劉 琪，景海濤，劉盼盼，湯金穎，王 磊

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分，是重要的自然資源，起到連接生態(tài)系統(tǒng)中大氣、土壤、水分等自然因子的紐帶作用[1,2]。植被的改善有助于提高水源涵養(yǎng)和水土保持功能，對植被的時(shí)空變化趨勢監(jiān)測在全球氣候變化背景下的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要意義[3]。植被遙感數(shù)據(jù)憑借優(yōu)異的空間和時(shí)間特征，現(xiàn)已成為監(jiān)測全球及區(qū)域尺度植被的生長狀態(tài)、地表覆蓋變化等植被信息的關(guān)鍵數(shù)據(jù)源。當(dāng)前用于度量植被變化的植被指數(shù)有很多，其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)既能夠表征植被覆蓋的整體狀況，且與植被覆蓋度之間存在顯著的線性關(guān)系，是最常用的表征植被生長狀態(tài)和覆蓋度的指標(biāo)，被廣泛用于植被變化及其驅(qū)動因子的研究當(dāng)中[4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對植被覆蓋度的變化及其影響因子已經(jīng)做了大量的研究[ 5-7]。研究結(jié)果表明，NDVI與氣候因子有著顯著的相關(guān)關(guān)系[8,9]，氣候條件是影響植物生長的關(guān)鍵性條件[10]。伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各地生態(tài)系統(tǒng)頻繁遭到損傷，全球氣候變暖趨勢日益嚴(yán)重[11]。基于此，理解和揭示植被與氣候因子之間的內(nèi)在聯(lián)系，對于區(qū)域生態(tài)保護(hù)治理具有重要的意義。太行山地處我國第2階梯的東沿，是平原到山地高原的過渡帶。同時(shí)，又是東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)到中西部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的過渡帶[12]。目前關(guān)于太行山區(qū)的植被變化研究已經(jīng)取得相當(dāng)一部分的成果，李新元等[4]對太行山區(qū)NDVI變化及驅(qū)動因素分析發(fā)現(xiàn)氣象因素對NDVI變化起促進(jìn)作用；李薇等[13]對太行山區(qū)不同坡度NDVI變化趨勢分析發(fā)現(xiàn)，太行山區(qū)不同坡度NDVI變化趨勢存在顯著差異；范松克[14]對于太行山南麓進(jìn)行歸一化植被指數(shù)變化及成因分析發(fā)現(xiàn)，NDVI與氣溫和降水呈正相關(guān)等，已有的研究結(jié)果雖能一定程度反映植被與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，但大多為整體上分析太行山區(qū)植被覆蓋變化驅(qū)動因子的研究，很少單獨(dú)考慮氣象因子對太行山區(qū)植被覆蓋變化趨勢的影響，缺乏植被對氣象因子響應(yīng)機(jī)制的深層分析，并且未考慮植被對氣象因子的時(shí)滯效應(yīng)。

本研究基于1998-2018年21 a時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸及趨勢分析等方法，分析太行山區(qū)植被的時(shí)空變化特征；同時(shí)，結(jié)合氣候數(shù)據(jù)，利用相關(guān)分析、滯后性分析和統(tǒng)計(jì)分析等方法，在時(shí)間尺度和空間尺度探討植被與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系，分析NDVI與氣溫和降水的時(shí)間滯后關(guān)系，為太行山區(qū)的植被變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理提供有力的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太行山區(qū)即太行山地及其毗鄰區(qū)域[15](34°34′-41°06′N，110°13′-114°33′E)，總面積約12.7萬km2，縱跨北京、河北、山西、河南4省市，山脈北起北京市西山，向南延伸至河南與山西交界地區(qū)的王屋山，西接山西高原，東臨華北平原，呈東北-西南走向。太行山區(qū)是中國地形第2階梯的東緣，也是黃土高原的東部界線，海拔39～2 994 m，最高峰是五臺山(圖1)。太行山區(qū)地勢北高南低，地貌類型復(fù)雜，從氣候上看，太行山屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為10.3 ℃，年降水量為501.8 mm。全年冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，雨熱同季，雖四季分明，但冬長夏短。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn/)，NDVI數(shù)據(jù)集是基于SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在旬?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用最大值合成法生成的月度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，時(shí)間跨度為1998-2018年，空間分辨率為1 km。所獲取的NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過水、云、氣溶膠等處理，有效減弱了其他因素對數(shù)據(jù)的影響，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對于獲取的NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單預(yù)處理，在ArcGIS中通過太行山區(qū)矢量邊界進(jìn)行掩膜裁剪，使用柵格計(jì)算器計(jì)算出月、年植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)集。

圖1 研究區(qū)地理位置

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn/)，時(shí)間跨度1998-2018年。通過Python編程從全國所有的站點(diǎn)中選取太行山區(qū)內(nèi)的18個(gè)基準(zhǔn)氣象監(jiān)測站點(diǎn)的日均氣溫和日累計(jì)降水量，進(jìn)一步處理獲取月均氣溫/降水和年均氣溫/降水?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)各氣象站的經(jīng)緯度將氣溫、降水信息導(dǎo)入ArcGIS空間分析模塊運(yùn)用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值。通過太行山區(qū)矢量邊界進(jìn)行掩膜裁剪、重采樣、重投影得到與NDVI數(shù)據(jù)具有相同像元大小、相同坐標(biāo)系的柵格影像數(shù)據(jù)集。

DEM數(shù)據(jù)由美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)的雷達(dá)地形測繪SRTM(shuttle radar topography mission，SRTM)數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣生成，空間分辨率為1 km。將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中并計(jì)算出高程，使用太行山區(qū)矢量邊界進(jìn)行掩膜裁剪、重采樣、重投影得到與NDVI數(shù)據(jù)具有相同像元大小、相同坐標(biāo)系的柵格影像數(shù)據(jù)集。

1.3 研究方法

1.3.1 NDVI變化趨勢分析 采用一元線性回歸方程的斜率來模擬柵格點(diǎn)的變化趨勢[16,17]，斜率的正負(fù)表示變化趨勢的增減。進(jìn)而模擬分析NDVI的年際變化趨勢，計(jì)算公式為：

(1)

式中:slope為1998-2018年太行山區(qū)NDVI的變化速率；n為研究的時(shí)間序列長度，取n=21；i為1～21的年序號；NDVIi為第i年NDVI值。在Arc GIS中進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析得出太行山區(qū)21 a NDVI年際變化趨勢。

1.3.2 相關(guān)分析性 采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析方法，對NDVI數(shù)據(jù)與氣溫、降水空間插值數(shù)據(jù)進(jìn)行逐像元相關(guān)性分析[18-20]。由此來反映出氣溫與降水等氣候要素與NDVI序列的時(shí)間相關(guān)程度和空間分布規(guī)律。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為:

(2)

通過查閱相關(guān)系數(shù)表，結(jié)合研究區(qū)具體情況，進(jìn)行顯著性等級劃分。當(dāng)n=21時(shí)，rxy的相關(guān)性等級劃分見表1。

表1 顯著性等級劃分

1.3.3 偏相關(guān)性分析 相較于簡單相關(guān)分析，偏相關(guān)分析是探索植被生長與單一氣候因子之間的聯(lián)系，可剔除其他氣候因子的影響，有助于更好地分析影響植被變化的氣候因子主控因素，被廣泛用于檢測影響植被生長的主要?dú)夂蝌?qū)動因子[21]。計(jì)算方法如下:

(3)

式中:x為NDVI；y為氣溫(℃)；z為降水(mm)；rxy,z為將降水固定后氣溫與NDVI的偏相關(guān)系數(shù)，降水與NDVI的相關(guān)系數(shù)同理。

1.3.4 滯后性分析 利用滯后相關(guān)系數(shù)進(jìn)行太行山區(qū)NDVI對氣候因素的滯后性分析[17,18]。將月均NDVI與同期、前1個(gè)月以及前2個(gè)月的月均氣溫/降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)系數(shù)越大，顯著性越強(qiáng)則代表2個(gè)因素間相關(guān)性越強(qiáng)。通過比較相關(guān)性的大小來確定時(shí)間滯后關(guān)系。計(jì)算公式為：

Rmax=max{|R0,R1,R2,R3……|}

(4)

式中:Rmax表示最大的相關(guān)系數(shù)；R0、R1、R2、R3……分別表示與同期、前1個(gè)月、前2個(gè)月、前3個(gè)月……的相關(guān)系數(shù)，以此類推。若Rmax=RA，即代表滯后A個(gè)月。

1.4 研究流程

在遙感、GIS技術(shù)的理論支撐下，采用NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象插值數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)思想并結(jié)合Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。在時(shí)間、空間2個(gè)尺度展開對太行山區(qū)植被的變化特征及其對氣象數(shù)據(jù)變化的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究分析，以明確太行山區(qū)21 a來植被變化與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系，為太行山區(qū)生態(tài)保護(hù)治理提供科學(xué)支撐。技術(shù)路線見圖2。

圖2 本研究技術(shù)路線

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的時(shí)間變化趨勢

對逐年NDVI數(shù)據(jù)集(1998-2018年)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析年際NDVI變化總體趨勢(圖3)。太行山區(qū)的NDVI值介于0.62～0.78，2001年植被NDVI為最小值0.62，2018年植被NDVI出現(xiàn)最大值0.78，21 a間太行山區(qū)NDVI漲幅約25%。結(jié)合圖像和擬合的線性函數(shù)可知，太行山區(qū)的NDVI呈波浪式的增長趨勢，平均增長速率為0.03/10 a(線性增長率為0.067/10 a)，其中R2=0.849，通過0.01顯著性，說明NDVI的總體變化趨勢與時(shí)間相關(guān)性顯著。

圖3 NDVI年際趨勢

利用Mann-Kendall方法對NDVI變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和突變點(diǎn)檢測[22](圖4)。由M-K檢驗(yàn)可知年均NDVI的Z值為4.74，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明NDVI的年際增加趨勢明顯，與R2的結(jié)果呼應(yīng)。由突變點(diǎn)檢測可知，1998-2018年太行山NDVI的突變點(diǎn)是2010年，且超出臨界值1.96，說明突變并不顯著。結(jié)合溫度與降水的數(shù)據(jù)分析可知，2010年NDVI的突變可能是由于氣溫降低和降水異常增加等氣候因素所導(dǎo)致的。綜合分析可知，在時(shí)間尺度上太行山區(qū)的整體植被生長狀態(tài)良好(0.67～0.78)，且增長趨勢顯著性明顯，結(jié)合NDVI的時(shí)間變化趨勢方程(y=0.006 7x+0.635 5)，預(yù)測太行山區(qū)植被生長狀態(tài)未來會進(jìn)一步提升。

圖4 M-K趨勢檢驗(yàn)

2.2 NDVI的空間變化趨勢

對1998-2018年太行山區(qū)年NDVI采用均值法得到太行山區(qū)21 a的NDVI 的空間分布圖(圖5A)。由圖5可知，研究區(qū)的植被覆蓋狀況在空間分布上有明顯的區(qū)域性差異，呈現(xiàn)出西北低、東南高、中部區(qū)域高低值交叉分布的特點(diǎn)；太行山區(qū)NDVI的空間分布值介于0.16～0.87。通過閱讀文獻(xiàn)[4,6,20]和查找資料，結(jié)合太行山區(qū)的實(shí)際情況，將太行山區(qū)的NDVI進(jìn)行等級劃分，劃分結(jié)果為 <0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、>0.8這5個(gè)等級(圖5B)。對各個(gè)等級的NDVI進(jìn)行逐像元統(tǒng)計(jì)分析，各部分像元所占的比例為3∶83∶3 200∶24 666∶3 865。其中太行山區(qū)89.67%區(qū)域的NDVI>0.6，77.5%區(qū)域的NDVI介于0.6～0.8，整體看，太行山區(qū)植被覆蓋度良好。為更好地描述太行山區(qū)NDVI在空間尺度的分布，結(jié)合縣級區(qū)劃圖在ArcGIS中進(jìn)行討論分析，可知太行山區(qū)西北沿線區(qū)域(懷來、延慶、古縣以及浮山縣等)的NDVI為0.4～0.6；在太行山東南區(qū)域(夏縣、陽城、澤州等)的NDVI>0.8；而小于<0.2及0.2～0.4的NDVI區(qū)域主要呈零星狀分散在太行山區(qū)。這也正好符合太行山區(qū)NDVI西北低、東南高的區(qū)域差異性分布規(guī)律。

A.空間分布；B.等級劃分。

對太行山區(qū)1998-2018年NDVI逐像元做一元線性回歸分析，根據(jù)逐像元NDVI的變化率得出NDVI變化趨勢的空間分布格局(圖6A)。根據(jù)回歸顯著性檢驗(yàn)結(jié)果(P<0.01)，將太行山區(qū)植被NDVI變化情況劃分為顯著減少(slope<0)、無顯著變化(slope=0)和顯著增加(slope>0)3類(圖6)。在ArcGIS中統(tǒng)計(jì)分析可知，顯著增加(slope>0)的像元個(gè)數(shù)占總像元個(gè)數(shù)的93.46%，占太行山區(qū)的大部分面積；顯著減少(slope<0)的像元個(gè)數(shù)占總像元個(gè)數(shù)的6.52%，且主要集中在太行山區(qū)的東部邊緣沿線(昌平—房山—易縣—順平—曲陽—平山—鹿泉，武安—邯鄲—林州—鶴壁—輝縣—焦作—濟(jì)源等)、西部邊緣沿線(永濟(jì)—運(yùn)城—侯馬—臨汾,延慶—懷來—廣靈—渾源—應(yīng)縣—代縣)以及中部的陽泉市、昔陽市、中南部的長治市、高平市和晉城市等地，其中東部沿線顯著減少(slope<0)的像元個(gè)數(shù)和聚集程度明顯大于西部沿線。

為更好探究太行山區(qū)NDVI的空間變化趨勢，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)分析可知，太行山區(qū)NDVI變化呈顯著減少區(qū)域(slope<0)主要集中在海拔高度500 m左右的區(qū)域，這些區(qū)域地勢平坦，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市的擴(kuò)張，大量的耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，導(dǎo)致這些區(qū)域的植被覆蓋度減少。而太行山區(qū)NDVI變化呈顯著增加區(qū)域(slope>0)主要集中在海拔1 500 m左右的區(qū)域，這些區(qū)域高程較高，地勢較陡，人類活動相對較弱，所以植被可以自然生長，植被覆蓋度逐年增高。太行山區(qū)NDVI變化趨勢的分析進(jìn)一步驗(yàn)證了前面Mann-Kendall方法的結(jié)果，太行山區(qū)植被覆蓋逐年變好并且顯著性明顯。

A.年際變化趨勢；B.變化趨勢分類。

2.3 NDVI與氣溫/降水的相關(guān)性分析

2.3.1 NDVI對氣溫的響應(yīng)關(guān)系 為研究NDVI與氣溫在時(shí)間尺度上的相關(guān)性，對太行山區(qū)1998-2018年的年均NDVI與年均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制年均NDVI和年均氣溫變化趨勢圖，并添加年均氣溫線性趨勢線和趨勢方程(圖7)。基于變化趨勢圖分析太行山區(qū)NDVI與氣溫的年際關(guān)系，并在SPSS中進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

結(jié)合圖7和表2分析可知，太行山區(qū)年際平均氣溫在10.0～11.5 ℃，且太行山區(qū)年均氣溫變化趨勢平緩。年均氣溫在2017年最大(11.46 ℃)，2012年最小(10.08 ℃)，年均氣溫的變化趨勢為0.039/10 a。在顯著性檢驗(yàn)中，相關(guān)系數(shù)R2=0.026，顯著性P=0.91，未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。年均NDVI與年均氣溫在年際時(shí)間尺度上不存在顯著的相關(guān)性。

太行山區(qū)不同地方不同的自然條件、植被的生長狀態(tài)和種類不同，對于氣溫和降水的響應(yīng)程度各不相同，故采用偏相關(guān)性分析來研究太行山區(qū)NDVI對氣溫和降水在空間尺度的響應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)表1對偏相關(guān)性進(jìn)行顯著性等級劃分。

圖7 年均氣溫變化趨勢

太行山區(qū)年均NDVI與年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)和顯著性等級見圖8。太行山區(qū)植被NDVI與氣溫在空間上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，但趨勢并不顯著。大體上可以概括為，太行山區(qū)中部地區(qū)NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，西南、西北地區(qū)呈正相關(guān)。NDVI與氣溫在空間上呈負(fù)相關(guān)的面積占總體面積的54.37%，主要是太行山區(qū)的中部地區(qū)即山西省的東南部分區(qū)域(武鄉(xiāng)縣、襄垣縣、沁縣、長治市等)和南部邊緣區(qū)域(輝縣、焦作、博愛、濟(jì)源等)以及東北區(qū)域沿線(延慶、昌平、房山、易縣等)。其中通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域僅有0.96%，未通過顯著性檢驗(yàn)的面積占53.41%。NDVI與氣溫在空間上呈正相關(guān)的面積占總體面積的45.63%，主要是太行山區(qū)的西南區(qū)域(永濟(jì)、運(yùn)城、芮城、平陸、夏縣等)和西北區(qū)域(涿鹿、蔚縣、廣靈、靈丘、繁峙等)，其中通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域有1.34%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積是44.29%。

A.偏相關(guān)系數(shù)；B.顯著性檢驗(yàn)。

2.3.2 NDVI對降水的響應(yīng)關(guān)系 同理繪制年均NDVI和年累計(jì)降水量變化趨勢圖，并添加年累計(jì)降水量的線性趨勢線和趨勢方程(圖9)，并在SPSS中將結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(表2)。

結(jié)合圖8和表2可知，太行山區(qū)年際年累計(jì)降水量在385～685 mm，且太行山區(qū)年累計(jì)降水變化波動明顯。年累計(jì)降水量在2001年最少(385.59 mm)，2003年最多(664.45 mm)，年均累計(jì)降水量趨勢為21.279 mm/10 a。在顯著性檢驗(yàn)中，相關(guān)系數(shù)R2=0.286，顯著性P=0.209 ，未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，即年均NDVI與年累計(jì)降水量在年際時(shí)間尺度上不存在顯著的相關(guān)性。但相較于年均氣溫與年均NDVI的相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，年均NDVI 與年累計(jì)降水量的相關(guān)系數(shù)較大、顯著性更強(qiáng)，故年均NDVI與年累計(jì)降水量在年際時(shí)間尺度上相關(guān)性更強(qiáng)。

圖9 年累計(jì)降水量變化趨勢

表2 月均NDVI與不同時(shí)期氣溫和降水的相關(guān)性

太行山區(qū)年均NDVI與年累計(jì)降水量的偏相關(guān)系數(shù)和顯著性等級見圖10。由圖10A可知，太行山區(qū)植被NDVI與降水相關(guān)性在空間上呈現(xiàn)以正相關(guān)為主的趨勢。整體上可以概括為從西北到東南相關(guān)系數(shù)逐漸變小。NDVI與降水在空間上呈正相關(guān)面積占總體面積的81.89%，呈負(fù)相關(guān)面積占總體面積的18.11%。除太行山區(qū)東南區(qū)域沿線(左權(quán)—涉縣—平順縣—林州市—陵川縣—焦作市)和北部邊緣區(qū)域(延慶縣、北京市部分區(qū)域)與降水是負(fù)相關(guān)外，其余區(qū)域與降水都呈現(xiàn)正相關(guān)。由圖10B可知，NDVI與降水呈正相關(guān)區(qū)域中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域有8.42%，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域有12.53%，未通過顯著性檢驗(yàn)的有區(qū)域有60.94%，呈不顯著正相關(guān)。呈負(fù)相關(guān)區(qū)域中通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域僅有0.1%，其他區(qū)域都呈不顯著負(fù)相關(guān)。

A.偏相關(guān)系數(shù)；B.顯著性檢驗(yàn)。

2.3.3 NDVI變化驅(qū)動因子分區(qū) 為了更好地分析NDVI對氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系，探究造成NDVI在不同地理空間上的差異，參考陳云浩等[23]的研究，對太行山區(qū)NDVI變化進(jìn)行驅(qū)動因子分析研究，空間分布結(jié)果見圖11，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖12。

將驅(qū)動因子分區(qū)空間分布結(jié)果(圖11)與高程圖(圖1)進(jìn)行疊加分析可知，太行山區(qū)有約57%的區(qū)域受氣溫和降水的共同影響，其中受氣溫、降水強(qiáng)影響的區(qū)域([T+P]+)面積約56%(T表示氣溫驅(qū)動型區(qū)域，P表示降水驅(qū)動型區(qū)域)，在空間上呈從西南到東北逐漸減少趨勢，并主要集中在海拔0～1 000 m；受氣溫、降水弱影響的區(qū)域([T+P]-)面積約1%，主要呈零星點(diǎn)狀分布在太行山區(qū)的南部，并主要分布在海拔1 000～1 500 m；受降水驅(qū)動型的區(qū)域(P)面積約27%，主要分布在太行山區(qū)的北部，在不同海拔上并沒有明顯的分布差異(500～1 500 m)；受氣溫驅(qū)動型的區(qū)域(T)面積約12%，主要分布在太行山區(qū)的南部以及太行山區(qū)北部的邊緣區(qū)域(延慶、昌平等)，海拔1 000～1 500 m；只有南部的少部分地區(qū)(4%)是非氣候因子驅(qū)動型(NC)，即人類活動對太行山植被的影響，海拔在500 m左右。

2.4 滯后性分析

為了更深入地研究太行山區(qū)NDVI對氣溫/降水的響應(yīng)關(guān)系，考慮到氣候因子對植被覆蓋度存在滯后性，故對太行山區(qū)的NDVI與氣溫和降水進(jìn)行年內(nèi)關(guān)系分析。將月均NDVI與同期的月均氣溫/降水、前1個(gè)月的月均氣溫/降水、前2個(gè)月的月均氣溫/降水進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。以此來驗(yàn)證太行山區(qū)NDVI與氣溫和降水間的滯后性關(guān)系。

圖11 驅(qū)動因子分區(qū)

圖12 驅(qū)動因子分區(qū)餅圖

對結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分析可知，月均NDVI與同月氣溫不存在明顯的相關(guān)性(圖13A)。月均NDVI與同期月均氣溫的相關(guān)系數(shù)是0.355，其中顯著性P>0.05的面積占總面積的99.8%；而月均NDVI與前1個(gè)月的平均氣溫存在極顯著的相關(guān)性(圖13B)，月均NDVI與前1個(gè)月的平均氣溫的相關(guān)系數(shù)是0.916，其顯著性達(dá)到0.01的面積占總面積的98.44%，顯著性達(dá)到0.05的面積占總面積的0.54%，只有太行山區(qū)的南部邊緣區(qū)域(濟(jì)源、孟州)和西南部分區(qū)域(臨汾)顯著性P>0.05，占總面積的1.02%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)；月均NDVI與前2個(gè)月的氣溫的相關(guān)性較顯著(圖13C)，月均NDVI與前2個(gè)月的平均氣溫的相關(guān)系數(shù)是-0.560，其中通過0.01顯著性的區(qū)域面積占總面積的10.05%，通過0.05顯著性的區(qū)域面積占總面積的47.76%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域面積占總面積的42.19%。

綜上可知，月均NDVI與前1個(gè)月的氣溫相關(guān)性最強(qiáng)，即太行山區(qū)月均NDVI對月均氣溫存在1個(gè)月的滯后性。

對結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分析可知，月均NDVI與同月累計(jì)降水存在明顯的相關(guān)性(圖14A)。月均NDVI與同月累計(jì)降水的相關(guān)系數(shù)為0.580，其中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的面積占總體面積的32.13%，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的28.81%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的39.06%；月均NDVI與前1個(gè)月累計(jì)降水不存在明顯的相關(guān)性(圖14B)。月均NDVI與前1個(gè)月累計(jì)降水的相關(guān)系數(shù)為0.214，其中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的面積占總體面積的0.02%，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的0.71%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的99.27%；月均NDVI與前2個(gè)月累計(jì)降水存在極明顯的相關(guān)性(圖12C)。月均NDVI與前2個(gè)月累計(jì)降水的相關(guān)系數(shù)為0.853，其中通過0.01顯著性檢驗(yàn)的面積占總體面積的94.89%，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的3.7%，未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的面積占總面積的1.41%。

圖13 月均NDVI與不同時(shí)期氣溫的相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)

圖14 月均NDVI與不同時(shí)期降水的相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)

綜上可知，月均NDVI與前2個(gè)月累計(jì)降水的相關(guān)性最強(qiáng)，即太行山區(qū)月均NDVI對月均累計(jì)降水存在2個(gè)月的滯后性。

3 結(jié)論與討論

1)在時(shí)間尺度上，太行山區(qū)NDVI變化與時(shí)間關(guān)系顯著，呈波浪式的增長趨勢，從1998年的0.67增加到2018年的0.78，平均增長速率為0.03/10 a(線性增長率為0.067/10 a)，其中R2=0.849，通過0.01顯著性，這說明太行山區(qū)NDVI的增長與時(shí)間相關(guān)性顯著。這一結(jié)果與李新元等[4]、李曉榮等[12]的研究結(jié)果大體上一致，但由于研究時(shí)間跨度更大，增幅也相對較大，表明隨著太行山區(qū)生態(tài)修復(fù)工作以來，植被覆蓋狀況累年變好。

2)在空間尺度上，太行山區(qū)植被覆蓋在空間分布上有明顯的區(qū)域性差異，呈現(xiàn)出西北低、東南高、中部區(qū)域高低值交叉分布的特點(diǎn)。太行山區(qū)93.46%的區(qū)域面積呈現(xiàn)增加趨勢，且集中在中高海拔地區(qū)，而低海拔地區(qū)NDVI呈現(xiàn)減少趨勢，其主要原因是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動的增加導(dǎo)致大量林地和耕地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地。

3)太行山區(qū)植被NDVI與氣溫在空間上呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)。其中，太行山區(qū)中部區(qū)域NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)，西南、西北區(qū)域呈正相關(guān)；NDVI與降水呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，整體上可以概括為從西北到東南相關(guān)系數(shù)逐漸變小?？傮w上看氣溫和降水等氣候因子會促進(jìn)植被覆蓋率的增長，保護(hù)太行山區(qū)的植被覆蓋必須考慮氣候因子的影響。

4)對NDVI變化驅(qū)動因子分區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，氣溫和降水共同影響的區(qū)域占太行山總面積的57%，且主要是低、中海拔區(qū)域；氣溫驅(qū)動型區(qū)域占太行山總面積的12%，主要分布在太行山區(qū)的南部中、高海拔區(qū)域；降水驅(qū)動型區(qū)域占太行山總面積的27%，主要分布在太行山區(qū)的北部，在海拔上沒有顯著的特征。非氣候因子驅(qū)動型(NC)區(qū)域占太行山總面積的4%，主要分布在太行山區(qū)南部低海拔區(qū)域。

在對太行山區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)時(shí)，低海拔區(qū)域要重點(diǎn)關(guān)注人類活動的影響，控制太行山區(qū)植被受人類活動影響的范圍區(qū)域，進(jìn)行合理規(guī)范的利用；在中、高海拔區(qū)域，隨著海拔的升高，降水量的增加以及氣溫的降低，影響植被生長的主要因素變?yōu)闅鉁?，所以要加大對氣溫的監(jiān)控，有效預(yù)防嚴(yán)重自然災(zāi)害的發(fā)生。

5)對NDVI與氣溫、降水進(jìn)行滯后性分析發(fā)現(xiàn)，太行山區(qū)NDVI 與氣溫和降水有明顯的時(shí)間滯后性關(guān)系，其中NDVI與氣溫的滯后性是1個(gè)月，與降水的滯后性是2個(gè)月。在進(jìn)行太行山脈生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究和太行山區(qū)生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮NDVI與氣溫和降水的滯后性關(guān)系。