张乐

（哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨 150025）

植被是生态系统的重要组成部分，是水圈、土壤圈和大气圈的物质循环和能量流动的重要衔接主体，在调节气候、保持水土，减少水土流失，碳氧平衡等方面发挥重要作用[1]，所以研究了解植被的动态变化，对于我们掌握生态系统的结构变化和功能变化具有重要的研究意义[2]。植被，作为地理环境的重要组成部分，主要有三种影响因素，分别是生长地区的地形和土壤、气候条件和当地的人类活动[3]。最近几十年，遥感技术不断进步，不同的遥感数据被用来研究不同尺度的植被变化[4]。归一化植被指数是指遥感影像近红外波段和红外波段反射率的比值参数[5]，是目前研究中，公认的植被变化的最佳表征指标[6，7]，被广泛应用于不同尺度植被覆盖和气候关系的研究中[8，9]。在不同尺度的植被变化监测中，遥感技术由于范围广，实时性强，信息获取的速度快，信息量丰富等特点，在植被覆盖变化的研究中广泛应用[10]。赵安周基于MODIS 数据，分析了陕甘宁地区植被的变化状况，研究得到陕甘宁地区NDVI 呈显著增加的趋势[11]。蒋友严等基于MOD13A3 数据，分析了祁连山地区植被的变化特征，研究得到祁连山植被覆盖状况，呈转好趋势[12]。气候是植被生长和分布的主要影响因素，其中气温和降水直接影响植被的变化，是植被覆盖变化的主要驱动因素[13，14]。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

黑龙江省多年冻土区地处于寒温带，总体上属于温带大陆性气候（图1）。气候特征表现为春季低温干旱，夏季温热多雨，秋季易涝早霜，冬季寒冷漫长。降水表现为季风性特征，夏季受东南季风的影响，降水充沛，冬季在干冷西北风控制下，干燥少雨。

图1 研究区位置及高程

1.2 数据来源与研究方法

遥感数据来源于美国国家航空航天局提供的2001-2020年，MOD13Q1（h25v03、h26v03、h26v04）陆地3 级标准数据产品，空间分辨率为250m，时间分辨为16 天，数据格式为HDF。用MRT 软件对数据进行预处理。

气象数据来源于中国气象科学数据共享服务平台。选用2000-2020 年研究区内各站点的逐日气温降水数据，计算得到年降水量和年平均气温，在ArcMap 中插值，空间分辨率为250m。

土地利用数据，下载自中国科学院环境数据云平台（http://www.resdc.cn/）分别选用2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年土地利用现状数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析法

运用趋势分析法研究黑龙江省多年冻土区2001-2020 年NDVI 的变化趋势。计算公式为:

式中：slope 为2001-2020 年NDVI 变化趋势的斜率；n 为年份数；NDVIi为第i 年的NDVI 平均值。当slope＞0 时，表明NDVI随时间的变化呈上升趋势；反之，当slope＜0 时，表明NDVI 随时间的变化呈下降趋势。slope 绝对值越大，变化速率越大。

1.3.2 相关分析法

分析植被变化与气候因子之间的相关性，相关性用Pearson相关系数表示，公式为：

式中：R 为相关系数，xi为气候因子第i 年的值，yi为第i 年的NDVI 值，xi，yi为变量x，y 的平均值。R 的绝对值越大，表明两组要素的关系越密切；反之，这说明关系越弱。

2 结果与分析

2.1 研究区NDVI 时空变化分析

2.1.1 NDVI 时间变化特征

为分析研究区2000-2020 年植被NDVI 年际变化趋势，利用一元线性回归计算了2000-2020 年研究区年NDVI 平均值，2001-2020 年研究区年年NDVI 平均值分布范围在0.40-0.65 之间，最大值出现在2016 年，最小值出现在2009 年。2000-2020年研究区年NDVI 平均值呈增长趋势，线性倾向斜率0.0035/20a，R2=0.3179（图2）。

图22000-2020 年研究区NDVI 时间变化

2.1.2 NDVI 空间变化特征

从2001-2020 年研究区年平均NDVI 空间分布变化趋势空间分布图（图3）可知，研究区NDVI 明显改善的面积最多，占72.73%，NDVI 轻微改善的区域位于研究区西南部，面积占全区13.89%，植被NDVI 基本不变的区域占全区面积的10.69%，NDVI 严重退化和轻度退化的区域面积较小，分别占全区的1.37%和1.32%。

图32001-2020 年NDVI 变化趋势

2.2 气候因子与NDVI 的关系

对2001-2020 年研究区年均NDVI 与年总降水量、年均NDVI 与年平均气温分别进行相关性分析，得到研究区的NDVI与气温、降水的相关性分布图（图4）。由图可知，NDVI 与降水量的相关系数范围为-0.879～0.789，均值为0.049。其中不显著正相关区域的面积最大，占82.61%，显著正相关区域面积占8.39%，不显著负相关的面积占5.72%，显著负相关区域占3.28%。NDVI 与气温的相关系数范围为-0.737～0.878，均值为0.187。其中不显著正相关区域的面积最大，占77.57%，显著正相关区域面积占9%，不显著负相关的面积占13.34%，显著负相关区域占0.09%。

图4 NDVI 与降水量相关系数及NDVI 与温度相关系数分布图

2.3 研究区土地利用时空变化特征及对NDVI 的影响

由表1 可知，2000 年土地利用类型以耕地、林地为主，共计1832.17km2，占总面积的88.04%，其中耕地61601km2、林地135248km2。水域、建设用地面积相对较小，分别为2953km2、75.18km2。

表12000-2020 年土地利用状况汇总表

2000-2020 年未利用地面积增加13436km2，增幅103.82%，建设地面积增加742km2，增幅23.33%，耕地面积增加5238km2，增幅8.5%，同时，草地损失6780km2，降幅35.38%，水域损失635km2，降幅21.5%，林地损失11669km2，降幅8.63%（图5）。

图52000 年和2020 年土地利用类型图

2000-2020 年NDVI 由0.3933 增加到0.4099，增量0.0166。林地NDVI 由的0.5194 增加到0.5664，增量0.047。研究时段内，草地NDVI 由0.4673 变为0.4811，增量0.0138，NDVI 增加，或许是温度、降水等自然作用的影响。水域面积增加明显，水面基本无植被，NDVI 由0.3813 减少到2020 年的0.3439，减少了0.0374。建设用地NDVI 由0.3789 增加到0.4017，建设用地在城市的结构变化与空间变化情况下，NDVI 不仅未出现降低趋势，反而提高了0.0228，主要原因是城市建设更加注重居住环境、增加绿化面积。未利用地NDVI 有大幅增加，增量为0.0499。

3 结论

基于MODIS 数据以及气象数据分析2001-2020 年黑龙江省多年冻土区NDVI 时空变化特征以及NDVI 对气候变化，得出以下结论。

3.1 黑龙江省多年冻土区2001-2020 年NDVI 整体呈上升趋势，植被覆盖状况呈良性改善状态。2001-2020 年研究区年NDVI 平均值分布范围在0.40-0.65 之间，2016 年值最大，2009年值最小。2000-2020 年研究区年NDVI 平均值呈增长趋势，线性倾向斜率0.0035/20a。

3.22000-2020 年研究区NDVI 与年降水量相关性在研究区西北部和东南部相关性较强，研究区NDVI 与降水量关系多为不显著正相关，占82.61%。NDVI 与年平均气温相关性在研究区西北部和东南部相关性较强与NDVI 变化具有一致性，研究区NDVI 与降水量关系多为不显著正相关，占77.57%。

3.3 研究区的不同土地利用类型，面积从大到小为林地、耕地、未利用地、草地、建设用地与水域。2001-2020 年，研究区NDVI 增加的主要原因为大量的草地转为耕地，NDVI 增加耕地增加有关。