州市年均植被NDVI變化特征 圖3為2000—2017年鄭州市年均植被NDVI的變化特征. 由圖3可以看出，鄭州市年均植被NDVI在2000—2017年呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均植被NDVI的增長(zhǎng)率為0.009/10 a（表1）.以上結(jié)果表明鄭州市的植被覆蓋度正在朝著良好的方向發(fā)展，說(shuō)明城市綠化對(duì)鄭州市植被覆蓋有很大的貢獻(xiàn)，這也體現(xiàn)了鄭州市對(duì)生態(tài)保護(hù)政策的良好貫徹落實(shí). 本研究得到的2000—2017年鄭州市年均植被NDVI呈上升趨勢(shì)的研究結(jié)論與李新鴿等的研究結(jié)論一致［14］.

3.2 鄭州市植被NDVI的空間變化特征

圖4 和圖5 反映了2000—2017 年鄭州市多年年均植被NDVI 的空間分布狀況和統(tǒng)計(jì)特征. 可以看出，NDVI 值在0.4～0.5 之間的區(qū)域分布面積最廣，占研究區(qū)總面積的52.95%，主要分布在中牟縣、新鄭市的中北部、鞏義市以及登封市的大部分區(qū)域. NDVI值在0.5～0.6 之間的區(qū)域占研究區(qū)總面積的27.45%，主要分布在新密市的東南部和新鄭市的西南部、滎陽(yáng)市的中部與南部、鞏義市與登封市以及與新密市的交界處. 新密市的東南部地勢(shì)平坦，大多為農(nóng)作物覆蓋，新鄭市的西南部為始祖山，始祖山為省級(jí)森林公園，市政府對(duì)植被開發(fā)保護(hù)尤為重視，引進(jìn)大量四季常青樹，滎陽(yáng)市的中部和南部的地形為丘陵和平原，大多為農(nóng)作物覆蓋，鞏義市與登封市以及與新密市的交界處為五指嶺，人工干預(yù)較少，植被生長(zhǎng)茂盛，因此這四個(gè)地區(qū)的植被覆蓋度較高. NDVI 值在0.2～0.4 之間的區(qū)域主要是鄭州市所轄的各市縣的主城區(qū)，占研究區(qū)總面積的17.83%. NDVI值大于0.6的區(qū)域占研究區(qū)總面積的28.56%，所占面積較少，主要位于登封市的西北邊界. NDVI值低于0.2 以下的區(qū)域僅占研究區(qū)總面積的0.66%，所占面積最少，主要位于鄭州市的北部邊界以及鄭州市轄區(qū)中部. 鄭州市北部邊界是黃河河道，為水體覆蓋區(qū)，鄭州市轄區(qū)中部為整個(gè)鄭州市經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，此地區(qū)城建發(fā)達(dá)、人口分布集中，所以這兩個(gè)地區(qū)植被覆蓋度較低. 整體來(lái)看，除黃河河道和鄭州市各轄區(qū)的主城區(qū)以外，鄭州市其他地區(qū)的植被覆蓋狀況良好.

4 結(jié)論

本研究基于MODIS-NDVI 數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用最大合成值法、均值法、一元線性回歸模擬等方法分析了鄭州市近18 年植被覆蓋的時(shí)空變化特征. 得到以下主要結(jié)論：

圖3 2000—2017年鄭州市年均植被NDVI變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of annual average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

圖4 2000—2017年鄭州市多年年均植被NDVI空間分布圖Fig.4 The spatial distribution map of annual average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

圖5 2000—2017年鄭州市多年年均植被NDVI空間分布像元統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Pixel statistics graph of the spatial distribution of annual average vegetation NDVI in Zhengzhou City from 2000 to 2017

1）2000—2017 年鄭州市月均植被NDVI整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，其中7月和8月的植被覆蓋度最高.

2）2000—2017年鄭州市季均植被NDVI最大的是夏季，最小的是冬季. 其中，春夏兩季的季均植被NDVI呈下降趨勢(shì)，秋冬兩季的季均植被NDVI呈上升趨勢(shì)，這說(shuō)明生長(zhǎng)季延長(zhǎng)是鄭州市植被應(yīng)對(duì)全球氣候變化的主要響應(yīng).

3）2000—2017年鄭州市年均植被NDVI呈增加趨勢(shì)，表明鄭州市的植被覆蓋總體上處于不斷改善的狀態(tài).

4）在空間上，除黃河河道和鄭州市各轄區(qū)的主城區(qū)以外，鄭州市其他地區(qū)的整體植被覆蓋狀況良好.

需要說(shuō)明的是，由于缺乏相關(guān)的具體資料，本文在表述植被NDVI上升或下降的原因時(shí)比較籠統(tǒng)，未對(duì)植被覆蓋變化的人文、自然因素進(jìn)行定量分析，在以后的研究中有待于進(jìn)一步分析植被覆蓋度變化與人文、自然因素之間的定量關(guān)系，從而為鄭州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)工作提供更加全面的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù).