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1、黑土区气候生产潜力与植被指数关系的黑土区气候生产潜力与植被指数关系的 动态分析动态分析以依安、拜泉两县为例以依安、拜泉两县为例摘摘 要：要：研究以东北黑土区内的依安、拜泉县为研究区，在收集两县的气候、图像等资料的基础上，利用 RS 和 GIS 方法来讨论黑土区气候生产潜力与归一化植被指数（NDVI）的变化和二者的关系。结果表明：研究区在 1979-2001 年的 22 年间土地利用/覆盖变化的总体趋势为：耕地面积和居民地面积表现为较大幅度增加，分别增加了 46 559 公顷和 8 152 公顷，而草地面积则减少了 62 163 公顷；归一化植被指数与气候生产潜力在研究区的分布趋势有一定的一致性
2、，由西南向东北数值逐渐升高，最高值出现在拜泉县的东北部，最低值出现在依安县的西南部。通过以上结果提取数据分析进行黑土区气候生产潜力与植被指数相关性的研究，结果为气候生产潜力与归一化植被指数呈显著的正相关性。关键词：关键词：黑土区；气候生产潜力；植被指数Dynamic Analysis on the Relationship between climatic potential productivity and Vegetation Index in Black Soil Zone-Two Counties Yian and Baiquan in Heilongjiang Province we
3、re taken as ExamplesAbstract:Two counties Yian and Baiquan in Northeast black soil zone were taken as the research area and the data of climate and images in the two counties were collected, the changes of Climatic Potential Productivity and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) in black soi
4、l zone and the relationship between them were discussed by using the methods of RS and GIS. The results showed that, the general trend of land change on usage and coverage in research area from 1979 to 2001 was that cultivated area and residential area increased greatly by 46 559 hectares and 8 152
5、hectares respectively, but the grassland area decreased by 62 163 hectares.The distribution trends of NDVI and Climatic Potential Productivity in research area have a certain consistency, of which the values increase gradually from southwest to northeast, with the peak in the northeast of Baiquan an
6、d the lowest value in the southwest of Yian.With an analysis on data extracted from the above results, research on correlation of Climatic Potential Productivity and Vegetation Index in black soil zone was did, of which the result was that Climatic Potential Productivity and NDVI showed a significan
7、t positive correlation.Key words: Black soil zone; Climatic Potential Productivity; NDVI.东北的黑土区为我国重要的粮食主产区，因其深厚的腐殖质层、高肥力、良好的理化性质及生物特性，而素有“土中之王”的美称，对于我国的粮食安全及国民经济的稳定有着举足轻重的作用1-3。耕地和气候是决定区域农业发展的两个基本条件，气候生产潜力是评价农业气候资源的依据之一；同时，农田生产力也依赖土体质量和农作物的种类4-7。所以，气候和植物两个方面是研究黑土区生产力问题的关键。在过去的 1020 年间对中外学者作了大量关于气候生产
8、潜力与归一化植被指数（NDVI）的研究7-13。但大都从时间或空间的尺度来讨论各自的变化，或与单一的气象因子进行相关性分析，关于二者之间关系的研究在国内尚处于起步阶段。为此，本研究以东北黑土区内的依安、拜泉县为例，在收集两县的气候、图像资料的基础上，利用 RS 和 GIS 方法来讨论黑土区气候生产潜力与归一化植被指数（NDVI）的变化和二者的关系。为黑土区未来的发展与保护提供具有参考价值的科学数据。1 研究地概况与试验方法1.1 研究地概况依安县与拜泉县位于黑龙江省中部偏西，地理坐标范围 E1245012631，N4716482。总面积 7 379 km2其中耕地面积 4 620 km2，土壤
9、类型主要为黑土、黑钙土。属寒温带大陆性季风气候，年平均气温 1.8 ，有效积温 2 500 左右，无霜期 122 d，年平均降水 962.3 mm，全年日照时数 2 730 h14-15。 1.2 材料与方法1.2.1 数据来源气象数据选取黑龙江省 74 个地区 1979 年和 2001 年的年降水总和及年平均气温。由于数据量巨大，在这里就不列出具体数据。遥感数据选取 1979 年 8 月 23 日和 2001 年 8 月 11日的 TM 数据为数据源。经过校正、波段融合、剪切等预处理，得到依安和拜泉两县的遥感图像数据，如图 1图 1 1979 年、2001 年研究区遥感影像Fig.1Fig.
10、1 RemoteRemote SensingSensing imagesimages inin researchresearch areaarea inin 19791979 andand 20012001预处理后的遥感数据进行分类处理与植被指数的提取。1.2.2 土地利用分析方法通过 ERDAS 软件中的监督分类模块（Supervised Classification）分析，监督分类（Supervised） ，又称训练分类法，即用被确认类别的样本象元去识别其他未知类别象元的过程16。研究将两县的土地利用类型分为四类，分别是农用地、居民地、水域、草地、其他用地（研究区林地类型主要为单行或少数几
11、行的行道树与防护带，由于本研究所选用的遥感数据空间分辨率较低，无法将林地单分出来，所以在利用类型上大都将其归为农用地） 。分类后的图像再经过矩阵分析模块（Matrix）进行处理，得出土地利用转移情况图像。对研究区 1979 年和 2001 年的土地利用情况分析对比，进而得出研究区两年的土地利用转移情况，以便于更好的分析两县植被指数与气候生产潜力的变化情况。1.2.3 归一化植被指数的提取植被指数是指通过近红外和可见光波段反射率的线性和非线性组合构成的数值，用以反映植被的生长状况。其计算公式如下：（1）)/()(RNIRRNIRNDVI式中：代表红外波段反射率；代表红光波段反射率。NIRR1.2
12、.4 气候生产潜力计算方法采用桑斯维特纪念（Thornthwaite Memorial）模型计算气候生产潜力，桑斯维特纪念模型以实际蒸散量为变量，综合了水热等气候因子，是一个代表性较强的气候指标，计算结果虽然在干旱区精度略低，但总体上与实测值偏差较小，与筑后模型的计算结果也很接近17-18。其计算公式如下： （2）)1 (3000)20(0009695. 0ET ETeP式中：PET是气候生产潜力（gm-2a-1） ；e 是自然对数底数；ET 是实际蒸散量（mm） ，可由 True 公式计算19（3）20)05. 1(105. 1ErrET（4）3 005. 025300ttE式中：r 是年降
13、水量（mm） ，E0是年最大蒸散量（mm） ，t 是年平均气温（） 。通过桑斯维特纪念模型来计算出所选各气象站点的气候生产潜力值。1.2.5 空间插值方法空间差值方法为普通克立格法（Ordinary Kriging，简称 OK） ，普通克立格法是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。使用公式表示为20（5） niiixZZ1)(其中，Z 为待估计的气候生产潜力栅格值，i为赋予气象站点气候生产潜力值的一组权重系数，n 为用于气候生产潜力插值气象站点的数目，Z（xi）为气象站点气候生产潜力值。为满足无偏性和最优性两个条件，通过建立
14、如下克立格方程组来确定权重系数。（6） niinjijijVCC111),(),(其中，C（i，j）为气象站点之间的协方差函数，C（i，V）为气象站点与插值点之间的协方差函数， 为拉格朗日乘数。利用地理信息系统软件 ARCGIS 的空间分析模块（Spatial Analyst）提供的克立格插值方法来完成插值过程。为了与 TM 影像的空间分辨率一致，采用 3030 m 的栅格数据图像。2 结果与分析2.1 研究区土地覆盖类型的动态变化基于地理信息系统分析平台，对研究区 1979 和 2001 年的土地利用/土地覆盖现状数据和土地覆盖类型的动态变化数据进行统计和处理，获得 1979 年和 2001
15、 年一级土地利用/土地覆盖类型的面积变化（图 2） 。从图 2 可以看出，农用地为黑土区的主要土地利用类型，以依安、拜泉两县为例，农用地占两县总面积百分比分别为 1979 年：77%，达到 544 983 公顷；2001 年：83%，591 542 公顷。研究区在 1979-2001 年的 22 年间土地利用/覆盖变化的总体趋势为：耕地面积和居民地面积表现为较大幅度增加，分别增加了 46 559 公顷和 8 152 公顷，而草地面积则减少了 62 163 公顷。利用 ERDAS 下 Interpreter 模块中的 GIS AnalysisMatrix 功能获得了 1979-2001 年土地利
16、用类型间的转移图（图 3） ，数据显示，耕地与草地间的转换趋势最为显著，1979 年-2001 年耕地面积的增加主要来源于草地。图 2 1979 年、2001 年研究区土地利用动态Fig.2Fig.2 DynamicDynamic ofof landland useuse inin researchresearch areaarea inin 19791979 andand 20012001图 3 1979-2001 年研究区土地利用转移动态Fig.3Fig.3 DynamicDynamic ofof landland useuse andand transfertransfer inin researchresearch areaarea fromfrom 19791979 toto 200120012.2 研究区植被指数分布特征
