黑龍江省多年凍土區(qū)NDVI時(shí)空變化及驅(qū)動因素分析

張樂

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150025）

植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水圈、土壤圈和大氣圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要銜接主體，在調(diào)節(jié)氣候、保持水土，減少水土流失，碳氧平衡等方面發(fā)揮重要作用[1]，所以研究了解植被的動態(tài)變化，對于我們掌握生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化和功能變化具有重要的研究意義[2]。植被，作為地理環(huán)境的重要組成部分，主要有三種影響因素，分別是生長地區(qū)的地形和土壤、氣候條件和當(dāng)?shù)氐娜祟惢顒覽3]。最近幾十年，遙感技術(shù)不斷進(jìn)步，不同的遙感數(shù)據(jù)被用來研究不同尺度的植被變化[4]。歸一化植被指數(shù)是指遙感影像近紅外波段和紅外波段反射率的比值參數(shù)[5]，是目前研究中，公認(rèn)的植被變化的最佳表征指標(biāo)[6，7]，被廣泛應(yīng)用于不同尺度植被覆蓋和氣候關(guān)系的研究中[8，9]。在不同尺度的植被變化監(jiān)測中，遙感技術(shù)由于范圍廣，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，信息獲取的速度快，信息量豐富等特點(diǎn)，在植被覆蓋變化的研究中廣泛應(yīng)用[10]。趙安周基于MODIS 數(shù)據(jù)，分析了陜甘寧地區(qū)植被的變化狀況，研究得到陜甘寧地區(qū)NDVI 呈顯著增加的趨勢[11]。蔣友嚴(yán)等基于MOD13A3 數(shù)據(jù)，分析了祁連山地區(qū)植被的變化特征，研究得到祁連山植被覆蓋狀況，呈轉(zhuǎn)好趨勢[12]。氣候是植被生長和分布的主要影響因素，其中氣溫和降水直接影響植被的變化，是植被覆蓋變化的主要驅(qū)動因素[13，14]。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省多年凍土區(qū)地處于寒溫帶，總體上屬于溫帶大陸性氣候（圖1）。氣候特征表現(xiàn)為春季低溫干旱，夏季溫?zé)岫嘤辏锛疽诐吃缢竞渎L。降水表現(xiàn)為季風(fēng)性特征，夏季受東南季風(fēng)的影響，降水充沛，冬季在干冷西北風(fēng)控制下，干燥少雨。

圖1 研究區(qū)位置及高程

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局提供的2001-2020年，MOD13Q1（h25v03、h26v03、h26v04）陸地3 級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250m，時(shí)間分辨為16 天，數(shù)據(jù)格式為HDF。用MRT 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。選用2000-2020 年研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的逐日氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算得到年降水量和年平均氣溫，在ArcMap 中插值，空間分辨率為250m。

土地利用數(shù)據(jù)，下載自中國科學(xué)院環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http://www.resdc.cn/）分別選用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析法

運(yùn)用趨勢分析法研究黑龍江省多年凍土區(qū)2001-2020 年NDVI 的變化趨勢。計(jì)算公式為:

式中：slope 為2001-2020 年NDVI 變化趨勢的斜率；n 為年份數(shù)；NDVIi為第i 年的NDVI 平均值。當(dāng)slope＞0 時(shí)，表明NDVI隨時(shí)間的變化呈上升趨勢；反之，當(dāng)slope＜0 時(shí)，表明NDVI 隨時(shí)間的變化呈下降趨勢。slope 絕對值越大，變化速率越大。

1.3.2 相關(guān)分析法

分析植被變化與氣候因子之間的相關(guān)性，相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)表示，公式為：

式中：R 為相關(guān)系數(shù)，xi為氣候因子第i 年的值，yi為第i 年的NDVI 值，xi，yi為變量x，y 的平均值。R 的絕對值越大，表明兩組要素的關(guān)系越密切；反之，這說明關(guān)系越弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)NDVI 時(shí)空變化分析

2.1.1 NDVI 時(shí)間變化特征

為分析研究區(qū)2000-2020 年植被NDVI 年際變化趨勢，利用一元線性回歸計(jì)算了2000-2020 年研究區(qū)年NDVI 平均值，2001-2020 年研究區(qū)年年NDVI 平均值分布范圍在0.40-0.65 之間，最大值出現(xiàn)在2016 年，最小值出現(xiàn)在2009 年。2000-2020年研究區(qū)年NDVI 平均值呈增長趨勢，線性傾向斜率0.0035/20a，R2=0.3179（圖2）。

圖22000-2020 年研究區(qū)NDVI 時(shí)間變化

2.1.2 NDVI 空間變化特征

從2001-2020 年研究區(qū)年平均NDVI 空間分布變化趨勢空間分布圖（圖3）可知，研究區(qū)NDVI 明顯改善的面積最多，占72.73%，NDVI 輕微改善的區(qū)域位于研究區(qū)西南部，面積占全區(qū)13.89%，植被NDVI 基本不變的區(qū)域占全區(qū)面積的10.69%，NDVI 嚴(yán)重退化和輕度退化的區(qū)域面積較小，分別占全區(qū)的1.37%和1.32%。

圖32001-2020 年NDVI 變化趨勢

2.2 氣候因子與NDVI 的關(guān)系

對2001-2020 年研究區(qū)年均NDVI 與年總降水量、年均NDVI 與年平均氣溫分別進(jìn)行相關(guān)性分析，得到研究區(qū)的NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性分布圖（圖4）。由圖可知，NDVI 與降水量的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.879～0.789，均值為0.049。其中不顯著正相關(guān)區(qū)域的面積最大，占82.61%，顯著正相關(guān)區(qū)域面積占8.39%，不顯著負(fù)相關(guān)的面積占5.72%，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域占3.28%。NDVI 與氣溫的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.737～0.878，均值為0.187。其中不顯著正相關(guān)區(qū)域的面積最大，占77.57%，顯著正相關(guān)區(qū)域面積占9%，不顯著負(fù)相關(guān)的面積占13.34%，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域占0.09%。

圖4 NDVI 與降水量相關(guān)系數(shù)及NDVI 與溫度相關(guān)系數(shù)分布圖

2.3 研究區(qū)土地利用時(shí)空變化特征及對NDVI 的影響

由表1 可知，2000 年土地利用類型以耕地、林地為主，共計(jì)1832.17km2，占總面積的88.04%，其中耕地61601km2、林地135248km2。水域、建設(shè)用地面積相對較小，分別為2953km2、75.18km2。

表12000-2020 年土地利用狀況匯總表

2000-2020 年未利用地面積增加13436km2，增幅103.82%，建設(shè)地面積增加742km2，增幅23.33%，耕地面積增加5238km2，增幅8.5%，同時(shí)，草地?fù)p失6780km2，降幅35.38%，水域損失635km2，降幅21.5%，林地?fù)p失11669km2，降幅8.63%（圖5）。

圖52000 年和2020 年土地利用類型圖

2000-2020 年NDVI 由0.3933 增加到0.4099，增量0.0166。林地NDVI 由的0.5194 增加到0.5664，增量0.047。研究時(shí)段內(nèi)，草地NDVI 由0.4673 變?yōu)?.4811，增量0.0138，NDVI 增加，或許是溫度、降水等自然作用的影響。水域面積增加明顯，水面基本無植被，NDVI 由0.3813 減少到2020 年的0.3439，減少了0.0374。建設(shè)用地NDVI 由0.3789 增加到0.4017，建設(shè)用地在城市的結(jié)構(gòu)變化與空間變化情況下，NDVI 不僅未出現(xiàn)降低趨勢，反而提高了0.0228，主要原因是城市建設(shè)更加注重居住環(huán)境、增加綠化面積。未利用地NDVI 有大幅增加，增量為0.0499。

3 結(jié)論

基于MODIS 數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)分析2001-2020 年黑龍江省多年凍土區(qū)NDVI 時(shí)空變化特征以及NDVI 對氣候變化，得出以下結(jié)論。

3.1 黑龍江省多年凍土區(qū)2001-2020 年NDVI 整體呈上升趨勢，植被覆蓋狀況呈良性改善狀態(tài)。2001-2020 年研究區(qū)年NDVI 平均值分布范圍在0.40-0.65 之間，2016 年值最大，2009年值最小。2000-2020 年研究區(qū)年NDVI 平均值呈增長趨勢，線性傾向斜率0.0035/20a。

3.22000-2020 年研究區(qū)NDVI 與年降水量相關(guān)性在研究區(qū)西北部和東南部相關(guān)性較強(qiáng)，研究區(qū)NDVI 與降水量關(guān)系多為不顯著正相關(guān)，占82.61%。NDVI 與年平均氣溫相關(guān)性在研究區(qū)西北部和東南部相關(guān)性較強(qiáng)與NDVI 變化具有一致性，研究區(qū)NDVI 與降水量關(guān)系多為不顯著正相關(guān)，占77.57%。

3.3 研究區(qū)的不同土地利用類型，面積從大到小為林地、耕地、未利用地、草地、建設(shè)用地與水域。2001-2020 年，研究區(qū)NDVI 增加的主要原因?yàn)榇罅康牟莸剞D(zhuǎn)為耕地，NDVI 增加耕地增加有關(guān)。