三江平原生長季植被覆蓋時(shí)空變化及其對氣候變化的響應(yīng)

摘要 基于2000—2020年的遙感數(shù)據(jù)以及氣溫和降水量數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析等方法，研究三江平原區(qū)域及不同植被類型生長季NDVI時(shí)空變化及其對氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：2000—2020年三江平原生長季平均NDVI和各植被類型NDVI均呈上升趨勢，森林上升趨勢最大（0.016 2/a）；三江平原全年氣溫和降水量整體呈上升趨勢，生長季氣溫呈下降趨勢、降水量呈上升趨勢。三江平原2000、2005、2010、2015和2020年生長季NDVI空間分布格局總體相似，植被覆蓋總體呈現(xiàn)改善趨勢。生長季植被生長較好，中（0.4lt;NDVIlt;0.6）、高（NDVI≥0.6）覆蓋植被區(qū)域占比較高，占整個(gè)區(qū)域的98.22%。2000—2020年三江平原生長季大部分區(qū)域植被NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，與降水量呈正相關(guān)，說明該地區(qū)氣溫的升高對生長季植被NDVI主要起抑制作用，降水量的增多對生長季植被NDVI主要起促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 歸一化植被指數(shù)（NDVI）；相關(guān)性分析；時(shí)空變化；氣候變化；三江平原

中圖分類號 X 173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2025）05-0082-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.016

Spatiotemporal Variation of Vegetation Cover During the Growing Season in the Sanjiang Plain and Its Response to Climate Change

LI Hai-yan1， ZHANG Hong-qiang1， HE Pu2 et al

（1.Institute of Nature and Ecology， Heilongjiang Academy of Sciences， Harbin， Heilongjiang 150040;2.Rural Social Service Center， Datong District of Daqing City， Daqing，Heilongjiang 163000）

Abstract Based on the remote sensing data from 2000 to 2020， as well as temperature and precipitation data， this paper evaluated the temporal and spatial variation of NDVI in the growing season and its response to climate change in the Sanjiang Plain and different vegetation types by correlation analysis and other methods.The results showed that the average NDVI and NDVI of each vegetation type in the growing season in the Sanjiang Plain from 2000 to 2020 showed an upward trend， and the forest had the largest upward trend （0.016 2/a）.The annual temperature and precipitation in the Sanjiang Plain showed an upward trend，the temperature in the growing season showed a downward trend and the precipitation showed an upward trend.The spatial distribution pattern of NDVI in the growing season of 2000， 2005， 2010， 2015 and 2020 in the Sanjiang Plain was generally similar， and the vegetation cover showed an overall improvement trend.In the growing season， the vegetation growth was good， and the medium （0.4lt;NDVIlt;0.6） and high （NDVI≥0.6） vegetation coverage accounted for 98.22% of the whole area.During the growing season of the Sanjiang Plain from 2000 to 2020， vegetation NDVI was negatively correlated with temperature and positively correlated with precipitation， indicating that the increase of temperature in this region mainly inhibited vegetation NDVI in the growing season， and the increase of precipitation mainly promoted vegetation NDVI in the growing season.

Key words NDVI;Correlation analysis;Spatiotemporal variation;Climate change;Sanjiang Plain

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在陸地表面能量循環(huán)、物質(zhì)交換和氣候調(diào)節(jié)方面發(fā)揮了重要作用［1］。因此，迫切需要了解土地利用和氣候變化對植被的影響與反饋［2］。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）作為植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子［3-4］，廣泛應(yīng)用于長時(shí)間序列植被覆蓋動態(tài)時(shí)空變化［5-8］、植被覆蓋與氣候因子和人類活動的關(guān)系等研究［9-11］。

近年來已有學(xué)者利用NDVI對植被覆蓋變化及其與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了大量研究。如樸世龍等［12］利用NOAA-AVHRR NDVI數(shù)據(jù)，研究1982—1999年中國四季植被活動的變化，探討植被活動對全球變化的主要響應(yīng)方式，結(jié)果表明，18年來中國植被四季平均NDVI均呈上升趨勢，春季中國植被平均NDVI增加速率最快，生長季的提前是中國植被對全球變化響應(yīng)的最主要方式。信忠保等［13］利用GIMMS和SPOT VGT這2種NDVI數(shù)據(jù)從氣候變化和人類活動的角度對黃土高原地區(qū)1981—2006年植被覆蓋變化的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋變化是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果，黃土高原地區(qū)植被覆蓋和降水關(guān)系密切，降水變化是植被覆蓋變化的重要原因。徐浩杰等［14］利用黃河源區(qū)MODIS/NDVI數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)不同植被類型生長季NDVI時(shí)空特征及其與氣候因子的關(guān)系，結(jié)果表明，黃河源區(qū)植被生長季NDVI與同期氣溫和降水均存在顯著正相關(guān)性，氣候的暖濕化趨勢可能是促使黃河源區(qū)植被生長改善的主要原因。韋振鋒等［15］利用1999—2010年NDVI數(shù)據(jù)研究了中國西北地區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化以及人類活動和氣候變化對植被覆蓋變化的影響，結(jié)果表明，西北地區(qū)植被覆蓋整體呈增加趨勢，但在局部地區(qū)氣候干旱少雨和人類活動抑制植被生長，西北大部分地區(qū)植被覆蓋與氣候要素相關(guān)顯著，并且植被變化對氣溫和降水的響應(yīng)存在一定滯后時(shí)間。鄭海亮等［16］利用GIMMS NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，研究了1982—2012年青藏高原生長季月尺度植被生長與氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等氣候因子的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明，4月和7月植被生長主要是受氣溫和日照時(shí)數(shù)共同作用，6月和9月受氣溫的控制，而 8月則主要受降水量的影響。路建兵等［17］基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)定量研究植被覆蓋變化對氣候變化與人類活動的響應(yīng)，結(jié)果表明，2000—2020年甘肅省植被NDVI整體呈顯著增加趨勢，植被NDVI與降水量的相關(guān)性大于氣溫，氣溫對植被NDVI起抑制作用，而降水量對植被NDVI起非線性促進(jìn)作用。

三江平原地處中高緯度地區(qū)，對氣候變化十分敏感［18］。目前，已有學(xué)者對三江平原植被指數(shù)與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行了研究，但只是從區(qū)域尺度的植被NDVI變化及其對氣候因子的相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了分析［19-21］，沒有考慮不同植被類型NDVI的變化及其與氣候變化的關(guān)系。筆者基于MODIS NDVI 數(shù)據(jù)和氣象（氣溫、降水量）數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究三江平原區(qū)域及不同植被類型生長季2000—2020年植被NDVI時(shí)空變化及其與氣候因子的關(guān)系，以期為區(qū)域植被保護(hù)和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東北部，地理坐標(biāo)為43°49′55″～48°27′40″N、129°11′20″～135°05′26″E，由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖擊而成，總面積約10.89萬km2，是全球濕地及其生物多樣性保護(hù)的最關(guān)鍵地區(qū)之一，同時(shí)也是中國重要的糧食生產(chǎn)基地和儲備基地。該區(qū)四季分明，凍結(jié)期長，屬溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為 1.6～3.9 ℃，降水集中于夏秋季，年降水量為500～700 mm。植被分布受地形、海拔與氣候影響，主要分布著森林、草甸、灌叢、沼澤等植被類型（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)主要來源為TM、MODIS NDVI和氣象數(shù)據(jù)，時(shí)間尺度為2000—2020年，共分2000、2005、2010、2015和2020年5個(gè)時(shí)期。TM遙感影像來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺（http：//www.cnic.cas.cn/），分辨率為30 m，對獲取的原始遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等預(yù)處理操作；MODIS NDVI為美國宇航局官方網(wǎng)站（http：//www.nasa.gov/）免費(fèi)提供的覆蓋三江平原的 MOD13Q1產(chǎn)品，空間分辨率和時(shí)間分辨率分別為250 m 和 16 d，時(shí)間范圍為每個(gè)時(shí)期的生長季（4—10月），該研究將MOD13Q1 NDVI產(chǎn)品的16 d合成數(shù)據(jù)通過最大合成法（MVC）生成月NDVI數(shù)據(jù)，最后利用均值法獲取生長季平均NDVI數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來自三江平原內(nèi)部和周邊22個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1）月平均氣溫和月累計(jì)降水量數(shù)據(jù)，并利用 QGIS 軟件空間插值模塊對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，得到氣象柵格圖。

1.3 研究方法

1.3.1 植被類型的解譯。

結(jié)合研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀特征，采用監(jiān)督分類方法，將研究區(qū)植被類型劃分為森林、灌叢、農(nóng)田、草甸、沼澤5類（圖1），得到研究區(qū)2000、2005、2010、2015和2020年植被類型空間分布圖。該研究通過計(jì)算機(jī)隨機(jī)采樣的方式，每期影像采集220個(gè)點(diǎn)，并結(jié)合野外考察時(shí)采集的GPS點(diǎn)進(jìn)行精度評價(jià)，5期影像監(jiān)督分類結(jié)果的各類型分類精度和總體精度均達(dá)到90%以上，Kappa系數(shù)在0.85以上，分類結(jié)果精度滿足研究需求。

1.3.2 相關(guān)性分析。

該研究基于像元的相關(guān)分析方法［22］分析了2000—2020年三江平原植被NDVI對氣候變化的響應(yīng)?；赒GIS軟件平臺將22個(gè)站點(diǎn)氣溫、降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離權(quán)重插值獲取與植被NDVI數(shù)據(jù)具有同樣投影和空間分辨率的氣象柵格數(shù)據(jù)。利用QGIS中柵格計(jì)算器分別對三江平原植被NDVI與氣溫和降水量進(jìn)行逐像元相關(guān)系數(shù)計(jì)算，得到三江平原生長季21年來植被NDVI與氣溫和降水量的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：、表示2個(gè)要素x、y的年平均值；rxy為要素x、y的相關(guān)系數(shù)，值介于［-1，1］，rxygt;0表示正相關(guān)，rxylt;0表示負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)越大，說明該像元處兩要素相關(guān)性越強(qiáng)，rxy=0表示2個(gè)變量之間不存在線性相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季植被NDVI、平均氣溫及降水量的變化2000—2020年三江平原生長季NDVI為0.57～0.62，平均值為0.59，總體呈上升趨勢（0.012 9/a）。不同植被類型生長季NDVI總體均呈上升趨勢，森林上升趨勢最大（0.016 2/a），其次是灌叢（0.013 5/a），草甸和沼澤上升趨勢均較?。?.005 9/a、0.005 0/a），上升趨勢從大到小依次為森林gt;灌叢gt;農(nóng)田gt;草甸gt;沼澤；不同植被類型中森林生長季NDVI平均值最大（0.71），農(nóng)田最?。?.55），各植被類型 NDVI 從大到小依次為森林gt;灌叢gt;草甸gt;沼澤gt;農(nóng)田（圖2）。

從圖3可看出，21年來三江平原全年平均氣溫和降水量均呈上升趨勢，變化率分別為0.185 ℃/10 a和130.96 mm/10 a，21年來年平均氣溫為 3.84 ℃，年降水量平均值為600.32 mm；生長季平均氣溫呈下降趨勢，而降水量呈上升趨勢，變化率分別為-0.028 ℃/10 a和129.49 mm/10 a，21年來生長季平均氣溫為14.60 ℃，降水量為537.19 mm。

2.2 三江平原植被覆蓋的空間變化特征

利用2000—2020年生長季年均NDVI數(shù)據(jù)，計(jì)算得出2000、2005、2010、2015和2020年以及2000—2020年生長季平均NDVI空間分布圖（圖4）。根據(jù)植被覆蓋度劃分標(biāo)準(zhǔn)，NDVI≥0.6為高覆蓋植被區(qū)域，0.4lt;NDVIlt;0.6為中覆蓋植被區(qū)域，NDVI≤0.4為低覆蓋植被區(qū)域。從圖4可以看出，三江平原2000、2005、2010、2015和2020年5期生長季的NDVI空間格局總體相似，不同等級的高、中、低覆蓋植被區(qū)域在近 21 年來都有所變化，低覆蓋植被區(qū)域變化不大，占比由2000年的2.19%增加至2020年的2.93%，面積僅增加了0.08萬km2；中覆蓋植被區(qū)域和高覆蓋植被區(qū)域變化較明顯，中覆蓋植被區(qū)域面積呈減少趨勢，占比由2000年的61.37%下降至2020年的

50.49%，面積共減少了1.18萬km2，高覆蓋植被區(qū)域面積呈增加趨勢，占比由2000年的36.44%增加至2020年的46.58%，面積由3.96 km2增加至5.06 km2，共增加了1.10萬km2，植被覆蓋總體呈現(xiàn)改善趨勢。2000—2020年該區(qū)域生長季不同等級NDVI的空間分布為中覆蓋植被區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的62.34%，主要分布在三江平原中北部及西南部地區(qū)；高覆蓋植被區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的35.88%，主要分布在小興安嶺、 張廣才嶺、老爺嶺和完達(dá)山，主要植被類型為森林和灌叢；低覆蓋植被區(qū)域僅占整個(gè)區(qū)域的1.78%，主要分布在松花江干流兩側(cè)?？傮w來說，2000—2020年三江平原生長季植被生長狀況較好，中、高覆蓋植被區(qū)域占比較高，占整個(gè)區(qū)域的98.22%。

2.3 植被NDVI與氣候因子的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步分析三江平原植被與氣候的關(guān)系，該研究對三江平原植被NDVI與氣溫和降水量的關(guān)系進(jìn)行了分析。

2000—2020年生長季植被NDVI與氣溫和降水量的相關(guān)關(guān)系如圖5和表1所示。從圖5a和表1可以看出，生長季植被NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)小于0的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的76.58%，其中在［-1.0，-0.5］的區(qū)域占比為29.51%，在（-0.5，-0.2］的區(qū)域占比為30.81%，在（-0.2，0）的區(qū)域占比為16.26%；主要分布在三江平原的西北部、東部及南部部分地區(qū)，主要植被類型為森林、灌叢、農(nóng)田、草甸。相關(guān)系數(shù)大于0的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的23.42%，其中在（0，0.2］的區(qū)域占比為11.04%，在（0.2，0.5］的區(qū)域占比為8.39%，在（0.5，1.0］的區(qū)域占比為3.99%；主要分布在三江平原中部，包括黑龍江流域、松花江流域、撓力河流域和穆棱河流域周邊地區(qū)，植被類型主要為農(nóng)田、草甸和沼澤。

從圖5b和表1可以看出，生長季植被NDVI與降水量相關(guān)系數(shù)小于0的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的14.84%，其中在［-1.0，-0.5］的區(qū)域占比為4.74%，在（-0.5，-0.2］的區(qū)域占比為4.65%，在（-0.2，0）的區(qū)域占比為5.45%；主要分布在黑龍江流域、松花江流域、撓力河流域和穆棱河流域周邊地區(qū)，主要植被類型為沼澤。相關(guān)系數(shù)大于0的區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的85.16%。其中在（0，0.2］的區(qū)域占比為8.49%，在（0.2，0.5］的區(qū)域占比為24.93%，在（0.5，1.0］的區(qū)域占比為51.74%；空間分布占據(jù)三江平原的絕大部分地區(qū)，植被類型主要為森林、灌叢、農(nóng)田、草甸。

3 討論

2000—2020年三江平原植被生長季 （4—10 月）NDVI總體呈上升趨勢，以0.012 9/a的速度升高，這一趨勢遠(yuǎn)高于中國 1982—1999 年 NDVI 生長趨勢（1.1×10-3/a）［23］，也遠(yuǎn)高于中國1982—2010年NDVI生長趨勢（0.7×10-3/a）［24］，約是全球 1982—2012 年植被 NDVI 生長趨勢（0.46×10-3/a）［25］的28倍，表明三江平原植被覆蓋改善趨勢明顯。對于不同植被類型來說，森林、灌叢 21年來植被生長季 NDVI 上升趨勢較大，這可能因?yàn)?000年以來國家實(shí)施的天然林保護(hù)工程，限伐、停伐等措施讓天然林資源持續(xù)增加，使得該區(qū)域森林等植被逐步得到恢復(fù)和重建，這說明天保工程在植被恢復(fù)方面貢獻(xiàn)較大。

2000—2020年三江平原全年平均氣溫呈上升趨勢，速率為0.185 ℃/10 a，這一結(jié)果與其他研究者在三江平原、全國得出的溫度增加結(jié)果一致，但增加幅度略有差異。該研究結(jié)果略高于三江平原1995—2015年的增溫趨勢（0.113 ℃/10 a）［26］，低于中國整體增溫速率（0.22 ℃/10 a）［27］。生長季氣溫2000—2020年呈下降趨勢，速率為-0.028 ℃/10 a，這與三江平原2000—2014年生長季氣溫變化趨勢（-0.027 ℃/10 a）［19］基本一致。三江平原全年的平均氣溫增加，生長季氣溫降低，說明三江平原冬季氣溫呈變暖的趨勢，但從長時(shí)間尺度來看，生長季氣溫仍呈上升趨勢［28］。三江平原2000—2020年生長季降水量呈增加趨勢（129.49 mm/10 a），這與三江平原2000—2014年生長季降水量變化趨勢（56.862 mm/10 a）［19］是一致的，但由于時(shí)間范圍不同增加幅度有所差異。

2000—2020年三江平原大部分區(qū)域生長季植被NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，說明該地區(qū)氣溫的升高對植被NDVI主要起抑制作用，與降水量呈正相關(guān)，說明降水量的增多對植被NDVI主要起促進(jìn)作用，這與毛德華等［28-29］的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

（1）2000—2020年三江平原生長季植被 NDVI 平均值為0.59，總體呈上升趨勢，不同植被類型生長季NDVI從大到小依次為森林gt;灌叢gt;草甸gt;沼澤gt;農(nóng)田，上升趨勢從大到小依次為森林gt;灌叢gt;農(nóng)田gt;草甸gt;沼澤。

（2）三江平原2000、2005、2010、2015和2020年生長季NDVI空間分布格局總體相似，21 年來植被覆蓋總體呈現(xiàn)改善趨勢，NDVI≤0.4的低覆蓋植被區(qū)域近21年變化不大，0.4lt;NDVIlt;0.6的中覆蓋植被區(qū)域面積呈減少趨勢，共減少了1.18萬km2，NDVI≥0.6的高覆蓋植被區(qū)域面積呈增加趨勢，共增加了1.10萬km2。

（3）2000—2020年三江平原全年氣溫和降水量整體呈上升趨勢，速率分別為0.185 ℃/10 a和130.96 mm/10 a。生長季氣溫呈下降趨勢，速率為-0.028 ℃/10 a，降水量呈上升趨勢，速率為129.49 mm/10 a。

（4）2000—2020年三江平原生長季76.58%的區(qū)域植被NDVI與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說明該地區(qū)氣溫的升高對植被NDVI主要起抑制作用，主要分布在三江平原的西北部、東部、南部部分地區(qū)，主要植被類型為森林、灌叢、農(nóng)田、草甸；85.16%的區(qū)域植被NDVI與降水量呈正相關(guān)，說明生長季降水量的增多對植被NDVI生長主要起促進(jìn)作用，正相關(guān)的空間分布區(qū)域占據(jù)三江平原的絕大部分地區(qū)，主要植被類型為森林、灌叢、農(nóng)田、草甸。

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基金項(xiàng)目 黑龍江省科學(xué)院院所能力提升專項(xiàng)（YSTS2025ZR01）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42371287）；黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CZKYF2023-1-C023）。

作者簡介 李海燕（1974—），女，黑龍江哈爾濱人，副研究員，碩士，從事生態(tài)保護(hù)及氣候變化研究。*通信作者：羅春雨，研究員，碩士，從事景觀生態(tài)學(xué)研究；曲藝，副研究員，博士，從事生態(tài)保護(hù)研究。

收稿日期 2024-05-31；修回日期 2024-07-15