黑龍江省多年凍土區植被NDVI時空變化及其與地溫的響應

李珺瑤 張冬有 王吉祥

摘要?利用1982—2006年NOAA AVHRR-GIMMS NDVI和2002—2010年MODIS NDVI 這2種數據并結合周邊13個氣象站的地表溫度數據，分析1982—2010年黑龍江省多年凍土區生長季植被NDVI在時間和空間上的尺度變化及其與地表溫度的響應關系。結果表明，黑龍江省多年凍土區生長季GIMMS NDVI和MODIS NDVI對植被NDVI具有很好的指示作用;1988—2004年植被波動較大，2004年以后植被增長趨勢逐漸放緩，趨于平穩;在1982—2006年，植被NDVI與地表溫度5月為顯著正相關，6月相關性很弱，7、9、10月呈低度相關，8月則相關性顯著。在2002—2010年，5、10月為低度相關，6月為顯著相關，7—8月相關性較弱，9月為顯著相關?？傮w來看，植被覆蓋度不斷變好;植被NDVI與地表溫度具有較強的相關性，年際變化總趨勢較為相似，具有同期性。

關鍵詞?NDVI;時空變化;地溫;響應;黑龍江省多年凍土區

中圖分類號?X171?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2020）14-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.020

Abstract?Using data of 1982-2006 NOAA AVHRR-GIMMS NDVI and 2002-2010 MODIS NDVI combined with surface temperature data of 13 weather stations， the spatial and temporal scales of the vegetation NDVI in growing season in the permafrost regions of Heilongjiang Province during 1982-2010 were studied and their response to surface temperature was analyzed. The research showed that the GIMMS NDVI and MODIS NDVI in the growing season of permafrost regions in Heilongjiang Province were consistent， and both had a good indication of vegetation NDVI. From 1988 to 2004，the trend of vegetation fluctuation was obvious. After 2004， the vegetation growth trend gradually slowed down and stabilized. During 1982-2006， vegetation NDVI was positively correlated with land surface temperature and significantly correlated in May. The correlation was very weak in June， with low correlation in July， September and October， and significant in August. During 2002 - 2010， May and October were low-level correlations， and June was a significant correlation，the correlation between July and August was weaker and September was significant. On the whole， the vegetation coverage continued to improve. The NDVI of vegetation had a strong correlation with surface temperature， and the interannual variations were similar and had the same period.

Key words?NDVI;Temporal and spatial variation;Ground temperature;Response;Permafrost region of Heilongjiang Province

凍土是指溫度在0 ℃或0 ℃以下，且含有冰的巖石與土壤[1-2]。凍土一般分為三大類，即短時凍土、季節凍土和多年凍土。當土壤凍結時間一直持續數年甚至達到1萬年以上時，凍結時間最長即定義為多年凍土。多年凍土在冰凍圈的重要作用已經逐漸得到證實，它在冰凍圈的地位舉足輕重，發揮著不可替代的作用。黑龍江省多年凍土區主要分布在其西北部，是我國凍土分布的第二大地區，也是我國高緯度多年凍土區分布的主要地區之一，主要是大小興安嶺地區，其分界線大約在48°N以北地區，面積約為15×104 km2，凍土層厚度在5～100 m[3]。黑龍江省多年凍土區氣溫增加，以及帶來一系列生態環境問題，受到了廣泛關注。

Rouse等1974年提出的歸一化植被指數（normalized difference vegetation index，NDVI），可直接表征某一地區植被覆蓋度，已被廣泛用于植被變化分析[4-6]。隨著遙感技術的發展，通過遙感技術和空間分析軟件對全球和區域的宏觀變化進行研究成為最常用的手段，遙感技術對植被動態變化方面的研究也具有一定的說服力。Wang等[7]通過對1989—1997年堪斯薩州遙感NDVI對降水和溫度的響應分析，了解NDVI與氣候間的響應，為預測不同氣候情景下的生產力變化奠定了基礎。閆俊杰等[8]利用MODIS NDVI對新疆伊犁河谷的植被變化進行了研究，分析了伊犁河植被覆蓋度隨海拔的變化;白建軍等[9]利用MODIS數據中MOD13Q1產品研究了2000—2010年陜北地區植被NDVI時空變化與氣候的相互關系。在GIMMS NDVI和MODIS NDVI的對比研究中，Xu等[10]利用GIMMS NDVI和MODIS NDVI對中國干旱區的氣候響應進行了研究;陳京華[11]將GIMMS NDVI和MODIS NDVI結合，對祁連山植被NDVI變化特征及其與氣候的關系進行了研究;邵霄怡等[12]將GIMMS NDVI和MODIS NDVI結合，對黃土高原地區植被進行了監測研究，結果表明2種數據都能夠有效地反映出黃土高原地區的植被變化特征，但是MODIS NDVI更加精確。

為了進行長時間序列分析需要對2種數據進行一致性檢驗，該研究將MODIS與GIMMS的2002—2006年黑龍江省多年凍土區生長季（5—10月）年平均NDVI 進行相關分析（圖2）。從圖2可以看出，GIMMS NDVI和MODIS NDVI數據呈現出了一定的線性關系，得到方程為?y=0.922 56x+0.091 41（R2=0.859）?，通過了0.05的置信水平檢驗，由此看出，盡管GIMMS數據分辨率比較低，但是對于植被NDVI的變化研究依然具有很好的指示作用。

2.2?植被NDVI生長季時間分布特征

通過對生長季（5—10月）NDVI變化特征進行研究，得到結果如圖3～4所示。從圖3可以看出，1982—2006年多年凍土區植被生長季GIMMS NDVI波動較大，相關性微弱，?R2?為-0.036。最低值出現在2003年，最高值出現在1989年。1982—1983年NDVI下降趨勢明顯;1984—1989年NDVI整體呈現上升趨勢;1990—1993年，NDVI呈下降趨勢;1994—1997年，NDVI又呈現上升趨勢，前1年增長速度較快，之后幾年NDVI增加趨勢緩慢;1998—2003年，NDVI呈現出下降趨勢，前1年下降趨勢明顯，中間下降趨勢緩慢，然后又迅速下降;2004—2006年，NDVI一直呈現上升趨勢，但上升趨勢逐漸放緩。

從圖4可以看出，2002—2010年多年凍土區生長季MODIS NDVI波動較小，相關性較弱，?R2?為0.389 8。最低值出現在2002年;最高值出現在2010年。2002—2010年NDVI總體呈現上升趨勢，2005—2008年NDVI連續減小，但下降趨勢緩慢。

整體來看，可以將1982—2010年多年凍土區NDVI變化趨勢大致分為5個階段：第1階段為1982—1989年，NDVI雖有小幅度波動，但總體上呈持續增加趨勢;第2階段為1990—1993年，NDVI表現下降趨勢;第3階段為1994—1997年，NDVI表現一定的回升趨勢;第4階段為1998—2003年，NDVI呈現緩慢下降的趨勢，期間伴隨著小幅波動;第5階段為2004—2010年，NDVI呈現出上升趨勢。黑龍江省多年凍土區這5個階段植被NDVI的生長季變化趨勢與人類活動和當地的氣候變化有重要的關系。

2.3?植被覆蓋變化趨勢分析

Theil-Sen Median趨勢分析法和Mann-Kendall檢驗相結合能夠有效地反映出多年凍土區生長季NDVI變化趨勢的空間分布特征。將Theil-Sen Median趨勢分析計算的?S?NDVI值和Mann-Kendall檢驗計算的?Z?值進行分級。將?S?NDVI介于-0.000 5和0.000 5劃分為穩定不變，?S?NDVI≥0.000 5劃分為改善區域，?S?NDVI≤0.000 5劃分為退化區域。將Mann-Kendall檢驗在0.05置信水平上的顯著性結果劃分為顯著變化（?Z>1.96或Z?<-1.96）和不顯著變化（-1.96≤?Z?≤1.96）。將Theil-Sen Median趨勢分析的分級結果和Mann-Kendall檢驗的分級結果進行疊加，得到像元尺度上NDVI變化趨勢數據，并將結果劃分為5種變化類型（表1）。

從表1可以看出，黑龍江省多年凍土區1982—2010年生長季植被改善區域占植被覆蓋總面積的39.38%，沒有發生顯著變化的區域占30.65%，輕微退化的區域占22.61%，嚴重退化的區域占7.36%。

從圖5可以看出，1982—2010年黑龍江省多年凍土區生長季地表植被改善的區域明顯大于植被退化的區域。明顯改善的區域分布在大興安嶺地區的中南部包括塔河縣、呼瑪縣以及黑河北部和東南部地區包括愛輝區、孫吳縣和遜克縣。輕微改善區域主要分布在大興安嶺地區北部和黑河中部。穩定不變區域則在黑龍江省多年凍土區內零散分布。嚴重退化區主要分布在黑龍江省多年凍土區的西部和東南部地區包括嫩江縣和遜克縣部分地區。輕微退化區主要分布在呼瑪縣北部、黑河中南部和伊春北部部分地區。

2.4?生長季植被NDVI與地表溫度的響應

一個地區的植被覆蓋狀況與地表溫度具有一定的關系，該研究選取了黑龍江省多年凍土區及其周邊地區的13個氣象站點的地表溫度數據，研究其與植被NDVI的年變化關系。從圖6～8可以看出，1982—2006年平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化在1982、1983、1984、1987、1989、1990、1991、1992、1994、1999、2000、2003、2005、2006年表現出較高的一致性，在其他的年份則表現出相反的趨勢;最高平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化總體趨勢基本一致，兩者同時增加或同時減少;但是在1985、1986、1992、1995、1996、1997、1999、2001、2002年GIMMS植被NDVI與最高地表溫度的年際變化呈現出相反的趨勢;最低平均地表溫度的年際變化與GIMMS NDVI的年際變化在1983、1985、1986、1987、1988、1989、1990、1991、1992、1996、1997、1998、1999、2002、2003、2004、2005、2006年呈現出一致的趨勢，在其余年份則表現出相反的趨勢。在2002—2010年平均地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的年際變化中，2005、2007、2010年的變化趨勢基本一致，同增同減，但是在2002、2003、2004、2006、2008、2009年的變化趨勢則相反;最高地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的年際變化在2004、2005、2010年具有一致性，其他年份則表現出了相反的變化特征;最低地表溫度的年際變化與MODIS NDVI的變化趨勢則具有較高的一致性，具體表現在2004、2005、2007、2008、2009、2010年，尤其是在后期一致性程度很高，其他年份則相反。這些變化都顯示出了植被NDVI對地表溫度的變化非常敏感，有些年份隨著地表溫度的升高，植被NDVI反而減少，僅進一步說明了植被NDVI與地表溫度存在一定的同期效應。

為了進一步研究植被NDVI與地表溫度的相關性，該研究通過計算生長季內（5—10月）月均NDVI與月均地表溫度的相關系數來分析植被NDVI與地表溫度的關系。由前期的研究可以看出，地表溫度對植被NDVI的影響具有同期性，所以該研究利用1982—2006年生長季逐月GIMMS NDVI和2002—2010年生長季逐月MODIS NDVI 2個時間段內的值，以及當月、前期1月、前期2月地表溫度進行相關分析，其相關系數如表2～3所示。

從表2可以看出，5月GIMMS NDVI與當月、前期1月、2月地表溫度均表現出顯著相關;6月GIMMS NDVI與前期1月、2月的地表溫度相關性均很弱，與當月地表溫度的相關系數高于其他2組，呈低度相關;7月GIMMS NDVI與當月地表溫度呈顯著正相關，與前期1月、2月地表溫度均呈低度負相關;8月GIMMS NDVI與前期1月、2月地表溫度均呈顯著正相關，與當月地表溫度呈弱相關;9月GIMMS NDVI與當月和前期1月地表溫度呈低度負相關;10月GIMMS NDVI與當月地表溫度的相關性較高，相關系數為0.464，表現出低度相關，與前期1月、2月地表溫度均為弱相關。

從表3可以看出，5月MODIS NDVI與當月和前期1月地表溫度均呈弱相關，與前期2月地表溫度呈低度負相關;6月MODIS NDVI與當月地表溫度呈顯著正相關，與前期2月地表溫度呈顯著負相關，與前期1月地表溫度表現出低度負相關性;7月MODIS NDVI與當月、前期1月、2月地表溫度的相關性均表現出弱相關;8月MODIS NDVI與前期1月、2月的地表溫度均呈弱正相關，與當月地表溫度呈弱負相關;9月MODIS NDVI與當月、前期1月、2月的地表溫度均呈正相關，與當月地表溫度相關性顯著，與前期1月、2月地表溫度相關性弱;10月MODIS NDVI與當月、前期2月的地表溫度呈正弱相關性，與前期1月地表溫度呈弱負相關。

3?結論

通過研究得出，GIMMS NDVI和MODIS NDVI具有一致性，二者對植被NDVI均具有很好的指示作用。1982—2010年，植被NDVI最低值出現在2003年，最高值出現在1989年;1988—2004年，植被波動趨勢明顯，2004年后，植被增長趨勢逐漸放緩，趨于平穩。地表覆蓋變化趨勢上，地表植被改善的區域明顯大于植被退化的區域。這與當地的人類活動和生產建設活動息息相關，前期黑龍江多年凍土區的居民環境意識薄弱，對生態環境破壞嚴重，亂砍亂劃，破壞森林和草地以及動植物;后期，國家開始出臺相關法律法規對黑龍江省多年凍土區的生態環境進行保護，對已破壞地區進行修護，鼓勵地方居民退耕還林，加大教育和宣傳，提高人們對凍土區生態環境的保護意識，使黑龍江省多年凍土區的森林和植被得到慢慢恢復。1982—2010年，黑龍江省多年凍土區植被NDVI與地表溫度具有較強的相關性，年際變化總趨勢較為相似，具有同期性。在1982—2006年，5月NDVI與地表溫度為顯著正相關，6月相關性很弱，7、9、10月表現出低度相關，8月則相關性顯著;在2002—2010年，5、10月為低度相關，6月為顯著相關，7—8月相關性較弱，9月為顯著正相關。

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