基于NDVI的華北平原農(nóng)業(yè)干旱演變特征研究

安明明

（河南省濟源水文水資源勘測局，河南 濟源 459099）

0 前言

干旱現(xiàn)象嚴重威脅了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，短時間內(nèi)的干旱現(xiàn)象就可以迅速造成大面積的農(nóng)作物減產(chǎn)現(xiàn)象，如果旱情發(fā)生在作物生長關(guān)鍵期甚至?xí)斐赊r(nóng)作物的絕收，森林大火、土地鹽堿等并發(fā)地次生災(zāi)害，對社會造成深遠的影響。長遠來看，農(nóng)業(yè)干旱首先會造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉用水轉(zhuǎn)化為土壤有效含水量的大量減少，更嚴重會威脅傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中長期形成的種植結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、農(nóng)作物布局，甚至還會導(dǎo)致土地荒漠化、土地鹽堿化等各種土壤問題，對整個生態(tài)系統(tǒng)的正常運行發(fā)展造成巨大的破壞。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)旱情分析主要是基于地面站點測定的土壤墑情來研究干旱的發(fā)展情況，其準確性、代表性、完整性有限且成本較大。遙感技術(shù)具有準確、及時、大范圍等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積的農(nóng)業(yè)干旱進行快速監(jiān)測。文章以歸一化植被指數(shù)NDVI 作為農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)，研究了華北平原1999-2019年的農(nóng)業(yè)干旱時空演變特征，以期彌補傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法在空間尺度上的不足。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

華北平原是中國七個主要平原中的第二大平原，范圍廣闊且地勢平坦，海拔在50 m 以下。黃淮海平原降雨總量并不十分充足，但降雨期大多集中在作物的生長旺季，且降雨總量的地理、四季以及多年年際之間的差異較大，年平均降雨量為500～900 mm。華北平原內(nèi)的中北部一帶年平均降雨量低于500 mm，屬于易旱地區(qū)，而黃河以南地區(qū)年平均降雨量為700～900 mm，基本可以滿足南部地區(qū)種植作物的兩熟需要。文章選取的數(shù)據(jù)為中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心官網(wǎng)提供的1999-2019 年的全國范圍內(nèi)的NDVI 數(shù)據(jù)集，其在空間上的分辨率為1 km。將21年間各月份的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入Arcgis軟件之中，對坐標系進行調(diào)整以保證投影不出現(xiàn)偏差，然后通過裁剪處理生成1999-2019年的華北平原NDVI數(shù)據(jù)集。

1.2 方法

1.2.1 歸一化植被指數(shù)NDVI

NDVI 是一種無量綱的植被指數(shù)，已經(jīng)在各尺度的農(nóng)業(yè)干旱動態(tài)變化監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。文章使用的NDVI 是采用最大值合成法將每月1-3 旬的NDVI 數(shù)據(jù)合成月值數(shù)據(jù)集，這樣可以比較好地消除云、大氣以及太陽高度角等的部分影響。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗的目的是評估所選擇的序列，隨著時間的變化，是否存在上升或下降的單調(diào)趨勢。當(dāng)數(shù)據(jù)具有單調(diào)上升（下降）的趨勢，就意味著該統(tǒng)計變量存在隨時間增加（減少）的情況。在MK檢驗中，不需要正態(tài)分布的假設(shè)，所以MK檢驗是非參數(shù)檢驗。該方法的具體步驟參照文獻。

2 結(jié)果與分析

綜合華北平原1999-2019 年各月份的NDVI 變化趨勢，可以得到圖1。從圖1中可以看出21年間NDVI變化情況基本一致，總體上NDVI值范圍在0.20～0.70，各年份均在1月取得最小值。2-7 月份呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，而在8月份取得年內(nèi)最大值，9-12 月逐漸降低，并與次年1 月、2 月相銜接。其中在2001年1月取得多年間最小值0.17，2008年8月取得多年間最大值0.75。并且，Mann-Kendall檢驗得到趨勢特征Z值為0.03，表明1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢，旱情處于減緩趨勢。

圖1 NDVI逐月變化情況圖

根據(jù)以上分析，發(fā)現(xiàn)在2001年1月華北平原NDVI值出現(xiàn)最低值0.17，因此以2001年為例進行相關(guān)的研究，給出2001年年內(nèi)NDVI 的變化情況。從圖2 中可以看出該年份NDVI 最大值略有變化，整體維持在0.70～0.90，該年1 月、11 月與12 月NDVI 值均小于0.80，其余月份NDVI 最大值基本穩(wěn)定在0.80～0.90。各月份NDVI 平均值變化呈現(xiàn)開口向下拋物線形式，取值在0.17～0.70。其中，6月份NDVI值有所下降，該時期恰好屬于春小麥收割時期，因此可以認為小麥的收割對NDVI值的變化產(chǎn)生了一定的影響。8 月份取得最大值0.70，從9月開始華北平原整體NDVI值下降，可能是因為此時雨季結(jié)束，同時冬小麥播種基本結(jié)束，導(dǎo)致NDVI值整體呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖2 2001年年內(nèi)NDVI變化情況圖

如圖3 所示，華北平原NDVI 區(qū)域平均值年際變化趨勢明顯。整體上華北平原NDVI 值處于0.40～0.47，1999-2002 年NDVI 平均值逐年減小，在2002 年時取得11 年之間的最小值0.396?？紤]到華北平原以井灌為主且在2001年經(jīng)歷了較為嚴重的干旱，可以認為前一年大量消耗地下水灌溉，對2002年的NDVI 值產(chǎn)生了影響。2002-2004 年，NDVI 值急劇上升，至2004 年達到峰值0.46。之后2004-2006 年有略微下降，2006-2008 年再次上升，于2008 年取得0.47，之后2009-2010年略有下降，在2010-2012 年又有上升趨勢，在2012 年取得0.47。之后再次下降，2015年后又開始上升，并在2017年取得多年最大值0.47。綜合21年的變化情況，可以認為華北平原的年NDVI值有上升趨勢，即華北平原的干旱情況有緩解。

圖3 各年NDVI變化情況圖

以2001年1-3月份為例，得到華北平原NDVI的空間分布特征。由1-3 月NDVI 變化情況可以看出，該時間段中華北平原大部分地區(qū)NDVI值較低，整體較為干旱，僅河南小部分地區(qū)NDVI值較大。1月份，除了部分地區(qū)外整體NDVI均處于較低水平，具有較嚴重的干旱現(xiàn)象。2月份，河北大部地區(qū)干旱情況加劇，同時河南地區(qū)的NDVI值有所升高，華北平原整體上仍然處于干旱狀態(tài)。3月份，河南地區(qū)NDVI有明顯升高，同時河北、山東與河南接壤地區(qū)NDVI升高，局部最大值達到0.836。4月份與3月變化趨勢相一致，此時河南NDVI達到較高水平，河北山東大部地區(qū)NDVI持續(xù)增高。時至5月份華北平原僅有河北張家口一帶與沿渤海一帶NDVI值仍然偏低，考慮到河北西部地區(qū)靠近地形較高，且環(huán)渤海地區(qū)并不能進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以認為其是正常現(xiàn)象。6 月份由于春小麥的收割并逐漸進入夏季，華北平原中部整體NDVI值有所降低其平均值降低至0.40。

7-9 月份華北平原進入雨季，該時間段內(nèi)華北平原整體NDVI 值處于較高水平，最大值達到0.70，時期變差系數(shù)為0.15，達到年內(nèi)最低水平。此時期，環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)仍由于不能種植農(nóng)業(yè)作物而處于最低水平。10月份之后，雨季結(jié)束，此時淮河全段開始進入枯水期。河南東南部NDVI 值最先開始減小，11-12月華北平原北部地區(qū)NDVI均開始減小，期間河南地區(qū)略有恢復(fù)但是地區(qū)平均值只有0.26，最大值也只有0.67，NDVI值整體處于較低水平。

3 小結(jié)

針對華北平原的農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象日益嚴重的問題，文章基于1999-2019年華北平原的NDVI數(shù)據(jù)集，研究了基于NDVI的華北平原農(nóng)業(yè)干旱演變特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢，干旱情況有所緩解。并且，最嚴重的干旱發(fā)生年份為2001年，該年份的1月NDVI值出現(xiàn)最小值0.17。