三江平原不同季節植被覆蓋變化及其對氣候變化的響應

摘要 應用遙感和GIS技術，結合統計和相關分析等方法，基于MODIS NDVI和氣象（氣溫、降水）數據，探討2000—2020年三江平原植被各季節NDVI變化趨勢、空間分布格局及其對氣候變化的響應。結果表明：在時間尺度上，近21年三江平原春季、夏季、秋季植被NDVI呈上升趨勢，春季升幅最大（0.156/10 a），秋季升幅最小（0.075/10 a）。在空間分布上，春季NDVI較低，約70.10%區域處于低覆蓋植被區（NDVI≤0.4），中覆蓋植被區（0.4lt;NDVIlt;0.6）占29.10%；夏季植被生長較好，NDVI迅速增加，高覆蓋植被區（NDVI≥0.6）幾乎占三江平原整個區域，占比為97.53%；秋季植被NDVI空間分布與春季相似，但數值與春季相比，低覆蓋植被區有所減少，中、高覆蓋植被區均有所增加。在相關性分析中，春季94.18%植被NDVI與氣溫呈正相關，夏季（91.21%）和秋季（63.46%）大部分區域植被NDVI與氣溫呈負相關，說明春季氣溫的升高對大多數植被生長主要起促進作用，夏季氣溫的下降對植被生長主要起促進作用，秋季氣溫的升高對植被生長主要起抑制作用；夏季（88.90%）和秋季（80.81%）大部分區域植被NDVI與降水量呈正相關，春季82.46%區域與降水量呈負相關，說明夏季和秋季降水量的增多對三江平原植被生長主要具有促進作用，而春季降水量的增多對大多數植被生長具有抑制作用。

關鍵詞 歸一化植被指數（NDVI）；植被覆蓋；季節變化；氣候變化；三江平原

中圖分類號 S162 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2025）06-0195-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.045

Changes of Vegetation Cover in Different Seasons and Their Response to Climate Change in the Sanjiang Plain

LI Hai-yan ZENG Xing-yu HE Pu2 et al

（1.Harbin Base of International Center on Space Technologies for Natural and Cultural Heritage Under the Auspices of UNESCO，Institute of Natural Resources and Ecology of Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin，Helongjiang 150040;2.Rural Social Service Center，Datong District Daqing City，Daqing，Helongjiang 163000）

Abstract Using remote sensing and GIS technology，combined with statistical and correlation analysis methods，based on MODIS NDVI and meteorological （temperature，precipitation） data，this study explored the seasonal NDVI variation trend，spatial distribution pattern and response to climate change of vegetation in the Sanjiang Plain from 2000 to 2020.The results showed that on a time scale，the NDVI of vegetation in the Sanjiang Plain had shown an upward trend in spring，summer，and autumn over the past 21 years，with the largest increase in spring （0.156/10 a） and the smallest increase in autumn （0.075/10 a）.In terms of spatial distribution，the NDVI in spring was relatively low，with about 70.10% of the area being in low coverage vegetation areas （NDVI≤0.4），and 29.10% being in medium coverage vegetation areas （0.4lt;NDVIlt;0.6）.In summer，the vegetation grew well，and the NDVI increased rapidly，the high coverage vegetation area （NDVI≥0.6） accounted for almost the entire area of the Sanjiang Plain，accounting for 97.53%.In autumn，the spatial distribution of vegetation NDVI was similar to that in spring，but the values had decreased in low coverage vegetation areas and increased in medium and high coverage vegetation areas compared to spring.In the correlation analysis，94.18% of vegetation NDVI was positively correlated with temperature in spring，and negatively correlated with vegetation NDVI in most areas in summer （91.21%） and autumn （63.46%），indicating that the increase of temperature in spring mainly promoted the growth of most vegetation，the decrease of temperature in summer mainly promoted vegetation growth，and the increase of temperature in autumn mainly inhibited vegetation growth.In summer （88.90%） and autumn （80.81%），vegetation NDVI was positively correlated with precipitation，and in spring，82.46% of areas were negatively correlated with precipitation，indicating that the increase of precipitation in summer and autumn mainly promoted the growth of vegetation in the Sanjiang Plain，while the increase of precipitation in spring inhibited the growth of most vegetation.

Key words Normalized difference vegetation index（NDVI）;Vegetation cover;Seasonal change;Climatic change;Sanjiang Plain

植被作為陸地生態系統的主要組成部分，可以將土壤、大氣、水分和人類社會緊密聯系起來，具有調節地表循環和氣候變化的作用［1］。歸一化植被指數（NDVI）作為一種能夠有效反映地表植被生長變化情況的遙感指標，已經廣泛應用于區域植被覆蓋變化及空間分布的監測中［2-4］。植被活動在不同季節有不同的變化，對不同季節有不同的響應［5］。近年來各國學者對于植被覆蓋變化及其與氣候變化間的關系進行了大量的研究，如史娜娜等［6］利用2000—2010年MODIS NDVI和氣象數據，分析了東北林草交錯區植被NDVI時空變化及其對氣溫、降水的年際響應，得出全區、典型草原區、森林區、森林草原區植被NDVI的主要氣候影響因子分別為氣溫、降水、氣溫、降水；孟夢等［7］以1982—2012年GIMMS NDVI數據和氣象數據為數據源，分析了近31年內蒙古NDVI對氣候因子的響應機制，得出近31年內蒙古NDVI與氣溫、降水的相關關系具有明顯的空間差異性，且降水對NDVI的影響超過了氣溫對NDVI的影響；劉恒等［8］基于MODIS NDVI和氣象數據，分析了武陵山區2000—2019年植被生長季NDVI的時空變化特征及其對水熱因子的響應特征，得出近20年武陵山區植被生長季NDVI呈現波動增加態勢，氣候趨向暖濕，NDVI與生長季氣溫、降水均整體表現為正相關，且受降水影響更大；李京忠等［9］基于MODIS NDVI、氣溫、降水等數據，研究了2000—2020年錫林郭勒盟植被NDVI時空變化及其對氣候的響應，得出21年來該區植被覆蓋呈增加趨勢，植被覆蓋對氣候變化響應的敏感度在空間和時間上各不相同，在空間變化上對氣溫較為敏感，在年際變化上對年降水量較為敏感；李霞等［10］基于MODIS NDVI及年均高溫、年均低溫、年均溫、年降水量數據，分析了2000—2020年陜西各地貌分區植被NDVI時空變化特征及其與降水量、氣溫的響應機制，得出21年來陜西植被NDVI波動增加，陜西及各分區植被NDVI與年均高溫整體呈負相關，與年均低溫、年均溫、年降水量呈正相關。綜上所述，目前大多數的研究主要集中區域植被變化生長季和年際間差異及其對氣候變化的響應，而對植被變化的年際季節間差異及其與氣候變化的研究相對較少。

三江平原森林豐富，是中國最大的沼澤分布區和中國重要的商糧基地，但隨著氣候的變化，森林覆蓋減少，濕地發生變化［11］，生態環境問題日益受到關注。筆者利用2000—2020年NODIS NDVI數據和氣象數據，采用統計及相關分析等方法，研究21年來三江平原春季、夏季、秋季的植被NDVI變化趨勢、季節差異及其與氣溫和降水的空間相關性，探討氣候變化對植被變化的影響，以期為三江平原生態保護提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

三江平原位于黑龍江省東北部，由黑龍江、松花江、烏蘇里江這3條江沖擊而成，地理坐標為43°49′55″～48°27′40″N、129°11′20″～135°05′26″E（圖1），總面積約10.89萬km2，是中國最大的沼澤分布區，也是中國最大的農墾區和重要商品糧生產基地。該區屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫為 1.6～3.9 ℃，降水集中于夏秋季，年降水量為500～700 mm，四季分明，凍結期長，但夏季溫暖，雨熱同季，適于植被的生長。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 植被類型數據、土地利用數據。

植被類型數據使用TM遙感影像，空間分辨率為30 m，來源于國際科學數據服務平臺（http：//www.cnic.cas.cn/），對獲取的原始遙感影像進行校正、裁剪等預處理操作，采用監督分類法從中提取出植被數據，根據生態系統分類體系和研究需要，該研究將2000、2005、2010、2015和2020年5個時期植被類型分為森林、灌叢、草甸、濕地、農田5類。通過計算機隨機采樣的方式，在5期影像中各采集260個點，并通過GPS野外采集點進行精度評價，每期影像監督分類結果的各類型分類精度和總體精度均達到 90% 以上，Kappa 系數在 0.85 以上，分類結果精度滿足研究需求。

1.2.2 NDVI數據。

MODIS NDVI為美國宇航局官方網站（http：//www.nasa.gov/）免費提供的覆蓋三江平原的 MOD13Q1產品，空間分辨率和時間分辨率分別為250 m 和 16 d，該研究將MOD13Q1 NDVI產品的16 d合成數據通過最大合成法（MVC）生成月NDVI數據，經過疊加處理及均值法得到2000、2005、2010、2015和2020年每個時期春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）月NDVI平均數據，并消除異常值的影響。由于三江平原冬季寒冷，非常綠植被類型的NDVI在冬季很小，通常伴隨著較大的噪聲干擾，因此在探索NDVI增幅和時空分布時，只考慮春季、夏季、秋季。并根據植被覆蓋劃分標準及該研究的需要，將植被覆蓋劃分為高、中、低3級：NDVI≥0.6為高覆蓋植被，0.4lt;NDVIlt;0.6為中覆蓋植被，NDVI≤0.4為低覆蓋植被。

1.2.3 氣象數據。

氣象數據來源于黑龍江省氣象局三江平原內部和周邊22個氣象站點（圖1）2000—2020年1—12月的氣溫和降水量數據。氣溫主要取平均值，將逐月溫度求平均得各季平均溫度和逐年平均溫度；降水量主要是用累積值，將各月降水量相加，分別計算各季降水量和年降水量。

1.3 研究方法

1.3.1 線性趨勢分析法。

線性趨勢分析法可以簡明地反映變量的趨勢變化。該研究分別以 NDVI、氣溫和降水量為因變量，時間x（單位：年）為自變量， NDVI、氣溫和降水量則為時間的函數，公式如下：

y=b0+b1x

式中：y為 NDVI、氣溫和降水量；b1為植被 NDVI、氣溫或降水量的變化率，b1的正負可代表植被活動的增強和減弱、氣溫的上升和下降、降水量的增多和減少。

1.3.2 相關性分析。

Pearson相關分析是研究2個或2個以上處于同等地位隨機變量間相關關系的統計分析方法［12］，為研究三江平原不同季節植被 NDVI 對氣溫、降水量變化的

響應情況，該研究采用基于像元的相關分析法分別計算各季節NDVI 與氣溫、降水量的相關系數，以揭示其相關程度及空間分布。相關系數計算公式如下：

式中：xi、yi為2個要素第i年的值；、為2個要素的年平均值；n為年數；rxy是x、y的相關系數，值在［-1，1］。當rxylt;0時，表示負相關；當rxygt;0時，表示正相關，正相關表示氣候因子對植被NDVI的增加起促進作用，反之起抑制作用。

2 結果與分析

2.1 不同季節植被NDVI、平均氣溫、降水量的年際變化

對研究區2000—2020 年植被平均NDVI、氣溫和降水量的季節變化進行分析，結果表明（圖2和圖3），三江平原春季、夏季、秋季NDVI均呈上升趨勢，變化率分別為0.156/10 a、0.146/10 a和0.075/10a。 春季平均氣溫和降水量均呈上升趨勢，變化率分別為0.335 ℃/10 a和9.201 mm/10 a；夏季平均氣溫呈下降趨勢而降水量呈上升趨勢，變化率分別為-0.206 ℃/10 a和84.184 mm/10 a；秋季平均氣溫和降水量均呈上升趨勢，變化率分別為0.086 ℃/10 a和45.347 mm/10 a；冬季平均氣溫呈上升趨勢而降水量呈下降趨勢，變化率分別為0.308 ℃/10 a和-3.246 mm/10 a。

2.2 不同植被類型NDVI季節變化

從2000—2020年三江平原不同季節各植被類型平均NDVI 及變化趨勢（圖4）可以看出，春季、秋季森林平均NDVI最大，分別為0.47和0.50，農田最小，分別為0.26和0.34；夏季各植被類型平均NDVI森林最大，沼澤最小，分別為0.88和0.76；春季、秋季植被類型平均NDVI總體變化一致，從大到小依次均為森林gt;灌叢gt;草甸gt;沼澤gt;農田，夏季與春季、秋季有所區別，夏季農田比沼澤NDVI大。不同季節三江平原多數植被類型 NDVI 在 3個季節均呈上升趨勢，只有沼澤秋季 NDVI呈下降趨勢，春季森林上升趨勢最大，農田上升趨勢最小，變化率分別為0.317/10 a和0.040/10 a；夏季農田上升趨勢最大，草甸上升趨勢最小，變化率分別為0.266/10 a和0.096/10 a；秋季森林上升趨勢最大，草甸上升趨勢最小，而沼澤呈下降趨勢，變化率分別為0.197/10 a、0.058/10 a和-0.073/10 a。

2.3 三江平原植被覆蓋的空間變化

三江平原植被生長具有明顯的季節性變化，如圖5所示，春季NDVI較低，約70.10%區域屬于低覆蓋植被區，主要分布在三江平原的中北部、西南部及東南部；中覆蓋植被區占整個區域的29.10%，主要分布在三江平原中北部、西南部及中東部；高覆蓋植被區占比極低，僅占整個區域的0.80%。夏季植被生長較好，NDVI迅速增加，高覆蓋植被區幾乎占了三江平原整個區域，占比為97.53%；中覆蓋植被區和低覆蓋植被區占比極低，分別占整個區域的1.75%和0.72%。秋季植被NDVI空間分布與春季相似，但數值與春季相比，低覆蓋植被區有所減少，占區域面積的65.32%，中、高覆蓋植被區均有所增加，分別占區域面積的32.08%和2.60%。

2.4 植被NDVI與氣候變化的相關性分析

不同季節植被NDVI與氣溫相關性分析如圖6a和表1所示，春季94.18%的區域與氣溫呈正相關，空間分布占整個區域的絕大部分，主要植被類型為森林、灌叢、農田和草甸；只有5.82%的區域與氣溫呈負相關，主要分布在三江平原的東北部地區、牡丹江流域和撓力河流域周邊，主要植被類型為沼澤。夏季91.21%的區域與氣溫呈負相關，空間分布占整個區域的絕大部分，主要植被類型為森林、灌叢、農田和草甸；只有8.79%的區域與氣溫呈負相關，主要分布在撫遠東部、烏蘇里江流域、黑龍江流域、松花江流域、撓力河流域和穆棱河流域周邊地區，主要植被類型為沼澤。秋季63.46%的區域與氣溫呈負相關，主要分布在三江平原中北部地區，主要植被類型為草甸、沼澤、北部大部分農田；36.54%的區域與氣溫呈正相關，主要分布在三江平原的中南部、東南部和鶴崗西北部地區，主要植被類型為森林、灌叢和南部大部分農田。

不同季節植被NDVI與降水量的相關性分析如圖6b和表1所示，春季82.46%的區域與降水量呈負相關，主要分布在三江平原的中部、北部地區；17.54%的區域與降水量呈正相關，主要分布在三江平原南部地區。夏季88.90%的區域與降水量呈正相關，空間分布占整個區域的絕大部分，主要植被類型為森林、灌叢、農田、草甸；只有11.10%的區域與降水量呈負相關，主要分布在松花江流域、撓力河流域和穆棱河流域周邊地區，以及撫遠北部、蘿北中部、鶴崗市中北部地區，主要植被類型為沼澤和少量農田。秋季80.81%的區域與降水量呈正相關，空間分布占整個區域的絕大部分，主要植被類型為森林、灌叢、農田、草甸；19.19%的區域與降水量呈負相關，主要分布在松花江流域、撓力河流域和穆棱河流域周邊地區，以及撫遠北部、依蘭西南部和穆棱南部地區，主要植被類型為沼澤和少量農田。

3 討論

三江平原春季、夏季、秋季植被 NDVI 均呈上升趨勢，其中春季植被 NDVI上升趨勢最大（0.156 /10 a），夏季次之（0.146/10 a），秋季最小（0.075/10 a），表明三江平原春季植被NDVI上升速度最快。春季和秋季植被 NDVI 增加，表明三江平原植被生長季開始提前而結束延遲，使得整個生長季延長，導致三江平原植被活動增強，植被初級生產力提高［13］。各季節不同植被類型 NDVI 變化，夏季農田上升趨勢最大，可能因為降水量是東北地區作物生長的主要限制因子，夏季雨水充沛有利于農作物植被生長。而秋季沼澤呈下降趨勢，可能因為雖然秋季氣溫升高有利于植被的生長，但降水量的增加，使沼澤濕地植被被淹沒，不利于沼澤植被的生長。

相關性分析中，春季三江平原大部分區域植被NDVI與氣溫呈正相關，與降水量呈負相關，說明春季氣溫的升高對大多數植被生長有促進作用，春季降水量的增多對大部分區域植被生長有抑制作用，這可能是因為氣溫上升會導致土壤溫度上升，加速植物的內部化學反應速度，使植被的春季物候提前，從而促進植被的生長，而該區域春季氣溫也較寒冷［14］，降水量的增加會導致云覆蓋增加，減少太陽輻射，從而阻礙植被生長［15］。夏季三江平原大部分植被與氣溫呈負相關，與降水量呈正相關，說明夏季氣溫的上升抑制植被的生長，降水量的增加促進植被的生長，這可能一方面是由于三江平原夏季炎熱，溫度的上升加快了植被葉片蒸騰作用，導致蒸散發增加，反過來限制植被生長和光合作用，另一方面可能是雖然三江平原是雨熱同期，適于植被生長，但每年都有洪澇和低溫災害的發生［16］，也抑制了植被的生長；夏季88.90%的區域植被NDVI與降水量呈正相關，表明夏季植被受降水量的影響較大，夏季植被生長最茂盛，雨熱同期會促進植被生長，增加植被有機物積累和提高生物量。秋季三江平原大部分區域植被NDVI與氣溫呈負相關，與降水量呈正相關，說明秋季溫度的升高對植被生長有抑制作用，降水量的增加對植被生長有促進作用，三江平原秋季空氣干燥、風沙較大［17］，土壤水分容易流失，降水量的增加可增強植被光合作用的水分需求，保護水分平衡，增加干物質的積累，從而促進植被生長。

4 結論

（1）2000—2020 年三江平原植被春季、夏季、秋季植被NDVI呈上升顯著，春季上升趨勢最大（0.156/10 a），秋季最?。?.075/10 a），森林、灌叢、草甸、農田、沼澤各植被春季、夏季NDVI均呈上升趨勢，秋季除沼澤呈小幅下降趨勢外，其他植被類型也均呈上升趨勢。

（2）近21年來三江平原植被NDVI具有明顯的季節性變化，春季植被NDVI較低，約70.10%區域處于低覆蓋植被區，中覆蓋植被區占整個區域的29.10%，高覆蓋植被區僅占整個區域的0.80%。夏季植被覆蓋較好，NDVI迅速增加，高覆蓋植被區幾乎占了三江平原整個區域（97.53%）。秋季植被NDVI空間分布與春季相似，但數值與春季相比，低覆蓋植被區有所減少（65.32%），中、高覆蓋植被區均有所增加，分別占區域面積的32.08%和2.60%。

（3）相關性分析中，春季三江平原大部分區域（94.18%）植被NDVI與氣溫呈正相關，與降水量呈負相關，說明春季氣溫的升高對植被生長主要有促進作用，降水量的增多對植被生長主要有抑制作用。夏季和秋季，大部分區域植被NDVI與氣溫呈現負相關，與降水量呈正相關，說明夏季氣溫的下降對植被生長主要有促進作用，秋季氣溫的升高對植被生長主要起抑制作用，夏秋季降水量的增多對植被生長主要起促進作用。

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基金項目 黑龍江省科學院院所能力提升專項（YSTS2025ZR01）；國家自然科學基金項目（42371287）；黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（CZKYF2023-1-C023）。

作者簡介 李海燕（1974—），女，黑龍江哈爾濱人，副研究員，碩士，從事生態保護及氣候變化研究。*通信作者：羅春雨，研究員，碩士，從事景觀生態學研究；曲藝，副研究員，博士，從事生態保護研究。

收稿日期 2024-07-18