阴山北麓植被年总ndvi时空变化及其影响因素

阴山北麓植被年总ndvi时空变化及其影响因素

0阴山东北部阴山阴山北沿边界区植被生长状况变化植被是地球上最重要的覆盖物种之一，其生长形态对环境变化具有明显的指示作用。因此，植被生长及其变化的监测通常用于研究区域气候变化和生态环境变化。阴山北缘位于中国北方渔业区的中部。这是一个生态环境相对脆弱且对环境变化敏感的地区。在这项工作中，我们以阴山的植被为出发点，分析了植被生长的变化，研究了该地区的生态环境变化，为进一步研究中国北方生态安全和可持续发展提供了理论依据。还。遥感数据以其宏观、快速、廉价以及良好的时空连续性等特点成为了植被监测的重要数据源.其中利用绿色植被在可见光和近红外波段的不同反射特性构建的归一化植被指数(NDVI)能够客观地反映植被的生物量、植被覆盖等信息,是表达地表植被覆盖特征的重要指标,已被广泛运用于植被生长状况及其变化监测和覆盖分类等研究.本研究亦以NOAA/AVHRRNDVI数据集作为基础数据,监测阴山北麓地区1981—2003年间植被生长状况及其变异的时空特征,以此研究区域生态环境变化,并探讨以降水为主的自然气候因素以及以土地利用类型为代表的人为因素对区域植被生长状况及其年际变化的影响.1阴山山地气候特点阴山北麓横贯内蒙古自治区中部,属阴山山地向蒙古高原过渡带,是典型的农牧业交错地区.所选研究区的地理位置在40°42′～43°54′N,107°30′～113°42′E之间,行政单元包括二连浩特、苏尼特左旗、四子王旗、镶黄旗、达茂旗、乌拉特后旗、化德、商都、察右后旗、察右中旗、固阳、武川、临河、五原、乌拉特中旗等共15个旗县.该地区属中温带干旱、半干旱大陆性季风气候.多年平均降雨量为200～400mm,由东向西呈递减趋势,蒸发量达2000～2500mm,全年降水量的60%～70%集中在7—9月份,且多以暴雨形式出现,降水年变率大.原生植被主要是典型草原和荒漠草原,南部地区大部以旱作农业为主,农作物以春小麦、莜麦、马铃薯等为主.2数据和研究方法本文采用的遥感数据为8kmNASA/GIMMS半月合成的NDVI数据集,时间为1981—2003年,该数据集由美国NASAGodard空间飞行中心制作,采用最大值合成法(maximumvaluecomposite,MVC)合成半月植被指数,考虑了辐射校正、交叉定标、卫星漂移校正等.气象数据来自国家气象信息中心,中国气象局地面气象观测网站在研究区内布设的基本站、基准站共13个.收集这些站点1981—2003年以来的逐月降水量数据.气象站点的基本信息如表1所示.其他辅助地理数据有1∶400万土地利用类型图.根据本研究需要,土地利用类型分类主要采用一级类,但在耕地类型中细化到二级类,共获得包括灌溉地、旱地、草地、水域和未利用地在内的5个土地利用类型.其分布如图1所示.3研究区植被生长状况的时间序列分析我国北方地区多晴空天气,半月MVC合成的NDVI数据已经基本能够去除云的影响,因此本研究直接用1个月的上、下2个半月的NDVI数据取平均数得到该月NDVI值.根据已有的研究结论,植被生长季内NDVI的累积值与植被NPP高度相关,考虑到当地植被生长季主要集中在5—10月,因此将各年5—10月的月NDVI值累加得到该年总NDVI值,作为植被生产力大小的指标用于表征植被在该年的生长状况.计算研究区所有像元年总NDVI的平均值作为该年研究区整体的植被生产力.对研究区1981—2003年各年间的年总NDVI进行时间序列分析,获取20年来研究区整体植被变化的情况.计算研究区各个像元多年平均总NDVI值,分析近20年来平均年总NDVI的空间分布特征.为探讨植被生长活动与区域自然条件的相互关系,整理研究区内13个气象站点逐月降水量资料,累加得到年降水量,取13个气象站点年降水量的平均值作为研究区年降水量,形成研究区近20年来年降水量序列,进行时间序列分析,获得1981—2003年来研究区的降水量变化过程.对植被年总NDVI值和年降水量进行相关分析,以此研究自然气候因素对植被生长的影响作用.评价样本所在总体的属性,除分析样本中观测值的大小外,通常还应该评价样本的变异程度.因为样本变异程度反映了总体的稳定性和未来发展的不确定程度,是全面反映总体属性的有效方法.统计学中常用变异系数(correlationofvariance)来度量资料的变异特征.变异系数是以资料的算术平均数为基准,将标准差除以算术平均数得到:CV=sx¯,(1)CV=sx¯,(1)其中,cV为样本的变异系数,s为样本的标准差,x¯x¯为样本的平均值.本文计算了1981—2003年间研究区整体年总NDVI的变异系数,分析研究区近20年来植被生长状况的变异特征;同时计算各个像元年总NDVI的变异系数,用于分析研究区变异系数的空间分布特征.利用研究区1∶400万土地利用类型图,计算每个像元内不同土地利用类型图斑的面积,将占像元面积比例最大的土地利用类型作为该像元的土地利用类型.提取草地、灌溉地、旱地三类土地利用类型区,根据已得到的各像元的变异系数,统计不同土地利用类型像元的平均变异系数,分析不同土地利用类型对植被生长状况的影响.4结果4.1研究区域内植被生产力的时空变化特征4.1.1研究区年降水量对植被生长的影响从图2可见,研究区整体的年总NDVI在1981—2003年的20年间,在1.0～1.4之间波动,且幅度较小,极差仅0.36,多年平均值为1.19.从年总NDVI的5年滑动平均曲线来看,研究区植被总体生产力存在小幅度的增长趋势,以1994年为转折点,其后的5年滑动平均值均在多年平均值以上.这说明研究区的植被生长状况在近20年来比较稳定,整体上有所改善.有研究表明,我国北方干旱、半干旱地区,植被生长主要受区域水分条件的影响.本研究区地处我国北方农牧交错带中部,为探讨其植被生长状况随区域气候变化的演变规律,本文研究了研究区近20年来的年降水量随时间变化的规律,并分析了在此规律影响下植被的变化情况,以及两者的耦合关系.得到图3所示的区域年降水量时间序列图,图4所示的植被生长状况与降水量的散点图.从图3中看到,研究区在1981—2003年间,年降水量介于150～350mm之间,其时间序列趋势线显示了区域年降水量存在增大趋势,增长率约为平均19.3mm/10a.从图4可见,研究区年降水量与植被年总NDVI之间存在很高的正相关关系,相关系数达0.7,通过0.01的显著性检验.表明随着年降水量的增加,研究区年总NDVI也在增大,与图2所示的增长趋势一致.其次,年降水量对年总NDVI线性拟合的方差解释量达到50%左右(R2=0.4876),表明20年来年总NDVI上下波动产生的方差有近一半是因为区域降水的波动造成的.以上2点充分说明了区域年降水量是影响阴山北麓地区植被整体生长状况的主要因素,降水量的丰缺直接关系到植被的年际生产能力.因此,在近20年来研究区降水条件趋于增加的大背景下,区域整体的植被生长状况也有所改善.4.1.2阴山东北部阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山阴山植物生长状况植被生产力的空间分布能够影响区域生态环境系统的结构和功能,因此植被生产力的空间分布与其大小一样,也是区域植被状态监测的重要内容.本文进行了区域植被生产力空间分布研究,得到图5所示的空间分布图.由图5可见,在1981—2003年间,阴山北麓地区平均年总NDVI的分布有明显的空间差异,从南向北,平均年总NDVI由大到小,逐渐变小,呈4层次阶梯分布.总体而言,阴山北麓南部边缘,如临河、五原、乌拉特前旗西部以及化德、商都等旗县的平均年总NDVI最大,达1.82～2.78之间,表明这些区域是阴山北麓地区植被生长活动最旺盛、年生产力最大的区域.以此往北,在镶黄旗和商都、察右后旗、察右中旗、武川等旗县的北部年总NDVI的大小次之,介于1.38～1.81之间.再往北,阴山北麓中部,即苏尼特右旗、四子王旗和达尔罕茂名联合旗的南部,平均年总NDVI介于0.98～1.37之间.研究区北部边缘,即乌拉特中旗以及达尔罕茂名联合旗、四子王旗和苏尼特右旗的北部形成的条带状边缘平均年总NDVI最小,在1.00以下,该区域植被生长活动最弱,植被年生产力最小.平均年总NDVI南北差距最大处可达2.40左右.将图5所示的平均年总NDVI分布型与图1所示的阴山北麓地区土地利用分布型相对照发现:植被年际生产力指标平均年总NDVI的空间分布与区域土地利用类型的分布有一定的联系:总体来看,平均年总NDVI的高值区出现在南部农业区,包括大部分灌溉地和部分旱地,如临河、五原等旗县.而往北去,土地利用类型从灌溉地、旱地向不同覆盖度草地以及沙地、戈壁等未利用地过渡,平均年总NDVI也随之呈依次递减变化趋势.上述研究结果表明:研究区植被生长状态的时空变化规律为:近20年来,虽然研究区平均年总NDVI有增加的趋势,整体植被生长状况有所改善,但植被生长的区域差异明显,南部边缘小面积的农业区平均年总NDVI较大,而占总面积约75%的广大北部草原地区,植被生产力平均年总NDVI却很小,区域植被生长形势仍不容乐观.4.2研究区域内植被生产力的可变时空特征4.2.1样本所属的总体变异系数常用于比较2组以上资料或同一组资料的不同观测值之间的离散程度.变异系数越大,观测值之间的离散程度越大,差异也就越大,样本所属的总体越不平均、不稳定;反之,则表示观测值较集中的分布于平均值附近,样本所属的总体较稳定.根据式(1),用研究区年总NDVI在20年间的标准差除于20年来的平均值得到研究区植被生产力指标年总NDVI的变异系数,其值大小为0.08.可见全区变异系数较小,植被整体的生长状况较均匀,植被生产力系统基本稳定.这与图2研究区年总NDVI时间序列图反映的小幅度波动趋势相一致.4.2.2植被生产力年际变化特征显著,年际间变异系数的时间分布具有因子分析上的函数.根据研究区1981—2003年逐年年总NDVI数据,计算研究区各像元年总NDVI的变异系数,得到图6所示的研究区年总NDVI的变异系数的空间分布图.近20年来,研究区年总NDVI变异系数的空间分布同样具有显著的差异.与年总NDVI的空间分布特征相似,其变异系数的空间分布也呈阶梯状分布,但与平均年总NDVI分布不同的是,从南往北,变异系数由小到大表现为逐渐增大趋势,与平均年总NDVI恰好相反.在研究区南部边缘地带,如临河、五原、乌拉特前旗西部、察哈尔右翼中旗、商都以及察哈尔右翼后旗等,年总NDVI的变异性较小,仅在0.06～0.12之间.以此往北,到研究区中部变异系数增大到0.13～0.15之间.变异系数的最高值区出现在研究区最北部边缘,达到0.20～0.31,这些区域植被生产力的年际波动较大,植被生长状况变化的随机性明显,进而影响到区域生态环境系统的稳定性.综上所述,研究区近20年来整体的植被生产力年际变异程度较小,变异系数仅0.08.但区内不同局部,变异系数的大小差异显著,局部地区植被年际生长状况变异性大,不确定性明显.对比图5和图6发现,年总NDVI的空间分布与其年际变异系数的空间分布存在高度的相关性.年总NDVI由南往北从大到小的阶梯状层次与其变异系数由南往北从小到大的变化层次基本对应.通过研究区各像元平均年总NDVI与其年际间的变异系数的散点图及对两者进行相关分析,结果表明(如图7所示),研究区平均年总NDVI与变异系数之间存在0.01显著水平上的负相关关系,相关系数达到-0.51.即植被生长活动旺盛,生产力大的平均年总NDVI高值区,其变异系数同时也较小.即植被生产力年际间变异程度较小,区域植被生产较稳定的分布在平均值附近;而植被生长活动较微弱,生产力低的平均年总NDVI低值区,其变异系数却较大,植被生产力的年际变化量大,植被的生长状况不稳定,植被的生产力大小具有显著的不确定性.这样,研究区北部,广大的草地分布区,植被覆盖度低,植被年生产力平均年总NDVI不仅数值较小,而且年际变化激烈,逐年间草地的生产能力处于随机变化的不稳定状态,成为阻碍当地农牧业发展和威胁区域生态安全的隐患.对比变异系数的空间分布(图6)与研究区土地利用类型图(图1),变异系数低值区与研究区人工植被的集中分布区基本一致,即研究区南部的灌溉地和大部分旱地的农业区.而以此往北广大草地分布的牧业区,这些自然植被地区的年总NDVI的年际变异程度逐渐增大,跨越了0.16～0.19以及0.2～0.31两个变化阶.剔除水域、居民用地、戈壁和沙漠等未利用地后,统计草地、灌溉地和旱地等主要由植被覆盖的土地利用类型变异系数,结果为草地变异系数为0.099,旱地为0.092,灌溉地为0.072.对水浇地而言,人为的灌溉作用改变了区域的水分条件,保障了利于植被生长的稳定环境从而使植被常年均衡发展,植被生产力相对集中的分布在均值周围,所以变异系数较小.同理,旱地区域,人类通过选择作物品种、调整作物耕种制度以及有效的田间管理措施,促使作物生长适应区域环境,从而也能得到较稳定的产量,但是水分条件仍然限制了植被的健康生长,所以旱地的变异系数较自然植被草地的小,但仍略大于灌溉地.以此往北的草地,植被生长主要受自然条件的影响,缺乏人为管理活动的干涉,区域水分短缺和干旱频发导致了植被生产力大小年际波动大.5植被生产力年际变异程度本文利用NOAA/AVHRR的NDVI数据集,研究阴山北麓地区近20年来植被生长及年际变化的时空特征,并对其影响因素进行了初步分析,以此作为进一步研究区域环境变化的基础,得到以下结论:1)在1981—2003年间,阴山北麓地区年平均植被生产力及其年际变化的分布存在明显的空间差异,从南向北,植被生产力由大到小,逐渐变小,呈4层次阶梯式分布.阴山北麓南部边缘的平均植被生产力最大,北部边缘区域植被生长活动最弱,