黑龍江省多年凍土區(qū)植被NDVI時(shí)空變化及其與地溫的響應(yīng)

李珺瑤 張冬有 王吉祥

摘要?利用1982—2006年NOAA AVHRR-GIMMS NDVI和2002—2010年MODIS NDVI 這2種數(shù)據(jù)并結(jié)合周邊13個(gè)氣象站的地表溫度數(shù)據(jù)，分析1982—2010年黑龍江省多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季植被NDVI在時(shí)間和空間上的尺度變化及其與地表溫度的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，黑龍江省多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季GIMMS NDVI和MODIS NDVI對(duì)植被NDVI具有很好的指示作用;1988—2004年植被波動(dòng)較大，2004年以后植被增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩，趨于平穩(wěn);在1982—2006年，植被NDVI與地表溫度5月為顯著正相關(guān)，6月相關(guān)性很弱，7、9、10月呈低度相關(guān)，8月則相關(guān)性顯著。在2002—2010年，5、10月為低度相關(guān)，6月為顯著相關(guān)，7—8月相關(guān)性較弱，9月為顯著相關(guān)?？傮w來看，植被覆蓋度不斷變好;植被NDVI與地表溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，年際變化總趨勢(shì)較為相似，具有同期性。

關(guān)鍵詞?NDVI;時(shí)空變化;地溫;響應(yīng);黑龍江省多年凍土區(qū)

中圖分類號(hào)?X171?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2020）14-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.020

Abstract?Using data of 1982-2006 NOAA AVHRR-GIMMS NDVI and 2002-2010 MODIS NDVI combined with surface temperature data of 13 weather stations， the spatial and temporal scales of the vegetation NDVI in growing season in the permafrost regions of Heilongjiang Province during 1982-2010 were studied and their response to surface temperature was analyzed. The research showed that the GIMMS NDVI and MODIS NDVI in the growing season of permafrost regions in Heilongjiang Province were consistent， and both had a good indication of vegetation NDVI. From 1988 to 2004，the trend of vegetation fluctuation was obvious. After 2004， the vegetation growth trend gradually slowed down and stabilized. During 1982-2006， vegetation NDVI was positively correlated with land surface temperature and significantly correlated in May. The correlation was very weak in June， with low correlation in July， September and October， and significant in August. During 2002 - 2010， May and October were low-level correlations， and June was a significant correlation，the correlation between July and August was weaker and September was significant. On the whole， the vegetation coverage continued to improve. The NDVI of vegetation had a strong correlation with surface temperature， and the interannual variations were similar and had the same period.

Key words?NDVI;Temporal and spatial variation;Ground temperature;Response;Permafrost region of Heilongjiang Province

凍土是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，且含有冰的巖石與土壤[1-2]。凍土一般分為三大類，即短時(shí)凍土、季節(jié)凍土和多年凍土。當(dāng)土壤凍結(jié)時(shí)間一直持續(xù)數(shù)年甚至達(dá)到1萬年以上時(shí)，凍結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)即定義為多年凍土。多年凍土在冰凍圈的重要作用已經(jīng)逐漸得到證實(shí)，它在冰凍圈的地位舉足輕重，發(fā)揮著不可替代的作用。黑龍江省多年凍土區(qū)主要分布在其西北部，是我國(guó)凍土分布的第二大地區(qū)，也是我國(guó)高緯度多年凍土區(qū)分布的主要地區(qū)之一，主要是大小興安嶺地區(qū)，其分界線大約在48°N以北地區(qū)，面積約為15×104 km2，凍土層厚度在5～100 m[3]。黑龍江省多年凍土區(qū)氣溫增加，以及帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，受到了廣泛關(guān)注。

Rouse等1974年提出的歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI），可直接表征某一地區(qū)植被覆蓋度，已被廣泛用于植被變化分析[4-6]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，通過遙感技術(shù)和空間分析軟件對(duì)全球和區(qū)域的宏觀變化進(jìn)行研究成為最常用的手段，遙感技術(shù)對(duì)植被動(dòng)態(tài)變化方面的研究也具有一定的說服力。Wang等[7]通過對(duì)1989—1997年堪斯薩州遙感NDVI對(duì)降水和溫度的響應(yīng)分析，了解NDVI與氣候間的響應(yīng)，為預(yù)測(cè)不同氣候情景下的生產(chǎn)力變化奠定了基礎(chǔ)。閆俊杰等[8]利用MODIS NDVI對(duì)新疆伊犁河谷的植被變化進(jìn)行了研究，分析了伊犁河植被覆蓋度隨海拔的變化;白建軍等[9]利用MODIS數(shù)據(jù)中MOD13Q1產(chǎn)品研究了2000—2010年陜北地區(qū)植被NDVI時(shí)空變化與氣候的相互關(guān)系。在GIMMS NDVI和MODIS NDVI的對(duì)比研究中，Xu等[10]利用GIMMS NDVI和MODIS NDVI對(duì)中國(guó)干旱區(qū)的氣候響應(yīng)進(jìn)行了研究;陳京華[11]將GIMMS NDVI和MODIS NDVI結(jié)合，對(duì)祁連山植被NDVI變化特征及其與氣候的關(guān)系進(jìn)行了研究;邵霄怡等[12]將GIMMS NDVI和MODIS NDVI結(jié)合，對(duì)黃土高原地區(qū)植被進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，結(jié)果表明2種數(shù)據(jù)都能夠有效地反映出黃土高原地區(qū)的植被變化特征，但是MODIS NDVI更加精確。

為了進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列分析需要對(duì)2種數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，該研究將MODIS與GIMMS的2002—2006年黑龍江省多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季（5—10月）年平均NDVI 進(jìn)行相關(guān)分析（圖2）。從圖2可以看出，GIMMS NDVI和MODIS NDVI數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出了一定的線性關(guān)系，得到方程為?y=0.922 56x+0.091 41（R2=0.859）?，通過了0.05的置信水平檢驗(yàn)，由此看出，盡管GIMMS數(shù)據(jù)分辨率比較低，但是對(duì)于植被NDVI的變化研究依然具有很好的指示作用。

2.2?植被NDVI生長(zhǎng)季時(shí)間分布特征

通過對(duì)生長(zhǎng)季（5—10月）NDVI變化特征進(jìn)行研究，得到結(jié)果如圖3～4所示。從圖3可以看出，1982—2006年多年凍土區(qū)植被生長(zhǎng)季GIMMS NDVI波動(dòng)較大，相關(guān)性微弱，?R2?為-0.036。最低值出現(xiàn)在2003年，最高值出現(xiàn)在1989年。1982—1983年NDVI下降趨勢(shì)明顯;1984—1989年NDVI整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì);1990—1993年，NDVI呈下降趨勢(shì);1994—1997年，NDVI又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前1年增長(zhǎng)速度較快，之后幾年NDVI增加趨勢(shì)緩慢;1998—2003年，NDVI呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，前1年下降趨勢(shì)明顯，中間下降趨勢(shì)緩慢，然后又迅速下降;2004—2006年，NDVI一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)逐漸放緩。

從圖4可以看出，2002—2010年多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季MODIS NDVI波動(dòng)較小，相關(guān)性較弱，?R2?為0.389 8。最低值出現(xiàn)在2002年;最高值出現(xiàn)在2010年。2002—2010年NDVI總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，2005—2008年NDVI連續(xù)減小，但下降趨勢(shì)緩慢。

整體來看，可以將1982—2010年多年凍土區(qū)NDVI變化趨勢(shì)大致分為5個(gè)階段：第1階段為1982—1989年，NDVI雖有小幅度波動(dòng)，但總體上呈持續(xù)增加趨勢(shì);第2階段為1990—1993年，NDVI表現(xiàn)下降趨勢(shì);第3階段為1994—1997年，NDVI表現(xiàn)一定的回升趨勢(shì);第4階段為1998—2003年，NDVI呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，期間伴隨著小幅波動(dòng);第5階段為2004—2010年，NDVI呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。黑龍江省多年凍土區(qū)這5個(gè)階段植被NDVI的生長(zhǎng)季變化趨勢(shì)與人類活動(dòng)和當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓兄匾年P(guān)系。

2.3?植被覆蓋變化趨勢(shì)分析

Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法和Mann-Kendall檢驗(yàn)相結(jié)合能夠有效地反映出多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季NDVI變化趨勢(shì)的空間分布特征。將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析計(jì)算的?S?NDVI值和Mann-Kendall檢驗(yàn)計(jì)算的?Z?值進(jìn)行分級(jí)。將?S?NDVI介于-0.000 5和0.000 5劃分為穩(wěn)定不變，?S?NDVI≥0.000 5劃分為改善區(qū)域，?S?NDVI≤0.000 5劃分為退化區(qū)域。將Mann-Kendall檢驗(yàn)在0.05置信水平上的顯著性結(jié)果劃分為顯著變化（?Z>1.96或Z?<-1.96）和不顯著變化（-1.96≤?Z?≤1.96）。將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析的分級(jí)結(jié)果和Mann-Kendall檢驗(yàn)的分級(jí)結(jié)果進(jìn)行疊加，得到像元尺度上NDVI變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)，并將結(jié)果劃分為5種變化類型（表1）。

從表1可以看出，黑龍江省多年凍土區(qū)1982—2010年生長(zhǎng)季植被改善區(qū)域占植被覆蓋總面積的39.38%，沒有發(fā)生顯著變化的區(qū)域占30.65%，輕微退化的區(qū)域占22.61%，嚴(yán)重退化的區(qū)域占7.36%。

從圖5可以看出，1982—2010年黑龍江省多年凍土區(qū)生長(zhǎng)季地表植被改善的區(qū)域明顯大于植被退化的區(qū)域。明顯改善的區(qū)域分布在大興安嶺地區(qū)的中南部包括塔河縣、呼瑪縣以及黑河北部和東南部地區(qū)包括愛輝區(qū)、孫吳縣和遜克縣。輕微改善區(qū)域主要分布在大興安嶺地區(qū)北部和黑河中部。穩(wěn)定不變區(qū)域則在黑龍江省多年凍土區(qū)內(nèi)零散分布。嚴(yán)重退化區(qū)主要分布在黑龍江省多年凍土區(qū)的西部和東南部地區(qū)包括嫩江縣和遜克縣部分地區(qū)。輕微退化區(qū)主要分布在呼瑪縣北部、黑河中南部和伊春北部部分地區(qū)。

2.4?生長(zhǎng)季植被NDVI與地表溫度的響應(yīng)

一個(gè)地區(qū)的植被覆蓋狀況與地表溫度具有一定的關(guān)系，該研究選取了黑龍江省多年凍土區(qū)及其周邊地區(qū)的13個(gè)氣象站點(diǎn)的地表溫度數(shù)據(jù)，研究其與植被NDVI的年變化關(guān)系。從圖6～8可以看出，1982—2006年平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化在1982、1983、1984、1987、1989、1990、1991、1992、1994、1999、2000、2003、2005、2006年表現(xiàn)出較高的一致性，在其他的年份則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì);最高平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化總體趨勢(shì)基本一致，兩者同時(shí)增加或同時(shí)減少;但是在1985、1986、1992、1995、1996、1997、1999、2001、2002年GIMMS植被NDVI與最高地表溫度的年際變化呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì);最低平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化在1983、1985、1986、1987、1988、1989、1990、1991、1992、1996、1997、1998、1999、2002、2003、2004、2005、2006年呈現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，在其余年份則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。在2002—2010年平均地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的年際變化中，2005、2007、2010年的變化趨勢(shì)基本一致，同增同減，但是在2002、2003、2004、2006、2008、2009年的變化趨勢(shì)則相反;最高地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的年際變化在2004、2005、2010年具有一致性，其他年份則表現(xiàn)出了相反的變化特征;最低地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的變化趨勢(shì)則具有較高的一致性，具體表現(xiàn)在2004、2005、2007、2008、2009、2010年，尤其是在后期一致性程度很高，其他年份則相反。這些變化都顯示出了植被NDVI對(duì)地表溫度的變化非常敏感，有些年份隨著地表溫度的升高，植被NDVI反而減少，僅進(jìn)一步說明了植被NDVI與地表溫度存在一定的同期效應(yīng)。

為了進(jìn)一步研究植被NDVI與地表溫度的相關(guān)性，該研究通過計(jì)算生長(zhǎng)季內(nèi)（5—10月）月均NDVI與月均地表溫度的相關(guān)系數(shù)來分析植被NDVI與地表溫度的關(guān)系。由前期的研究可以看出，地表溫度對(duì)植被NDVI的影響具有同期性，所以該研究利用1982—2006年生長(zhǎng)季逐月GIMMS NDVI和2002—2010年生長(zhǎng)季逐月MODIS NDVI 2個(gè)時(shí)間段內(nèi)的值，以及當(dāng)月、前期1月、前期2月地表溫度進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)如表2～3所示。

從表2可以看出，5月GIMMS NDVI與當(dāng)月、前期1月、2月地表溫度均表現(xiàn)出顯著相關(guān);6月GIMMS NDVI與前期1月、2月的地表溫度相關(guān)性均很弱，與當(dāng)月地表溫度的相關(guān)系數(shù)高于其他2組，呈低度相關(guān);7月GIMMS NDVI與當(dāng)月地表溫度呈顯著正相關(guān)，與前期1月、2月地表溫度均呈低度負(fù)相關(guān);8月GIMMS NDVI與前期1月、2月地表溫度均呈顯著正相關(guān)，與當(dāng)月地表溫度呈弱相關(guān);9月GIMMS NDVI與當(dāng)月和前期1月地表溫度呈低度負(fù)相關(guān);10月GIMMS NDVI與當(dāng)月地表溫度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.464，表現(xiàn)出低度相關(guān)，與前期1月、2月地表溫度均為弱相關(guān)。

從表3可以看出，5月MODIS NDVI與當(dāng)月和前期1月地表溫度均呈弱相關(guān)，與前期2月地表溫度呈低度負(fù)相關(guān);6月MODIS NDVI與當(dāng)月地表溫度呈顯著正相關(guān)，與前期2月地表溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與前期1月地表溫度表現(xiàn)出低度負(fù)相關(guān)性;7月MODIS NDVI與當(dāng)月、前期1月、2月地表溫度的相關(guān)性均表現(xiàn)出弱相關(guān);8月MODIS NDVI與前期1月、2月的地表溫度均呈弱正相關(guān)，與當(dāng)月地表溫度呈弱負(fù)相關(guān);9月MODIS NDVI與當(dāng)月、前期1月、2月的地表溫度均呈正相關(guān)，與當(dāng)月地表溫度相關(guān)性顯著，與前期1月、2月地表溫度相關(guān)性弱;10月MODIS NDVI與當(dāng)月、前期2月的地表溫度呈正弱相關(guān)性，與前期1月地表溫度呈弱負(fù)相關(guān)。

3?結(jié)論

通過研究得出，GIMMS NDVI和MODIS NDVI具有一致性，二者對(duì)植被NDVI均具有很好的指示作用。1982—2010年，植被NDVI最低值出現(xiàn)在2003年，最高值出現(xiàn)在1989年;1988—2004年，植被波動(dòng)趨勢(shì)明顯，2004年后，植被增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸放緩，趨于平穩(wěn)。地表覆蓋變化趨勢(shì)上，地表植被改善的區(qū)域明顯大于植被退化的區(qū)域。這與當(dāng)?shù)氐娜祟惢顒?dòng)和生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)息息相關(guān)，前期黑龍江多年凍土區(qū)的居民環(huán)境意識(shí)薄弱，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，亂砍亂劃，破壞森林和草地以及動(dòng)植物;后期，國(guó)家開始出臺(tái)相關(guān)法律法規(guī)對(duì)黑龍江省多年凍土區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，對(duì)已破壞地區(qū)進(jìn)行修護(hù)，鼓勵(lì)地方居民退耕還林，加大教育和宣傳，提高人們對(duì)凍土區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)，使黑龍江省多年凍土區(qū)的森林和植被得到慢慢恢復(fù)。1982—2010年，黑龍江省多年凍土區(qū)植被NDVI與地表溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，年際變化總趨勢(shì)較為相似，具有同期性。在1982—2006年，5月NDVI與地表溫度為顯著正相關(guān)，6月相關(guān)性很弱，7、9、10月表現(xiàn)出低度相關(guān)，8月則相關(guān)性顯著;在2002—2010年，5、10月為低度相關(guān)，6月為顯著相關(guān)，7—8月相關(guān)性較弱，9月為顯著正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊建平，楊歲橋，李曼，等.中國(guó)凍土對(duì)氣候變化的脆弱性[J].冰川凍土，2013，35（6）：1436-1445.

[2]楊建平，丁永建，方一平，等.冰凍圈及其變化的脆弱性與適應(yīng)研究體系[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2015，30（5）：517-529.

[3]臧淑英.黑龍江地理[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2014：19-50.

[4]賈虎軍，楊武年，周丹，等.基于MODIS地表溫度和歸一化植被指數(shù)的生態(tài)環(huán)境變化分析[J].遙感信息，2014，29（3）：44-49.

[5]田野，徐恒力，劉雙，等.基于歸一化植被指數(shù)變化分級(jí)的千山植被變化[J].中國(guó)水土保持，2010（1）：25-28，60.

[6]樊風(fēng)雷，邱茂慧.基于歸一化植被指數(shù)的廣州市植被時(shí)間變化分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，39（6）：1-3，7.

[7]WANG J，RICH P M，PRICE K P.Temporal responses of NDVI to precipitation and temperature in the central Great Plains，USA[J].International journal of remote sensing，2003，24（11）：2345-2364.

[8]閆俊杰，喬木，周宏飛，等.基于MODIS/NDVI的新疆伊犁河谷植被變化[J].干旱區(qū)地理，2013，36（3）：512-519.

[9]白建軍，白江濤，王磊.2000～2010年陜北地區(qū)植被NDVI時(shí)空變化及其與區(qū)域氣候的關(guān)系[J].地理科學(xué)，2014，34（7）：882-888.

[10]XU Y F，YANG J，CHEN Y N.NDVI-based vegetation responses to climate change in an arid area of China[J].Theoretical and applied climatology，2016，126（1/2）：213-222.

[11]陳京華.祁連山植被NDVI變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2016.

[12]邵霄怡，李奇虎，王書民.GIMMS和MODIS在黃土高原地區(qū)植被監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2017，34（5）：141-145.

[13]劉憲鋒，潘耀忠，朱秀芳，等.2000-2014年秦巴山區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征及其歸因[J].地理學(xué)報(bào)，2015，70（5）：705-716.

[14]張學(xué)珍，鄭景云，何凡能，等.1982—2006年中國(guó)東部秋季植被覆蓋變化過程的區(qū)域差異[J].自然資源學(xué)報(bào)，2013，28（1）：28-37.

[15]孫廣友，于少鵬，王海霞.大小興安嶺多年凍土的主導(dǎo)成因及分布模式[J].地理科學(xué)，2007，27（1）：68-74.

[16]陳云浩，李曉兵，史培軍.中國(guó)西北地區(qū)蒸發(fā)散量計(jì)算的遙感研究[J].地理學(xué)報(bào)，2001，56（3）：261-268.

[17]張蓮芝，李明，吳正方，等.基于SPOT NDVI的中國(guó)東北地表植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化及其機(jī)理研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25（1）：171-175.

[18]TUCKER C J，NEWCOMB W W，LOS S O，et al.Mean and inter-year variation of growing-season normalized difference vegetation index for the Sahel 1981-1989[J].International journal of remote sensing，1991，12（6）：1133-1135.

[19]MILICH L，WEISS E.GAC NDVI interannual coefficient of variation（CoV）images：Ground truth sampling of the Sahel along north-south transects[J].International journal of remote sensing，2000，21（2）：235-260.

[20]USMAN M，LIEDL R，SHAHID M A，et al.Land use/land cover classification and its change detection using multi-temporal MODIS NDVI data[J].Journal of geographical sciences，2015，25（12）：1479-1506.

[21]蔡博峰，于嶸.基于遙感的植被長(zhǎng)時(shí)序趨勢(shì)特征研究進(jìn)展及評(píng)價(jià)[J].遙感學(xué)報(bào)，2009，13（6）：1170-1186.

[22]樸世龍，方精云.最近18年來中國(guó)植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化[J].第四紀(jì)研究，2001，21（4）：294-302.

[23]LUNETTA R S，KNIGHT J F.Land-cover change detection using multi-temporal MODIS NDVI data[J].Remote sensing of environment，2006，105（2）：142-154.

[24]TOIC' I.Spatial and temporal variability of winter and summer precipitation over Serbia and Montenegro[J].Theoretical and applied climatology，2004，77（1）：47-56.

[25]KENDALL M G.Rank correlation methods[M].London：Griffin，1970.

[26]索玉霞，王正興，劉闖，等.中亞地區(qū)1982年至2002年植被指數(shù)與氣溫和降水的相關(guān)性分析[J].資源科學(xué)，2009，31（8）：1422-1429.