張曉明

（江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著全球氣候的暖化，各地氣溫和降水的規(guī)律發(fā)生了很大的變化[1]，對(duì)植被的狀態(tài)造成了很大的影響，尤其是各種極端氣候?qū)χ脖簧L(zhǎng)產(chǎn)生很大的抑制作用，NDVI作為一種被廣泛使用的遙感植被指數(shù)，對(duì)植被狀態(tài)的監(jiān)測(cè)具有不可替代的作用，通過(guò)NDVI對(duì)植被進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)空分析可以反映生態(tài)系統(tǒng)在全球暖化中的影響，為研究生態(tài)環(huán)境的變化有很重要的意義。

近幾年，中國(guó)南方地區(qū)的降水規(guī)律發(fā)生了很大的變化，旱澇急轉(zhuǎn)、冰雹等極端氣象事件頻繁發(fā)生，而且發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)還未發(fā)現(xiàn)規(guī)律，這對(duì)植被的生長(zhǎng)造成了很大的影響[2-4]。此前研究人員對(duì)植被NDVI的時(shí)空變化分析進(jìn)行了很多的研究，比如張亮等[5]對(duì)安徽省植被覆蓋的長(zhǎng)時(shí)間序列分析及姜萍等[6]對(duì)新疆NDVI的時(shí)空變化研究，但更多是研究人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋率的影響或者對(duì)南方植被的長(zhǎng)時(shí)間序列分析僅限于2013年左右[7-8]，對(duì)近些年南方植被的狀態(tài)的變化分析較少。

鄂湘贛地區(qū)屬于長(zhǎng)江中下游，植被覆蓋度高，降水豐富，四季分明。隨著全球極端氣候的加劇，鄂湘贛地區(qū)的降水和氣溫等受到很大影響，對(duì)鄂湘贛地區(qū)近幾年的植被進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的時(shí)空分析具有重要的意義，可以為農(nóng)業(yè)干旱、氣象變化和生態(tài)系統(tǒng)的研究提供一定的基礎(chǔ)和思路。本文通過(guò)Slope趨勢(shì)分析、M-K顯著性檢驗(yàn)和距平值分析等對(duì)鄂湘贛地區(qū)2007—2018年的NDVI進(jìn)行時(shí)空分析，并結(jié)合相同時(shí)間尺度的降水量數(shù)據(jù)分析研究干旱事件對(duì)植被狀態(tài)的影響，得到鄂湘贛地區(qū)植被狀態(tài)的變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

湖北、湖南和江西3省簡(jiǎn)稱鄂湘贛，省會(huì)分別為武漢、長(zhǎng)沙和南昌。位于北緯24°29′~33°6′之間，東經(jīng)108°21′~116°07′之間，其中東西距離約為940 km，南北距離約為993 km，面積為56.46萬(wàn)km2，地貌類型以山地、丘陵為主。鄂湘贛3省在地理位置上北側(cè)與河南、陜西相連，西側(cè)與重慶、貴州毗鄰，南側(cè)與廣東、福建交接，東側(cè)與安徽、浙江接壤。

鄂湘贛3省處于亞熱帶季風(fēng)氣候，光能充足，熱量豐富，降水豐沛，雨熱同期。各地年平均氣溫一般為15～19℃，氣候溫暖。該區(qū)域四季變化分明，冬季寒冷，春季溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，而且該地區(qū)的無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)200~300 d。但該區(qū)域的降水在不同的季節(jié)分配不均，降水的年際變化大，易發(fā)生干旱和洪澇等氣象災(zāi)害，對(duì)植被影響較大。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文使用NDVI數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2007—2018年。月尺度NDVI數(shù)據(jù)為MODIS平臺(tái)上的MOD13C2數(shù)據(jù)集（https：//search.earthdata.nasa.gov），空間分辨率為0.05°，該平臺(tái)NDVI產(chǎn)品種類多樣見(jiàn)表1，有很好的時(shí)間和空間連續(xù)性，對(duì)大尺度空間區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間序列分析，該數(shù)據(jù)集已被廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)MODIS的月尺度NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行MODIS重投影工具（MRT）軟件進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)化等預(yù)處理，再對(duì)得到的全球NDVI柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，再以季度和年度等時(shí)間尺度求均值得到不同時(shí)間尺度的鄂湘贛地區(qū)柵格影像。

表1 MODIS衛(wèi)星的NDVI產(chǎn)品種類

2.2 研究方法

2.2.1 Slope趨勢(shì)分析

Slope趨勢(shì)分析法是對(duì)隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行線性回歸分析從而得到變量在時(shí)間序上的變化趨勢(shì)的方法，計(jì)算公式為

式中：Ti為第i年的平均值；n為時(shí)間長(zhǎng)度。當(dāng)Slope>0表明該數(shù)據(jù)在研究時(shí)間段內(nèi)為增加趨勢(shì)，Slope<0表明研究數(shù)據(jù)在研究時(shí)間段內(nèi)為減少趨勢(shì)。

2.2.2 M-K顯著性檢驗(yàn)

M-K顯著性檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，該方法不要求統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，也不要求數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)為線性，并且不受缺失值和異常值影響，是一種很好的對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列分析檢驗(yàn)的方法。

3 結(jié)果分析

3.1 月尺度NDVI干旱時(shí)空分析

對(duì)2007—2018年同一月份的NDVI柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行Slope趨勢(shì)分析和M-K顯著性檢驗(yàn)，如圖1和圖2所示，以P<0.1作為顯著性標(biāo)準(zhǔn)。在2007—2018年鄂湘贛地區(qū)不同的月份通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域和面積存在很大差異。通過(guò)顯著檢驗(yàn)的區(qū)域面積在39%~82%，主要分布在鄂湘贛地區(qū)的南部區(qū)域，且大部分區(qū)域的Slope>0。未通過(guò)M-K顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要集中在鄂湘贛地區(qū)的北部，在武漢和南昌等城市群附近。其中1、3、4、5、6、10、11、12月通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域在54%~82%，2、7、8、9通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域在39%~48%，具體區(qū)域面積見(jiàn)表2。表明在1、3、4、5、6、10、11、12月鄂湘贛大部分地區(qū)的植被狀態(tài)在逐年好轉(zhuǎn)，受氣象條件影響較少。在2、7、8、9月NDVI值逐年升高的區(qū)域較少，在這幾個(gè)月份鄂湘贛地區(qū)氣象變化復(fù)雜，植被狀態(tài)受氣象影響較大。

表2 2007—2018年1—12月份NDVI的顯著性檢驗(yàn)影像像元占比

圖1 月尺度NDVI的Slope趨勢(shì)影像數(shù)據(jù)

圖2 月尺度NDVI的顯著性檢驗(yàn)影像

3.2 季尺度NDVI干旱時(shí)空分析

在季尺度，通過(guò)NDVI柵格數(shù)據(jù)對(duì)鄂湘贛地區(qū)進(jìn)行Slope趨勢(shì)分析和M-K顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)圖3和圖4，其中通過(guò)M-K顯著性檢驗(yàn)區(qū)域的面積為44%~81%，見(jiàn)表3，且該區(qū)域NDVI的Slope>0。其中Slope趨勢(shì)值為正的區(qū)域面積中冬季大于春季大于夏季大于秋季，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域面積分別為81%、79%、45%、44%。表明鄂湘贛地區(qū)在冬季和春季有80%左右的區(qū)域植被狀態(tài)在逐漸好轉(zhuǎn)，夏季和秋季有44%的區(qū)域植被狀態(tài)在逐漸好轉(zhuǎn)。其中夏季和秋季通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域與冬季和春季相比較少，顯示鄂湘贛地區(qū)在夏季和秋季的氣象條件較差，影響了植被的生長(zhǎng)。

表3 季尺度的NDVI的顯著性檢驗(yàn)影像像元百分比

圖3 季尺度NDVI的Slope趨勢(shì)影像數(shù)據(jù)

圖4 季尺度NDVI的顯著性檢驗(yàn)影像

3.3年尺度NDVI干旱時(shí)空分析

3.3.1年尺度NDVI的干旱時(shí)空分析

在年尺度上，通過(guò)距平法對(duì)年尺度NDVI與年平均值做差，得到表4。由表4可知鄂湘贛地區(qū)2007、2008、2009、2010、2011和2013年有54%~73%的區(qū)域植被生長(zhǎng)狀態(tài)較差，低于平均值。其中2008年和2011年植被狀態(tài)最差，有73%的區(qū)域植被狀態(tài)受到影響，2015年植被狀態(tài)最好，有80%的區(qū)域NDVI距平值高于年平均值，NDVI距平值小于0的區(qū)域變化幅度達(dá)到53%。在2007—2013年NDVI距平值小于0的區(qū)域面積平均為63%，2014—2018年NDVI距平值小于0的區(qū)域面積平均為33%，說(shuō)明在2007—2018年鄂湘贛地區(qū)的植被狀態(tài)在逐漸好轉(zhuǎn)，該結(jié)果和月尺度與季尺度NDVI的Slope趨勢(shì)分析和M-K顯著性檢驗(yàn)結(jié)果相符。

表4年尺度NDVI距平值不同等級(jí)所占像元百分比

3.3.2 基于年降水量的年尺度NDVI變化分析

植被狀態(tài)主要受降水影響較大，但降水不是影響植被狀態(tài)的唯一因素。在圖5中2007—2018年間鄂湘贛地區(qū)NDVI距平負(fù)值的面積和年降水量的變化具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。但在2007—2009年之間，NDVI距平負(fù)值的區(qū)域面積和年降水量的變化呈正相關(guān)性，表明在2007—2009年降水不是造成鄂湘贛地區(qū)NDVI負(fù)值面積增大的原因。

圖5 NDVI距平負(fù)值和降水量變化趨勢(shì)

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)鄂湘贛地區(qū)進(jìn)行NDVI的時(shí)空分析有助于了解該地區(qū)的植被變化狀況，對(duì)人類活動(dòng)影響、干旱區(qū)域分析和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的研究等有很大的幫助，本研究通過(guò)對(duì)月尺度、季尺度和年尺度NDVI的數(shù)據(jù)進(jìn)行Slope趨勢(shì)分析、M-K顯著性檢驗(yàn)和距平值分析對(duì)鄂湘贛地區(qū)的植被狀態(tài)進(jìn)行時(shí)空分析。得到以下結(jié)論。

（1）鄂湘贛地區(qū)NDVI總體上呈增加的趨勢(shì)，在月尺度，不同月份之間鄂湘贛地區(qū)NDVI通過(guò)M-K顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域面積存在很大的差異，其中通過(guò)顯著檢驗(yàn)的區(qū)域面積在39%~82%，主要分布在鄂湘贛地區(qū)的南部區(qū)域，區(qū)域面積最大相差43%。在季尺度，春季和冬季鄂湘贛地區(qū)NDVI的逐年增加的區(qū)域相較夏季和秋季多40%左右。說(shuō)明鄂湘贛區(qū)域不同月份和季節(jié)的植被趨勢(shì)變化存在很大的差異。

（2）鄂湘贛地區(qū)的植被狀態(tài)在2013年存在一個(gè)拐點(diǎn)，由2007—2013年NDVI距平值小于0的區(qū)域面積為63%的平均值到2014—2018年變?yōu)?3%，表明在2007—2013年鄂湘贛地區(qū)的植被狀態(tài)受氣象等條件影響較大，在2007—2018年后鄂湘贛地區(qū)的植被狀態(tài)逐漸變好。

（3）武漢和南昌等城市群附近的植被受人類活動(dòng)影響較大，該地區(qū)植被狀態(tài)變化復(fù)雜，不存在一定的趨勢(shì)變化。

（4）鄂湘贛地區(qū)的NDVI主要受降水影響，但降水不是唯一影響NDVI的因素，氣溫等其他氣象因素對(duì)NDVI的影響也很大。