王宇琛，李松鳴，王 霄，王汀沃，李洪建

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

汾河流域2001—2013年植被覆蓋時(shí)空變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

王宇琛1，李松鳴1，王 霄1，王汀沃1，李洪建2

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；2.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西太原030006）

利用2001—2013年汾河流域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）、地表溫度（LST）和降水實(shí)測(cè)資料，分析了汾河流域及其上、中、下游近13 a來NDVI的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)。結(jié)果表明，近13 a汾河流域月NDVI變化呈現(xiàn)單峰型；整個(gè)流域及上、中、下游的植被覆蓋率均有所提高；植被覆蓋狀況由西北向東南逐漸變好；基于月尺度的NDVI與LST呈顯著正相關(guān)，而降水量與NDVI的相關(guān)關(guān)系為拋物線型；基于月尺度的NDVI與同期的LST和降水量的復(fù)合相關(guān)模型優(yōu)于單變量相關(guān)模型，復(fù)合相關(guān)模型為：NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222；基于年際尺度的NDVI與LST的單變量相關(guān)不顯著，而NDVI與降水量的單變量相關(guān)性顯著；NDVI的赫斯特指數(shù)表明，汾河流域的植被覆蓋狀況將持續(xù)改善。

汾河流域；歸一化植被指數(shù)；氣候因子；相關(guān)分析

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可直接表征某地區(qū)的植被覆蓋狀況，它和植物的蒸騰作用、太陽光的截取、光合作用以及地表凈初級(jí)生產(chǎn)力等密切相關(guān)[1]。植被—?dú)夂蜿P(guān)系是全球變化研究中的重要組成，氣候是決定地表植被分布狀況的重要因素[2]。

植被覆蓋狀況可以表征一個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境情況，研究一個(gè)地區(qū)的NDVI對(duì)掌握該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義[3]。目前對(duì)NDVI的研究表明，20世紀(jì)80年代以來，北半球中高緯地區(qū)的植被顯著增加[4]，在不同地區(qū)、不同時(shí)期NDVI的變化情況及其與氣候因子的關(guān)系有差異[5-10]。黃土高原地區(qū)的植被指數(shù)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，溫度、降水量是決定該地區(qū)植被生長的主要?dú)夂蛞蜃覽1]。1981—2001年間西北干旱區(qū)年際最大的NDVI變化與氣候變化具有明顯的相關(guān)性，尤其是對(duì)新疆的南、北疆來說，NDVI與年降水量的相關(guān)程度要優(yōu)于與年均溫的相關(guān)程度[11]。氣溫和降水對(duì)于流域植被的覆蓋狀況有著重要的影響，而且降水對(duì)植被的空間分布影響更為顯著[10]。

寧夏春夏季降水量對(duì)植被覆蓋度的作用較大，氣溫對(duì)植被覆蓋度的作用較小[12]。武永利等[13]用NASA/GIMMS的月植被指數(shù)研究了1982—2006年山西省典型生態(tài)區(qū)的植被覆蓋狀況對(duì)氣候的響應(yīng)，結(jié)果表明，山西植被指數(shù)呈上升趨勢(shì)，并存在明顯的年際變化。1999年以來，延安北部歸一化植被指數(shù)NDVI整體上呈上升趨勢(shì)，除與降水增多有關(guān)外，非氣候因素中生態(tài)保護(hù)和環(huán)境建設(shè)等人為措施，如植樹造林、封山禁牧等封育措施是導(dǎo)致植被顯著增加的重要原因[14-15]。植被指數(shù)的月變化在作物種植區(qū)呈現(xiàn)雙峰型，而其他覆蓋類型呈現(xiàn)單峰型。安徽省月均NDVI與月均溫呈顯著正相關(guān)，而與月降水量呈非線性正相關(guān)，其中對(duì)NDVI的作用存在一個(gè)極限值。另外，NDVI與溫度、降水量的年際關(guān)系均呈現(xiàn)弱正相關(guān)[16]。但是利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)山西省汾河流域近年來的NDVI時(shí)空變化格局鮮有研究。

筆者基于2001—2013年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)TERRA/MODIS的250 m分辨率16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)、地表溫度（LST）和汾河流域的降水實(shí)測(cè)資料，研究山西省汾河流域近13 a來植被指數(shù)的時(shí)空變化特征，以及NDVI與LST、降雨量的單變量與復(fù)合變量的相關(guān)關(guān)系，以期對(duì)山西省汾河流域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河全長694 km，流域面積39 471 km2，占全省國土面積的25.3%，位于山西省的中部和西南部。汾河流域地處中緯度大陸性季風(fēng)帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)，四季變化明顯。雨熱同季，光熱資源較為豐富。全流域多年（1956—2000年）平均降雨量為504.8 mm，降雨的年際變化較大，年內(nèi)分配不均，全年70%降雨量集中在6—9月，并且多以暴雨形式出現(xiàn)；氣溫晝夜溫差大，南北溫差也大[17]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

結(jié)合《山西河流》中汾河相關(guān)資料，基于30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS9.3軟件的水文分析模塊（Hydrology）提取了汾河干流和汾河上、中、下游邊界線，以便分析。汾河流域的NDVI數(shù)據(jù)從美國國家航空航天局（NASA）訂購（http:// ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），研究下載了2001—2013年的TERRA/MODIS全球250 m分辨率16 d合成的產(chǎn)品（MOD13Q1）和1 000 m分辨率8 d合成的產(chǎn)品（MOD11Q1），利用HEG軟件重新投影為GeoTIFF格式，再用ArcGIS 9.3軟件對(duì)汾河流域的植被指數(shù)和LST進(jìn)行提取。收集到的2001—2011年汾河流域降水?dāng)?shù)據(jù)主要來源于山西省水文水資源勘測(cè)局。

1.3 研究方法

利用變化斜率法[18]分析以月、年為時(shí)間尺度的植被變化趨勢(shì)，計(jì)算的斜率若為負(fù)值，表示其植被覆蓋呈減少趨勢(shì)；斜率若為正值，表示其植被覆蓋呈增加趨勢(shì)。趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)，P＜0.05為變化顯著。利用SPSS軟件，通過Pearson相關(guān)分析及回歸分析法研究汾河流域LST、降水量與NDVI的單變量相關(guān)以及復(fù)合相關(guān)關(guān)系，同時(shí)得出回歸方程，并進(jìn)行F檢驗(yàn)，以揭示近13 a汾河流域NDVI變化的原因。

基于重標(biāo)極差（R/S）分析方法基礎(chǔ)上的赫斯特指數(shù)（Hurst exponent）[19]，研究隨機(jī)變化數(shù)據(jù)與時(shí)間是否具有相關(guān)性。Hurst指數(shù)（H）的取值區(qū)間為（0，1），當(dāng)計(jì)算結(jié)果H＝0.5時(shí)，表明研究的時(shí)間序列在未來與原時(shí)間序列的變化趨勢(shì)無關(guān)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果H∈（0.5，1）時(shí)，表明研究的時(shí)間序列在未來與原時(shí)間序列的變化趨勢(shì)具有相同的變化趨勢(shì)；當(dāng)計(jì)算結(jié)果H∈（0，0.5）時(shí)，表明研究的時(shí)間序列在未來與原時(shí)間序列的變化趨勢(shì)具有相反的變化趨勢(shì)?；诖丝蓪?duì)汾河流域未來的植被覆蓋狀況作出預(yù)測(cè)，為以后汾河流域的植被保護(hù)提出新思路。

2 結(jié)果與分析

2.1 汾河流域植被指數(shù)的時(shí)空變化

2.1.1 汾河流域植被指數(shù)的時(shí)間變化 從圖1可以看出，13 a汾河流域月均NDVI呈現(xiàn)單峰型，全年變化范圍在0.19～0.63。NDVI在8月份之前逐月增加，8月份達(dá)到最大值0.63，之后又開始下降，1月份到達(dá)最低值。植物生長受氣候條件影響，夏季溫度高、降水多，熱量和水分充足有利于植物生長，NDVI增加；冬季溫度低、降水少，熱量和水分不足使得植物葉片凋落，蓋度減低，導(dǎo)致NDVI降低。

7，8月為植被長勢(shì)旺盛的階段，因而，選取2001—2013年7，8月的NDVI平均值作為指標(biāo)進(jìn)行分析。從圖2可以看出，汾河流域13 a間NDVI線性趨勢(shì)系數(shù)為0.009 7，其斜率值大于0，表明汾河流域整體植被呈改善趨勢(shì)。而由R2＝0.672 9可知，NDVI與對(duì)應(yīng)年份的擬合效果較好。經(jīng)過F檢驗(yàn)，P＜0.01，改善趨勢(shì)顯著。

2.1.2 汾河流域植被指數(shù)的空間變化 從表1可以看出，3個(gè)流域的線性趨勢(shì)系數(shù)都為正值，表明各個(gè)流域的植被在13 a間均有改善，但程度不同，上游和下游植被覆蓋變化率在2%左右，而中游則為1.34%，差別較大。造成這種結(jié)果的原因是由于中游植被覆蓋基礎(chǔ)比上游和下游要好，植被改善的空間較小，所以，植被覆蓋基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)改善效果明顯。

表1 汾河上、中、下游2001—2013年NDVI均值、變化率、線性趨勢(shì)系數(shù)和決定系數(shù)

從圖3，4可以看出，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，從整體上看，13 a間NDVI小于0.4的地區(qū)（顏色較深的區(qū)域）逐漸減少，NDVI大于0.7的地區(qū)（顏色較淺的區(qū)域）逐漸增大。根據(jù)衛(wèi)星遙感影像變化可以看出，13 a間NDVI整體趨向改善（偶有年份退化，究其原因是受當(dāng)年水熱狀況影響），尤其是原本植被覆蓋較弱的區(qū)域有顯著改善。其原因與近10多年來政府推出的“退耕還林、退耕還草”政策有關(guān)，使得汾河流域植被覆蓋程度逐漸改善。

2.2 汾河流域植被指數(shù)對(duì)氣候因子的響應(yīng)

2.2.1 汾河流域月均植被指數(shù)與同期LST、降水量的單變量相關(guān)分析 從圖5可以看出，汾河流域13 a間月均NDVI與月均LST之間呈現(xiàn)正的線性相關(guān)。月均降水量和NDVI之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，降水量對(duì)NDVI的作用存在一個(gè)極限值，當(dāng)降水量＜100 mm時(shí)，NDVI會(huì)隨降水量的增加而增加；當(dāng)降水量＞100 mm時(shí)，NDVI不會(huì)隨著降水量的增加而有明顯增加，僅維持在0.5～0.6的水平。

從圖6，7可以看出，年均NDVI與年均LST的決定系數(shù)為0.157 1，且進(jìn)行F檢驗(yàn)時(shí)，P＝0.18，未通過顯著性檢驗(yàn)，表明年均NDVI與年均LST相關(guān)性不顯著；而年均NDVI與年均降水量的決定系數(shù)為0.466 0，進(jìn)行F檢驗(yàn)時(shí)，P＝0.02，通過顯著性檢驗(yàn)，表明年均NDVI與年均降水量相關(guān)性顯著。因此，在年際尺度上，LST不是影響NDVI變化的唯一因子，而降水量在一定程度上影響NDVI的變化。

2.2.2 汾河流域月均植被指數(shù)與同期LST、降水量的復(fù)合變量相關(guān)分析 分別采用復(fù)合線性模型對(duì)NDVI與同期LST、降水量的復(fù)合關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明，NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222模型與2個(gè)單變量方程相比，R2有所提高，決定系數(shù)為85.8%，可以較好做出解釋。因此，從整體上說雙變量的模型要優(yōu)于單變量模型（表2）。

表2 汾河流域2001—2011年月均NDVI與月均LST、月均降水量的回歸分析

2.3 汾河流域植被指數(shù)的未來變化趨勢(shì)分析

基于重標(biāo)極差（R/S）分析方法基礎(chǔ)上，得出汾河流域2001—2013年年平均NDVI的Hurst指數(shù)為0.715 9，位于（0.5，1）區(qū)間內(nèi)，表明汾河流域的植被在未來有著與原來相同的變化趨勢(shì)，將繼續(xù)朝著改善的方向發(fā)展。在遙感影像上，NDVI大于0.7的區(qū)域逐漸增大、小于0.4的區(qū)域逐漸減小，也表明在未來汾河流域的植被覆蓋范圍將擴(kuò)大。

3 討論

在空間上，汾河流域13 a間植被整體覆蓋狀況呈改善趨勢(shì)，植被覆蓋狀況從西北向東南逐漸變好（個(gè)別年份除外），這與黃土高原整體的植被空間變化格局相符合[1]，同樣也符合整個(gè)華北地區(qū)的整體走勢(shì)[20]。具體來說，在上、中、下游3個(gè)流域的比較中，由于上游和下游基礎(chǔ)植被覆蓋較差，植被改善效果明顯?！巴烁€林、退耕還草”政策的推出和政府對(duì)人們保護(hù)花草樹木、禁止亂砍濫伐觀念的教育，促進(jìn)了汾河流域植被覆蓋度的提高[21]。

在時(shí)間上，汾河流域的NDVI存在明顯的季節(jié)變化，夏季NDVI較高，冬季NDVI較低。表明植被的生長受氣候條件的制約，這與王麗霞等[10]的研究結(jié)果相一致。結(jié)合數(shù)據(jù)具體分析，月尺度的NDVI與同期的LST呈顯著正相關(guān)，與同期降水量呈現(xiàn)正的非線性相關(guān)，降水量對(duì)NDVI變化存在一個(gè)極限值，當(dāng)降水量達(dá)到這個(gè)極限值后，NDVI變化極小，這與馮研等[16]、信忠保等[22]的研究結(jié)果基本一致；溫度和水分都是影響植物生長的生態(tài)因子，溫度與水分的相互作用使得研究NDVI與LST和降水量的關(guān)系變得復(fù)雜化，通過數(shù)據(jù)分析表明，NDVI與同期的LST和降雨量的復(fù)合模型優(yōu)于單變量模型，說明NDVI的變化是LST與降水量共同作用的結(jié)果。

從長期來說，基于線性趨勢(shì)分析，汾河流域13 a的植被覆蓋狀況呈改善趨勢(shì)，又結(jié)合NDVI時(shí)間序列的Hurst指數(shù)，表明植被恢復(fù)在未來是可持續(xù)的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，年際尺度的NDVI和同期的LST相關(guān)性不顯著，而與降水量相關(guān)性顯著，可以初步認(rèn)為，在年際尺度上非氣候因素是影響年際NDVI變化的主要原因，這與宋富強(qiáng)等[23]的研究結(jié)論一致。

此外，由于研究采用的時(shí)間為2001—2013年，時(shí)間尺度相對(duì)較短，因此在今后的研究中，需進(jìn)一步拓展，采取在更大時(shí)間尺度上探索植被覆蓋指數(shù)的影響機(jī)制。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在月尺度內(nèi)，近13 a汾河流域月NDVI變化呈現(xiàn)單峰型，氣候變化是植被覆蓋時(shí)空變化的重要影響因素，月尺度的NDVI與同期的LST呈顯著正相關(guān)，而降水量與NDVI的相關(guān)關(guān)系存在一個(gè)極限值，在100 mm左右；而當(dāng)時(shí)間擴(kuò)展至年際范圍時(shí)，非氣候因素成為主要因素。近13 a汾河流域及上、中、下游的植被覆蓋狀況呈改善趨勢(shì)，從西北向東南逐漸變好，在未來也會(huì)呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，既表現(xiàn)在植被長勢(shì)向好，也表現(xiàn)在植被覆蓋范圍的擴(kuò)大。基于月尺度的NDVI與同期的LST和降水量的復(fù)合相關(guān)模型優(yōu)于單變量相關(guān)模型，其復(fù)合相關(guān)模型為：NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222。

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Spatial and Temporal Dynamics of Vegetation Cover from 2001 to 2013 and Its Response to Climatic Factors in Fenhe River Basin

WANG Yu-chen1，LI Song-ming1，WANG Xiao1，WANG Ting-wo1，LI Hong-jian2
（1.College of Environment&Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Based on the Normalized Difference Vegetation Index（NDVI）data from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）,the daily land surface temperature（LST）and precipitation data from17 meteorological stations in Fenhe River basin of Shanxi province from 2001 to 2013,the paper analyzed spatiotemporal variation patterns of the vegetation cover in the basin and their correlations to climatic factors.The results showed that the change of vegetation index on monthly scale was a single peak.The vegetation cover index in the whole basin and the upstream,midstream and downstream showed a moderate increase trend.The vegetation coverage condition gradually got better from northwest to southeast.There was a significant positive linear correlation between the monthly average NDVI and the monthly mean LST in the basin,but the correlation between NDVI and precipitation was parabolic.The double variable model including LST and precipitation together for predicting the relationship between monthly mean NDVI and the monthly mean LST and precipitation was better than univariate correlation models.The double variable model was NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222.At annual scale there was a weak correlation between NDVI and LST,but significant correlation existed between NDVI and precipitation. The Hurst exponent value calculated from NDVI showed that the vegetation cover of Fenhe River basin in Shanxi province would become better increasing with time.

Fenhe River basin;NDVI;climatic factors;correlation analysis

Q948

A

1002-2481（2016）05-0640-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.17

2016-01-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201374）；山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2012011033-5）；山西大學(xué)科研訓(xùn)練項(xiàng)目（2014012127）

王宇?。?993-），男，山東安丘人，在校學(xué)生，研究方向：資源環(huán)境遙感。李洪建為通信作者。