基于NDVI的華北平原農業干旱演變特征研究

安明明

（河南省濟源水文水資源勘測局，河南 濟源 459099）

0 前言

干旱現象嚴重威脅了農業生產活動，短時間內的干旱現象就可以迅速造成大面積的農作物減產現象，如果旱情發生在作物生長關鍵期甚至會造成農作物的絕收，森林大火、土地鹽堿等并發地次生災害，對社會造成深遠的影響。長遠來看，農業干旱首先會造成農業生產中的灌溉用水轉化為土壤有效含水量的大量減少，更嚴重會威脅傳統農業生產過程中長期形成的種植結構、生產方式、農作物布局，甚至還會導致土地荒漠化、土地鹽堿化等各種土壤問題，對整個生態系統的正常運行發展造成巨大的破壞。傳統農業旱情分析主要是基于地面站點測定的土壤墑情來研究干旱的發展情況，其準確性、代表性、完整性有限且成本較大。遙感技術具有準確、及時、大范圍等優點，能夠實現對大面積的農業干旱進行快速監測。文章以歸一化植被指數NDVI 作為農業干旱指數，研究了華北平原1999-2019年的農業干旱時空演變特征，以期彌補傳統的農業干旱監測方法在空間尺度上的不足。

1 數據與方法

1.1 研究區域與數據

華北平原是中國七個主要平原中的第二大平原，范圍廣闊且地勢平坦，海拔在50 m 以下。黃淮海平原降雨總量并不十分充足，但降雨期大多集中在作物的生長旺季，且降雨總量的地理、四季以及多年年際之間的差異較大，年平均降雨量為500～900 mm。華北平原內的中北部一帶年平均降雨量低于500 mm，屬于易旱地區，而黃河以南地區年平均降雨量為700～900 mm，基本可以滿足南部地區種植作物的兩熟需要。文章選取的數據為中國科學院資源環境科學數據中心官網提供的1999-2019 年的全國范圍內的NDVI 數據集，其在空間上的分辨率為1 km。將21年間各月份的數據全部導入Arcgis軟件之中，對坐標系進行調整以保證投影不出現偏差，然后通過裁剪處理生成1999-2019年的華北平原NDVI數據集。

1.2 方法

1.2.1 歸一化植被指數NDVI

NDVI 是一種無量綱的植被指數，已經在各尺度的農業干旱動態變化監測中得到了廣泛應用。文章使用的NDVI 是采用最大值合成法將每月1-3 旬的NDVI 數據合成月值數據集，這樣可以比較好地消除云、大氣以及太陽高度角等的部分影響。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗的目的是評估所選擇的序列，隨著時間的變化，是否存在上升或下降的單調趨勢。當數據具有單調上升（下降）的趨勢，就意味著該統計變量存在隨時間增加（減少）的情況。在MK檢驗中，不需要正態分布的假設，所以MK檢驗是非參數檢驗。該方法的具體步驟參照文獻。

2 結果與分析

綜合華北平原1999-2019 年各月份的NDVI 變化趨勢，可以得到圖1。從圖1中可以看出21年間NDVI變化情況基本一致，總體上NDVI值范圍在0.20～0.70，各年份均在1月取得最小值。2-7 月份呈現出明顯的上升趨勢，而在8月份取得年內最大值，9-12 月逐漸降低，并與次年1 月、2 月相銜接。其中在2001年1月取得多年間最小值0.17，2008年8月取得多年間最大值0.75。并且，Mann-Kendall檢驗得到趨勢特征Z值為0.03，表明1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢，旱情處于減緩趨勢。

圖1 NDVI逐月變化情況圖

根據以上分析，發現在2001年1月華北平原NDVI值出現最低值0.17，因此以2001年為例進行相關的研究，給出2001年年內NDVI 的變化情況。從圖2 中可以看出該年份NDVI 最大值略有變化，整體維持在0.70～0.90，該年1 月、11 月與12 月NDVI 值均小于0.80，其余月份NDVI 最大值基本穩定在0.80～0.90。各月份NDVI 平均值變化呈現開口向下拋物線形式，取值在0.17～0.70。其中，6月份NDVI值有所下降，該時期恰好屬于春小麥收割時期，因此可以認為小麥的收割對NDVI值的變化產生了一定的影響。8 月份取得最大值0.70，從9月開始華北平原整體NDVI值下降，可能是因為此時雨季結束，同時冬小麥播種基本結束，導致NDVI值整體呈現出下降趨勢。

圖2 2001年年內NDVI變化情況圖

如圖3 所示，華北平原NDVI 區域平均值年際變化趨勢明顯。整體上華北平原NDVI 值處于0.40～0.47，1999-2002 年NDVI 平均值逐年減小，在2002 年時取得11 年之間的最小值0.396。考慮到華北平原以井灌為主且在2001年經歷了較為嚴重的干旱，可以認為前一年大量消耗地下水灌溉，對2002年的NDVI 值產生了影響。2002-2004 年，NDVI 值急劇上升，至2004 年達到峰值0.46。之后2004-2006 年有略微下降，2006-2008 年再次上升，于2008 年取得0.47，之后2009-2010年略有下降，在2010-2012 年又有上升趨勢，在2012 年取得0.47。之后再次下降，2015年后又開始上升，并在2017年取得多年最大值0.47。綜合21年的變化情況，可以認為華北平原的年NDVI值有上升趨勢，即華北平原的干旱情況有緩解。

圖3 各年NDVI變化情況圖

以2001年1-3月份為例，得到華北平原NDVI的空間分布特征。由1-3 月NDVI 變化情況可以看出，該時間段中華北平原大部分地區NDVI值較低，整體較為干旱，僅河南小部分地區NDVI值較大。1月份，除了部分地區外整體NDVI均處于較低水平，具有較嚴重的干旱現象。2月份，河北大部地區干旱情況加劇，同時河南地區的NDVI值有所升高，華北平原整體上仍然處于干旱狀態。3月份，河南地區NDVI有明顯升高，同時河北、山東與河南接壤地區NDVI升高，局部最大值達到0.836。4月份與3月變化趨勢相一致，此時河南NDVI達到較高水平，河北山東大部地區NDVI持續增高。時至5月份華北平原僅有河北張家口一帶與沿渤海一帶NDVI值仍然偏低，考慮到河北西部地區靠近地形較高，且環渤海地區并不能進行農業生產，可以認為其是正常現象。6 月份由于春小麥的收割并逐漸進入夏季，華北平原中部整體NDVI值有所降低其平均值降低至0.40。

7-9 月份華北平原進入雨季，該時間段內華北平原整體NDVI 值處于較高水平，最大值達到0.70，時期變差系數為0.15，達到年內最低水平。此時期，環渤海區域內仍由于不能種植農業作物而處于最低水平。10月份之后，雨季結束，此時淮河全段開始進入枯水期。河南東南部NDVI 值最先開始減小，11-12月華北平原北部地區NDVI均開始減小，期間河南地區略有恢復但是地區平均值只有0.26，最大值也只有0.67，NDVI值整體處于較低水平。

3 小結

針對華北平原的農業干旱現象日益嚴重的問題，文章基于1999-2019年華北平原的NDVI數據集，研究了基于NDVI的華北平原農業干旱演變特征，結果發現1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢，干旱情況有所緩解。并且，最嚴重的干旱發生年份為2001年，該年份的1月NDVI值出現最小值0.17。