基于NDVI云南地区植被生态系统对气候变化的适应性分析

何云玲, 熊巧利, 余岚, 屈新星, 闫文波

基于NDVI云南地区植被生态系统对气候变化的适应性分析

何云玲*, 熊巧利, 余岚, 屈新星, 闫文波

云南大学资源环境与地球科学学院, 昆明 650091

基于遥感影像数据资料和ArcGIS, 利用2000—2016年云南地区植被生态系统NDVI与气温及降水之间的响应关系, 分析不同区域气候变化类型对当地植被生态系统长势的潜在影响, 进行气候变化背景下植被生态系统的适应性分析。结果表明: 研究区2000—2016年NDVI整体呈现不同程度的增加趋势, 植被覆盖度显著增加的区域主要分布在滇东北和东部的部分地区, 植被覆盖度减小的区域主要集中在中部城市密集地区和滇西北。NDVI和气温整体上呈正相关关系, 尤其以东北和东部地区较为明显, 负相关的区域主要分布于滇西北高海拔地区; NDVI和降水的相关性小于气温。基于NDVI的植被生态系统表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占研究区总面积89.16%, 主要分布于南部、东北部和东部地区; 表现为不适应当地气候变化类型的区域主要分布于中部城市密集地区、滇西北部分地区。森林生态系统表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占研究区总面积的79.29%, 主要分布于东部、东北部和南部部分区域, 不适应当地气候变化的区域主要分布在滇西北和中部零星地区。

气候变化; NDVI; 植被覆盖度; 适应性; 云南地区

0 前言

近百年来全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化, 正在直接或间接地对自然生态系统产生影响[1]; 揭示生态系统对气候变化的响应及其适应能力已成为全球变化研究的一个重要领域[2–3]。植被是陆地生态系统的重要组成部分, 植被在长期的自然选择和适应过程中不断与环境相互协调, 形成了一系列应对自然条件的适应机制[4]; 也是生态系统对外界干扰的敏感区与脆弱区[5]。因此, 植被对气候变化的适应性分析和评估是区域应对气候变化的关键和基础, 可为生态系统可持续发展提供科学依据[6]。

植被的气候变化适应性是指植被生态系统的结构或功能对预计或实际气候变化的可能调节程度[7–8]。随着人类活动对自然生态系统的影响越来越显著, 气候变化对自然生态系统的影响也越难从中分离; 因此, 基于潜在植被分析自然生态系统在气候变化下的响应, 已经成为很多学者的共识; 潜在植被是在当前气候背景及无人类干扰情况下, 立地植被所能发育演替形成的最稳定、最成熟的顶极植被类型, 可反映特定气候条件下植被发展的总体趋势[9]。其中, 归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)具有时间和空间上的连续性, 在较大尺度的植被动态监测和生态环境研究中, 是表征植被变化的有效参数, 它包含植被覆盖信息, 是植物生长状态及植被空间分布密度的最佳指示因子[10],在没有大的人为干扰和自然灾害的情况下, 能较好地代表一个区域随温度、水分变化的植被生长发育状况[11]。受到气候变化的影响, 以NDVI表征的植被覆盖状况已呈现了区域差异的变化[12], 在这种情况下, 预测我国不同地区陆地植被的变化趋势, 对更好地适应和应对气候变化尤为重要。近年来, 国内外学者基于NDVI在不同国家和地区对植被覆盖的时空变化特征做了大量研究, 在区域尺度上详细分析了植被变化对气候、地形以及人类活动等因子的响应[13–14]。但是, 目前关于适应性的研究在本质上大多属于气候变化对生态系统的影响研究范畴[15–16], 方法也未统一, 并将适应性作为脆弱性的一个组成方面[17–19]; 主要集中在植物个体尺度的适应策略上[20], 并且大多针对农田生态系统[21]。对较大的空间尺度以及较长的时间尺度上植被生态系统对气候变化的适应机制还缺乏了解, 气候变化背景下不同时空尺度的生态系统适应性研究仍需更多系统的研究案例支持。

云南高原地区是中国气候变化的敏感地带, 研究发现, 20世纪80年代以来, 云南地区气候变化趋势明显[22]。相关研究也表明未来气候情景下中国自然生态系统整体表现为适应性减弱, 其中高原区域为表现最为突出的地区之一[23]。目前针对云南地区NDVI基础上的植被覆盖研究大多是针对局部地区与气候因子的影响研究[24]; 本文定位于全球气候变化下植被生态系统的适应性这一热点问题, 进一步基于云南地区生态系统NDVI与气温及降水之间的响应关系, 分析不同区域气候变化类型对当地植被长势的可能影响, 进行气候变化背景下植被的适应性分析, 以期为不同区域生态系统适应气候变化的差异化管理策略的制定和植被恢复提供科学依据和参考。

1 研究区域概况

云南地处中国西南边陲, 位于东经97°31′至106°11′, 北纬21°8′至29°15′之间, 总面积39.41万km2; 北回归线横贯南部, 属山地高原地形, 94%的面积是山地; 地形复杂, 地势呈现西北高、东南低, 自北向南呈阶梯状逐级下降; 气候属于亚热带高原季风型, 具有从寒带、温带到热带的不同气候类型, 年温差小, 最热(七月)月均温在19 °C—22 °C之间, 最冷(一月)月均温在6 °C—8 °C以上; 但是日温差大、干湿季节分明, 湿季(雨季)为5—10月, 集中了85%的降雨量。植被类型丰富多样, 主要以亚热带常绿阔叶林为主。

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

遥感数据采用2000年1月至2016年12月Terra-MODIS13Ql 16d合成的产品数据, 空间分辨率为250 m, 数据来源于美国国家航空航天局(http:// la­dsweb.nascom.nasa.gov/)。数字高程数据(DEM)分辨率为30 m, 数据来源于美国国防部国家测绘局(http:// www.cgiar-csi.org)。使用ENVI软件将下载的数据批处理进行格式和投影转换, 同时完成图像的拼接和裁切。

气象数据为2000—2016年云南省126个气象站点的气温和降水数据(图1), 数据来源于国家气象信息中心, 包括国家基本站、基准站和一般气候站逐月气温和降水资料。利用ArcGIS软件对研究区气象站点的数据分别进行Kriging插值。

森林植被分布数据来自于云南省植被现状调查[25], 包括了半湿润常绿阔叶林, 干热河谷硬叶常绿阔叶林, 寒温性山地硬叶常绿阔叶林, 寒温性针叶林, 季风常绿阔叶林, 落叶阔叶林, 暖热性针叶林, 暖温性针叶林, 热带雨林及季雨林, 人工林, 山地湿性常绿阔叶林, 温凉性针叶林, 竹林。

2.2 研究方法

2.2.1 气候变化趋势系数

气候趋势系数可用来表示气象要素变化的定量程度, 它定义为年的要素序列与自然数列1, 2, …,的相关系数:

图l 研究区概况及气象站点位置

Figure 1 The general situation and meteorological stations of study area

2.2.2 NDVI 变化趋势分析

采用最大值合成法将各旬NDVI数据合成为月数据, 并对12个月NDVI数据求平均值得到年NDVI值。采用一元线性回归方法分析每个栅格的变化趋势, slope是像元NDVI回归方程的斜率, 若slope＞0, 表示随时间变化植被指数是增加的趋势, 并且数值越大植被覆盖度增加越明显; 反之, 若 slope＜0则代表植被指数呈现下降的趋势。

式中为年序号, NDVIi为第年NDVI值。

2.2.3 NDVI与气温和降水的相关分析

逐像元计算NDVI值与标准化的年均温、年降水数据的相关系数, 计算公式为:

式中表示气候因子第年的某个栅格数值,`代表气候因子多年均值,x表示在第年NDVI的某个栅格数值,表示NDVI多年平均值。本研究中的相关分析与线性拟合分析分别借助SPSS软件和Origin软件完成。

3 研究结果与分析

3.1 气候因子变化趋势

图2为2000—2016年云南地区年均气温和年降水变化的趋势系数, 采用Mann—Kendall非参数检验进行变化趋势的显著性检验。可以看出, 研究区大部分地区的年均气温都有不同程度的上升, 超过80%的站点变化趋势达到显著性检验(<0.01), 增暖显著的地区位于滇南西双版纳和滇西北高海拔地区, 最大趋势系数达到0.8; 北部金沙江沿岸的干热河谷地区年均气温却存在下降趋势, 其中元谋县的年均气温下降趋势最明显, 趋势系数为-0.4。研究区年降水量变化在不同区域差异较大, 滇西地区年降水量有下降趋势, 趋势系数-0.5以上; 滇东北和东部地区降水量呈现增加趋势, 最大趋势系数达到0.3左右; 降水量变化趋势仅有30%的站点达到了显著性检验(<0.01)。

3.2 NDVI变化趋势

图3为云南地区NDVI从2000—2016年的变化趋势, 可以看出大部分区域NDVI变化斜率主要在0—0.1之间; NDVI整体呈现不同程度的增加趋势, 呈增加趋势的区域占研究区总面积的79.80%。植被覆盖显著增加(<0.05)的地区主要分布在云南的东北部和东部、南部的部分地区; 植被覆盖减小的区域主要集中在中部的昆明、曲靖、玉溪、大理等城市, 城市的建设用地侵占了耕地、林地资源, 导致植被覆盖度严重降低; 滇西北高海拔地区植被覆盖也呈现不同程度的减少趋势。本研究将NDVI变化斜率小于零的区域定义为植被退化区, 2000—2016年云南地区植被退化面积仅占研究区总面积的13.17%。

再从图4云南地区森林生态系统NDVI从2000—2016年的变化趋势可以看出, NDVI变化斜率在0—0.1之间的像元占总面积的90.23%, 主要以增加趋势为主; 结合不同森林植被分布类型, 只有寒温性和温凉性森林植被类型NDVI变化斜率呈现下降趋势, 年NDVI值增加趋势的变化基本按常绿阔叶林＞落叶阔叶林＞针叶林＞人工林的顺序减小。

3.3 NDVI与气温和降水的相关

图5为云南地区NDVI与气温和降水的相关关系图, 其中NDVI和气温之间在研究区呈现正相关、负相关的区域面积分别为83.20%和13.20%, 其余为不相关; 其中62.42%的区域相关性达到显著性(<0.05)检验。大部分区域年均气温升髙对生态系统植被生长有利, 尤其以滇东北和东部区域较为明显;滇西北高海拔地区年均气温升髙对植被NDVI生长不利。另外, NDVI与降水量之间呈现正相关、负相关的区域面积分别为49.75%和48.75%, 其余为不相关; 其中仅有18.76%的地区相关性达到显著性(<0.05)检验。年降水量增多对生态系统植被生长有利的区域多集中在云南中部、滇东北; 年降水量增多对植被生长不利的地区主要分布于滇南、滇西, 尤其是滇西北部分地区。

图2 云南地区2000—2016年气候变化趋势系数

Figure 2 Spatial patterns of trend coefficients of temperature and precipitation in Yunnan

图3 云南地区2000—2016年NDVI变化斜率图

Figure 3 Variation trend of annual NDVI in Yunnan from 2000 to 2016

图4 云南地区2000—2016年森林植被NDVI变化斜率图

Figure 4 NDVI variation trend of forest vegetation in Yunnan from 2000 to 2016

图5 云南地区NDVI与气温和降水变化的相关

Figure 5 Correlation relationship of temperature, precipitation with NDVI in Yunnnan from 2000 to 2016

图6为云南地区森林生态系统NDVI与气温和降水的相关关系图, 其中森林生态系统NDVI和气温之间呈现正相关、负相关的区域面积分别为53.51%和20.70%, 与气温的空间相关性大多达到了<0.05的显著性检验; 大部分区域年均气温升髙对森林生态系统生长有利; 而年均气温升髙对森林植被生长不利的地区主要分布于滇西北高海拔地区。另外, 森林生态系统NDVI与降水量之间呈现正相关、负相关的区域面积分别为42.30%和27.79%, 但未达到<0.05的显著性检验; 年降水量增多对森林生态系统生长有利的区域主要分布于中部和南部的部分地区; 年降水量增多对森林生态系统生长不利的地区分布于滇南、滇东文山地区、滇西北部分区域。

3.4 基于NDVI的植被生态系统对气候变化的适应性

首先, 气候变化分区参考史培军等利用气温和降水量的变化趋势值、波动特征值, 结合地形特点完成的气候变化区划数据[26], 结合云南地区的气候变化数据(图2), 验证结果显示云南地区共存在以下三种气候变化分区: (1)大部分地区包括西北—中部—南部暖干趋势带, 占总面积的86.2%; (2)滇东北地区、滇东部分地区属于暖湿趋势带, 占总面积的12.5%; (3)西部德宏地区、南部少部分属于冷干趋势带, 占总面积的1.3%。

其次, 采用遥感数据提取感兴趣区域(ROI )方法, 对植被生态系统NDVI与气候因子响应的显著区域进行提取, 对植被长势驱动类型进行区域划分, 可以得到以下4种类型: (1)若某区域植被NDVI与气温变化呈正相关、与降水变化呈负相关, 为气候暖干化驱动型区; (2)若某区域植被NDVI与气温、降水变化同呈正相关, 为气候暖湿化驱动型区; (3)若某区域植被NDVI与气温、降水变化同呈负相关, 为气候冷干化驱动型区; (4)若某区域植被NDVI与气温呈负相关、与降水变化呈正相关, 为气候冷湿化驱动型区。

最后, 将气候变化分区数据与植被长势驱动区域划分数据进行GIS空间叠加, 提取以下3种NDVI变化明显的区域: (1)植被潜在分布适应气候变化的区域: 即气候分区类型和植被长势驱动类型变化完全一致的区域, 气候因子变化趋势对植被生长有利, 植被覆盖将上升的区域。(2)植被潜在分布中度适应气候变化的区域: 即气候分区类型和植被长势驱动类型变化基本一致的区域, 气候(气温和降水)其中一个因子变化趋势对植被生长有利, 植被覆盖可能上升的区域。(3)植被潜在分布不适应气候变化的区域: 即气候分区类型和植被长势驱动类型变化完全不一致的区域, 气候因子变化对植被生长不利, 植被覆盖下降的区域。空间分析结果如图7所示。

总体来说, 云南地区植被生态系统NDVI表现为适应当地气候变化类型的区域面积占研究区总面积的46.76%, 主要分布于南部和滇东北地区; 中度适应当地气候变化类型的区域面积占总面积的42.40%, 主要分布于东部地区; 不适应当地气候变化类型的区域相对所占面积较小, 为10.84%, 主要分布于中部大理、昆明、玉溪等城市, 以及滇西北部分地区。从森林生态系统来看, 表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域面积占研究区总面积的79.29%, 主要分布于东部、东北部和南部部分区域, 而不适应区域气候变化类型的区域主要分布在滇西北地区和中部零星地区。

4 结论与讨论

4.1 讨论

植被生态学观点认为气候是控制植被类型地理分布最重要的因子, 主要的植被类型表现着植物界对于主要气候类型的适应[27]。考虑到森林生态系统是陆地上生物总量最高的生态系统, 对陆地生态环境有决定性的影响, 所以本文从研究区植被总体状况以及森林生态系统二方面研究气候变化背景下的适应性。云南地区地势地貌复杂, 水热条件差异大,各自形成局地环流, 气候条件多变, 变化复杂而不稳定, 植被生态系统的适应性空间差异较大。一般来说, 生态系统自恢复能力较强, 环境稳定性好的地区, 面对气候变化, 生态系统表现出的适应性就较大。南部边缘低海拔地区和西部低山与冲积型宽谷盆地交错相间分布的地区热量、水分资源较好, 对气候变化的适应性明显大于其他地区, 即受到气候变化的影响, 生态系统的波动相对较小或调整适应能力较强。而北部高山地区生态系统对气候变化的适应性较小, 在这些地区, 地理环境独特, 资源富集、生态脆弱, 一方面对气候变化敏感, 再加之人类不合理的资源开发利用极易产生生态环境的退化, 导致滑坡、崩塌、泥石流、水土流失等生态环境问题的出现。因此, 面对诸如滇西北拥有丰富生物资源, 却又是贫困地区的状况, 对这些区域的资源开发应当慎重, 坚持开发前的生态环境评价和做好保护规划。

图6 云南地区森林植被NDVI与气温和降水变化的相关

Figure 6 Correlation relationship of temperature, precipitation with NDVI of forest vegetation in Yunnan from 2000 to 2016

图7 基于NDVI的云南地区和森林生态系统对气候变化的适应性分区

Figure 7 Adaptation of NDVI to climate change in Yunnan

总的来说, 由于对适应性的定义在不同学科和不同领域存在很大差异, 纵观目前国内外对于适应性的研究主要依据一定的因果关系和决定性因素进行测度, 通过一些指标、分值、分级过程, 评估一个国家、一个区域、一个社区的相对适应能力, 将每一系统的适应能力要素进行累积加总, 形成系统的总体评价分值[28–29], 而对于自然植被生态系统的气候变化适应性研究则相对比较零散, 且以生态系统的气候变化脆弱性为主[30], 研究的不确定性还较高, 这方面的研究还缺乏更为客观的基础, 需要形成统一的评价指标标准及体系[31]。2015年周广胜等提出的陆地生态系统对气候变化的适应性评价方法从陆地生态系统功能单元出发, 基于反映气候资源与植物生理生态机制、气候资源保证率与最大熵原理建立的, 可以反映自适应性的程度和拓展适应能力[27], 为科学评估生态系统的气候适应性提供了科学方法。但是对于气候变化适应性的定量评估, 所遇到的困难除了来自气候变化的不确定性外, 还需要进一步考虑基础资料的大量收集和全面共享[32]。

以往研究大多从物候学或气象学的角度展开, 本文从地理学分区的角度, 结合研究区当地的气候变化分区, 完成气候变化背景下的陆地植被覆盖适应性分析虽然仅是粗略的研究, 仅是基于气候变化类型与植被长势的潜在影响出发, 并未对复杂的混合情况进行深人探讨, 如植被气候暖干化驱动区域叠加气候暖湿趋势带, 或陆地植被暖湿化驱动区域叠加气候暖干趋势带等, 以及对植被覆盖变化不显著区域, 需进一步详细分析。

4.2 结论

基于遥感影像数据和ArcGIS, 利用2000—2016年云南地区植被生态系统NDVI与气温及降水之间的响应关系, 分析不同区域气候变化类型对当地植被生态系统长势的潜在影响, 进行气候变化背景下植被生态系统的适应性分析, 得到以下结论:

(1)研究区年均气温在滇南西双版纳和滇西北高海拔地区呈现显著上升趋势, 北部金沙江干热河谷地区存在下降趋势, 超过80%的站点变化趋势达到显著性检验(<0.01)。研究区年降水量在滇西呈现下降趋势, 滇东北和东部呈现增加趋势, 变化趋势仅有30%的站点达到显著性检验(<0.01)。

(2)研究区NDVI变化斜率主要在0—0.1之间, 呈增加趋势的区域占总面积79.80%, 主要分布在滇东北和东部、南部地区; 植被覆盖呈减小的区域集中在中部城市密集区和滇西北高海拔地区。除了寒温性和温凉性森林NDVI变化斜率呈下降趋势, 其余NDVI呈增加趋势的变化基本按常绿阔叶林＞落叶阔叶林＞针叶林＞人工林的顺序减小。

(3)研究区NDVI和气温之间呈现正、负相关的区域面积分别为83.20%和13.20%; 与降水量之间呈现正、负相关的区域面积分别为49.75%和48.75%。森林生态系统NDVI和气温之间呈现正、负相关的区域面积分别为53.51%和20.70%, 与降水量之间呈现正相关、负相关的区域面积分别为42.30%和27.79%。

(4)研究区NDVI表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占总面积89.16%, 森林生态系统表现为适应和中度适应当地气候变化类型的区域占总面积79.29%, 均主要分布于滇东北和东部、南部地区; 不适应当地气候变化类型的区域主要分布于中部城市和滇西北地区。

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Adaptability of vegetation ecosystem to climate change based on the NDVI in Yunnan province, China

HE Yunling*, XIONG Qiaoli, Yu Lan, QU Xinxing, YAN Wenbo

School of Resources Environment & Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, China

Normalized difference vegetation index (NDVI) is an important remote sensing parameter, and it can accurately reflect the growth status of vegetation, biological, physical, and chemical properties, and the changes in ecological system. Using the relationship between NDVI and the temperature, precipitation from 2000 to 2016, the potential effects for different types of regional climate change on the local vegetation growth in Yunnan province were analyzed, and the adaptability of vegetation ecosystem to climate change was quantitatively identified.The results showed that the NDVI had an increasing trend from 2000 to 2016 in the study area. The area of increased vegetation coverage was mainly distributed in the northeast and east parts of Yunnan, and the decreased vegetation area was mainly concentrated in northwest part and central urban region. There was a positive correlation between NDVI and temperature in the study area as a whole, especially in the northeast and east regions, and the area with negative correlation was mainly distributed in the high altitude area of northwest Yunnan. The correlation between NDVI and precipitation was smaller than that of temperature. The vegetation ecosystem in the study area was 89.16% of the total area, which was characterized by adaptation and moderate adaptation to local climatic change, and they were mainly distributed in the south, northeast and eastern parts of Yunnan. The vegetation ecosystems showing the inadaptability to local climatic change were mainly distributed in central urban regions and parts of northwest Yunnan. The forest ecosystem in the study area was 79.29% of the total area, which was characterized by adaptation and moderate adaptation to local climate change, and they were mainly distributed in the east, northeast and parts of the south regions.

climate change; NDVI; vegetation coverage; adaptability; Yunnan province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.024

TP7

A

1008-8873(2019)06-165-08

2018-11-07;

2018-11-29

国家重点研发计划项目(2016YFC0502105); 中国科学院西部之光青年学者项目

何云玲(1978—), 女, 云南大理人, 博士, 副教授, 主要从事区域环境演变及其生态响应研究, E-mail: hyl610@126.com

何云玲陈文(1963—),

何云玲, 熊巧利, 余岚, 等. 基于NDVI云南地区植被生态系统对气候变化的适应性分析[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 165-172.

HE Yunling, XIONG Qiaoli, Yu Lan, et al. Adaptability of vegetation ecosystem to climate change based on the NDVI in Yunnan province, China[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 165-172.