山东省植被时空变化特征及其对气象干旱指数的响应

摘要

随着全球气候变化，世界范围内干旱发生的强度和频率不断加强，干旱可以直接或间接影响植被的光合作用，对陆地生态系统产生重要影响。近几十年来，山东省干旱频发，对植被动态变化产生了较大影响，研究山东省干旱对植被动态的影响，可以揭示区域干旱对地表植被及生态系统的影响，对区域生态文明建设和水资源可持续利用具有重要意义。 本文以山东省为研究对象，结合ArcGIS和Matlab等软件，基于2000-2015年空间分辨率为1km的NPP和NDVI数据集分析了山东省植被的时空变化特征，结合地形数据，分析了山东省典型土石山区—沂河流域植被NPP与地形因子的关系。同时，利用植被NPP数据，计算了山东省植被NPP的变异系数和Hurst指数，以检测植被变化的稳定性和可持续性。基于标准化降水蒸散指数（SPEI），运用Sen趋势分析方法、Mann-Kendall趋势检验法等分析了1970-2017年山东省年尺度、季节尺度和月尺度干旱的时空变化特征，并研究了干旱对植被NPP和NDVI的影响，主要结果如下： （1）山东省2000-2015年植被年NPP平均值整体空间格局呈东高西低、南高北低的分布特征，多年平均NPP的高值区主要分布在沿海的威海、烟台和青岛市，低值区主要分布在研究区北部和中部。2000-2015年山东省植被NPP呈波动上升趋势，年NPP最大值出现在2004年，为414.3g C·m-2·a-1，最小值出现在2000年，仅299.4g C·m-2·a-1。植被NPP空间变化上，增长区域占92.13%，减少区域占7.87%。极显著上升的面积占研究区的12.66%，显著上升的地区占17.6%；而极显著下降的面积仅占研究区的0.63%，显著下降的区域占0.72%，表明山东省植被生长状况整体上得到了改善。山东省植被NPP变异系数有东南低西北高的空间分布特征，且山东省大部分地区植被NPP变异系数处在较低范围，说明山东省植被NPP变化相对稳定，生态系统处于良性循环中。山东省植被NPP整体以弱持续序列为主，山东地区人类活动频繁，植被生长的弱持续性表明山东地区植被改善是人类活动和自然因素综合作用的结果。 （2）沂河流域不同土地利用类型分布格局具有显著的地形梯度特征，受人类活动影响较大的耕地、建设用地和水域，其分布指数在低地形级别上占据优势位，而在高地形级别上，林地和草地呈现优势分布。植被NPP最大值分布在斜坡阴面或平原地区，植被NPP上升趋势最为明显的地区是斜坡阴面且地表起伏不大的丘陵地带，植被最为稳定的地区位于平原地区。 （3）山东省季节和年尺度NDVI都存在明显的空间分异，不过低值区域较为一致，都分布在黄河三角洲、莱州湾和南四湖等湿地以及城市地区。2000-2015年山东省季节和年尺度植被NDVI值均呈波动上升趋势，其中秋季NDVI对年NDVI增长贡献最大，春冬季次之。同时山东省植被NDVI和NPP呈极显著正相关，表明NDVI和NPP在表达区域植被状况时具有很大的相似性，但也存在差异。 （4）多时间尺度的SPEI可以有效地识别和反映山东地区干旱出现的年份和干旱程度。1970-2017年山东省不同时间尺度SPEI数值整体上呈现波动下降趋势，表明1970-2017年山东省呈干旱化趋势，且随着时间尺度的加大，发生干旱的频率降低、持续时间增长。其中，年尺度和秋季干旱化最为明显，其次是春季，最弱的是冬季。SPEI空间变化格局上，秋季全域几乎都呈干旱化趋势，春夏和年尺度上,大致上有东部沿海地区呈干旱化趋势,西部内陆地区呈微弱湿润化趋势的特征,而冬季与之相反。山东省干旱发生强度的范围稳定在15.50%-24.85%％之间，且存在明显的空间差异，总体上有东部和东北部干旱发生强度较强，西北部、东南部和西南部干旱发生强度较弱的特征。干旱发生频率上，月尺度干旱频率最高，其次为秋季和夏季，最低为冬季，空间差异显著。 （5）植被NPP和NDVI与SPEI在山东大部分地区呈正相关，SPEI和NPP的相关性强于SPEI与NDVI的相关性，其中SPEI与草地的相关程度最高，与水域相关程度最弱。人为因素对山东省植被NDVI变化具有重要影响，消极人为因素对植被的破坏作用逐渐增强。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 山东省概况

2.1 地理位置

2.2 自然地理概况

2.2.1 地形地貌

2.2.2 水文特征

2.2.3 植被特征

2.2.4 气候特征

2.3 社会经济概况

3数据来源和研究方法

3.1数据来源

3.1.1 MODIS遥感数据

3.1.2 SPOT/VGT NDVI卫星遥感数据

3.1.3土地利用现状遥感监测数据

3.1.4气象数据

3.1.5高程数据

3.2研究方法

3.2.1干旱指数研究方法

3.2.2数据分析方法

3.2.3插值方法的选择

4 山东省植被时空分布特征

4.1 山东省植被NPP时空分布特征

4.1.1 山东省植被NPP空间分布和年际变化特征

4.1.2 山东省植被NPP时间变化空间分布格局

4.1.3 山东省植被NPP变异系数空间分布

4.1.4 山东省植被NPP变化趋势预测

4.2地形因子对植被NPP的影响－以沂河流域为例

4.2.1各土地利用类型在不同地形因子上的分布特征

4.2.2地形因素对沂河流域植被NPP的影响

4.3 山东省植被NDVI时空分布特征

4.3.1 山东省植被NDVI空间分布

4.3.2 山东省植被NDVI年际变化特征

4.3.3 山东省植被NDVI空间变化趋势

4.4山东省植被NDVI和NPP的相关性

5 山东省干旱时空分布特征

5.1山东省多尺度干旱特征

5.2 山东省降水和平均气温时空变化对干旱的影响

5.3 山东省不同尺度SPEI时空分布特征

5.3.1山东省不同尺度SPEI空间变化特征

5.3.2山东省不同尺度SPEI年际变化特征

5.4山东省干旱站次比

5.5山东省干旱强度的空间分布特征

5.6山东省连续干旱分布特征

5.7山东省不同等级干旱分布特征

5.7.1山东省干旱（轻度及以上）发生频率空间分布特征

5.7.2山东省中度及以上干旱发生频率空间分布特征

6 山东省植被与SPEI的关系研究

6.1年尺度SPEI和NPP、NDVI的空间相关性

6.2季节尺度SPEI和NDVI的空间相关性

6.3山东省NDVI对SPEI的响应

7结论和展望

7.1 主要结论

7.2 存在问题与研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及参与课题情况

致谢