吉林西部地表植被归一化植被指数的时空分布特征1)

杨淑杰 李晓东 王兰芸 韩智平 陈剑

(白城师范学院，白城，137000)(白城市气象局)

归一化差异植被指数(the normalized difference vegetation index，ND，V，I)对绿色植被表现敏感，常被用来研究区域和全球植被的状况，是研究全球植被变化非常理想的植被指数。植被也具有涵养水源、保持水土的作用，有助于生物地球化学的良性循环［1－3］。基于统计学方法研究长时间序列植被指数数据，可以准确反映植被指数的生长变化以及时空分布规律，并进一步揭示植被指数本身以及相关的地统计学参数的地学意义［4－6］。

吉林西部东俯东北平原腹地，西接呼伦贝尔草原，南邻科尔沁沙地，北临大兴安岭林区，地理区位意义重大。随着近年来气候变化加剧，荒漠化现象越来越严重，生态环境脆弱。开展吉林西部地表植被分布特点的相关研究，可以更深入了解本区域植被生态状况，能够为植被保护和农、牧业种植方式调整提供科学依据。

文中基于GIMMS ND，V，I数据，采用地统计学的方法，对吉林西部过去11 a(1998—2008年)的归一化植被指数的生长情况和它的时空分布规律进行了研究分析。

1 材料与方法

采用的遥感数据为国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”组制作的1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT－NDVI数据集。该数据集采用最大值合成法，能最大限度地消除云等其他因素的影响，减小由于校准而产生的植被指数变化，增加对短期大气气溶胶、火山喷发的悬浮颗粒物、太阳天顶角等的校正。比较适合于全省范围的中长期植被变化趋势研究。该数据集被国内很多学者用于植被及生态环境的研究，都取得了比较好的应用效果［7－10］。

以空间统计学方法为研究手段，对吉林西部植被指数的生长状况以及空间分布特征进行分析。地表植被指数最大值的获取及处理是在遥感软件ERDAS8.0下通过Modeler编程自动化执行的，地表植被指数的趋势分析采用Pearson相关系数分析的数学统计方法，具体实现是在遥感软件ERDAS8.0下通过Modeler编程运算得到所需的结果;对植被指数的空间特性分析是基于GIS软件Surfer7.0中的样点提取工具得到空间地统计学分析的点对数列，而后将其作为初始输入数据导入GS+7.0软件中，进行空间统计分析。

2 结果与分析

2.1 吉林省西部植被指数的时序变化特征

2.1.1 植被指数的生长季节内变化特征

提取吉林西部1998—2008年生长季(5—9月份)的植被指数值，对生长季内各月份求多年平均值，得到吉林省11 a来的生长季各月均植被指数的时间序列(表1)。由表1可以看出，吉林西部植被的生长季内的月均植被指数变化显著。5月份的月均植被指数最小，为0.136 7。从5月份开始，植被指数迅速增加，5—7月份增加速度尤为明显，7月份以后植被指数增加开始缓慢，8月份植被指数达到全年最大值，为0.313 6。与8月份植被指数数值相比较，9月份因为各种植物群落枝叶枯萎，植被指数数值开始降低。

2.1.2 植被指数的年际变化特征

提取吉林西部1998—2008年生长季(5—9月份)的植被指数值，对生长季内各月份求11 a来的归一化植被指数的变化斜率数值，可看出吉林西部11 a来的生长季各月份植被指数的月增量变化(表2)。总体上吉林西部年均植被指数呈现明显上升的趋势，研究区的植被改善情况明显。生长季内的各月植被指数，在不同时间段内变化趋势有所不同。

表1 吉林西部1998—2008年生长季各月份植被指数

表2 吉林西部1998—2008年生长季各月份植被指数的月增量变化

2.2 吉林省西部植被指数的空间分布特点

2.2.1 研究区1998—2008年的植被指数在空间上的趋势分析

提取吉林西部1998—2008年的植被指数年值，求多年变化斜率，得到吉林省西部11 a植被指数年值的变化趋势空间分布图(图1)。

图1 1998—2008年吉林西部植被指数变化趋势空间分布

由图1可以看出:地表植被生长趋势Kn，v≤0的区域多出现在吉林西部的农牧交错带，即主要以科尔沁沙地为中心展开分布，在内蒙古草原的东侧边缘也有较大面积的Kn，v≤0区域存在;在吉林西部盐碱分布区内，也存在着地表植被长势Kn，v≤0区域分布面积较大且比较集中的特点;空间分析可知，总体上研究区的地表植被衰退区主要分布在吉林西部的农牧交错带上的盐碱区和沙地区。

2.2.2 研究区1998—2008年地表植被的空间格局特点

在GS+7.0地学统计分析软件支持下，对吉林西部归一化植被指数(ND，V，I数值)的空间格局进行空间自相关分析，结果如图2。

图2 Moran’s I系数分析

吉林西部植被指数的全局Moran’s I系数显示表明:吉林西部植被指数在全局范围内的空间自相关数值为0.109 4，吉林西部地表植被分布的空间格局是显性的。相关系数较小说明代表单元之间有差异，且分布不集中;相近的植被指数数值聚集在一起的倾向较弱，吉林西部地表植被在空间分布上表现出的整体性较差;宏观上，吉林西部地表植被可以分成若干个相对独立的植被类型单元。

表3 吉林西部地表植被数值的Moran’s I系数

吉林西部植被指数的南—北方向、东北—西南方向、东—西方向与西北—东南4个不同方向的Moran’s I系数显示表明(图2，表3):吉林西部植被指数数值在不同方向上具有较明显的各向异性特征。吉林西部的地表植被在西北—东南方向上呈现空间相关(0.042 6)数值最小，表明这一方向上地表的植被类型变化较大，植被相对来讲比较破碎。从实际的分布情况看，本研究区域西北方向临近嫩江，该区域属于引嫩入白工程的农业灌溉区，东南方向上是我国三大盐碱地之一的苏打盐碱分布区;自然条件差异是造成西北—东南方向植被破碎的重要因素。

3 结论与讨论

1998—2008 年吉林省生长季月均植被指数总体上呈现明显上升的趋势。农牧交错带以东大部分地区的地表植被长势11 a来呈现上升趋势;研究区的植被改善情况明显，生长季内的各月植被指数变化增长说明随着气候变暖植被生长季也慢慢提前，7月份和8月份的植被生长最好，分别为0.297 8、0.313 6;不可忽视的是，在吉林西部的盐碱地、沙地分布区内有大面积的植被退化区域存在，而且分布集中。

由趋势分析可知，地表植被衰退区(植被生长趋势Kn，v≤0的区域)主要分布在吉林西部的农牧交错带上的盐碱区和沙地区。全局Moran’s I系数分析表明，吉林西部植被指数在全局范围内呈现正的空间自相关，但是空间自相关数值较小(0.109 4)，这表明本研究区植被空间分布的整体性较差;相似的植被指数值聚集在一起的倾向弱，局部地表植被分布呈现破碎化、斑块状。

在空间分布上，气温与地表植被相关性的空间分布与土地盐碱程度的南北逐渐递减的空间分布相一致，所以吉林西部的地表植被在东—西方向上和东北—西南方向空间正相关程度较大，而在南—北方向和西北—东南方向上呈现空间负相关。

近几年来，东北地区气候变化平稳。从已有的研究情况来看，本研究区域的气温和最低气温变化对植被的影响要普遍大于降水等其他因子［11］。温度上升引起植被生长季的提前和生长期的延长是导致研究区内总体植被呈现增加趋势的主要原因。在总体增加的大背景下，植被类型不同，植被覆盖增加与减少的面积和比例有所差异。耕地受人类活动影响显著，耕作条件的提高大大增加了耕地面积，导致了研究区域内耕地植被像元植被指数显著增加;而对于林地、草地等类型植被，生态保护和环境建设等人为措施，如植物造林、草地围栏封育也是导致这些植被有所增加的重要原因。

同时，不可忽视的一点是，随着今年农业耕地面积的扩大，位于农牧交错带上的研究区内发生了局部植被退化的现象，尤其是草本类植被和林地，人为因素是引起其退化的重要因素。人类活动具有两面性是一把双刃剑。

致谢:在数据的整理过程中得到了杨超、王立艳、李宥渝、张丽微、曹瑞芬、姚希奎、娄思文等同学的大力帮助，特此感谢。

［1］Aragao L E O C，Shimabukuro Y E，Espirito S F D B，et al.Landscape pattern and spatial variability of leaf area index in Eastern Amazonia［J］.Forest Ecology and Management，2005，211(3):240－256.

［2］刘纪远，布和敖斯尔.中国土地利用变化现代过程时空特征的研究:基于卫星遥感数据［J］.第四纪研究，2000，20(3):229－239.

［3］Zeng Lixin，Levy G.Space and time aliasing structure in monthly mean polar-orbiting satellite data［J］.Journal of Geophysical Research-Atmospheres，1995，100(3):5133－5142.

［4］Gong Daoyi，Shi Peijun.Inter-annual changes in eurasian continent NDVI and its sensitivity to the large-scale climate variations in the last 20 years［J］.Acta Botanica Sinica，2004，46(2):186－193.

［5］陈怀亮.黄淮海地区植被覆盖变化及其对气候与水资源影响研究［D］.南京:南京信息工程大学，2000.

［6］张雪艳，胡云锋，庄大方，等.蒙古高原NDVI的空间格局及空间分异［J］.地理研究，2009，28(1):10－18.

［7］曾小平，赵平，孙谷畴，等.气候变暖对陆生植物的影响［J］.应用生态学报，2006，17(12):2445－2450.

［8］徐雨晴，陆佩玲，于强.气候变化对植物物候影响的研究进展［J］.资源科学，2004，26(1):129－136.

［9］陈彬彬，郑有飞，赵国强，等.河南林州植物物候变化特征及其原因分析［J］.植物资源与环境学报，2007，16(1):12－17.

［10］罗玲，王宗明，宋开山，等.1982—2003年中国东北地区不同类型植被NDVI与气候因子的关系研究［J］.西北植物学报，2009，29(4):800－808.