2000—2016年辽宁省NDVI时空变化及其与降水量的关系

刘艳伟，王淑莹，焦忠帅

(1. 昆明理工大学农业与食品学院， 云南 昆明650500； 2. 中国水利水电第六工程局有限公司, 辽宁 沈阳110179)

植被作为陆地生态系统的关键组成部分，是联结大气、土壤、水分的自然“纽带”.植被的生长变化和降水、温度、湿度、日照等气候因子有密切关系，气候的改变也无疑成为植被活动的影响因素之一.植被与气候变化的关系已逐步成为当今科研领域的热点[1].遥感数据因其周期性和连续性好、覆盖范围广、综合动态观测等优点已成为获取地表信息的主要手段[2]，其中归一化植被指数(normalized differential vegetation index，NDVI)已被广泛应用到农业、生态、环境等领域[3].NDVI在利用遥感技术描述植被生长状况中起着重要的“桥梁”作用.近年来，一些学者已开始研究不同区域的NDVI变化与气候因子的关系.神祥金等[4]通过对近11 a来东北地区植被NDVI变化及对气象因子的相关性和滞后性研究，发现年均NDVI受降水、温度影响较为显著；武晋雯等[5]通过长时间序列植被指数变化特征分析，探寻出植被指数从一定程度上反映植被对气候变暖的响应；何全军[6]分析了珠三角地区NDVI变化特征，表明珠三角地区植被指数年际间差异明显，这主要是由降水时空分布不均匀造成的.

植被季节性和年际性变化特点使其在全球环境变化中担当了“指示器”的角色，植被变化受气象因子尤其是降水因子的影响，植被生长需水大多来源于降水，因此开展辽宁地区NDVI时空分布及其与降水量关系研究对生态环境保护和干旱预警有重要意义.文中拟研究辽宁省NDVI的时空变化与气候因子中降水量的关系，以揭示辽宁省植被变化特征，为环境监测和全球气候变化研究提供依据.

1 研究区概况

辽宁省位于东北地区南部，地理坐标处于118°53′E—125°46′E，38°43′N—43°26′N，东西端直线距离最宽约550 km，南北端直线距离约550 km.地势北高南低，山地丘陵分列东西.辽宁省西部低山丘陵、东部低山地区植被以林地为主，耕地主要分布在中部和北部地区，草地主要集中在西南部地区.辽宁省林地面积约6.12万km2，耕地面积约6.18万km2，草地面积约0.47万km2，城建用地面积约1.21万km2，水域面积约0.53万km2，未利用地面积约0.16 万km2.辽宁省属于温带大陆性季风气候区，四季分明，冬冷夏暖，夏季降水占全年60%以上.

根据地形特点和气候特征不同，将辽宁省划分为5个气候区：辽西地区，包括锦州市、葫芦岛市、阜新市和朝阳市；辽北地区，包括铁岭市、沈阳北部；辽东地区，包括抚顺市、本溪市、丹东市、鞍山南部；辽南地区，包括大连市、营口市；辽宁中部，包括沈阳南部、盘锦市、鞍山北部、辽阳市.气候区分布见图1.

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源及预处理

2.1.1 遥感数据

文中遥感影像数据来自NASA网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov).采用MODIS植被指数产品MOD13A2数据，其时间分辨率16 d，空间分辨率1 km×1 km.下载的MOD13A2为16 d合成植被指数数据，时间序列为2000—2016年.

2.1.2 气象数据

文中的气象数据来源于国家气象科学数据中心(http://www.cma.gov.cn/ 2011qxfw/2011 qsjgx).选用辽宁省清原站、本溪站、章党站、桓仁站、岫岩站、宽甸站、丹东站、彰武站、阜新站、朝阳站、叶柏寿站、黑山站、锦州站、绥中站、兴城站、营口站、熊岳站、瓦房店站、长海站、庄河站、大连站、开原站、新民站、鞍山站、沈阳站共25个基准气象站点2000—2016年的月降水量相关资料.

2.1.3 数据处理

将下载的遥感影像数据通过ENVI5.3图像处理软件的数据转换工具(MCT)、数据镶嵌、投影坐标系转换、波段运算、裁剪等预处理，使用Arcgis10.2进行空间分析，并利用最大值合成法消除部分干扰和影响后获取NDVI数据集[7].

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法(MVC)

常用NDVI数据合成方法有累加处理、平均值处理和最大值处理.选用最大值合成法，它是对一个有若干期观测值的特定像素，选择具有最大NDVI值的观测值作为反射值，通过云检测、质量控制等步骤后，逐个像元比较NDVI图像，并选取最大NDVI值为合成后的NDVI值.该方法可进一步消除大气中来自云、气溶胶、云阴影、视角及太阳高度角的影响[8].

NDVImi=Max(NDVIij)，

(1)

式中：NDVImi为第i个16 d周期的NDVI最大合成值；NDVIij为第i个16 d周期内第j天的NDVI值.

2.2.2 年平均累积法

为了分析辽宁省各地区的年际之间NDVI的变化分布情况，采用年平均累积法[9].

(2)

3 结果与分析

3.1 NDVI的空间变化

辽宁省NDVI空间分布如图2所示.由图可知，辽宁省NDVI的空间分布区域性较为明显，大体上呈现出辽宁东部最高、中部和南部次之、北部较低、西部最低的特点.说明东部地区的植被覆盖率最高，中部和南部次之，西部和北部植被覆盖率最低.在研究区的东部，抚顺市、本溪市、鞍山市南部、丹东市等组成的区域NDVI值为0.44～0.76；沈阳南部、盘锦市、鞍山北部、辽阳市等组成的中部区域NDVI值为0.45～0.68；大连市、营口市组成的南部区域NDVI值为0.42～0.62；沈阳北部、铁岭市组成的北部区域NDVI值为0.35～0.54；锦州市、葫芦岛市、阜新市和朝阳市组成的西部区域NDVI值为0.22～0.51.

图2 辽宁省NDVI空间分布图

3.2 NDVI的时间变化

3.2.1NDVI的年际变化

辽宁省2000—2016年年际归一化植被指数和平均降水量变化趋势如图3，4所示，其中P为年均降水量.

图3 辽宁省2000—2016年年际NDVI变化趋势

由图3可知，年均NDVI值的年际变化总体上呈现波动上升的趋势，植被覆盖度呈增加的状态，说明研究区植被条件存在改善的趋势.辽宁省各地区2000年的年均NDVI值最小，说明辽宁省2000年植被覆盖度低.并且辽宁省各地区2000年的年均降水量也最少，遭受了不同程度的干旱.这与曹永强等[10]分析的1958—2008年辽宁省气象干旱特征的研究结论一致，即近50 a中2000年辽宁省发生了历史特大干旱.辽宁省各地区2014年年均NDVI值和平均降水量大幅度减小，说明2014年辽宁省也遭受了不同程度的干旱.这与刘晓静等[11]分析的近50 a辽宁省干旱时空演变规律中2014年辽宁省遭遇了夏旱和秋旱的结论基本一致.辽宁省各地区年均NDVI值与平均降水量变化趋势基本一致，且2008年的年均NDVI值和平均降水量均达到最大值，表明辽宁省植被指数变化在一定程度上受降水量影响较大，这与蒋娇娇等[12]研究的近10 a辽宁省春季植被覆盖变化的结论基本一致.

3.2.2NDVI的年内变化

2000—2016年5—9月NDVI年内的变化趋势如图5所示.由图可以看出，NDVI值年内存在季节变化，且呈现单峰型.其中，NDVI最大值基本上发生在7月，而6月和8月的NDVI值较7月偏小，9月的NDVI值比8月还低，但总体上比5月的NDVI值大，而辽宁省各地区5月的NDVI值是5—9月中最小的，这也说明辽宁省5月干旱发生频率较高.辽宁省5月至6月的NDVI值是大幅度增加的，6月至7月的NDVI值增加幅度有所降低，7月至8月的NDVI值开始缓慢下降，8月至9月的NDVI值下降幅度明显加大，即春季植物开始生长NDVI值缓慢上升，夏季NDVI值基本上达到峰值，秋季农作物的收割和自然植被变化导致NDVI值缓慢的下降.5—9月辽宁省东部一直保持较高的NDVI值，中部自2002年以后一直保持较高的NDVI值，辽宁南部和北部NDVI相对较小，而辽宁西部一直保持最低的NDVI水平.分析5—9月NDVI年内的变化趋势，发现辽宁东部NDVI值变化率较小，这主要由辽宁东部地区植被以林地为主，自然植被覆盖率高导致的；辽宁中部地区为主要粮食产区，受农业种植的影响NDVI在植物生长季的变化率较同时期省内其他地区大.这与问青春等[13]分析的辽宁省植被覆盖特征规律一致.

图5 2000—2016年5—9月NDVI年内的变化趋势

3.3 NDVI与降水量的关系

为了探究NDVI与降水量的关系，选取典型水文年2000年和2014年进行分析.选取2000年和2014年作为样本年，并分别绘出2000年和2014年辽宁省各地区的NDVI值和本月(同期)降水量的关系趋势图，如图6所示.随着降水量的增加，NDVI值随之增加；随着降水量的减少，NDVI值也随之减小，说明降水量在一定程度上影响了植被覆盖度，且NDVI与降水量两者之间呈线性回归关系.其中辽宁东部和中部地区NDVI值和本月(同期)降水量相关性最好，南部、西部和北部相关性较弱.

图6 NDVI与降水量的关系趋势图

通过2000年和2014年辽宁省各地区的NDVI值和滞后1个月降水量的关系发现，与辽宁省各地区的NDVI值和本月(同期)降水量的关系趋势图做对比，NDVI值和滞后1个月降水量的相关系数大于NDVI值和本月(同期)降水量的相关系数，表明NDVI与滞后1个月降水量的相关性高于NDVI与本月(同期)降水量的相关性.说明降水通过土壤渗透、植物根系吸收反映到NDVI上的过程比较缓慢，NDVI与降水量两者之间存在一定的滞后性.这一滞后性，使降水对陆地地表植被的有效时间尺度分布不均匀，在全球变化背景下研究地表植被覆盖与降水的相互关系及时滞响应就显得格外重要，且已逐渐成为热点和重点研究内容.

4 结 论

1) 辽宁省NDVI的空间分布区域性较为明显，大体上呈现出辽宁东部最高、中部和南部次之、北部较低、西部最低的特点.

2) 2000—2016年年均归一化植被指数总体上呈现波动上升的趋势，植被覆盖度呈增加的状态，在2000年和2014年辽宁地区发生了不同程度的干旱.

3) 2000—2016年5—9月NDVI值年内存在季节变化，且呈现单峰型.NDVI最大值基本上发生在7月，而辽宁省各地区5月的NDVI值是5—9月中的最低的.春季植物开始生长，NDVI值缓慢上升，夏季NDVI值基本上达到峰值，秋季农作物的收割和自然植被变化导致NDVI值缓慢下降.

4) 随着降水量的增加，NDVI值随之增加；随着降水量的减少，NDVI值也随之减小，说明降水量在一定程度上影响了植被覆盖度，且NDVI与降水量之间呈线性回归关系.NDVI与滞后1个月降水量的相关性高于NDVI与本月(同期)降水量的相关性，这说明降水经农作物根系吸收后需要经过一段时间才能反映到NDVI上，这一缓慢的过程说明NDVI与降水量两者之间存在一定的滞后性.