2000—2016年遼寧省NDVI時(shí)空變化及其與降水量的關(guān)系

劉艷偉，王淑瑩，焦忠?guī)?/p>

(1. 昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 云南 昆明650500； 2. 中國(guó)水利水電第六工程局有限公司, 遼寧 沈陽(yáng)110179)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是聯(lián)結(jié)大氣、土壤、水分的自然“紐帶”.植被的生長(zhǎng)變化和降水、溫度、濕度、日照等氣候因子有密切關(guān)系，氣候的改變也無(wú)疑成為植被活動(dòng)的影響因素之一.植被與氣候變化的關(guān)系已逐步成為當(dāng)今科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1].遙感數(shù)據(jù)因其周期性和連續(xù)性好、覆蓋范圍廣、綜合動(dòng)態(tài)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)已成為獲取地表信息的主要手段[2]，其中歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域[3].NDVI在利用遙感技術(shù)描述植被生長(zhǎng)狀況中起著重要的“橋梁”作用.近年來(lái)，一些學(xué)者已開(kāi)始研究不同區(qū)域的NDVI變化與氣候因子的關(guān)系.神祥金等[4]通過(guò)對(duì)近11 a來(lái)東北地區(qū)植被NDVI變化及對(duì)氣象因子的相關(guān)性和滯后性研究，發(fā)現(xiàn)年均NDVI受降水、溫度影響較為顯著；武晉雯等[5]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)變化特征分析，探尋出植被指數(shù)從一定程度上反映植被對(duì)氣候變暖的響應(yīng)；何全軍[6]分析了珠三角地區(qū)NDVI變化特征，表明珠三角地區(qū)植被指數(shù)年際間差異明顯，這主要是由降水時(shí)空分布不均勻造成的.

植被季節(jié)性和年際性變化特點(diǎn)使其在全球環(huán)境變化中擔(dān)當(dāng)了“指示器”的角色，植被變化受氣象因子尤其是降水因子的影響，植被生長(zhǎng)需水大多來(lái)源于降水，因此開(kāi)展遼寧地區(qū)NDVI時(shí)空分布及其與降水量關(guān)系研究對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和干旱預(yù)警有重要意義.文中擬研究遼寧省NDVI的時(shí)空變化與氣候因子中降水量的關(guān)系，以揭示遼寧省植被變化特征，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和全球氣候變化研究提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于東北地區(qū)南部，地理坐標(biāo)處于118°53′E—125°46′E，38°43′N(xiāo)—43°26′N(xiāo)，東西端直線距離最寬約550 km，南北端直線距離約550 km.地勢(shì)北高南低，山地丘陵分列東西.遼寧省西部低山丘陵、東部低山地區(qū)植被以林地為主，耕地主要分布在中部和北部地區(qū)，草地主要集中在西南部地區(qū).遼寧省林地面積約6.12萬(wàn)km2，耕地面積約6.18萬(wàn)km2，草地面積約0.47萬(wàn)km2，城建用地面積約1.21萬(wàn)km2，水域面積約0.53萬(wàn)km2，未利用地面積約0.16 萬(wàn)km2.遼寧省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，冬冷夏暖，夏季降水占全年60%以上.

根據(jù)地形特點(diǎn)和氣候特征不同，將遼寧省劃分為5個(gè)氣候區(qū)：遼西地區(qū)，包括錦州市、葫蘆島市、阜新市和朝陽(yáng)市；遼北地區(qū)，包括鐵嶺市、沈陽(yáng)北部；遼東地區(qū)，包括撫順市、本溪市、丹東市、鞍山南部；遼南地區(qū)，包括大連市、營(yíng)口市；遼寧中部，包括沈陽(yáng)南部、盤(pán)錦市、鞍山北部、遼陽(yáng)市.氣候區(qū)分布見(jiàn)圖1.

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)

文中遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)自NASA網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov).采用MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A2數(shù)據(jù)，其時(shí)間分辨率16 d，空間分辨率1 km×1 km.下載的MOD13A2為16 d合成植被指數(shù)數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為2000—2016年.

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

文中的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.cma.gov.cn/ 2011qxfw/2011 qsjgx).選用遼寧省清原站、本溪站、章黨站、桓仁站、岫巖站、寬甸站、丹東站、彰武站、阜新站、朝陽(yáng)站、葉柏壽站、黑山站、錦州站、綏中站、興城站、營(yíng)口站、熊岳站、瓦房店站、長(zhǎng)海站、莊河站、大連站、開(kāi)原站、新民站、鞍山站、沈陽(yáng)站共25個(gè)基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)2000—2016年的月降水量相關(guān)資料.

2.1.3 數(shù)據(jù)處理

將下載的遙感影像數(shù)據(jù)通過(guò)ENVI5.3圖像處理軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具(MCT)、數(shù)據(jù)鑲嵌、投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、波段運(yùn)算、裁剪等預(yù)處理，使用Arcgis10.2進(jìn)行空間分析，并利用最大值合成法消除部分干擾和影響后獲取NDVI數(shù)據(jù)集[7].

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法(MVC)

常用NDVI數(shù)據(jù)合成方法有累加處理、平均值處理和最大值處理.選用最大值合成法，它是對(duì)一個(gè)有若干期觀測(cè)值的特定像素，選擇具有最大NDVI值的觀測(cè)值作為反射值，通過(guò)云檢測(cè)、質(zhì)量控制等步驟后，逐個(gè)像元比較NDVI圖像，并選取最大NDVI值為合成后的NDVI值.該方法可進(jìn)一步消除大氣中來(lái)自云、氣溶膠、云陰影、視角及太陽(yáng)高度角的影響[8].

NDVImi=Max(NDVIij)，

(1)

式中：NDVImi為第i個(gè)16 d周期的NDVI最大合成值；NDVIij為第i個(gè)16 d周期內(nèi)第j天的NDVI值.

2.2.2 年平均累積法

為了分析遼寧省各地區(qū)的年際之間NDVI的變化分布情況，采用年平均累積法[9].

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI的空間變化

遼寧省NDVI空間分布如圖2所示.由圖可知，遼寧省NDVI的空間分布區(qū)域性較為明顯，大體上呈現(xiàn)出遼寧東部最高、中部和南部次之、北部較低、西部最低的特點(diǎn).說(shuō)明東部地區(qū)的植被覆蓋率最高，中部和南部次之，西部和北部植被覆蓋率最低.在研究區(qū)的東部，撫順市、本溪市、鞍山市南部、丹東市等組成的區(qū)域NDVI值為0.44～0.76；沈陽(yáng)南部、盤(pán)錦市、鞍山北部、遼陽(yáng)市等組成的中部區(qū)域NDVI值為0.45～0.68；大連市、營(yíng)口市組成的南部區(qū)域NDVI值為0.42～0.62；沈陽(yáng)北部、鐵嶺市組成的北部區(qū)域NDVI值為0.35～0.54；錦州市、葫蘆島市、阜新市和朝陽(yáng)市組成的西部區(qū)域NDVI值為0.22～0.51.

圖2 遼寧省NDVI空間分布圖

3.2 NDVI的時(shí)間變化

3.2.1NDVI的年際變化

遼寧省2000—2016年年際歸一化植被指數(shù)和平均降水量變化趨勢(shì)如圖3，4所示，其中P為年均降水量.

圖3 遼寧省2000—2016年年際NDVI變化趨勢(shì)

由圖3可知，年均NDVI值的年際變化總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，植被覆蓋度呈增加的狀態(tài)，說(shuō)明研究區(qū)植被條件存在改善的趨勢(shì).遼寧省各地區(qū)2000年的年均NDVI值最小，說(shuō)明遼寧省2000年植被覆蓋度低.并且遼寧省各地區(qū)2000年的年均降水量也最少，遭受了不同程度的干旱.這與曹永強(qiáng)等[10]分析的1958—2008年遼寧省氣象干旱特征的研究結(jié)論一致，即近50 a中2000年遼寧省發(fā)生了歷史特大干旱.遼寧省各地區(qū)2014年年均NDVI值和平均降水量大幅度減小，說(shuō)明2014年遼寧省也遭受了不同程度的干旱.這與劉曉靜等[11]分析的近50 a遼寧省干旱時(shí)空演變規(guī)律中2014年遼寧省遭遇了夏旱和秋旱的結(jié)論基本一致.遼寧省各地區(qū)年均NDVI值與平均降水量變化趨勢(shì)基本一致，且2008年的年均NDVI值和平均降水量均達(dá)到最大值，表明遼寧省植被指數(shù)變化在一定程度上受降水量影響較大，這與蔣嬌嬌等[12]研究的近10 a遼寧省春季植被覆蓋變化的結(jié)論基本一致.

3.2.2NDVI的年內(nèi)變化

2000—2016年5—9月NDVI年內(nèi)的變化趨勢(shì)如圖5所示.由圖可以看出，NDVI值年內(nèi)存在季節(jié)變化，且呈現(xiàn)單峰型.其中，NDVI最大值基本上發(fā)生在7月，而6月和8月的NDVI值較7月偏小，9月的NDVI值比8月還低，但總體上比5月的NDVI值大，而遼寧省各地區(qū)5月的NDVI值是5—9月中最小的，這也說(shuō)明遼寧省5月干旱發(fā)生頻率較高.遼寧省5月至6月的NDVI值是大幅度增加的，6月至7月的NDVI值增加幅度有所降低，7月至8月的NDVI值開(kāi)始緩慢下降，8月至9月的NDVI值下降幅度明顯加大，即春季植物開(kāi)始生長(zhǎng)NDVI值緩慢上升，夏季NDVI值基本上達(dá)到峰值，秋季農(nóng)作物的收割和自然植被變化導(dǎo)致NDVI值緩慢的下降.5—9月遼寧省東部一直保持較高的NDVI值，中部自2002年以后一直保持較高的NDVI值，遼寧南部和北部NDVI相對(duì)較小，而遼寧西部一直保持最低的NDVI水平.分析5—9月NDVI年內(nèi)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)遼寧東部NDVI值變化率較小，這主要由遼寧東部地區(qū)植被以林地為主，自然植被覆蓋率高導(dǎo)致的；遼寧中部地區(qū)為主要糧食產(chǎn)區(qū)，受農(nóng)業(yè)種植的影響NDVI在植物生長(zhǎng)季的變化率較同時(shí)期省內(nèi)其他地區(qū)大.這與問(wèn)青春等[13]分析的遼寧省植被覆蓋特征規(guī)律一致.

圖5 2000—2016年5—9月NDVI年內(nèi)的變化趨勢(shì)

3.3 NDVI與降水量的關(guān)系

為了探究NDVI與降水量的關(guān)系，選取典型水文年2000年和2014年進(jìn)行分析.選取2000年和2014年作為樣本年，并分別繪出2000年和2014年遼寧省各地區(qū)的NDVI值和本月(同期)降水量的關(guān)系趨勢(shì)圖，如圖6所示.隨著降水量的增加，NDVI值隨之增加；隨著降水量的減少，NDVI值也隨之減小，說(shuō)明降水量在一定程度上影響了植被覆蓋度，且NDVI與降水量?jī)烧咧g呈線性回歸關(guān)系.其中遼寧東部和中部地區(qū)NDVI值和本月(同期)降水量相關(guān)性最好，南部、西部和北部相關(guān)性較弱.

圖6 NDVI與降水量的關(guān)系趨勢(shì)圖

通過(guò)2000年和2014年遼寧省各地區(qū)的NDVI值和滯后1個(gè)月降水量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，與遼寧省各地區(qū)的NDVI值和本月(同期)降水量的關(guān)系趨勢(shì)圖做對(duì)比，NDVI值和滯后1個(gè)月降水量的相關(guān)系數(shù)大于NDVI值和本月(同期)降水量的相關(guān)系數(shù)，表明NDVI與滯后1個(gè)月降水量的相關(guān)性高于NDVI與本月(同期)降水量的相關(guān)性.說(shuō)明降水通過(guò)土壤滲透、植物根系吸收反映到NDVI上的過(guò)程比較緩慢，NDVI與降水量?jī)烧咧g存在一定的滯后性.這一滯后性，使降水對(duì)陸地地表植被的有效時(shí)間尺度分布不均勻，在全球變化背景下研究地表植被覆蓋與降水的相互關(guān)系及時(shí)滯響應(yīng)就顯得格外重要，且已逐漸成為熱點(diǎn)和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容.

4 結(jié) 論

1) 遼寧省NDVI的空間分布區(qū)域性較為明顯，大體上呈現(xiàn)出遼寧東部最高、中部和南部次之、北部較低、西部最低的特點(diǎn).

2) 2000—2016年年均歸一化植被指數(shù)總體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，植被覆蓋度呈增加的狀態(tài)，在2000年和2014年遼寧地區(qū)發(fā)生了不同程度的干旱.

3) 2000—2016年5—9月NDVI值年內(nèi)存在季節(jié)變化，且呈現(xiàn)單峰型.NDVI最大值基本上發(fā)生在7月，而遼寧省各地區(qū)5月的NDVI值是5—9月中的最低的.春季植物開(kāi)始生長(zhǎng)，NDVI值緩慢上升，夏季NDVI值基本上達(dá)到峰值，秋季農(nóng)作物的收割和自然植被變化導(dǎo)致NDVI值緩慢下降.

4) 隨著降水量的增加，NDVI值隨之增加；隨著降水量的減少，NDVI值也隨之減小，說(shuō)明降水量在一定程度上影響了植被覆蓋度，且NDVI與降水量之間呈線性回歸關(guān)系.NDVI與滯后1個(gè)月降水量的相關(guān)性高于NDVI與本月(同期)降水量的相關(guān)性，這說(shuō)明降水經(jīng)農(nóng)作物根系吸收后需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能反映到NDVI上，這一緩慢的過(guò)程說(shuō)明NDVI與降水量?jī)烧咧g存在一定的滯后性.