吉林西部地表植被歸一化植被指數的時空分布特征1)

楊淑杰 李曉東 王蘭蕓 韓智平 陳劍

(白城師范學院，白城，137000)(白城市氣象局)

歸一化差異植被指數(the normalized difference vegetation index，ND，V，I)對綠色植被表現敏感，常被用來研究區域和全球植被的狀況，是研究全球植被變化非常理想的植被指數。植被也具有涵養水源、保持水土的作用，有助于生物地球化學的良性循環［1－3］?；诮y計學方法研究長時間序列植被指數數據，可以準確反映植被指數的生長變化以及時空分布規律，并進一步揭示植被指數本身以及相關的地統計學參數的地學意義［4－6］。

吉林西部東俯東北平原腹地，西接呼倫貝爾草原，南鄰科爾沁沙地，北臨大興安嶺林區，地理區位意義重大。隨著近年來氣候變化加劇，荒漠化現象越來越嚴重，生態環境脆弱。開展吉林西部地表植被分布特點的相關研究，可以更深入了解本區域植被生態狀況，能夠為植被保護和農、牧業種植方式調整提供科學依據。

文中基于GIMMS ND，V，I數據，采用地統計學的方法，對吉林西部過去11 a(1998—2008年)的歸一化植被指數的生長情況和它的時空分布規律進行了研究分析。

1 材料與方法

采用的遙感數據為國家自然科學基金委員會“中國西部環境與生態科學數據中心”組制作的1998—2008年每15 d最大值合成(MVC)的SPOT－NDVI數據集。該數據集采用最大值合成法，能最大限度地消除云等其他因素的影響，減小由于校準而產生的植被指數變化，增加對短期大氣氣溶膠、火山噴發的懸浮顆粒物、太陽天頂角等的校正。比較適合于全省范圍的中長期植被變化趨勢研究。該數據集被國內很多學者用于植被及生態環境的研究，都取得了比較好的應用效果［7－10］。

以空間統計學方法為研究手段，對吉林西部植被指數的生長狀況以及空間分布特征進行分析。地表植被指數最大值的獲取及處理是在遙感軟件ERDAS8.0下通過Modeler編程自動化執行的，地表植被指數的趨勢分析采用Pearson相關系數分析的數學統計方法，具體實現是在遙感軟件ERDAS8.0下通過Modeler編程運算得到所需的結果;對植被指數的空間特性分析是基于GIS軟件Surfer7.0中的樣點提取工具得到空間地統計學分析的點對數列，而后將其作為初始輸入數據導入GS+7.0軟件中，進行空間統計分析。

2 結果與分析

2.1 吉林省西部植被指數的時序變化特征

2.1.1 植被指數的生長季節內變化特征

提取吉林西部1998—2008年生長季(5—9月份)的植被指數值，對生長季內各月份求多年平均值，得到吉林省11 a來的生長季各月均植被指數的時間序列(表1)。由表1可以看出，吉林西部植被的生長季內的月均植被指數變化顯著。5月份的月均植被指數最小，為0.136 7。從5月份開始，植被指數迅速增加，5—7月份增加速度尤為明顯，7月份以后植被指數增加開始緩慢，8月份植被指數達到全年最大值，為0.313 6。與8月份植被指數數值相比較，9月份因為各種植物群落枝葉枯萎，植被指數數值開始降低。

2.1.2 植被指數的年際變化特征

提取吉林西部1998—2008年生長季(5—9月份)的植被指數值，對生長季內各月份求11 a來的歸一化植被指數的變化斜率數值，可看出吉林西部11 a來的生長季各月份植被指數的月增量變化(表2)?？傮w上吉林西部年均植被指數呈現明顯上升的趨勢，研究區的植被改善情況明顯。生長季內的各月植被指數，在不同時間段內變化趨勢有所不同。

表1 吉林西部1998—2008年生長季各月份植被指數

表2 吉林西部1998—2008年生長季各月份植被指數的月增量變化

2.2 吉林省西部植被指數的空間分布特點

2.2.1 研究區1998—2008年的植被指數在空間上的趨勢分析

提取吉林西部1998—2008年的植被指數年值，求多年變化斜率，得到吉林省西部11 a植被指數年值的變化趨勢空間分布圖(圖1)。

圖1 1998—2008年吉林西部植被指數變化趨勢空間分布

由圖1可以看出:地表植被生長趨勢Kn，v≤0的區域多出現在吉林西部的農牧交錯帶，即主要以科爾沁沙地為中心展開分布，在內蒙古草原的東側邊緣也有較大面積的Kn，v≤0區域存在;在吉林西部鹽堿分布區內，也存在著地表植被長勢Kn，v≤0區域分布面積較大且比較集中的特點;空間分析可知，總體上研究區的地表植被衰退區主要分布在吉林西部的農牧交錯帶上的鹽堿區和沙地區。

2.2.2 研究區1998—2008年地表植被的空間格局特點

在GS+7.0地學統計分析軟件支持下，對吉林西部歸一化植被指數(ND，V，I數值)的空間格局進行空間自相關分析，結果如圖2。

圖2 Moran’s I系數分析

吉林西部植被指數的全局Moran’s I系數顯示表明:吉林西部植被指數在全局范圍內的空間自相關數值為0.109 4，吉林西部地表植被分布的空間格局是顯性的。相關系數較小說明代表單元之間有差異，且分布不集中;相近的植被指數數值聚集在一起的傾向較弱，吉林西部地表植被在空間分布上表現出的整體性較差;宏觀上，吉林西部地表植被可以分成若干個相對獨立的植被類型單元。

表3 吉林西部地表植被數值的Moran’s I系數

吉林西部植被指數的南—北方向、東北—西南方向、東—西方向與西北—東南4個不同方向的Moran’s I系數顯示表明(圖2，表3):吉林西部植被指數數值在不同方向上具有較明顯的各向異性特征。吉林西部的地表植被在西北—東南方向上呈現空間相關(0.042 6)數值最小，表明這一方向上地表的植被類型變化較大，植被相對來講比較破碎。從實際的分布情況看，本研究區域西北方向臨近嫩江，該區域屬于引嫩入白工程的農業灌溉區，東南方向上是我國三大鹽堿地之一的蘇打鹽堿分布區;自然條件差異是造成西北—東南方向植被破碎的重要因素。

3 結論與討論

1998—2008 年吉林省生長季月均植被指數總體上呈現明顯上升的趨勢。農牧交錯帶以東大部分地區的地表植被長勢11 a來呈現上升趨勢;研究區的植被改善情況明顯，生長季內的各月植被指數變化增長說明隨著氣候變暖植被生長季也慢慢提前，7月份和8月份的植被生長最好，分別為0.297 8、0.313 6;不可忽視的是，在吉林西部的鹽堿地、沙地分布區內有大面積的植被退化區域存在，而且分布集中。

由趨勢分析可知，地表植被衰退區(植被生長趨勢Kn，v≤0的區域)主要分布在吉林西部的農牧交錯帶上的鹽堿區和沙地區。全局Moran’s I系數分析表明，吉林西部植被指數在全局范圍內呈現正的空間自相關，但是空間自相關數值較小(0.109 4)，這表明本研究區植被空間分布的整體性較差;相似的植被指數值聚集在一起的傾向弱，局部地表植被分布呈現破碎化、斑塊狀。

在空間分布上，氣溫與地表植被相關性的空間分布與土地鹽堿程度的南北逐漸遞減的空間分布相一致，所以吉林西部的地表植被在東—西方向上和東北—西南方向空間正相關程度較大，而在南—北方向和西北—東南方向上呈現空間負相關。

近幾年來，東北地區氣候變化平穩。從已有的研究情況來看，本研究區域的氣溫和最低氣溫變化對植被的影響要普遍大于降水等其他因子［11］。溫度上升引起植被生長季的提前和生長期的延長是導致研究區內總體植被呈現增加趨勢的主要原因。在總體增加的大背景下，植被類型不同，植被覆蓋增加與減少的面積和比例有所差異。耕地受人類活動影響顯著，耕作條件的提高大大增加了耕地面積，導致了研究區域內耕地植被像元植被指數顯著增加;而對于林地、草地等類型植被，生態保護和環境建設等人為措施，如植物造林、草地圍欄封育也是導致這些植被有所增加的重要原因。

同時，不可忽視的一點是，隨著今年農業耕地面積的擴大，位于農牧交錯帶上的研究區內發生了局部植被退化的現象，尤其是草本類植被和林地，人為因素是引起其退化的重要因素。人類活動具有兩面性是一把雙刃劍。

致謝:在數據的整理過程中得到了楊超、王立艷、李宥渝、張麗微、曹瑞芬、姚?？?、婁思文等同學的大力幫助，特此感謝。

［1］Aragao L E O C，Shimabukuro Y E，Espirito S F D B，et al.Landscape pattern and spatial variability of leaf area index in Eastern Amazonia［J］.Forest Ecology and Management，2005，211(3):240－256.

［2］劉紀遠，布和敖斯爾.中國土地利用變化現代過程時空特征的研究:基于衛星遙感數據［J］.第四紀研究，2000，20(3):229－239.

［3］Zeng Lixin，Levy G.Space and time aliasing structure in monthly mean polar-orbiting satellite data［J］.Journal of Geophysical Research-Atmospheres，1995，100(3):5133－5142.

［4］Gong Daoyi，Shi Peijun.Inter-annual changes in eurasian continent NDVI and its sensitivity to the large-scale climate variations in the last 20 years［J］.Acta Botanica Sinica，2004，46(2):186－193.

［5］陳懷亮.黃淮海地區植被覆蓋變化及其對氣候與水資源影響研究［D］.南京:南京信息工程大學，2000.

［6］張雪艷，胡云鋒，莊大方，等.蒙古高原NDVI的空間格局及空間分異［J］.地理研究，2009，28(1):10－18.

［7］曾小平，趙平，孫谷疇，等.氣候變暖對陸生植物的影響［J］.應用生態學報，2006，17(12):2445－2450.

［8］徐雨晴，陸佩玲，于強.氣候變化對植物物候影響的研究進展［J］.資源科學，2004，26(1):129－136.

［9］陳彬彬，鄭有飛，趙國強，等.河南林州植物物候變化特征及其原因分析［J］.植物資源與環境學報，2007，16(1):12－17.

［10］羅玲，王宗明，宋開山，等.1982—2003年中國東北地區不同類型植被NDVI與氣候因子的關系研究［J］.西北植物學報，2009，29(4):800－808.