2000-2015年内蒙古植被NDVI时空变化特征

郭金停, 郭 羽

(内蒙古师范大学 生命科学与技术学院,内蒙古 呼和浩特 010022)

作为地表生态系统中涵养水源、改善土壤与净化空气的关键结构要素,植被对优化自然性能与提高环境质量有着重要的影响。因此,21世纪在环境状况日益恶化的情况下,进行植被动态变化的研究迫在眉睫。作为目前遥感植被监测研究中能够表征植被覆盖高低程度的一个重要参数,归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时空尺度的变化对应着植被覆盖的变化。因此,利用NDVI研究植被动态变化普遍受到学者们的青睐。

Myneni等[1]研究表明全球植被活动在加强,尤其以北半球中高纬度地区显著。Mathan等[2]利用1988-2017年的NDVI数据分析了印度泰米尔纳德邦金奈都市圈(CMA)城市周边景观的时空变化,发现在研究期间,由于土地利用类型的改变,该地区NDVI呈下降趋势。我国学者毛德华等[3]研究了1982-2006年的东北冻土区植被NDVI年际动态变化,结果表明东北北部NDVI表现为显著下降趋势。Yang等[4]分析1998-2007年长江和黄河源区的NDVI时空变化,发现二者的NDVI基本一致且都呈增加趋势。Guo等[5]基于东北地区冻土区植被,研究其生长季NDVI的时空变化,得出该研究区植被生长季NDVI显著增加的结论。Sun等[6]对我国城市范围近三十年来的植被覆盖进行研究,结果表明我国华东地区因受城市化影响显著,该区植被覆盖指数呈下降趋势。Piao等[7]选用1982-1999年中国植被NDVI数据分析整个中国尺度上年平均NDVI,发现其具有显著上升的趋势。谢宝妮[8]利用1982-2014年黄土高原不同植被类型生长季NDVI数据对该地区植被覆盖时空变化特征进行分析,发现该区所有植被类型生长季NDVI均呈增加趋势。周梦甜等[9]通过研究西北地区植被NDVI变化情况发现1998-2012年该地区植被NDVI呈上升趋势。毛飞等[10]利用遥感影像数据分析1982-2001年内蒙古地区森林草原NDVI的时空变化特征,结果表明该地区7月-8月NDVI多年平均值呈现东北高西南低的分布特征。内蒙古自治区是我国华北北部地区非常重要的屏障保护区,当地复杂的气候类型使其植被类型呈现多样化,植被NDVI随植被类型的不同而产生变化,呈现东北高西南低的趋势特征,尤其是在草原区,随气候变化和人为因素的影响,草地NDVI极不稳定,而且其变化幅度很大,通常NDVI处在较低水平[11-12]。随着人类活动的愈演愈烈,采用NDVI表征生态环境变化的应用越来越重要。因此本文以内蒙古自治区作为研究区,分析2000-2015年该区植被NDVI在时空尺度上的变化特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区(37°24′～53°23′N,97°12′～126°04′E)呈狭长带状,北接蒙古高原,东临东北三省,西接甘肃,南邻山西,地域辽阔。该区具有复杂的地貌类型,山丘、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊均有分布,但主要地貌类型为高原。

图1 内蒙古植被类型图Fig.1 Vegetation types of Inner Mongolia

内蒙古自治区土壤种类丰富,有东部的黑土壤,依次向西排列的暗棕壤、黑钙土和栗钙土[13]。全区水资源分布不均衡,黄河附近局部地区水量充足,但大部分区域水资源短缺,常年出现干旱现象[14]。全区气候类型多样,总体以温带大陆性气候为主,具有较大的昼夜温差,年降水量较少,潜在蒸发量较高,四季变化强烈,多大风。作为内蒙古自治区重要的气候分界线,大兴安岭南北部区域气候差异明显,山脉北部区域气温显著低于南部。全区自然资源丰富,植被类型多样,以典型草原闻名; 沙漠主要分布在内蒙古西部区域,沼泽主要分布在东部区域。本研究选用的植被类型为森林、草原、农田、灌丛、荒漠和沼泽,研究区主要植物种有: 黑杨林、无芒隐子草、春小麦、水稻和大豆。研究区植被类型如图1所示。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源 本文采用的数据来源于国家地球系统科学数据中心的MODIS数据集,该数据的贡献者为黄土高原科学数据中心,数据获取网址为http://www.geodata.cn/。内蒙古自治区NDVI是月合成产品,是由MODND1D计算得到,计算方法为取月内最大值。数据加工方法主要环节包括数据收集与整理、数据格式及投影方式规范化。选取内蒙古地区2000-2010年1 km分辨率及2011-2015年500 m分辨率的月合成NDVI数据,共下载2000-2015年覆盖内蒙古全区的192幅影像,每年平均12幅。为消除由于冬季降雪对植被覆盖的影响,本文选用处于生长季(4月-10月)的植被,利用其平均NDVI进行分析。

1.2.2 数据处理 为了与2000-2010年的NDVI数据具有相同的空间分辨率,对2011-2015年间的内蒙古全区植被栅格数据采用最邻近插值法进行重采样,以避免数据像元大小不同对研究结果产生异常影响。利用内蒙古(不包括呼伦湖)矢量图对研究区16年间的月合成NDVI数据进行批量裁剪,以去除水域对植被覆盖产生的影响。对去除水域后的生长季月平均NDVI栅格数据利用ArcGIS 10.1空间分析工具进行统计分析得到时间序列内的全区植被年生长季平均NDVI。本研究覆盖的土地利用类型有6种,分别为: 森林、草原、农田、荒漠、灌丛和沼泽,利用这6种植被类型的矢量图层分别对研究区每一年生长季平均NDVI栅格数据进行批量裁剪,以获得不同植被类型年生长季平均NDVI。利用ArcGIS10.1栅格计算器完成对植被覆盖动态变化特征空间尺度上的研究分析,并对其计算完成的栅格数据进行重分类。

1.3 研究方法

1.3.1 时间尺度上的分析方法 本研究使用趋势线分析方法计算整个研究时段(2000-2015年)内生长季平均NDVI的整体变化趋势,并利用SPSS16.0在95%(P<0.05)的显著性水平上对计算出来的趋势结果进行检验。利用一元线性回归方程模拟计算16年间不同植被类型年生长季平均NDVI,得到该研究期间内不同植被类型的年际变化特征,同样利用SPSS16.0对其进行显著性(P<0.05)水平检验。一元线性回归方程公式如下[15]:

(1)

1.3.2 空间尺度上的研究方法 利用一元线性回归方法对空间每个像元进行分析,计算得到的斜率变化趋势,即可反映研究区生长季平均NDVI的空间变化特征。像元斜率变化趋势的计算公式为[16]:

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 植被(4月-10月)平均NDVI的时间变化趋势

图2 2000-2015年内蒙古植被生长季平均NDVI时序变化散点图Fig.2 Scatter plot of the mean NDVI temporal variation in the growth season in Inner Mongolia from 2000 to 2015

2.1.1 内蒙古全区植被(4月-10月)平均NDVI的年际变化趋势 图2为利用各年生长季内月合成的1 km空间分辨率MODIS NDVI遥感影像栅格数据NDVI平均值,代表该年内生长季植被平均覆盖程度,分析内蒙古全区2000-2015年间地表植被生长状况及覆盖程度随时间序列变化。由图2可知,16年间内蒙古陆地植被NDVI总体表现为波动上升趋势,且该趋势显著(P<0.05)。2015年NDVI出现骤降的原因是全区发生了较严重的干旱[18]。

2.1.2 不同植被类型生长季NDVI的时序变化特征 图3是利用趋势线分析法分别对整个内蒙古尺度上6种植被类型16年的年生长季平均NDVI值进行统计分析得出的趋势图。由图3中各植被类型变化斜率可知,2000-2015年 研究区6种植被类型年生长季平均NDVI均呈增加趋势。其中,农田的增加程度最强烈,荒漠的增加程度最弱。利用SPSS 16.0对各植被类型随时间序列的变化进行显著性检验(P<0.05),结果表明均显著。统计各植被类型年平均生长季NDVI得出表1。由表1可知,2000-2015年,年均生长季植被覆盖程度最高的植被类型为沼泽,最低的为荒漠,研究区各植被类型年均生长季NDVI由高到低依次为: 沼泽>森林>农田>灌丛>草原>荒漠。

图3 2000-2015年内蒙古不同植被类型NDVI随时序变化趋势分布散点图Fig.3 Scatter plot of NDVI temporal variation of different vegetation types in Inner Mongolia from 2000 to 2015

表1 各植被类型年平均生长季NDVITab.1 Average NDVI of growth season of different vegetation type

2.2 全区生长季植被的空间变化特征

利用ArcGIS 10.1的栅格计算器计算全区16年间的平均生长季NDVI,并利用重分类工具对其进行重分类得到图4。由图4可知,全区NDVI呈现东北高西南低的空间分布特点,与全区植被覆盖特征相符。

图4 2000-2015年内蒙古植被年均生长季NDVI空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of average NDVI in growth season of Inner Mongolia from 2000 to 2015

表2 NDVI空间像元数分布占比Tab.2 Proportion of pixel distribution in NDVI

统计NDVI空间像元数分布占比得出表2。由表2可知,内蒙古植被覆盖空间像元水平NDVI处在<0.2、0.2～0.4和0.4～0.6这三个区间内的像元数占比差异不明显,但其分别比>0.6区间内的像元数占比均高出约8个百分点,表明总体上内蒙古全区16年间植被覆盖空间异质性较明显。

图5(a)为空间尺度上内蒙古植被生长季平均NDVI年际动态变化,斜率为正值代表研究时段内该区植被覆盖表现为上升趋势,斜率为负值则表现为下降趋势。

统计图5(a)不同NDVI区间空间像元数占比得到表3。由表3可知,研究时段内内蒙古地区90.1%的植被覆盖呈现增加的趋势,仅9.9%的植被覆盖呈现减少的趋势。利用ArcGIS10.1栅格计算器完成对相关系数的计算,并对计算完成的栅格数据按显著性水平对其进行重分类得到图5(b),统计其空间像元数占比得出表4。由表4可知,植被覆盖变化呈增加趋势的区域中,42.4%的植被NDVI变化表现出显著性,因为内蒙古地区植被覆盖呈显著增加的区域明显多于呈显著减少的区域,因此总体上内蒙古全区植被覆盖变化表现为显著增加。由图5(b)可知,内蒙古中部、中东部和东北部少部分区域植被覆盖呈显著减少趋势,该区中西部大部分区域植被覆盖呈显著增加趋势。内蒙古最西部地区植被覆盖呈显著增加的区域明显多于显著减少的区域。因此,内蒙古最西部地区植被覆盖总体呈显著增加趋势。

表3 不同NDVI区间空间像元数占比

表4 经显著性检验的相关性系数空间像元数占比

图5 2000-2015年内蒙古植被生长季平均NDVI变化趋势及其显著性Fig.5 Variation trend and significance of average NDVI in growth season of Inner Mongolia from 2000 to 2015

3 讨论

内蒙古自治区作为中国北方地区的边缘地带,其环境变化强烈,区域特征明显。Guo等[5]研究表明,在1981-2014年间,内蒙古呼伦贝尔西部地区植被NDVI呈下降趋势。陈效逑等[19]同样基于遥感数据分析了内蒙古植被覆盖度的变化,发现1982-2003年间呼伦贝尔西部地区植被NDVI呈显著下降趋势,均与本文的结论相反,两者结论差异的原因可能是所选研究时间的不同。李晓光[20]的研究表明,2001-2013年间内蒙古植被NDVI最高的年份为2013年,最低的年份为2001年,这与本文结论一致。但在空间尺度上,其研究表明,全区年均4月-10月NDVI变化不能通过显著性检验,这与本文的结论相反。并且其研究还表明,空间尺度上植被覆盖变化呈显著增加的区域占比为10.62%,呈显著减少的区域占比为1.9%,均与本文结论不一致,这是由于研究时段内研究区植物物种有差异所致。因此,未来关于内蒙古植被覆盖时空变化情况的研究应考虑时间和植物物种差异两个因素对植被NDVI的影响。

本文的结果表明,2000-2015年内蒙古不同植被类型NDVI在时间序列上均表现出显著增加的趋势,而李晓光的研究表明,在2001-2013年的研究区中,植被类型属草原和荒漠的区域NDVI变化表现为不显著增加趋势[20],这与本文的结果不一致,这种差异可能是由研究所处时间序列的不同导致,或是由研究的植被类型中物种的差异所致。因此,对于内蒙古不同植被类型NDVI时序变化特征的研究应该更进一步。