陰山北麓植被年總ndvi時空變化及其影響因素

陰山北麓植被年總ndvi時空變化及其影響因素

0陰山東北部陰山陰山北沿邊界區(qū)植被生長狀況變化植被是地球上最重要的覆蓋物種之一，其生長形態(tài)對環(huán)境變化具有明顯的指示作用。因此，植被生長及其變化的監(jiān)測通常用于研究區(qū)域氣候變化和生態(tài)環(huán)境變化。陰山北緣位于中國北方漁業(yè)區(qū)的中部。這是一個生態(tài)環(huán)境相對脆弱且對環(huán)境變化敏感的地區(qū)。在這項(xiàng)工作中，我們以陰山的植被為出發(fā)點(diǎn)，分析了植被生長的變化，研究了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化，為進(jìn)一步研究中國北方生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。還。遙感數(shù)據(jù)以其宏觀、快速、廉價以及良好的時空連續(xù)性等特點(diǎn)成為了植被監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)源.其中利用綠色植被在可見光和近紅外波段的不同反射特性構(gòu)建的歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠客觀地反映植被的生物量、植被覆蓋等信息,是表達(dá)地表植被覆蓋特征的重要指標(biāo),已被廣泛運(yùn)用于植被生長狀況及其變化監(jiān)測和覆蓋分類等研究.本研究亦以NOAA/AVHRRNDVI數(shù)據(jù)集作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),監(jiān)測陰山北麓地區(qū)1981—2003年間植被生長狀況及其變異的時空特征,以此研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化,并探討以降水為主的自然氣候因素以及以土地利用類型為代表的人為因素對區(qū)域植被生長狀況及其年際變化的影響.1陰山山地氣候特點(diǎn)陰山北麓橫貫內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,屬陰山山地向蒙古高原過渡帶,是典型的農(nóng)牧業(yè)交錯地區(qū).所選研究區(qū)的地理位置在40°42′～43°54′N,107°30′～113°42′E之間,行政單元包括二連浩特、蘇尼特左旗、四子王旗、鑲黃旗、達(dá)茂旗、烏拉特后旗、化德、商都、察右后旗、察右中旗、固陽、武川、臨河、五原、烏拉特中旗等共15個旗縣.該地區(qū)屬中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候.多年平均降雨量為200～400mm,由東向西呈遞減趨勢,蒸發(fā)量達(dá)2000～2500mm,全年降水量的60%～70%集中在7—9月份,且多以暴雨形式出現(xiàn),降水年變率大.原生植被主要是典型草原和荒漠草原,南部地區(qū)大部以旱作農(nóng)業(yè)為主,農(nóng)作物以春小麥、莜麥、馬鈴薯等為主.2數(shù)據(jù)和研究方法本文采用的遙感數(shù)據(jù)為8kmNASA/GIMMS半月合成的NDVI數(shù)據(jù)集,時間為1981—2003年,該數(shù)據(jù)集由美國NASAGodard空間飛行中心制作,采用最大值合成法(maximumvaluecomposite,MVC)合成半月植被指數(shù),考慮了輻射校正、交叉定標(biāo)、衛(wèi)星漂移校正等.氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心,中國氣象局地面氣象觀測網(wǎng)站在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)的基本站、基準(zhǔn)站共13個.收集這些站點(diǎn)1981—2003年以來的逐月降水量數(shù)據(jù).氣象站點(diǎn)的基本信息如表1所示.其他輔助地理數(shù)據(jù)有1∶400萬土地利用類型圖.根據(jù)本研究需要,土地利用類型分類主要采用一級類,但在耕地類型中細(xì)化到二級類,共獲得包括灌溉地、旱地、草地、水域和未利用地在內(nèi)的5個土地利用類型.其分布如圖1所示.3研究區(qū)植被生長狀況的時間序列分析我國北方地區(qū)多晴空天氣,半月MVC合成的NDVI數(shù)據(jù)已經(jīng)基本能夠去除云的影響,因此本研究直接用1個月的上、下2個半月的NDVI數(shù)據(jù)取平均數(shù)得到該月NDVI值.根據(jù)已有的研究結(jié)論,植被生長季內(nèi)NDVI的累積值與植被NPP高度相關(guān),考慮到當(dāng)?shù)刂脖簧L季主要集中在5—10月,因此將各年5—10月的月NDVI值累加得到該年總NDVI值,作為植被生產(chǎn)力大小的指標(biāo)用于表征植被在該年的生長狀況.計算研究區(qū)所有像元年總NDVI的平均值作為該年研究區(qū)整體的植被生產(chǎn)力.對研究區(qū)1981—2003年各年間的年總NDVI進(jìn)行時間序列分析,獲取20年來研究區(qū)整體植被變化的情況.計算研究區(qū)各個像元多年平均總NDVI值,分析近20年來平均年總NDVI的空間分布特征.為探討植被生長活動與區(qū)域自然條件的相互關(guān)系,整理研究區(qū)內(nèi)13個氣象站點(diǎn)逐月降水量資料,累加得到年降水量,取13個氣象站點(diǎn)年降水量的平均值作為研究區(qū)年降水量,形成研究區(qū)近20年來年降水量序列,進(jìn)行時間序列分析,獲得1981—2003年來研究區(qū)的降水量變化過程.對植被年總NDVI值和年降水量進(jìn)行相關(guān)分析,以此研究自然氣候因素對植被生長的影響作用.評價樣本所在總體的屬性,除分析樣本中觀測值的大小外,通常還應(yīng)該評價樣本的變異程度.因?yàn)闃颖咀儺惓潭确从沉丝傮w的穩(wěn)定性和未來發(fā)展的不確定程度,是全面反映總體屬性的有效方法.統(tǒng)計學(xué)中常用變異系數(shù)(correlationofvariance)來度量資料的變異特征.變異系數(shù)是以資料的算術(shù)平均數(shù)為基準(zhǔn),將標(biāo)準(zhǔn)差除以算術(shù)平均數(shù)得到:CV=sxˉ,(1)CV=sxˉ,(1)其中,cV為樣本的變異系數(shù),s為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差,xˉxˉ為樣本的平均值.本文計算了1981—2003年間研究區(qū)整體年總NDVI的變異系數(shù),分析研究區(qū)近20年來植被生長狀況的變異特征;同時計算各個像元年總NDVI的變異系數(shù),用于分析研究區(qū)變異系數(shù)的空間分布特征.利用研究區(qū)1∶400萬土地利用類型圖,計算每個像元內(nèi)不同土地利用類型圖斑的面積,將占像元面積比例最大的土地利用類型作為該像元的土地利用類型.提取草地、灌溉地、旱地三類土地利用類型區(qū),根據(jù)已得到的各像元的變異系數(shù),統(tǒng)計不同土地利用類型像元的平均變異系數(shù),分析不同土地利用類型對植被生長狀況的影響.4結(jié)果4.1研究區(qū)域內(nèi)植被生產(chǎn)力的時空變化特征4.1.1研究區(qū)年降水量對植被生長的影響從圖2可見,研究區(qū)整體的年總NDVI在1981—2003年的20年間,在1.0～1.4之間波動,且幅度較小,極差僅0.36,多年平均值為1.19.從年總NDVI的5年滑動平均曲線來看,研究區(qū)植被總體生產(chǎn)力存在小幅度的增長趨勢,以1994年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),其后的5年滑動平均值均在多年平均值以上.這說明研究區(qū)的植被生長狀況在近20年來比較穩(wěn)定,整體上有所改善.有研究表明,我國北方干旱、半干旱地區(qū),植被生長主要受區(qū)域水分條件的影響.本研究區(qū)地處我國北方農(nóng)牧交錯帶中部,為探討其植被生長狀況隨區(qū)域氣候變化的演變規(guī)律,本文研究了研究區(qū)近20年來的年降水量隨時間變化的規(guī)律,并分析了在此規(guī)律影響下植被的變化情況,以及兩者的耦合關(guān)系.得到圖3所示的區(qū)域年降水量時間序列圖,圖4所示的植被生長狀況與降水量的散點(diǎn)圖.從圖3中看到,研究區(qū)在1981—2003年間,年降水量介于150～350mm之間,其時間序列趨勢線顯示了區(qū)域年降水量存在增大趨勢,增長率約為平均19.3mm/10a.從圖4可見,研究區(qū)年降水量與植被年總NDVI之間存在很高的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.7,通過0.01的顯著性檢驗(yàn).表明隨著年降水量的增加,研究區(qū)年總NDVI也在增大,與圖2所示的增長趨勢一致.其次,年降水量對年總NDVI線性擬合的方差解釋量達(dá)到50%左右(R2=0.4876),表明20年來年總NDVI上下波動產(chǎn)生的方差有近一半是因?yàn)閰^(qū)域降水的波動造成的.以上2點(diǎn)充分說明了區(qū)域年降水量是影響陰山北麓地區(qū)植被整體生長狀況的主要因素,降水量的豐缺直接關(guān)系到植被的年際生產(chǎn)能力.因此,在近20年來研究區(qū)降水條件趨于增加的大背景下,區(qū)域整體的植被生長狀況也有所改善.4.1.2陰山東北部陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山陰山植物生長狀況植被生產(chǎn)力的空間分布能夠影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,因此植被生產(chǎn)力的空間分布與其大小一樣,也是區(qū)域植被狀態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容.本文進(jìn)行了區(qū)域植被生產(chǎn)力空間分布研究,得到圖5所示的空間分布圖.由圖5可見,在1981—2003年間,陰山北麓地區(qū)平均年總NDVI的分布有明顯的空間差異,從南向北,平均年總NDVI由大到小,逐漸變小,呈4層次階梯分布.總體而言,陰山北麓南部邊緣,如臨河、五原、烏拉特前旗西部以及化德、商都等旗縣的平均年總NDVI最大,達(dá)1.82～2.78之間,表明這些區(qū)域是陰山北麓地區(qū)植被生長活動最旺盛、年生產(chǎn)力最大的區(qū)域.以此往北,在鑲黃旗和商都、察右后旗、察右中旗、武川等旗縣的北部年總NDVI的大小次之,介于1.38～1.81之間.再往北,陰山北麓中部,即蘇尼特右旗、四子王旗和達(dá)爾罕茂名聯(lián)合旗的南部,平均年總NDVI介于0.98～1.37之間.研究區(qū)北部邊緣,即烏拉特中旗以及達(dá)爾罕茂名聯(lián)合旗、四子王旗和蘇尼特右旗的北部形成的條帶狀邊緣平均年總NDVI最小,在1.00以下,該區(qū)域植被生長活動最弱,植被年生產(chǎn)力最小.平均年總NDVI南北差距最大處可達(dá)2.40左右.將圖5所示的平均年總NDVI分布型與圖1所示的陰山北麓地區(qū)土地利用分布型相對照發(fā)現(xiàn):植被年際生產(chǎn)力指標(biāo)平均年總NDVI的空間分布與區(qū)域土地利用類型的分布有一定的聯(lián)系:總體來看,平均年總NDVI的高值區(qū)出現(xiàn)在南部農(nóng)業(yè)區(qū),包括大部分灌溉地和部分旱地,如臨河、五原等旗縣.而往北去,土地利用類型從灌溉地、旱地向不同覆蓋度草地以及沙地、戈壁等未利用地過渡,平均年總NDVI也隨之呈依次遞減變化趨勢.上述研究結(jié)果表明:研究區(qū)植被生長狀態(tài)的時空變化規(guī)律為:近20年來,雖然研究區(qū)平均年總NDVI有增加的趨勢,整體植被生長狀況有所改善,但植被生長的區(qū)域差異明顯,南部邊緣小面積的農(nóng)業(yè)區(qū)平均年總NDVI較大,而占總面積約75%的廣大北部草原地區(qū),植被生產(chǎn)力平均年總NDVI卻很小,區(qū)域植被生長形勢仍不容樂觀.4.2研究區(qū)域內(nèi)植被生產(chǎn)力的可變時空特征4.2.1樣本所屬的總體變異系數(shù)常用于比較2組以上資料或同一組資料的不同觀測值之間的離散程度.變異系數(shù)越大,觀測值之間的離散程度越大,差異也就越大,樣本所屬的總體越不平均、不穩(wěn)定;反之,則表示觀測值較集中的分布于平均值附近,樣本所屬的總體較穩(wěn)定.根據(jù)式(1),用研究區(qū)年總NDVI在20年間的標(biāo)準(zhǔn)差除于20年來的平均值得到研究區(qū)植被生產(chǎn)力指標(biāo)年總NDVI的變異系數(shù),其值大小為0.08.可見全區(qū)變異系數(shù)較小,植被整體的生長狀況較均勻,植被生產(chǎn)力系統(tǒng)基本穩(wěn)定.這與圖2研究區(qū)年總NDVI時間序列圖反映的小幅度波動趨勢相一致.4.2.2植被生產(chǎn)力年際變化特征顯著,年際間變異系數(shù)的時間分布具有因子分析上的函數(shù).根據(jù)研究區(qū)1981—2003年逐年年總NDVI數(shù)據(jù),計算研究區(qū)各像元年總NDVI的變異系數(shù),得到圖6所示的研究區(qū)年總NDVI的變異系數(shù)的空間分布圖.近20年來,研究區(qū)年總NDVI變異系數(shù)的空間分布同樣具有顯著的差異.與年總NDVI的空間分布特征相似,其變異系數(shù)的空間分布也呈階梯狀分布,但與平均年總NDVI分布不同的是,從南往北,變異系數(shù)由小到大表現(xiàn)為逐漸增大趨勢,與平均年總NDVI恰好相反.在研究區(qū)南部邊緣地帶,如臨河、五原、烏拉特前旗西部、察哈爾右翼中旗、商都以及察哈爾右翼后旗等,年總NDVI的變異性較小,僅在0.06～0.12之間.以此往北,到研究區(qū)中部變異系數(shù)增大到0.13～0.15之間.變異系數(shù)的最高值區(qū)出現(xiàn)在研究區(qū)最北部邊緣,達(dá)到0.20～0.31,這些區(qū)域植被生產(chǎn)力的年際波動較大,植被生長狀況變化的隨機(jī)性明顯,進(jìn)而影響到區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性.綜上所述,研究區(qū)近20年來整體的植被生產(chǎn)力年際變異程度較小,變異系數(shù)僅0.08.但區(qū)內(nèi)不同局部,變異系數(shù)的大小差異顯著,局部地區(qū)植被年際生長狀況變異性大,不確定性明顯.對比圖5和圖6發(fā)現(xiàn),年總NDVI的空間分布與其年際變異系數(shù)的空間分布存在高度的相關(guān)性.年總NDVI由南往北從大到小的階梯狀層次與其變異系數(shù)由南往北從小到大的變化層次基本對應(yīng).通過研究區(qū)各像元平均年總NDVI與其年際間的變異系數(shù)的散點(diǎn)圖及對兩者進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果表明(如圖7所示),研究區(qū)平均年總NDVI與變異系數(shù)之間存在0.01顯著水平上的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.51.即植被生長活動旺盛,生產(chǎn)力大的平均年總NDVI高值區(qū),其變異系數(shù)同時也較小.即植被生產(chǎn)力年際間變異程度較小,區(qū)域植被生產(chǎn)較穩(wěn)定的分布在平均值附近;而植被生長活動較微弱,生產(chǎn)力低的平均年總NDVI低值區(qū),其變異系數(shù)卻較大,植被生產(chǎn)力的年際變化量大,植被的生長狀況不穩(wěn)定,植被的生產(chǎn)力大小具有顯著的不確定性.這樣,研究區(qū)北部,廣大的草地分布區(qū),植被覆蓋度低,植被年生產(chǎn)力平均年總NDVI不僅數(shù)值較小,而且年際變化激烈,逐年間草地的生產(chǎn)能力處于隨機(jī)變化的不穩(wěn)定狀態(tài),成為阻礙當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展和威脅區(qū)域生態(tài)安全的隱患.對比變異系數(shù)的空間分布(圖6)與研究區(qū)土地利用類型圖(圖1),變異系數(shù)低值區(qū)與研究區(qū)人工植被的集中分布區(qū)基本一致,即研究區(qū)南部的灌溉地和大部分旱地的農(nóng)業(yè)區(qū).而以此往北廣大草地分布的牧業(yè)區(qū),這些自然植被地區(qū)的年總NDVI的年際變異程度逐漸增大,跨越了0.16～0.19以及0.2～0.31兩個變化階.剔除水域、居民用地、戈壁和沙漠等未利用地后,統(tǒng)計草地、灌溉地和旱地等主要由植被覆蓋的土地利用類型變異系數(shù),結(jié)果為草地變異系數(shù)為0.099,旱地為0.092,灌溉地為0.072.對水澆地而言,人為的灌溉作用改變了區(qū)域的水分條件,保障了利于植被生長的穩(wěn)定環(huán)境從而使植被常年均衡發(fā)展,植被生產(chǎn)力相對集中的分布在均值周圍,所以變異系數(shù)較小.同理,旱地區(qū)域,人類通過選擇作物品種、調(diào)整作物耕種制度以及有效的田間管理措施,促使作物生長適應(yīng)區(qū)域環(huán)境,從而也能得到較穩(wěn)定的產(chǎn)量,但是水分條件仍然限制了植被的健康生長,所以旱地的變異系數(shù)較自然植被草地的小,但仍略大于灌溉地.以此往北的草地,植被生長主要受自然條件的影響,缺乏人為管理活動的干涉,區(qū)域水分短缺和干旱頻發(fā)導(dǎo)致了植被生產(chǎn)力大小年際波動大.5植被生產(chǎn)力年際變異程度本文利用NOAA/AVHRR的NDVI數(shù)據(jù)集,研究陰山北麓地區(qū)近20年來植被生長及年際變化的時空特征,并對其影響因素進(jìn)行了初步分析,以此作為進(jìn)一步研究區(qū)域環(huán)境變化的基礎(chǔ),得到以下結(jié)論:1)在1981—2003年間,陰山北麓地區(qū)年平均植被生產(chǎn)力及其年際變化的分布存在明顯的空間差異,從南向北,植被生產(chǎn)力由大到小,逐漸變小,呈4層次階梯式分布.陰山北麓南部邊緣的平均植被生產(chǎn)力最大,北部邊緣區(qū)域植被生長活動最弱,