基于NDVI云南地區植被生態系統對氣候變化的適應性分析

何云玲, 熊巧利, 余嵐, 屈新星, 閆文波

基于NDVI云南地區植被生態系統對氣候變化的適應性分析

何云玲*, 熊巧利, 余嵐, 屈新星, 閆文波

云南大學資源環境與地球科學學院, 昆明 650091

基于遙感影像數據資料和ArcGIS, 利用2000—2016年云南地區植被生態系統NDVI與氣溫及降水之間的響應關系, 分析不同區域氣候變化類型對當地植被生態系統長勢的潛在影響, 進行氣候變化背景下植被生態系統的適應性分析。結果表明: 研究區2000—2016年NDVI整體呈現不同程度的增加趨勢, 植被覆蓋度顯著增加的區域主要分布在滇東北和東部的部分地區, 植被覆蓋度減小的區域主要集中在中部城市密集地區和滇西北。NDVI和氣溫整體上呈正相關關系, 尤其以東北和東部地區較為明顯, 負相關的區域主要分布于滇西北高海拔地區; NDVI和降水的相關性小于氣溫。基于NDVI的植被生態系統表現為適應和中度適應當地氣候變化類型的區域占研究區總面積89.16%, 主要分布于南部、東北部和東部地區; 表現為不適應當地氣候變化類型的區域主要分布于中部城市密集地區、滇西北部分地區。森林生態系統表現為適應和中度適應當地氣候變化類型的區域占研究區總面積的79.29%, 主要分布于東部、東北部和南部部分區域, 不適應當地氣候變化的區域主要分布在滇西北和中部零星地區。

氣候變化; NDVI; 植被覆蓋度; 適應性; 云南地區

0 前言

近百年來全球氣候正經歷一次以變暖為主要特征的顯著變化, 正在直接或間接地對自然生態系統產生影響[1]; 揭示生態系統對氣候變化的響應及其適應能力已成為全球變化研究的一個重要領域[2–3]。植被是陸地生態系統的重要組成部分, 植被在長期的自然選擇和適應過程中不斷與環境相互協調, 形成了一系列應對自然條件的適應機制[4]; 也是生態系統對外界干擾的敏感區與脆弱區[5]。因此, 植被對氣候變化的適應性分析和評估是區域應對氣候變化的關鍵和基礎, 可為生態系統可持續發展提供科學依據[6]。

植被的氣候變化適應性是指植被生態系統的結構或功能對預計或實際氣候變化的可能調節程度[7–8]。隨著人類活動對自然生態系統的影響越來越顯著, 氣候變化對自然生態系統的影響也越難從中分離; 因此, 基于潛在植被分析自然生態系統在氣候變化下的響應, 已經成為很多學者的共識; 潛在植被是在當前氣候背景及無人類干擾情況下, 立地植被所能發育演替形成的最穩定、最成熟的頂極植被類型, 可反映特定氣候條件下植被發展的總體趨勢[9]。其中, 歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)具有時間和空間上的連續性, 在較大尺度的植被動態監測和生態環境研究中, 是表征植被變化的有效參數, 它包含植被覆蓋信息, 是植物生長狀態及植被空間分布密度的最佳指示因子[10],在沒有大的人為干擾和自然災害的情況下, 能較好地代表一個區域隨溫度、水分變化的植被生長發育狀況[11]。受到氣候變化的影響, 以NDVI表征的植被覆蓋狀況已呈現了區域差異的變化[12], 在這種情況下, 預測我國不同地區陸地植被的變化趨勢, 對更好地適應和應對氣候變化尤為重要。近年來, 國內外學者基于NDVI在不同國家和地區對植被覆蓋的時空變化特征做了大量研究, 在區域尺度上詳細分析了植被變化對氣候、地形以及人類活動等因子的響應[13–14]。但是, 目前關于適應性的研究在本質上大多屬于氣候變化對生態系統的影響研究范疇[15–16], 方法也未統一, 并將適應性作為脆弱性的一個組成方面[17–19]; 主要集中在植物個體尺度的適應策略上[20], 并且大多針對農田生態系統[21]。對較大的空間尺度以及較長的時間尺度上植被生態系統對氣候變化的適應機制還缺乏了解, 氣候變化背景下不同時空尺度的生態系統適應性研究仍需更多系統的研究案例支持。

云南高原地區是中國氣候變化的敏感地帶, 研究發現, 20世紀80年代以來, 云南地區氣候變化趨勢明顯[22]。相關研究也表明未來氣候情景下中國自然生態系統整體表現為適應性減弱, 其中高原區域為表現最為突出的地區之一[23]。目前針對云南地區NDVI基礎上的植被覆蓋研究大多是針對局部地區與氣候因子的影響研究[24]; 本文定位于全球氣候變化下植被生態系統的適應性這一熱點問題, 進一步基于云南地區生態系統NDVI與氣溫及降水之間的響應關系, 分析不同區域氣候變化類型對當地植被長勢的可能影響, 進行氣候變化背景下植被的適應性分析, 以期為不同區域生態系統適應氣候變化的差異化管理策略的制定和植被恢復提供科學依據和參考。

1 研究區域概況

云南地處中國西南邊陲, 位于東經97°31′至106°11′, 北緯21°8′至29°15′之間, 總面積39.41萬km2; 北回歸線橫貫南部, 屬山地高原地形, 94%的面積是山地; 地形復雜, 地勢呈現西北高、東南低, 自北向南呈階梯狀逐級下降; 氣候屬于亞熱帶高原季風型, 具有從寒帶、溫帶到熱帶的不同氣候類型, 年溫差小, 最熱(七月)月均溫在19 °C—22 °C之間, 最冷(一月)月均溫在6 °C—8 °C以上; 但是日溫差大、干濕季節分明, 濕季(雨季)為5—10月, 集中了85%的降雨量。植被類型豐富多樣, 主要以亞熱帶常綠闊葉林為主。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

遙感數據采用2000年1月至2016年12月Terra-MODIS13Ql 16d合成的產品數據, 空間分辨率為250 m, 數據來源于美國國家航空航天局(http:// la-dsweb.nascom.nasa.gov/)。數字高程數據(DEM)分辨率為30 m, 數據來源于美國國防部國家測繪局(http:// www.cgiar-csi.org)。使用ENVI軟件將下載的數據批處理進行格式和投影轉換, 同時完成圖像的拼接和裁切。

氣象數據為2000—2016年云南省126個氣象站點的氣溫和降水數據(圖1), 數據來源于國家氣象信息中心, 包括國家基本站、基準站和一般氣候站逐月氣溫和降水資料。利用ArcGIS軟件對研究區氣象站點的數據分別進行Kriging插值。

森林植被分布數據來自于云南省植被現狀調查[25], 包括了半濕潤常綠闊葉林, 干熱河谷硬葉常綠闊葉林, 寒溫性山地硬葉常綠闊葉林, 寒溫性針葉林, 季風常綠闊葉林, 落葉闊葉林, 暖熱性針葉林, 暖溫性針葉林, 熱帶雨林及季雨林, 人工林, 山地濕性常綠闊葉林, 溫涼性針葉林, 竹林。

2.2 研究方法

2.2.1 氣候變化趨勢系數

氣候趨勢系數可用來表示氣象要素變化的定量程度, 它定義為年的要素序列與自然數列1, 2, …,的相關系數:

圖l 研究區概況及氣象站點位置

Figure 1 The general situation and meteorological stations of study area

2.2.2 NDVI 變化趨勢分析

采用最大值合成法將各旬NDVI數據合成為月數據, 并對12個月NDVI數據求平均值得到年NDVI值。采用一元線性回歸方法分析每個柵格的變化趨勢, slope是像元NDVI回歸方程的斜率, 若slope＞0, 表示隨時間變化植被指數是增加的趨勢, 并且數值越大植被覆蓋度增加越明顯; 反之, 若 slope＜0則代表植被指數呈現下降的趨勢。

式中為年序號, NDVIi為第年NDVI值。

2.2.3 NDVI與氣溫和降水的相關分析

逐像元計算NDVI值與標準化的年均溫、年降水數據的相關系數, 計算公式為:

式中表示氣候因子第年的某個柵格數值,`代表氣候因子多年均值,x表示在第年NDVI的某個柵格數值,表示NDVI多年平均值。本研究中的相關分析與線性擬合分析分別借助SPSS軟件和Origin軟件完成。

3 研究結果與分析

3.1 氣候因子變化趨勢

圖2為2000—2016年云南地區年均氣溫和年降水變化的趨勢系數, 采用Mann—Kendall非參數檢驗進行變化趨勢的顯著性檢驗?？梢钥闯? 研究區大部分地區的年均氣溫都有不同程度的上升, 超過80%的站點變化趨勢達到顯著性檢驗(<0.01), 增暖顯著的地區位于滇南西雙版納和滇西北高海拔地區, 最大趨勢系數達到0.8; 北部金沙江沿岸的干熱河谷地區年均氣溫卻存在下降趨勢, 其中元謀縣的年均氣溫下降趨勢最明顯, 趨勢系數為-0.4。研究區年降水量變化在不同區域差異較大, 滇西地區年降水量有下降趨勢, 趨勢系數-0.5以上; 滇東北和東部地區降水量呈現增加趨勢, 最大趨勢系數達到0.3左右; 降水量變化趨勢僅有30%的站點達到了顯著性檢驗(<0.01)。

3.2 NDVI變化趨勢

圖3為云南地區NDVI從2000—2016年的變化趨勢, 可以看出大部分區域NDVI變化斜率主要在0—0.1之間; NDVI整體呈現不同程度的增加趨勢, 呈增加趨勢的區域占研究區總面積的79.80%。植被覆蓋顯著增加(<0.05)的地區主要分布在云南的東北部和東部、南部的部分地區; 植被覆蓋減小的區域主要集中在中部的昆明、曲靖、玉溪、大理等城市, 城市的建設用地侵占了耕地、林地資源, 導致植被覆蓋度嚴重降低; 滇西北高海拔地區植被覆蓋也呈現不同程度的減少趨勢。本研究將NDVI變化斜率小于零的區域定義為植被退化區, 2000—2016年云南地區植被退化面積僅占研究區總面積的13.17%。

再從圖4云南地區森林生態系統NDVI從2000—2016年的變化趨勢可以看出, NDVI變化斜率在0—0.1之間的像元占總面積的90.23%, 主要以增加趨勢為主; 結合不同森林植被分布類型, 只有寒溫性和溫涼性森林植被類型NDVI變化斜率呈現下降趨勢, 年NDVI值增加趨勢的變化基本按常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞針葉林＞人工林的順序減小。

3.3 NDVI與氣溫和降水的相關

圖5為云南地區NDVI與氣溫和降水的相關關系圖, 其中NDVI和氣溫之間在研究區呈現正相關、負相關的區域面積分別為83.20%和13.20%, 其余為不相關; 其中62.42%的區域相關性達到顯著性(<0.05)檢驗。大部分區域年均氣溫升髙對生態系統植被生長有利, 尤其以滇東北和東部區域較為明顯;滇西北高海拔地區年均氣溫升髙對植被NDVI生長不利。另外, NDVI與降水量之間呈現正相關、負相關的區域面積分別為49.75%和48.75%, 其余為不相關; 其中僅有18.76%的地區相關性達到顯著性(<0.05)檢驗。年降水量增多對生態系統植被生長有利的區域多集中在云南中部、滇東北; 年降水量增多對植被生長不利的地區主要分布于滇南、滇西, 尤其是滇西北部分地區。

圖2 云南地區2000—2016年氣候變化趨勢系數

Figure 2 Spatial patterns of trend coefficients of temperature and precipitation in Yunnan

圖3 云南地區2000—2016年NDVI變化斜率圖

Figure 3 Variation trend of annual NDVI in Yunnan from 2000 to 2016

圖4 云南地區2000—2016年森林植被NDVI變化斜率圖

Figure 4 NDVI variation trend of forest vegetation in Yunnan from 2000 to 2016

圖5 云南地區NDVI與氣溫和降水變化的相關

Figure 5 Correlation relationship of temperature, precipitation with NDVI in Yunnnan from 2000 to 2016

圖6為云南地區森林生態系統NDVI與氣溫和降水的相關關系圖, 其中森林生態系統NDVI和氣溫之間呈現正相關、負相關的區域面積分別為53.51%和20.70%, 與氣溫的空間相關性大多達到了<0.05的顯著性檢驗; 大部分區域年均氣溫升髙對森林生態系統生長有利; 而年均氣溫升髙對森林植被生長不利的地區主要分布于滇西北高海拔地區。另外, 森林生態系統NDVI與降水量之間呈現正相關、負相關的區域面積分別為42.30%和27.79%, 但未達到<0.05的顯著性檢驗; 年降水量增多對森林生態系統生長有利的區域主要分布于中部和南部的部分地區; 年降水量增多對森林生態系統生長不利的地區分布于滇南、滇東文山地區、滇西北部分區域。

3.4 基于NDVI的植被生態系統對氣候變化的適應性

首先, 氣候變化分區參考史培軍等利用氣溫和降水量的變化趨勢值、波動特征值, 結合地形特點完成的氣候變化區劃數據[26], 結合云南地區的氣候變化數據(圖2), 驗證結果顯示云南地區共存在以下三種氣候變化分區: (1)大部分地區包括西北—中部—南部暖干趨勢帶, 占總面積的86.2%; (2)滇東北地區、滇東部分地區屬于暖濕趨勢帶, 占總面積的12.5%; (3)西部德宏地區、南部少部分屬于冷干趨勢帶, 占總面積的1.3%。

其次, 采用遙感數據提取感興趣區域(ROI )方法, 對植被生態系統NDVI與氣候因子響應的顯著區域進行提取, 對植被長勢驅動類型進行區域劃分, 可以得到以下4種類型: (1)若某區域植被NDVI與氣溫變化呈正相關、與降水變化呈負相關, 為氣候暖干化驅動型區; (2)若某區域植被NDVI與氣溫、降水變化同呈正相關, 為氣候暖濕化驅動型區; (3)若某區域植被NDVI與氣溫、降水變化同呈負相關, 為氣候冷干化驅動型區; (4)若某區域植被NDVI與氣溫呈負相關、與降水變化呈正相關, 為氣候冷濕化驅動型區。

最后, 將氣候變化分區數據與植被長勢驅動區域劃分數據進行GIS空間疊加, 提取以下3種NDVI變化明顯的區域: (1)植被潛在分布適應氣候變化的區域: 即氣候分區類型和植被長勢驅動類型變化完全一致的區域, 氣候因子變化趨勢對植被生長有利, 植被覆蓋將上升的區域。(2)植被潛在分布中度適應氣候變化的區域: 即氣候分區類型和植被長勢驅動類型變化基本一致的區域, 氣候(氣溫和降水)其中一個因子變化趨勢對植被生長有利, 植被覆蓋可能上升的區域。(3)植被潛在分布不適應氣候變化的區域: 即氣候分區類型和植被長勢驅動類型變化完全不一致的區域, 氣候因子變化對植被生長不利, 植被覆蓋下降的區域?？臻g分析結果如圖7所示。

總體來說, 云南地區植被生態系統NDVI表現為適應當地氣候變化類型的區域面積占研究區總面積的46.76%, 主要分布于南部和滇東北地區; 中度適應當地氣候變化類型的區域面積占總面積的42.40%, 主要分布于東部地區; 不適應當地氣候變化類型的區域相對所占面積較小, 為10.84%, 主要分布于中部大理、昆明、玉溪等城市, 以及滇西北部分地區。從森林生態系統來看, 表現為適應和中度適應當地氣候變化類型的區域面積占研究區總面積的79.29%, 主要分布于東部、東北部和南部部分區域, 而不適應區域氣候變化類型的區域主要分布在滇西北地區和中部零星地區。

4 結論與討論

4.1 討論

植被生態學觀點認為氣候是控制植被類型地理分布最重要的因子, 主要的植被類型表現著植物界對于主要氣候類型的適應[27]?？紤]到森林生態系統是陸地上生物總量最高的生態系統, 對陸地生態環境有決定性的影響, 所以本文從研究區植被總體狀況以及森林生態系統二方面研究氣候變化背景下的適應性。云南地區地勢地貌復雜, 水熱條件差異大,各自形成局地環流, 氣候條件多變, 變化復雜而不穩定, 植被生態系統的適應性空間差異較大。一般來說, 生態系統自恢復能力較強, 環境穩定性好的地區, 面對氣候變化, 生態系統表現出的適應性就較大。南部邊緣低海拔地區和西部低山與沖積型寬谷盆地交錯相間分布的地區熱量、水分資源較好, 對氣候變化的適應性明顯大于其他地區, 即受到氣候變化的影響, 生態系統的波動相對較小或調整適應能力較強。而北部高山地區生態系統對氣候變化的適應性較小, 在這些地區, 地理環境獨特, 資源富集、生態脆弱, 一方面對氣候變化敏感, 再加之人類不合理的資源開發利用極易產生生態環境的退化, 導致滑坡、崩塌、泥石流、水土流失等生態環境問題的出現。因此, 面對諸如滇西北擁有豐富生物資源, 卻又是貧困地區的狀況, 對這些區域的資源開發應當慎重, 堅持開發前的生態環境評價和做好保護規劃。

圖6 云南地區森林植被NDVI與氣溫和降水變化的相關

Figure 6 Correlation relationship of temperature, precipitation with NDVI of forest vegetation in Yunnan from 2000 to 2016

圖7 基于NDVI的云南地區和森林生態系統對氣候變化的適應性分區

Figure 7 Adaptation of NDVI to climate change in Yunnan

總的來說, 由于對適應性的定義在不同學科和不同領域存在很大差異, 縱觀目前國內外對于適應性的研究主要依據一定的因果關系和決定性因素進行測度, 通過一些指標、分值、分級過程, 評估一個國家、一個區域、一個社區的相對適應能力, 將每一系統的適應能力要素進行累積加總, 形成系統的總體評價分值[28–29], 而對于自然植被生態系統的氣候變化適應性研究則相對比較零散, 且以生態系統的氣候變化脆弱性為主[30], 研究的不確定性還較高, 這方面的研究還缺乏更為客觀的基礎, 需要形成統一的評價指標標準及體系[31]。2015年周廣勝等提出的陸地生態系統對氣候變化的適應性評價方法從陸地生態系統功能單元出發, 基于反映氣候資源與植物生理生態機制、氣候資源保證率與最大熵原理建立的, 可以反映自適應性的程度和拓展適應能力[27], 為科學評估生態系統的氣候適應性提供了科學方法。但是對于氣候變化適應性的定量評估, 所遇到的困難除了來自氣候變化的不確定性外, 還需要進一步考慮基礎資料的大量收集和全面共享[32]。

以往研究大多從物候學或氣象學的角度展開, 本文從地理學分區的角度, 結合研究區當地的氣候變化分區, 完成氣候變化背景下的陸地植被覆蓋適應性分析雖然僅是粗略的研究, 僅是基于氣候變化類型與植被長勢的潛在影響出發, 并未對復雜的混合情況進行深人探討, 如植被氣候暖干化驅動區域疊加氣候暖濕趨勢帶, 或陸地植被暖濕化驅動區域疊加氣候暖干趨勢帶等, 以及對植被覆蓋變化不顯著區域, 需進一步詳細分析。

4.2 結論

基于遙感影像數據和ArcGIS, 利用2000—2016年云南地區植被生態系統NDVI與氣溫及降水之間的響應關系, 分析不同區域氣候變化類型對當地植被生態系統長勢的潛在影響, 進行氣候變化背景下植被生態系統的適應性分析, 得到以下結論:

(1)研究區年均氣溫在滇南西雙版納和滇西北高海拔地區呈現顯著上升趨勢, 北部金沙江干熱河谷地區存在下降趨勢, 超過80%的站點變化趨勢達到顯著性檢驗(<0.01)。研究區年降水量在滇西呈現下降趨勢, 滇東北和東部呈現增加趨勢, 變化趨勢僅有30%的站點達到顯著性檢驗(<0.01)。

(2)研究區NDVI變化斜率主要在0—0.1之間, 呈增加趨勢的區域占總面積79.80%, 主要分布在滇東北和東部、南部地區; 植被覆蓋呈減小的區域集中在中部城市密集區和滇西北高海拔地區。除了寒溫性和溫涼性森林NDVI變化斜率呈下降趨勢, 其余NDVI呈增加趨勢的變化基本按常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞針葉林＞人工林的順序減小。

(3)研究區NDVI和氣溫之間呈現正、負相關的區域面積分別為83.20%和13.20%; 與降水量之間呈現正、負相關的區域面積分別為49.75%和48.75%。森林生態系統NDVI和氣溫之間呈現正、負相關的區域面積分別為53.51%和20.70%, 與降水量之間呈現正相關、負相關的區域面積分別為42.30%和27.79%。

(4)研究區NDVI表現為適應和中度適應當地氣候變化類型的區域占總面積89.16%, 森林生態系統表現為適應和中度適應當地氣候變化類型的區域占總面積79.29%, 均主要分布于滇東北和東部、南部地區; 不適應當地氣候變化類型的區域主要分布于中部城市和滇西北地區。

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Adaptability of vegetation ecosystem to climate change based on the NDVI in Yunnan province, China

HE Yunling*, XIONG Qiaoli, Yu Lan, QU Xinxing, YAN Wenbo

School of Resources Environment & Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, China

Normalized difference vegetation index (NDVI) is an important remote sensing parameter, and it can accurately reflect the growth status of vegetation, biological, physical, and chemical properties, and the changes in ecological system. Using the relationship between NDVI and the temperature, precipitation from 2000 to 2016, the potential effects for different types of regional climate change on the local vegetation growth in Yunnan province were analyzed, and the adaptability of vegetation ecosystem to climate change was quantitatively identified.The results showed that the NDVI had an increasing trend from 2000 to 2016 in the study area. The area of increased vegetation coverage was mainly distributed in the northeast and east parts of Yunnan, and the decreased vegetation area was mainly concentrated in northwest part and central urban region. There was a positive correlation between NDVI and temperature in the study area as a whole, especially in the northeast and east regions, and the area with negative correlation was mainly distributed in the high altitude area of northwest Yunnan. The correlation between NDVI and precipitation was smaller than that of temperature. The vegetation ecosystem in the study area was 89.16% of the total area, which was characterized by adaptation and moderate adaptation to local climatic change, and they were mainly distributed in the south, northeast and eastern parts of Yunnan. The vegetation ecosystems showing the inadaptability to local climatic change were mainly distributed in central urban regions and parts of northwest Yunnan. The forest ecosystem in the study area was 79.29% of the total area, which was characterized by adaptation and moderate adaptation to local climate change, and they were mainly distributed in the east, northeast and parts of the south regions.

climate change; NDVI; vegetation coverage; adaptability; Yunnan province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.024

TP7

A

1008-8873(2019)06-165-08

2018-11-07;

2018-11-29

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502105); 中國科學院西部之光青年學者項目

何云玲(1978—), 女, 云南大理人, 博士, 副教授, 主要從事區域環境演變及其生態響應研究, E-mail: hyl610@126.com

何云玲陳文(1963—),

何云玲, 熊巧利, 余嵐, 等. 基于NDVI云南地區植被生態系統對氣候變化的適應性分析[J]. 生態科學, 2019, 38(6): 165-172.

HE Yunling, XIONG Qiaoli, Yu Lan, et al. Adaptability of vegetation ecosystem to climate change based on the NDVI in Yunnan province, China[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 165-172.