基于NDVI變化的吉林省遼河流域生態環境保護對策研究

莊雨適 林曉晟 李景新

摘要：指出了在發展經濟的同時防治流域的水污染是世界各國都面臨過的共同難題，尤其是我國這樣一個水資源人均占有量少，時空分布不均衡的發展中國家，流域水污染治理面臨著更加嚴峻的考驗，遼河流域為我國“十二五”重點流域水污染防治規劃流域之一，流域的水土流失亦日益加重，且有人為破壞速度大于治理速度的問題。以吉林省內遼河流域為研究區，基于MODIS L1B數據，分析了2001～2016年間氣溫、降雨和歸一化植被指數（NDVI）的變化規律，以此研究近16年間氣候因子對植被覆蓋變化的影響，結合流域土地利用現狀，提出了流域生態系統的修復與保護對策，以期為吉林省遼河流域生態環境保護與產業發展規劃制定提供技術支持。

關鍵詞：水污染治理;流域生態保護;NDVI變化;氣候因子

中圖分類號：P467

文獻標識碼：A

文章編號：1074-9944（2018）14-0074-05

1 引言

植被作為陸地生態系統的主體，既是氣候變化的承受者，同時又對氣候變化產生反饋作用，在全球變化研究中起著“指示器”的作用。全球氣候變化已經對陸地生態系統造成顯著影響，我國在過去100年中，氣溫升高0. 5～0.8℃，降水的波動地區間差異顯著，植被作為表征生態環境變化的綜合指示器，研究植被時空變化及其對氣候變化的響應一直是國內外全球變化研究的重要內容。目前已經定義了40多種植被指數，廣泛地應用在全球與區域土地覆蓋、植被分類和環境變化，第一性生產力分析，作物和牧草估產-、干旱監測等方面，歸一化植被指數（ NDVI）是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子，它能夠相當精確地反映植被綠度、光合作用強度，因此，NDVI是監測地區或全球植被和生態環境變化的有效指標。近年來，國內外不僅利用NDVI進行植被覆蓋動態變化的研究，有學者逐漸把研究領域擴展到植被及其驅動因素的響應關系上來。李本綱等對AVH RR/NDV I與氣候因子作了相關分析，認為中國大部分地區植物生長情況與降水和氣溫顯著相關，崔林麗等（2012）研究了中國華東及其周邊地區NDVI與四季氣候的響應，結果表明在研究區內植被NDVI與氣溫的相關系數大于降水。Zhou等（2010）對中國內蒙古地區氣溫、降雨量和NDVI的變化分析表明NDVI變化與二者之間存在響應關系。此外，植被對氣候變化存在滯后性，即前期氣候變化對后期植被NDVI也會產生影響，并且不同地區、不同時期的植被狀況對前期氣候變化的滯后效應也會存在差異。J.Wang等（2003）對北美大草原Kansas州NDVI與氣候因子的相關性進行研究，結果表明兩者之間存在滯后相關性，Ji和Peters提到如果加入季節性因素，每月的NDVI與標準降水系數之間的回歸模型會優于兩者直接的回歸模型。但這些工作最然都忽略了NDVI數據的累積性，特定時間的ND VI是植被前期及同期生長狀況累積效果的綜合反映。這種累積性很好地解釋了累積降水對NDVI最大值等具有較高的相關性。

隨著我國的經濟發展，流域水污染嚴重并進一步惡化、水污染事故頻發，流域水污染形勢十分嚴峻。因此，如何適應流域生態特征，保證流域的水質安全，協調流域經濟發展與生態環境關系成為了制約區域發展的重要問題。遼河流域一直以來是我國環境治理的重要流域，特點是本世紀初，我國加大了對遼河流域環境治理的力度，開展了大量的研究工作和治理工程，對改善流域環境起到了重要作用。

本文基于MODIS LIB數據，計算吉林省內遼河流域NDVI值，通過分析流域植被變化的規律，提出了相關的生態恢復與建設措施，以期為吉林省遼河流域的保護與利用提供技術支撐。

2數據和方法

2.1研究區概況

吉林省遼河流域位于吉林省西南部，地處東經123°18'～125°36 7，北緯42°36'～44°10 '（圖1），南接遼寧省鐵嶺市，兩界內蒙古自治區哲里木盟，北緣吉林省長春市和松原市，東鄰吉林省通化市和吉林市，流域面積15 746 km²，約占全省總土地面積的8%，主要河流有東遼河和招蘇臺河。

2.2 MODIS LIB數據

MODIS即中分辨率成像光譜儀，是對地觀測系統EOS計劃中重要的傳感器之一，1992年12月發射的Tera衛星及2002年5月發射的Aqua衛星都搭載有MODIS傳感器。MODIS LIB數據提供了36個波段的數據，可用于陸地、海洋、大氣等方面的研究。本研究是在美國國家宇航局LAADS WEB網站下載2001～2016年MODIS LIB影像共192景，空間分辨率為250 m×250 m。利用遙感影像處理軟件ENVI 4.8對2001～2016年192個月份共192景MODIS影像進行大氣校正、幾何校正、重投影操作。

2.3 NDVI計算

歸一化植被指數（ NDVI）是基于不同色素在紅光波段和近紅外波段反射值之差與兩者之和的比值（式1-1） 。NDVI指示植被變化的重要因子之一，取值范圍在-1到1之間。

式（1）中，RED代表紅光波段的反射值，NIR代表近紅外波段反射值。

2.4 趨勢分析

一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨，本文利用該方法來模擬多年平均NDVI的變化趨勢，計算公式為：

式（2）中：變量i為1～16的年序號，表示第i年的平均NDVI值。變化趨勢圖則反映了在16年的時間序列中，研究區的NDVI的變化趨勢。某像點的趨勢線是這個像點16年的年均NDVI值用一元線性同歸模擬出來的一個總的變化趨勢。Slopc即這條趨勢線的斜率。其中，Slope>0則說明NDVI在16年間的變化趨勢是增加的。反之則是減少。

2.5氣溫和降雨量數據

氣溫和降雨量數據來源于中國氣象數據共享服務網，收集流域內58個氣象站點2001～2016年月均氣溫、月均最高氣溫、月均最低氣溫和月均降雨量數據。在ArcGISl0下，通過克里金插值法進行插值，并剪裁，最終得到流域的氣象網子變化空間數據。

2.6相關分析

利用相關分析法，逐像元的對年均NDVI與降雨量、氣溫做相關分析。利用sPss線性同歸模塊預測不同土地類型的NDVI與氣溫的相關分析模型。同期降雨沒有對NDVI變化產生影響，本研究分別對滯后1、2個月的降雨量對NDVI變化的相關性做了分析。

3結果分析

3.1氣溫、降雨量變化規律

研究區2 001～2016年氣象因子空間變化如圖2所示，西北部地區（雙遼市、公主嶺市）年均氣溫較高，變化范圍為6. 4～7. 23℃。東南部地區（遼源市南部）年均氣溫較低，變化范圍為2. 34～3.43℃。降雨量的空間分布表明：研究區西北部地區（雙遼市北部）年均降雨量低，變化范圍為368.1～406.1 mm，西南部地區（遼源市南部）年均降雨量較大，變化范圍為516. 0～570.5 mm。年均氣溫與降雨最的變化是顯著相關的，相關系數為-0.804（P<0.01）。

3.2 NDVI變化規律

通過分析2001～2016年研究區NDVI變化情況表明（圖3），本研究區的NDVI值受季節變化影響較大，4月開始增加到7月出現最高峰值，而后下降，研究區4月進入春季，植被返青，故NDVI值逐漸增加，11月到次年3月為冰封期，NDVI值較小且變化不明顯。不同地類NDVI變化情況表明，林地和旱田的NDVI值較大，說明研究區植被覆蓋主要以林地和旱田為主，其次為草地和水田。

NDVI是表明植被覆蓋的重要因子之一，為探討研究區植被覆蓋的變化趨勢，利用一元線性回歸分析，逐像元的計算研究區20 01～2016年共16年NDVI變化。結果見圖4。

研究區2001～2016年間重度退化植被占全區面積3.13%。31.5%的植被呈輕度退化趨勢，此部分植被多為東南部林地。29.74%的植被得到了改善，得到改善的植被區主要為西南部的耕地和草地。研究時段內32. 52%的植被NDVI保持穩定。人口的增長、經濟的發展以及對土地的開發利用，導致森林、草地等植被區面積降低，農業用地面積增加，使研究區植被狀況呈退化趨勢。

3.3 NDVI變化與氣候因子變化的響應關系

逐像元的分析研究區NDVI、氣溫、降雨量變化的相關性，結果如圖5所示。研究區上游NDVI與氣溫呈正相關，該地區雨水量充沛，氣溫較低。下游地區與氣溫呈負相關，該地區氣溫較高，雨水量少，植被對溫度變化較敏感。溫度的增加導致NDVI相應的降低。研究區中東部NDVI與降雨量呈負相關，此地區位于二龍山水庫，氣溫較低，植物光合作用等各種生理活動較慢，降水的增加不利于植被的生長。

綜合分析，流域由自東南向西北，氣候因子對NDVI的影響呈降水顯著相關向氣溫顯著相關的轉變，流域上游地區氣候對植被生長影響呈顯著的降水驅動型，下游地區呈顯著的氣溫驅動型。

為了進一步了解NDVI對氣候因子的響應變化規律，分析了三者之間的關系，見圖6。

相關結果表明，植被指數與氣象因子呈指數關系，- DVI與氣溫的相關性較好R²=0.612（ P< 0.01）;ND-VI與降雨量的相關性較差R²=0.3898（ P<0. 05）。針對北方地區植被生長狀況，對研究區4～10月氣溫、降雨量與同期、滯后1個月、滯后2個月的NDVI相關分析如表1歷示。

不同時期氣溫與NDVI主要呈負相關，這種負相關的趨勢在氣溫對滯后2個月的NDVI指數上表現尤為顯著，氣溫變化對同期4、7、8月份的NDVI以及6～10月份滯后一個月的NDVI表現為正相關。對不同時期氣溫與NDVI相關系數的比較發現，同期>滯后1個月>滯后2個月，說明，氣溫對NDVI的影響主要為同期影響。降雨量與NDVI主要呈正相關，通過對降雨量與NDVI相關系數的比較得出，降雨量對NDVI的影響具有滯后性，對滯后2個月的NDVI影響最大。

4 結論

歸化植被指數（ NDVI）的變化反映了區域生態環境的變化，同時受氣象、水資源、人為活動的影響，研究區NDVI的變化規律研究可為流域環境規劃編制和生態環境保護提供重要基礎數據。通過流域生態保護規劃的制定與實施，可以最大限度地控制水土流失，維持土地資源的持續生產能力，提高流域水體污染防治，優化流域內產：業結構，加強流域內可再生資源的恢復與發展，促進流域內生物多樣性，協調和改善流域內各種資源尤其是自然資源和人力資源的管理，合理安排產業和城鎮發展，促進生態的良性循環和社會經濟的持續穩定發展。