庄雨适 林晓晟 李景新

摘要：指出了在发展经济的同时防治流域的水污染是世界各国都面临过的共同难题，尤其是我国这样一个水资源人均占有量少，时空分布不均衡的发展中国家，流域水污染治理面临着更加严峻的考验，辽河流域为我国“十二五”重点流域水污染防治规划流域之一，流域的水土流失亦日益加重，且有人为破坏速度大于治理速度的问题。以吉林省内辽河流域为研究区，基于MODIS L1B数据，分析了2001～2016年间气温、降雨和归一化植被指数（NDVI）的变化规律，以此研究近16年间气候因子对植被覆盖变化的影响，结合流域土地利用现状，提出了流域生态系统的修復与保护对策，以期为吉林省辽河流域生态环境保护与产业发展规划制定提供技术支持。

关键词：水污染治理;流域生态保护;NDVI变化;气候因子

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1074-9944（2018）14-0074-05

1 引言

植被作为陆地生态系统的主体，既是气候变化的承受者，同时又对气候变化产生反馈作用，在全球变化研究中起着“指示器”的作用。全球气候变化已经对陆地生态系统造成显著影响，我国在过去100年中，气温升高0. 5～0.8℃，降水的波动地区间差异显著，植被作为表征生态环境变化的综合指示器，研究植被时空变化及其对气候变化的响应一直是国内外全球变化研究的重要内容。目前已经定义了40多种植被指数，广泛地应用在全球与区域土地覆盖、植被分类和环境变化，第一性生产力分析，作物和牧草估产-、干旱监测等方面，归一化植被指数（ NDVI）是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，它能够相当精确地反映植被绿度、光合作用强度，因此，NDVI是监测地区或全球植被和生态环境变化的有效指标。近年来，国内外不仅利用NDVI进行植被覆盖动态变化的研究，有学者逐渐把研究领域扩展到植被及其驱动因素的响应关系上来。李本纲等对AVH RR/NDV I与气候因子作了相关分析，认为中国大部分地区植物生长情况与降水和气温显著相关，崔林丽等（2012）研究了中国华东及其周边地区NDVI与四季气候的响应，结果表明在研究区内植被NDVI与气温的相关系数大于降水。Zhou等（2010）对中国内蒙古地区气温、降雨量和NDVI的变化分析表明NDVI变化与二者之间存在响应关系。此外，植被对气候变化存在滞后性，即前期气候变化对后期植被NDVI也会产生影响，并且不同地区、不同时期的植被状况对前期气候变化的滞后效应也会存在差异。J.Wang等（2003）对北美大草原Kansas州NDVI与气候因子的相关性进行研究，结果表明两者之间存在滞后相关性，Ji和Peters提到如果加入季节性因素，每月的NDVI与标准降水系数之间的回归模型会优于两者直接的回归模型。但这些工作最然都忽略了NDVI数据的累积性，特定时间的ND VI是植被前期及同期生长状况累积效果的综合反映。这种累积性很好地解释了累积降水对NDVI最大值等具有较高的相关性。

随着我国的经济发展，流域水污染严重并进一步恶化、水污染事故频发，流域水污染形势十分严峻。因此，如何适应流域生态特征，保证流域的水质安全，协调流域经济发展与生态环境关系成为了制约区域发展的重要问题。辽河流域一直以来是我国环境治理的重要流域，特点是本世纪初，我国加大了对辽河流域环境治理的力度，开展了大量的研究工作和治理工程，对改善流域环境起到了重要作用。

本文基于MODIS LIB数据，计算吉林省内辽河流域NDVI值，通过分析流域植被变化的规律，提出了相关的生态恢复与建设措施，以期为吉林省辽河流域的保护与利用提供技术支撑。

2数据和方法

2.1研究区概况

吉林省辽河流域位于吉林省西南部，地处东经123°18'～125°36 7，北纬42°36'～44°10 '（图1），南接辽宁省铁岭市，两界内蒙古自治区哲里木盟，北缘吉林省长春市和松原市，东邻吉林省通化市和吉林市，流域面积15 746 km²，约占全省总土地面积的8%，主要河流有东辽河和招苏台河。

2.2 MODIS LIB数据

MODIS即中分辨率成像光谱仪，是对地观测系统EOS计划中重要的传感器之一，1992年12月发射的Tera卫星及2002年5月发射的Aqua卫星都搭载有MODIS传感器。MODIS LIB数据提供了36个波段的数据，可用于陆地、海洋、大气等方面的研究。本研究是在美国国家宇航局LAADS WEB网站下载2001～2016年MODIS LIB影像共192景，空间分辨率为250 m×250 m。利用遥感影像处理软件ENVI 4.8对2001～2016年192个月份共192景MODIS影像进行大气校正、几何校正、重投影操作。

2.3 NDVI计算

归一化植被指数（ NDVI）是基于不同色素在红光波段和近红外波段反射值之差与两者之和的比值（式1-1） 。NDVI指示植被变化的重要因子之一，取值范围在-1到1之间。

式（1）中，RED代表红光波段的反射值，NIR代表近红外波段反射值。

2.4 趋势分析

一元线性回归分析可以模拟每个栅格的变化趋，本文利用该方法来模拟多年平均NDVI的变化趋势，计算公式为：

式（2）中：变量i为1～16的年序号，表示第i年的平均NDVI值。变化趋势图则反映了在16年的时间序列中，研究区的NDVI的变化趋势。某像点的趋势线是这个像点16年的年均NDVI值用一元线性同归模拟出来的一个总的变化趋势。Slopc即这条趋势线的斜率。其中，Slope>0则说明NDVI在16年间的变化趋势是增加的。反之则是减少。

2.5气温和降雨量数据

气温和降雨量数据来源于中国气象数据共享服务网，收集流域内58个气象站点2001～2016年月均气温、月均最高气温、月均最低气温和月均降雨量数据。在ArcGISl0下，通过克里金插值法进行插值，并剪裁，最终得到流域的气象网子变化空间数据。

2.6相关分析

利用相关分析法，逐像元的对年均NDVI与降雨量、气温做相关分析。利用sPss线性同归模块预测不同土地类型的NDVI与气温的相关分析模型。同期降雨没有对NDVI变化产生影响，本研究分别对滞后1、2个月的降雨量对NDVI变化的相关性做了分析。

3结果分析

3.1气温、降雨量变化规律

研究区2 001～2016年气象因子空间变化如图2所示，西北部地区（双辽市、公主岭市）年均气温较高，变化范围为6. 4～7. 23℃。东南部地区（辽源市南部）年均气温较低，变化范围为2. 34～3.43℃。降雨量的空间分布表明：研究区西北部地区（双辽市北部）年均降雨量低，变化范围为368.1～406.1 mm，西南部地区（辽源市南部）年均降雨量较大，变化范围为516. 0～570.5 mm。年均气温与降雨最的变化是显著相关的，相关系数为-0.804（P<0.01）。

3.2 NDVI变化规律

通过分析2001～2016年研究区NDVI变化情况表明（图3），本研究区的NDVI值受季节变化影响较大，4月开始增加到7月出现最高峰值，而后下降，研究區4月进入春季，植被返青，故NDVI值逐渐增加，11月到次年3月为冰封期，NDVI值较小且变化不明显。不同地类NDVI变化情况表明，林地和旱田的NDVI值较大，说明研究区植被覆盖主要以林地和旱田为主，其次为草地和水田。

NDVI是表明植被覆盖的重要因子之一，为探讨研究区植被覆盖的变化趋势，利用一元线性回归分析，逐像元的计算研究区20 01～2016年共16年NDVI变化。结果见图4。

研究区2001～2016年间重度退化植被占全区面积3.13%。31.5%的植被呈轻度退化趋势，此部分植被多为东南部林地。29.74%的植被得到了改善，得到改善的植被区主要为西南部的耕地和草地。研究时段内32. 52%的植被NDVI保持稳定。人口的增长、经济的发展以及对土地的开发利用，导致森林、草地等植被区面积降低，农业用地面积增加，使研究区植被状况呈退化趋势。

3.3 NDVI变化与气候因子变化的响应关系

逐像元的分析研究区NDVI、气温、降雨量变化的相关性，结果如图5所示。研究区上游NDVI与气温呈正相关，该地区雨水量充沛，气温较低。下游地区与气温呈负相关，该地区气温较高，雨水量少，植被对温度变化较敏感。温度的增加导致NDVI相应的降低。研究区中东部NDVI与降雨量呈负相关，此地区位于二龙山水库，气温较低，植物光合作用等各种生理活动较慢，降水的增加不利于植被的生长。

综合分析，流域由自东南向西北，气候因子对NDVI的影响呈降水显著相关向气温显著相关的转变，流域上游地区气候对植被生长影响呈显著的降水驱动型，下游地区呈显著的气温驱动型。

为了进一步了解NDVI对气候因子的响应变化规律，分析了三者之间的关系，见图6。

相关结果表明，植被指数与气象因子呈指数关系，- DVI与气温的相关性较好R²=0.612（ P< 0.01）;ND-VI与降雨量的相关性较差R²=0.3898（ P<0. 05）。针对北方地区植被生长状况，对研究区4～10月气温、降雨量与同期、滞后1个月、滞后2个月的NDVI相关分析如表1历示。

不同时期气温与NDVI主要呈负相关，这种负相关的趋势在气温对滞后2个月的NDVI指数上表现尤为显著，气温变化对同期4、7、8月份的NDVI以及6～10月份滞后一个月的NDVI表现为正相关。对不同时期气温与NDVI相关系数的比较发现，同期>滞后1个月>滞后2个月，说明，气温对NDVI的影响主要为同期影响。降雨量与NDVI主要呈正相关，通过对降雨量与NDVI相关系数的比较得出，降雨量对NDVI的影响具有滞后性，对滞后2个月的NDVI影响最大。

4 结论

归化植被指数（ NDVI）的变化反映了区域生态环境的变化，同时受气象、水资源、人为活动的影响，研究区NDVI的变化规律研究可为流域环境规划编制和生态环境保护提供重要基础数据。通过流域生态保护规划的制定与实施，可以最大限度地控制水土流失，维持土地资源的持续生产能力，提高流域水体污染防治，优化流域内产：业结构，加强流域内可再生资源的恢复与发展，促进流域内生物多样性，协调和改善流域内各种资源尤其是自然资源和人力资源的管理，合理安排产业和城镇发展，促进生态的良性循环和社会经济的持续稳定发展。