基于MODIS数据的青藏高原生长季植被NDVI的时空变化分析

2024-04-22杜宜臻

枣庄学院学报 2024年2期

杜宜臻，崔岩，倪杰

(枣庄学院旅游与资源环境学院，山东枣庄 277160)

0 引言

青藏高原(以下简称高原)是我国乃至世界重要的生态区域，面积辽阔、地理位置特殊，生态环境又极为脆弱与敏感[1-2]。当前，气候变暖给全球生态系统带来极大影响，尤其是青藏高原地区生态环境发生明显的变化，比如冻土消融、冰川退缩、湿地萎缩、湖泊扩张等现象[3-5]，这会改变高原地区的土壤水热平衡[6]，进而影响到高原生态系统的结构、稳定性等[7-8]，并最终影响到周边地区乃至全球的气候变化。因此，研究青藏高原地区植被的变化规律是认识青藏高原生态环境特征及其演变规律的关键，对未来生态环境保护具有重要参考价值。

归一化植被指数(normalized difference vegetation Index，NDVI)作为植被空间分布密度以及植物生长状态的最佳指示因子，能够准确、连续地反映出植被的生长变化状况，是反应植被分布与植被覆盖的重要数据。近年来归一化植指数被广泛应用于植被动态变化及其影响因素的研究当中。Kawamura等[9]对内蒙古锡林郭勒中部草原区进行研究，利用回归分析等方法得出MODIS-NDVI相比AVHRR-NDVI时间剖面更具有真实性。王思等[10]基于MODIS-NDVI数据对广东省的植被覆盖度进行提取研究，结果表明处于中高植被覆盖度及以上的区域达到85%，且植被空间集聚性特征显著。董璐等[11]利用NDVI数据研究了新疆地区植被生长对气温的响应。青藏高原作为亚洲乃至北半球气候变化的“感应器”和“敏感区”，对中国乃至亚洲生态安全具有重要的屏障作用。当前气候变化给高原植被生长带来了一系列的影响，大量学者基于NDVI这一关键特征指标来研究青藏高原地区的植被演变特征和规律。已有研究表明，高原生长季NDVI总体变化呈上升趋势，干旱地区植被改善面积比较大，而且植被NDVI空间分布季节性规律明显[12-13]。同时，有研究发现植被NDVI受气候因子的影响有明显的地域差异性，其中降水影响高原北部的草原草甸等NDVI变化[14]，并对高原雅鲁藏布江流域NDVI变化起决定性作用[15]，此外，草地水分利用效率也会影响到草地NDVI的变化[16]。空间变化上研究得知，三江源区生长季植被NDVI整体表现为由西北向东南逐渐增加[17]，青海湖流域NDVI表现出同样的空间变化趋势，而且其季节性规律明显[18]。总的来说，基于MODIS产品研究青藏高原生长季植被NDVI的时空变化特征对加深青藏高原物候的认识及生态环境的保护有重要意义。

1 研究区概况与数据方法

1.1 研究区概况与数据来源

青藏高原是世界海拔最高、最年轻的高原，平均海拔4000 m以上，高原上湖泊众多，光照和地热资源充足。气候条件主要表现为气温低、日较差大、降水相对集中；并且都体现为由东南向西北逐渐减少的变化趋势。高原上冻土广布，主要的植被类型是草地、高山植被以及位于东南部的阔叶林和混交林等[19]。

本研究所选用的数据为MODIS(MOD13A2)2001—2020年青藏高原生长季NDVI与植被物候数据集[20]，包括：2001—2020年每年生长季平均NDVI，时间为每年5—9月份；生长季始期(SOS)、生长季末期(EOS)，时间单位为d，空间分辨率为1 km，数据均来自于国家青藏高原科学数据中心(https：//data.tpdc.ac.cn)。

1.2 研究方法

本研究主要采用趋势分析法和显著性检验法对青藏高原生长季NDVI的时空变化特征进行分析。

(1)趋势分析法(Sen′ slope)

趋势分析法是一种通过对随时间变化的变量进行线性回归分析，从而来预测其变化趋势的方法。其计算方法如下：

(1)

式中：Slope为变化趋势，i为第i年的平均值，n为研究的时间长度。当Slope>0时，表示该像元处NDVI为增加趋势；当Slope=0时，表示该像元处NDVI基本保持不变；当Slope<0时，表示该像元处NDVI为减少趋势。

(2)M-K趋势检验

M-K趋势检验是一种非参数检验方法，常与Sen′s slope方法结合使用，用于判定变化趋势的显著性，通过计算其标准正态分布量Z来判别显著性。其计算公式如下：

(2)

式中：Z>0表明NDVI序列呈上升趋势，Z<0表明NDVI序列呈下降趋势，|Z|≥1.96时表示NDVI序列通过了置信度为95%的显著性检验。式中Var(S)为S的方差，S的计算公式为：

(3)

式中：Sgn(xj-xk)为复合函数，其表达式如下：

(4)

2 结果与分析

2.1 青藏高原植被生长季NDVI的分布特征

本研究对2001—2020年青藏高原植被生长季NDVI均值进行了统计，得出青藏高原多年平均NDVI数值为0.14(表1)。

表1 不同类型植被生长季NDVI的面积占比及NDVI值

结合高原植被类型分布图[19]分析发现，整个青藏高原植被生长状况相对较稀疏，同时具有空间异质性。受到气温和降水等方面的影响[13]，高原西北部生长季植被表现较差，腹地适中，东南部表现较好。统计结果表明，NDVI高值区一般为落叶阔叶林、针阔叶混交林、常绿针叶林、郁闭灌丛和栽培植被等，其中落叶阔叶林平均NDVI最大，为0.70，其次是常绿针叶林、针阔叶混交林和郁闭灌丛，分别为0.63、0.63和0.55。然而，这些高大林木的总面积不足青藏高原总面积的2%。低值区植被类型主要以高山植被、沼泽和草地为主，其中草地面积占整个青藏高原总面积的80%以上，而这些植被类型区的NDVI一般较低，多在0.2左右及以下。

基于前人研究结果进一步将青藏高原2000—2020年NDVI变化率进行如下分类，如表2所示。

表2 青藏高原生长季植被变化趋势面积占比

统计结果表明青藏高原生长季NDVI变化率为-0.004～0.006，平均值接近于0。整体来看，青藏高原大部分地区的植被保持稳定生长，变化趋势基本不变，其面积占高原总面积的80%以上。同时发现，高原退化区面积占比相对较少，不到6%，而改善区(包含轻微改善)面积相对较高，占比达到14%左右。即在研究时段内，青藏高原的植被状况整体表现出变绿的趋势。

2.2 青藏高原植被生长季NDVI的时间变化特征

本研究进一步分析了青藏高原2001—2020年NDVI的逐年变化趋势，结果如图1所示。

图1 2001—2020年青藏高原植被生长季NDVI年际变化

由图1可知，青藏高原NDVI在研究时段内总体表现为上升的趋势，其年际变化率为0.008(10 a)。MK检验通过了信度99%的显著性检验，说明高原植被生长季NDVI在2000—2020年间上升趋势显著，且表现出一定的波动性。其中，NDVI的高值年份主要集中在2009—2011年以及2017—2019年间。此外，在2020年，植被NDVI出现了极端低值，为0.12，低于平均值的14.29%。数值上的差异体现了在相应时间段内高原气候以及局地环境的变化状况，这主要是受到高原暖湿变化的影响。也有相关研究证实青藏高原植被生长季NDV的变化总体上和气温和降水呈正相关关系[12，15]。

植被生长季是指植被1 a内从开始复苏返青(生长季始期)到植被枯黄落叶(生长季末期)的时段。为了更详细的探讨高原植被的生长变化，本研究引入植被生长季始期和末期两个参量，并基于这两个变量得到生长季长度(DOS，即生长季末期-生长季始期)。基于此，分别对上述3个变量，包括SOS、EOS和DOS的时间变化趋势展开分析，结果如图2所示。

图2 2001—2020年青藏高原植被生长季始期(SOS)、生长季末期(EOS)、生长季长度(DOS)变化

由图2可知，在研究时段内，青藏高原植被SOS提前，平均每年提前0.13 d；而EOS在推迟，每年推迟0.05 d，比SOS的变化速度略慢；进一步表明DOS在延长，其每年延长约0.14 d。这种变化趋势与前人研究结果基本一致[21-22]。然而，在总的研究时段内，这些因子的变化也表现出一定的波动性。其中2006—2009年变化相对较大，SOS较早，而EOS相对较晚，表明这段时间内，高原植被的DOS较其它时间段相对较长。

进一步探究SOS、EOS和DOS三个因素与NDVI之间的关系，结果如图3所示。

图3 2001—2020年青藏高原植被生长季始期(SOS)、生长季末期(EOS)、生长季长度(DOS)与NDVI的关系

由图3可知：高原EOS与NDVI相关系数最高，其R为0.32；而SOS和DOS与NDVI的相关系数相对较低：其R分别为-0.15和0.21。统计结果表明，上述三个参数与NDVI的变化都具有一定的相关性，然而均表现为弱的相关性，其中SOS与NDVI的相关性表现为弱的负相关。综上所述，近20 a来，青藏高原植被的NDVI不仅在数值上表现为增大趋势，而且每年植被生长的持续时长也在增大。

2.3 青藏高原植被生长季NDVI与海拔的变化特征

海拔升高导致气温降低，这会影响高原植物的生长和分布。基于此，本研究探究了青藏高原NDVI的变化与海拔之间的关系，结果如图4所示。

图4 研究区海拔与NDVI变化趋势散点图

研究结果表明(图4)，整体上青藏高原生长季植被NDVI与海拔呈负相关，即NDVI会随着海拔的升高而降低，平均海拔每升高1 km，NDVI下降0.09。这主要是因为海拔越高，气温越低，NDVI与气温基本呈现正相关关系，因此NDVI也降低[14，23]。但是在不同海拔梯度下NDVI随海拔的变化趋势表现出差异性，其中NDVI值在海拔高度0～1 km与3～4 km呈上升趋势，在1～3 km与4～6 km呈下降趋势。研究结果对青藏高原当前以及未来的生态保护等具有重要科学和现实意义。