延邊朝鮮族自治州NDVI時(shí)空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系

摘要 為明確延邊朝鮮族自治州（以下簡(jiǎn)稱延邊州）植被指數(shù)變化規(guī)律及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)機(jī)制，利用2000—2022年的MOD13Q1數(shù)據(jù)，結(jié)合降水量、氣溫等資料，通過(guò)一元線性回歸法、Theil-Sen Median 趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)法和相關(guān)系數(shù)分析法等，從時(shí)間和空間2個(gè)尺度分析延邊州NDVI變化特征及其與氣溫和降水量的響應(yīng)程度。結(jié)果表明：時(shí)間變化上來(lái)看，2000—2022年延邊州植被NDVI多年平均值為0.539，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升斜率為0.003 6/年。各縣（市）植被NDVI存在差異，但總體均呈現(xiàn)相似的波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，和龍市年均NDVI最高，為0.560，延吉市最低，為0.515。圖們市NDVI年均值上升趨勢(shì)最為明顯，為0.004 3/年，和龍市NDVI年均值上升趨勢(shì)最慢，為0.003 1/年?？臻g分布上來(lái)看，延邊州植被整體覆蓋狀況較好，植被NDVI年均值大于0.6的區(qū)域面積占總面積的22.93%，NDVI年均值在0.4～0.6的占67.16%；植被NDVI年均值小于0.4的面積僅占9.91%，主要分布在各縣（市）中心及周邊區(qū)域。植被NDVI呈上升趨勢(shì)的面積占研究區(qū)總面積的94.23%，其中，呈極顯著上升趨勢(shì)的面積占71.80%，呈下降趨勢(shì)的面積僅占研究區(qū)面積的2.48%，零星分布在部分耕地區(qū)域。植被NDVI對(duì)氣候因子響應(yīng)方面，延邊州大部分地區(qū)NDVI與氣溫、降水量呈正相關(guān)，約有67.23%的地區(qū)與降水量呈顯著正相關(guān)，大于與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)域（59.49%），表明全州范圍內(nèi)NDVI與降水量和氣溫均以正向促進(jìn)為主，且與降水量的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫。

關(guān)鍵詞 NDVI；時(shí)空變化特征；氣候因子；響應(yīng)程度；延邊州

中圖分類號(hào) Q948.112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2024）21-0187-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.21.039

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The Spatiotemporal Variation Characteristics of NDVI in Yanbian Korean Autonomous Prefecture and Its Relationship with Climate Factors

WANG Jing-jie，ZHAO Jing，LIU Yan-bin et al

（Meteorological Bureau of Yanbian Korean Autonomous Prefecture，Yanji，Jilin 133001）

Abstract In order to clarify the variation law of vegetation index in Yanbian Korean Autonomous Prefecture and its response mechanism to climate factors，MOD13Q1 data from 2000 to 2022 were used，combined with precipitation，temperature and other data.Through univariate linear regression，Theil Sen Median trend analysis，Mann-Kendall test and correlation coefficient analysis，the NDVI variation characteristics of Yanbian Prefecture and their response degree to temperature and precipitation were analyzed from two scales of time and space.The results showed that in terms of temporal variation，the average NDVI of vegetation in Yanbian Prefecture from 2000 to 2022 was 0.539，showing a fluctuating upward trend with an upward slope of 0.003 6 per year.There were differences in vegetation NDVI among various counties and cities，but overall they showed a similar fluctuating upward trend.Among them，Helong City had the highest annual NDVI value at 0.560，while Yanji City had the lowest at 0.515.The annual average increase trend of NDVI in Tumen City was the most obvious，at 0.004 3/year，while the annual average increase trend of NDVI in Helong City was the slowest，at 0.003 1/year.In terms of spatial distribution，the overall vegetation coverage in Yanbian area was good，with 22.93% of the total area having an annual average NDVI greater than 0.6，ranging from 0.4 to 0.6，accounting for 67.16%;the area with vegetation NDVI less than 0.4 accounted for only 9.91%，mainly distributed in the centers and surrounding areas of various counties and cities.The area with vegetation NDVI showing an upward trend accounted for 94.23% of the total area of the study area，of which 71.8% showed a highly significant upward trend，and only 2.48% showed a downward trend，sporadically distributed in some cultivated land areas.In terms of the response of vegetation NDVI to climate factors，in most areas of Yanbian Prefecture，NDVI was positively correlated with temperature and precipitation，with about 67.23% of areas showing a significant positive correlation with precipitation，which was greater than the significant positive correlation with temperature （59.49%）.This indicated that NDVI was mainly positively promoted with precipitation and temperature throughout the state，and the correlation with precipitation was stronger than that with temperature.

Key words NDVI;Spatiotemporal variation characteristics;Climate factors;Response level;Yanbian Prefecture

作者簡(jiǎn)介 王警潔（1983—），女，內(nèi)蒙古寧城人，工程師，從事氣象服務(wù)工作與研究。

收稿日期 2023-12-26

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在調(diào)節(jié)碳平衡、物質(zhì)能量循環(huán)及維持生態(tài)系統(tǒng)多樣性等方面發(fā)揮著重要作用，是全球氣候變化的“指示器”［1-2］。分析長(zhǎng)時(shí)間序列的植被指數(shù)變化是監(jiān)測(cè)植被覆蓋變化的主要手段。在眾多植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）被證實(shí)能夠真實(shí)評(píng)價(jià)植被覆蓋狀況，已被廣泛應(yīng)用于全球和區(qū)域尺度的植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)源對(duì)不同區(qū)域的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化及其影響因素進(jìn)行了研究［3-15］。如毛德華等［3］利用1982—2006年GIMMS NDVI數(shù)據(jù)和MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了東北多年凍土區(qū)植被覆蓋的時(shí)空特征，并結(jié)合同期氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和土地利用/覆被數(shù)據(jù)，探討凍土區(qū)植被覆蓋對(duì)氣候變化和土地覆被變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)植被NDVI與氣溫和降水均具有較顯著的相關(guān)性，不同的土地利用類型間的轉(zhuǎn)變對(duì)植被NDVI的大小和空間分布產(chǎn)生了重要影響；劉家福等［4］基于MODIS NDVI和GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集，研究了東北黑土區(qū)1982—2016年植被生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，指出平原地區(qū)植被NDVI與氣溫主要呈顯著正相關(guān)，而平原地區(qū)邊緣和山地地區(qū)的植被NDVI與降水量呈顯著正相關(guān)；石淞等［5］分析了2000—2020年?yáng)|北地區(qū)植被時(shí)空演變特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，指出近年來(lái)東北地區(qū)NDVI均呈上升趨勢(shì)，與氣溫、降水呈正相關(guān)，其中降水對(duì)NDVI的影響作用最強(qiáng)。上述學(xué)者的研究多集中在省域以上的大尺度范圍，但對(duì)延邊地區(qū)小尺度近20年植被指數(shù)評(píng)估的研究鮮見報(bào)道。基于此，筆者利用2000—2022年長(zhǎng)時(shí)間序列MOD13Q1數(shù)據(jù)，以整個(gè)延邊朝鮮族自治州（以下簡(jiǎn)稱延邊州）作為研究對(duì)象，分析植被指數(shù)NDVI的時(shí)空變化和氣溫、降水量對(duì)其的響應(yīng)程度，為該區(qū)域生態(tài)與環(huán)境保護(hù)、國(guó)土資源的開發(fā)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

1.1.1 遙感數(shù)據(jù)。2000—2022年NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局的MOD13Q1產(chǎn)品，時(shí)間和空間分辨率分別為16 d和250 m。使用MRT軟件對(duì)MOD13Q1時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、重采樣、投影轉(zhuǎn)換和格式轉(zhuǎn)換等批處理；應(yīng)用最大值合成法得到月NDVI 時(shí)間序列，利用均值法獲取2000—2022年年平均NDVI時(shí)間序列。

1.1.2 矢量文件。來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)官網(wǎng)1∶100萬(wàn)矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源可靠，精度高。

1.1.3 氣象數(shù)據(jù)。來(lái)源于氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)“天擎”，選取2000—2022年延邊州9個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)克里金插值方法生成柵格數(shù)據(jù)集。

1.2 研究方法 該研究采用一元線性回歸法計(jì)算2000—2022年延邊州植被NDVI時(shí)間變化特征。采用Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)法判斷延邊州植被NDVI時(shí)間序列變化趨勢(shì)和顯著程度。采用皮爾遜相關(guān)分析法估算延邊州NDVI與降水量和氣溫的相關(guān)性，從而分析氣候因素對(duì)全州植被NDVI變化的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NDVI時(shí)間變化特征 采用一元線性回歸方法對(duì)延邊州年均植被NDVI時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果如圖1和表1所示。從圖1可以看出，延邊州及各縣（市）NDVI年均值存在差異，但整體波動(dòng)趨勢(shì)相似。2000—2022年延邊州植被NDVI多年平均值為0.539，最大值出現(xiàn)在2019年，為0.595，最小值出現(xiàn)在2010年，為0.497。和龍市NDVI年均值最高，為0.560；汪清縣次之，為0.559；延吉市最低，為0.515。

從表1可以看出，延邊州及各縣（市）NDVI年均值均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，延邊州上升斜率為0.003 6/年。圖們市植被NDVI上升趨勢(shì)最為明顯，上升斜率為0.004 3/年，汪清縣植被NDVI上升趨勢(shì)次之，上升斜率為0.004 0/年，和龍市植被NDVI上升趨勢(shì)最慢，上升斜率為0.003 1/年。

2.2 植被NDVI空間分布特征 利用ArcGIS軟件計(jì)算2000—2022年延邊州NDVI多年均值，得到延邊州植被NDVI多年均值空間分布，如圖2所示。延邊州植被覆蓋狀況整體較好，但植被NDVI在空間上呈現(xiàn)明顯地域差異，大部分地區(qū)的植被NDVI年均值較高，局部地區(qū)植被NDVI年均值較低。從圖2可以看出，植被NDVI年均值大于0.6的區(qū)域面積占總面積的22.93%，主要分布在汪清中部、敦化北部、安圖南部等區(qū)域；延邊州大部分地區(qū)植被NDVI年均值在0.4～0.6，其面積占總面積的67.16%；植被NDVI年均值小于0.4的面積僅占9.91%，主要分布在各縣（市）中心及周邊區(qū)域。由此可知，植被NDVI低值區(qū)主要分布在城市化水平較高的市中心及其周邊地區(qū)，而植被NDVI高值區(qū)主要位于林區(qū)，原因可能與以上地區(qū)的土地植被覆蓋類型、人類活動(dòng)強(qiáng)度以及城市擴(kuò)張速度有關(guān)。

2.3 植被NDVI空間變化趨勢(shì) 采用Theil-Sen Median趨勢(shì)分析方法，基于像元尺度計(jì)算植被NDVI的變化趨勢(shì)，揭示延邊州植被NDVI變化的空間差異。結(jié)果如圖3所示，2000—2022年延邊州植被NDVI變化斜率為-0.027～0.020/年。整體上，植被NDVI呈上升趨勢(shì)的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于呈下降趨勢(shì)的面積，東部呈上升趨勢(shì)的面積大于西部地區(qū)，南部呈上升趨勢(shì)的面積大于北部地區(qū)。

應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法，基于像元尺度，計(jì)算植被NDVI變化趨勢(shì)的顯著性，并對(duì)趨勢(shì)類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4和表2所示。植被NDVI呈上升趨勢(shì)的面積占研究區(qū)總面積94.23%，其中，呈極顯著上升趨勢(shì)的面積占71.80%，植被NDVI無(wú)變化的面積占研究區(qū)總面積的3.29%，呈下降趨勢(shì)的面積僅占研究區(qū)面積的2.48%，零星分布在部分耕地區(qū)域。以上結(jié)果表明，23年間延邊州整體植被覆蓋明顯向好，這與延邊州近年來(lái)實(shí)施的天然林保護(hù)工程、退耕還林還（草）工程、國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的建設(shè)等有很大的相關(guān)性。

2.4 植被NDVI和氣候因子相關(guān)性分析 采用Pearson相關(guān)分析估算植被NDVI與氣候因子（年平均氣溫、年降水量）的相關(guān)性，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，進(jìn)而分析氣候因素對(duì)延邊州植被NDVI的影響。

從NDVI年均值與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)空間分布（圖5）可以看出，延邊州植被NDVI與氣溫在空間上呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，其中呈顯著正相關(guān)的面積占總面積的

59.49%，主要集中在敦化北部和南部、安圖北部、汪清中部等地區(qū)，說(shuō)明氣溫是影響上述地區(qū)NDVI的主要因素之一。NDVI與氣溫在空間上呈不顯著正相關(guān)的面積占總面積的38.75%，主要分布在琿春大部、敦化中部、延龍圖交界地區(qū)、安圖西南部等地區(qū)。NDVI與氣溫在空間上呈負(fù)相關(guān)的面積僅占總面積的1.76%，且分布離散。

從NDVI年均值與年降水量的相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)空間分布（圖6）可以看出，研究區(qū)大部分地區(qū)NDVI與降水量呈正相關(guān)趨勢(shì)，其中呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在琿春密江、英安、春化、汪清羅子溝、天橋嶺、春陽(yáng)、大興溝等地區(qū)，其面積占總面積的67.23%，說(shuō)明降水量是影響上述地區(qū)NDVI的主要因素之一。不顯著正相關(guān)的面積占總面積的30.18%，主要集中在敦化額穆、雁鳴湖、大石頭、大蒲柴、和龍西城、安圖二道白河等地區(qū)。NDVI與降水量在空間上呈負(fù)相關(guān)的面積僅占總面積的2.59%，零星分布在敦化額穆北部、江南、翰章、安圖二道白河中部、琿春三家子、哈達(dá)門鄉(xiāng)等地區(qū)。

綜上所述，延邊州大部分地區(qū)NDVI與氣溫、降水量呈正相關(guān)，約有67.23%的地區(qū)與降水量呈顯著正相關(guān)，大于與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)域（59.49%），表明全州范圍內(nèi)NDVI與降水量和氣溫均以正向促進(jìn)為主，且與降水量的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫。

3 結(jié)論

該研究利用一元回歸分析法、Theil-Sen Median趨勢(shì)分析、Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)系數(shù)法，基于2000—2022年的長(zhǎng)時(shí)間序列MOD13Q1數(shù)據(jù)，揭示了延邊州植被NDVI時(shí)空演變特征，并探討其與氣溫、降水量等氣候因子之間的關(guān)系。主要研究結(jié)論如下：

（1）時(shí)間變化上來(lái)看，2000—2022年延邊州植被NDVI多年平均值為0.539，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升斜率為0.003 6/年。各縣（市）植被NDVI年均值存在差異，但總體均呈現(xiàn)相似的波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，和龍市NDVI年均值最高，為0.560，延吉市最低，為0.515。圖們市NDVI年均值上升趨勢(shì)最為明顯，上升斜率為0.004 3/年，和龍市NDVI年均值上升趨勢(shì)最慢，上升斜率為0.003 1/年。

（2）空間分布上來(lái)看，延邊州植被整體覆蓋狀況較好，植被NDVI年均值大于0.6的區(qū)域面積占總面積的22.93%，在0.4～0.6的占67.16%；植被NDVI年均值小于0.4的面積僅占9.91%，主要分布在各縣（市）中心及周邊區(qū)域。植被NDVI呈上升趨勢(shì)的面積占研究區(qū)總面積94.23%，其中，呈極顯著上升趨勢(shì)的面積占71.80%，呈下降趨勢(shì)的面積僅占研究區(qū)面積的2.48%，零星分布在部分耕地區(qū)域。

（3）植被NDVI對(duì)氣候因子響應(yīng)方面，延邊州大部分地區(qū)NDVI與氣溫、降水量呈正相關(guān)，約有67.23%的地區(qū)與降水量呈顯著正相關(guān)，大于與氣溫呈顯著正相關(guān)區(qū)域（59.49%），表明全州范圍內(nèi)NDVI與降水量和氣溫均以正向促進(jìn)為主，且與降水量的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫。

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