基于MODIS NDVI的遼河保護區成立前后植被覆蓋時空動態研究

夏會娟,孔維靜,孫建新,侯利萍

1 北京林業大學林學院,北京 100083 2 中國環境科學研究院流域水生態保護技術研究室,北京 100012

河岸帶作為水陸交錯帶在河流生態系統中發揮重要作用,具有廊道、緩沖帶和護岸三大功能[1]。河岸植被是河岸帶的重要組成部分,可以通過削減污染物、提供養分和能量以及調節河流微氣候等功能改善河流水質和維持水生生物多樣性[2- 3]。然而,全球20%以上的河岸植被已經消失,剩余部分也在逐漸退化和消失[1, 3]。鑒于河岸植被在河岸帶生態系統中的重要作用,河岸植被常被用作河岸帶退化和恢復的評價指標,植被恢復成為河岸帶生態恢復的主要目的[4]。因此,研究植被時空動態及其驅動因素是恢復河岸植被和保護河流生態系統的關鍵。

歸一化植被指數(NDVI)常被用來表征植被覆蓋狀況,是目前應用最廣泛的植被指數[5- 8]。國內外眾多學者已利用長時間序列的NDVI數據開展了植被動態研究[9- 12]。植被動態受自然因素(包括氣候和地形地貌等)和人為因素的影響[6],其中氣候因素受到廣泛關注。氣候因素對植被覆蓋動態的驅動作用隨著降水量的不同而發生變化[13- 14]。Hou等[8]發現年降水量高于900 mm的中國西南地區NDVI受溫度的影響比降雨更大;而干旱區域的NDVI受降水量的影響更大[13, 15]。另外,氣候因素對NDVI的影響具有時間尺度效應和時滯效應[14,16- 17],通過研究不同時間尺度上(年、季和月)NDVI的時間動態及其與氣候因素的關系可以較為全面地反映氣候因素對植被動態的驅動作用。人為因素主要是通過改變土地利用/土地覆被變化影響植被覆蓋[5]。例如,農牧耕作和城市建設等對植被覆蓋產生負面影響,而退耕還林還草工程促進植被恢復[18- 20]。

為了研究土地利用/土地覆被變化對植被覆蓋動態的影響,本文以遼河保護區為研究對象,對比研究遼河保護區成立前和成立后的植被覆蓋時空動態及其驅動因素。遼河保護區是我國第一個大型河流保護區,成立于2010年,保護范圍為遼河干流。保護區成立前,河道兩側的土地利用以農田為主[21];保護區成立后,河道兩側實行了自然封育、農田撂荒和退耕還林還草措施[22],河岸土地利用/土地覆被發生變化,農田大幅度轉出為草地和林地[23],土地利用/土地覆被的變化對植被覆蓋動態有著深遠的影響[5]。基于此,本文試圖回答以下問題：遼河保護區成立前和成立后植被覆蓋會發生什么變化？變化趨勢是否一致？

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

遼河保護區位于我國東北地區的西南部(123°55.5′—121°41′E,43°02′—40°47′N),起始于東西遼河交匯處,終于盤錦入海口,總面積1869.2 km2(圖1)。遼河保護區地處中高緯度,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,溫差大,四季分明。降水量自西北向東南遞增,多年平均降水量在517—657 mm;降水量年際變化較大,豐、枯水年降水量比值一般可達2.1—3.5,年內分配不均,主要集中在6—9月,約占全年降水量的75%。蒸發量的地域變化與降水量相反,自東南向西北遞增,多年平均蒸發量為1110—2500 mm,蒸發量最大月是5月,為240—390 mm,最小月是1月,為15—45 mm。多年平均氣溫自下游平原向上游山區逐漸降低,氣溫年際變化較大,年均溫為4—9℃,7月份最高,平均在20—30℃,1月份最低,平均為-18—-10℃[24]。

遼河保護區成立后,河岸帶主要包括封育區(河道兩側500 m范圍內)和農田耕作區(河道兩側500 m范圍外),所占面積比例分別約為42%和30%。遼河保護區內生態系統修復措施包括自然恢復(封育)、濕地(支流河口濕地、坑塘濕地和牛軛湖濕地)建設和人工經營牧草地,所占面積比例分別為36.17%、22.56%和0.52%。其中坑塘濕地面積共6.72 km2,單個濕地面積范圍為0.07—0.95 km2;牛軛湖濕地面積共87.83,單個濕地面積范圍為1.04—36.93 km2;支流河口人工濕地面積共26 km2,單個濕地面積范圍為0.5—7 km2[24]。遼河保護區土地利用專項規劃中,遼河保護區自上而下被劃分為8個河段[24](圖1)。遼河保護區成立后,福德店—三河下拉段和柳河—盤山閘段以自然生態恢復為主;清河口—拉馬河段以坑塘濕地恢復為主;三河下拉—清河口段采用人工濕地技術和牛軛湖建設為主;石佛寺水庫—柳河口河段以自然濕地恢復為主;盤錦城市段是人類活動干擾嚴重,多數河道已被渠道化;遼河口保護區段是遼寧遼河口國家級自然保護區,植被生長良好[24]。由于遼河口保護區段的植被覆蓋動態不受遼河保護區成立的影響,因此本研究的植被覆蓋時空動態分析不涉及該河段。

圖1 遼河保護區地理位置圖Fig.1 The locations of Liaohe River Reserve

1.2 數據來源與處理

1.2.1 NDVI數據

本文采用的NDVI數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.gscloud.cn)提供的中國500M NDVI月合成產品MODND1M。該產品是通過最大值合成法由MODND1D計算得到的,MODND1D產品是由MOD09GA經過拼接、切割、投影轉換、單位換算等過程加工而成。MODND1M產品的空間分辨率是500 m,本文的時間尺度是2000年1月至2016年2月。在ArcGIS 10.1中,利用研究區邊界截取下載的MODND1D數據獲得遼河保護區NDVI時序數據集。

1.2.2 氣象數據

考慮到氣候因素對植被的影響可能存在“時滯效應”[6],本文氣象數據的時間尺度前推一年從1999年1月至2016年2月。氣象數據來源于中國氣象局氣象數據中心(http://data.cma.cn/site/index.html),包括中國地面降水和氣溫月值0.5°×0.5°格點數據集以及中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)。采用反距離加權插值(IDW)方法對下載的降水、氣溫和日照時數的數據集進行空間插值,獲得統一分辨率(0.01°×0.01°)的柵格數據。在ArcGIS 10.1中,利用研究區邊界提取遼河保護區的氣象數據,通過計算可得到月、季節和年數據。

1.3 分析方法

根據研究需要,本文將研究時段劃分為年際、季節和月份3種時間尺度。季節劃分采用氣象學上的標準：春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12—次年2月)[17]。各研究時段的NDVI平均值作為該研究時段的NDVI值,采用趨勢分析法分析NDVI的年際變化。

1.3.1 NDVI的空間分布特征

分析NDVI的空間分布特征時,分別取遼河保護區成立前和成立后NDVI的多年平均值代表研究區的植被覆蓋狀況,以此分析遼河保護區成立前和成立后NDVI空間分布的差異。

1.3.2 NDVI的時間變化趨勢

NDVI的時間變化趨勢利用ENVI 軟件中的趨勢分析模塊對每個柵格的NDVI值進行一元線性回歸,回歸方程的斜率代表NDVI的年際變化速率[17]。計算公式如下：

分析NDVI的年際變化時,式中：slope為斜率,即變化速率;i為年序號;NDVIi為第i年的NDVI。當slope>0時,則該柵格的NDVI年際變化趨勢是增加的;反之則說明NDVI變化趨勢是減小的;當slope=0時表明該柵格的NDVI無年際變化。

分析NDVI季節尺度上的年際變化時,NDVIi為第i年某一季節的NDVI。

通過查詢相關系數檢驗表中0.05顯著水平的R2閾值檢驗slope的顯著性。當某一像元的R2大于閾值,slope>0時,說明該像元的NDVI呈顯著增加的年際變化趨勢;當某一像元的R2大于閾值,slope<0時,說明該像元的NDVI呈顯著減小的年際變化趨勢;當某一像元的R2小于閾值,說明該像元的NDVI無顯著年際變化。采用Google Earth遙感影像驗證NDVI趨勢分析結果[5]。

1.3.3 NDVI變化的驅動因素

選取氣溫、降水和日照時數分析研究區內NDVI與氣候因素的相關性。如果各氣候要素之間存在顯著相關性,則采用偏相關分析;反之,則采用雙變量相關分析。相關分析在SPSS 17.0中完成。

2 結果與分析

2.1 多年平均NDVI的空間分布特征

在各研究時段(2000—2009年和2010—2015年),遼河保護區河道附近的NDVI均較低(圖2)。2001—2009年,遼河保護區遠河道區域的NDVI多為0.4—0.45,且無明顯的空間變化。2010—2015年,遼河保護區NDVI的空間變異較大,低植被覆蓋區域(NDVI<0.4)所占面積較小,主要分布于盤錦城市河段、石佛寺水庫和柳河入河口下游4 km范圍內;0.45—0.5之間的植被覆蓋區域所占面積最大,廣泛分布于遼河保護區內;三河下拉上游2 km范圍內和下游張荒地遼河大橋處河流左岸有小面積高植被覆蓋(NDVI>0.5)區域分布。

2.2 NDVI的時間變化特征

2.2.1 多年平均NDVI的年內變化

遼河保護區成立前(2000—2009年)和成立后(2010—2015年)的NDVI年內變化均呈單峰模式(圖3)。月NDVI最小值出現在1月份,隨著溫度回升,NDVI逐漸增加。4—6月份NDVI迅速增加,7月份達到峰值,隨后逐漸下降,9—12月植被NDVI迅速減少。通過對比遼河保護區成立前和成立后的月NDVI發現,除8月和9月份外,其他月份的NDVI在遼河保護區成立后均高于成立前的(圖3)。

圖2 遼河保護區NDVI的空間分布圖Fig.2 The distribution of NDVI in Liaohe River Reserve

圖3 遼河保護區NDVI的年內變化Fig.3 Intra-annual variations of NDVI in Liaohe River Reserve

2.2.2 年和季節NDVI的年際變化

圖4 遼河保護區季節和年NDVI的年際變化 Fig.4 Inter-annual variations of season and year NDVI in Liaohe River Reserve

遼河保護區不同季節和全年的NDVI從2000年到2015年整體上呈增加趨勢(P<0.01;圖4)。遼河保護區成立前不同季節NDVI增加的顯著性由高到低依次是：夏季(P=0.017)>春季(P=0.275)>冬季(P=0.453)>秋季(P=0.469);遼河保護區成立后則是春季(P=0.001)>冬季(P=0.006)>夏季(P=0.057)>秋季(P=0.516)。可見,遼河保護區成立前植被覆蓋的增加主要發生在夏季,遼河保護區成立后則主要發生在春季和冬季。

基于像元的一元線性趨勢分析顯示NDVI年際動態存在空間差異。遼河保護區成立前,年NDVI顯著增加的像元占41.97%;夏季約41.81%的像元NDVI顯著增加,主要分布在盤山閘以上河段;春季、秋季和冬季NDVI顯著增加的像元較少,所占比例分別是14.65%、4.23%和0.52%(圖5)。春季、夏季、秋季和冬季NDVI顯著減小的像元較少,所占比例分別為1.54%、0.13%、0.26%和0.36%,主要分布在盤錦城市段(圖5)。

遼河保護區成立后,年NDVI顯著增加的像元占47.87%;春季約53.95%的像元NDVI顯著增加,廣泛分布在遼河保護區各個河段;冬季約22.15%的像元NDVI顯著增加,主要分布在石佛寺水庫—柳河段;夏季NDVI顯著增加的像元主要分布在柳河—盤山閘段,所占比例為13.20%;秋季NDVI顯著增加的像元較少,所占比例為3.90%(圖6)。春季、夏季、秋季和冬季NDVI顯著減小的像元較少,所占比例分別為0.16%、0.43%、2.20%和0.00%,主要分布在距河道較遠的大堤附近(圖6)。

圖5 2000—2009年遼河保護區季節和年NDVI的變化趨勢 Fig.5 The change trends of season and year NDVI from 2000 to 2009 in Liaohe River Reserve顯著性水平P=0.05

圖6 2010—2015年遼河保護區季節和年NDVI的變化趨勢 Fig.6 The change trends of season and year NDVI from 2010 to 2015 in Liaohe River Reserve顯著性水平P=0.05

2.3 NDVI與氣候的相關性

遼河保護區降水、氣溫和日照時數之間的相關性分析表明,降水與氣溫顯著正相關(r=0.71,P<0.01),氣溫與日照時數顯著正相關(r=0.48,P<0.01),而降水與日照時數無顯著相關性(r=0.024,P>0.05)。故分析NDVI與降水和氣溫的相關性時,采用偏相關分析;分析NDVI與日照時數的相關性時,采用雙變量相關分析。

季節尺度上,NDVI與氣候因素的相關分析表明(表1),遼河保護區成立前的春季NDVI與當季(春季)降水顯著正相關(P<0.05);夏季NDVI與當季(夏季)氣溫顯著負相關,與前期1季(春季)降水顯著正相關(P<0.05);冬季NDVI與當季(冬季)氣溫和日照時數顯著正相關(P<0.05)。遼河保護區成立后僅夏季NDVI與前期1季(春季)氣溫和當季(夏季)日照時數顯著正相關(P<0.05)。

表1 季節NDVI與降水量、氣溫和日照時數的相關關系

*P<0.05,**P<0.01. 年NDVI與氣候因素之間均無顯著相關性(P<0.05),表中未顯示

月尺度上,NDVI與氣候因素的相關分析表明,2000—2009年遼河保護區當月NDVI與降水和日照時數的相關系數高于2010—2015年的,與氣溫的相關系數低于2010—2015年的(表2)。遼河保護區成立前和成立后月NDVI與氣溫的相關性均高于與降水和日照時數的相關性(表2)。

2000—2009年NDVI與降水和氣溫的偏相關系數最大值出現在前期1個月,與日照時數的相關系數最大值出現在前期3個月(表2)。可見,遼河保護區成立前NDVI對降水和氣溫的響應存在1個月的滯后期,對日照時數的響應存在3個月的滯后期。2010—2015年期間NDVI與降水的偏相關系數最大值出現在當月,與氣溫的偏相關系數最大值出現在前期1個月,與日照時數的相關系數最大值出現在前期3個月(表2)。可見,遼河保護區成立后NDVI對降水無滯后效應,對氣溫的響應存在1個月的滯后期,對日照時數的響應存在3個月的滯后期。

表2 月NDVI與降水、氣溫和日照時數的相關系數

*P<0.05,**P<0.01.RNDVI·降水：NDVI與降水的偏相關系數;RNDVI·氣溫：NDVI與氣溫的偏相關系數;RNDVI·日照：NDVI與日照時數的相關系數

3 討論

從空間分布來看,遼河保護區低NDVI區域主要分布在河道附近,頻繁的洪水干擾和飽和的土壤水分導致多數非耐受性物種難以在河道附近生存[25- 26],從而降低了地表植被覆蓋。遼河保護區成立前,河道兩側土地利用以農田為主,單一的耕作方式形成較為均一的地表覆被,導致NDVI無顯著空間差異。而遼河保護區成立后,NDVI的空間差異顯著。盤錦城市段以城市景觀用地為主,NDVI較低;由于水體具有較低的NDVI[27],導致石佛寺水庫河段的NDVI較低;柳河是遼河干流的主要泥沙來源之一,來沙大部分淤積在柳河口以下河道內,河漫灘淤高、土壤沙化[24],不利于植被生長;三河下拉和張荒地遼河大橋附近的高NDVI源于生態示范區和人工濕地的建設[24]。

NDVI的年內變化與植被物候節律有較好的響應關系。遼寧地區農業耕作為一年一熟制,自然植被在年內完成一個生長周期,因此保護區成立前和成立后的NDVI均呈單峰變化趨勢,峰值出現在7月份。陜北地區的NDVI在8—9月份達到峰值[11, 28],華北地區NDVI在8月份達到峰值[29],云南省的NDVI峰值集中在7—9月份[12],浙江省的NDVI峰值出現在8月份[30],可見遼河保護區的植物生長季較短,這主要受當地氣候條件的影響。農田相對草地而言具有更短的生長季[31],遼河保護區成立后各月NDVI(8、9月份除外)高于成立前的,表明遼河保護區成立后植被的返青日期提前、枯黃日期延后。遼河保護區地表多為風沙土,遇水易塌陷,遼河保護區成立前,在農田休耕期、作物萌發前或收割后,地表裸露,植被稀少,風力和暴雨的侵蝕易造成河岸帶水土流失和土壤沙化[24]。植被具有防風固沙、截留降雨和增加土壤入滲等功能[17],因此遼河保護區成立后NDVI的增加,尤其是春季NDVI的增加,對于減少風沙侵蝕和水土流失具有重要意義。

氣溫、降水和日照時數與年NDVI的年際動態無顯著相關性,而與季節NDVI的年際動態密切相關,且遼河保護區成立前和成立后氣候因素對季節NDVI年際動態的影響存在差異。春季為植被萌發期,氣候變化對植被生長季的開始日期具有重要作用[32],從而影響全年NDVI的變化。遼河保護區成立前,農田春季NDVI受春季降水的影響比氣溫顯著,春季降水的增加會使春季物候提前,從而促進春季和夏季NDVI的增加;夏季氣溫的升高會增加植物蒸發,減少植被可利用水量,不利于夏季NDVI增加[14];冬季氣溫升高和日照時數增長會促進越冬作物的生長,促進冬季NDVI增加。遼河保護區成立后,春季溫度的升高會使自然植被的春季物候期提前[33],有利于春季和夏季NDVI的增加,其中春季氣溫升高對夏季NDVI增加具有顯著促進作用;另外,夏季日照時數的增長使植被光合作用增強,促進植被生長,從而增加了夏季NDVI。

月尺度上,遼河保護區年內植被生長主要受氣溫影響。遼河保護區成立前和成立后NDVI對氣溫的響應均存在1個月的滯后期,且成立前NDVI與氣溫的相關系數低于成立后的,表明保護區成立后NDVI動態對氣溫變化更敏感。有研究表明,相對于草地而言,農田對降水更為敏感,因而與降水因子之間具有更高的相關系數和更短的滯后期[14]。因此,遼河保護區成立前NDVI與降水的相關系數高于保護區成立后的,但遼河保護區成立前NDVI對降水的響應存在1個月的滯后期,遼河保護區成立后無滯后效應。遼河保護區成立前和成立后NDVI與日照時數的相關系數無差異,且均存在3個月的滯后期,可見不同土地利用/土地覆被條件下NDVI年內動態對日照時數的變化均不敏感。

遼河保護區成立前和成立后影響NDVI動態的人類活動發生了變化。遼河保護區成立前,影響NDVI動態的主要人類活動為農田耕作。隨著經濟發展和人口增長,提高農作物產量是必需的農業經營手段,大量的化肥和農藥以及新產品和新技術被投入使用,促進農作物生長,從而引起農作物生長旺季(夏季)的NDVI顯著增加。NDVI顯著減小的像元主要分布在盤錦城市河段,該河段在遼河保護區成立前已建有一定規模的城市景觀[24],建設過程中的人類活動導致NDVI減少。遼河保護區成立后,自然恢復(封育)、濕地(支流河口濕地、坑塘濕地和牛軛湖濕地)建設和人工經營牧草地等生態恢復措施促進了河岸自然植被的演替,大多數像元的春季NDVI顯著增加,生態系統得到恢復。盤錦城市河段在遼河保護區成立后被重新規劃以恢復其濕地生態系統功能[24],其春季和夏季NDVI均顯著增加,表明生態恢復規劃和生態管理促進了NDVI的增加。遼河保護區成立后NDVI減小的區域多位于封育范圍外的生產用地(以農田為主),表明遼河保護區成立后NDVI的增加主要來源于封育區。

不同生態恢復措施下NDVI的年際動態存在差異。就人工濕地建設而言,大型牛軛湖濕地NDVI無顯著變化;重要支流河口人工濕地NDVI顯著增加;坑塘濕地NDVI顯著增加。支流河口人工濕地和坑塘濕地單元面積較小,小型人工濕地建設有助于NDVI的增加,而大型人工濕地內部形成的大面積水域削弱了濕地對NDVI增加的促進作用[27]。人工經營的恢復措施主要是指人工牧草地,人工牧草地內多數像元的NDVI無顯著變化,表明人工經營牧草地對NDVI動態無顯著作用。封育區內的自然恢復促進了NDVI增加,其中春季NDVI增加顯著。自然恢復河段柳河—盤山閘段部分區域的冬季和夏季NDVI亦顯著增加,該河段通過種植有抗性的喬木、灌木和草本逐步實現自然恢復[34];而在上游通過引種土著植物,利用物種的自我繁殖能力恢復植被群落的福德店—三河下拉段[34],僅春季NDVI顯著增加,其他季節均無顯著變化。河岸帶是受干擾較為嚴重的生態系統,因此在自然恢復過程中,通過引種有抗性的先鋒物種可以促進植被恢復,提高NDVI。

4 結論

2000—2015年遼河保護區的NDVI呈逐年增加趨勢,且遼河保護區成立后NDVI的年際增加趨勢較成立前顯著。遼河保護區春季風沙大,春季NDVI的增加可以減少風沙侵蝕和水土流失,保護區成立后春季NDVI的年際增加趨勢說明遼河保護區的防風固沙功能正在逐漸恢復。氣候因素和人為因素是NDVI時空動態過程中的重要驅動因素,不同土地利用/土地覆被條件下,NDVI時空動態過程中氣候因素和人為因素的相對貢獻可能存在差異。遼河保護區成立前遼河兩岸的土地利用以農田為主,耕作活動在NDVI時空動態過程中發揮了更為重要的作用;而保護區成立之后,河岸農田撂荒,生態恢復措施更為重要。通過分析不同人類活動對NDVI動態的影響可以為植被恢復提供科學依據。本文定性地分析了人為因素在NDVI時空動態過程中的作用,但缺乏定量依據,因此需要獲取更多與人類活動相關的量化指標,以全面地分析不同土地利用/土地覆被條件下氣候因素和人為因素對NDVI動態的相對貢獻。