王義玲，梁棟棟，2

（1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241003；2.安徽師范大學 地理大數(shù)據(jù)研究中心，安徽 蕪湖 241003）

植被是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其碳匯功能不僅是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，同時也是聯(lián)結其他圈層的重要紐帶，由于其對環(huán)境變化響應敏感，也常被用做研究陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化、水文過程等相互關系的指示器［1—2］。當前利用遙感技術在時間與空間尺度上對植被覆蓋空間變化監(jiān)測并結合下墊面實際地理條件［3］，對農(nóng)業(yè)、城市發(fā)展等方面進行逐步深入研究與探討，檢測結果精度與可靠性較大［2-3］。

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是監(jiān)測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度以及反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)信息的重要參數(shù)之一。研究NDVI與各因素間關系，探討植被NDVI的時空變化以及氣候響應機制的研究已較為成熟。

長三角地區(qū)位于中國長江的下游地區(qū)，瀕臨黃海與東海，地處江、海交匯之地，是長江入海之前形成的沖積平原，地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型復雜，地表覆蓋多樣，該地沿海沿江港口眾多，社會經(jīng)濟較為發(fā)達。研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境不僅影響植被生長的好壞，更是影響著長江下游的環(huán)境質(zhì)量［4］。鑒于此，本文以2000—2015年植被為主要研究對象，基于Google Earth Engine（GEE）獲取的MODIS NDVI數(shù)據(jù)及同期氣象數(shù)據(jù)，研究2000—2015年長三角地區(qū)植被時空演化及其驅(qū)動因素，為長江三角洲的生態(tài)規(guī)劃以及經(jīng)濟發(fā)展政策的制定提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長江三角洲地區(qū)由浙江省、江蘇省、安徽省以及上海市三省一市組成，以長三角為研究區(qū)，其經(jīng)緯度范圍是27°12′-35°20′N，114°54′-122°42′E，面積約為3.61×105km2。該地區(qū)以季風氣候為主，淮河以南為亞熱帶季風氣候，淮河以北為溫帶季風氣候［5］。研究區(qū)內(nèi)地勢總體西南高、東北低。根據(jù)地形地貌特點大致可分為3部分：南部為低山丘陵地區(qū)，中部為長江中下游平原，北部為黃淮平原。由于地勢低洼，歷史上長江三角洲地區(qū)洪澇災害異常嚴重。為了改變這種狀況，國家投資興修水利工程，西擋淮水，東擋海潮，開挖運河，增強排灌能力，使這個十年九澇的多災區(qū)變成江淮流域的重要糧食生產(chǎn)基地，同時該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的好壞與該區(qū)域經(jīng)濟是否高質(zhì)量發(fā)展相關聯(lián)［6-8］。

圖1 長三角地理位置Fig.1 Location of the Yangtze River Delta

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

中國省級行政邊界數(shù)據(jù)以及地級市行政邊界數(shù)據(jù)、氣象因素相關數(shù)據(jù)均來源于中國資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），其溫度、降水量氣候要素數(shù)據(jù)集是基于全國2400多個氣象站點的日觀測數(shù)據(jù)，應用澳大利亞的ANUSPLIN 插值軟件采用平滑樣條函數(shù)法進行空間插值得到，空間分辨率為1 km。

遙感數(shù)據(jù)是基于Google earth engine 平臺獲取的MODIS 數(shù)據(jù)，為MOD13A2 產(chǎn)品，該產(chǎn)品時間分辨率為16 d，空間分辨率為1 km，本文數(shù)據(jù)在GEE中處理，對獲取的數(shù)據(jù)使用最大值合成，生成研究區(qū)年NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析 趨勢分析是將不同時期的某一指標進行比較，直觀觀察其增減變化情況以及變動幅度，從而對長三角地區(qū)植被變化趨勢進行評判。逐像元對一元線性回歸方程的斜率變化趨勢進行分析，并對其進行顯著性檢驗（置信度95%檢驗）［9-12］。柵格像元值斜率變化的計算公式如公式（1）所示：

式中：Slope表示NDVI的變化趨勢，即斜率；n為監(jiān)測年數(shù)為第i年NDVI的平均值，Slope趨勢與植被年際變化有關。一般來說，Slope＜0表示NDVI年際變化呈減少的趨勢，反之說明NDVI年際變化呈增加的趨勢，Slope=0表示NDVI年際變化無改變。

2.2.2 未來趨勢分析 利用基于R/S分析算法的Hurst質(zhì)數(shù)預測長江三角洲地區(qū)植被未來變化趨勢?？梢远棵枋鰰r間序列信息長期依賴性的有效方法，即通過分析時間序列內(nèi)信息長時期依賴性和自相關性，揭示時間序列所暗示的系統(tǒng)演變趨勢［13-15］，計算公式如公式（2）（3）（4）（5）所示：

式中，若R/S∝τH，則表明{NDVI（t）}存在Hurst 現(xiàn)象，H值為Hurst 指數(shù)，通過最小二乘法雙對數(shù)坐標系（lnτ，lnR/S）擬合計算得到，Hurst指數(shù)取值范圍為［0，1］。若0＜H＜0.5，說明NDVI時間序列有反向持續(xù)性，表明未來的變化狀況與過去趨勢相反；H越接近0，反持續(xù)性越強；若H=0.5，表明NDVI時間序列變化呈現(xiàn)隨機性，不存在長期相關性；當0.5＜H＜1，則表明未來的變化狀況與過去趨勢一致，即該過程具有持續(xù)性，且H越接近1，持續(xù)性越強［13］。

2.2.3 偏相關分析 在生態(tài)系統(tǒng)中，各要素之間具有復雜且相互影響的關系，簡單相關系數(shù)法已不能真實反映某要素與另一要素的相關性。而偏相關系數(shù)可以通過單獨分析兩要素之間的相關程度，暫時不考慮其他要素的影響。本研究利用偏相關分析方法來分析氣候因子（降水、氣溫）對長三角地區(qū)植被NDVI變化的影響［13，16］，計算公式如下：

式中：rxy·z表示變量z恒定后與變量x與y的偏相關系數(shù)，rxy、rxz、ryz分別為x與y、x與z、y與z之間的相關系數(shù)。rxy為變量x與y的相關系數(shù)，值域范圍是［-1，1］。xij、yij表示第i年和第j月的研究變量的值，xˉ、yˉ分別表各變量在各時間尺度上的均值［13，17-18］。

3 長三角地區(qū)植被覆蓋時空變化特征

3.1 時間變化特征

為了直觀研究長江三角洲地區(qū)NDVI時間變化特征，選取2000—2015年每一年NDVI年均值代表當年植被覆蓋情況，采用線性擬合方法對2000—2015年逐年NDVI均值波動情況進行線性擬合。結果表明，長三角地區(qū)NDVI值整體上呈現(xiàn)上升趨勢，年平均NDVI增長速率在0.0014/10a，NDVI值在0.7-0.8 之間波動，其中2009—2011年NDVI值波動較大，根據(jù)劉爽等［19］研究、中國氣象災害年鑒資料以及各省市統(tǒng)計年鑒資料，長三角地區(qū)的上海、江蘇和浙江是我國2000—2010年城市化發(fā)展最快的城市，城市化的發(fā)展使得研究區(qū)內(nèi)植被生長呈一定波動狀況，2008年全國性雪災造成植被大面積死亡，災后人為干預使得研究區(qū)植被恢復，并在2010年達到較高水平。2010年后長三角地區(qū)大量建筑修建以及城市化擴張使得研究區(qū)內(nèi)植被分布變動明顯，大量農(nóng)田轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)用地使得后續(xù)植被NDVI下降。整體而言，2000年NDVI值為16年來最低值，NDVI值在2012—2015年間有一定的波動，但仍呈現(xiàn)增加趨勢，這主要是因為2000年以來，長三角地區(qū)不斷推進生態(tài)修復工程，一系列生態(tài)修復工程使得該地區(qū)植被的生長狀況總體呈較好的發(fā)展趨勢。

圖2 2000—2015年長江三角洲植被年均NDVI變化Fig.2 Annual NDVIchange of vegetation in the Yangtze River Delta from 2000 to 2015

3.2 植被NDVI空間變化基本特征

依據(jù)2000—2015年長三角地區(qū)年均NDVI數(shù)據(jù)，計算16年均值得到平均NDVI的空間分布圖（圖3）。從圖3中可以看出，長三角地區(qū)大部分地區(qū)NDVI值在0.5-1范圍內(nèi)，總體呈較高狀態(tài)。植被覆蓋在空間分布上具有顯著空間差異性，長三角地區(qū)呈多核心發(fā)展，研究區(qū)南部即大別山區(qū)與黃山地區(qū)NDVI明顯增大，植被等級高于其他地區(qū)，上海地區(qū)以及浙江南部、江蘇北部地區(qū)NDVI變動明顯，植被等級下降。

圖3 2000—2015年長三角地區(qū)NDVI均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of NDVImean in the Yangtze River Delta from 2000 to 2015

3.3 長三角地區(qū)NDVI趨勢分析

3.3.1 長三角地區(qū)植被NDVI變化趨勢 采用一元線性回歸對長三角地區(qū)16年來植被的變化趨勢進行逐象元分析，并對分析結果進行顯著性檢驗，采取間隔分析，將結果分為四個變化等級：極顯著（P為0.01）、顯著（P為0.05）、弱顯著（P為0.1）和不顯著。結果如圖4，長三角地區(qū)植被NDVI斜率變化范圍為-0.052-0.069，整體上呈上升趨勢，增加的面積占比為70.53%，減少的面積占比為29.47%。其中，在呈增加趨勢中，極顯著性增加和顯著性增加的面積占比為59.21%，下降趨勢內(nèi)極顯著性下降和顯著性減少面積占比為1.3%。從空間上來看，植被增加區(qū)域主要集中在南部山區(qū)，即大別山區(qū)與黃山地區(qū)。植被變化整體空間上呈減少趨勢的地區(qū)主要集中在東部地區(qū)，即經(jīng)濟高度發(fā)達地區(qū)，如上海全域、江蘇南部以及浙江北部，都出現(xiàn)明顯的植被退化現(xiàn)象。

圖4 2000—2015年長三角地區(qū)NDVI變化趨勢及顯著性檢驗Fig.4 Change trend and significance test of NDVIin the Yangtze River Delta from 2000 to 2015

3.3.2 植被NDVI未來趨勢分析 對于2000—2015年長三角地區(qū)植被NDVI進行Hurst指數(shù)分析，結果表明，長三角地區(qū)植被NDVI的Hurst指數(shù)介于0.141-0.982之間，平均值為0.507。其中，反持續(xù)傾向的面積占比為48.41%，而持續(xù)傾向的面積占比為51.59%，表明長三角地區(qū)植被變化在2000—2015年間增長趨勢略強于退化趨勢。從空間分布來看（圖5），長三角地區(qū)植被持續(xù)趨勢呈碎片化分布在研究區(qū)內(nèi)。呈強持續(xù)趨勢的地區(qū)主要分布在安徽中部以及南部地區(qū)，即大別山地區(qū)以及黃山地區(qū)；呈反持續(xù)傾向的植被，大部分位于安徽北部以及浙江東部沿海地區(qū)，反持續(xù)趨勢則主要密集分布在江蘇東部地區(qū)。

圖5 2000—2015年長三角地區(qū)植被未來趨勢變化Fig.5 vegetation Future trends in the Yangtze River Delta from 2000 to 2015

4 長三角地區(qū)NDVI對氣候因子的響應

長三角地區(qū)2000—2015年降水量均值為1280.8mm，北部降水量相對較小，南部降水量較大，降水量空間差異明顯，均溫為16.6°C，研究區(qū)內(nèi)自中部向南部溫度逐漸增高，北部地區(qū)氣溫較低，氣溫空間差異顯著（圖6）。為了能更好地反映長三角地區(qū)NDVI與氣溫、降水間的相互響應關系，通過對2000—2015年長三角地區(qū)NDVI與氣溫、降水數(shù)據(jù)逐象元計算其偏相關系數(shù)并進行顯著性檢驗，以此得到2000—2015年長三角地區(qū)植被NDVI與氣候因子間的關系以及空間分布狀況（圖7），圖中缺省值部分表明該區(qū)域為未通過顯著性檢驗，植被變化與降水、氣溫因子間不存在相關性。

圖6 2000—2015年長三角地區(qū)降水量及氣溫均值Fig.6 Mean precipitation and temperature in the Yangtze River Delta from 2000 to 2015

圖7 2000—2015年長三角地區(qū)NDVI和降水、氣溫的偏相關系數(shù)Fig.7 Partial correlation coefficient between NDVIand precipitation and temperature in The Yangtze River Delta from 2000 to 2015

計算結果表明，NDVI與降水的偏相關系數(shù)均值為0.595，與氣溫的偏相關系數(shù)均值為0.581，氣候因子對長三角地區(qū)植被變化的驅(qū)動呈現(xiàn)出明顯的時空差異。NDVI與降水的偏相關系數(shù)通過顯著性檢驗且偏相關系數(shù)大于0.6的區(qū)域占比為13.94%，主要分布在安徽南部大別山區(qū)及黃山山區(qū)，部分分布在浙江西北部等地。NDVI與氣溫的偏相關系數(shù)通過顯著性檢驗且偏相關系數(shù)大于0.6的區(qū)域占比為19.74%，空間上呈零星分布，主要分布在江蘇東北部以及安徽南部。整體上，長三角地區(qū)NDVI與氣候因子間響應關系的結果顯示，降水對植被生長影響高于氣溫。

5 結 論

（1）2000—2015年長三角地區(qū)NDVI均值以0.0014 a-1的速率波動上升，植被增加區(qū)域主要集中在南部山區(qū)，即大別山區(qū)與黃山地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)植被NDVI整體上呈上升趨勢，增加的面積占比為70.53%，減少的面積占比為29.47%。

（2）Hurst指數(shù)介于0.141-0.982之間，總體上大部分地區(qū)呈高值分布，低值主要分布在研究區(qū)東部，即上海地區(qū)及江蘇東部地區(qū)，研究區(qū)內(nèi)持續(xù)傾向面積超過總面積1/2。

（3）長三角地區(qū)年均氣溫在空間上呈現(xiàn)中部向南部逐漸升高的趨勢，降水量空間差異明顯，南部降水量較大，北部降水量較?。谎芯繀^(qū)植被NDVI與氣溫、降水的偏相關系數(shù)分別為0.581和0.595，顯示降水對植被的影響略高于氣溫，均對長三角地區(qū)植被生長起到正向作用。