基于FY3/MERIS NDVI的遼寧省植被動態(tài)及與氣候因子關(guān)系研究

宋昀地　史洪杰　馮銳　紀(jì)源　盛晶博

摘要：基于風(fēng)云三號衛(wèi)星歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)和平均溫度、平均水汽壓、降水量、日照時(shí)數(shù)等9種氣候因子數(shù)據(jù)，采用趨勢分析、Pearson相關(guān)系數(shù)等方法，開展2009年-2019年遼寧省全域及分區(qū)域NDVI與氣候因子相關(guān)性和時(shí)間滯后性分析。結(jié)果表明：遼寧省NDVI與平均水汽壓相關(guān)性最好，與日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最差；分區(qū)域NDVI與氣候因子的相關(guān)性，除遼南外，與NDVI相關(guān)系數(shù)均高于全省。除平均相對濕度外，植被生長季（4-10月）NDVI與氣候因子相關(guān)性均低于全年。降水量、氣溫和地溫對NDVI的影響均存在著一定程度的時(shí)間滯后性，并且對植被生長茂盛期的影響要更為滯后。

關(guān)鍵詞：遼寧省；MERIS NDVI；氣候因子；相關(guān)性；滯后性

中圖分類號：X16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

由于自然資源開發(fā)過度，土地生產(chǎn)力被破壞。研究氣候變化對植被的影響，有助于植被恢復(fù)，改善生態(tài)環(huán)境。NDVI是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋的最佳指示因子，被廣泛用于植被長勢監(jiān)測和植被一氣候關(guān)系等研究。研究表明，氣溫、降水量、濕度和季節(jié)等氣候因素均對NDVI值產(chǎn)生顯著的影響。在進(jìn)行ND-VI與氣候因子關(guān)系的研究時(shí)，需要針對特定的研究區(qū)域和時(shí)間范圍進(jìn)行更深入的分析和探討。目前，風(fēng)云衛(wèi)星的數(shù)據(jù)積累已超過12年，具有監(jiān)測全球生態(tài)環(huán)境變化和自然災(zāi)害的能力。但FY3/MERIS NDVI數(shù)據(jù)與氣候因子的關(guān)系研究較少。文章基于FY3/MERIS NDVI數(shù)據(jù)集，選取平均溫度、最高溫度、最低溫度、地表溫度、5cm地溫、平均水汽壓、降水量、相對濕度、日照時(shí)數(shù)9種氣候因子，采用數(shù)理分析方法，開展2009年-2019年遼寧省植被動態(tài)變化分析及其對氣候變化的響應(yīng)，為遼寧省植被恢復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)安全保障、水土保持以及生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于歐亞大陸東岸，南北橫跨4個(gè)緯度，東西縱覽7個(gè)經(jīng)度，大小河流多達(dá)300多條，水系發(fā)達(dá)，多年平均降水量約在600-1100mm之間，東南多西北少，東濕西干，空間差異性明顯。遼寧省多年平均氣溫約7℃-11℃，由南向北氣溫遞減，遼東沿海地區(qū)受到海洋性氣候影響，冬季降溫和春季回溫相對于內(nèi)陸地區(qū)較為緩慢。地勢北高南低，山地丘陵分列東西，依據(jù)地理特征及氣候條件，將遼寧省分為5個(gè)區(qū)域（遼北、遼西、中部、遼南、遼東）（如圖1所示），針對遼寧省全域和5個(gè)不同區(qū)域分別進(jìn)行植被變化及其對氣候因子的響應(yīng)分析。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

FY3/MERSI數(shù)據(jù)來源于遼寧省氣象局地面直收站，以FY3B/MERSI為主，F(xiàn)Y3A/MERSI作為補(bǔ)充，數(shù)據(jù)分辨率250m，采用等經(jīng)緯度投影，經(jīng)定位校正后進(jìn)行逐日 NDVI計(jì)算，通過最大值合成法建立旬值NDVI，利用SG濾波生成2009年-2019年遼寧省NDVI數(shù)據(jù)集。

氣象數(shù)據(jù)來自遼寧省氣象局61個(gè)觀測站點(diǎn)，主要包括2009年-2019年全省61個(gè)站點(diǎn)的平均溫度、最高溫度、最低溫度、地表溫度、5cm地溫、平均水汽壓、降水量、相對濕度、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)。通過質(zhì)量控制檢測出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，采用剔除或用多年平均值取代等方式修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)處理，訂正后的氣候要素?cái)?shù)據(jù)具有較好的連續(xù)性。

2.2 研究方法

2.2.1 相關(guān)分析

采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)進(jìn)行NDVI與各氣候因子的相關(guān)分析，Pearson相關(guān)系數(shù)的變化范圍為-1到1，絕對值越大代表擬合程度越高。計(jì)算公式如式（1）：

式（1）中，r為相關(guān)系數(shù)，n為研究時(shí)段年數(shù)；X、Y為相關(guān)分析的兩個(gè)變量，Xi、Yi分別為樣本值。

2.2.2 滯后性分析

植被對氣候變化的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)，利用滯后相關(guān)系數(shù)分析遼寧省植被生長季NDVI對氣候響應(yīng)的滯后性，將旬NDVI最大值與同期、前1旬、前2旬、前3旬……的旬氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)，說明二者線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)越大，兩者間相關(guān)性越強(qiáng)。通過比較相關(guān)性的大小來確定時(shí)間滯后關(guān)系。計(jì)算公式如式（2）：

R=max{R0，R1，R2，…，R-1，Rn} 式（2）

式（2）中，R為最大的相關(guān)系數(shù)，R0，R1，…，Rn分別為NDVI與同期、前1旬……前n旬氣候因子間所計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)。若R=Rn，則NDVI對這一氣候因子變化響應(yīng)的滯后時(shí)間為n旬。

3 結(jié)果分析

3.1 NDVI時(shí)空變化特征

基于2009年-2019年遼寧省NDVI數(shù)據(jù)集，利用ENVI進(jìn)行時(shí)序變化趨勢率計(jì)算，得到遼寧省旬NDVI變化趨勢率。2009年-2019年遼寧省NDVI變化趨勢率在-0.001a-1-0.0017a-1之間，NDVI變化不明顯。

基于2009年-2019年遼寧省NDVI數(shù)據(jù)集，將5個(gè)區(qū)域內(nèi)的NDVI進(jìn)行平均計(jì)算，得到2009年一2019年遼寧省各區(qū)逐句NDVI（如圖2所示）。從圖2中可以看出，遼寧省5個(gè)區(qū)域的旬NDVI最大值多出現(xiàn)在8月上旬，旬NDVI最小值多出現(xiàn)在12月中旬。每個(gè)生長季，遼東NDVI均高于其他4區(qū)，4-6月份尤為明顯，與遼東有大面積的森林有關(guān)，與劉艷偉等人利用MODIS/NDVI的研究結(jié)論基本一致。2009年-2019年遼寧省NDVI年際變化呈震蕩趨勢，2014年、2015年和2017年遼寧省NDVI值偏低，可能與這幾年遼寧省均發(fā)生大范圍干旱有關(guān)。

3.2 NDVI與氣候因子的相關(guān)性

3.2.1 全年NDVI與氣候因子相關(guān)性

將年內(nèi)各旬NDVI取最大值，得到遼寧省2009年-2019年逐年NDVI，將其與9種氣候因子進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算（如圖3所示），均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，從圖3中可以看出，遼寧省全省NDVI與不同氣候因子的相關(guān)系數(shù)差別較大，與平均水汽壓相關(guān)系數(shù)最大，為0.79，與日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)最低，為0.14，與溫度類的氣候因子相關(guān)系數(shù)均較高，在0.73-0.78之間。高溫會導(dǎo)致植物光合作用減弱、蒸騰作用增加、水分虧缺加劇；低溫則會減緩植物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的速率，使植物的生長周期延長。67%的分區(qū)NDVI與不同氣候因子的相關(guān)系數(shù)高于全省，尤其是遼北和中部，9個(gè)氣候因子的相關(guān)系數(shù)均高于全省；在溫度類別氣候因子中，遼北、中部、遼東三個(gè)區(qū)相關(guān)系數(shù)均高于遼寧全省，尤其是平均5cm地溫，與NDVI的相關(guān)系數(shù)大于0.8，呈極強(qiáng)正相關(guān)。在水分類別氣候因子中，除遼南外，其余四區(qū)與NDVI相關(guān)系數(shù)均高于遼寧全省，平均水汽壓與NDVI相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.8以上，呈極強(qiáng)正相關(guān)。遼南對水分類需求少于其他地區(qū)，尤其降水量，可能是由于遼南臨海水分條件好，也可能是水體面積較大，對NDVI數(shù)值提取產(chǎn)生影響。

3.2.2 生長季NDVI與氣候因子相關(guān)性

為更好的描述植被生長與氣候因子之間的關(guān)系，將遼寧省2009年-2019年植被生長季（4-10月）各旬NDVI進(jìn)行最大值計(jì)算，得到生長季NDVI，將其與氣候因子進(jìn)行Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算（如圖4所示），均通過了0.01顯著性檢驗(yàn)。從圖4中可以看出，遼寧全省植被生長季NDVI與平均水汽壓相關(guān)系數(shù)最大，為0.66，其次是與溫度類氣候因子，相關(guān)系數(shù)在0.55-0.63之間，與相對濕度相關(guān)系數(shù)為0.53，與日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)最低，為-0.12。遼北、遼中、遼東三個(gè)區(qū)域生長季平均氣溫與NDVI相關(guān)系數(shù)高于遼寧全省，達(dá)到0.66。在溫度類別氣候因子中，遼北、遼西、中部和遼東四個(gè)區(qū)域的NDVI與平均5cm地溫的相關(guān)系數(shù)最好，地溫可以影響植物的根系活動和土壤中微生物的活動，進(jìn)而影響植物的養(yǎng)分吸收和水分利用效率；在水分類別氣候因子中，平均水汽壓與NDVI相關(guān)性最好，除遼南外，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.65以上，當(dāng)空氣中的水汽充足時(shí)，能與土壤中的水分形成平衡，使土壤不容易干旱，同時(shí)有助于有機(jī)質(zhì)的積累。

對比圖3和圖4得出，遼寧省植被生長季NDVI與相對濕度相關(guān)系數(shù)大于全年。生長季NDVI與溫度類氣候因子相關(guān)系數(shù)小于全年，可能是由于在4-10月溫度較高，溫度不是植被生長的限制因素，溫度與NDVI的相關(guān)性較小；生長季NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)小于全年，可能是由于遼寧省夏季雨水充沛，降水過于集中會使植被生長受到非生物脅迫，并且在農(nóng)田區(qū)域，受人工灌溉、排澇等影響較大。

3.2.3 春、夏、秋季NDVI與氣候因子相關(guān)性

將遼寧省的5個(gè)氣候分區(qū)的NDVI按照春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）分別進(jìn)行最大值計(jì)算，得到春、夏、秋季NDVI，將其與氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并采用柱形圖表示出5個(gè)分區(qū)全年NDVI與氣候因子相關(guān)性（如圖5所示），利于對同一分區(qū)不同時(shí)間尺度NDVI與氣候因子相關(guān)性進(jìn)行分析。春季遼中、遼南、遼北相對濕度與NDVI相關(guān)系數(shù)沒有通過顯著性檢驗(yàn)，夏季遼寧全省、遼西、遼北日照時(shí)數(shù)；遼東、遼南相對濕度；遼南地面溫度與NDVI相關(guān)系數(shù)沒有通過顯著性檢驗(yàn)，其余氣候因子與NDVI相關(guān)系數(shù)均通過了顯著性檢驗(yàn)（P<0.05）。由圖5得出，除降水量外，其余氣候因子在秋季與NDVI的相關(guān)系數(shù)均好于春、夏兩季。可能是由于春季植物生長緩慢、夏季NDVI基本達(dá)峰值，隨NDVI變化不明顯，秋季生長季的延長與氣候因子相關(guān)。秋季和春季日照時(shí)數(shù)與NDVI的相關(guān)性高于全年，遼東、遼南、遼中夏季NDVI與日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對值小于0.2，表現(xiàn)為不相關(guān)或相關(guān)性極弱。由于夏季日照充足，當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn)時(shí)，光合作用的強(qiáng)度不會隨光照強(qiáng)度增加而增加。遼北秋季與平均氣溫、最高氣溫、地面溫度、5cm地溫的相關(guān)性高于全年。5個(gè)區(qū)域中，遼北、遼中與溫度相關(guān)系數(shù)最高，可能是由于緯度相對較高，對溫度變化相對敏感。

3.3 NDVI與氣候因子相關(guān)時(shí)滯性

為研究降水與氣溫對NDVI影響的積累性與滯后性，選取植被生長茂盛期（6-8月）、植被生長季（4-10月）NDVI值與同期及前期氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析（如表1所示）。結(jié)果表明除遼東外，植被生長茂盛期6-8月NDVI與前7旬的平均氣溫、5cm地溫相關(guān)性最大，這可能由于遼寧省3-5月氣溫、地溫較低，植被生長茂盛期受前期溫度影響較大。這與畢馨予等利用SPOT/VEGE-TATION逐旬NDVI數(shù)據(jù)，研究遼寧省NDVI對溫度的滯后天數(shù)在遼寧省東南部向西北部逐漸延長結(jié)論部分相同。除遼寧東部、南部外，植被茂盛期6-8月NDVI與前7旬的降水量的相關(guān)系數(shù)最大。這可能是由于遼東的本溪和丹東、遼南的大連地區(qū)降水相對較為充足，降水因素不足以成為植被茂盛期生長的限制性因子。遼寧省中部和西部有大范圍大田作物集中種植區(qū)，作物前期生長發(fā)育對氣溫、地溫、降水有一定需求。另外遼寧西部屬于半干旱地區(qū)，高溫干旱時(shí)有發(fā)生，溫度及降水在一定程度上限制了植被生長。無論植被是生長季還是茂盛期，平均水汽壓對NDVI影響基本不存在滯后效應(yīng)，這與研究MODIS NDVI與MODIS EVI對氣候因子響應(yīng)結(jié)果相同，降水量對植被生長影響的持續(xù)時(shí)間比平均水汽壓長。

4 結(jié)論

遼寧全省NDVI與9種氣候因子中平均水汽壓相關(guān)性最好，其次是5cm地溫。分區(qū)域后，遼北、遼中、遼東溫度類氣候因子與NDVI相關(guān)性提高。除遼南外水分類氣候因子與NDVI相關(guān)性提高。生長季NDVI與9種氣候因子相關(guān)性中，依舊與平均水汽壓相關(guān)性最好。分區(qū)域后，遼北、遼中、遼東植被生長季平均氣溫與NDVI相關(guān)性提高。從時(shí)間尺度分析，除降水量外，秋季NDVI對氣候因子最為敏感，其次是春季。從時(shí)間滯后性分析，遼東地區(qū)植被茂盛期ND-VI受前期溫度影響更為明顯，而其余地區(qū)均受前期降水量和溫度的共同影響。NDVI與氣候因子表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但影響植被變化的因素還受土壤、地形、人為因素等影響，有待于今后開展進(jìn)一步研究，從而更好的揭示植被變化的復(fù)雜規(guī)律。