我国典型植被群落的NDVI动态变化

林长伟，王　宁

（定西师范高等专科学校地理系，定西743000）

我国典型植被群落的NDVI动态变化

林长伟，王宁

（定西师范高等专科学校地理系，定西743000）

随着全球气候变暖，物候正在发生显著变化。植物物候变化是植物对气候与环境变化最敏感且易观测的指示计，气候变化对植物物候的影响及其响应研究成为全球变化研究的热点问题之一。传统的物候观测方法是野外观测为基础的目视观测法，遥感等新技术的发展，为物候监测、研究提供了新的手段，归一化差值植被指数（NDVI）正日益成为植被对气候响应研究的重要手段。本文基于MODIS16天合成NDVI产品，提取了全国34种典型植被群落的NDVI动态变化曲线，分析了其进行植物物候监测的能力。研究结果表明：1）自然植被群落的NDVI年内变化特征明显，大致可分为三种类型：第一种植被群落的年内NDVI波动较大，第二种植被群落的年内NDVI波动不大，但月内变化较为剧烈，第三种植被群落的年内NDVI变化曲线与第一种类型类似，但幅度较小；2）典型植被群落的NDVI动态变化曲线符合其实际生长情况。

植物物候监测；植被群落；NDVI；MODIS；动态变化

1　引言

受环境（气候、水文、土壤）影响而出现的以年为周期的自然现象，都是物候现象。物候学就是研究季节性现象同环境的周期性变化之间的相互关系的科学［1］。近100年来，尤其是在最近20多年，全球平均表面温度出现了显著上升。随着全球气候变暖，物候正在发生变化，表现为春季提前、生物量增加、生长季延长、CO2季节振幅不断增大等［2］，许多动植物通过改变与季节开始（主要是春季和秋季）相关的同步活动以适应更长的生长季。植物物候变化是气候与环境变化最敏感且易观测的指示计［3］，同时也会产生多方面的影响。在全球变暖的背景下，气候变化对植物物候的影响及其响应研究成为全球变化研究的热点问题之一［4］。

光谱植被指数（VI）是应用得最为广泛的遥感监测量［5］。VI基于植物叶绿素在0.69μm的强吸收特征，通过红外和近红外波段比值或显形组合实现对植被状态信息的表达，有时也加入其他波段来消除土壤、大气等的影响。VI可以用来诊断植被的一系列生物物理参量，如叶面积指数（LAI）、植被覆盖度、生物量、光合有效辐射吸收系数（APAR）等［3］。VI中，以归一化差值植被指数（NDVI）最为常用。

NDVI能够在大范围内相当准确地反映植被的绿度和光合作用强度，植被的代谢强度以及季节、年内、年际变化，正日益成为植被对气候响应研究的重要手段［6］。本文基于MODIS16天合成NDVI产品（MOD13Q1，分辨率为250m），提取了全国34种典型植被群落（含自然植被群落28种和栽培植被群落6种）的NDVI动态变化曲线，旨在分析其进行植物物候监测的能力。

2　数据源与数据预处理

2.1数据源

全国1：100万植被类型数据来源于国家自然科学基金委员“中国西部环境与生态科学数据中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn/）；MODIS16天合成NDVI产品（MOD13Q1）来源于美国NASA哥达德航天中心（http：//modis.gsfc.nasa.gov/），时间为2008年，分辨率为250m。

2.2数据预处理

2.2.1全国典型植被群落选取

对于全国植被类型数据，综合考虑植被群落的分布面积、分布特点以及区域代表性等因素，选择出全国范围内较有代表性的34种典型植被群落，含自然植被群落28种和栽培植被群落6种。

2.2.2MODIS植被产品预处理

基础预处理：包括投影变换、图幅拼接与裁切、波算运算（原始数据经过线性拉伸，需要进行波段运算以还原其真实值）等。

计算统计值：分别计算上述34种典型植被的年内NDVI动态变化（儒略日与实际日期对照表见表1），统计值有最大值、最小值、平均值和标准差。

表1　儒略日与实际日期对照表

3　结果分析

对统计结果进行整理，分别绘制了典型自然植被群落的NDVI动态变化图（图1）和典型栽培植被群落的NDVI动态变化图（图2）。

3.1我国典型植被的NDVI年内变化特征

由图1可知，28种典型自然植被群落大致可分为三种类型：第一种植被群落的年内NDVI波动较大，代表群落为兴安落叶松林，油松林，蒙古栎林，白桦林，荆条、酸枣灌丛和白羊草草丛。一般在3月中旬（儒略日065），群落的NDVI开始稳步上升，6月中旬至9月上旬（儒略日161-241）为生长旺盛期，NDVI值在8月上旬（儒略日209）达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI迅速下降，在12月份达到最低值，高值与低值相差甚远（0.5-0.7）。第二种植被群落的年内NDVI波动不大，但月内变化较为剧烈，代表群落为甜槠、米槠林，毛竹林，马尾松林（林下以白檀、白栎、短柄树为主的马尾松林，林下以继木、映山红为主的马尾松林和林下以南烛、碎米杜鹃为主的云南松林），亚热带、热带草丛（芒草、野古草、金茅草丛和刺芒野古草草丛），亚热带、热带常绿阔叶、落叶阔叶灌丛（南烛、矮杨梅灌丛，继木、乌饭树、映山红灌丛，茅栗、白栎灌丛和雀梅藤、小果蔷薇、火棘、龙须藤灌丛），杉木林和栓皮栎、麻栎林。一般在2月中下旬（儒略日033），群落的NDVI呈锯齿状缓慢上升，7月上旬至9月上旬（儒略日177-241）为生长旺盛期，大部分群落NDVI值在8月上旬（儒略日209）达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI缓慢下降，高值与低值相差较少（0.3左右）。第三种植被群落的年内NDVI变化曲线与第一种类型类似，但幅度较小，代表群落为大针茅草原，芨芨草草甸，小蒿草草甸，芦苇草甸，紫花针茅草原，水母雪莲、风毛菊稀疏植被，风毛菊、红景天、垂头菊稀疏植被，三指雪莲花、西藏扁芒菊稀疏植被和垫状驼绒藜荒漠。一般在4月中旬（儒略日097），群落的NDVI开始缓慢上升，7月上旬至9月上旬（儒略日177-241）为生长旺盛期，NDVI值在8月上旬（儒略日209）达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI缓慢下降。除大针茅草原，芨芨草草甸和小蒿草草甸外，高值与低值相差不大（小于0.2），尤其是垫状驼绒藜荒漠，几乎没有变化。

值得注意的是，2008年1月10日至2月底，我国发生了50年不遇的大范围雪灾。这次雪灾波及上海、浙江、江苏、安徽、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西、重庆、四川、贵州、云南、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆和新疆生产建设兵团等20个省（区、市），使得全国范围内众多植被群落受到不同程度低温、雨雪和冰冻灾害的影响，从而出现了图1中1月下旬（儒略日017）的极低值。

3.2典型植被群落的NDVI动态变化

限于篇幅，分别选取了典型自然植被群落中的兴安落叶松林群落和典型栽培植被群落中的春小麦、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亚麻田群落，分析其NDVI的年内动态变化。

3.2.1兴安落叶松林群落

兴安落叶松林群落是寒温带山地针叶林，花期一般在5-6月，9月球果成熟。一到冬季，针叶全部脱落。其林下主要灌木有二色胡枝子、榛子、杜鹃和越桔等。

从图1可以看出，兴安落叶松林群落1月初（儒略日001）的NDVI值（黑色粗实线）为0.33，在1月下旬（儒略日017）略有上升。2月初到3月中旬（儒略日033-065），NDVI下降到0.25左右。经查，2008年1月1日至3月18日，我国东北、华北等地发生严重冬春连旱，平均降水量仅5.5毫米，为1951年以来历史同期最少值。由于气温偏高，降水异常偏少，导致植物的生长受到限制。3月下旬到5月初（儒略日081-113），进入春雨期，降水量增大，兴安落叶松及其林间灌木开始发芽长叶，NDVI随之上升。从5月上旬到7月上旬（儒略日129-177），降水充足，日照增长，气温升高，兴安落叶松进入花期，林间灌木生长速度很快，NDVI快速上升。6月底到7月下旬（儒略日177-193），降水最多，植被生长旺盛，NDVI达到最大值（0.85）。7月底到8月下旬（儒略日209-225），植被生长依然旺盛，进入终花期，NDVI略有下降。8月底到9月底（儒略日241-257），兴安落叶松和林间灌木花朵凋谢，进入果实成熟阶段，NDVI继续下降。10月到11月中旬（儒略日273-305），随着气温下降，降雨减少，兴安落叶松等植被的果实掉落，树叶枯萎，NDVI迅速下降，11月下旬（儒略日321）的NDVI维持在0.2左右。12月份（儒略日337-353），地表被冰雪覆盖，NDVI降到最低点（0.13）。

图2　全国典型栽培植被群落的NDVI动态变化图

总体而言，NDVI的年内动态变化曲线符合兴安落叶松林的实际生长情况，能准确的反映出其生长发育状况。

3.2.2春小麦、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亚麻田群落

春小麦、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亚麻田群落的耕作制度为一年一熟，主要分布在黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区。生长期分别为：春小麦4月中旬播种，7月中下旬成熟；中晚熟大豆6月上中旬种植，9月份收获；高粱的种植可分为春作与秋作两种。春作播种期约在农历3月底至4月中旬，秋作播种期则选在农历5月下旬至6月下旬之间；糖甜菜是二年生作物，第一年为营养生长阶段，第二年为生殖生长阶段；向日葵为一年生草本，3-4月份播种，从出苗到种子成熟要85-120天；亚麻为一年生草本，一般在4月下旬至5月上旬播种，生育期70-80天。

由图2可知，1月初到6月中旬（儒略日001-161），春小麦等农作物的NDVI值（红色实线）都处于比较低的水平，但呈稳定上升的趋势。其中，4月中旬（儒略日097），春小麦播种，需要对土地进行翻整，NDVI值略有降低。4月下旬到6月中旬（儒略日113-161），气温回升，降水增多，春小麦和高粱出苗、分蘖，中晚熟大豆播种发芽，糖甜菜和向日葵幼苗生长，田间农作物逐渐增多，NDVI逐渐缓慢上升。6月中下旬到7月上旬（儒略日161-177），气温适宜，雨水充沛，田间农作物生长旺盛。此时春小麦和高粱正在拔节孕穗期，大豆发芽，糖甜菜叶丛快速生长，向日葵和亚麻现蕾，NDVI快速上升到了0.66。7月中旬到8月上旬（儒略日193-209），春小麦、亚麻、向日葵等陆续成熟，大豆开花结荚，高粱进入乳熟期，甜菜块根生长，NDVI上升到最高点（0.79）。8月中旬到9月底（儒略日225-273），随着春小麦、亚麻、向日葵等农作物的收割，NDVI快速下降。10月中下旬（儒略日289），大部分农作物都已收割完毕，只有秋作高粱正进入成熟期。11月（儒略日305-321），随着秋作高粱的收割，NDVI下降到0.17。12月，田间农作物稀少，地表只有残茬、秸秆、落叶等覆盖，NDVI值维持在0.17左右。

总体来看，NDVI的年内动态变化曲线符合我国春小麦等农作物的实际生长状况，能准确的反映其发展变化。

4　结论

4.1自然植被群落的NDVI年内变化特征明显

28种典型自然植被群落的NDVI年内变化特征十分明显，大致可分为三种类型。

第一种植被群落的年内NDVI波动较大，代表群落为兴安落叶松林，油松林，蒙古栎林，白桦林，荆条、酸枣灌丛和白羊草草丛。3月中旬，群落的NDVI开始稳步上升，6月中旬至9月上旬为生长旺盛期，8月上旬达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI迅速下降，高值与低值相差甚远（0.5-0.7）。

第二种植被群落的年内NDVI波动不大，但月内变化较为剧烈，代表群落为甜槠、米槠林，毛竹林，马尾松林，亚热带、热带草丛，亚热带、热带常绿阔叶、落叶阔叶灌丛，杉木林和栓皮栎、麻栎林。2月中下旬，群落的NDVI呈锯齿状缓慢上升，7月上旬至9月上旬为生长旺盛期，大部分群落在8月上旬达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI缓慢下降，高值与低值相差较少（0.3左右）。

第三种植被群落的年内NDVI变化曲线与第一种类型，但幅度较小，代表群落为草原，草甸，高山植被和荒漠。一般在4月中旬，群落的NDVI开始缓慢上升，7月上旬至9月上旬生长旺盛期，8月上旬达到最大值，9月中旬以后，群落的NDVI缓慢下降，高值与低值相差不大（小于0.2）。

4.2典型植被群落的NDVI动态变化曲线符合其实际生长情况

对典型自然植被群落中的兴安落叶松林群落和典型栽培植被群落中的春小麦、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亚麻田群落的NDVI年内动态变化进行了详细分析，结果显示：不论是兴安落叶松林群落，还是春小麦、中晚熟大豆、高粱、糖甜菜、向日葵、亚麻田群落，NDVI的年内动态变化曲线均符合群落的实际生长情况，能准确的反映出其生长发育状况。

［1］竺可桢，宛敏渭.物候学［M］.北京：科学出版社，1980.

［2］方修琦，余卫红.物候对全球变暖响应的研究综述.地球科学进展，2002，17（5）：714.

［3］张学霞，葛全胜，郑景云.遥感技术在植物物候研究中的应用综述［J］.地球科学进展，2003，18（4）：534-544.

［4］吕新苗，康世昌，朱立平，等.西藏纳木错植物物候及其对气候的响应［J］.山地学报，2009，27（6）：648-654.

［5］R.B.Mynenl，C.D.Keeling，C.J.Tucker，etal.Increased plant growth in the northern high latitudes from 1981 to 1991［J］.Nature，1997（386）：698-701.

［6］Bradley C.Reed，Mark D.Schwartz，Xiangming Xiao.Remote Sensing Phenology：Status and the way forward［M］.New York：Springer，2009：231-246.

（2016-07-25收稿刘晓佳编辑）

The dynam ic changes in NDVI of vegetation communities in our country

LIN Chang-w ei et al
（Dingxi teachers college department of geography，Dingxi 743000，China）

With global warming，significant changes are taking place in phenology.Change of plant phenology is the most sensitive and easily observations gauge of plants to climate and environmental change.The affect of climate change on plant phenology and Its response research become one of the hot issues of global change.Traditional observation methods of phenology are the visual observation methods based on field observations，the development of remote sensing and other new technologies provides a new means for phenological monitoring and research. Normalized difference vegetation index（NDVI）is becoming important means of research responses of vegetation on climate. Based on MODIS16 day's synthesis of NDVI products，the author extracted dynamic curves of NDVI from 34 kinds of typical vegetation communities of our country，and then analyzed its ability to plant phenology monitoring.The results show that:1）Characteristics of changes in NDVI of natural vegetation communities during the year were obvious，they could be divided into three types:the first kind of vegetation communities fluctuated larger；the second kind fluctuated little，but its changes during month were intense；the third kind was sim ilar to the first type，but to be a lesser extent；2）the dynamic curve of NDVI of typical vegetation communities conformed its actual growth.

Plant phenology monitoring；Vegetation communities；NDVI；MODIS；The dynam ic changes

Q948

A

1003-7853（2016）04-0090-04

林长伟（1983年-），女，硕士，讲师。主要从事遥感、地理信息系统与景观生态等方面的研究。