基于MODIS的大別山區(qū)NPP及NDVI時空動態(tài)及相關性研究

張紅峰, 王怡恩, 顧治家*, 李泮營, 衣 強, 郭偉紅, 郭 華

(1. 鄭州大學 黃河實驗室, 河南 鄭州 450001; 2. 河南省嵩縣水土保持科學研究所, 河南 嵩縣 471400;3. 信陽師范大學 地理科學學院, 河南 信陽 464000; 4. 河南省水土保持監(jiān)測總站, 河南 鄭州 450008)

0 引言

植被凈初級生產(chǎn)力NPP(Net Primary Productivity)是評估生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的基礎[1],它不僅可以反映陸地植被的生長狀態(tài),也常用來計算地球生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳吸收量,研究生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)情況。目前,NPP已經(jīng)被廣泛應用于土地利用評價、氣候變化、碳循環(huán)與碳擾動、自然資源管理和區(qū)域生態(tài)規(guī)劃等方面[2]。歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子,對地面植被葉綠素變化具有敏感性和較高的時空分辨率,因此可以很靈敏地反映NPP的動態(tài)變化。早在1991年已有研究者利用NDVI來分析和估測美國大平原的植被初級生產(chǎn)力[3]。近年來將NDVI數(shù)據(jù)應用到大尺度、長時間的環(huán)境監(jiān)測以及植被對氣候變化的響應成為了研究熱點[4-5]。國內(nèi)外針對NPP的研究側(cè)重于其時空變化特征研究,并利用模型來估算植被凈初級生產(chǎn)力。也有學者研究了NPP對氣候因子的響應,但對于NPP與NDVI之間相互關系的探討還需要進一步深入[6-7]。雖有不少學者已對區(qū)域植被動態(tài)變化進行了大量研究,但對大別山區(qū)長時間序列植被NDVI、NPP變化及相互關系研究還遠遠不夠[8-9],尤其對于是否可以用NDVI對NPP有效地進行監(jiān)測仍不明晰?；诖?本文利用MOD17A3 NPP和MOD13Q1 NDVI遙感數(shù)據(jù),分析2000—2019年大別山區(qū)NDVI和NPP的時空變化特征及其相關性,以期實現(xiàn)大別山區(qū)植被動態(tài)監(jiān)測和植被生產(chǎn)力的估測,以便更有效地進行生態(tài)系統(tǒng)管理。

1 研究區(qū)概況

大別山區(qū)橫跨河南、安徽、湖北3省,包括35個縣(市、區(qū))654 個鄉(xiāng)、鎮(zhèn),地跨黃岡市、六安市、安慶市和信陽市,總面積約72 200 km2,地理位置為112°40′—117°10′E、30°10′—32°30′N。該地區(qū)南北過渡性氣候特征明顯,年均溫為 12.5 ℃,南部以大別山為主體,屬北亞熱帶濕潤季風氣候,年均降水量 1115～1563 mm;北部屬黃淮平原,為暖溫帶半濕潤季風氣候,年均降水量 623～975 mm[10]。大別山區(qū)主要為低山丘陵,林地、耕地所占面積大,為中國典型的集山區(qū)、庫區(qū)、革命老區(qū)、貧困區(qū)于一體的特殊區(qū)域,也是我國中部地區(qū)的重要生態(tài)功能區(qū)和長江中下游地區(qū)的重要生態(tài)屏障[11]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)來自美國航空航天局LAADS(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)的MOD13Q1植被覆蓋指數(shù)數(shù)據(jù),空間和時間分辨率分別為250 m和16 d,利用最大合成法構建季節(jié)和年NDVI數(shù)據(jù)集。NPP數(shù)據(jù)來自MOD17A3HGF陸地植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù),空間和時間分辨率分別為500 m和1 a,時間跨度為2000—2019年。此外,利用MOD13Q1數(shù)據(jù)校準了研究區(qū)內(nèi)的MOD17A3數(shù)據(jù)。研究區(qū)8個基準氣象臺站逐日的氣溫和降水數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn),時間序列為2000—2019年。研究區(qū)1∶100萬植被類型空間分布數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

(1)變化趨勢

采用一元線性回歸分析的方法,用最小二乘法計算求得斜率(slope),計算研究區(qū)20 a間植被的變化趨勢。年際變化的最小次方線性回歸方程的斜率被定義為NPP的變化率。計算公式如下:

(1)

式中:θslope是回歸方程的斜率,表示大別山區(qū)2000—2019年間NDVI或NPP值隨著時間變化的趨勢。θslope>0,表示隨著時間的變化呈上升趨勢,且θslope值越大,上升趨勢越明顯;θslope=0,表示無明顯變化;θslope<0,表示隨時間變化而呈現(xiàn)下降趨勢。Xi代表第i年NDVI或NPP值。

(2)

(2)相關性分析

研究區(qū)域內(nèi)NPP與NDVI的相關性選用相關系數(shù)作為評價的定量化指標。

3 結果與分析

3.1 大別山區(qū)NPP動態(tài)變化

2000—2019年大別山區(qū)年NPP變化范圍為402～576 g/(m2·a),均值為497 g/(m2·a),其中2015年大別山區(qū)植被的年NPP最大,為576 g/(m2·a),2000年植被年NPP最小,僅為402 g/(m2·a)。2000—2019年大別山區(qū)的NPP呈顯著增加趨勢(p<0.05),增長率為4.26%(圖1)。其中2000—2006年和2012—2015年時段植被NPP呈現(xiàn)較高的增長率,分別為9.54%和25.15%。2016—2019年以來植被NPP又有所降低,植被NPP的變化與水熱條件關系密切,相關分析表明其與該區(qū)降水和氣溫呈正相關,尤其是與降水關系極為密切,NPP大的年份往往降水較為豐沛。

圖1 2000—2019年大別山區(qū)NPP、NDVI的年際變化Fig. 1 Variation of NPP and NDVI in the Dabie Mountain area from 2000 to 2019

大別山區(qū)植被NPP整體上呈現(xiàn)出“中間高,四周低”的分布特征(圖2a),空間差異大,變化范圍在100.96～1 102.81 g/(m2·a),高于平均值的區(qū)域占比45.85%,低于平均值的區(qū)域占比54.15%。NPP較低的區(qū)域主要分布在大別山地區(qū)北部,大部分在300～400 g/(m2·a)之間,主要位于河南省信陽市東部和安徽省六安市北部。

圖2 2000—2019年大別山區(qū)植被NPP(a)及變化率(b)空間分布Fig. 2 Spatial distribution of NPP (a) and its variation rate (b) in Dabie Mountain area from 2000 to 2019

NPP較高的區(qū)域主要分布在湖北省黃岡市大部分地區(qū)和安徽省安慶市西北部。大別山區(qū)中部多為林地和草地,針葉林、闊葉林和灌叢多集中于該區(qū)域,相應的植被NPP相對較高。大別山區(qū)邊緣區(qū)域多是城鄉(xiāng)、居民用地的聚集地。因此,植被NPP易形成“中間高、邊緣低”的空間分布格局。

2000—2019年NPP變化趨勢表明,大部分地區(qū)NPP呈增大的趨勢;有76.68%的區(qū)域范圍NPP變化率超過10%,基本不變(NPP變化率在-10%～10%)的面積占19.87%。植被 NPP的變化百分率>30%的植被主要分布在信陽市南部及六安市中部,說明這些地區(qū)植被生長狀況得到較好的改善(圖2b)。植被NPP的變化率<-10%的植被主要零星分布在河南省信陽市與安徽省六安市交界線北部、湖北省黃岡市南部和安徽省安慶市南部。由此可見,人類活動對植被NPP的影響較大,盡管整體上來講大別山區(qū)NPP逐年增大,但人類活動密集的區(qū)域NPP則不斷降低。

3.2 大別山區(qū)NDVI動態(tài)變化

2000—2019年大別山區(qū)年NDVI變化范圍為0.73～0.81,多年均值為0.78,NDVI最大值出現(xiàn)于2015年,最小值出現(xiàn)于2001年。2000—2019年大別山區(qū)植被NDVI整體上呈現(xiàn)增長的趨勢,平均增長速率為0.25%(圖1)。近20 a來NDVI的變化可以分成3個階段:2000—2006年NDVI呈現(xiàn)快速上升,上升速率達到了0.87%;2007—2012年NDVI值表現(xiàn)為下降趨勢,下降速率為0.14%;2013—2019變化較為平穩(wěn),上升速率為0.02%。2018—2019年NDVI下降幅度較大,是因為2019年年降雨量急劇減少,僅為866 mm,遠低于多年平均降雨(1262 mm),同時日平均氣溫也高于正常年份,是2014年以來的最高日均溫。正是由于水熱條件的變化,直接導致該時段內(nèi)NDVI急劇降低。大別山區(qū)夏季NDVI最大,其次為春季和秋季,冬季最小(圖3)。

圖3 2000—2019年大別山區(qū)各季節(jié)NDVI時間變化特征Fig. 3 Temporal variation of seasonal NDVI in Dabie Mountain area from 2000 to 2019

在研究時間段內(nèi),各個季節(jié)都呈增長趨勢,但變化也有所差異,春季NDVI呈極顯著增加趨勢(p<0.01),多年平均值為0.58,最小值出現(xiàn)于2000年,NDVI為0.54,2016年達到最大值為0.66(圖3a);夏季NDVI呈顯著增加趨勢(p<0.05),多年平均值為0.75,最小值出現(xiàn)在2006年(0.64),最大值出現(xiàn)在2015年(0.81)(圖3b);秋季NDVI也呈極顯著增加趨勢(p<0.01),多年平均值為0.57。2001年出現(xiàn)明顯降低的趨勢,NDVI為0.51,2017年出現(xiàn)最大值為0.66(圖3c);冬季NDVI最小,多年平均值為0.40,但也呈顯著增加趨勢(p<0.05)。冬季NDVI最小值出現(xiàn)在2000年,最大值出現(xiàn)在2016年(圖3d)。

大別山區(qū)NDVI整體上呈現(xiàn)出由中心向四周遞減的格局(圖4a),具有明顯的區(qū)域差異,變化范圍在0.003～0.937之間,絕大區(qū)域的NDVI在0.7～0.9之間。NDVI較低的區(qū)域主要分布在大別山區(qū)四周邊緣。78.88%的區(qū)域植被處于改善趨勢,54.21%的植被輕度改善,22.64%的植被中度改善;2.03%的植被明顯改善,主要集中在安徽省六安市北部;但仍有11.10%的區(qū)域植被處于退化趨勢,主要分布于大別山區(qū)南部的黃岡市和安慶市(圖4b)。

圖4 2000—2019年大別山區(qū)植被NDVI(a)及變化趨勢(b)空間分布Fig. 4 Spatial distribution of NDVI (a) and its variation trend (b) in Dabie Mountain area from 2000 to 2019

3.3 大別山區(qū)NPP與NDVI的關系

20 a間大別山區(qū)植被NPP和NDVI總體上均呈上升的趨勢,且NPP與NDVI具有極強的相關性(相關系數(shù)為0.703,p<0.01)。大別山區(qū)有85.81%的區(qū)域呈現(xiàn)正相關,有14.19%的區(qū)域呈現(xiàn)負相關。15.76%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著正相關,而呈現(xiàn)極顯著正相關的區(qū)域占比為15.61%;有0.66%的區(qū)域呈顯著負相關,有0.26%的區(qū)域呈極顯著負相關。NPP與NDVI的相關性呈現(xiàn)西部高于東部的格局,相關系數(shù)較高的地區(qū)主要位于信陽市和黃岡市(圖5)。研究區(qū)不同植被類型的NPP與NDVI相關系數(shù)有所差別,其中針葉林的最高(相關系數(shù)為0.64),其次為闊葉林(相關系數(shù)為0.62)、灌叢(相關系數(shù)為0.46)和草叢(相關系數(shù)為0.44),栽培植被(主要為糧食作物、果園和經(jīng)濟林等)最低(相關系數(shù)為0.39)。

圖5 2000—2019年大別山區(qū)年均植被NPP、NDVI相關性空間分布Fig. 5 Spatial distribution of annual average NPP and NDVI correlations in the Dabie Mountains from 2000 to 2019

4 討論

在2000—2019年大別山區(qū)四季NDVI數(shù)值中,冬季最低,夏季最大。由于冬季的溫度、降水量較低,一部分植物進入落葉期,植被處于生長季末期,進而NDVI為一年四季最低。夏季溫度較高、降水充沛,光合作用強,植被處于生長季最旺盛時期,NDVI為一年四季最高。水熱組合狀況影響該區(qū)域的植被生長,植被NDVI與降水、氣溫等氣候因素有一定的關系[8-9],尤其是降水的影響最為顯著,降水充足的年份往往NDVI的值也相對較大。

大別山區(qū)NPP與NDVI在空間分布上具有相似性,都呈現(xiàn)出“中間高、邊緣低”的分布格局。大別山的邊緣地區(qū)受人類活動影響大,農(nóng)業(yè)活動頻繁,作物收割后植被覆蓋和生產(chǎn)力會明顯降低,植被NPP與NDVI較小且季節(jié)差異顯著。城市及周邊區(qū)域受工業(yè)化和城市化進程的影響,植被NPP與NDVI也較小。本研究表明,信陽市和六安市的局部地區(qū)植被狀況好轉(zhuǎn)的程度和比例較大,這與該區(qū)域近些年的茶葉種植密切相關,大面積的退耕種茶使得植被狀況逐年改善[12]。大別山區(qū)的中心區(qū)域是NDVI的高值區(qū),對應的NPP值也較高,這是因為該區(qū)域海拔高、坡度大,是林地集中分布的區(qū)域,植被覆蓋度較高又處于林地的生長期。研究區(qū)NPP與NDVI具有極強的相關性,可用線性回歸方程表示。相對來說,NPP的時間分辨率和空間分辨率較低,NDVI則可用多源遙感影像來獲取高分辨率。NDVI和NPP在不同植被類型上的相關性有所差異,在栽培植被上二者的相關性最低,該植被類型在大別山區(qū)的比例超過50%,用NDVI來估測栽培植被類型NPP時準確度會降低。

5 結論

基于2000—2019年大別山區(qū)MOD17A3 NPP和MOD13Q1 NDVI遙感數(shù)據(jù),分析大別山區(qū)NPP以及NDVI的時空演變特征及其相關性,主要結論如下:

(1)2000—2019年大別山區(qū)年NPP值和NDVI值均呈波動上升的趨勢。在季節(jié)尺度上,春季和秋季NDVI呈極顯著增加趨勢,夏季和冬季NDVI呈顯著增加趨勢。

(2)大別山區(qū)植被NPP和NDVI具有相似的空間分布格局,呈現(xiàn)出“中間高、邊緣低”的特征。近20 a來NDVI以及NPP的空間動態(tài),78.88%的大別山地區(qū)植被NDVI處于改善趨勢,NPP變化率大于10%的面積比例為76.68%,大部分區(qū)域的植被生長狀況有所改善。

(3)大別山區(qū)植被NPP和NDVI在不同植被類型上相關系數(shù)有所差別,其中針葉林的最高,其次為闊葉林、灌叢和草叢,栽培植被最低。

(4)大別山區(qū)植被NPP與NDVI具有極強的相關性,利用MODIS遙感數(shù)據(jù)實時監(jiān)測大別山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況和使用NDVI來估測除栽培植被外的其他植被凈初級生產(chǎn)力是可行的。