黑龍江省植被指數時空變化及其對氣候因子的響應

王子龍，孫昌鴻，劉瑩，姜秋香，朱彤

（東北農業大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030）

氣候環境和人類活動對植被覆蓋變化產生的干擾響應已成為研究熱點，受到生態學術界高度關注［1-3］。植被作為生態系統中影響物質循環和能量轉換的關鍵，是維持生態穩定的重要因素［4］。同時，植被具有防治土地沙化、減少農業水土流失及維護水土保持穩定等功能［5-6］。地表植被覆蓋會受自然條件和人類活動影響產生變化［7］。其中，氣候成為最為重要的自然因素，直接決定地表植被的種類和數量［8-9］。植被因氣候變化組織結構發生改變從而影響生物量的變化［10］。

研究植被動態變化規律已取得一定進展。歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI）NDVI具有數據空間分辨率較高、數據獲取方便等優點，被廣泛應用于黃土高原［11］、雅魯藏布江流域［12］及全國范圍內［13］的植被動態變化監測。國內外學者在研究氣候因子與NDVI的關系中發現氣溫和降水對NDVI的影響最為明顯。有學者［14］發現干旱指數對NDVI存在一定影響，但在中國北方［15-16］、漢江流域［17-18］以及全國范圍內［19］的研究表明氣溫和降水仍是主導因子。此外，也有研究［20-23］發現GIMMS NDVI3g（global inventory modeling and mapping studies normalized difference vegetation index-3rd generation）數據對監測植被動態規律的適用性和可行性。學者們［24］通過對比分析發現NDVI3g數據更適用于北半球高緯度地區，并基于該數據研究植被時空變化規律［25］和氣候變化對NDVI的影響［26］。

前人的研究多為全國尺度或區域和流域范圍，且國內學者多使用NDVIg數據探討植被覆蓋變化。對東北地區，多聚焦于植被生長狀況和物候期的研究［27-28］，但針對黑龍江省使用GIMMS NDVI3g數據監測植被動態特征，以及NDVI與蒸散量的響應關系研究并不多見。本研究基于1982—2015年GIMMS NDVI3g、降水、氣溫、蒸散及植被類型數據，利用Pearson相關分析法、Hurst指數法，分析黑龍江省植被覆蓋的時空變化特征及其氣候響應，以期為黑龍江省土地利用／覆被變化研究提供理論依據。

1 研究區域及方法

1.1 研究區概況

黑龍江省地處中國最北端，氣候較為干燥寒冷、降水集中。年平均降水量為400～700 mm，平均年水資源總量775.8億m3，平均年產水模數為16.6萬m3。黑龍江省分為3個植被類型區域，包括溫帶草原區域、寒帶灌木叢區域植被相對覆蓋度高，主要植被類型為耕地、森林和草地。黑龍江省土地利用狀況有：耕地占總面積的35%，林地占總面積的48.2%，草地僅占總面積的4.5%。本研究采用的植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中提供的《1∶1 000 000中國植被圖集》。將黑龍江省植被類型劃分為闊葉林、針葉林、針闊混合林、灌叢、草原、草甸、沼澤和栽培植被等8大類。大興安嶺地區植被多為針葉林，松嫩平原和三江沖積低平原地區被草原和草甸、沼澤和栽培植被覆蓋，針闊混合林、闊葉林和灌叢多分布于小興安嶺、張廣才嶺和老爺嶺等地區。其中分布于松嫩平原和三江平原的栽培植被如水稻、玉米和大豆作為農田主要種植作物，生長期普遍在4—10月份，黑龍江中部覆蓋度較高的闊葉林生長期在6—8月份而針闊混合林生長期在4—10月份。

1.2 數據來源與處理

歸一化植被指數（NDVI）是由美國國家航空航天局對外開放提供的（https：／／ecocast.arc.nasa.gov／data／pub／gimms／）。選取已修正最小程度太陽高度角、傳感器誤差和偏移等影響的GIMMS AVHRR（advanced very high resolution radiometer）NDVI全球植被指數資料，最新推出的時間序列較長的GIMMS NDVI3g數據，空間分辨率通常為0.083 3°×0.083 3°，時間尺度為15 d。時間起止范圍為1981年7月—2015年12月，為探究數據的整體規律性，選取1982—2015年的數據研究。

將GIMMS AVHRR NDVI3g數據進行預處理，包括格式轉換、裁剪、投影轉換、重采樣等。通過最大值合成法（maximum value composition，MVC）削弱數據中大氣水汽、云層覆蓋及非火山巖氣溶膠的干擾，得到1982—2015年研究區的NDVI月值和年值。為反映植被年均和作物生長季NDVI變化特征，采用生長季（4—10月）NDVI合成數據表征植被的生長情況，生長季用時段內的月平均NDVI值計算得出。

本研究依據中國氣象科學數據共享服務網站（http：／／cdc.cma.gov.cn／）獲取氣象數據。選取黑龍江省34個氣象站點1982—2015年的逐日氣象數據，計算成累月和逐年的降水、氣溫數據，蒸散量數據的計算和Hurst指數法來自文獻［29］，同時采用克里金插值方法將像元大小處理成與NDVI相符合、投影一致的氣象要素柵格數據。

1.3 研究方法

采用趨勢分析法、Hurst指數法和Pearson相關分析法研究黑龍江省植被覆蓋的動態變化規律及其氣候響應。

1.3.1 趨勢分析法

趨勢分析法是一種利用線性回歸分析將時變變量進行計算，判斷變量年際變化的顯著性，從而來預測其變化趨勢的方法。采用一元線性回歸法擬合，基于1982—2015年的逐年NDVI的數據，用斜率值來反映NDVI的變化趨勢［30］。其中：當斜率大于0時，NDVI變化呈顯著增加趨勢；當斜率小于0時，NDVI變化呈顯著減小趨勢；當斜率為0時，NDVI變化趨勢不顯著。

1.3.2 Hurst指數法

Hurst指數由水文學家Hurst提出［31］，主要用來定量表述具有長程依賴性的時間序列，目前應用于水文、地質、氣候和地震等領域。Hurst指數H的范圍為0～1，對應有2種情況：當H位于0～0.5時，時間序列具有長期的持續性，同時相對于未來趨勢相反，表現為反持續性，H≈0時，反持續性越強；當H位于＞0.5～1.0時，時間序列具有長期的持續性，同時相對于未來趨勢一致，表現為持續性，H≈1時，持續性越強［32］?；?982—2015年NDVI的變化趨勢和H值所處的范圍，分析NDVI的未來變化趨勢是否與研究序列一致，從而預測未來NDVI的變化趨勢。

1.3.3 Pearson相關分析法

皮爾森相關系數（Pearson correlation coefficient）是一種可以反映出2個變量間線性相關程度的統計量。它是2個變量之間的協方差和標準差的商。協方差表示2個變量總體誤差的期望，用于度量各個維度偏離自身均值的程度［33］：若結果為負值，則說明2個變量之間呈現負相關；若結果為正值，則說明2個變量之間呈現正相關；若結果為0，則說明2個變量之間沒有關系，相互獨立。通過皮爾森相關系數分別分析研究區內NDVI與降水量、平均氣溫和蒸散量的相關關系，研究氣候因子對NDVI的影響。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋時間變化分析

黑龍江省的植被類型主要以農田、林地和草地為主，NDVI呈較緩上升趨勢，1982—2015年NDVI多年平均值為0.55，趨勢為0.003／10 a。其中，2014年NDVI達到最大值為0.57，NDVI最小值出現在1984年為0.53，見圖1（a）。3種不同植被覆蓋類型的NDVI均呈現上升趨勢，其中林地和草地的上升趨勢均為0.004／10 a，相比之下農田增長速率較為緩和為0.002／10 a。農田NDVI的動態變化范圍在0.48～0.51，波動不大，變化不劇烈；林地NDVI的動態變化范圍在0.59～0.65，相比較于農田，植被覆蓋較為茂盛，歸一化植被指數相對較高；草地NDVI的動態變化范圍在0.51～0.56，在這3種植被覆蓋類型中位于中間水平，見圖1（b）。

圖1 年均NDVI及不同植被類型NDVI變化趨勢Fig.1 The variation trend of NDVI of annual average and different vegetation types

黑龍江省主要植被類型中農田種植作物覆蓋較廣且受人類活動影響較大，在作物生長期植被覆蓋率有顯著變化，因此探究作物生長季NDVI變化有助于理解黑龍江省覆被變化特征。在生長季，不同植被類型下NDVI變化趨勢見圖2，在黑龍江省設定生長季為4月至10月，研究時段內生長季NDVI變化范圍在0.65～0.72波動，變化速率為0.003／10 a。其中，NDVI最小值出現在2003年為0.65，最大值出現在2014年和2015年為0.71。1982—1998年，NDVI變化速率為0.013／10 a，其中：農田以0.014／10 a呈增長態勢；林地以0.013／10 a呈上升趨勢；草地以0.011／10 a呈增加趨勢。1999—2015年，NDVI變化速率較為遲緩，但農田NDVI變化速率較高以0.013／10 a的速率呈現增長態勢。相比于秋季和夏季，在作物生長季的物候期間，NDVI變化在不同植被覆蓋類型下較為劇烈，其中農田在1998—2015年的變化速率尤為明顯。

圖2 不同植被類型生長季NDVI變化趨勢Fig.2 Variation trend of NDVI in the growing season of different vegetation types

2.2 植被覆蓋空間變化分析

利用Arc Map 10.5軟件繪制出1982—2015年黑龍江省年均和季節NDVI空間分布（圖3），可以看出NDVI分布明顯的空間異質性，在全省呈現出自西向東先逐漸上升隨后又下降的趨勢，年均NDVI在0.10～0.59浮動，見圖3（a）。全省NDVI均值最高區域在大興安嶺、牡丹江和伊春等地區，這些地區植被覆蓋面積普遍較廣，NDVI均值在0.45以上，最高可達0.59；NDVI均值最低區域集中在西部和東部地區，NDVI主要在0.23～0.36。由圖3（b）可知，作物生長季NDVI在0.20～0.72變化，處于伊春、大興安嶺、鶴崗、雙鴨山等地區的相對植被覆蓋程度較高，年最大NDVI值均在0.59以上。在黑龍江省人口相對稠密和經濟較為發達的哈爾濱、齊齊哈爾、大慶及綏化等地區，植被覆蓋水平受人為因素的劇烈干擾。

圖3 年均和生長季NDVI空間分布Fig.3 Spatial distribution of NDVI for annual average and growing season

黑龍江省的植被生長狀況在1982—2015年整體上有所改善，但各區域植被指數的變化趨勢都不明顯，整體上的變化趨勢率在—0.004～0.004波動。明顯改善的區域主要位于黑龍江省的北部大興安嶺、西部松嫩平原偏南部和佳木斯部分地區及周圍地區，明顯退化區域出現在尼爾基流域、嫩江地區和克山地區一帶，在三江平原地區也出現了略微下降趨勢。1982—2015年黑龍江省的年均和生長季植被覆蓋度變化都不明顯，但兩者之間仍具有一定的差異性。增加程度較大的位于大興安嶺地區，NDVI呈上升趨勢且大于0.003；絕大多數高海拔地區如老爺嶺、張廣才嶺和海拔較高地區如小興安嶺，其NDVI呈下降趨勢且小于－0.003，整體趨勢范圍變化不大；減少程度較為明顯的位于三江平原的東南部地區和小興安嶺部分地區：見圖4（a）。平原地區作物生長季時因其耕地較多植被覆蓋少，1982—2015年NDVI變化不明顯；山嶺和林地生長季時NDVI上升趨勢較為顯著；草原地區的植被覆蓋變化因其氣候和人類活動因素呈下降趨勢：見圖4（b）。由此可知，黑龍江省1982—2015年NDVI變化總體走向平緩，局部有些許變化。

圖4 年均和生長季NDVI分布趨勢率Fig.4 Distribution trend rate of NDVI for annual average and growing season

利用Hurst指數法根據H值所處的范圍分析目前的變化趨勢與未來變化趨勢是否一致。統計不同類型所占研究區面積比例，對黑龍江省植被生長趨勢進行分析，得出NDVI持續性變化的空間分布見圖5。黑龍江省呈現反持續性的區域占研究區總面積的2.35%，其余區域均呈持續性即與未來變化趨勢一致，整體NDVI呈持續性變化較為明顯，分為4種情形：持續退化，持續穩定不變，持續改善，未來變化不確定。其中未來變化不確定包括前3種組合，因此無法確定未來趨勢。NDVI未來變化不確定區域集中分布在松嫩平原、中部地區以及三江平原南部地區；在黑龍江省北部的大興安嶺地區呈現出退化的趨勢，未來趨勢也將持續退化；NDVI持續改善的地區在全省分布均勻：見圖5（a）。在植被生長季，未來NDVI變化不確定的區域主要分布在鐵力站和伊春站附近，未來在西部的齊齊哈爾、龍江及在嫩江站北部的局部區域NDVI呈現持續退化，NDVI持續穩定不變和持續改善的面積占比相似，見圖5（b）。

圖5 年均和生長季NDVI的Hurst指數變化Fig.5 Changes of Hurst index of NDVI for annual average and growing season

2.3 降水量與NDVI的響應關系

植被指數在反映全球氣候變化和表征地表植被生態及其生產力狀況方面具有重要作用。北半球植被對氣候變化非常敏感，在陸地和大氣之間的碳循環中起著重要作用。利用1982—2015年的NDVI和氣象站點氣候資料，應用NDVI與氣候變量的趨勢檢測方法和相關分析方法，分析黑龍江省植被NDVI對降水量在全年和植被生長季的響應關系。NDVI的變化趨勢與降水量的相關關系有較好的一致性，植被生長季NDVI對降水的響應與年均NDVI對降水的響應存在異質性。1982—2015年黑龍江省年均降水量與NDVI總體相關系數在－0.86～0.87，P值小于0.01，顯著性較好［圖6（a）］：年均降水量與NDVI呈現出正相關的區域集中在西部地區；年均降水量與NDVI呈現出負相關的區域分別在中部地區和三江平原的東北部地區。

圖6 年均降水量、植被生長季降水量與NDVI的相關關系Fig.6 Correlation between annual average and growing season precipitation and NDVI

黑龍江省植被生長季降水量和NDVI的相關關系見圖6（b）。植被生長季降水量與NDVI呈負相關的地區主要位于大興安嶺、老爺嶺和小興安嶺等山區，因受其海拔高度影響，當降水增加時溫度偏低，所以整體趨勢呈負相關。植被生長季降水量與NDVI呈較顯著正相關的地區分布于松嫩平原和三江平原，其降水少溫度高導致水分成為影響生長趨勢的主要因素。研究表明，黑龍江省降水對植被生長季的結束期影響較高，植被生長季NDVI主要受降水調節。

2.4 平均氣溫與NDVI的響應關系

在全年尺度上，平均氣溫與NDVI總體呈正相關地區集中分布在黑龍江省的東南地區，包括勃利、雞西、依蘭、佳木斯和牡丹江一帶，相關系數最高達到0.83，表明隨著溫度上升，全省總體植被覆蓋率增大。對于黑龍江省西部如松嫩平原地區，部分中部如明水、海倫等站點，氣溫的升高并不能讓植物生長得更好，反而呈現出負相關系數，最高達－0.59，見圖7（a）。植被生長季氣溫與NDVI的相關關系同年均相比差別較大，1982—2015年植被生長季氣溫與NDVI主要呈正相關，最明顯的位于大興安嶺地區，因其屬高海拔高寒地區，氣溫對植被的影響更為顯著。在全省大部分草地地區，氣溫與NDVI呈負相關，氣溫變化對全省大部分地區的NDVI影響較小，見圖7（b）。

圖7 年均氣溫和植被生長季平均氣溫與NDVI的相關關系Fig.7 Correlation between average annual and growing season air temperature and NDVI

2.5 蒸散量與NDVI的響應關系

1982—2015年黑龍江省蒸散量與NDVI的相關性較低，相關系數在－0.58～0.70，見圖8（a）。相關系數較高的地區集中在北部，主要分布在大興安嶺地區，蒸散量的增加對山區植被生長有促進作用。蒸散量與NDVI呈負相關的地區集中在齊齊哈爾、大慶和哈爾濱等城市，植被生長季NDVI與蒸散量的相關關系與全年略有不同，相關系數最高為0.85，相關系數最低為－0.24，見圖8（b）。蒸散量與NDVI呈正相關的地區集中分布在松嫩平原的東北部和中部地區的偏南部。黑龍江緯度較高北部寒冷，因此蒸散量較少，植被缺乏呼吸作用長勢下降。在全省西南部如齊齊哈爾、大慶等地區，蒸散量與NDVI呈負相關。

圖8 年均蒸散量和植被生長季蒸散量與NDVI相關關系Fig.8 Correlation between annual average and growing season evapotranspiration and NDVI

3 討 論

通過對1982—2015年的黑龍江省植被變化趨勢進行分析可知，黑龍江省植被覆蓋情況呈現逐步緩慢改善，相比于人口密集的城市，改善程度明顯偏低，其主要原因是受到人為因素的影響。從1998年開始在黑龍江省實施退耕還林政策，黑龍江省西南地區就開始了全面的退耕還林還草工作，僅在黑龍江省的齊齊哈爾市1998—2014年17年的退耕還林還草工作就取得了較大成績，造林面積達到了13.48萬hm2，改造荒山面積6.78萬hm2，原來已經荒廢的荒地，經過幾年的建設植被已經基本得到了恢復［34］。在黑龍江省城市區和高海拔地區植被覆蓋變化呈現小幅上升的趨勢，其他地形植被覆蓋率呈現減少的趨勢，產生這種減少態勢的原因可能是農田開墾面積的增加和城市化進程的加速。

國志興等［35］指出在1984年出現嚴重干旱情況，因此NDVI有所降低，影響了植被的生長。2003年黑龍江省出現了洪水災害，植被生長受到自然要素和環境因素的影響，導致NDVI值減小。2004—2014年植被生長逐漸呈向好態勢，整體水平逐漸有了生機勃勃的狀態，尤其從2012年開始，植被大面積恢復生長并呈現增長趨勢。產生這種現象的主要原因與復雜多樣的地勢形態有關：黑龍江省西部和東部地區分布著較多的沼澤和栽培植被；中部地區為松嫩平原，水系分布緊密，有利于人類的居住和城市化發展，主要城鎮分布于此，導致地區部分植被覆蓋率較低；而東南部有較多山地，植被類型較為豐富，所以NDVI普遍偏高。

羅蘭新等［36］研究認為，水分對植被生長的限制較小，溫度則成為影響植被生長的主要因子。由于黑龍江省屬溫帶季風氣候，降水與植被覆蓋指數在空間上異質性較為明顯。大部分地區平均氣溫較低冰雪覆蓋時間長，植被休眠時期較長，降水主要集中于夏季，因此在分析降水量與NDVI關系變化時，要考慮多種要素。因為降水并不是影響植被生長的主要因素，所以黑龍江省中部林區即使降水較多，也并未導致NDVI增加。年均氣溫以升高趨勢為主，而近大興安嶺北部小部分地區氣溫年變化率呈現降低趨勢，對于氣溫變化，受春季氣溫上升影響闊葉林和沼澤植被的生長季時間延長。氣溫成為影響植被生長的主導因子，而人類活動可能導致中國農業區植被退化，自然災害現象也影響該地區植被動態變化［37-38］。

4 結 論

1982—2015年黑龍江省植被覆蓋變化整體呈緩慢增加的趨勢，植被生長季NDVI上升趨勢比年均NDVI上升趨勢顯著，年均及植被生長季NDVI的波動有很好的一致性。植被覆蓋變化空間異質性明顯，大部分NDVI變化范圍在±0.1。如：植被覆蓋增加程度較高且NDVI大于0.3的一般位于大興安嶺地區；整體變化趨勢不大且NDVI在0～0.1的多位于高海拔地區；NDVI減少程度較為明顯的位于三江平原的東南部地區和小興安嶺部分地區。不同土地利用類型的NDVI山區林地高，平原耕地、城市地區低。在植被生長季，耕地和草地的NDVI增長趨勢顯著，而林地NDVI出現輕微減小趨勢。

對黑龍江省1982—2015年NDVI變化的未來趨勢進行預測，植被覆蓋指數未來變化趨勢呈向好趨勢的區域和不確定性的區域較多，在南部地區呈退化現象。NDVI未來變化不確定區域集中分布在松嫩平原、中部地區以及三江平原南部地區。在不同時期，NDVI未來變化趨勢明顯不同，空間差異性明顯。主要由于地理位置和氣候要素的改變，NDVI未來變化趨勢呈現出持續退化和持續改善的情況。

1982—2015年黑龍江省NDVI與氣溫正相關性較弱，與降水負相關性弱，所以NDVI對氣溫的響應更為明顯。相對于林地而言，城市自我調節能力較弱，因此位于城市的NDVI對氣候因子的響應較大。黑龍江省西南部城市地區的NDVI變化與氣溫和降水的變化有明顯一致性。NDVI與對氣溫和降水的響應空間異質性明顯，尤其在植被生長季，其長勢多受降水影響，而位于松嫩平原的綏化地區，植被覆蓋變化受氣溫和降水的影響基本沒有差異。