1982—2016年东北黑土区植被NDVI动态及其对气候变化的响应

刘家福,马 帅,李 帅,任春颖,毛德华,张 柏,*

1 吉林师范大学旅游与地理科学学院,四平 136000 2 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130012

全球气候变化与陆地生态系统响应是国际地圈生物圈计划的重要研究内容[1]。植被作为地球生态系统主体,是大气、土壤和水分相互作用的天然联系,在全球物质和能量循环过程中起到十分重要的作用[2- 4],因此监测植被生长动态具有重要现实意义和科学价值。在全球变化背景下,植被覆盖变化容易受到气候和人类活动的共同影响,地表植被对自然因素和人类活动干扰响应已成为国内外研究热点问题,气候变化对地表植被的影响得到学术界高度关注[5- 7]。东北黑土区地处我国东北边陲,对气候变化反应敏感,是我国东北地区植被动态研究的敏感区域之一。在全球变暖和人类活动共同影响下,东北黑土区气候变化明显,平均气温显著升高,降水量显著减少,导致水土流失严重,生态环境日趋恶化[8-9]。分析东北黑土区植被NDVI动态,研究植被NDVI变化与气候因子的关系可为应对全球气候变化提供重要的理论依据,及时探讨植被对气候变化的响应,对丰富全球变化区域响应的研究具有重要意义。陈福军等[10]相关研究表明植被NDVI与气候因子具有显著的相关性。Fensholt等[11]对全球半干旱地区1981—2007年植被绿度研究表明,全球范围内植被绿度增长速度受到空气温度和降水共同影响。陆晴等[12]利用GIMMS NDVI数据和地面气象数据,研究了青藏高原草地覆盖变化及其对气候因素的响应。Zhao等[13-14]对新疆NDVI的研究表明,区域NDVI主要呈增加趋势,且与降水量和潜在蒸散量(ET)增加有关。范昊明等[15],尚建勋等[16],魏建兵等[17]对东北黑土区的土壤侵蚀和侵蚀沟治理问题进行了探讨。上述研究主要针对更大空间尺度,对时段内变化过程、变化趋势的持续性关注相对不足,此外,对长时间序列东北黑土区植被NDVI变化及其与气候变化关系的探讨鲜有报道。

本文利用MODIS NDVI数据集对GIMMS NDVI数据集进行插补,获取长时间序列数据,在多个空间尺度和不同季节,计算多个时间序列东北黑土区植被动态变化趋势,同时结合气象数据(气温、降水量),探讨东北黑土区植被NDVI动态及其对气候因子的响应。以期明确我国东北黑土区植被覆盖时空变化特征、以及气候因子与植被NDVI的相关性关系,旨在丰富我国东北黑土区对全球变化响应的研究成果,同时为东北黑土区对气候变化的响应研究提供科学依据。

1 研究区概况

黑土是具有强烈胀缩和扰动特性的粘质土壤,典型的黑土土壤包含黑土和黑钙土,本文将黑土、黑钙土集中分布的区域划分为东北黑土区。东北黑土区是世界仅存的“三大黑土区”之一,地理位置介于41°01′—53°05′E,115°03′—135°05′N之间(图1),是世界三大黑土区中面积最小,气候条件最寒冷的区域[18-19]。东北黑土区主要分布在松嫩流域腹地,北起嫩江、北安,南至四平,气候干燥寒冷,降雨集中,年平均降雨量400—700mm,水资源总量1415.99亿m3,人均占有量1213.98m3[20-21]。东北黑土区从南向北具有暖温带、温带和寒温带的热量变化,自东向西具有湿润、半湿润和半干旱的湿度分异,具有独特的植被分布格局,是全球变化研究的敏感区域之一[22]。东北黑土区植被覆盖度较高,主要植被类型为农业植被、森林和草原,还有少部分草甸、灌丛等植被(图2)。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

GIMMS NDVI数据来自美国国家航天航空局(NASA)戈达德航天中心(Godddard space flight center,GSFC),空间分辨率为8km、时间分辨率为15d[23-24]。本文数据是由NASA官网下载的1982年—2013年每15d提供的GIMMS NDVI3g数据；MODIS NDVI数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台,增强了对植被的检测能力,空间分辨率为1km,已被应用在多个领域[25-26],本文使用的是MOD13A3,即1km分辨率月合成的植被指数产品,时间跨度是2000—2016年。气象数据由国家气象科学数据共享服务平台提供,1∶100万矢量化植被类型图(图2)来自中国植被类型图。

图1 东北黑土区范围Fig.1 Black soil area in Northeast China

图2 黑土区植被类型及气象站点分布图 Fig.2 Vegetation types and meteorological station distribution map in black soil area

MOD13A3数据在时间和空间分辨率上均优于GIMMS NDVI3g数据,因此在时间上MOD13A3数据可以对 GIMMS NDVI3g数据进行插补[27-28]。首先对1km空间分辨率的MOD13A3数据重采样处理,得到8km空间分辨率的月值数据,然后对两种数据集进行一致性分析,确立数据插补的可能性,获得GIMMS NDVI3g数据在2013—2016年各月份的数据序列。

为反映植被年内和年际变化特征,采用生长季(3—11月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)NDVI合成值表征植被生长状况,各季节分别为时段内月NDVI平均值。气象数据来自于研究区内29个气象站点1982—2016年逐月平均气温和降水,同时采用Kriging方法对气候数据进行空间插值处理,获取像元大小与NDVI数据一致、投影相同的气候要素栅格数据；采用固定起始年份,逐步增加结束年份的分析方法,分别计算1982—2006,1982—2008,1982—2010,1982—2012,1982—2014,1982—2016年6个时间序列的气候变化和植被动态,根据趋势斜率的变化范围,定义5个趋势等级(表1)；最后为了在像元尺度上更好的反映气温、降水对植被生长的影响,延长时间序列区间长度,计算了1982—2000,1982—2005,1982—2010,1982—2016年4个时间序列气温、降水量与植被NDVI的相关性。

表1 1982—2016年东北黑土区植被NDVI变化趋势结果统计

2.2 逐像元分析法

线性回归分析方法计算简单,结果容易比较,是研究植被动态变化趋势的常用方法[29-30]。本文采用最小二乘回归分析方法,年份为自变量,NDVI为因变量,模拟1982—2016年多年NDVI变化趋势,公式为：

(1)

式中,S为趋势斜率,S>0代表植被有增加的趋势,反之则减少；n是研究时间序列的长度;m为1982—2016年序号(m=1,2,3,4……35)；NDVIm表示第m年的平均NDVI值。

对1982—2016年东北黑土区多年植被NDVI与同期气温、降水量进行逐像元相关分析,探讨相关系数的空间分布情况,分析多年植被NDVI对气温、降水量的响应,相关性公式为：

(2)

3 结果与分析

3.1 MODIS与GIMMS数据的一致性检验

MODIS NDVI和GIMMS NDVI具有不同传感器,表2列出了其波段范围、波长范围、空间和时间分辨率的差异。由表可见,在进行长时间序列分析年际变化前需要对两种数据集进行一致性检验。

两种数据集有14a时间交叉,通过全区域各月平均NDVI分析,2种数据集R2为0.9509,并通过0.05置信度检验(图3)。MODIS拟合数据与GIMMS NDVI3g数据的生长季各月相关系数分别为0.803、0.648、0.673、0.559、0.537、0.796、0.715、0.625、0.732(P<0.01,n=26357),均为显著正相关关系。综上所述,MODIS数据集对GIMMS数据集进行插补是可行的。

表2 GIMMS 和MODIS 两种数据集传感器的几何和光谱特征

图3 GIMMSNDVI和MODIS NDVI数据关系Fig.3 Data relations between GIMMSNDVI and MODIS NDVI

3.2 区域尺度的NDVI变化

1982—2016年春季NDVI年平均值在0.22—0.34之间,多年平均值为0.27。整体来看,35a春季东北黑土区植被覆盖变化呈增加趋势,并且增加量随时间长度的增加而逐渐呈极显著增加趋势(表3)。逐年变化显示(图4),春季NDVI变化主要分3个阶段：1982—1998年春季NDVI呈不显著增加趋势,1998—2010年春季NDVI呈显著增加趋势(P<0.05),2010—2016年春季NDVI呈极显著增加趋势(P<0.01),年内平均NDVI最大值出现在2009年,最大值为0.343。1982—2016年夏季NDVI年平均值在0.50—0.55之间,多年平均值为0.53。在6个时间序列内呈减少趋势(表3),尤其1982—2012年呈极显著减少趋势(P<0.01),2012—2016年呈不显著减少趋势(P>0.05)。整体来看,根据NDVI年际变化显示(图4),夏季NDVI在35a的变化主要分3个阶段：1982—1988年夏季NDVI呈增加趋势,1988—2008年呈减少趋势,2008—2016年呈增加趋势,年内平均NDVI最大值出现在1987年,最大值为0.551。

图4 各季节、生长季植被NDVI的年际变化Fig.4 Interannual variation of NDVI during growing season and season

1982—2016年秋季NDVI年平均值在0.34—0.42之间,多年平均值为0.38。在6个时间序列中(表3),除1982—2006年呈不显著增加趋势外,其余5个时间序列均呈减少趋势,其中3个时间序列呈显著减少趋势(P<0.05)；逐年变化显示(图4),秋季NDVI呈先增加后减少趋势,且变化幅度较小,年内平均NDVI最低值出现在2009年,最低值为0.342。

1982—2016年间生长季NDVI平均值在0.39—0.43之间,变化幅度相对较小,多年平均值为0.41。生长季NDVI在6个时间序列除1982—2006年外,均呈显著减少趋势(P<0.05)。逐年变化显示(图4),生长季NDVI并非持续减少,1982—1990年呈显著增加趋势(P>0.05),1990—2007年呈极显著减少趋势(P<0.01),而2007—2016呈不显著增加趋势,该阶段最大值出现在2006年,其值为0.428。

区域植被的生长受水热条件的共同控制[31-32],从图4中可以看出,东北黑土区植被NDVI多年平均值呈现出明显的季节变化,夏季植被年平均NDVI值均高于春季、秋季和生长季,而生长季则高于春季和秋季,因此,植被NDVI与气温、降水等气候因素密切相关。

表3 各季节、生长季的区域NDVI年际变化趋势统计

*P<0.05;**P<0.01

3.3 像元尺度的NDVI动态变化

1982—2006年,东北黑土区植被NDVI总体趋势为退化状态(图5),退化区域面积占东北黑土区总面积的39%,其中,轻微退化区域占28%,显著退化区域占11%,严重退化区域为哈尔滨市、呼伦贝尔市、双鸭山市和伊春市,退化面积占区域总退化面积的13%。相反,区域内改善面积相对较少,占研究区总面积的30%,其中显著改善区域仅占0.8%。总体来看,改善区域主要集中在赤峰市、呼伦贝尔市和通辽市,分别占改善区域总面积的14%,18%和33%,改善区域的植被类型主要是农业植被、草原和森林,分别占比41%,22%和18%。此外,赤峰市、黑河市和兴安盟地区NDVI整体趋势基本不变。

1982—2012年,东北黑土区植被NDVI总体趋势为改善状态(图5),植被覆盖率较2006年相比有明显的提高,改善区域面积占东北黑土区总面积的56%,退化区域面积占东北黑土区总面积的15%。呼伦贝尔市、黑河市和哈尔滨市与2006年相比,改善面积显著提高,改善面积分别占市区域的33%、50%和48%,其中森林、草原和农业植被等重要植被类型明显改善。此外,赤峰市、通辽市、松原市、大庆市和四平市5个区域内植被NDVI趋势与2006年相比,有明显退化迹象。

1982—2016年,东北黑土区植被NDVI总体趋势为改善状态(图5),植被覆盖较2012年相比变化不大,改善区域面积占东北黑土区总面积的58%,主要植被类型为草原、农业植被和森林,退化区域面积占研究区总面积的14%。2016年与2006年相比,除大庆市和松原市之外,1982—2006年呈轻微退化和显著退化趋势的区域范围几乎全部发展为改善趋势,东北黑土区10年间平均每年改善面积约为25653.34km2,特别是鹤岗市、绥化市和长春市改善面积均占市区域面积80%以上。

图5 不同时间序列植被NDVI变化的空间分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI changes of growing season during different time series

3.4 区域尺度NDVI与气候要素的关系

对东北黑土区内29个气象站点35a季节内多年平均气温和平均降水量统计可知(图6)：各季节年平均气温变化趋势平缓,夏季和生长季气温相对较高,夏季多年平均气温为21.02℃,生长季多年平均气温为10.41℃。秋季气温较低,多年平均气温为4.51℃。春季气温值浮动较大,多年平均气温最高为8.2℃,最低为3.28℃；各季节、生长季降水量差别很大,春季降水量变化幅度较小,在11.81—40.53mm之间,夏季多年平均降水量最高达147.63mm,秋季降水量呈现出“一峰多谷”趋势,最大值为49.92mm,最小值为11.04mm。

表4为东北黑土区植被NDVI多年平均值与同期气候因子(气温、降水量)的相关系数,依表可知,除夏季外植被NDVI与同期气温在6个时间序列上均呈正相关关系,同时在6个时间序列中生长季和春季均达到0.05的显著水平,夏季、秋季NDVI与气温的相关性较差；随着研究时段不断延长,生长季、春季NDVI与相应时段气温的相关性呈现出缓慢降低趋势,夏季和秋季则呈现缓慢增加趋势；此外,6个时间序列中除了秋季NDVI与同期降水量呈负相关关系外,其余3个季节均呈正相关关系,并与同期降水量的相关性随时间尺度延长而明显增加,逐步呈现出降水量对该季节植被生长的影响。

图6 东北黑土区气候因子变化Fig.6 Changes of climate in black soil area of Northeast China

项目Item季节Season时间序列Time series1982—20061982—20081982—20101982—20121982—20141982—2016NDVI与气温生长季0.355*0.472*0.432*0.438*0.435*0.395*NDVI & temperature春季0.691**0.656**0.423*0.385*0.368*0.412*夏季-0.144-0.285-0.25-0.247-0.211-0.213秋季0.0420.150.0940.0970.1630.155NDVI与降水量生长季0.1370.030.0460.0590.0380.045NDVI & precipitation春季0.1170.3510.38*0.376*0.436*0.487*夏季0.1190.2660.2750.2830.2940.288秋季-0.316-0.149-0.074-0.11-0.149-0.155

*P<0.05; **P<0.01

3.5 像元尺度NDVI与气候要素相关性分析

图7 NDVI与同期气温、降水量的相关性Fig.7 Spatial distribution of correlations between NDVI and temperature and between NDVI and precipitation

多年平均NDVI值与同期气温主要呈正相关关系(图7),4个时间序列的像元数比例均占76%以上,显著正相关的面积比例1982—2000年为28%,1982—2005年为30%,1982—2010年为35%,1982—2016年达到37%,主要分布在哈尔滨市、黑河市地区,主要植被类型为草甸和农业植被。4个时间序列显著负相关的面积比例分别为3%,5%,6%,10%,主要分布在兴安盟、通辽市和赤峰市地区,主要植被类型为农业植被、森林和草原植被。显著正相关和显著负相关的区域均随时间长度的延长而呈增加趋势。

多年平均NDVI值与同期降水量主要呈正相关关系(图7),4个时间序列的像元数有50%—62%的区域呈正相关,4个时间序列显著正相关面积比例分别为23%,24%,36%,38%,主要分布在通辽市、赤峰市和呼伦贝尔市地区,主要植被类型为森林、草原及农业植被。显著负相关的面积比例较小,4个时间序列显著负相关的面积比例分别为5%,3%,3%,4%,主要分布在哈尔滨市、吉林市,主要植被类型为草甸、湿地和森林植被。显著正相关的区域随时间长度的延长而呈增加趋势,而显著负相关的区域无明显变化。

4 讨论

总体来看,本文东北黑土区植被NDVI变化趋势的结果与欧亚大陆[33]、东北冻土区[34]得出的植被覆盖变化基本一致。生长季是植被整个物质循环中最重要的阶段,生长季NDVI在1998年、2007年前后浮动较大,这种相反的变化趋势主要是由于夏季NDVI的相应变化造成的,其次是秋季,春季NDVI变化对此影响较小；春季NDVI与其他季节有所不同,主要呈增加趋势,是由于退耕还林、生态环境建设等政策的有效实施,东北黑土区的春季植被覆盖情况逐年改善；夏季气温较高,降水量集中,具有较好的植被生长环境,植被NDVI值明显高于其他3个季节；秋季气温逐渐下降,降水量减少,但植被不会立即枯萎消失,因此秋季植被NDVI值整体高于同期春季；4个阶段的年际NDVI变化趋势是人类活动和气候因子共同作用的结果。此外,生长季、夏季和秋季NDVI的变化量均随时段的延长而呈显著减少趋势,表明NDVI的增长速度正在放缓；生长季和其他季节正相关区域面积比例随时段增加呈不显著增加趋势,表明生态环境建设有了初步进展,植被覆盖度增强,生态效应趋于良性发展。东北黑土区具有特殊的区位特征,黑土区土地肥沃,农业植被覆盖广泛,草原、森林等植被覆盖面积较高,但由于人类活动影响,城市扩张、荒漠化情况严重,呼伦贝尔等草原地区植被退化严重,需要得到相关重视。

同期气温、降水量对多年时间序列NDVI均存在较大影响,其中春季、夏季和秋季NDVI对同期降水量的响应要大于同期温度,说明降水量在该季节影响着植被的生长；生长季NDVI对同期温度的敏感性高于同期降水量,表明生长季中的温度高低对植被生长有一定的制约力。植被NDVI与气温呈显著正相关的区域集中分布在黑土区内的平原地区,平原区域内河流分布较广,对气温变化极为敏感,植被类型以耕地为主,其所需的土壤水文条件受温度的影响较大,气温的升高可以加快植被光合作用,进而促进植被生长。植被NDVI与气温呈显著负相关的地区分布在大兴安岭山脉以及松辽平原边缘地区,土壤水分条件有限,人为干扰能力下降,由于气温升高,加快土壤水分的蒸发,进而限制了植被生长。受降水影响明显的区域集中分布在东北黑土区的西部,该区域为半干旱区,降水量多年持续降低,气候干旱,区域植被以草原和森林为主,草地对降水量的敏感性更强,因此降水量是该地区影响植被生长的主要因子。与降水量呈负相关的区域集中在平原地区,受影响的植被类型主要为湿地、沼泽化草甸,由于降水量不断减少,沼泽湿地植被生长可利用的土壤面积扩大,生长条件得到改善,同时该地区为东北多年冻土分布区域,多年来降水量的减少及气温升高,促使冻土土壤环境大为改善,从而促进植被生长。

5 结论

(1)本文基于线性回归模型方法,应用MODIS NDVI数据集对GIMMS NDVI数据集进行时间序列扩展,并通过一致性检验,解决了单一数据集时间序列有限的局限性；从区域、像元两个空间尺度,研究了东北黑土区1982—2016年植被生长的动态变化,分析了气候变化与植被生长的相关性,丰富了植被NDVI与气候关系的研究成果。

(2)东北黑土区多年NDVI动态变化表明：区域尺度上,植被NDVI值呈现出季节变化,夏季和生长季NDVI值高于春季和秋季；1982—2016年,东北黑土区植被在春季呈显著增加趋势,夏季呈现出先增加再减少最后增加的动态变化,秋季东北黑土区植被NDVI变化幅度较小,生长季植被NDVI变化幅度不大,主要呈显著减少趋势。在像元尺度上,1982—2016年东北黑土区NDVI总体趋势为改善状态,鹤岗市、绥化市和长春市植被NDVI改善面积较大,改善面积占东北黑土区总面积的一半以上。

(3)东北黑土区植被NDVI多年平均值对气候变化的响应说明：区域尺度上,东北黑土区年均气温变化趋势平缓,降水量起伏变化较大,多年时间序列NDVI均与同期气温、降水量存在一定相关性,各季节对气候变化的敏感性各不相同；不同季节主要的控制因素不同,气温影响着春季和秋季的植被生长,夏季降水量发挥主导作用。像元尺度上,多年平均NDVI值与同期气温和降水量主要呈正相关关系,显著正相关的比例较大；平原地区植被NDVI与气温主要呈显著正相关关系,气温的升高促进植被生长,集中在哈尔滨市、黑河市地区,植被类型以耕地为主；平原地区边缘和山地植被NDVI与降水量主要呈显著正相关关系,降水量增加可改善植被生长环境,主要分布在通辽市、赤峰市和呼伦贝尔市地区,植被类型主要为森林、草地。