郭金停, 郭 羽

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

作為地表生態(tài)系統(tǒng)中涵養(yǎng)水源、改善土壤與凈化空氣的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)要素,植被對優(yōu)化自然性能與提高環(huán)境質(zhì)量有著重要的影響。因此,21世紀(jì)在環(huán)境狀況日益惡化的情況下,進(jìn)行植被動態(tài)變化的研究迫在眉睫。作為目前遙感植被監(jiān)測研究中能夠表征植被覆蓋高低程度的一個重要參數(shù),歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)時空尺度的變化對應(yīng)著植被覆蓋的變化。因此,利用NDVI研究植被動態(tài)變化普遍受到學(xué)者們的青睞。

Myneni等[1]研究表明全球植被活動在加強(qiáng),尤其以北半球中高緯度地區(qū)顯著。Mathan等[2]利用1988-2017年的NDVI數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)在研究期間,由于土地利用類型的改變,該地區(qū)NDVI呈下降趨勢。我國學(xué)者毛德華等[3]研究了1982-2006年的東北凍土區(qū)植被NDVI年際動態(tài)變化,結(jié)果表明東北北部NDVI表現(xiàn)為顯著下降趨勢。Yang等[4]分析1998-2007年長江和黃河源區(qū)的NDVI時空變化,發(fā)現(xiàn)二者的NDVI基本一致且都呈增加趨勢。Guo等[5]基于東北地區(qū)凍土區(qū)植被,研究其生長季NDVI的時空變化,得出該研究區(qū)植被生長季NDVI顯著增加的結(jié)論。Sun等[6]對我國城市范圍近三十年來的植被覆蓋進(jìn)行研究,結(jié)果表明我國華東地區(qū)因受城市化影響顯著,該區(qū)植被覆蓋指數(shù)呈下降趨勢。Piao等[7]選用1982-1999年中國植被NDVI數(shù)據(jù)分析整個中國尺度上年平均NDVI,發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)對該地區(qū)植被覆蓋時空變化特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)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(qū)植被NDVI變化情況發(fā)現(xiàn)1998-2012年該地區(qū)植被NDVI呈上升趨勢。毛飛等[10]利用遙感影像數(shù)據(jù)分析1982-2001年內(nèi)蒙古地區(qū)森林草原NDVI的時空變化特征,結(jié)果表明該地區(qū)7月-8月NDVI多年平均值呈現(xiàn)東北高西南低的分布特征。內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國華北北部地區(qū)非常重要的屏障保護(hù)區(qū),當(dāng)?shù)貜?fù)雜的氣候類型使其植被類型呈現(xiàn)多樣化,植被NDVI隨植被類型的不同而產(chǎn)生變化,呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢特征,尤其是在草原區(qū),隨氣候變化和人為因素的影響,草地NDVI極不穩(wěn)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(tài)環(huán)境變化的應(yīng)用越來越重要。因此本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)作為研究區(qū),分析2000-2015年該區(qū)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(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)(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(qū)具有復(fù)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(nèi)蒙古植被類型圖Fig.1 Vegetation types of Inner Mongolia

內(nèi)蒙古自治區(qū)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(qū)水資源分布不均衡,黃河附近局部地區(qū)水量充足,但大部分區(qū)域水資源短缺,常年出現(xiàn)干旱現(xiàn)象[14]。全區(qū)氣候類型多樣,總體以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?具有較大的晝夜溫差,年降水量較少,潛在蒸發(fā)量較高,四季變化強(qiáng)烈,多大風(fēng)。作為內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的氣候分界線,大興安嶺南北部區(qū)域氣候差異明顯,山脈北部區(qū)域氣溫顯著低于南部。全區(qū)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(nèi)蒙古西部區(qū)域,沼澤主要分布在東部區(qū)域。本研究選用的植被類型為森林、草原、農(nóng)田、灌叢、荒漠和沼澤,研究區(qū)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(qū)植被類型如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 本文采用的數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的MODIS數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)者為黃土高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)址為http://www.geodata.cn/。內(nèi)蒙古自治區(qū)NDVI是月合成產(chǎn)品,是由MODND1D計(jì)算得到,計(jì)算方法為取月內(nèi)最大值。數(shù)據(jù)加工方法主要環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)收集與整理、數(shù)據(jù)格式及投影方式規(guī)范化。選取內(nèi)蒙古地區(qū)2000-2010年1 km分辨率及2011-2015年500 m分辨率的月合成NDVI數(shù)據(jù),共下載2000-2015年覆蓋內(nèi)蒙古全區(qū)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(jìn)行分析。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 為了與2000-2010年的NDVI數(shù)據(jù)具有相同的空間分辨率,對2011-2015年間的內(nèi)蒙古全區(qū)植被柵格數(shù)據(jù)采用最鄰近插值法進(jìn)行重采樣,以避免數(shù)據(jù)像元大小不同對研究結(jié)果產(chǎn)生異常影響。利用內(nèi)蒙古(不包括呼倫湖)矢量圖對研究區(qū)16年間的月合成NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行批量裁剪,以去除水域?qū)χ脖桓采w產(chǎn)生的影響。對去除水域后的生長季月平均NDVI柵格數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.1空間分析工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到時間序列內(nèi)的全區(qū)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(nóng)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(qū)每一年生長季平均NDVI柵格數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算器完成對植被覆蓋動態(tài)變化特征空間尺度上的研究分析,并對其計(jì)算完成的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算整個研究時段(2000-2015年)內(nèi)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(jì)算出來的趨勢結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。利用一元線性回歸方程模擬計(jì)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(nèi)不同植被類型的年際變化特征,同樣利用SPSS16.0對其進(jìn)行顯著性(P<0.05)水平檢驗(yàn)。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(jìn)行分析,計(jì)算得到的斜率變化趨勢,即可反映研究區(qū)生長季平均NDVI的空間變化特征。像元斜率變化趨勢的計(jì)算公式為[16]:

(2)

(3)

2 結(jié)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(nèi)蒙古植被生長季平均NDVI時序變化散點(diǎn)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(nèi)蒙古全區(qū)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(nèi)月合成的1 km空間分辨率MODIS NDVI遙感影像柵格數(shù)據(jù)NDVI平均值,代表該年內(nèi)生長季植被平均覆蓋程度,分析內(nèi)蒙古全區(qū)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(nèi)蒙古陸地植被NDVI總體表現(xiàn)為波動上升趨勢,且該趨勢顯著(P<0.05)。2015年NDVI出現(xiàn)驟降的原因是全區(qū)發(fā)生了較嚴(yán)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(nèi)蒙古尺度上6種植被類型16年的年生長季平均NDVI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(qū)6種植被類型年生長季平均NDVI均呈增加趨勢。其中,農(nóng)田的增加程度最強(qiáng)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(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),結(jié)果表明均顯著。統(tǒng)計(jì)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(qū)各植被類型年均生長季NDVI由高到低依次為: 沼澤>森林>農(nóng)田>灌叢>草原>荒漠。

圖3 2000-2015年內(nèi)蒙古不同植被類型NDVI隨時序變化趨勢分布散點(diǎn)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(qū)生長季植被的空間變化特征

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

圖4 2000-2015年內(nèi)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(shù)分布占比Tab.2 Proportion of pixel distribution in NDVI

統(tǒng)計(jì)NDVI空間像元數(shù)分布占比得出表2。由表2可知,內(nèi)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(qū)間內(nèi)的像元數(shù)占比差異不明顯,但其分別比>0.6區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)占比均高出約8個百分點(diǎn),表明總體上內(nèi)蒙古全區(qū)16年間植被覆蓋空間異質(zhì)性較明顯。

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

統(tǒng)計(jì)圖5(a)不同NDVI區(qū)間空間像元數(shù)占比得到表3。由表3可知,研究時段內(nèi)內(nèi)蒙古地區(qū)90.1%的植被覆蓋呈現(xiàn)增加的趨勢,僅9.9%的植被覆蓋呈現(xiàn)減少的趨勢。利用ArcGIS10.1柵格計(jì)算器完成對相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,并對計(jì)算完成的柵格數(shù)據(jù)按顯著性水平對其進(jìn)行重分類得到圖5(b),統(tǒng)計(jì)其空間像元數(shù)占比得出表4。由表4可知,植被覆蓋變化呈增加趨勢的區(qū)域中,42.4%的植被NDVI變化表現(xiàn)出顯著性,因?yàn)閮?nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域明顯多于呈顯著減少的區(qū)域,因此總體上內(nèi)蒙古全區(qū)植被覆蓋變化表現(xiàn)為顯著增加。由圖5(b)可知,內(nèi)蒙古中部、中東部和東北部少部分區(qū)域植被覆蓋呈顯著減少趨勢,該區(qū)中西部大部分區(qū)域植被覆蓋呈顯著增加趨勢。內(nèi)蒙古最西部地區(qū)植被覆蓋呈顯著增加的區(qū)域明顯多于顯著減少的區(qū)域。因此,內(nèi)蒙古最西部地區(qū)植被覆蓋總體呈顯著增加趨勢。

表3 不同NDVI區(qū)間空間像元數(shù)占比

表4 經(jīng)顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)性系數(shù)空間像元數(shù)占比

圖5 2000-2015年內(nèi)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(nèi)蒙古自治區(qū)作為中國北方地區(qū)的邊緣地帶,其環(huán)境變化強(qiáng)烈,區(qū)域特征明顯。Guo等[5]研究表明,在1981-2014年間,內(nèi)蒙古呼倫貝爾西部地區(qū)植被NDVI呈下降趨勢。陳效逑等[19]同樣基于遙感數(shù)據(jù)分析了內(nèi)蒙古植被覆蓋度的變化,發(fā)現(xiàn)1982-2003年間呼倫貝爾西部地區(qū)植被NDVI呈顯著下降趨勢,均與本文的結(jié)論相反,兩者結(jié)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(nèi)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(jié)論一致。但在空間尺度上,其研究表明,全區(qū)年均4月-10月NDVI變化不能通過顯著性檢驗(yàn),這與本文的結(jié)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(qū)域占比為10.62%,呈顯著減少的區(qū)域占比為1.9%,均與本文結(jié)論不一致,這是由于研究時段內(nèi)研究區(qū)植物物種有差異所致。因此,未來關(guān)于內(nèi)蒙古植被覆蓋時空變化情況的研究應(yīng)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(jié)果表明,2000-2015年內(nèi)蒙古不同植被類型NDVI在時間序列上均表現(xiàn)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(qū)中,植被類型屬草原和荒漠的區(qū)域NDVI變化表現(xiàn)為不顯著增加趨勢[20],這與本文的結(jié)果不一致,這種差異可能是由研究所處時間序列的不同導(dǎo)致,或是由研究的植被類型中物種的差異所致。因此,對于內(nèi)蒙古不同植被類型NDVI時序變化特征的研究應(yīng)該更進(jìn)一步。