基于MODIS數(shù)據(jù)的青藏高原生長季植被NDVI的時(shí)空變化分析

杜宜臻，崔 巖，倪 杰

(棗莊學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

青藏高原(以下簡稱高原)是我國乃至世界重要的生態(tài)區(qū)域，面積遼闊、地理位置特殊，生態(tài)環(huán)境又極為脆弱與敏感[1-2]。當(dāng)前，氣候變暖給全球生態(tài)系統(tǒng)帶來極大影響，尤其是青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生明顯的變化，比如凍土消融、冰川退縮、濕地萎縮、湖泊擴(kuò)張等現(xiàn)象[3-5]，這會改變高原地區(qū)的土壤水熱平衡[6]，進(jìn)而影響到高原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等[7-8]，并最終影響到周邊地區(qū)乃至全球的氣候變化。因此，研究青藏高原地區(qū)植被的變化規(guī)律是認(rèn)識青藏高原生態(tài)環(huán)境特征及其演變規(guī)律的關(guān)鍵，對未來生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要參考價(jià)值。

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation Index，NDVI)作為植被空間分布密度以及植物生長狀態(tài)的最佳指示因子，能夠準(zhǔn)確、連續(xù)地反映出植被的生長變化狀況，是反應(yīng)植被分布與植被覆蓋的重要數(shù)據(jù)。近年來歸一化植指數(shù)被廣泛應(yīng)用于植被動態(tài)變化及其影響因素的研究當(dāng)中。Kawamura等[9]對內(nèi)蒙古錫林郭勒中部草原區(qū)進(jìn)行研究，利用回歸分析等方法得出MODIS-NDVI相比AVHRR-NDVI時(shí)間剖面更具有真實(shí)性。王思等[10]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)對廣東省的植被覆蓋度進(jìn)行提取研究，結(jié)果表明處于中高植被覆蓋度及以上的區(qū)域達(dá)到85%，且植被空間集聚性特征顯著。董璐等[11]利用NDVI數(shù)據(jù)研究了新疆地區(qū)植被生長對氣溫的響應(yīng)。青藏高原作為亞洲乃至北半球氣候變化的“感應(yīng)器”和“敏感區(qū)”，對中國乃至亞洲生態(tài)安全具有重要的屏障作用。當(dāng)前氣候變化給高原植被生長帶來了一系列的影響，大量學(xué)者基于NDVI這一關(guān)鍵特征指標(biāo)來研究青藏高原地區(qū)的植被演變特征和規(guī)律。已有研究表明，高原生長季NDVI總體變化呈上升趨勢，干旱地區(qū)植被改善面積比較大，而且植被NDVI空間分布季節(jié)性規(guī)律明顯[12-13]。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)植被NDVI受氣候因子的影響有明顯的地域差異性，其中降水影響高原北部的草原草甸等NDVI變化[14]，并對高原雅魯藏布江流域NDVI變化起決定性作用[15]，此外，草地水分利用效率也會影響到草地NDVI的變化[16]?？臻g變化上研究得知，三江源區(qū)生長季植被NDVI整體表現(xiàn)為由西北向東南逐漸增加[17]，青海湖流域NDVI表現(xiàn)出同樣的空間變化趨勢，而且其季節(jié)性規(guī)律明顯[18]?？偟膩碚f，基于MODIS產(chǎn)品研究青藏高原生長季植被NDVI的時(shí)空變化特征對加深青藏高原物候的認(rèn)識及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

青藏高原是世界海拔最高、最年輕的高原，平均海拔4000 m以上，高原上湖泊眾多，光照和地?zé)豳Y源充足。氣候條件主要表現(xiàn)為氣溫低、日較差大、降水相對集中；并且都體現(xiàn)為由東南向西北逐漸減少的變化趨勢。高原上凍土廣布，主要的植被類型是草地、高山植被以及位于東南部的闊葉林和混交林等[19]。

本研究所選用的數(shù)據(jù)為MODIS(MOD13A2)2001—2020年青藏高原生長季NDVI與植被物候數(shù)據(jù)集[20]，包括：2001—2020年每年生長季平均NDVI，時(shí)間為每年5—9月份；生長季始期(SOS)、生長季末期(EOS)，時(shí)間單位為d，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)均來自于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//data.tpdc.ac.cn)。

1.2 研究方法

本研究主要采用趨勢分析法和顯著性檢驗(yàn)法對青藏高原生長季NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

(1)趨勢分析法(Sen′ slope)

趨勢分析法是一種通過對隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行線性回歸分析，從而來預(yù)測其變化趨勢的方法。其計(jì)算方法如下：

(1)

式中：Slope為變化趨勢，i為第i年的平均值，n為研究的時(shí)間長度。當(dāng)Slope>0時(shí)，表示該像元處NDVI為增加趨勢；當(dāng)Slope=0時(shí)，表示該像元處NDVI基本保持不變；當(dāng)Slope<0時(shí)，表示該像元處NDVI為減少趨勢。

(2)M-K趨勢檢驗(yàn)

M-K趨勢檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，常與Sen′s slope方法結(jié)合使用，用于判定變化趨勢的顯著性，通過計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布量Z來判別顯著性。其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Z>0表明NDVI序列呈上升趨勢，Z<0表明NDVI序列呈下降趨勢，|Z|≥1.96時(shí)表示NDVI序列通過了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。式中Var(S)為S的方差，S的計(jì)算公式為：

(3)

式中：Sgn(xj-xk)為復(fù)合函數(shù)，其表達(dá)式如下：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原植被生長季NDVI的分布特征

本研究對2001—2020年青藏高原植被生長季NDVI均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出青藏高原多年平均NDVI數(shù)值為0.14(表1)。

表1 不同類型植被生長季NDVI的面積占比及NDVI值

結(jié)合高原植被類型分布圖[19]分析發(fā)現(xiàn)，整個青藏高原植被生長狀況相對較稀疏，同時(shí)具有空間異質(zhì)性。受到氣溫和降水等方面的影響[13]，高原西北部生長季植被表現(xiàn)較差，腹地適中，東南部表現(xiàn)較好。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，NDVI高值區(qū)一般為落葉闊葉林、針闊葉混交林、常綠針葉林、郁閉灌叢和栽培植被等，其中落葉闊葉林平均NDVI最大，為0.70，其次是常綠針葉林、針闊葉混交林和郁閉灌叢，分別為0.63、0.63和0.55。然而，這些高大林木的總面積不足青藏高原總面積的2%。低值區(qū)植被類型主要以高山植被、沼澤和草地為主，其中草地面積占整個青藏高原總面積的80%以上，而這些植被類型區(qū)的NDVI一般較低，多在0.2左右及以下。

基于前人研究結(jié)果進(jìn)一步將青藏高原2000—2020年NDVI變化率進(jìn)行如下分類，如表2所示。

表2 青藏高原生長季植被變化趨勢面積占比

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明青藏高原生長季NDVI變化率為-0.004～0.006，平均值接近于0。整體來看，青藏高原大部分地區(qū)的植被保持穩(wěn)定生長，變化趨勢基本不變，其面積占高原總面積的80%以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，高原退化區(qū)面積占比相對較少，不到6%，而改善區(qū)(包含輕微改善)面積相對較高，占比達(dá)到14%左右。即在研究時(shí)段內(nèi)，青藏高原的植被狀況整體表現(xiàn)出變綠的趨勢。

2.2 青藏高原植被生長季NDVI的時(shí)間變化特征

本研究進(jìn)一步分析了青藏高原2001—2020年NDVI的逐年變化趨勢，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2001—2020年青藏高原植被生長季NDVI年際變化

由圖1可知，青藏高原NDVI在研究時(shí)段內(nèi)總體表現(xiàn)為上升的趨勢，其年際變化率為0.008(10 a)。MK檢驗(yàn)通過了信度99%的顯著性檢驗(yàn)，說明高原植被生長季NDVI在2000—2020年間上升趨勢顯著，且表現(xiàn)出一定的波動性。其中，NDVI的高值年份主要集中在2009—2011年以及2017—2019年間。此外，在2020年，植被NDVI出現(xiàn)了極端低值，為0.12，低于平均值的14.29%。數(shù)值上的差異體現(xiàn)了在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)高原氣候以及局地環(huán)境的變化狀況，這主要是受到高原暖濕變化的影響。也有相關(guān)研究證實(shí)青藏高原植被生長季NDV的變化總體上和氣溫和降水呈正相關(guān)關(guān)系[12，15]。

植被生長季是指植被1 a內(nèi)從開始復(fù)蘇返青(生長季始期)到植被枯黃落葉(生長季末期)的時(shí)段。為了更詳細(xì)的探討高原植被的生長變化，本研究引入植被生長季始期和末期兩個參量，并基于這兩個變量得到生長季長度(DOS，即生長季末期-生長季始期)?；诖耍謩e對上述3個變量，包括SOS、EOS和DOS的時(shí)間變化趨勢展開分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 2001—2020年青藏高原植被生長季始期(SOS)、生長季末期(EOS)、生長季長度(DOS)變化

由圖2可知，在研究時(shí)段內(nèi)，青藏高原植被SOS提前，平均每年提前0.13 d；而EOS在推遲，每年推遲0.05 d，比SOS的變化速度略慢；進(jìn)一步表明DOS在延長，其每年延長約0.14 d。這種變化趨勢與前人研究結(jié)果基本一致[21-22]。然而，在總的研究時(shí)段內(nèi)，這些因子的變化也表現(xiàn)出一定的波動性。其中2006—2009年變化相對較大，SOS較早，而EOS相對較晚，表明這段時(shí)間內(nèi)，高原植被的DOS較其它時(shí)間段相對較長。

進(jìn)一步探究SOS、EOS和DOS三個因素與NDVI之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 2001—2020年青藏高原植被生長季始期(SOS)、生長季末期(EOS)、生長季長度(DOS)與NDVI的關(guān)系

由圖3可知：高原EOS與NDVI相關(guān)系數(shù)最高，其R為0.32；而SOS和DOS與NDVI的相關(guān)系數(shù)相對較低：其R分別為-0.15和0.21。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，上述三個參數(shù)與NDVI的變化都具有一定的相關(guān)性，然而均表現(xiàn)為弱的相關(guān)性，其中SOS與NDVI的相關(guān)性表現(xiàn)為弱的負(fù)相關(guān)。綜上所述，近20 a來，青藏高原植被的NDVI不僅在數(shù)值上表現(xiàn)為增大趨勢，而且每年植被生長的持續(xù)時(shí)長也在增大。

2.3 青藏高原植被生長季NDVI與海拔的變化特征

海拔升高導(dǎo)致氣溫降低，這會影響高原植物的生長和分布?；诖耍狙芯刻骄苛饲嗖馗咴璑DVI的變化與海拔之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 研究區(qū)海拔與NDVI變化趨勢散點(diǎn)圖

研究結(jié)果表明(圖4)，整體上青藏高原生長季植被NDVI與海拔呈負(fù)相關(guān)，即NDVI會隨著海拔的升高而降低，平均海拔每升高1 km，NDVI下降0.09。這主要是因?yàn)楹０卧礁?，氣溫越低，NDVI與氣溫基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因此NDVI也降低[14，23]。但是在不同海拔梯度下NDVI隨海拔的變化趨勢表現(xiàn)出差異性，其中NDVI值在海拔高度0～1 km與3～4 km呈上升趨勢，在1～3 km與4～6 km呈下降趨勢。研究結(jié)果對青藏高原當(dāng)前以及未來的生態(tài)保護(hù)等具有重要科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

3 結(jié)論

本文基于2001—2020年MODIS數(shù)據(jù)，探討青藏高原地區(qū)生長季植被NDVI的時(shí)空變化特征，主要結(jié)論如下。

(1)青藏高原植被生長季NDVI具有明顯的空間異質(zhì)性，NDVI高值區(qū)和低值區(qū)的植被類型存在較大差異。

(2)研究時(shí)段內(nèi)青藏高原生長季NDVI表現(xiàn)為上升趨勢，除80%地區(qū)的植被保持穩(wěn)定生長外，有接近14%的區(qū)域植被正逐年改善，高原整體表現(xiàn)出變綠的趨勢。

(3)整體上青藏高原生長季植被NDVI與海拔呈負(fù)相關(guān)，即NDVI隨著海拔的升高而降低，平均海拔每升高1 km，NDVI下降0.09。