王若茹 甘德欣 李小馬

摘 要 為分析湖南省氣候變化和土地覆蓋變化對植被的影響，采用2002—2020年歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）數(shù)據(jù)分析植被變化對氣候變化和土地覆蓋類型變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：湖南省NDVI在西、中部改善明顯（64.87%）；顯著退化的區(qū)域集中于部分城區(qū)和洞庭湖區(qū)（1.39%）；氣溫和降水分別以負(fù)相關(guān)和正相關(guān)為主；耕地轉(zhuǎn)林地有利于NDVI增加，耕地轉(zhuǎn)不透水面不利于植被生長。

關(guān)鍵詞 歸一化植被指數(shù)（NDVI）；氣候變化；土地利用；湖南省

中圖分類號：X171. 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.02.017

經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使土地覆蓋發(fā)生改變，同時增溫在短期內(nèi)可能有利于部分地區(qū)的植被生長，但長期的氣候變化不僅增加了自然災(zāi)害風(fēng)險，而且會影響植被的分布[1]。同時，區(qū)域極端干旱和洪澇天氣發(fā)生更為頻繁。因此，研究土地利用和氣候變化與植被變化之間的關(guān)系極其重要。

目前，研究表明，氣候?qū)χ脖坏拈L期變化起決定性作用，影響植被變化的關(guān)鍵氣候因子為降水和氣溫[2]。CAO等人發(fā)現(xiàn)近55年我國平均氣溫的升溫速率遠(yuǎn)高于全球平均溫度0.12 ℃/10 a，而宋文起等人分析表明我國整體上呈現(xiàn)干旱化的趨勢[3]。植被生長對氣候變化的響應(yīng)存在時空差異，在干旱或半干旱地區(qū)，氣候變化對植被變化的影響大于水熱條件較好的地區(qū)，北半球干旱地區(qū)的降水量是影響植被生長的主要原因，氣溫是影響北半球中南部植被變化的主要原因[4]。張慶斌等人研究表明湖南省的溫度對歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的影響強于降水[5]。易浪等人認(rèn)為長江流域新增林地和耕地明顯改善了植被的生長狀況，而建設(shè)用地的增加破壞了植被的生長[6]。目前較多研究集中于研究湖南省植被與氣候變化的關(guān)系。因此，此次研究分析植被與氣候變化和土地覆蓋變化對植被的影響，對湖南省的生態(tài)平衡發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

湖南省地處云貴高原和江南丘陵的過渡區(qū)域，三面環(huán)山，中部丘陵、北部湖盆平原，為朝北開口的馬蹄形盆地，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。河網(wǎng)密布，水系發(fā)達(dá)。

從Google Earth Engine平臺獲取時空分辨率為16 d、250 m的2002—2020年的月NDVI數(shù)據(jù)，并以4—10月為生長季，獲取每年的生長季NDVI均值數(shù)據(jù)。氣溫和降水氣候數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（1 m，1 km）。并將氣候和NDVI數(shù)據(jù)重采樣為1 km分辨率。土地覆蓋數(shù)據(jù)使用武漢大學(xué)楊杰、黃昕公布的《中國1985—2020逐年30米土地覆蓋》[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 NDVI趨勢分析

采用Theil-Sen Median趨勢分析研究植被變化趨勢，此方法是穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計，其公式為

式中：j和i為年序號，xj和xi分別為第j和i年的NDVI值；β>0表示NDVI改善，β<0表示NDVI退化。MK趨勢顯著性檢驗植被變化，以|Z|>1.96表示通過了95%置信度顯著性檢驗，即α=0.05為置信水平。分為5類分級趨勢。

1.2.2 NDVI與氣候變化的關(guān)系

在進(jìn)行兩要素間的相關(guān)分析后再進(jìn)行偏相關(guān)分析，控制其他變量，分析NDVI與氣溫或降水之間的相關(guān)性，公式為

式中：rxy，z為固定z后，變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz、ryz為xy、xz、yz的簡單系數(shù)。采用α=0.05的t檢驗對偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

Sen-MK的結(jié)果顯示，2002—2020年湖南省NDVI空間變化整體以改善為主。其中，顯著改善的區(qū)域占研究區(qū)面積的64.87%，主要集中于湖南省西部和南部；而顯著退化的部分主要集中于城市區(qū)域和洞庭湖平原的部分區(qū)域，占1.39%。

偏相關(guān)分析NDVI與氣候的關(guān)系顯示，NDVI與氣溫的關(guān)系以負(fù)相關(guān)為主（89.67%），顯著負(fù)相關(guān)部分占25.81%，集中在湖南省西北部。植被與降水的關(guān)系以正相關(guān)為主（63.65%），6.79%為顯著正相關(guān)，集中于西部，而在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城區(qū)多為負(fù)相關(guān)。由此可見，氣溫對湖南省的植被生長相較降水的影響更大，且存在空間差異性。

如圖1所示，2002—2020年湖南省土地覆被以林地和耕地為主。轉(zhuǎn)出的土地覆被類型中，林地覆蓋轉(zhuǎn)出面積最多，約為12 670 km2，轉(zhuǎn)出面積的96%轉(zhuǎn)為耕地，主要集中在中部的非城區(qū)；其次是耕地和水域轉(zhuǎn)出面積，耕地轉(zhuǎn)出面積大約10 891 km2，轉(zhuǎn)出面積的76%轉(zhuǎn)為林地，主要集中于湖南省南部和西北部，轉(zhuǎn)出面積的20%轉(zhuǎn)為不透水面，主要是擴(kuò)張的城區(qū)；水域轉(zhuǎn)出面積大約1 305 km2，轉(zhuǎn)出面積的91%轉(zhuǎn)為耕地，主要集中于洞庭湖平原的洞庭湖區(qū)，東洞庭湖區(qū)的洞庭湖流域水域轉(zhuǎn)耕地現(xiàn)象集中。

3 結(jié)論與討論

湖南省NDVI空間變化整體呈“西部高，東北低”，其中顯著改善面積（64.87%）超過顯著退化面積（1.39%）；氣溫是湖南省NDVI變化的主導(dǎo)因素。氣溫以負(fù)相關(guān)為主，降水以正相關(guān)為主；土地覆蓋的變化影響了NDVI的生長趨勢，如城市化帶來的耕地轉(zhuǎn)不透水面的土地覆蓋的轉(zhuǎn)變，使植被減少；造林工程的實施有利于植被的增加。

2002—2020年NDVI以顯著改善為主，并且西部改善區(qū)域較為集中，但在城區(qū)和洞庭湖平原的部分區(qū)域NDVI明顯退化。郭慶斌等人研究的湖南省植被變化顯示有41.77%的研究區(qū)植被覆蓋度增加，湖南省西部較東部好，在長株潭部分地區(qū)以及洞庭湖東部地區(qū)植被出現(xiàn)退化趨勢[8]。此次研究結(jié)果表明，植被變化的總體情況都是以改善為主。

氣候方面，總體上，湖南省植被變化與氣溫顯著相關(guān)的區(qū)域多于降水量，這和趙倩倩等人從中國尺度上，研究的氣候變化與植被變化顯示，中國南方地區(qū)植被變化的主導(dǎo)因子是氣溫的結(jié)果是一致的[9]。這是因為湖南省屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，水熱條件充沛，整體自然環(huán)境適合植被生長，但是焦珂瑋等的研究認(rèn)為一旦超過植被生長閾值，其作用由正向轉(zhuǎn)為負(fù)向影響，如增溫不僅會減少土壤水分，加速干旱趨勢，而且會影響有機(jī)物合成，不利于植被生長[10]。

此次土地覆蓋轉(zhuǎn)移研究結(jié)果表明，1）植被生長顯著改善的區(qū)域，土地覆被以林地為主。這可能是造林生態(tài)工程的作用，自2000年起，國家全面推行人工造林等的生態(tài)工程，截至2020年，湖南省森林覆蓋率已達(dá)59.96%。生態(tài)工程對改善植被生長的作用已經(jīng)在不同研究尺度上得到證明，SONG等人認(rèn)為中國近20年來植被變綠的主要原因是生態(tài)工程[11]；區(qū)域尺度上，黃土高原，西南地區(qū)的植被都因生態(tài)工程的實施而得到改善[12]。值得注意的是，在未變的不透水面區(qū)域，植被顯著增長，這可能是因為人類環(huán)保意識的不斷增強[13]。2）植被顯著退化的區(qū)域主要集中在新增的不透水面和洞庭湖平原部分區(qū)域。洞庭湖平原區(qū)域一直以耕地為主的土地覆蓋，徐勇等人研究認(rèn)為長江中下游的耕地利用變化對植被變化的影響大于其他用地類型，可能受到農(nóng)業(yè)開發(fā)和城市擴(kuò)張等因素的影響，耕地植被生長出現(xiàn)退化趨勢[14]。而新增不透水面基本是由耕地覆蓋類型轉(zhuǎn)化，城市發(fā)展，人地矛盾升級，耕地的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了植被覆蓋的減少[15]。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHAO M S，RUNNING S W.Drought-induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through 2009 [J]. Science， American Association for the Advancement of Science，2010，329（5994）：

940-943.

[2] 李本綱，陶澍.AVHRR NDVI與氣候因子的相關(guān)分析[J].生態(tài)學(xué)報，2000（5）：898-902.

[3] 宋文起，王志恒.近30年來中國氣溫、降水和水分盈虧的趨勢及其變化[J].氣候與環(huán)境研究，2023，28（1）：1-16.

[4] 龐鑫，劉珺.氣候變化對亞洲地區(qū)植被NDVI變化的影響[J].自然資源遙感，2023，35（2）：295-305.

[5] 張慶斌，羅佳，周小玲，等.2000—2017年湖南省NDVI動態(tài)變化及其對氣候響應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2020，40（12）： 94-103.

[6] 易浪，孫穎，尹少華，等.2000—2019年長江流域植被覆蓋時空演化及其驅(qū)動因素[J].生態(tài)學(xué)報，2023，43（2）：798-811.

[7] YANG J，HUANG X.The 30 m annual land cover dataset and its dynamics in China from 1990 to 2019 [J]. Earth System Science Data，2021，13（8）：

3907-3925.

[8] 郭慶斌，趙建蘋.基于MODIS數(shù)據(jù)的湖南省NDVI時空變化研究（2005～2015年）[J].湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報，2017，4（2）：20-24.

[9] 趙倩倩，張京朋，趙天保，等.2000年以來中國區(qū)域植被變化及其對氣候變化的響應(yīng)[J].高原氣象，2021，40（2）：292-301.

[10] 焦珂?zhèn)?，高江波，吳紹洪，等.植被活動對氣候變化的響應(yīng)過程研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2018，38（6）：2229-2238.

[11] SONG W Q，F(xiàn)ENG Y H，WANG Z H.Cological restoration programs dominate vegetation greening in China [J]. Science of The Total Environment， 2022（848）：157729.

[12] XIU L N，YAO X J，CHEN M D，et al.Effect of ecological construction engineering on vegetation restoration： a case study of the loess plateau [J]. Remote Sensing，2021，13（8）：1407.

[13] 賀忠華，張育慧，何月，等.浙江省近20年植被變化趨勢及驅(qū)動因子分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2020，29（8）：1530-1539.

[14] 徐勇，盧云貴，戴強玉，等.氣候變化和土地利用變化對長江中下游地區(qū)植被NPP變化相對貢獻(xiàn)分析[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2023，43（9）：4988-5000.

[15] HE C Y，LIU Z F，TIAN J，et al.Urban expansion dynamics and natural habitat loss in China： a multiscale landscape perspective [J].Global Change Biology，2014，20（9）：2886-2902.

（責(zé)任編輯：張春雨）