1982—2016年東北黑土區植被NDVI動態及其對氣候變化的響應

劉家福,馬 帥,李 帥,任春穎,毛德華,張 柏,*

1 吉林師范大學旅游與地理科學學院,四平 136000 2 中國科學院東北地理與農業生態研究所,長春 130012

全球氣候變化與陸地生態系統響應是國際地圈生物圈計劃的重要研究內容[1]。植被作為地球生態系統主體,是大氣、土壤和水分相互作用的天然聯系,在全球物質和能量循環過程中起到十分重要的作用[2- 4],因此監測植被生長動態具有重要現實意義和科學價值。在全球變化背景下,植被覆蓋變化容易受到氣候和人類活動的共同影響,地表植被對自然因素和人類活動干擾響應已成為國內外研究熱點問題,氣候變化對地表植被的影響得到學術界高度關注[5- 7]。東北黑土區地處我國東北邊陲,對氣候變化反應敏感,是我國東北地區植被動態研究的敏感區域之一。在全球變暖和人類活動共同影響下,東北黑土區氣候變化明顯,平均氣溫顯著升高,降水量顯著減少,導致水土流失嚴重,生態環境日趨惡化[8-9]。分析東北黑土區植被NDVI動態,研究植被NDVI變化與氣候因子的關系可為應對全球氣候變化提供重要的理論依據,及時探討植被對氣候變化的響應,對豐富全球變化區域響應的研究具有重要意義。陳福軍等[10]相關研究表明植被NDVI與氣候因子具有顯著的相關性。Fensholt等[11]對全球半干旱地區1981—2007年植被綠度研究表明,全球范圍內植被綠度增長速度受到空氣溫度和降水共同影響。陸晴等[12]利用GIMMS NDVI數據和地面氣象數據,研究了青藏高原草地覆蓋變化及其對氣候因素的響應。Zhao等[13-14]對新疆NDVI的研究表明,區域NDVI主要呈增加趨勢,且與降水量和潛在蒸散量(ET)增加有關。范昊明等[15],尚建勛等[16],魏建兵等[17]對東北黑土區的土壤侵蝕和侵蝕溝治理問題進行了探討。上述研究主要針對更大空間尺度,對時段內變化過程、變化趨勢的持續性關注相對不足,此外,對長時間序列東北黑土區植被NDVI變化及其與氣候變化關系的探討鮮有報道。

本文利用MODIS NDVI數據集對GIMMS NDVI數據集進行插補,獲取長時間序列數據,在多個空間尺度和不同季節,計算多個時間序列東北黑土區植被動態變化趨勢,同時結合氣象數據(氣溫、降水量),探討東北黑土區植被NDVI動態及其對氣候因子的響應。以期明確我國東北黑土區植被覆蓋時空變化特征、以及氣候因子與植被NDVI的相關性關系,旨在豐富我國東北黑土區對全球變化響應的研究成果,同時為東北黑土區對氣候變化的響應研究提供科學依據。

1 研究區概況

黑土是具有強烈脹縮和擾動特性的粘質土壤,典型的黑土土壤包含黑土和黑鈣土,本文將黑土、黑鈣土集中分布的區域劃分為東北黑土區。東北黑土區是世界僅存的“三大黑土區”之一,地理位置介于41°01′—53°05′E,115°03′—135°05′N之間(圖1),是世界三大黑土區中面積最小,氣候條件最寒冷的區域[18-19]。東北黑土區主要分布在松嫩流域腹地,北起嫩江、北安,南至四平,氣候干燥寒冷,降雨集中,年平均降雨量400—700mm,水資源總量1415.99億m3,人均占有量1213.98m3[20-21]。東北黑土區從南向北具有暖溫帶、溫帶和寒溫帶的熱量變化,自東向西具有濕潤、半濕潤和半干旱的濕度分異,具有獨特的植被分布格局,是全球變化研究的敏感區域之一[22]。東北黑土區植被覆蓋度較高,主要植被類型為農業植被、森林和草原,還有少部分草甸、灌叢等植被(圖2)。

2 材料與方法

2.1 數據來源與預處理

GIMMS NDVI數據來自美國國家航天航空局(NASA)戈達德航天中心(Godddard space flight center,GSFC),空間分辨率為8km、時間分辨率為15d[23-24]。本文數據是由NASA官網下載的1982年—2013年每15d提供的GIMMS NDVI3g數據；MODIS NDVI數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺,增強了對植被的檢測能力,空間分辨率為1km,已被應用在多個領域[25-26],本文使用的是MOD13A3,即1km分辨率月合成的植被指數產品,時間跨度是2000—2016年。氣象數據由國家氣象科學數據共享服務平臺提供,1∶100萬矢量化植被類型圖(圖2)來自中國植被類型圖。

圖1 東北黑土區范圍Fig.1 Black soil area in Northeast China

圖2 黑土區植被類型及氣象站點分布圖 Fig.2 Vegetation types and meteorological station distribution map in black soil area

MOD13A3數據在時間和空間分辨率上均優于GIMMS NDVI3g數據,因此在時間上MOD13A3數據可以對 GIMMS NDVI3g數據進行插補[27-28]。首先對1km空間分辨率的MOD13A3數據重采樣處理,得到8km空間分辨率的月值數據,然后對兩種數據集進行一致性分析,確立數據插補的可能性,獲得GIMMS NDVI3g數據在2013—2016年各月份的數據序列。

為反映植被年內和年際變化特征,采用生長季(3—11月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)NDVI合成值表征植被生長狀況,各季節分別為時段內月NDVI平均值。氣象數據來自于研究區內29個氣象站點1982—2016年逐月平均氣溫和降水,同時采用Kriging方法對氣候數據進行空間插值處理,獲取像元大小與NDVI數據一致、投影相同的氣候要素柵格數據；采用固定起始年份,逐步增加結束年份的分析方法,分別計算1982—2006,1982—2008,1982—2010,1982—2012,1982—2014,1982—2016年6個時間序列的氣候變化和植被動態,根據趨勢斜率的變化范圍,定義5個趨勢等級(表1)；最后為了在像元尺度上更好的反映氣溫、降水對植被生長的影響,延長時間序列區間長度,計算了1982—2000,1982—2005,1982—2010,1982—2016年4個時間序列氣溫、降水量與植被NDVI的相關性。

表1 1982—2016年東北黑土區植被NDVI變化趨勢結果統計

2.2 逐像元分析法

線性回歸分析方法計算簡單,結果容易比較,是研究植被動態變化趨勢的常用方法[29-30]。本文采用最小二乘回歸分析方法,年份為自變量,NDVI為因變量,模擬1982—2016年多年NDVI變化趨勢,公式為：

(1)

式中,S為趨勢斜率,S>0代表植被有增加的趨勢,反之則減少；n是研究時間序列的長度;m為1982—2016年序號(m=1,2,3,4……35)；NDVIm表示第m年的平均NDVI值。

對1982—2016年東北黑土區多年植被NDVI與同期氣溫、降水量進行逐像元相關分析,探討相關系數的空間分布情況,分析多年植被NDVI對氣溫、降水量的響應,相關性公式為：

(2)

3 結果與分析

3.1 MODIS與GIMMS數據的一致性檢驗

MODIS NDVI和GIMMS NDVI具有不同傳感器,表2列出了其波段范圍、波長范圍、空間和時間分辨率的差異。由表可見,在進行長時間序列分析年際變化前需要對兩種數據集進行一致性檢驗。

兩種數據集有14a時間交叉,通過全區域各月平均NDVI分析,2種數據集R2為0.9509,并通過0.05置信度檢驗(圖3)。MODIS擬合數據與GIMMS NDVI3g數據的生長季各月相關系數分別為0.803、0.648、0.673、0.559、0.537、0.796、0.715、0.625、0.732(P<0.01,n=26357),均為顯著正相關關系。綜上所述,MODIS數據集對GIMMS數據集進行插補是可行的。

表2 GIMMS 和MODIS 兩種數據集傳感器的幾何和光譜特征

圖3 GIMMSNDVI和MODIS NDVI數據關系Fig.3 Data relations between GIMMSNDVI and MODIS NDVI

3.2 區域尺度的NDVI變化

1982—2016年春季NDVI年平均值在0.22—0.34之間,多年平均值為0.27。整體來看,35a春季東北黑土區植被覆蓋變化呈增加趨勢,并且增加量隨時間長度的增加而逐漸呈極顯著增加趨勢(表3)。逐年變化顯示(圖4),春季NDVI變化主要分3個階段：1982—1998年春季NDVI呈不顯著增加趨勢,1998—2010年春季NDVI呈顯著增加趨勢(P<0.05),2010—2016年春季NDVI呈極顯著增加趨勢(P<0.01),年內平均NDVI最大值出現在2009年,最大值為0.343。1982—2016年夏季NDVI年平均值在0.50—0.55之間,多年平均值為0.53。在6個時間序列內呈減少趨勢(表3),尤其1982—2012年呈極顯著減少趨勢(P<0.01),2012—2016年呈不顯著減少趨勢(P>0.05)。整體來看,根據NDVI年際變化顯示(圖4),夏季NDVI在35a的變化主要分3個階段：1982—1988年夏季NDVI呈增加趨勢,1988—2008年呈減少趨勢,2008—2016年呈增加趨勢,年內平均NDVI最大值出現在1987年,最大值為0.551。

圖4 各季節、生長季植被NDVI的年際變化Fig.4 Interannual variation of NDVI during growing season and season

1982—2016年秋季NDVI年平均值在0.34—0.42之間,多年平均值為0.38。在6個時間序列中(表3),除1982—2006年呈不顯著增加趨勢外,其余5個時間序列均呈減少趨勢,其中3個時間序列呈顯著減少趨勢(P<0.05)；逐年變化顯示(圖4),秋季NDVI呈先增加后減少趨勢,且變化幅度較小,年內平均NDVI最低值出現在2009年,最低值為0.342。

1982—2016年間生長季NDVI平均值在0.39—0.43之間,變化幅度相對較小,多年平均值為0.41。生長季NDVI在6個時間序列除1982—2006年外,均呈顯著減少趨勢(P<0.05)。逐年變化顯示(圖4),生長季NDVI并非持續減少,1982—1990年呈顯著增加趨勢(P>0.05),1990—2007年呈極顯著減少趨勢(P<0.01),而2007—2016呈不顯著增加趨勢,該階段最大值出現在2006年,其值為0.428。

區域植被的生長受水熱條件的共同控制[31-32],從圖4中可以看出,東北黑土區植被NDVI多年平均值呈現出明顯的季節變化,夏季植被年平均NDVI值均高于春季、秋季和生長季,而生長季則高于春季和秋季,因此,植被NDVI與氣溫、降水等氣候因素密切相關。

表3 各季節、生長季的區域NDVI年際變化趨勢統計

*P<0.05;**P<0.01

3.3 像元尺度的NDVI動態變化

1982—2006年,東北黑土區植被NDVI總體趨勢為退化狀態(圖5),退化區域面積占東北黑土區總面積的39%,其中,輕微退化區域占28%,顯著退化區域占11%,嚴重退化區域為哈爾濱市、呼倫貝爾市、雙鴨山市和伊春市,退化面積占區域總退化面積的13%。相反,區域內改善面積相對較少,占研究區總面積的30%,其中顯著改善區域僅占0.8%。總體來看,改善區域主要集中在赤峰市、呼倫貝爾市和通遼市,分別占改善區域總面積的14%,18%和33%,改善區域的植被類型主要是農業植被、草原和森林,分別占比41%,22%和18%。此外,赤峰市、黑河市和興安盟地區NDVI整體趨勢基本不變。

1982—2012年,東北黑土區植被NDVI總體趨勢為改善狀態(圖5),植被覆蓋率較2006年相比有明顯的提高,改善區域面積占東北黑土區總面積的56%,退化區域面積占東北黑土區總面積的15%。呼倫貝爾市、黑河市和哈爾濱市與2006年相比,改善面積顯著提高,改善面積分別占市區域的33%、50%和48%,其中森林、草原和農業植被等重要植被類型明顯改善。此外,赤峰市、通遼市、松原市、大慶市和四平市5個區域內植被NDVI趨勢與2006年相比,有明顯退化跡象。

1982—2016年,東北黑土區植被NDVI總體趨勢為改善狀態(圖5),植被覆蓋較2012年相比變化不大,改善區域面積占東北黑土區總面積的58%,主要植被類型為草原、農業植被和森林,退化區域面積占研究區總面積的14%。2016年與2006年相比,除大慶市和松原市之外,1982—2006年呈輕微退化和顯著退化趨勢的區域范圍幾乎全部發展為改善趨勢,東北黑土區10年間平均每年改善面積約為25653.34km2,特別是鶴崗市、綏化市和長春市改善面積均占市區域面積80%以上。

圖5 不同時間序列植被NDVI變化的空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI changes of growing season during different time series

3.4 區域尺度NDVI與氣候要素的關系

對東北黑土區內29個氣象站點35a季節內多年平均氣溫和平均降水量統計可知(圖6)：各季節年平均氣溫變化趨勢平緩,夏季和生長季氣溫相對較高,夏季多年平均氣溫為21.02℃,生長季多年平均氣溫為10.41℃。秋季氣溫較低,多年平均氣溫為4.51℃。春季氣溫值浮動較大,多年平均氣溫最高為8.2℃,最低為3.28℃；各季節、生長季降水量差別很大,春季降水量變化幅度較小,在11.81—40.53mm之間,夏季多年平均降水量最高達147.63mm,秋季降水量呈現出“一峰多谷”趨勢,最大值為49.92mm,最小值為11.04mm。

表4為東北黑土區植被NDVI多年平均值與同期氣候因子(氣溫、降水量)的相關系數,依表可知,除夏季外植被NDVI與同期氣溫在6個時間序列上均呈正相關關系,同時在6個時間序列中生長季和春季均達到0.05的顯著水平,夏季、秋季NDVI與氣溫的相關性較差；隨著研究時段不斷延長,生長季、春季NDVI與相應時段氣溫的相關性呈現出緩慢降低趨勢,夏季和秋季則呈現緩慢增加趨勢；此外,6個時間序列中除了秋季NDVI與同期降水量呈負相關關系外,其余3個季節均呈正相關關系,并與同期降水量的相關性隨時間尺度延長而明顯增加,逐步呈現出降水量對該季節植被生長的影響。

圖6 東北黑土區氣候因子變化Fig.6 Changes of climate in black soil area of Northeast China

項目Item季節Season時間序列Time series1982—20061982—20081982—20101982—20121982—20141982—2016NDVI與氣溫生長季0.355*0.472*0.432*0.438*0.435*0.395*NDVI & temperature春季0.691**0.656**0.423*0.385*0.368*0.412*夏季-0.144-0.285-0.25-0.247-0.211-0.213秋季0.0420.150.0940.0970.1630.155NDVI與降水量生長季0.1370.030.0460.0590.0380.045NDVI & precipitation春季0.1170.3510.38*0.376*0.436*0.487*夏季0.1190.2660.2750.2830.2940.288秋季-0.316-0.149-0.074-0.11-0.149-0.155

*P<0.05; **P<0.01

3.5 像元尺度NDVI與氣候要素相關性分析

圖7 NDVI與同期氣溫、降水量的相關性Fig.7 Spatial distribution of correlations between NDVI and temperature and between NDVI and precipitation

多年平均NDVI值與同期氣溫主要呈正相關關系(圖7),4個時間序列的像元數比例均占76%以上,顯著正相關的面積比例1982—2000年為28%,1982—2005年為30%,1982—2010年為35%,1982—2016年達到37%,主要分布在哈爾濱市、黑河市地區,主要植被類型為草甸和農業植被。4個時間序列顯著負相關的面積比例分別為3%,5%,6%,10%,主要分布在興安盟、通遼市和赤峰市地區,主要植被類型為農業植被、森林和草原植被。顯著正相關和顯著負相關的區域均隨時間長度的延長而呈增加趨勢。

多年平均NDVI值與同期降水量主要呈正相關關系(圖7),4個時間序列的像元數有50%—62%的區域呈正相關,4個時間序列顯著正相關面積比例分別為23%,24%,36%,38%,主要分布在通遼市、赤峰市和呼倫貝爾市地區,主要植被類型為森林、草原及農業植被。顯著負相關的面積比例較小,4個時間序列顯著負相關的面積比例分別為5%,3%,3%,4%,主要分布在哈爾濱市、吉林市,主要植被類型為草甸、濕地和森林植被。顯著正相關的區域隨時間長度的延長而呈增加趨勢,而顯著負相關的區域無明顯變化。

4 討論

總體來看,本文東北黑土區植被NDVI變化趨勢的結果與歐亞大陸[33]、東北凍土區[34]得出的植被覆蓋變化基本一致。生長季是植被整個物質循環中最重要的階段,生長季NDVI在1998年、2007年前后浮動較大,這種相反的變化趨勢主要是由于夏季NDVI的相應變化造成的,其次是秋季,春季NDVI變化對此影響較小；春季NDVI與其他季節有所不同,主要呈增加趨勢,是由于退耕還林、生態環境建設等政策的有效實施,東北黑土區的春季植被覆蓋情況逐年改善；夏季氣溫較高,降水量集中,具有較好的植被生長環境,植被NDVI值明顯高于其他3個季節；秋季氣溫逐漸下降,降水量減少,但植被不會立即枯萎消失,因此秋季植被NDVI值整體高于同期春季；4個階段的年際NDVI變化趨勢是人類活動和氣候因子共同作用的結果。此外,生長季、夏季和秋季NDVI的變化量均隨時段的延長而呈顯著減少趨勢,表明NDVI的增長速度正在放緩；生長季和其他季節正相關區域面積比例隨時段增加呈不顯著增加趨勢,表明生態環境建設有了初步進展,植被覆蓋度增強,生態效應趨于良性發展。東北黑土區具有特殊的區位特征,黑土區土地肥沃,農業植被覆蓋廣泛,草原、森林等植被覆蓋面積較高,但由于人類活動影響,城市擴張、荒漠化情況嚴重,呼倫貝爾等草原地區植被退化嚴重,需要得到相關重視。

同期氣溫、降水量對多年時間序列NDVI均存在較大影響,其中春季、夏季和秋季NDVI對同期降水量的響應要大于同期溫度,說明降水量在該季節影響著植被的生長；生長季NDVI對同期溫度的敏感性高于同期降水量,表明生長季中的溫度高低對植被生長有一定的制約力。植被NDVI與氣溫呈顯著正相關的區域集中分布在黑土區內的平原地區,平原區域內河流分布較廣,對氣溫變化極為敏感,植被類型以耕地為主,其所需的土壤水文條件受溫度的影響較大,氣溫的升高可以加快植被光合作用,進而促進植被生長。植被NDVI與氣溫呈顯著負相關的地區分布在大興安嶺山脈以及松遼平原邊緣地區,土壤水分條件有限,人為干擾能力下降,由于氣溫升高,加快土壤水分的蒸發,進而限制了植被生長。受降水影響明顯的區域集中分布在東北黑土區的西部,該區域為半干旱區,降水量多年持續降低,氣候干旱,區域植被以草原和森林為主,草地對降水量的敏感性更強,因此降水量是該地區影響植被生長的主要因子。與降水量呈負相關的區域集中在平原地區,受影響的植被類型主要為濕地、沼澤化草甸,由于降水量不斷減少,沼澤濕地植被生長可利用的土壤面積擴大,生長條件得到改善,同時該地區為東北多年凍土分布區域,多年來降水量的減少及氣溫升高,促使凍土土壤環境大為改善,從而促進植被生長。

5 結論

(1)本文基于線性回歸模型方法,應用MODIS NDVI數據集對GIMMS NDVI數據集進行時間序列擴展,并通過一致性檢驗,解決了單一數據集時間序列有限的局限性；從區域、像元兩個空間尺度,研究了東北黑土區1982—2016年植被生長的動態變化,分析了氣候變化與植被生長的相關性,豐富了植被NDVI與氣候關系的研究成果。

(2)東北黑土區多年NDVI動態變化表明：區域尺度上,植被NDVI值呈現出季節變化,夏季和生長季NDVI值高于春季和秋季；1982—2016年,東北黑土區植被在春季呈顯著增加趨勢,夏季呈現出先增加再減少最后增加的動態變化,秋季東北黑土區植被NDVI變化幅度較小,生長季植被NDVI變化幅度不大,主要呈顯著減少趨勢。在像元尺度上,1982—2016年東北黑土區NDVI總體趨勢為改善狀態,鶴崗市、綏化市和長春市植被NDVI改善面積較大,改善面積占東北黑土區總面積的一半以上。

(3)東北黑土區植被NDVI多年平均值對氣候變化的響應說明：區域尺度上,東北黑土區年均氣溫變化趨勢平緩,降水量起伏變化較大,多年時間序列NDVI均與同期氣溫、降水量存在一定相關性,各季節對氣候變化的敏感性各不相同；不同季節主要的控制因素不同,氣溫影響著春季和秋季的植被生長,夏季降水量發揮主導作用。像元尺度上,多年平均NDVI值與同期氣溫和降水量主要呈正相關關系,顯著正相關的比例較大；平原地區植被NDVI與氣溫主要呈顯著正相關關系,氣溫的升高促進植被生長,集中在哈爾濱市、黑河市地區,植被類型以耕地為主；平原地區邊緣和山地植被NDVI與降水量主要呈顯著正相關關系,降水量增加可改善植被生長環境,主要分布在通遼市、赤峰市和呼倫貝爾市地區,植被類型主要為森林、草地。