2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)歸一化植被指數(shù)時(shí)空變化及其對(duì)氣候的響應(yīng)

曲學(xué)斌 王彥平 高紹鑫 張煦明 辛孝飛 敖孟奇

（1.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008；2.呼倫貝爾市農(nóng)牧局，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008）

引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分，參與了生態(tài)系統(tǒng)平衡、水循環(huán)和能量循環(huán)過(guò)程，是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的綜合體現(xiàn)［1］。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用遙感數(shù)據(jù)與植被生物量的關(guān)系建立起的植被長(zhǎng)勢(shì)［2］、植被覆蓋度［3］等指廣泛應(yīng)用于植被變化監(jiān)測(cè)與研究之中。其中歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）以其計(jì)算簡(jiǎn)便、對(duì)植被生物特征敏感等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用［4］。李思楠等［5］分析了孟加拉國(guó)博多河流域的植被NDVI變化，為中國(guó)“一帶一路”區(qū)域發(fā)展在生態(tài)方面建設(shè)的合作提供了重要參考。宗加權(quán)等［6］利用NDVI對(duì)中國(guó)生態(tài)狀況的分析評(píng)價(jià)表明，中國(guó)森林和草原生態(tài)系統(tǒng)整體呈向好趨勢(shì)，而荒漠、水體和濕地生態(tài)狀況變差。于靜等［7］分析了科爾沁草原NDVI變化及對(duì)氣候的響應(yīng)，表明降水是驅(qū)動(dòng)該地區(qū)植被變化的主要因素。徐佳等［8］利用NDVI分析了鄂爾多斯神東礦區(qū)植被恢復(fù)情況，證明沉陷區(qū)治理工程已幫助當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境顯著改善。

呼倫貝爾地區(qū)是中國(guó)北方重要的生態(tài)屏障之一，境內(nèi)擁有中國(guó)保存較完好、面積最大的原始森林—大興安嶺森林和世界四大天然草原之一的呼倫貝爾草原［9］。近年來(lái)呼倫貝爾開展了大興安嶺天然林保護(hù)工程、呼倫湖綜合治理工程等多項(xiàng)生態(tài)保護(hù)工程，同時(shí)也遭遇了2015—2017年、2019—2020年的連續(xù)區(qū)域性干旱［10］，生態(tài)環(huán)境敏感而脆弱。本文通過(guò)分析呼倫貝爾歷年植被NDVI變化及其受氣候影響情況，探討該區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以期為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部（115°31′～126°04′E，47°05′～53°20′N），西部、北部分別與蒙古國(guó)、俄羅斯接壤，南部與興安盟相連，東部以嫩江為界與黑龍江省為鄰，總面積為2.53×105km2。大興安嶺以東北—西南走向橫貫境內(nèi)，構(gòu)成呼倫貝爾的林區(qū)，以東為依托松嫩平原邊緣耕地的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，以西為林草過(guò)渡帶形成的農(nóng)牧綜合經(jīng)濟(jì)帶和呼倫貝爾草原［11］（圖1）。呼倫貝爾地區(qū)的年平均氣溫為-1～3℃，年平均降水量為300～500 mm，總體氣候呈現(xiàn)冬季寒冷漫長(zhǎng)、夏季溫涼短促、春季干燥風(fēng)大、秋季氣溫驟降的特點(diǎn)［12］。

圖1 呼倫貝爾地區(qū)地表覆蓋及氣象站分布Fig.1 Spatial distribution of surface cover and weather stations in Hulun Buir region

1.2 資料來(lái)源與預(yù)處理

NDVI采用美國(guó)國(guó)家航空航天局提供的2000—2020年MOD13Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為250 m，是通過(guò)最大值合成法獲得的16 d植被產(chǎn)品［13］。使用MRT軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、拼接和格式轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一采用雙線性（Bilinear）重采樣方式和蘭勃特投影（Lambert Azimuthal）方式處理，投影的中央經(jīng)緯度設(shè)置為50°N、120°E。氣象數(shù)據(jù)采用氣象部門提供的當(dāng)?shù)?6個(gè)氣象站2000—2020年5—9月生長(zhǎng)季逐月降水量和氣溫。地表覆蓋采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)，由于呼倫貝爾地區(qū)地表覆蓋主要由耕地（占13.4%）、森林（占42.1%）和草原（占41.0%）組成，因此分地表類型的分析也以此3種地表為主。

結(jié)合呼倫貝爾地區(qū)每年的植被生長(zhǎng)季，利用ArcGIS軟件對(duì)每年5月中旬至9月上旬NDVI取平均作為每年生長(zhǎng)季平均NDVI，以每年5—9月平均氣溫和累計(jì)降水量作為生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量，利用反距離權(quán)重法對(duì)每年生長(zhǎng)季平均氣溫和降水量進(jìn)行空間插值、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與制圖。利用Matlab軟件對(duì)NDVI變化趨勢(shì)、穩(wěn)定性及其與氣候的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算。

1.3 分析方法

生長(zhǎng)季平均NDVI變化趨勢(shì)分析采用Sen趨勢(shì)分析法和M-K顯著性檢驗(yàn)，Sen是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的斜率估計(jì)方法，其計(jì)算公式為

式（1）中，S為NDVI變化趨勢(shì)；median為數(shù)據(jù)序列中位數(shù)運(yùn)算符號(hào)；i，j為NDVI的年份，NDVIi和NDVIj分別表示第i，j年對(duì)應(yīng)的NDVI值。當(dāng)S＞0時(shí)，說(shuō)明NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)。由于Sen趨勢(shì)分析法無(wú)法體現(xiàn)變化趨勢(shì)的顯著程度，因此常與M-K顯著性檢驗(yàn)結(jié)合使用，其計(jì)算公式為

式（2）中，Z為M-K的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，M和Var（M）分別為

式（3）—式（4）中，N為研究期NDVI總序列數(shù)，sign為關(guān)于NDVIj-NDVIi的分段函數(shù)，其算法為

在給定的顯著性水平α下，當(dāng)｜Z｜＞Z（1-α）／2時(shí)，表明變化趨勢(shì)顯著，即當(dāng)｜Z｜值大于1.943或2.518時(shí)，分別表示通過(guò)了95%（顯著增加／減少）或99%（極顯著增加／減少）的顯著性檢驗(yàn)。李晶等［14］研究表明，Sen結(jié)合M-K的分析方法較一元線性回歸方法對(duì)植被改善和退化反映更為敏感，具有受異常值影響小、不需要數(shù)據(jù)服從某種特定分布等諸多優(yōu)勢(shì)。

生長(zhǎng)季平均NDVI變化穩(wěn)定性使用變異系數(shù)C進(jìn)行分析，其數(shù)值越大表明NDVI受干擾程度越大，越不穩(wěn)定，反之則表明植被整體穩(wěn)定，計(jì)算公式為

長(zhǎng)期依賴程度及未來(lái)趨勢(shì)研究使用R／S方法計(jì)算的Hurst指數(shù)進(jìn)行分析［15］。首先將生長(zhǎng)季平均NDVI序列分割為長(zhǎng)度為n的A個(gè)相鄰且不重疊的子序列Ma，子序列中的元素記作mk，a，因此第k個(gè)子序列的累計(jì)均值偏差Yk，a、標(biāo)準(zhǔn)差Sk，Ma和極差Rk，Ma分別為

式（7）～式（9）中，ˉXa為第k個(gè)子序列中生長(zhǎng)季平均NDVI的數(shù)學(xué)期望值，max和min分別為數(shù)據(jù)序列最大值和最小值的運(yùn)算符號(hào)。每個(gè)子序列的重新標(biāo)度極差與A個(gè)序列的平均重新標(biāo)度極差的關(guān)系為

Mandelbrot等［16］證明（R／S）n與n的關(guān)系為

式（11）中，b為線性相關(guān)的截距，H為Hurst指數(shù)。H取值范圍為0～1。若H＜0.5，表示NDVI時(shí)間序列具有反持續(xù)性；若H＝0.5，表示NDVI時(shí)間序列為互相獨(dú)立的隨機(jī)序列；若H＞0.5，表明NDVI時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)性，過(guò)程具有持續(xù)性。Hurst指數(shù)可以根據(jù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)變化趨勢(shì)，是定量表達(dá)時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法［17］。

本研究以生長(zhǎng)季平均NDVI與生長(zhǎng)季平均氣溫、降水以年為單位進(jìn)行相關(guān)性分析（IGSC），相比于生長(zhǎng)季內(nèi)的相關(guān)性分析（WGSC），該分析不受數(shù)據(jù)量多少影響，分析結(jié)論的可信度更高，相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法［18-19］，其計(jì)算公式為

式（12）中，r為NDVI與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)，并結(jié)合相關(guān)系數(shù)顯著性表，確定達(dá)到顯著（P＜0.05）和極顯著（P＜0.01）的區(qū)域，xi和ˉx分別表示第i年生長(zhǎng)季的平均氣溫、降水量和研究期內(nèi)xi的均值。

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI時(shí)空分布

呼倫貝爾地區(qū)多年生長(zhǎng)季平均NDVI為0.63，其中耕地的多年生長(zhǎng)季平均NDVI為0.59，森林平均為0.76，草原平均為0.53，見圖2a。NDVI＜0.4的區(qū)域主要位于新右旗、新左旗的典型草原和呼倫貝爾沙帶地區(qū)；0.4≤NDVI＜0.5的區(qū)域主要位于陳旗西部和鄂溫克旗西部的草甸草原區(qū)；0.5≤NDVI＜0.6的區(qū)域主要位于大興安嶺兩麓的耕地、耕地間草原和大興安嶺的林間草原區(qū)域；NDVI＞0.6的區(qū)域主要位于大興安嶺林區(qū)，其中大興安嶺東南麓由于水熱條件相對(duì)較好，NDVI普遍為0.7以上。不同地表類型的生長(zhǎng)季平均NDVI的變化如圖2b所示，均呈現(xiàn)出森林＞耕地＞草原，總體來(lái)看呼倫貝爾的NDVI在2000—2007年存在明顯波動(dòng)，2007—2014年持續(xù)增加，2015年后耕地、草原又呈現(xiàn)明顯波動(dòng)，而森林NDVI從緩慢略增逐漸轉(zhuǎn)為緩慢略降。

圖2 2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI多年平均值空間分布（a）和主要地表類型生長(zhǎng)季NDVI平均值變化（b）Fig.2 Spatial distribution of multi-year average of NDVI（a）and an annual average of NDVI for major surface types（b）in Hulun Buir region from 2000 to 2020

2.2 NDVI變化趨勢(shì)

呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的Sen變化趨勢(shì)和M-K檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，生長(zhǎng)季NDVI的平均年變化傾向率為0.028／10 a，其中耕地的平均年傾向率為0.047／10 a，森林為0.023／10 a，草原為0.030／10 a，NDVI均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。顯著性檢驗(yàn)表明，生長(zhǎng)季NDVI呈增加趨勢(shì)的面積占比達(dá)到全市總面積的91.0%，其中非顯著增加的占比最大（44.5%），主要集中在呼倫貝爾草原區(qū)，其次為極顯著增加（28.7%），主要集中在大興安嶺森林大部及嶺西耕地，而顯著增加區(qū)常位于極顯著增加和非顯著增加的邊緣過(guò)渡區(qū)。NDVI呈減少趨勢(shì)的面積占全市總面積的9.0%，其中非顯著減少的占比最大（8.5%），主要集中在陳旗中部草原、額爾古納市北部森林等地，在鄂溫克旗、新右旗、新左旗等地也有零散分布。顯著減少和極顯著減少區(qū)零散分布在海拉爾區(qū)等人口聚集區(qū)和大興安嶺森林的火燒跡地區(qū)域，面積占比較小。

圖3 2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的Sen變化趨勢(shì)（a）和M-K檢驗(yàn)（b）空間分布Fig.3 Spatial distributions of Sen change trend（a）and M-K test（b）of NDVI in Hulun Buir region from 2000 to 2020

呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的平均變異系數(shù)為0.08，其中耕地為0.09，森林為0.05，草原為0.12，參考秦格霞等［20］對(duì)中國(guó)北方草原NDVI變異系數(shù)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將呼倫貝爾地區(qū)NDVI變異系數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)的空間分布如圖4a。其中變化穩(wěn)定區(qū)（C＜0.05）占全市總面積的29.3%，主要位于大興安嶺中部森林，低波動(dòng)區(qū)（0.05≤C＜0.10）占42.8%，主要位于大興安嶺兩麓森林和耕地區(qū)，較低波動(dòng)區(qū)（0.10≤C＜0.15）占14.4%，主要位于呼倫貝爾草原東部和扎蘭屯市、阿榮旗東南部耕地，較高波動(dòng)區(qū)和高波動(dòng)區(qū)（C≥0.15）共占全市總面積的13.5%，主要位于呼倫貝爾草原西部，其中新右旗的高波動(dòng)區(qū)域面積占全旗總面積的91.8%，是呼倫貝爾地區(qū)NDVI波動(dòng)最明顯的區(qū)域。

圖4 2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的變異系數(shù)（a）和Hurst指數(shù)（b）Fig.4 Spatial distributions of coefficient of variation（a）and Hurst index（b）of NDVI in Hulun Buir region from 2000 to 2020

呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI的Hurst指數(shù)均值為0.46，即在未來(lái)一段時(shí)間NDVI的變化趨勢(shì)與2000—2020年的變化趨勢(shì)整體相反，空間分布如圖4b，其中反持續(xù)性顯著（H＜0.4）的區(qū)域占20.4%，主要位于新右旗草原區(qū)，同時(shí)在莫旗和大興安嶺森林區(qū)域東側(cè)等地也有分布，持續(xù)性顯著（H＞0.6）的區(qū)域僅占5%，主要位于鄂溫克旗中部等草原區(qū)，非顯著的反持續(xù)性和持續(xù)性的面積占比分別為46.7%和27.9%，由于2000—2020年生長(zhǎng)季NDVI主要呈增加趨勢(shì)，而未來(lái)呈反持續(xù)性即呈減少趨勢(shì)，因此在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI呈減少趨勢(shì)的可能性較大，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作較為不利。

2.3 NDVI變化對(duì)氣候的響應(yīng)

2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季年氣溫、年降水量及年平均NDVI變化見圖5a和圖5b，該地區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫為16.3℃，線性變化的傾向率為-0.10℃／10 a，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，生長(zhǎng)季平均降水量為337.8 mm，線性變化的傾向率為83.8 mm／10 a，通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。呼倫貝爾地區(qū)NDVI與氣溫的平均相關(guān)系數(shù)為0.04，其中耕地的相關(guān)系數(shù)為-0.02，森林的為0.16，草原的為-0.09，顯著和極顯著正相關(guān)的區(qū)域占20.3%，主要分布在大興安嶺中北部森林地區(qū)，顯著和極顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占11.2%，主要位于鄂溫克旗、陳旗中部、新右旗南部、新左旗南部的草原區(qū)域（圖5c）。呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與降水的平均相關(guān)系數(shù)為0.65，其中耕地的相關(guān)系數(shù)為0.20，森林的為0.03，草原的為0.26，顯著和極顯著正相關(guān)的區(qū)域占41.4%，主要分布在呼倫貝爾草原和大興安嶺兩麓的耕地區(qū)，顯著和極顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占2.4%，零星分布在大興安嶺北部森林（圖5d）。由于森林植被的抗旱能力較強(qiáng)，降水變化對(duì)其生長(zhǎng)的影響有限，而大興安嶺中北部處于寒溫帶，植被生長(zhǎng)季較短，熱量條件對(duì)該區(qū)域森林植被生長(zhǎng)的脅迫作用明顯。大興安嶺兩麓的耕地與草原常遭受干旱災(zāi)害，受降水脅迫明顯，同時(shí)由于呼倫貝爾地區(qū)雨熱同期，降水偏少常與氣溫偏高同時(shí)出現(xiàn)，因此該區(qū)域年平均NDVI與降水呈正相關(guān)的同時(shí)，與氣溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫（a）、降水（b）及NDVI變化，氣溫（c）和降水（d）與NDVI的相關(guān)性分布Fig.5 Variations of changes in temperature（a），precipitation（b）and NDVI，spatial distributions of correlations of NDVI with temperature（c）and precipitation（d）in Hulun Buir region from 2000 to 2020

3 結(jié)論與討論

（1）2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)多年生長(zhǎng)季NDVI平均為0.63，平均年變化傾向率為0.028／10 a，大部分地區(qū)的NDVI以增加趨勢(shì)為主，其中顯著和極顯著增加的區(qū)域主要分布在大興安嶺森林大部及嶺西耕地區(qū)。

（2）2000—2020年呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI平均變異系數(shù)為0.08，NDVI整體變化相對(duì)穩(wěn)定，高波動(dòng)和較高波動(dòng)區(qū)主要位于呼倫貝爾草原西部，新右旗是呼倫貝爾地區(qū)NDVI波動(dòng)最明顯的區(qū)域。Hurst指數(shù)表明呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI變化趨勢(shì)大部分呈反持續(xù)性，結(jié)合NDVI變化趨勢(shì)，未來(lái)NDVI的變化主要呈下降趨勢(shì)。

（3）呼倫貝爾地區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域主要位于大興安嶺森林，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要位于呼倫貝爾草原和耕地，達(dá)到顯著和極顯著的區(qū)域?yàn)?1.5%。呼倫貝爾大部分地區(qū)的NDVI與降水呈正相關(guān)，其中呼倫貝爾草原和大興安嶺兩麓的耕地區(qū)達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)。大興安嶺中北部森林主要受溫度脅迫，而耕地與草原區(qū)主要受降水脅迫，受雨熱同期影響，降水減少會(huì)造成陰雨天減少，氣溫偏高，因此在耕地、草原區(qū)與降水呈正相關(guān)的同時(shí)也多與氣溫呈負(fù)相關(guān)。

（4）研究期內(nèi)呼倫貝爾地區(qū)的植被長(zhǎng)勢(shì)整體呈增加趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境向好的方向發(fā)展，但存在兩方面不容忽視的問(wèn)題：一是呼倫貝爾草原西部等地的植被長(zhǎng)勢(shì)波動(dòng)較大，部分區(qū)域的生態(tài)環(huán)境仍較為脆弱；二是Hurst指數(shù)分析的植被長(zhǎng)勢(shì)未來(lái)呈反持續(xù)性的下降趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理工作不利。建議重點(diǎn)加強(qiáng)農(nóng)牧水旱災(zāi)害的防范能力：開展草原生態(tài)保護(hù)修復(fù)治理項(xiàng)目，做好重點(diǎn)生態(tài)區(qū)的退耕還林還草工作，增加水源涵養(yǎng)能力；加大力度加強(qiáng)黑土地保護(hù)工作，大力建設(shè)“旱能灌、澇能排”的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，保障糧食生產(chǎn)安全；同時(shí)提高人工影響天氣作業(yè)能力，科學(xué)開發(fā)利用空中云水資源，減輕干旱災(zāi)害對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響。在提高防范能力的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的日常監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì)，幫助政府科學(xué)、及時(shí)進(jìn)行決策，保障生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展。