基于NDVI的华北平原农业干旱演变特征研究

安明明

（河南省济源水文水资源勘测局，河南 济源 459099）

0 前言

干旱现象严重威胁了农业生产活动，短时间内的干旱现象就可以迅速造成大面积的农作物减产现象，如果旱情发生在作物生长关键期甚至会造成农作物的绝收，森林大火、土地盐碱等并发地次生灾害，对社会造成深远的影响。长远来看，农业干旱首先会造成农业生产中的灌溉用水转化为土壤有效含水量的大量减少，更严重会威胁传统农业生产过程中长期形成的种植结构、生产方式、农作物布局，甚至还会导致土地荒漠化、土地盐碱化等各种土壤问题，对整个生态系统的正常运行发展造成巨大的破坏。传统农业旱情分析主要是基于地面站点测定的土壤墒情来研究干旱的发展情况，其准确性、代表性、完整性有限且成本较大。遥感技术具有准确、及时、大范围等优点，能够实现对大面积的农业干旱进行快速监测。文章以归一化植被指数NDVI 作为农业干旱指数，研究了华北平原1999-2019年的农业干旱时空演变特征，以期弥补传统的农业干旱监测方法在空间尺度上的不足。

1 数据与方法

1.1 研究区域与数据

华北平原是中国七个主要平原中的第二大平原，范围广阔且地势平坦，海拔在50 m 以下。黄淮海平原降雨总量并不十分充足，但降雨期大多集中在作物的生长旺季，且降雨总量的地理、四季以及多年年际之间的差异较大，年平均降雨量为500～900 mm。华北平原内的中北部一带年平均降雨量低于500 mm，属于易旱地区，而黄河以南地区年平均降雨量为700～900 mm，基本可以满足南部地区种植作物的两熟需要。文章选取的数据为中国科学院资源环境科学数据中心官网提供的1999-2019 年的全国范围内的NDVI 数据集，其在空间上的分辨率为1 km。将21年间各月份的数据全部导入Arcgis软件之中，对坐标系进行调整以保证投影不出现偏差，然后通过裁剪处理生成1999-2019年的华北平原NDVI数据集。

1.2 方法

1.2.1 归一化植被指数NDVI

NDVI 是一种无量纲的植被指数，已经在各尺度的农业干旱动态变化监测中得到了广泛应用。文章使用的NDVI 是采用最大值合成法将每月1-3 旬的NDVI 数据合成月值数据集，这样可以比较好地消除云、大气以及太阳高度角等的部分影响。

1.2.2 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验的目的是评估所选择的序列，随着时间的变化，是否存在上升或下降的单调趋势。当数据具有单调上升（下降）的趋势，就意味着该统计变量存在随时间增加（减少）的情况。在MK检验中，不需要正态分布的假设，所以MK检验是非参数检验。该方法的具体步骤参照文献。

2 结果与分析

综合华北平原1999-2019 年各月份的NDVI 变化趋势，可以得到图1。从图1中可以看出21年间NDVI变化情况基本一致，总体上NDVI值范围在0.20～0.70，各年份均在1月取得最小值。2-7 月份呈现出明显的上升趋势，而在8月份取得年内最大值，9-12 月逐渐降低，并与次年1 月、2 月相衔接。其中在2001年1月取得多年间最小值0.17，2008年8月取得多年间最大值0.75。并且，Mann-Kendall检验得到趋势特征Z值为0.03，表明1999-2019 年NDVI 时间序列处于上升趋势，旱情处于减缓趋势。

图1 NDVI逐月变化情况图

根据以上分析，发现在2001年1月华北平原NDVI值出现最低值0.17，因此以2001年为例进行相关的研究，给出2001年年内NDVI 的变化情况。从图2 中可以看出该年份NDVI 最大值略有变化，整体维持在0.70～0.90，该年1 月、11 月与12 月NDVI 值均小于0.80，其余月份NDVI 最大值基本稳定在0.80～0.90。各月份NDVI 平均值变化呈现开口向下抛物线形式，取值在0.17～0.70。其中，6月份NDVI值有所下降，该时期恰好属于春小麦收割时期，因此可以认为小麦的收割对NDVI值的变化产生了一定的影响。8 月份取得最大值0.70，从9月开始华北平原整体NDVI值下降，可能是因为此时雨季结束，同时冬小麦播种基本结束，导致NDVI值整体呈现出下降趋势。

图2 2001年年内NDVI变化情况图

如图3 所示，华北平原NDVI 区域平均值年际变化趋势明显。整体上华北平原NDVI 值处于0.40～0.47，1999-2002 年NDVI 平均值逐年减小，在2002 年时取得11 年之间的最小值0.396。考虑到华北平原以井灌为主且在2001年经历了较为严重的干旱，可以认为前一年大量消耗地下水灌溉，对2002年的NDVI 值产生了影响。2002-2004 年，NDVI 值急剧上升，至2004 年达到峰值0.46。之后2004-2006 年有略微下降，2006-2008 年再次上升，于2008 年取得0.47，之后2009-2010年略有下降，在2010-2012 年又有上升趋势，在2012 年取得0.47。之后再次下降，2015年后又开始上升，并在2017年取得多年最大值0.47。综合21年的变化情况，可以认为华北平原的年NDVI值有上升趋势，即华北平原的干旱情况有缓解。

图3 各年NDVI变化情况图

以2001年1-3月份为例，得到华北平原NDVI的空间分布特征。由1-3 月NDVI 变化情况可以看出，该时间段中华北平原大部分地区NDVI值较低，整体较为干旱，仅河南小部分地区NDVI值较大。1月份，除了部分地区外整体NDVI均处于较低水平，具有较严重的干旱现象。2月份，河北大部地区干旱情况加剧，同时河南地区的NDVI值有所升高，华北平原整体上仍然处于干旱状态。3月份，河南地区NDVI有明显升高，同时河北、山东与河南接壤地区NDVI升高，局部最大值达到0.836。4月份与3月变化趋势相一致，此时河南NDVI达到较高水平，河北山东大部地区NDVI持续增高。时至5月份华北平原仅有河北张家口一带与沿渤海一带NDVI值仍然偏低，考虑到河北西部地区靠近地形较高，且环渤海地区并不能进行农业生产，可以认为其是正常现象。6 月份由于春小麦的收割并逐渐进入夏季，华北平原中部整体NDVI值有所降低其平均值降低至0.40。

7-9 月份华北平原进入雨季，该时间段内华北平原整体NDVI 值处于较高水平，最大值达到0.70，时期变差系数为0.15，达到年内最低水平。此时期，环渤海区域内仍由于不能种植农业作物而处于最低水平。10月份之后，雨季结束，此时淮河全段开始进入枯水期。河南东南部NDVI 值最先开始减小，11-12月华北平原北部地区NDVI均开始减小，期间河南地区略有恢复但是地区平均值只有0.26，最大值也只有0.67，NDVI值整体处于较低水平。

3 小结

针对华北平原的农业干旱现象日益严重的问题，文章基于1999-2019年华北平原的NDVI数据集，研究了基于NDVI的华北平原农业干旱演变特征，结果发现1999-2019 年NDVI 时间序列处于上升趋势，干旱情况有所缓解。并且，最严重的干旱发生年份为2001年，该年份的1月NDVI值出现最小值0.17。