基于MODIS的大别山区NPP及NDVI时空动态及相关性研究.pdf

D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 3-0 9 7 2.2 0 2 3.0 3.0 0 3 文章编号:1 0 0 3-0 9 7 2(2 0 2 3)0 3-0 3 6 2-0 5基于MOD I S的大别山区N P P及NDV I时空动态及相关性研究张红峰1,2,王怡恩3,顾治家3*,李泮营4,衣 强4,郭伟红4,郭 华4(1.郑州大学 黄河实验室,河南 郑州 4 5 0 0 0 1;2.河南省嵩县水土保持科学研究所,河南 嵩县 4 7 1 4 0 0;3.信阳师范大学 地理科学学院,河南 信阳 4 6 4 0 0 0;4.河南省水土保持监测总站,河南 郑州 4 5 0 0 0 8)摘 要:利用2 0 0 02 0 1 9年MO D 1 3 Q 1 N D V I和MO D 1 7 A 3 N P P遥感数据,在G I S空间分析技术支持下,利用相关分析、回归分析等方法,分析了该时段内大别山区归一化植被指数N D V I(N o r m a l i z e d D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n d e x)与植被净初级生产力N P P(N e t P r i m a r y P r o d u c t i v i t y)的时空变化特征,探讨了该区N P P与N D V I之间的相关性。研究结果表明:近2 0年来大别山区N D V I变化于0.7 30.8 1,多年均值为0.7 8,空间分布上呈现出由中心向四周边缘递减的趋势,大别山区在研究时段内植被N D V I呈现出波动上升的趋势,7 8.8 8%的大别山区植被处于改善趋势。N P P均值为4 9 7 g/(m2a),变化于4 0 25 7 6 g/(m2a),整体上呈现出“中间高、边缘低”的空间分布特征。自2 0 0 0年以来,大部分区域的N P P都呈增加的趋势。N P P与N D V I在时间变化上呈显著正相关,空间分布上绝大部分区域呈正相关,但不同植被类型上相关系数有所差别,其中针叶林的最高,其次为阔叶林、灌丛和草丛,栽培植被最低。关键词:归一化植被指数(N D V I);植被净初级生产力(N P P);大别山区;MO D I S中图分类号:Q 9 4 8 文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(O S I D):S t u d y o n S p a t i o t e m p o r a l D y n a m i c s a n d C o r r e l a t i o n o f N P P a n d N D V I i n D a b i e M o u n t a i n A r e a B a s e d o n MO D I SZ H A N G H o n g f e n g1,2,W A N G Y i e n3,G U Z h i j i a3*,L I P a n y i n g4,Y I Q i a n g4,G U O W e i h o n g4,G U O H u a4(1.Y e l l o w R i v e r L a b o r a t o r y,Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1,C h i n a;2.S o n g x i a n S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n I n s t i t u t e o f H e n a n,S o n g x i a n 4 7 1 4 0 0,C h i n a;3.C o l l e g e o f G e o g r a p h i c S c i e n c e s,X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y,X i n y a n g 4 6 4 0 0 0,C h i n a;4.S o i l a n d W a t e r C o n s e r v a t i o n M o n i t o r i n g S t a t i o n o f H e n a n P r o v i n c e,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 8,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n MO D I S s a t e l l i t e r e m o t e s e n s i n g d a t a o f MO D 1 3 Q 1 N D V I a n d MO D 1 7 A 3 N P P f r o m 2 0 0 0 t o 2 0 1 9,a n d s u p p o r t e d b y G I S s p a t i a l a n a l y s i s t e c h n o l o g y,t h e t e m p o r a l a n d s p a t i a l v a r i a t i o n s o f t h e N o r m a l i z e d D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n d e x(N D V I)a n d N e t P r i m a r y P r o d u c t i v i t y(N P P)i n t h e D a b i e M o u n t a i n a r e a d u r i n g t h e s a m e p e r i o d a r e a n a l y z e d c o m p r e h e n s i v e l y,a n d t h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s a n d r e g r e s s i o n a n a l y s i s a r e e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t e v e g e t a t i o n d y n a m i c s i n t h e D a b i e M o u n t a i n a r e a d u r i n g t h e p e r i o d o f i n t e r e s t.T h e f i n d i n g s i n d i c a t e t h a t:I n t h e p a s t t w o d e c a d e s,N D V I h a s e x h i b i t e d a v a r i a t i o n r a n g e o f 0.7 30.8 1 a n d a n a n n u a l a v e r a g e o f 0.7 8.T h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f N D V I d i s p l a y s a d e c r e a s i n g t r e n d f r o m t h e c e n t e r t o t h e p e r i p h e r y,w h i l e a l s o e x h i b i t i n g f l u c t u a t i n g u p w a r d t r e n d s b e t w e e n 2 0 0 0 a n d 2 0 1 9.D u r i n g t h i s p e r i o d,a p p r o x i m a t e l y 7 8.8 8%o f N D V I v a l u e s e x h i b i t e d i m p r o v e m e n t.N P P r a n g e s o n 4 0 25 7 6 g/(m2a)w i t h a n a v e r a g e v a l u e o f 4 9 7 g/(m2a),d i s p l a y i n g a s p a t i a l d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f“h i g h v a l u e s i n c e n t r a l r e g i o n s a n d l o w e r v a l u e s a t e d g e s”.N P P h a s e x h i b i t e d a n i n c r e a s e i n m o s t r e g i o n s s i n c e 2 0 0 0.T h e r e i s a s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c o r r e l a t i o n o b s e r v e d b e t w e e n N P P a n d N D V I.T h i s r e l a t i o n s h i p i s f o u n d t o b e p o s i t i v e a c r o s s m o s t r e g i o n s,a l t h o u g h t h e s t r e n g t h o f c o r r e l a t i o n v a r i e d a m o n g d i f f e r e n t v e g e t a t i o n t y p e s.C o n i f e r o u s f o r e s t s e x h i b i t t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t,f o l l o w e d b y t h e b r o a d l e a f f o r e s t s,s h r u b l a n d s a n d g r a s s l a n d s,w h i l e t h e c u l t i v a t e d v e g e t a t i o n s h o w s t h e l o w e s t c o r r e l a t i o n.K e y w o r d s:N o r m a l i z e d D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n d e x(N D V I);N e t P r i m a r y P r o d u c t i v i t y(N P P);D a b i e M o u n t a i n a r e a;MO D I S 收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 9;修回日期:2 0 2 3-0 4-2 7;*.通信联系人,E-m a i l:2 8 1 6 8 5 2 2 0 1 q q.c o m;g u.y a.n a n 1 6 3.c o m 基金项目:国家自然科学基金联合重点项目(U 2 0 0 2 2 0 9);信阳师范学院“南湖学者奖励计划”青年项目 作者简介:张红峰(1 9 7 4),男,河南洛阳人,高级工程师,主要从事水土保持监测与研究工作。263信阳师范学院学报(自然科学版)J o u r n a l o f X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y第3 6卷 第3期 2 0 2 3年7月 N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n V o l.3 6 N o.3 J u l.2 0 2 30 引言植 被 净 初 级 生 产 力N P P(N e t P r i m a r y P r o d u c t i v i t y)是评估生态系统碳平衡的基础1,它不仅可以反映陆地植被的生长状态,也常用来计算地球生态系统的二氧化碳吸收量,研究生态系统中的碳循环情况。目前,N P P已经被广泛应用于土地利用评价、气候变化、碳循环与碳扰动、自然资源管理和区域生态规划等方面2。归一化植被指数N D V I(N o r m a l i z e d D i f f e r e n c e V e g e t a t i o n I n d e x)是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子,对地面植被叶绿素变化具有敏感性和较高的时空分辨率,因此可以很灵敏地反映N P P的动态变化。早在1 9 9 1年已有研究者利用N D V I来分析和估测美国 大 平 原 的 植 被 初 级 生 产 力3。近 年 来 将N D V I数据应用到大尺度、长时间的环境监测以及植被对气候变化的响应成为了研究热点4-5。国内外针对N P P的研究侧重于其时空变化特征研究,并利用模型来估算植被净初级生产力。也有学者研究了N P P对气候因子的响应,但对于N P P与N D V I之 间 相 互 关 系 的 探 讨 还 需 要 进 一 步 深入6-7。虽有不少学者已对区域植被动态变化进行了大量研究,但对大别山区长时间序列植被N D V I、N P P变化及相互关系研究还远远不够8-9,尤其对于是否可以用N D V I对N P P有效地进行监测仍不明晰。基 于 此,本 文 利 用MO D 1 7 A 3 N P P和MO D 1 3 Q 1 N D V I遥感数据,分析2 0 0 02 0 1 9年大别山区N D V I和N P P的时空变化特征及其相关性,以期实现大别山区植被动态监测和植被生产力的估测,以便更有效地进行生态系统管理。1 研究区概况大别山区横跨河南、安徽、湖北3省,包括3 5个县(市、区)6 5 4 个乡、镇,地跨黄冈市、六安市、安庆市和信阳市,总面积约7 2 2 0 0 k m2,地理位置为1 1 2 4 0 1 1 7 1 0 E、3 0 1 0 3 2 3 0 N。该地区南北过渡性气候特征明显,年均温为 1 2.5,南部以大别山为主体,属北亚热带湿润季风气候,年均降水量 1 1 1 51 5 6 3 mm;北部属黄淮平原,为暖温带半湿润季风气候,年均降水量 6 2 39 7 5 mm1 0。大别山区主要为低山丘陵,林地、耕地所占面积大,为中国典型的集山区、库区、革命老区、贫困区于一体的特殊区域,也是我国中部地区的重要生态功能区和长江中下游地区的重要生态屏障1 1。2 数据来源与研究方法2.1 数据来源N D V I数 据 来 自 美 国 航 空 航 天 局L AA D S(h t t p s:/l a d s w e b.m o d a p s.e o s d i s.n a s a.g o v/)的MO D 1 3 Q 1植被覆盖指数数据,空间和时间分辨率分别为2 5 0 m和1 6 d,利用最大合成法构建季节和 年N D V I数 据 集。N P P数 据 来 自MO D 1 7 A 3 HG F陆地植被净初级生产力数据,空间和时间分辨率分别为5 0 0 m和1 a,时间跨度为2 0 0 02 0 1 9年。此外,利用MO D 1 3 Q 1数据校准了研究区内的MO D 1 7 A 3数据。研究区8个基准气象台站逐日的气温和降水数据来源于国家气象科学数据中心(h t t p:/d a t a.c m a.c n),时间序列为2 0 0 02 0 1 9年。研究区11 0 0万植被类型空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(h t t p s:/www.r e s d c.c n/)。2.2 研究方法(1)变化趋势采用一元线性回归分析的方法,用最小二乘法计算求得斜率(s l o p e),计算研究区2 0 a间植被的变化趋势。年际变化的最小次方线性回归方程的斜率被定义为N P P的变化率。计算公式如下:s l o p e=nni=1(iXi)-ni=1ini=1Xinni=1i2-ni=1i2,(1)式中:s l o p e是 回 归 方 程 的 斜 率,表 示 大 别 山 区2 0 0 02 0 1 9年间N D V I或N P P值随着时间变化的趋势。s l o p e0,表示随着时间的变化呈上升趋势,且s l o p e值越大,上升趋势越明显;s l o p e=0,表示无明显变化;s l o p e0,表示随时间变化而呈现下降趋势。Xi代表第i年N D V I或N P P值。N P PC=s l o p eN P P2 01 0 0%,(2)式中:N P PC代表N P P的变化率,N P P代表2 0 a N P P的平均值。(2)相关性分析研究区域内N P P与N D V I的相关性选用相关系数作为评价的定量化指标。3 结果与分析3.1 大别山区N P P动态变化2 0 0 02 0 1 9年大别山区年N P P变化范围为363张红峰,王怡恩,顾治家,等.基于MO D I S的大别山区N P P及N D V I时空动态及相关性研究4 0 25 7 6 g/(m2a),均值为4 9 7 g/(m2a),其中2 0 1 5年大别山区植被的年N P P最大,为5 7 6 g/(m2a),2 0 0 0年植被年N P P最小,仅为4 0 2 g/(m2a)。2 0 0 02 0 1 9年大别山区的N P P呈显著增加趋势(p3 0%的植被主要分布在信阳市南部及六安市中部,说明这些地区植被生长状况得到较好的改善(图2 b)。植被N P P的变化率-1 0%的植被主要零星分布在河南省信阳市与安徽省六安市交界线北部、湖北省黄冈市南部和安徽省安庆市南部。由此可见,人类活动对植被N P P的影响较大,尽管整体上来讲大别山区N P P逐年增大,但人类活动密集的区域N P P则不断降低。3.2 大别山区N D V I动态变化2 0 0 02 0 1 9年大别山区年N D V I变化范围为0.7 30.8 1,多年均值为0.7 8,N D V I最大值出现于2 0 1 5年,最小值出现于2 0 0 1年。2 0 0 02 0 1 9年大别山区植被N D V I整体上呈现增长的趋势,平均增长速率为0.2 5%(图1)。近2 0 a来N D V I的变化可以分成3个阶段:2 0 0 02 0 0 6年N D V I呈现快速上升,上升速率达到了0.8 7%;2 0 0 72 0 1 2年N D V I值 表 现 为 下 降 趋 势,下 降 速 率 为0.1 4%;2 0 1 32 0 1 9变化较为平稳,上升速率 为0.0 2%。2 0 1 82 0 1 9年N D V I下降幅度较大,是因为2 0 1 9年年降雨量急剧减少,仅为8 6 6 mm,远低于多年平均降雨(1 2 6 2 mm),同时日平均气温也高于正常年份,是2 0 1 4年以来的最高日均温。正是由于水热条件的变化,直接导致该时段内N D V I急剧降低。大别山区夏季N D V I最大,其次为春季和秋季,冬季最小(图3)。图3 2 0 0 02 0 1 9年大别山区各季节N D V I时间变化特征F i g.3 T e m p o r a l v a r i a t i o n o f s e a s o n a l N D V I i n D a b i e M o u n t a i n a r e a f r o m 2 0 0 0 t o 2 0 1 9在研究时间段内,各个季节都呈增长趋势,但变化也有所差异,春季N D V I呈极显著增加趋势(p0.0 1),多年平均值为0.5 8,最小值出现于463第3 6卷 第3期信阳师范学院学报(自然科学版)h t t p:/j o u r n a l.x y n u.e d u.c n2 0 2 3年7月2 0 0 0年,N D V I为0.5 4,2 0 1 6年 达 到 最 大 值 为0.6 6(图3 a);夏 季N D V I呈 显 著 增 加 趋 势(p0.0 5),多年平均值为0.7 5,最小值出 现在2 0 0 6年(0.6 4),最大值出现在2 0 1 5年(0.8 1)(图3 b);秋季N D V I也呈极显著增加趋势(p0.0 1),多年平均值为0.5 7。2 0 0 1年出现明显降低的趋势,N D V I为0.5 1,2 0 1 7年出现最大值为0.6 6(图3 c);冬季N D V I最小,多年平均值为0.4 0,但也呈显著增加趋势(p0.0 5)。冬季N D V I最小值出现在2 0 0 0年,最大值出现在2 0 1 6年(图3 d)。大别山区N D V I整体上呈现出由中心向四周递减的格局(图4 a),具有明显的区域差异,变化范围在0.0 0 30.9 3 7之间,绝大区域的N D V I在0.70.9之间。N D V I较低的区域主要分布在大别山区四周边缘。7 8.8 8%的区域植被处于改善趋势,5 4.2 1%的植被轻度改善,2 2.6 4%的植被中度改善;2.0 3%的植被明显改善,主要集中在安徽省六安市北部;但仍有1 1.1 0%的区域植被处于退化趋势,主要分布于大别山区南部的黄冈市和安庆市(图4 b)。图4 2 0 0 02 0 1 9年大别山区植被N D V I(a)及变化趋势(b)空间分布F i g.4 S p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f N D V I(a)a n d i t s v a r i a t i o n t r e n d(b)i n D a b i e M o u n t a i n a r e a f r o m 2 0 0 0 t o 2 0 1 93.3 大别山区N P P与N D V I的关系2 0 a间大别山区植被N P P和N D V I总体上均呈上升的趋势,且N P P与N D V I具有极强的相关性(相关系数为0.7 0 3,p0.0 1)。大别山区有8 5.8 1%的区域呈现正相关,有1 4.1 9%的区域呈现负相关。1 5.7 6%的区域呈现显著正相关,而呈现极显著正相关的区域占比为1 5.6 1%;有0.6 6%的区域呈显著负相关,有0.2 6%的区域呈极显著负相关。N P P与N D V I的相关性呈现西部高于东部的格局,相关系数较高的地区主要位于信阳市和黄冈市(图5)。研究区不同植被类型的N P P与N D V I相关系数有所差别,其中针叶林的最高(相关系 数 为0.6 4),其 次 为 阔 叶 林(相 关 系 数 为0.6 2)、灌丛(相关系数为0.4 6)和草丛(相关系数为0.4 4),栽培植被(主要为粮食作物、果园和经济林等)最低(相关系数为0.3 9)。图5 2 0 0 02 0 1 9年大别山区年均植被N P P、N D V I相关性空间分布F i g.5 S p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f a n n u a l a v e r a g e N P P a n d N D V I c o r r e l a t i o n s i n t h e D a b i e M o u n t a i n s f r o m 2 0 0 0 t o 2 0 1 94 讨论在2 0 0 02 0 1 9年大别山区四季N D V I数值中,冬季最低,夏季最大。由于冬季的温度、降水量较低,一部分植物进入落叶期,植被处于生长季末期,进而N D V I为一年四季最低。夏季温度较高、降水充沛,光合作用强,植被处于生长季最旺盛时期,N D V I为一年四季最高。水热组合状况影响该区域的植被生长,植被N D V I与降水、气温等气候因素有一定的关系8-9,尤其是降水的影响最为显著,降水充足的年份往往N D V I的值也相对较大。大别山区N P P与N D V I在空间分布上具有相似性,都呈现出“中间高、边缘低”的分布格局。大别山的边缘地区受人类活动影响大,农业活动频繁,作物收割后植被覆盖和生产力会明显降低,植被N P P与N D V I较小且季节差异显著。城市及周边区域受工业化和城市化进程的影响,植被N P P与N D V I也较小。本研究表明,信阳市和六安市的局部地区植被状况好转的程度和比例较大,这与该区域近些年的茶叶种植密切相关,大面积的退耕种茶使得植被状况逐年改善1 2。大别山区的中心区域是N D V I的高值区,对应的N P P值也较高,这是因为该区域海拔高、坡度大,是林地集中分布的区域,植被覆盖度较高又处于林地的生长期。研究区N P P与N D V I具有极强的相关性,可用线性回归方程表示。相对来说,N P P的时间分辨率和空间分辨率较低,N D V I则可用多源遥感影像来获取高分辨率。N D V I和N P P在不同植被类型上的相关性有所差异,在栽培植被上二者的相关性最低,563张红峰,王怡恩,顾治家,等.基于MO D I S的大别山区N P P及N D V I时空动态及相关性研究该植被类型在大别山区的比例超过5 0%,用N D V I来估测栽培植被类型N P P时准确度会降低。5 结论基于2 0 0 02 0 1 9年大别山区MO D 1 7 A 3 N P P和MO D 1 3 Q 1 N D V I遥 感 数 据,分 析 大 别 山 区N P P以及N D V I的时空演变特征及其相关性,主要结论如下:(1)2 0 0 02 0 1 9年大别山区年N P P值和N D V I值均呈波动上升的趋势。在季节尺度上,春季和秋季N D V I呈极显著增加趋势,夏季和冬季N D V I呈显著增加趋势。(2)大别山区植被N P P和N D V I具有相似的空间分布格局,呈现出“中间高、边缘低”的特征。近2 0 a来N D V I以及N P P的空间动态,7 8.8 8%的大别山地区植被N D V I处于改善趋势,N P P变化率大于1 0%的面积比例为7 6.6 8%,大部分区域的植被生长状况有所改善。(3)大别山区植被N P P和N D V I在不同植被类型上相关系数有所差别,其中针叶林的最高,其次为阔叶林、灌丛和草丛,栽培植被最低。(4)大别山区植被N P P与N D V I具有极强的相关性,利用MO D I S遥感数据实时监测大别山区生态系统质量状况和使用N D V I来估测除栽培植被外的其他植被净初级生产力是可行的。参考文献:1 苏胜涛,曾源,赵旦,等.中国陆地植被净初级生产力估算模型优化与分析:基于中国生态系统研究网络数据J.生态学报,2 0 2 2,4 2(4):1 2 7 6-1 2 8 9.S U S h e n g t a o,Z E NG Y u a n,Z HAO D a n,e t a l.O p t i m i z a t i o n o f n e t p r i m a r y p r o d u c t i v i t y e s t i m a t i o n m o d e l f o r t e r r e s t r i a l v e g e t a t i o n i n C h i n a b a s e d o n C E R N d a t aJ.A c t a E c o l o g i c a S i n i c a,2 0 2 2,4 2(4):1 2 7 6-1 2 8 9.2 P I AO S h i l o n g,F ANG J i n g y u n,HE J i n s h e n g.V a r i a t i o n s i n v e g e t a t i o n n e t p r i m a r y p r o d u c t i o n i n t h e Q i n g h a i-X i z a n g P l a t e a u,C h i n a,f r o m 1 9 8 2 t o 1 9 9 9J.C l i m a t i c C h a n g e,2 0 0 6,7 4(1):2 5 3-2 6 7.3 B UR K E I C,K I T T E L T G F,L AU E N R O TH W K,e t a l.R e g i o n a l a n a l y s i s o f t h e c e n t r a l G r e a t P l a i n s:S e n s i t i v 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