海流兔河流域植被生長季的覆蓋度與氣候因子關(guān)系研究

雷 磊,王雙明,黃金廷,潘桂行

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/教育部旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心,陜西 西安 710054;2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西 西安 710065;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054)

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·環(huán)境科學(xué)·

海流兔河流域植被生長季的覆蓋度與氣候因子關(guān)系研究

雷 磊1,王雙明2,黃金廷3,潘桂行1

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/教育部旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心,陜西 西安 710054;2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西 西安 710065;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054)

利用兩種時(shí)間尺度對(duì)流域內(nèi)的NDVI與降水量、相對(duì)濕度和平均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，對(duì)可能影響海流兔河流域植被覆蓋度的氣候因子與流域內(nèi)的多年NDVI進(jìn)行對(duì)比分析,確定主要影響因子和次要影響因子與影響機(jī)制。研究結(jié)果直觀地反映出海流兔河流域的植被覆蓋分布狀況,從年際變化和年內(nèi)變化兩個(gè)尺度分析了2004—2013這10年間的NDVI與降水、濕度、溫度3個(gè)氣候因子之間的響應(yīng)機(jī)制。結(jié)論認(rèn)為降水量在兩種時(shí)間尺度下都對(duì)NDVI的變化影響顯著,是植被覆蓋度最為重要的影響因子;其次是相對(duì)濕度;平均溫度對(duì)年際NDVI的變化幾乎沒有影響,對(duì)年內(nèi)NDVI的變化有一定的影響,但對(duì)年內(nèi)NDVI的變化響應(yīng)有近一個(gè)月的滯后性。

植被覆蓋度;降水量;平均溫度;相對(duì)濕度;NDVI

鄂爾多斯盆地作為礦產(chǎn)資源富集區(qū),同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境非常脆弱的地區(qū),氣候因素是影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化的主要因素之一。植被的生長狀況是衡量該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。植被覆蓋度是植被群落覆蓋地表的一個(gè)綜合量化指標(biāo)[1]。由于遙感數(shù)據(jù)具有信息量大、多時(shí)相性等特點(diǎn),可以有效記錄植被多年的變化狀況[2],所以近些年來在植被遙感中,歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)的應(yīng)用最為廣泛,NDVI的值為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值。即NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) 取值在[-1,1]范圍內(nèi),它與植被覆蓋度有著很好的線性關(guān)系[3],常用來定性和定量評(píng)價(jià)植被覆蓋、生長活力及生物量[4],其值越大說明該地區(qū)植被覆蓋度越好,反之其值越小說明植被覆蓋度越差,所以利用NDVI研究植被覆蓋對(duì)同期氣候要素變化的響應(yīng)在近些年來得到了廣泛的應(yīng)用[5]。本文采用2004—2013年的NDVI數(shù)據(jù),通過分析每年生長期內(nèi)NDVI與降水量、相對(duì)濕度、平均溫度這些氣候因子的相關(guān)性,探討鄂爾多斯盆地海流兔河流域植被生長對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

海流兔河流域地處陜北黃土高原與毛烏素沙漠之過渡地帶,地形以灘地和沙地為主。地勢(shì)北高南低,具有東西高、中間低的特點(diǎn)[6]。海流兔河為流域內(nèi)主要河流,是無定河的支流,隸屬于黃河水系。流域地處鄂爾多斯盆地毛烏素沙漠的東南部邊緣,位于38°00′～39°00′N,108°30′～109°20′E之間,北起烏審旗的巴彥柴達(dá)木鄉(xiāng)，南到陜西省榆林市紅石橋鄉(xiāng)韓家峁村;西起烏審旗的查汗敖包，東至榆林大海則三隊(duì),地跨內(nèi)蒙古和陜西兩省區(qū)，總面積2 600 km2[7]。

海流兔河流域地處西北內(nèi)陸地區(qū)，是典型的西北半干旱地區(qū),屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,為季節(jié)性降雨,春冬兩季降水量稀少,降雨主要集中于夏季,占全年降水量的60%～75%,尤以8月為多。區(qū)內(nèi)年降水量250～440 mm,降水年際和年內(nèi)變化很大,多雨年為少雨年的2～4倍,多年平均蒸發(fā)量約為2 000 mm,具有降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、溫差大等特點(diǎn),是典型的干旱、半干旱氣候環(huán)境[7]。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文采用NASA提供的中分辨率成像光譜儀MODIS13Q1級(jí)產(chǎn)品遙感影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品(該數(shù)據(jù)來自于http://ladsweb.nascom.nasa.gov/),為柵格化的NDVI數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF。該數(shù)據(jù)已對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行了一定的數(shù)據(jù)修正,時(shí)間分辨率16 d,空間分辨率250 m的影像。從影像中截取出本研究區(qū)的范圍,時(shí)間為2004—2013年，每一年植被生長季4月6日～10月31日，每16天一幅圖像的數(shù)據(jù),每一年14幅圖像。利用ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換、裁剪等處理。氣象資料大部分是由當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁?還有一些是由位于流域中部補(bǔ)浪河鄉(xiāng)的“鄂爾多斯盆地水與生態(tài)關(guān)系研究”科研項(xiàng)目試驗(yàn)站自行采集。

選取的氣象要素包括降水量、相對(duì)濕度、平均溫度,為了對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),首先計(jì)算出2004—2013年每一年的NDVI最大值,用于分析覆蓋度的年度變化以及和選取的氣象要素之間的相關(guān)性研究。由于NDVI數(shù)據(jù)的提取建立在氣候要素對(duì)植被前期生長作用的基礎(chǔ)之上,具有累積性特點(diǎn),雖然降水在出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)對(duì)植被生長作用的線性關(guān)系會(huì)降低,具有一定的獨(dú)立性,但植被生長期內(nèi)的降水、溫度對(duì)NDVI值的累積作用效果還是具有顯著的相關(guān)性[8],尤其是針對(duì)處于半干旱生態(tài)脆弱區(qū)的海流兔河流域,研究植被生長期內(nèi)的NDVI和相對(duì)應(yīng)時(shí)期的降水量、相對(duì)濕度和平均溫度可能更具有現(xiàn)實(shí)意義[5]。

3 分析結(jié)果

3.1 流域內(nèi)植被覆蓋度的空間分布

歸一化植被指數(shù)(NDVI) 是目前常用的評(píng)價(jià)植被生長好壞的指標(biāo),NDVI值越高說明植被生長的越好,NDVI值越低說明植被生長的越差[6-9]。因此，采用海流兔河流域最近5年的年NDVI最大值的平均值來表示流域內(nèi)近期植被覆蓋度的平均分布狀況[10](見圖1)。

圖1 年最大NDVI的平均值分布Fig.1 The distribution of annual max-meanvalue of NDVI

從圖中NDVI值的分布狀況可以看出流域的東北部、西南部以及東部為起伏較大的沙丘地貌,這里的NDVI值比較低;流域的中部向西北方向延伸為起伏較小的沙丘和草地交錯(cuò)的地貌,這里的NDVI值相對(duì)要大一些;NDVI值最大的地方出現(xiàn)在海流兔河及其一級(jí)支流補(bǔ)浪河的河谷地帶,受人類活動(dòng)影響較大,為該流域的主要耕地區(qū),其NDVI值達(dá)到了0.6以上。

3.2 NDVI與氣象要素在植被生長期內(nèi)的年際相關(guān)性分析

植被覆蓋度主要是由于氣候的波動(dòng)和人類的活動(dòng)所引起的[10-12]。海流兔河流域處于西北半干旱區(qū),降水量的多少對(duì)植被生長有著較大的影響,所以本文要對(duì)NDVI與降水量的相關(guān)性進(jìn)行分析。為了分析海流兔河流域內(nèi)降水量對(duì)NDVI的影響,需要分別計(jì)算流域內(nèi)2004—2013年各時(shí)間段與當(dāng)年植被生長期內(nèi)的平均NDVI值的相關(guān)系數(shù),包括:前一年降水量，當(dāng)年降水量，前一年5月～當(dāng)年4月的降水量, 前一年6月～當(dāng)年5月

的降水量,前一年7月～當(dāng)年6月的降水量,前一年8月～當(dāng)年7月的降水量,前一年9月～當(dāng)年8月的降水量。 由表1可以看出前一年8月～當(dāng)年7月的降水量與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI相關(guān)系數(shù)最大,相關(guān)性最好,所以以前一年8月～當(dāng)年7月的降水量代表當(dāng)年的降水量來進(jìn)行分析。

流域生長期內(nèi)年平均NDVI值能夠反映出該年的植被生長季的植被覆蓋度,所以通過計(jì)算得到植被生長期內(nèi)的2004—2013年這10年的年平均NDVI值,用來分析流域內(nèi)植被覆蓋度的年際變化。圖2為2004—2013年流域內(nèi)降水量與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI比較,可以看出這10年間NDVI值在0.2～0.27之間變化,總體處于上升趨勢(shì);2006年的降水量最少,NDVI值也最小,2012、2013年的降水量相對(duì)較多,NDVI值也相對(duì)較大,NDVI與降水量相關(guān)性非常好,其值隨降水量的變化而變化。圖3為2004—2013年流域內(nèi)年平均相對(duì)濕度與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI值的比較,可以看出流域內(nèi)年平均相對(duì)濕度和當(dāng)年生長期內(nèi)的平均NDVI值的相關(guān)性較好。圖4為2004—2013年流域內(nèi)年平均溫度與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI值的比較,由圖中可以看出10年間的年平均溫度最高為17.5℃，最低為16.3℃,年均溫度變化不大,對(duì)NDVI的影響有限,所以與NDVI的相關(guān)性比較差。

從圖中年際NDVI的趨勢(shì)來看, 2004—2013年這10年中植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)增長的趨勢(shì),反映出該地區(qū)生態(tài)環(huán)境在逐年改善,通過對(duì)比可以看出在對(duì)植被覆蓋度的年際相關(guān)性分析中,年降水量對(duì)NDVI的影響是最大的,其值隨降水量的變化而變化,相關(guān)性很高;其次相對(duì)濕度對(duì)NDVI的影響也較明顯,具有一定的相關(guān)性;平均溫度年際變化差異不大,對(duì)NDVI幾乎沒有影響,不具有相關(guān)性。這說明降水是對(duì)植被覆蓋度影響最為重要的氣象因子。

表1 各時(shí)間段NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation index between vegetation and NDVI in all time inerval

圖2 2004—2013年降水量與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI比較Fig.2 The comparison between precipitation and the average NDVI in the annual growing season

圖3 2004—2013年平均相對(duì)濕度與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI比較Fig.3 The comparison between relative humidity and the average NDVI in the annual growing season

圖4 2004—2013年平均氣溫與當(dāng)年生長期內(nèi)平均NDVI比較Fig.4 The comparison between average temperature and the average NDVI in the annual growing season

3.3 NDVI與氣象要素在植被生長期的年內(nèi)相關(guān)性分析

由于海流兔河流域的植被生長季大致為每年的4月初到10月底,而所采用的影像資料是16天合成的modis數(shù)據(jù),所以在生長期內(nèi)選取的影像資料為每年的第97d開始一直到當(dāng)年的第305d結(jié)束的共14幅影像。每幅影像都以每16d的第一天命名,分別為97、113、129、145、161、177、193、209、225、241、257、273、289、305這14幅影像。通過計(jì)算得到2004—2013年所對(duì)應(yīng)的每幅影像的NDVI的10年平均值,用來反應(yīng)年內(nèi)植被生長期NDVI的變化趨勢(shì)。

分別計(jì)算生長期內(nèi)每幅影像所對(duì)應(yīng)時(shí)間段的10年間的平均降水量、平均相對(duì)濕度和平均溫度并與對(duì)應(yīng)時(shí)間段NDVI的10年平均值進(jìn)行年內(nèi)植被生長期的相關(guān)性分析。由圖5、圖6可以看出，植被覆蓋度在生長季的變化是非常明顯的,最大值出現(xiàn)在了225這幅影像所對(duì)應(yīng)的位置,在一年中所對(duì)應(yīng)的月份為8月,說明每年的8月為流域內(nèi)植被生長最旺盛的時(shí)間段。在這兩幅圖中NDVI趨勢(shì)與柱狀圖的趨勢(shì)比較吻合,都是由低到高再到低, 并且在225這幅影像所對(duì)應(yīng)的位置降水量和相對(duì)濕度也都出現(xiàn)了最大值,說明在植被生長期年內(nèi)的NDVI與降水量和相對(duì)濕度相關(guān)性很高。由圖7 可以看出，NDVI與平均溫度的趨勢(shì)比較吻合,也都是先升高再降低,但是溫度的最大值出現(xiàn)在了7月份, 溫度最高的時(shí)候NDVI值并沒有達(dá)到最大,說明溫度對(duì)NDVI的影響有一定的滯后性。

圖5 年內(nèi)植被生長期降水量與NDVI比較Fig.5 The comparison between the precipitation of inter-annual vegetation growing season and NDVI

圖6 年內(nèi)植被生長期相對(duì)濕度與NDVI比較Fig.6 The comparison between the relatibe humidity of inter-annual vegetation growing season and NDVI

圖7 年內(nèi)植被生長期平均溫度與NDVI比較Fig.7 The comparison between the average temperature of inter-annual vegetation growing season and NDVI

4 結(jié) 論

1)通過年最大NDVI的平均值分布圖，能夠反映出海流兔河流域內(nèi)植被覆蓋度較好的區(qū)域主要集中在海流兔河及其支流補(bǔ)浪河的河谷地帶,受人類活動(dòng)影響較大。在整個(gè)流域范圍內(nèi)NDVI的值還是相對(duì)比較低的,說明該地區(qū)生態(tài)環(huán)境還是相當(dāng)脆弱的,植被的生長主要依賴該地區(qū)的氣候條件。從2004—2013年NDVI的總體變化趨勢(shì)可以看出,該地區(qū)植被覆蓋度隨降水量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境正在向好的方向改善。

2)從年際和年內(nèi)兩個(gè)不同的尺度對(duì)海流兔河流域植被覆蓋度與降水量、相對(duì)濕度兩個(gè)氣象因子進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)尺度下降水量與NDVI值的相關(guān)性最好,趨勢(shì)吻合度最高,說明降水對(duì)NDVI具有主要作用,是最主要的影響因子,相對(duì)濕度次之。

3)在年際對(duì)比中由于年平均溫度的變化較小,可以忽略不計(jì),所以對(duì)植被覆蓋度的年際變化幾乎沒有影響。在年內(nèi)的對(duì)比中可以看出NDVI值和同時(shí)間段的平均溫度在植被生長期內(nèi)都是先升后降,只是最大值要偏離一個(gè)月左右,說明在年內(nèi)的同時(shí)間段的平均溫度對(duì)NDVI有一定影響,但具有滯后性。

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(編 輯姚 遠(yuǎn))

The relationship between the vegetation coverage of growing season and climate factors of Hai Liutu River basin

LEI Lei1, WANG Shuang-ming2， HUANG Jin-ting3， PAN Gui-xing1

(1.College of Environmental Science and Engineering/Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecology in Arid Areas, Ministry of Education/Engineering Research Center for Groundwater and Eco-Environment of Shaanxi Province, Chang′an University, Xi′an 710054, China; 2. Shaanxi Geological Survey, Xi′an 710065, China; 3.Xi′an Center of Geological Survey of China Geological Survey Xi′an 710054, China)

To make a contrastive analysis on the climate factors which possibly effect the vegetation coverage of Hai Liutu River basin and perennial NDVI of the basin, and then determine the main influence factors and minor influence factors and the way they work. Two scales are used to make a correlation analysis between NDVI and precipitation relative humidity and average temperature, intuitively reflecting the totally distribution status of vegetation in Hai Liutu river basin and analyzing the response mechanism between NDVI and precipitation, humidity and temperature during the period of 2004—2013 in the time scales of intra-annual variation and inter-annual variation.The precipitation makes appreciable impact to NDVI in both the two time scales which is the most important influence factor to vegetation coverage; and then the relative humidity; the average temperature has little impact to the intra-annual NDVI, and has some impacts to the inter-annual NDVI, but its response to the inter-annual NDVI is one-month later.

vegetation coverage; precipitation; average temperature; relative humidity; NDVI

2014-05-10

國土資源部公益行業(yè)科研基金資助項(xiàng)目(201311076)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(41301618)

雷磊，男，陜西西安人，長安大學(xué)博士生，從事地下水開采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響的研究。

X143

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-029