江山 ，石紹山 ，郭常來(lái) ，馮雨林 ，孫家全 ，孫秀波 ，周麗

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在地表能量交換、水平衡和生物循環(huán)等方面發(fā)揮重要作用。植被對(duì)溫度、降水等氣候因子尤為敏感，被稱為氣候變化“指示器”，是研究生態(tài)系統(tǒng)脆弱程度和全球變化的重要內(nèi)容（李曉兵等，2000；馬明國(guó)等，2006）。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）能夠較好地反映植被覆蓋度和長(zhǎng)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于不同時(shí)空尺度的植被生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)中，用于探討植被與氣候因子之間的關(guān)系（樸世龍等，2001；楊元合等，2006；尤南山等，2019；杜臻等，2023；黃煜等，2023；王化齊等，2023）。

陳云浩等（2001）根據(jù)中國(guó)植被覆蓋與氣候因子驅(qū)動(dòng)的區(qū)域分異規(guī)律，將植被區(qū)共劃分4 個(gè)一級(jí)區(qū)、6 個(gè)二級(jí)區(qū)和14 個(gè)三級(jí)區(qū)。Wardlow 等（2008）研究了美國(guó)中部大平原密集種植區(qū)植被覆蓋與環(huán)境條件之間的關(guān)系，為農(nóng)業(yè)管理提供科學(xué)支持。崔林麗等（2010）分析了中國(guó)東部NDVI 與氣溫和降水的響應(yīng)特征，表明植被NDVI 與氣溫和降水的最大相關(guān)系數(shù)在中國(guó)東部由北向南逐漸減小。袁麗華等（2013）分析黃河流域NDVI 時(shí)空變化趨勢(shì)和Hurst 指數(shù)特征，研究植被覆蓋變化的可持續(xù)特征。武正麗等（2015）基于MODIS NDVI 等數(shù)據(jù)研究了祁連山地區(qū)植被覆蓋變化與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。孟丹等（2015）通過分析2001～2013 年間京津冀地區(qū)NDVI 數(shù)據(jù)與降水、氣溫資料之間的相關(guān)關(guān)系，表明該區(qū)域植被覆蓋變化主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)，面積占比為89.63%。徐嘉昕等（2020）分析了三江源區(qū)17 年來(lái)NDVI 時(shí)空分布特征及其與氣溫和降水之間的關(guān)系，表明植被生長(zhǎng)季初期氣溫對(duì)NDVI 變化的影響大于降水量，但在生長(zhǎng)季中期，降水量對(duì)部分類型植被的生長(zhǎng)影響較大。

大凌河流域?qū)龠|西生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，流域內(nèi)山高谷深、地形復(fù)雜，受人為與自然因素影響，石漠化、水土流失等問題突出。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定直接關(guān)系著遼西的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和沿河居民生活（邸志強(qiáng)等，2007；王煒航等，2010），前人對(duì)該區(qū)植被覆蓋與氣候之間的關(guān)系研究較少，且數(shù)據(jù)陳舊。鑒于此，筆者以大凌河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于GIS 等平臺(tái)分析最近20 年間流域NDVI的時(shí)空演變特征，研究了植被變化與降水和溫度等氣候條件之間的響應(yīng)關(guān)系，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)（強(qiáng)建華等，2021；王鵬等，2021）。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

大凌河全長(zhǎng)為435 km，上游分南、北兩支，于喀左縣大城子?xùn)|南匯合后，流經(jīng)朝陽(yáng)、北漂、凌海、義縣等地，最終匯入渤海。大凌河流域地理范圍為：E 118°53'～121°52' 、N 40°28'～42°38' ，流域總面積為2.33×104km2（圖1）。該流域地貌類型以山地丘陵為主，少量平原區(qū)；氣候類型屬于中溫帶氣候，四季冷暖干濕分明，溫度變化較大。該流域多年平均氣溫為8.3 ℃，平均相對(duì)濕度為53%，日照時(shí)數(shù)為2 800 h，年均降雨量為465 mm，年蒸發(fā)量為1 974.4 mm，年均徑流量為1.79×109m3。

圖1 大凌河流域地理位置圖Fig.1 Geographical location map of Daling river basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國(guó)月度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集（http://www.resdc.cn/DOI），該數(shù)據(jù)是基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATION NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成的。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為1998～2019 年，數(shù)據(jù)格式為ARCGIS GRID 格式，空間分辨率為1 km。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https://data.cma.cn/）。研究區(qū)內(nèi)共有建昌站、喀左站、凌源站、建平站、朝陽(yáng)站、北票站、阜新站、義縣站和凌海站等9 個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)，選取各氣象站點(diǎn)1998～2019 年每日降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，采用平滑樣條函數(shù)進(jìn)行插值生成1 km 分辨率柵格數(shù)據(jù)。本研究中地理數(shù)據(jù)處理與分析采用ArcGIS 和Anusplin 等軟件完成。

1.3 研究方法

1.3.1 最大值合成法

最大值合成法（MaximumValue Composites，MVC）是國(guó)際通用的NDVI 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法。通過最大值合成法可以消除大氣污染、云、太陽(yáng)高度角等因素的干擾（陳云浩等，2001；王強(qiáng)等，2017）。本研究選取了大凌河流域1998～2019 年期間每年3～11 月的NDVI 值，取每月2 期數(shù)據(jù)的平均值為該月植被指數(shù)數(shù)據(jù)，再通過最大值合成法，提取每個(gè)像元的最大值為該年NDVI值，計(jì)算公式為：

式中：NDVIi表示第i 年的NDVI 值；i取值1～22，分別代表1998～2019 年；NDVIij表示第i年第j月的NDVI 值；j取值1～9，分別代表3～11 月。

表1 大凌河流域1998～2019 年間NDVI 變化趨勢(shì)表Tab.1 NDVI variation trend in Daling river basin from 1998 to 2019

1.3.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)（Coefficient of Variance，CV），又稱為標(biāo)準(zhǔn)離差率或單位風(fēng)險(xiǎn)，是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算公式為：

式中： δ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差， μ為樣本的平均值。

1.3.3 趨勢(shì)分析

為反映植被變化的年際和年內(nèi)特征，采用生長(zhǎng)季（3～11 月）、春季（3～5 月）、夏季（6～8 月）和秋季（9～11 月）NDVI 合成值來(lái)表征植被生長(zhǎng)，各季節(jié)分別為時(shí)段內(nèi)各月份NDVI 的平均值。筆者基于像元尺度，計(jì)算NDVI 與年份的一元線性回歸斜率slop（式3）。若slop＞0 表示NDVI 呈增加趨勢(shì)，slop＜0 則表示NDVI 呈減少趨勢(shì)。結(jié)合回歸系數(shù)的顯著性水平（p值），將研究區(qū)NDVI 年際變化情況劃分為6 個(gè)類型： 極 顯 著 降 低（p＜0.01，slop＜0）、 顯 著 降 低（0.01＜p＜0.05，slop＜0）、 不 顯 著 降 低（p＞0.05，slop＜0）、不顯著增加（p＞0.05，slop＞0）、顯著增加（0.01＜p＜0.05，slop＞0）和 極 顯 著 增 加（p＞0.01，slop＞0）（尤南山等，2019；張新悅等，2021）。

式中：n為監(jiān)測(cè)時(shí)間段的年數(shù)22，NDVIi表示第i年的植被指數(shù)。

1.3.4 偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析是在消除其他變量影響的前提下計(jì)算某兩個(gè)變量之間的相關(guān)性，筆者利用基于像元的偏相關(guān)分析法分別研究了氣溫和降水量對(duì)植被NDVI 變化的貢獻(xiàn)程度，計(jì)算公式如下：

式中：Rxyz為自變量z固定后因變量x與自變量y的偏相關(guān)系數(shù)。Rxy、Rxz、Ryz分別為變量x和y、變量x和z、變量y和z的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。若Rxy,z＞0，表示正相關(guān)；若Rxy,z＜0，則表示負(fù)相關(guān)。偏相關(guān)系數(shù)越大，說明二者相關(guān)性越強(qiáng)。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t 檢驗(yàn)法完成。

偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法完成，計(jì)算公式如下：

式 中：n為 樣 本 數(shù)（時(shí) 間 序 列1998～2019，即n=22），m為自變量的數(shù)量。

1.3.5 復(fù)相關(guān)分析

復(fù)相關(guān)分析可研究一個(gè)變量與多個(gè)變量之間的相關(guān)程度，復(fù)相關(guān)的顯著性檢驗(yàn)可采用F 檢驗(yàn)法。復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

復(fù)相關(guān)的顯著性檢驗(yàn)可采用F 檢驗(yàn)法，計(jì)算公式如下：

式中：n為時(shí)間序列年份數(shù)，k為自變量的數(shù)量。

2 結(jié)果分析

2.1 區(qū)域尺度NDVI 年際動(dòng)態(tài)變化特征

從區(qū)域尺度看，1998～2019 年間大凌河流域多年平均NDVI 值為0.49，總體呈顯著上升趨勢(shì)（R2=0.48，p＜0.01），其NDVI 值從1998 年的平均0.49 增至 2019年以來(lái)的0.52，年平均增長(zhǎng)量為0.001 4（圖2）。

圖2 1998～2019 年大凌河流域生長(zhǎng)季NDVI 值變化趨勢(shì)圖Fig.2 NDVI variation trend during the growing season of Daling river basin from 1998 to 2019

按照不同季節(jié)來(lái)看，1998～2019 年間大凌河流域在春季、夏季、秋季的NDVI 均值分別為0.362、0.739和0.642，整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，夏季NDVI 增長(zhǎng)率最大，為0.005 9；秋季（0.004 1）次之，春季（0.003 4）最小。春季變異系數(shù)最大（0.135），其次為夏季（0.065），秋季最?。?.090），說明春季植被覆蓋的波動(dòng)性最明顯（圖3）。

圖3 1998～2019 年大凌河流域NDVI 值按季節(jié)變化趨勢(shì)圖Fig.3 Seasonal variation trend of NDVI in Daling river basin from 1998 to 2019

2.2 像元尺度的NDVI 動(dòng)態(tài)變化

1998～2019 年間，大凌河流域逐像元NDVI 值在不同季節(jié)的變化趨勢(shì)見圖4 和圖5。

圖5 大凌河流域1998～2019 年逐像元NDVI 值變化趨勢(shì)的顯著性圖Fig.5 Significance of NDVI trend per pixel in Daling river basin from 1998 to 2019

2.2.1 生長(zhǎng)季

大凌河流域22 年來(lái)生長(zhǎng)季92.8%的區(qū)域NDVI值呈正增長(zhǎng)，其中，增長(zhǎng)率大于0.005 的面積占總面積的46.8%，主要分布于大凌河中上游。NDVI 值增長(zhǎng)率位于0.003～0.005、0.001～0.003 兩個(gè)區(qū)間的面積比例分別為23.7%、16.3%，主要分布于阜新市以南至錦州市一帶，朝陽(yáng)縣、建平縣和建昌縣有零星分布。此外，阜新市東北部、錦州市南部、朝陽(yáng)市西部等地，NDVI 呈現(xiàn)局部斑塊狀緩慢負(fù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率絕對(duì)值＜0.001（圖4，表1）。從NDVI 變化顯著性來(lái)看，生長(zhǎng)季NDVI 以增加趨勢(shì)為主，面積占比90.8%。其中，不顯著增加區(qū)域占比為71.2%，主要分布于大凌河流域中上游地區(qū)，極顯著增加和顯著增加區(qū)域分別占18.0%和1.6%，主要分布于大凌河中下游的朝陽(yáng)市、錦州市和阜新市等地（圖5，表2）。

表2 大凌河流域1998～2019 年間NDVI 變化的顯著性表Tab.2 Significance of NDVI change in Daling rver basin from 1998 to 2019

2.2.2 各季節(jié)

不同季節(jié)，NDVI 變化規(guī)律存在一定差異。從NDVI 增長(zhǎng)率來(lái)看，不同季節(jié)超過六成的區(qū)域NDVI 變化率大于0.001，尤其是夏季，這一比例為91.9%。另有部分區(qū)域NDVI 呈緩慢負(fù)增長(zhǎng)，春季負(fù)增長(zhǎng)區(qū)最大，占總面積24.9%，秋季占比9.0%，夏季最?。ㄕ急?.4%）（圖4，表1）。從NDVI 變化的顯著性來(lái)看，秋季極顯著增加區(qū)面積占比達(dá)40.2%，為所有季節(jié)中最高，主要分布于朝陽(yáng)市東北部、阜新—錦州一帶。春季極顯著增加區(qū)面積占比28.6%，最低的是夏季，這一比例為9.8%。顯著增加區(qū)，秋季面積最大，占比為19.3%。極顯著降低區(qū)中，比例最大的是春季，為18.2%，主要集中分布在大凌河下游阜新-錦州一帶，建平、喀左等局部有零星分布（圖5，表2）。

2.3 NDVI 與氣溫、降水量等因素之間的響應(yīng)關(guān)系

對(duì)大凌河流域22 年來(lái)生長(zhǎng)季NDVI 與年降水和平均氣溫進(jìn)行偏相關(guān)性分析（圖6、圖7）。結(jié)果顯示，生長(zhǎng)季NDVI 與氣溫和降水的評(píng)價(jià)偏相關(guān)系數(shù)，分別為—0.24、0.32，表明年際變化水平上，大凌河流域NDVI 與氣溫呈負(fù)相關(guān)、與降水量呈正相關(guān)，且NDVI 與年降水量關(guān)系更密切。研究區(qū)域內(nèi)NDVI 與平均氣溫呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占總區(qū)域的5.40%、94.60%，對(duì)偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，可知0.02%的區(qū)域通過p＜0.01 的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在大凌河口。研究區(qū)域內(nèi)NDVI 與降水量呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域，分別占總區(qū)域的97.36%、2.64%，其中通過p＜0.01 顯著性檢驗(yàn)區(qū)域比例為4.40%，主要分布于阜新-義縣一帶，朝陽(yáng)和建平等地有零星分布。

圖6 大凌河流域生長(zhǎng)季NDVI 與氣溫的偏相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Partial correlation between NDVI and air temperature in the growing season of Daling river basin

圖7 大凌河流域生長(zhǎng)季NDVI 與降水量的偏相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Partial correlation between NDVI and precipitation in the growing season of Daling river basin

大凌河流域生長(zhǎng)季NDVI 與氣溫、降水復(fù)相關(guān)系數(shù)為0～0.90（圖8），平均復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.38，高值主要集中在阜新縣—義縣一帶，以及朝陽(yáng)縣和建平縣部分區(qū)域，低值區(qū)分布較廣，主要分布于大凌河中上游。根據(jù)表3 確立的分區(qū)規(guī)則（王強(qiáng)等，2017），統(tǒng)計(jì)大凌河流域降水驅(qū)動(dòng)型區(qū)域占比為4.33%，主要分布在阜新縣、朝陽(yáng)市等地區(qū)，還有部分零星分布在建平縣和義縣；氣溫驅(qū)動(dòng)型區(qū)域所占面積比為0.03%，主要分布錦州市大凌河入?？?；降水、氣溫共同驅(qū)動(dòng)區(qū)域占總面積的2.73%，主要分布在阜新市周邊，其他縣市均有零星分布。

表3 大凌河流域植被覆蓋驅(qū)動(dòng)分區(qū)規(guī)則表Tab.3 Vegetation cover driving zoning criteria in the Daling river basin

圖8 生長(zhǎng)季NDVI 氣溫、降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)（a）與不同驅(qū)動(dòng)因子分區(qū)圖（b）Fig.8 (a) Multiple correlation coefficients between NDVI and temperature and (b) precipitation and partitioning of different driving factors in growing season

3 討論與結(jié)論

（1）1998～2019 年，大凌河流域NDVI 整體呈增加趨勢(shì)，說明植被覆蓋整體變好。不同季節(jié)變化趨勢(shì)各異，夏季NDVI 增長(zhǎng)率最高，秋季次之，春季增長(zhǎng)率最低，且波動(dòng)最明顯。

（2）大凌河流域植被覆蓋空間上呈現(xiàn)不同特征，中上游NDVI 增長(zhǎng)率較大，變化顯著性以不顯著為主，說明呈緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng)規(guī)律。下游地區(qū)NDVI 增長(zhǎng)率整體較小，但變化顯著性方面存在多種情況，特別是極顯著增加和極顯著降低區(qū)相鄰共存。究其原因，大凌河流域上游以丘陵山區(qū)為主，自然資源開發(fā)程度較低；下游地區(qū)由于人類活動(dòng)更頻繁，對(duì)植被的破壞和修復(fù)同時(shí)進(jìn)行，造成更復(fù)雜的植被覆蓋變化規(guī)律。

（3）大凌河流域NDVI 總體與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)、與降水量呈正相關(guān)，且NDVI 與年降水量關(guān)系更密切。區(qū)內(nèi)94.60%的區(qū)域NDVI 與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，其中通過顯著性檢驗(yàn)（p＜0.01）的比例為0.02%，主要分布于大凌河口。區(qū)內(nèi)97.36%的區(qū)域NDVI 與降水量呈正相關(guān)的區(qū)域，占總區(qū)域的，通過p＜0.01顯著性檢驗(yàn)區(qū)域比例為4.40%，主要分布于阜新—義縣一帶。

（4）根據(jù)前人研究中氣候因子驅(qū)動(dòng)評(píng)價(jià)模型，大凌河流域植被覆蓋降水驅(qū)動(dòng)型區(qū)域占比為4.33%，主要分布在阜新縣、朝陽(yáng)市等地區(qū)；氣溫驅(qū)動(dòng)型所占面積比為0.03%，主要分布錦州市大凌河入?？?；降水、氣溫共同驅(qū)動(dòng)區(qū)域占總面積的2.73%，主要分布在阜新市周邊。