近38 年科爾沁沙地NDVI時空演化

張 麗，張昱鑫

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

0 引言

植被在陸表能量交換、水文循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用，是氣候變化的敏感指示器[1-2].歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)是指示大尺度植被覆蓋和生產(chǎn)力的重要指標，其數(shù)值大小可表征植被活動強度，進而反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的屬性特征[3-4].利用遙感技術(shù)開展大區(qū)域長時間序列植被變化研究，是揭示生態(tài)系統(tǒng)的變化特征的重要方法[5-6].學者已報道全球范圍內(nèi)植被覆蓋呈現(xiàn)上升趨勢[7]，中國[8]及其東北部地區(qū)[9]植被覆蓋均表現(xiàn)出一定程度的變化，而植被覆蓋變化受氣候變化與人類活動共同影響，是區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的直接結(jié)果[10]，揭示植被時空演化與氣候變化、人類活動的關(guān)系，可為應(yīng)對氣候變化、提升生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)能力提供理論依據(jù)[11].在植被變化驅(qū)動力方面，洲際尺度上，A.Mohammat等[12]通過對亞洲內(nèi)陸地區(qū)1982—2009年各季節(jié)NDVI變化研究認為，地表變綠趨勢在20世紀90年代終止，春季變冷和夏季干旱是其主要原因；在國家尺度上，樸世龍等[13]通過對1982—1999年中國NDVI變化分析認為，春季是中國植被NDVI均值上升趨勢最明顯、增長速率最快季節(jié)，生長季的提前是中國植被對全球變化響應(yīng)最主要方式；而在區(qū)域尺度上，J.Ren等[14]通過對天山北麓1982—2000年NDVI變化及氣候驅(qū)動因素分析發(fā)現(xiàn)，NDVI增加主要是由氣象因子中降水量增加所致.科爾沁沙地處于歐亞大陸中緯度巨型沙帶的東緣[15]，是中國北方典型的農(nóng)牧交錯帶，區(qū)域氣候變化與人類活動具有特殊性[16-17].目前，學者在科爾沁沙地，多開展沙丘形態(tài)監(jiān)測、土壤水分空間變異特征等工作，而較少關(guān)注長時間序列植被的演化特征.因此，本文選擇中國東北典型沙地——科爾沁沙地為研究對象，利用GIMMS NDVI和MODIS NDVI數(shù)據(jù)，獲得該區(qū)長時間序列NDVI數(shù)據(jù)，在時空尺度上分析該區(qū)植被演化特征，同時結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，探討影響因子及其貢獻率.以期闡明中國北方沙地NDVI時序變化過程及驅(qū)動力，為進一步實施生態(tài)恢復工程提供科學參數(shù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

科爾沁沙地處于西遼河下游干、支流沿岸的沖積平原上，是大興安嶺與燕山山脈東延相交地帶，屬新華夏系和陰山緯向構(gòu)造體系所控制的松遼沉降帶的一部分[18]，西起燕山山系的七老圖山，東至松遼平原西部，南以努魯兒虎山為界，北接大興安嶺山地南緣.范圍42°30′～44°50′N，118°30′～124°15′E，面積64 387.22 km2，處于溫帶季風氣候區(qū)向溫帶大陸性氣候過渡地帶，年均溫為5.2～6.4 ℃，年降水量為343～500 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 500～2 500 mm，冬季多西北風，春季多西南風，年均風速為3.5～4.5 m/s，全年日照時長為2 900～3 100 h，無霜期約140～160 d.地帶性土壤主要為栗鈣土、黑鈣土和栗褐土.天然植物群落以中旱生植物為主，原生植被以榆樹和蒙古櫟為主.

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)包括GIMMS NDVI和MODIS NDVI，GIMMS NDVI數(shù)據(jù)采用美國國家航天航空局(NASA)全球檢測與模型研究組(GIMMS)提供的GIMMS NDVI半月最大合成數(shù)據(jù)，時間序列為1982—2006年，時間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km×8 km，該數(shù)據(jù)集是目前最長時間序列的NDVI數(shù)據(jù)，與其他NDVI數(shù)據(jù)相比，其誤差小、精度高，已廣泛應(yīng)用于全球及區(qū)域大尺度植被變化的研究中[19]；MODIS NDVI數(shù)據(jù)為2001—2020年，時間分辨率為16 d，空間分辨率為1 km×1 km.利用MODIS Reprojection Tools(MRT)軟件對下載的原始數(shù)據(jù)進行格式與投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接和裁剪，統(tǒng)一采用WGS1984地理坐標系統(tǒng)，并重采樣為8 km×8 km空間分辨率.兩種數(shù)據(jù)集在制備過程中已經(jīng)過輻射校正和幾何粗校正、圖像幾何精校正、除壞線、除云等處理，保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量[20].

由于兩種NDVI數(shù)據(jù)采用了不同的傳感器，在近紅波段NIR、紅波段R以及時間和空間分辨率方面有差異，故在數(shù)據(jù)補插融合前需要對兩種數(shù)據(jù)進行一致性檢驗.本文采用GIMMS NDVI時間序列范圍為1982—2006年，MODIS NDVI數(shù)據(jù)的時間范圍為2001—2020年，依據(jù)2001—2006年共6年的重疊數(shù)據(jù)，對年生長季(4—10月)平均最大植被NDVI數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得到兩者相關(guān)系數(shù)為0.894，在0.05置信水平上顯著相關(guān)，說明兩種數(shù)據(jù)年度數(shù)據(jù)在全區(qū)域尺度上具有顯著一致性.采取同樣方法對兩者月尺度數(shù)據(jù)進行一致性檢驗，相關(guān)系數(shù)為0.958，在0.01置信水平上通過檢驗.綜上，針對科爾沁沙地區(qū)域空間尺度來說，可以用MODIS NDVI數(shù)據(jù)集對GIMMS NDVI數(shù)據(jù)插補進行時間序列分析，結(jié)合2007—2020年MODIS NDVI數(shù)據(jù)插補2007—2020年度和月份GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，將實驗數(shù)據(jù)的時間跨度延伸為1982—2020年.

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//www.gscloud.cn)，包括1982—2020年研究區(qū)內(nèi)26個氣象站點的月平均氣溫、降水、風速和蒸發(fā)量數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法

為分析區(qū)域植被覆蓋及NDVI在時間和空間上變化特征，采用最大合成法(Maximum Value Composites，MVC)獲取月NDVI最大值，反映某段時間內(nèi)植被指數(shù)最佳狀態(tài)，可減少氣溶膠、云陰影和視角等噪音影響，降低誤差[21]，提高植被指數(shù)精度和質(zhì)量，計算公式為

MNDVIi=Max(NDVI1，NDVI2).

其中：i為月序號(i=1，2，…，12)，取值范圍為1～12；MNDVIi為第i月的NDVI最大值；NDVI1和NDVI2分別為第i月上、下半月NDVI值；Max()為最大值，并在此基礎(chǔ)上通過月NDVI最大值求取年NDVI最大值.

1.3.2 均值法

為反映研究區(qū)域NDVI平均水平，采用均值法統(tǒng)計研究區(qū)NDVI均值.均值處理(Mean Value Method，MVM)能有效的降低極端氣候條件對植被指數(shù)異常值造成的干擾，公式為

其中：i為年序號(i=1，2，…，38)；NDVIi表示第i年NDVI值；n為數(shù)據(jù)項數(shù)目；j為天序號(j=1，2，…，31)；NDVIij表示第i年j月NDVI值.

1.3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析方法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度[22-23]，對運行機制與物理原型不清楚或者根本缺乏物理原型灰關(guān)系進行模式化[24]，公式具體如下：

設(shè)序列Xi=(xi(1)，xi(2)，…，xi(n))，Xj=(xj(1)，xj(2)，…，xj(n)).始點零化像分別為

ρij=θεij+(1-θ)γij.

其中θ∈[0，1].

1.3.4 相關(guān)分析

相關(guān)分析是研究兩個或兩個以上處于同等地位隨機變量間的相關(guān)關(guān)系，是對總體中確實具有聯(lián)系的標志進行分析，可衡量兩個變量因素的相關(guān)密切程度，公式為

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時間變化特征

2.1.1 年際變化

科爾沁沙地1982—2020年生長季(4—10月)NDVI值總體呈波動增加趨勢(見圖2)，增幅23.05%，年均增長率為0.59%.其中，1982—1992年NDVI值呈波動增加趨勢，增幅為16.43%，年均增加率為1.64%；1992—2007年波動減少，降幅為17.46%，年均減少速率為1.16%；2007—2020年又呈顯著增加趨勢，增幅為28.31%，年均增加速度為2.18%，2017年NDVI達到最大值(2.063 9).

圖2 科爾沁沙地NDVI年際變化趨勢

2.1.2 季節(jié)變化

研究期內(nèi)，科爾沁沙地春季NDVI均值為0.319 7，從1982年的0.352 1增加到2020年的0.415 2(見圖3)，增幅為17.92%，年均增長率為1.46%；夏季NDVI均值為0.711 9，由研究初期的0.583 0增至研究末期的0.822 0，增幅高達40.99%，年均增長率為1.05%；秋季NDVI均值為0.578 0，總體增加0.036 7，增幅為4.89%，年均增長率為0.13%.總體來看，2003年以后，科爾沁沙地各季節(jié)NDVI均值波動較大.

圖3 科爾沁沙地NDVI季節(jié)變化趨勢

2.2 NDVI空間演化特征

2.2.1 空間總體特征

在科爾沁沙地尺度上，植被生長季NDVI東部高、西部低，由東部向西部呈減少趨勢(見圖4(A)).近38 年大部分地區(qū)植被生長季NDVI的年均值都在0.25以上，植被狀況良好；而沙地西南部NDVI年均值集中在0.15～0.25之間，植被狀況稍差.從縣域角度看，雙遼市、康平縣和科爾沁左翼后旗東南部的NDVI多年平均值較高，在0.35～0.49之間；而翁牛特旗和奈曼旗西部的NDVI多年均值相對較低，在0.15～0.26之間.

2.2.2 空間演化特征

科爾沁沙地大部分地區(qū)生長季NDVI呈上升趨勢(見圖4(B))，增加數(shù)值介于0.05～0.15之間，其中，庫倫旗中西部、奈曼旗中部和開魯縣中西部地區(qū)NDVI的增加數(shù)值介于0.25～0.35之間，變化顯著；而庫倫旗東部、康平縣中部、科爾沁右翼中旗和阿魯科爾沁旗北部的部分地區(qū)，NDVI呈現(xiàn)下降趨勢，減少數(shù)值介于0.05～0.15之間.

(A)多年均值；(B)空間變化

2.3 NDVI時空演化氣候因素分析

2.3.1 氣候變化特征

科爾沁沙地年均氣溫呈波動降低趨勢，降幅為27.99%；年均降水量總體呈波動減少趨勢，近38年平均年均降水量334.27 mm，二次滑動平均分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)呈現(xiàn)干濕交替的氣候變化特征；年均風速整體呈先上升后下降趨勢，其中1982—1998年增幅為35.14%，而1998—2019年降幅為27.66%；年均蒸發(fā)量亦可分兩個階段，1982—2002年年均蒸發(fā)量較高且波動變化顯著，降幅達46.05%，而2000—2020年年均蒸發(fā)量顯著減少且較為穩(wěn)定.

2.3.2 NDVI與氣候因素的關(guān)系

植被指數(shù)變化受自然與社會經(jīng)濟多方面影響，是一個隨機變化的灰色量，適合于灰色關(guān)聯(lián)分析.科爾沁沙地NDVI年均值與年均風速、年均氣溫、年均降水量、年均蒸發(fā)量的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)皆大于0.7，說明NDVI變化與氣候因素存在著較大的相關(guān)性.NDVI與氣象因子的灰色關(guān)聯(lián)序均為年均降水量>年均風速>年均氣溫>年均蒸發(fā)量。

這表明該區(qū)年均降水和年均風速對植被指數(shù)變化影響最大，年均氣溫與年均蒸發(fā)量次之.

表1 NDVI與氣象因素灰色關(guān)聯(lián)系分析

對沙地1982—2020年NDVI與各對應(yīng)相同年份氣象因子年均氣溫、年均降水、年均風速和年均蒸發(fā)量進行相關(guān)分析表明，科爾沁沙地年NDVI與年均氣溫、年均降水量、年均風速和年均蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.361，0.656，0.597，0.233，且均在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).科爾沁沙地NDVI與氣候要素的相關(guān)系數(shù)中，年均降水量>年均風速>年均氣溫>年均蒸發(fā)量，表明降水對NDVI的影響較大，降水對植被生長具有重要作用，是影響沙地NDVI變化主控因素.

3 結(jié)語

1982—2020年，科爾沁沙地植被生長季NDVI總體呈現(xiàn)波動上升趨勢，與全球干旱區(qū)[25]、中國[26]及其東部地區(qū)[27]等不同尺度上關(guān)于NDVI變化趨勢的研究結(jié)果一致.特別是以1992年為分水嶺，該年以前NDVI呈現(xiàn)顯著增加趨勢，之后呈顯著減少趨勢，這一特征與S.L.Piao等[28]、A.Mohammat等[12]研究結(jié)果一致.科爾沁沙地NDVI年內(nèi)變化呈單峰型曲線，5月份增大，7月份達到最高值，9月份開始回落，與馬明國等[29]和程瑛等[30]報道一致.這種變化驅(qū)動力是全球氣候變化背景下的區(qū)域響應(yīng).

科爾沁沙地植被覆蓋總體上呈增加趨勢，并受控于氣候條件的變化，如大氣的水熱狀況，尤其是大氣降水作用更為明顯.學者已開展的相關(guān)研究成果已證實這一點[20，27].而2000年以后，尤其在國家退耕還林還草、天然林保護、防沙治沙工程等政策的影響下，使得該區(qū)由沙漠化向綠洲化方向發(fā)展的進程加快，下一步工作將開展政策指標的量化分析，以定量分析政策成效.

(1)近38年科爾沁沙地NDVI呈增加趨勢，年均增長速度為0.01，增幅為32.78%；NDVI增加區(qū)域多位于農(nóng)田分布區(qū)，且具有空間差異性，沙地整體呈現(xiàn)由荒漠化向綠洲化方向發(fā)展.

(2)科爾沁沙地NDVI多年均值在1.423 5～2.063 9間波動，變化階段特征明顯，其中，1985—1992年和2007—2020年植被覆蓋增加顯著，增速分別為4.06%/年和4.53%/年；季節(jié)變化特征與年內(nèi)變化特征具有一致性，并都呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢.

(3)科爾沁沙地NDVI增加區(qū)域較大，但增幅較小，且具有空間差異性，高值地區(qū)主要分布于其東南部，低值地區(qū)主要分布在西北部，從像元分布看，增加區(qū)域主要位于農(nóng)田種植區(qū).

(4)科爾沁沙地植被生長季NDVI變化受氣象因素中的年均降水和年均風速共同驅(qū)動，而降水是影響該區(qū)NDVI值變化的主導因素.