2000-2015年內蒙古植被NDVI時空變化特征

郭金停, 郭 羽

(內蒙古師范大學 生命科學與技術學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

作為地表生態系統中涵養水源、改善土壤與凈化空氣的關鍵結構要素,植被對優化自然性能與提高環境質量有著重要的影響。因此,21世紀在環境狀況日益惡化的情況下,進行植被動態變化的研究迫在眉睫。作為目前遙感植被監測研究中能夠表征植被覆蓋高低程度的一個重要參數,歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)時空尺度的變化對應著植被覆蓋的變化。因此,利用NDVI研究植被動態變化普遍受到學者們的青睞。

Myneni等[1]研究表明全球植被活動在加強,尤其以北半球中高緯度地區顯著。Mathan等[2]利用1988-2017年的NDVI數據分析了印度泰米爾納德邦金奈都市圈(CMA)城市周邊景觀的時空變化,發現在研究期間,由于土地利用類型的改變,該地區NDVI呈下降趨勢。我國學者毛德華等[3]研究了1982-2006年的東北凍土區植被NDVI年際動態變化,結果表明東北北部NDVI表現為顯著下降趨勢。Yang等[4]分析1998-2007年長江和黃河源區的NDVI時空變化,發現二者的NDVI基本一致且都呈增加趨勢。Guo等[5]基于東北地區凍土區植被,研究其生長季NDVI的時空變化,得出該研究區植被生長季NDVI顯著增加的結論。Sun等[6]對我國城市范圍近三十年來的植被覆蓋進行研究,結果表明我國華東地區因受城市化影響顯著,該區植被覆蓋指數呈下降趨勢。Piao等[7]選用1982-1999年中國植被NDVI數據分析整個中國尺度上年平均NDVI,發現其具有顯著上升的趨勢。謝寶妮[8]利用1982-2014年黃土高原不同植被類型生長季NDVI數據對該地區植被覆蓋時空變化特征進行分析,發現該區所有植被類型生長季NDVI均呈增加趨勢。周夢甜等[9]通過研究西北地區植被NDVI變化情況發現1998-2012年該地區植被NDVI呈上升趨勢。毛飛等[10]利用遙感影像數據分析1982-2001年內蒙古地區森林草原NDVI的時空變化特征,結果表明該地區7月-8月NDVI多年平均值呈現東北高西南低的分布特征。內蒙古自治區是我國華北北部地區非常重要的屏障保護區,當地復雜的氣候類型使其植被類型呈現多樣化,植被NDVI隨植被類型的不同而產生變化,呈現東北高西南低的趨勢特征,尤其是在草原區,隨氣候變化和人為因素的影響,草地NDVI極不穩定,而且其變化幅度很大,通常NDVI處在較低水平[11-12]。隨著人類活動的愈演愈烈,采用NDVI表征生態環境變化的應用越來越重要。因此本文以內蒙古自治區作為研究區,分析2000-2015年該區植被NDVI在時空尺度上的變化特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區(37°24′～53°23′N,97°12′～126°04′E)呈狹長帶狀,北接蒙古高原,東臨東北三省,西接甘肅,南鄰山西,地域遼闊。該區具有復雜的地貌類型,山丘、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊均有分布,但主要地貌類型為高原。

圖1 內蒙古植被類型圖Fig.1 Vegetation types of Inner Mongolia

內蒙古自治區土壤種類豐富,有東部的黑土壤,依次向西排列的暗棕壤、黑鈣土和栗鈣土[13]。全區水資源分布不均衡,黃河附近局部地區水量充足,但大部分區域水資源短缺,常年出現干旱現象[14]。全區氣候類型多樣,總體以溫帶大陸性氣候為主,具有較大的晝夜溫差,年降水量較少,潛在蒸發量較高,四季變化強烈,多大風。作為內蒙古自治區重要的氣候分界線,大興安嶺南北部區域氣候差異明顯,山脈北部區域氣溫顯著低于南部。全區自然資源豐富,植被類型多樣,以典型草原聞名; 沙漠主要分布在內蒙古西部區域,沼澤主要分布在東部區域。本研究選用的植被類型為森林、草原、農田、灌叢、荒漠和沼澤,研究區主要植物種有: 黑楊林、無芒隱子草、春小麥、水稻和大豆。研究區植被類型如圖1所示。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 數據來源 本文采用的數據來源于國家地球系統科學數據中心的MODIS數據集,該數據的貢獻者為黃土高原科學數據中心,數據獲取網址為http://www.geodata.cn/。內蒙古自治區NDVI是月合成產品,是由MODND1D計算得到,計算方法為取月內最大值。數據加工方法主要環節包括數據收集與整理、數據格式及投影方式規范化。選取內蒙古地區2000-2010年1 km分辨率及2011-2015年500 m分辨率的月合成NDVI數據,共下載2000-2015年覆蓋內蒙古全區的192幅影像,每年平均12幅。為消除由于冬季降雪對植被覆蓋的影響,本文選用處于生長季(4月-10月)的植被,利用其平均NDVI進行分析。

1.2.2 數據處理 為了與2000-2010年的NDVI數據具有相同的空間分辨率,對2011-2015年間的內蒙古全區植被柵格數據采用最鄰近插值法進行重采樣,以避免數據像元大小不同對研究結果產生異常影響。利用內蒙古(不包括呼倫湖)矢量圖對研究區16年間的月合成NDVI數據進行批量裁剪,以去除水域對植被覆蓋產生的影響。對去除水域后的生長季月平均NDVI柵格數據利用ArcGIS 10.1空間分析工具進行統計分析得到時間序列內的全區植被年生長季平均NDVI。本研究覆蓋的土地利用類型有6種,分別為: 森林、草原、農田、荒漠、灌叢和沼澤,利用這6種植被類型的矢量圖層分別對研究區每一年生長季平均NDVI柵格數據進行批量裁剪,以獲得不同植被類型年生長季平均NDVI。利用ArcGIS10.1柵格計算器完成對植被覆蓋動態變化特征空間尺度上的研究分析,并對其計算完成的柵格數據進行重分類。

1.3 研究方法

1.3.1 時間尺度上的分析方法 本研究使用趨勢線分析方法計算整個研究時段(2000-2015年)內生長季平均NDVI的整體變化趨勢,并利用SPSS16.0在95%(P<0.05)的顯著性水平上對計算出來的趨勢結果進行檢驗。利用一元線性回歸方程模擬計算16年間不同植被類型年生長季平均NDVI,得到該研究期間內不同植被類型的年際變化特征,同樣利用SPSS16.0對其進行顯著性(P<0.05)水平檢驗。一元線性回歸方程公式如下[15]:

(1)

1.3.2 空間尺度上的研究方法 利用一元線性回歸方法對空間每個像元進行分析,計算得到的斜率變化趨勢,即可反映研究區生長季平均NDVI的空間變化特征。像元斜率變化趨勢的計算公式為[16]:

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 植被(4月-10月)平均NDVI的時間變化趨勢

圖2 2000-2015年內蒙古植被生長季平均NDVI時序變化散點圖Fig.2 Scatter plot of the mean NDVI temporal variation in the growth season in Inner Mongolia from 2000 to 2015

2.1.1 內蒙古全區植被(4月-10月)平均NDVI的年際變化趨勢 圖2為利用各年生長季內月合成的1 km空間分辨率MODIS NDVI遙感影像柵格數據NDVI平均值,代表該年內生長季植被平均覆蓋程度,分析內蒙古全區2000-2015年間地表植被生長狀況及覆蓋程度隨時間序列變化。由圖2可知,16年間內蒙古陸地植被NDVI總體表現為波動上升趨勢,且該趨勢顯著(P<0.05)。2015年NDVI出現驟降的原因是全區發生了較嚴重的干旱[18]。

2.1.2 不同植被類型生長季NDVI的時序變化特征 圖3是利用趨勢線分析法分別對整個內蒙古尺度上6種植被類型16年的年生長季平均NDVI值進行統計分析得出的趨勢圖。由圖3中各植被類型變化斜率可知,2000-2015年 研究區6種植被類型年生長季平均NDVI均呈增加趨勢。其中,農田的增加程度最強烈,荒漠的增加程度最弱。利用SPSS 16.0對各植被類型隨時間序列的變化進行顯著性檢驗(P<0.05),結果表明均顯著。統計各植被類型年平均生長季NDVI得出表1。由表1可知,2000-2015年,年均生長季植被覆蓋程度最高的植被類型為沼澤,最低的為荒漠,研究區各植被類型年均生長季NDVI由高到低依次為: 沼澤>森林>農田>灌叢>草原>荒漠。

圖3 2000-2015年內蒙古不同植被類型NDVI隨時序變化趨勢分布散點圖Fig.3 Scatter plot of NDVI temporal variation of different vegetation types in Inner Mongolia from 2000 to 2015

表1 各植被類型年平均生長季NDVITab.1 Average NDVI of growth season of different vegetation type

2.2 全區生長季植被的空間變化特征

利用ArcGIS 10.1的柵格計算器計算全區16年間的平均生長季NDVI,并利用重分類工具對其進行重分類得到圖4。由圖4可知,全區NDVI呈現東北高西南低的空間分布特點,與全區植被覆蓋特征相符。

圖4 2000-2015年內蒙古植被年均生長季NDVI空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of average NDVI in growth season of Inner Mongolia from 2000 to 2015

表2 NDVI空間像元數分布占比Tab.2 Proportion of pixel distribution in NDVI

統計NDVI空間像元數分布占比得出表2。由表2可知,內蒙古植被覆蓋空間像元水平NDVI處在<0.2、0.2～0.4和0.4～0.6這三個區間內的像元數占比差異不明顯,但其分別比>0.6區間內的像元數占比均高出約8個百分點,表明總體上內蒙古全區16年間植被覆蓋空間異質性較明顯。

圖5(a)為空間尺度上內蒙古植被生長季平均NDVI年際動態變化,斜率為正值代表研究時段內該區植被覆蓋表現為上升趨勢,斜率為負值則表現為下降趨勢。

統計圖5(a)不同NDVI區間空間像元數占比得到表3。由表3可知,研究時段內內蒙古地區90.1%的植被覆蓋呈現增加的趨勢,僅9.9%的植被覆蓋呈現減少的趨勢。利用ArcGIS10.1柵格計算器完成對相關系數的計算,并對計算完成的柵格數據按顯著性水平對其進行重分類得到圖5(b),統計其空間像元數占比得出表4。由表4可知,植被覆蓋變化呈增加趨勢的區域中,42.4%的植被NDVI變化表現出顯著性,因為內蒙古地區植被覆蓋呈顯著增加的區域明顯多于呈顯著減少的區域,因此總體上內蒙古全區植被覆蓋變化表現為顯著增加。由圖5(b)可知,內蒙古中部、中東部和東北部少部分區域植被覆蓋呈顯著減少趨勢,該區中西部大部分區域植被覆蓋呈顯著增加趨勢。內蒙古最西部地區植被覆蓋呈顯著增加的區域明顯多于顯著減少的區域。因此,內蒙古最西部地區植被覆蓋總體呈顯著增加趨勢。

表3 不同NDVI區間空間像元數占比

表4 經顯著性檢驗的相關性系數空間像元數占比

圖5 2000-2015年內蒙古植被生長季平均NDVI變化趨勢及其顯著性Fig.5 Variation trend and significance of average NDVI in growth season of Inner Mongolia from 2000 to 2015

3 討論

內蒙古自治區作為中國北方地區的邊緣地帶,其環境變化強烈,區域特征明顯。Guo等[5]研究表明,在1981-2014年間,內蒙古呼倫貝爾西部地區植被NDVI呈下降趨勢。陳效逑等[19]同樣基于遙感數據分析了內蒙古植被覆蓋度的變化,發現1982-2003年間呼倫貝爾西部地區植被NDVI呈顯著下降趨勢,均與本文的結論相反,兩者結論差異的原因可能是所選研究時間的不同。李曉光[20]的研究表明,2001-2013年間內蒙古植被NDVI最高的年份為2013年,最低的年份為2001年,這與本文結論一致。但在空間尺度上,其研究表明,全區年均4月-10月NDVI變化不能通過顯著性檢驗,這與本文的結論相反。并且其研究還表明,空間尺度上植被覆蓋變化呈顯著增加的區域占比為10.62%,呈顯著減少的區域占比為1.9%,均與本文結論不一致,這是由于研究時段內研究區植物物種有差異所致。因此,未來關于內蒙古植被覆蓋時空變化情況的研究應考慮時間和植物物種差異兩個因素對植被NDVI的影響。

本文的結果表明,2000-2015年內蒙古不同植被類型NDVI在時間序列上均表現出顯著增加的趨勢,而李曉光的研究表明,在2001-2013年的研究區中,植被類型屬草原和荒漠的區域NDVI變化表現為不顯著增加趨勢[20],這與本文的結果不一致,這種差異可能是由研究所處時間序列的不同導致,或是由研究的植被類型中物種的差異所致。因此,對于內蒙古不同植被類型NDVI時序變化特征的研究應該更進一步。