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基于NDVI的華北平原農(nóng)業(yè)干旱演變特征研究

2022-09-24 07:27安明明
河南水利與南水北調(diào) 2022年8期
關(guān)鍵詞:華北平原平均值整體

安明明

(河南省濟(jì)源水文水資源勘測局,河南 濟(jì)源 459099)

0 前言

干旱現(xiàn)象嚴(yán)重威脅了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動,短時間內(nèi)的干旱現(xiàn)象就可以迅速造成大面積的農(nóng)作物減產(chǎn)現(xiàn)象,如果旱情發(fā)生在作物生長關(guān)鍵期甚至?xí)斐赊r(nóng)作物的絕收,森林大火、土地鹽堿等并發(fā)地次生災(zāi)害,對社會造成深遠(yuǎn)的影響。長遠(yuǎn)來看,農(nóng)業(yè)干旱首先會造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉用水轉(zhuǎn)化為土壤有效含水量的大量減少,更嚴(yán)重會威脅傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中長期形成的種植結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、農(nóng)作物布局,甚至還會導(dǎo)致土地荒漠化、土地鹽堿化等各種土壤問題,對整個生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行發(fā)展造成巨大的破壞。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)旱情分析主要是基于地面站點測定的土壤墑情來研究干旱的發(fā)展情況,其準(zhǔn)確性、代表性、完整性有限且成本較大。遙感技術(shù)具有準(zhǔn)確、及時、大范圍等優(yōu)點,能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行快速監(jiān)測。文章以歸一化植被指數(shù)NDVI 作為農(nóng)業(yè)干旱指數(shù),研究了華北平原1999-2019年的農(nóng)業(yè)干旱時空演變特征,以期彌補(bǔ)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法在空間尺度上的不足。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

華北平原是中國七個主要平原中的第二大平原,范圍廣闊且地勢平坦,海拔在50 m 以下。黃淮海平原降雨總量并不十分充足,但降雨期大多集中在作物的生長旺季,且降雨總量的地理、四季以及多年年際之間的差異較大,年平均降雨量為500~900 mm。華北平原內(nèi)的中北部一帶年平均降雨量低于500 mm,屬于易旱地區(qū),而黃河以南地區(qū)年平均降雨量為700~900 mm,基本可以滿足南部地區(qū)種植作物的兩熟需要。文章選取的數(shù)據(jù)為中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心官網(wǎng)提供的1999-2019 年的全國范圍內(nèi)的NDVI 數(shù)據(jù)集,其在空間上的分辨率為1 km。將21年間各月份的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入Arcgis軟件之中,對坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整以保證投影不出現(xiàn)偏差,然后通過裁剪處理生成1999-2019年的華北平原NDVI數(shù)據(jù)集。

1.2 方法

1.2.1 歸一化植被指數(shù)NDVI

NDVI 是一種無量綱的植被指數(shù),已經(jīng)在各尺度的農(nóng)業(yè)干旱動態(tài)變化監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。文章使用的NDVI 是采用最大值合成法將每月1-3 旬的NDVI 數(shù)據(jù)合成月值數(shù)據(jù)集,這樣可以比較好地消除云、大氣以及太陽高度角等的部分影響。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗的目的是評估所選擇的序列,隨著時間的變化,是否存在上升或下降的單調(diào)趨勢。當(dāng)數(shù)據(jù)具有單調(diào)上升(下降)的趨勢,就意味著該統(tǒng)計變量存在隨時間增加(減少)的情況。在MK檢驗中,不需要正態(tài)分布的假設(shè),所以MK檢驗是非參數(shù)檢驗。該方法的具體步驟參照文獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

綜合華北平原1999-2019 年各月份的NDVI 變化趨勢,可以得到圖1。從圖1中可以看出21年間NDVI變化情況基本一致,總體上NDVI值范圍在0.20~0.70,各年份均在1月取得最小值。2-7 月份呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢,而在8月份取得年內(nèi)最大值,9-12 月逐漸降低,并與次年1 月、2 月相銜接。其中在2001年1月取得多年間最小值0.17,2008年8月取得多年間最大值0.75。并且,Mann-Kendall檢驗得到趨勢特征Z值為0.03,表明1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢,旱情處于減緩趨勢。

圖1 NDVI逐月變化情況圖

根據(jù)以上分析,發(fā)現(xiàn)在2001年1月華北平原NDVI值出現(xiàn)最低值0.17,因此以2001年為例進(jìn)行相關(guān)的研究,給出2001年年內(nèi)NDVI 的變化情況。從圖2 中可以看出該年份NDVI 最大值略有變化,整體維持在0.70~0.90,該年1 月、11 月與12 月NDVI 值均小于0.80,其余月份NDVI 最大值基本穩(wěn)定在0.80~0.90。各月份NDVI 平均值變化呈現(xiàn)開口向下拋物線形式,取值在0.17~0.70。其中,6月份NDVI值有所下降,該時期恰好屬于春小麥?zhǔn)崭顣r期,因此可以認(rèn)為小麥的收割對NDVI值的變化產(chǎn)生了一定的影響。8 月份取得最大值0.70,從9月開始華北平原整體NDVI值下降,可能是因為此時雨季結(jié)束,同時冬小麥播種基本結(jié)束,導(dǎo)致NDVI值整體呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖2 2001年年內(nèi)NDVI變化情況圖

如圖3 所示,華北平原NDVI 區(qū)域平均值年際變化趨勢明顯。整體上華北平原NDVI 值處于0.40~0.47,1999-2002 年NDVI 平均值逐年減小,在2002 年時取得11 年之間的最小值0.396??紤]到華北平原以井灌為主且在2001年經(jīng)歷了較為嚴(yán)重的干旱,可以認(rèn)為前一年大量消耗地下水灌溉,對2002年的NDVI 值產(chǎn)生了影響。2002-2004 年,NDVI 值急劇上升,至2004 年達(dá)到峰值0.46。之后2004-2006 年有略微下降,2006-2008 年再次上升,于2008 年取得0.47,之后2009-2010年略有下降,在2010-2012 年又有上升趨勢,在2012 年取得0.47。之后再次下降,2015年后又開始上升,并在2017年取得多年最大值0.47。綜合21年的變化情況,可以認(rèn)為華北平原的年NDVI值有上升趨勢,即華北平原的干旱情況有緩解。

圖3 各年NDVI變化情況圖

以2001年1-3月份為例,得到華北平原NDVI的空間分布特征。由1-3 月NDVI 變化情況可以看出,該時間段中華北平原大部分地區(qū)NDVI值較低,整體較為干旱,僅河南小部分地區(qū)NDVI值較大。1月份,除了部分地區(qū)外整體NDVI均處于較低水平,具有較嚴(yán)重的干旱現(xiàn)象。2月份,河北大部地區(qū)干旱情況加劇,同時河南地區(qū)的NDVI值有所升高,華北平原整體上仍然處于干旱狀態(tài)。3月份,河南地區(qū)NDVI有明顯升高,同時河北、山東與河南接壤地區(qū)NDVI升高,局部最大值達(dá)到0.836。4月份與3月變化趨勢相一致,此時河南NDVI達(dá)到較高水平,河北山東大部地區(qū)NDVI持續(xù)增高。時至5月份華北平原僅有河北張家口一帶與沿渤海一帶NDVI值仍然偏低,考慮到河北西部地區(qū)靠近地形較高,且環(huán)渤海地區(qū)并不能進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn),可以認(rèn)為其是正?,F(xiàn)象。6 月份由于春小麥的收割并逐漸進(jìn)入夏季,華北平原中部整體NDVI值有所降低其平均值降低至0.40。

7-9 月份華北平原進(jìn)入雨季,該時間段內(nèi)華北平原整體NDVI 值處于較高水平,最大值達(dá)到0.70,時期變差系數(shù)為0.15,達(dá)到年內(nèi)最低水平。此時期,環(huán)渤海區(qū)域內(nèi)仍由于不能種植農(nóng)業(yè)作物而處于最低水平。10月份之后,雨季結(jié)束,此時淮河全段開始進(jìn)入枯水期。河南東南部NDVI 值最先開始減小,11-12月華北平原北部地區(qū)NDVI均開始減小,期間河南地區(qū)略有恢復(fù)但是地區(qū)平均值只有0.26,最大值也只有0.67,NDVI值整體處于較低水平。

3 小結(jié)

針對華北平原的農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象日益嚴(yán)重的問題,文章基于1999-2019年華北平原的NDVI數(shù)據(jù)集,研究了基于NDVI的華北平原農(nóng)業(yè)干旱演變特征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)1999-2019 年NDVI 時間序列處于上升趨勢,干旱情況有所緩解。并且,最嚴(yán)重的干旱發(fā)生年份為2001年,該年份的1月NDVI值出現(xiàn)最小值0.17。

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