2010—2019年三亞市NDVI時(shí)空變化特征

曹俊濤，康 雄，楊 杰，王建雄

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明650201； 2.云南省高校農(nóng)業(yè)遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程研究中心，云南 昆明650201)

0 引言

植被覆蓋變化對(duì)于全球環(huán)境變化可持續(xù)發(fā)展研究具有重要影響，人類通過土地有關(guān)的自然資源活動(dòng)對(duì)地面植被覆蓋狀況改變，其對(duì)于氣候、水資源、生物多樣性和環(huán)境質(zhì)量的影響不僅局限于當(dāng)?shù)?，更在全球范圍?nèi)產(chǎn)生著微妙的變化[1-2]。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)對(duì)于植被的變化反應(yīng)十分敏感，被廣泛應(yīng)用于地表植被覆蓋和植被生長(zhǎng)狀況的研究，同時(shí)可分析天氣及氣候事件對(duì)生物圈的影響[3-5]。許婧等[6]對(duì)西雙版納2001—2015年植被覆蓋變化進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明植被分布受到氣候和生態(tài)恢復(fù)等多重影響，植被指數(shù)變化特征與當(dāng)?shù)貧夂蜃兓攸c(diǎn)基本吻合。余文洋等[7]對(duì)河南省2000—2015年歸一化植被指數(shù)時(shí)空變化與氣候因子的空間相關(guān)性進(jìn)行分析，表明河南省年平均NDVI受降水的影響比氣溫的影響要顯著。趙舒怡等[8]基于MODIS/NDVI數(shù)據(jù)和地表氣象數(shù)據(jù)分析得到華北大部分區(qū)域內(nèi)夏秋兩季干旱對(duì)植被覆蓋度有顯著影響。姚武韜等[9]采用植被指數(shù)分級(jí)、地表能量分級(jí)和植被—能量關(guān)系等指標(biāo)，結(jié)合雨林垂直分帶和植被分布信息，探討了1987—2016年三亞市熱帶雨林環(huán)境的時(shí)空變化特征，結(jié)果表明近30年三亞市區(qū)域內(nèi)植被覆蓋比例在90%左右，并呈現(xiàn)整體趨高態(tài)勢(shì)。張亞杰等[10]基于海南島18個(gè)國家氣象站1960—2017年逐日氣溫和降水資料，得出海南島范圍內(nèi)季節(jié)干旱發(fā)生頻次和強(qiáng)度等均為春季最為嚴(yán)重，冬季次之，夏、秋季較弱。王永鋒等[11]對(duì)廣西1998—2012年NDVI時(shí)空變化與降水和氣溫進(jìn)行分析，得出NDVI與前2個(gè)月降水量和前1個(gè)月溫度有顯著相關(guān)，并且NDVI對(duì)降水量和溫度最大響應(yīng)的滯后期分別為2～3個(gè)月和1～2個(gè)月的結(jié)論。

三亞市植被種類繁多，物種豐富，目前對(duì)于三亞的研究主要在局部區(qū)域、氣溫降水和極端天氣的影響等，對(duì)于該區(qū)域的植被覆蓋變化研究較少，并且時(shí)間較早[10-13]。因此，本文從時(shí)間維度和多因素水平上分析2010—2019年三亞市NDVI變化趨勢(shì)，從降雨量與日照時(shí)數(shù)方面對(duì)三亞市NDVI變化進(jìn)行闡述，以深入了解三亞市植被動(dòng)態(tài)變化及成因，為三亞市生態(tài)建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

三亞市位于海南島最南部，北緯18°09′34″～18°37′27″、東經(jīng)108°56′30″～109°48′28″，屬熱帶海洋性氣候區(qū)，北靠高山，南臨大海，地勢(shì)由南至北逐漸傾斜，年均氣溫25.7 ℃，年均降水量1 417.5 mm，降水量西部比東部少，有明顯的多雨季和少雨季。

2 材料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源

采用的MODIS NDVI影像數(shù)據(jù)集來源于美國航空航天局的MODIS網(wǎng)站，MODIS NDVI影像數(shù)據(jù)經(jīng)ENVI投影空間參考為GCS_WGS_1984，空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為16 d，2010—2018年年降水量與日照時(shí)數(shù)均來源于《三亞市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1最大值合成法

依據(jù)MODIS數(shù)據(jù)合成時(shí)間，將該月2個(gè)16 d數(shù)據(jù)集經(jīng)最大值合成作為該月的NDVI值，若該月只有1個(gè)16 d數(shù)據(jù)集則直接作為該月的NDVI值。

2.2.2Pearson相關(guān)系數(shù)

Pearson相關(guān)系數(shù)可以用來檢驗(yàn)兩個(gè)變量X、Y之間相關(guān)性的強(qiáng)弱關(guān)系，取值范圍為[-1，1]，在此區(qū)間衡量年降水量、年日照時(shí)數(shù)與年NDVI均值的相關(guān)性大小。Pearson相關(guān)系數(shù)適用于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，因此在用其檢測(cè)相關(guān)性大小之前應(yīng)先進(jìn)行正態(tài)分布的測(cè)試，如式(1)所示。

(1)

當(dāng)ρ=0時(shí)，說明變量X與變量Y之間無相關(guān)性；當(dāng)ρ=1時(shí)，表明變量X與變量Y之間完全線性相關(guān)；0<ρ<1，表明X與Y變量之間為正相關(guān)，-1<ρ<0，表明X與Y變量之間為負(fù)相關(guān)；ρ越接近1，則相關(guān)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1NDVI月變化

由圖1可知，三亞市2010—2019年NDVI月平均值整體呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，其中月NDVI均值最大值出現(xiàn)在9月，為0.77。4月NDVI均值最小，為0.662 4。4—9月NDVI均值逐月上升，9月—次年4月NDVI均值逐月下降。

植物在生長(zhǎng)過程中對(duì)于水分的需求是不可或缺的，三亞處于熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，有明顯的多雨和少雨季節(jié)，每年的5—10月為多雨季節(jié)，總降水量可達(dá)1 500 mm左右，占全年總降水量的70%～90%，NDVI月均值變化范圍在0.701 3～0.744 4。每年11月—次年4月為少雨季節(jié)，僅占全年降水量的10%～30%，少雨季節(jié)時(shí)干旱常常發(fā)生，NDVI月均值變化范圍在0.662 4～0.752 6，月NDVI均值的時(shí)間變化趨勢(shì)與降雨趨勢(shì)基本完全匹配。由圖2可知，雨季時(shí)的NDVI均值相較于旱季時(shí)期有明顯增大，且集中于三亞市中部區(qū)域，這一現(xiàn)象是由于三亞市北部為隆起的山脈，植被覆蓋量大且多為闊葉林區(qū)，對(duì)于水分的保持能力較強(qiáng)，中西部區(qū)域多為草原與農(nóng)用地，對(duì)于水分的保持能力相對(duì)較弱，因此旱季時(shí)草原地區(qū)的NDVI比雨季時(shí)的NDVI有減少。城市居民區(qū)的植被覆蓋量較少，雨季和旱季時(shí)的NDVI無明顯變化。受降雨、溫度和光照等綜合影響，三亞市NDVI值先減小后增大再減小，1—2月，三亞市溫度最低，且多干旱少雨，植物生長(zhǎng)受限，因此NDVI值呈下降趨勢(shì)。3月起，溫度逐漸升高，日照時(shí)數(shù)增加，但降水仍不充沛，NDVI值仍然下降，但減小速率變低。5月起三亞市進(jìn)入雨季，范圍內(nèi)降雨逐漸增多，植被生長(zhǎng)所需水分充足，與此同時(shí)溫度逐漸升高，光合作用增強(qiáng)，植物生長(zhǎng)環(huán)境適宜，因此NDVI值持續(xù)增加，9月NDVI值達(dá)到最大值。10月起隨著日照時(shí)數(shù)逐漸縮短，氣溫逐漸降低，植物生長(zhǎng)受限，加之11月起三亞市進(jìn)入旱季，降雨減少，且多有干旱，因此NDVI值呈現(xiàn)下降態(tài)勢(shì)。

3.2NDVI值年變化

由圖3可知，三亞市2010—2019年年平均NDVI值為0.721 9，最小值出現(xiàn)在2014年，為0.695 9，最大值出現(xiàn)在2017年，為0.736 8，總體呈現(xiàn)上升的 趨勢(shì)，每年上升0.002 4。其中2010—2013年NDVI值逐漸增大，2013—2014年NDVI均值出現(xiàn)較大波動(dòng)，NDVI均值從0.726 9減小至0.696 5，減少了0.030 4，2014—2017年NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，由0.696 5增大至0.736 8，增大了0.040 3。2017—2019年NDVI值呈降低趨勢(shì)。三亞市年NDVI值雖有波動(dòng)，但整體NDVI值仍處于較高水平，說明三亞市近10年植物生長(zhǎng)狀況良好，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境無巨大變動(dòng)。

3.3氣候因子與年均NDVI值關(guān)系

由圖4可知，2010—2018年降水量變化趨勢(shì)總體上與2010—2018年年均NDVI值變化趨勢(shì)相近，呈現(xiàn)先增大后減小，再增大，最后降低的趨勢(shì)。其中2014年三亞市降水量為849.6 mm，相比于多年年平均值1 417.5 mm減少了567.9 mm，更比2013年降水量1 930.7 mm減少了1 081.1 mm，水分對(duì)于植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，2014年的降水量驟減在一定程度上影響了當(dāng)年植物的生長(zhǎng)，也造成了2014年年均NDVI值相較于其他年份較少。

由圖5可知，三亞市2010—2018年日照時(shí)數(shù)均值為1 858.77 h，總體呈現(xiàn)先減小后增大，再減小，最后增加的趨勢(shì)，其趨勢(shì)與年NDVI值和總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。其中最多日照時(shí)數(shù)年2010年為2 181.3 h，日照時(shí)數(shù)最少年2014年為1 641.3 h。陽光對(duì)于植物生長(zhǎng)必不可少，在低緯度區(qū)域帶其熱量也是十分可觀，更加大了植物的蒸騰作用，若超過一定限度，則會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的抑制作用。

經(jīng)Pearson相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證，2010—2018年降水量和年日照時(shí)數(shù)與年均NDVI值相關(guān)系數(shù)分別為0.631和-0.593。

4 結(jié)束語

通過對(duì)三亞市2010—2019年基于時(shí)間序列的MODIS NDVI影像數(shù)據(jù)處理，利用方差評(píng)價(jià)法及相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論。

(1)時(shí)間序列分析表明，2010—2019年間三亞市NDVI整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。植物生長(zhǎng)特征受到溫度、降雨與季節(jié)的影響，NDVI月變化與旱季和雨季有極大相關(guān)性。

(2)三亞市NDVI年變化受降雨量和日照時(shí)數(shù)等多重影響，豐沛的降雨量可為植物提供良好的理化條件，對(duì)植物生長(zhǎng)起促進(jìn)作用，而較多的日照時(shí)數(shù)則對(duì)植物生長(zhǎng)有直接或間接的抑制作用。

本研究綜合分析評(píng)定了2010—2019年三亞市NDVI變化趨勢(shì)及變化原因，結(jié)合降水量和日照時(shí)數(shù)深入了解了三亞市NDVI變化特征。本文僅在年際尺度上研究了三亞市NDVI與降雨量和日照時(shí)數(shù)的關(guān)系，對(duì)于月際尺度的變化分析仍需進(jìn)一步研究。