安曉丹， 朱 驥， 劉學(xué)鋒*， 齊永青

(1.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北武漢 430100；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 050031；3.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，河北石家莊 050022)

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河北省植被覆蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)

安曉丹1， 朱 驥2， 劉學(xué)鋒1*， 齊永青3

(1.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北武漢 430100；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北石家莊 050031；3.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，河北石家莊 050022)

氣候變化對(duì)地理環(huán)境具有驅(qū)動(dòng)性，能夠決定植被分布；而植被分布等變化會(huì)導(dǎo)致水熱量循環(huán)改變，反過(guò)來(lái)影響氣候[1]。因此，研究植被的動(dòng)態(tài)變化以及分析植被與氣候變化關(guān)系等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。植被指數(shù)(Vegetation index，VI)是通過(guò)探測(cè)衛(wèi)星不同波段的數(shù)據(jù)而獲得的，能作為代表植被生長(zhǎng)好壞的數(shù)據(jù)。植被信息可以大范圍地從遙感影像中獲取，對(duì)植被的研究主要是通過(guò)不同組合的波段信息，這些波段所擁有的植被信息可以高達(dá)90%以上。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)能夠代表植被生成和營(yíng)養(yǎng)狀況，是通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星遙感中2個(gè)波段反射率而得。氣候變化對(duì)植被覆蓋的變化具有深遠(yuǎn)影響[3-4]，而氣溫和降水量則是植被覆蓋最為敏感的2個(gè)氣候要素[5]。

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，有關(guān)植被覆蓋與氣候變化的關(guān)系，國(guó)內(nèi)已有大量研究。武永利等[6]通過(guò)研究1982～2006年山西省植被覆蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)降水量的累計(jì)效應(yīng)對(duì)植被NDVI指數(shù)變化最敏感。陳京華等[7]利用多種方法分析了祁連山地區(qū)的植被覆蓋特征，發(fā)現(xiàn)祁連山地區(qū)的植被指數(shù)變化的主導(dǎo)因素為氣溫和降水量。筆者對(duì)河北省NDVI變化及其與主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系作了較深入分析，得到河北省植被覆蓋的變化趨勢(shì)及時(shí)空分布特征，并且分析河北省植被覆蓋與氣候變化響應(yīng)的關(guān)系以及在季節(jié)上植被覆蓋和氣候的關(guān)系。這在一定程度上豐富和補(bǔ)充了河北省植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系方面的研究工作，可為河北省生態(tài)環(huán)境變化的評(píng)估和生態(tài)治理工作提供科學(xué)依據(jù)，為河北省現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案的論證提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況河北省是華北地區(qū)的腹地，外包京、津兩市，自古就是京畿要地。該地區(qū)地處36°5′～42°37′N，113°11′～119°45′E。氣候特點(diǎn)是，春季干旱多風(fēng)沙，夏季高溫多雨，秋高氣爽，冬季低溫少雪。全省年平均氣溫為4～13 ℃，各地區(qū)地勢(shì)不一，溫度差異較大。河北省年均降水量在400～800 mm，年變率很大，分布也很不均勻。太行山東側(cè)迎風(fēng)坡和燕山南麓是河北省的2個(gè)降水頻繁區(qū)，而張北高原由于地理位置在內(nèi)陸，降水量一般低于400 mm，降水稀少。春旱、夏澇對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)有害。

1.2數(shù)據(jù)源

1.2.1植被數(shù)據(jù)。所采用的植被數(shù)據(jù)是AVHRR (Advanced Very high resolution radiometer)反演的月平均歸一化植被指數(shù)，由美國(guó)NOAA/NASA探險(xiǎn)者AVHRR中心(Pathfinder AVHRR Land, PAL)提供。該數(shù)據(jù)將全球劃分為5 004×2 168個(gè)矩形單元，其空間分辨率為8 km ×8 km(5’×5’) 。時(shí)間跨度為1982～2000年，其中1994年9～12月的數(shù)據(jù)缺失。該研究利用1993年和1995年NDVI與其相對(duì)應(yīng)月份的平均值來(lái)替代，并且利用其他月份的值進(jìn)行校正。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)。所有的氣象數(shù)據(jù)為1982～2000年河北省19個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫和日降水量資料。河北省氣象站點(diǎn)的分布見圖1。該數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中的中國(guó)地面氣候資料數(shù)據(jù)集所提供。

圖1　河北省氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1　Hebei Province spatial distribution of meteorological stations

1.3處理方法對(duì)于植被數(shù)據(jù)，運(yùn)用最大合成法MVC(Maximum value composites)進(jìn)行處理。具體操作為通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取每個(gè)像元每旬的NDVI值，每個(gè)像元中最大的旬值作為該月的像元值，同樣通過(guò)計(jì)算得到最大年值、春季、夏季、秋季的NDVI值，作為年均NDVI值和3季的NDVI值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等所引起的部分干擾[8]。因冬季寒冷，華北地區(qū)的植被生長(zhǎng)處于休眠狀態(tài)，所以只對(duì)春季、夏季和秋季植被特征進(jìn)行研究[9]。對(duì)于植被與氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系分析，該研究采用簡(jiǎn)單的相關(guān)分析法和偏相關(guān)分析法兩種方法。

簡(jiǎn)單相關(guān)分析法主要應(yīng)用一元線性回歸法對(duì)1982～2000年的年均NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)(溫度和降水)進(jìn)行處理，分析植被隨時(shí)間的變化情況。采用最小二乘法，計(jì)算線性傾向率(m)。

(1)

偏相關(guān)分析法主要揭示的是在剔除2個(gè)變量共同相關(guān)的1個(gè)變量后得到的2個(gè)變量單獨(dú)的相關(guān)性[10]。

(2)

式中，rij.k為第k個(gè)變量固定時(shí)，第i個(gè)變量和第j個(gè)變量的偏相關(guān)系數(shù)；rij、rik、rjk表示2個(gè)變量之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。該研究涉及到的3個(gè)變量分別是植被覆蓋的NDVI值、氣溫和降水量。

2結(jié)果與分析

2.1植被覆蓋變化特征

2.1.1時(shí)間分布特征。為了分析近19a的河北省植被指數(shù)年際間的變化情況，對(duì)1982～2000年NOAA/AVHRR的植被NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成法和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到河北省植被NDVI值的年際變化曲線。從圖2可以看出，研究區(qū)年平均NDVI值在0.55～0.70之間波動(dòng)，植被指數(shù)整體呈增長(zhǎng)的狀況，年平均NDVI值的線性傾向率為0.002 8。其中，植被生長(zhǎng)茂盛的年份出現(xiàn)在1984、1988、1990、1994和1998年，且在1994年達(dá)到0.69；1983年NDVI值為0.56,植被覆蓋較差。

圖2　1982～2000年河北省平均NDVI值的年際變化Fig.2　Annual variations of average NDVI of Hebei Province from 1982 to 2000

2.1.2空間分布特征。從圖3可以看出，19a來(lái)研究區(qū)北部和東北部植被NDVI值高，植被覆蓋良好，而低值區(qū)域主要分布在西部，中部植被覆蓋適中。植被覆蓋較好的地區(qū)主要分布在秦皇島、唐山、承德和張家口東部的部分地區(qū)，在淶水、淶源、涿鹿、蔚縣的交界處也有少量分布，而張家口西北部、滄州和石家莊北部為植被覆蓋稀少區(qū)域。

圖3　1982～2000年河北省年均NDVI分布Fig.3　The spatial distribution of annual average NDVI of Hebei Province from 1982 to 2000

2.1.3季節(jié)分布特征。季節(jié)NDVI值可以反映各季節(jié)植被的生長(zhǎng)變化。從圖4可以看出，春季NDVI值最小，在0.30～0.55間浮動(dòng)，季節(jié)植被指數(shù)呈增長(zhǎng)狀況，并且NDVI值的線性傾向率為0.007 3/a，增長(zhǎng)趨勢(shì)在3個(gè)季節(jié)中最大，1998年達(dá)到春季植被指數(shù)的峰值(0.52)。夏季NDVI值最大，分布于0.55～0.70之間，季節(jié)植被指數(shù)有增長(zhǎng)趨勢(shì)，其線性傾向率為0.002 4/a，增長(zhǎng)狀況在3個(gè)季節(jié)中較弱，峰值出現(xiàn)在1994年。秋季植被指數(shù)值居中，處于0.45～0.65之間，仍是增長(zhǎng)狀況， NDVI值的線性傾向率為0.002 3/a，增長(zhǎng)狀況在3個(gè)季節(jié)中最慢，1994年達(dá)到秋季植被NDVI的峰值。從3個(gè)季節(jié)與年均NDVI的相關(guān)程度來(lái)看，以夏季最大，達(dá)到0.990，且通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，春秋兩季的相關(guān)性分別為0.591和0.818，也都通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。夏季植被覆蓋的大小在很大層面上決定了全年植被覆蓋的大小。

圖4　1982～2000年平均季節(jié)NDVI值Fig.4　Chart of mean seasonal NDVI from 1982 to 2000

2.2河北省氣溫、降水量特征

圖5　1982～2000年河北省年均降水量和氣溫變化Fig.5　Variations of mean temperature and precipitation of Hebei Province from 1982 to 2000

2.2.1年均氣溫與降水量的變化。從圖5可知，河北省近19a來(lái)溫度整體呈增加狀況，增長(zhǎng)速率為0.068 2 ℃/a，其中以1998年年均溫度最高，達(dá)到11.9 ℃，1984年年均溫度最低，為9.5 ℃；而降水量則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降的速率為2.906 6 mm/a，降水量最高的年份出現(xiàn)在1987年，其次為1995年，分別為742.3和673.2 mm。氣溫與降水量之間整體上呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，即在雨量豐沛的年份氣溫偏低，而在溫度較高的年份降水量偏低。

2.2.2季節(jié)氣溫與降水量的變化。從圖6、7可以看出，河北省春、夏、秋季氣溫與降水量具有不同的變化趨勢(shì)。在氣溫方面，整體上變化幅度不大，以增長(zhǎng)趨勢(shì)為主，變化最大的為夏季，變化率為0.065 7 ℃/a。與年均氣溫相比，各個(gè)季節(jié)都與年均氣溫具有0.05水平顯著的相關(guān)關(guān)系，以春季的相關(guān)性最大。在降水量方面，整體變化幅度比較大，變化形式表現(xiàn)出秋季為增長(zhǎng)型，而春夏兩季為減少型。與年均降水量相比，各個(gè)季節(jié)的降水量只有春夏兩季與年降水量有較大的顯著相關(guān)性。總體來(lái)說(shuō)，1982～2000年河北省春季和夏季均為氣溫的增加和降水量的減少，秋季表現(xiàn)為氣溫的增加和降水量的增多，其中夏季氣候暖干化趨勢(shì)明顯。

圖7　1982～2000年春季、夏季、秋季的平均氣溫變化Fig.7　Variations of average temperature in spring, summer and autumn from 1982 to 2000

2.3植被NDVI與氣溫、降水量變化的關(guān)系

2.3.1氣候要素年際變化對(duì)植被的影響。從圖8、9可以看出，NDVI的年際變化與氣溫的年際變化呈現(xiàn)出一定的相似性，其中大部分年份呈現(xiàn)出兩者增減步調(diào)的一致性，但個(gè)別年份如1983、1984、1990年植被與氣溫呈現(xiàn)相反的變化。這不僅表明植被NDVI對(duì)氣溫變化的關(guān)系，而且顯示氣溫不是改變植被覆蓋的唯一因素。從表面觀察不能科學(xué)地確定它們之間的關(guān)系，下面對(duì)NDVI與氣溫、降水量的關(guān)系做相關(guān)分析和偏相關(guān)分析，以科學(xué)地確定它們之間的關(guān)系。

圖8　1982～2000年河北省植被NDVI與氣溫的年際變化Fig.8　Annual variations of vegetation NDVI and temperature of Hebei Province from 1982 to 2000

圖9　1982～2000年河北省植被NDVI與降水量的年際變化Fig.9　Annual variations of vegetation NDVI and precipitation of Hebei Province from 1982 to 2000

對(duì)1982～2000年年均植被覆蓋與年均氣候要素做相關(guān)程度分析，發(fā)現(xiàn)在年平均上，無(wú)論是簡(jiǎn)單的相關(guān)分析還是偏相關(guān)分析，NDVI與氣溫、降水量均呈正相關(guān)。在簡(jiǎn)單相關(guān)分析中，NDVI與氣溫Pearson的相關(guān)系數(shù)為0.459，并且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，但相關(guān)程度不高，NDVI和降水量Pearson相關(guān)系數(shù)僅為0.268。在偏相關(guān)分析中，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.566，并且通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，而降水量與NDVI偏相關(guān)系數(shù)為0.448，沒有達(dá)到顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明近19a來(lái)河北省植被覆蓋和氣溫的關(guān)系較大。

2.3.2氣候要素季節(jié)變化對(duì)植被的影響。將春、夏、秋三季植被NDVI與該季氣溫和降水量間的關(guān)系分別進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析和偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)期植被對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)不同。在春季，植被變化與氣溫的關(guān)系要明顯高于降水量。這無(wú)論是在簡(jiǎn)單相關(guān)分析中還是在偏相關(guān)分析中都得到了驗(yàn)證，但都未達(dá)到顯著性水平。在夏季，氣溫對(duì)植被的影響顯然已不是主導(dǎo)因素，降水量對(duì)植被的影響作用最大，且夏季植被覆蓋變化與降水量的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)0.519，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明夏季河北省降水量的高低決定了植被的覆蓋變化。在秋季，植被覆蓋變化和氣溫的相關(guān)程度比降水量大，但相關(guān)程度不是很高?？傮w來(lái)看，在春、夏、秋三季河北省植被生長(zhǎng)對(duì)氣溫和降水量的需求不同，其中春、秋兩季植被生長(zhǎng)和氣溫的相關(guān)程度較大，夏季植被和降水量的相關(guān)性較大。此結(jié)果與孫艷玲等[9]對(duì)華北地區(qū)植被覆蓋與氣候變化響應(yīng)的研究具有一致性。

3結(jié)論

根據(jù)1982～2000年AVHRR 8 km的NDVI數(shù)據(jù)和河北省19個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水量數(shù)據(jù)，從年平均尺度和季節(jié)平均尺度兩個(gè)方面分別研究了河北省植被覆蓋特征、氣象特征以及植被覆蓋變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)，得出如下結(jié)論：

(1)從年平均變化方面來(lái)看，河北省植被覆蓋年最大NDVI值總體上為增長(zhǎng)型；植被覆蓋較好地區(qū)主要在秦皇島、唐山和承德地區(qū)。從季節(jié)平均變化方面來(lái)看，河北省的年際植被覆蓋在很大程度上取決于夏季的植被覆蓋，二者之間的相關(guān)程度最大。

(2)從年平均變化方面來(lái)看，河北省年均氣溫為增長(zhǎng)型，年均降水量呈下降型。從季節(jié)平均變化方面來(lái)看，春夏氣溫增加，降水量減少，秋季氣溫增加，降水量增加，夏季的干熱化明顯。

(3)從年平均變化方面來(lái)看，植被生長(zhǎng)與氣溫具有顯著的關(guān)系，與降水量間關(guān)系不顯著。從季節(jié)平均變化方面來(lái)看，春秋兩季植被生長(zhǎng)與氣溫變化的相關(guān)程度高，夏季植被生長(zhǎng)與降水量的相關(guān)性高。

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摘要[目的] 研究河北地區(qū)植被覆蓋變化與氣候變化的關(guān)系。[方法] 利用1982～2000年NOAA 歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，結(jié)合19個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，采用最大值合成法、相關(guān)分析法以及偏相關(guān)分析法，分別從年平均和季節(jié)平均變化方面分析河北省植被覆蓋變化與氣候變化的相互關(guān)系。[結(jié)果] 在年平均上，河北省植被覆蓋與氣溫的變化關(guān)系大于植被覆蓋與降水量的變化關(guān)系；在季節(jié)平均上，在研究區(qū)春、夏、秋季植被生長(zhǎng)對(duì)氣溫和降水量的需求不同，春秋兩季氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)有較為密切的關(guān)系，而夏季降水量則是植被生長(zhǎng)更為重要的因子。[結(jié)論] 除夏季外，河北省植被覆蓋對(duì)氣溫變化的響應(yīng)較為明顯。

關(guān)鍵詞植被覆蓋；氣候變化；NDVI；河北省

Vegetation Change and Its Response to Climate in Hebei Province

AN Xiao-dan1, ZHU Ji2, LIU Xue-feng1*et al (1.Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100; 2. Shijiazhuang University of Economic, Shijiazhuang, Hebei 050031; 3.Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050022)

Abstract[Objective] The research aimed to reveal the relationship between the vegetation change and the climate change in Hebei Province. [Method] We used the NDVI data of 1982-2000 NOAA combined with air temperature and precipitation data of 19 meteorological stations in the area. And we adopted the maximum synthesis, correlation analysis and partial correlation analysis to study the vegetation change and its relationship with climate change from two time scales (inter annual and seasonal variation). [Result] From the view of the inter-annual change, the relationship of vegetation change and temperature change was more close than precipitation in Hebei. From the view of seasonal variation, the vegetation growth in the research area was different in response to the changes in different seasons of different hydrothermal conditions. Vegetation growth was in relation to air temperature in spring and autumn, and the growth of vegetation was affected by precipitation in summer. [Conclusion] The response of vegetation cover to temperature change is more obvious than precipitation in addition to the summer in Hebei Province.

Key wordsVegetation cover; Climate change; NDVI; Hebei Province

收稿日期2015-11-30

作者簡(jiǎn)介安曉丹(1989- )，女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：植被、大氣遙感等。 * 通訊作者，教授，從事空間信息處理、地學(xué)三維建模與可視化、遙感及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(410011060)。

中圖分類號(hào)S 127

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)01-057-04