王麗霞, 余東洋, 劉 招, 張雙成, 楊 耘

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 西安 710054; 2.國土資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710075; 3.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054; 4.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710054)

植被是地表物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的主要載體[1]，也是氣候和生態(tài)環(huán)境變化的指示器[2]。氣候?qū)χ脖坏目臻g分布[3]、生產(chǎn)力[4]、物候[5]等具有重要影響。因此，深入研究植被的動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子之間的相關(guān)性，對揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變以及應(yīng)對氣候變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)對植被的分布、密度及變化非常敏感，被認(rèn)為是表征地表植被覆蓋動(dòng)態(tài)的有效指標(biāo)[6-8]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)從不同尺度對植被變化及其與氣候因子之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行了深入研究。例如，Liu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，1982—2012年全球大多數(shù)地區(qū)NDVI與氣溫的相關(guān)性逐漸減弱，而與降水的相關(guān)性增強(qiáng)；樸世龍等[10]提出生長季的提前是中國植被對全球變化響應(yīng)的最主要方式的觀點(diǎn)；Xu等[11]發(fā)現(xiàn)我國植被生長動(dòng)態(tài)主要受氣溫影響，其次受到降水的影響；杜加強(qiáng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)，新疆地區(qū)的NDVI變化在春秋季節(jié)主要受氣溫影響，夏季主要受降水的影響。

總之，當(dāng)前的研究結(jié)果已經(jīng)表明NDVI與氣候因子之間存在著顯著的相關(guān)性[13-15]，但研究結(jié)果的地區(qū)差異明顯[16-17]，對渭河流域指導(dǎo)意義不大。渭河流域位于黃土高原地區(qū)，是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其植被覆蓋狀況對流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，但目前針對該流域的相關(guān)研究較少。鑒于此，本文利用渭河流域2000—2015年MODIS NDVI月時(shí)序數(shù)據(jù)及同期氣象資料，研究流域NDVI、氣溫和降水的時(shí)空變化特征及相關(guān)性，以期為渭河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河流域位于黃河流域中部，地理位置介于33°—38°N，104°—110°E。其干流全長818 km，流域面積13.5萬km2，涇河和北洛河是其主要的支流。流域西部、渭河北山以北屬黃土高原，中部為渭河谷地，南部為秦嶺，地勢西高東低，平均海拔1 300 m。渭河流域地處溫帶半干旱半濕潤區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量500～800 mm，年平均氣溫7.8～13.5℃[18]，其主要植被類型有闊葉林、針葉林、灌叢、草叢、草甸、草原以及栽培植被。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用的植被指數(shù)數(shù)據(jù)采用2000—2015年MODIS NDVI月合成數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。利用ArcGIS軟件，以渭河流域矢量邊界為基礎(chǔ)進(jìn)行裁剪，獲得研究區(qū)逐月的NDVI影像。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)所提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。包括渭河流域及其周邊的27個(gè)氣象站點(diǎn)，選取的氣象因子為月平均氣溫和月降水量。利用反距離權(quán)重插值法(Inverse Distance Weighing)將上述氣象要素插值為空間分辨率與NDVI一致的柵格數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 基于像元尺度的趨勢分析法能模擬研究區(qū)中每個(gè)柵格單元的變化趨勢，從而反映植被NDVI變化的方向和速率[19]。趨勢分析的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Slop為像元NDVI線性回歸方程的斜率；i代表年份(本文中i的取值范圍為1～16)；n為研究的時(shí)間跨度(本文的時(shí)間跨度為16 a)。當(dāng)Slop>0時(shí)，NDVI呈增加趨勢；當(dāng)Slop<0時(shí)，NDVI呈減小趨勢；當(dāng)Slop=0時(shí)；NDVI基本穩(wěn)定，無明顯變化。

1.3.2 相關(guān)分析 相關(guān)分析是測度變量之間相關(guān)程度的有效方法。本文首先對2000—2015年月時(shí)序NDVI與氣溫和降水進(jìn)行相關(guān)分析，然后利用ArcGIS空間分析，基于像元尺度分析NDVI與氣溫和降水之間的相關(guān)性，以探討長時(shí)間序列下NDVI與氣溫和降水之間的相關(guān)程度，并分析其空間分布狀況。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Rxy為相關(guān)系數(shù)；xi與yi分別代表變量x與y在第i時(shí)期時(shí)的值；x和y代表變量x與y的平均值；n為樣本容量。相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1～1，正值代表變量之間呈正相關(guān)關(guān)系，負(fù)值代表變量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，變量之間的相關(guān)性越強(qiáng)。

考慮到地理系統(tǒng)中各要素之間相互影響。采用偏相關(guān)系數(shù)法研究單個(gè)氣候因子與NDVI之間的相關(guān)性。偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：Rxy,z表示將變量z視為常數(shù)時(shí)變量x與y之間的偏相關(guān)系數(shù)；Rxy，Rxz，Ryz分別表示變量x，y，z兩兩之間的相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1～1。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI、氣溫及降水的時(shí)間變化

2.1.1 年內(nèi)變化特征 圖1顯示了渭河流域2000—2015年月平均NDVI和氣溫、降水的時(shí)間變化序列。從圖1中可以看出，渭河流域平均NDVI具有明顯的季節(jié)變化。NDVI變化曲線在年內(nèi)呈單峰型，最小值一般出現(xiàn)在1月和2月，此時(shí)NDVI小于0.3；最大值一般出現(xiàn)在8月，此時(shí)NDVI大于0.6。表1列出了16 a間各月的NDVI、氣溫和降水的平均值。由表1可以看出，NDVI從3月開始逐漸增大，并在8月達(dá)到最大值，為0.68；8月—次年2月NDVI逐漸降低，并在2月達(dá)到最小值，為0.27，春季和夏季是NDVI變化幅度最大的時(shí)間段。NDVI的年內(nèi)變化直接反映了植被的物候，3月份開始，各類植被逐漸開始發(fā)芽生長，至8月份，植被均處于生長旺盛階段，此時(shí)NDVI達(dá)到最大值；9月份開始，植被逐漸停止生長，植被覆蓋度逐漸減小，因此NDVI逐漸降低，并在次年2月達(dá)到最低值。

從氣溫和降水的時(shí)間變化序列曲線中可以清晰看出NDVI在不同的變化階段里水熱條件的變化特征。渭河流域月平均氣溫和降水的年內(nèi)變化趨勢與NDVI相一致，冬季氣溫低，降水量少，夏季氣溫高，降水量多。由表1可以看出，平均氣溫最高出現(xiàn)在7月份，為22.11℃，最低出現(xiàn)在1月份，為-4.17℃；降水量最大值出現(xiàn)在8月份，為99.7 mm，最小值出現(xiàn)在12月份，為3.88 mm。

2.1.2 年際變化特征 圖2顯示了渭河流域2000—2015年NDVI、氣溫和降水的整體變化趨勢。由圖2可知，渭河流域NDVI呈緩慢增大的趨勢，增大的速率約為0.088/10 a，表明植被覆蓋度有所增加。多年平均NDVI為0.48，NDVI最小值出現(xiàn)在2000年，為0.40，NDVI最大值出現(xiàn)在2013年，為0.56。NDVI的年際變化大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：(1) 2000—2002年，這一階段NDVI呈增大的趨勢，增大的幅度為0.06；(2) 2004—2010年，這一階段NDVI的變化較為平穩(wěn)，在0.45～0.47之間波動(dòng)；(3) 2011—2015年，這一階段NDVI明顯增大，并且在2013年達(dá)到最大值。

2000—2015年，渭河流域的氣候總體上朝著暖濕的方向變化，氣溫和降水的年際波動(dòng)較大，無明顯的波動(dòng)周期。其中，氣溫升高的速率為0.066℃/10 a，降水增加的速率為37.92 mm/10 a。

圖1 2000-2015年渭河流域平均NDVI及各氣象要素的時(shí)間序列

圖2 渭河流域NDVI及各氣象要素年際變化趨勢

2.2 NDVI、氣溫及降水的空間變化

2.2.1 NDVI、氣溫及降水的空間分布特征 渭河流域2000—2015年平均NDVI、氣溫及降水的空間分布狀況如圖3所示。從圖3可以看出，NDVI分布的空間差異比較明顯，流域內(nèi)NDVI介于0.18～0.78之間，均值為0.48。流域西部、北部的黃土丘陵溝壑區(qū)的植被覆蓋狀況較差，NDVI小于0.3；涇河谷地、北洛河谷地和關(guān)中平原的植被覆蓋狀況較好，NDVI介于0.3～0.6之間；流域南部的秦嶺、中部的子午嶺地區(qū)植被覆蓋狀況最好，NDVI大于0.6。

NDVI的空間分布格局與氣候因子的空間變化比較一致。根據(jù)插值結(jié)果，渭河流域平均氣溫4.3～14.77℃，多年平均降水量298～689 mm，氣溫和降水的空間分布表現(xiàn)出由東南向西北逐漸降低和減少的趨勢。流域西部、北部氣溫低、降水量少，氣候干旱，主要的植被類型為溫帶草原，NDVI較低；自西北向東南，水熱條件逐漸改善，涇河谷地、北洛河谷地以及關(guān)中平原適宜農(nóng)耕，主要的植被類型為栽培植被，NDVI較高；流域南部的秦嶺和子午嶺地區(qū)水熱條件組合好，主要的植被類型為闊葉林和針葉林，并分布有少量的溫帶落葉灌叢，NDVI最高。

圖3渭河流域多年平均NDVI及各氣象要素的空間分布

2.2.2 NDVI、氣溫及降水的空間變化趨勢 基于流域尺度的時(shí)間序列分析可以探明渭河流域NDVI及氣候變化的整體趨勢，但無法說明這些變化在空間上的差異。因此利用趨勢分析法，在像元尺度上分析了渭河流域2000—2015年NDVI、氣溫及降水的變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。圖4表明，近16 a以來，渭河流域絕大部分地區(qū)的NDVI值均呈增大的趨勢，統(tǒng)計(jì)各像元值對應(yīng)的像元數(shù)發(fā)現(xiàn)，趨勢斜率大于0的像元個(gè)數(shù)有375 579個(gè)，占全區(qū)的97.77%，其中，流域西部和北部的NDVI增大的趨勢最為明顯；趨勢斜率小于0的像元個(gè)數(shù)有8 586個(gè)，占全區(qū)的2.23%，主要沿渭河干流一線的城鎮(zhèn)和人口密集地區(qū)分布?？傮w而言，渭河流域近16 a以來NDVI變化的趨勢為整體增大，西部強(qiáng)于東部，北部強(qiáng)于南部。

渭河流域大部分地區(qū)16 a間氣溫均呈升高的趨勢，其中流域西部、北部氣溫升高的趨勢最明顯，東部趨勢相對穩(wěn)定，北洛河以東氣溫有降低的趨勢；降水的變化趨勢為：流域大部分地區(qū)降水量增大，南部和西北部最明顯，北洛河谷地降水量有減少的趨勢。

2.3 NDVI與氣溫、降水的相關(guān)性分析

2.3.1 時(shí)間序列相關(guān)性分析 圖5顯示了渭河流域2000—2015年月平均NDVI隨氣溫和降水的變化而變化的大致趨勢。由圖5A可以看出，月平均NDVI與月平均氣溫之間的相關(guān)性顯著，NDVI隨氣溫的升高而增大，當(dāng)月平均氣溫在20℃以上時(shí)，NDVI趨于最大。由圖5B可知，月平均NDVI與月降水之間接近于對數(shù)關(guān)系，月降水量在0～100 mm之間時(shí)，NDVI隨著降水的增加而迅速增大，當(dāng)月降水量超過100 mm時(shí)，NDVI趨于穩(wěn)定，說明此時(shí)供給植被生長發(fā)育的水分已趨于飽和。

分別計(jì)算NDVI與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，月平均NDVI與氣溫和降水之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.865，NDVI與降水之間的相關(guān)系數(shù)為0.776，二者均通過顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)；NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為0.664，NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)為0.346。這表明氣溫和降水的季節(jié)變化對植被生長影響顯著，并且說明就渭河流域而言，植被的動(dòng)態(tài)變化更易受到氣溫變化的影響。

圖4渭河流域NDVI及各氣象要素的變化趨勢

2.3.2 空間相關(guān)性分析 對渭河流域2000—2015年年平均NDVI與年平均氣溫和年降水量逐像元進(jìn)行相關(guān)分析和偏相關(guān)分析，結(jié)果如圖6所示。圖6A、圖6B顯示了NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)的空間分布格局。由圖可知，渭河流域NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)介于-0.943～0.864之間，偏相關(guān)系數(shù)介于-0.926～0.870之間，二者的極化現(xiàn)象嚴(yán)重且空間差異性明顯。NDVI與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域占流域面積的51.21%，主要分布在渭河寶雞峽以上的地區(qū)，包括寶雞、天水、平?jīng)觥⒐淘约坝芰侄ㄟ吙h。這些地區(qū)年均溫較低，植被以草原和栽培植被為主，同期氣溫升高，降水量也呈增大趨勢，這有利于農(nóng)業(yè)耕作和自然植被生長。NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的地區(qū)占流域面積的48.79%，主要分布在北洛河流域以及渭河流域咸陽至潼關(guān)段，包括慶陽、西安、咸陽、銅川、延安和渭南,這與已有研究結(jié)果一致[20]。這也說明氣溫的升高會(huì)導(dǎo)致植被生長在一定程度上受到抑制。圖6C、圖6D顯示了NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)的空間分布格局。總體而言，NDVI與降水變化的相關(guān)性要弱于氣溫變化，NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)介于-0.474～0.818之間，偏相關(guān)系數(shù)介于-0.519～0.825之間?？臻g分布上，NDVI與降水呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域占流域面積的96.67%，特別是流域西北部，NDVI與降水的正相關(guān)性較為明顯，而植被覆蓋程度較好的秦嶺與子午嶺地區(qū)，NDVI與降水的相關(guān)性較弱。NDVI與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域占流域面積的3.33%，主要沿關(guān)中平原城市周邊分布。從整體上看，渭河流域降水的增加對植被生長主要起到促進(jìn)的作用。

圖5 NDVI與氣溫、降水在時(shí)間序列上的關(guān)系

圖6NDVI與氣溫、降水量相關(guān)性空間分布

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

氣候變化是影響地表植被時(shí)空分布的重要原因[21]。已有研究表明，全球變暖正導(dǎo)致北半球中高緯度地區(qū)植被活動(dòng)增強(qiáng)[22-23]。本文以渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，嘗試分析NDVI的時(shí)空變化及其與氣候因子之間的時(shí)空相關(guān)性。結(jié)果表明，2000—2015年，渭河流域NDVI總體呈增大的趨勢，但空間差異明顯，流域西部、北部植被活動(dòng)的強(qiáng)度明顯大于東南部地區(qū)；在NDVI與氣候因子的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，NDVI對氣溫變化的響應(yīng)強(qiáng)度要大于降水變化；此外，氣溫的升高對植被動(dòng)態(tài)變化的影響具有空間差異性，而降水的增加主要促進(jìn)了植被的生長。氣候變化對渭河流域植被動(dòng)態(tài)變化的影響是明顯的，但其他非氣候因素對植被動(dòng)態(tài)變化的影響也不可忽視，特別是退耕還林(草)工程、城市化的發(fā)展等人類活動(dòng)因素對植被動(dòng)態(tài)的影響還有待進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié) 論

(1) 2000—2015年，渭河流域NDVI總體呈增大的趨勢，但空間差異明顯。NDVI增大的趨勢表現(xiàn)為西部強(qiáng)于東部，北部強(qiáng)于南部。同期渭河流域氣候總體朝暖濕的方向發(fā)展，流域西部、北部氣溫升高，降水量增大，東北部氣溫降低、降水量減小。

(2) 時(shí)間尺度上，渭河流域NDVI與氣溫和降水均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中NDVI與氣溫的相關(guān)性要強(qiáng)于降水。

(3) 像元尺度上，渭河流域NDVI與氣溫的相關(guān)性空間差異明顯，西部主要呈正相關(guān)關(guān)系，東部主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。大部分地區(qū)NDVI與降水均呈正相關(guān)關(guān)系。說明就渭河流域而言，氣溫的變化對植被生長的影響具有空間差異性和不確定性，而降水的增加會(huì)促進(jìn)植被的生長。