老哈河流域NDVI動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子的關(guān)系

劉曉帆,任立良,袁 飛,徐 靜,劉 薇,喇承芳

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.南京大學(xué)水科學(xué)系,江蘇南京 210093;3.黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局,甘肅蘭州 730030)

目前全球氣候變化成為許多學(xué)科的研究熱點(diǎn),主要是因?yàn)榻倌陙?lái),地球表面的年平均氣溫上升了約0.6℃,北半球的氣溫升高趨勢(shì)為1000a來(lái)所罕見(jiàn),這一變化與人類(lèi)的生存密切相關(guān)[1].植被覆蓋變化是對(duì)全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)最重要的響應(yīng)之一.因此,在氣候變化背景下研究植被覆蓋的時(shí)空變化對(duì)生態(tài)環(huán)境評(píng)估、預(yù)測(cè)以及理解植被與氣候的關(guān)系都具有重要意義.

遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、時(shí)空連續(xù)性好,為研究大范圍植被變化提供了依據(jù)[2].其中歸一化植被指數(shù)NDVI(normal difference vegetation index)是目前應(yīng)用最廣的表征植被狀況的指數(shù),它可以很好地反映植被覆蓋、生長(zhǎng)活力以及生物量等情況[3].20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用NDVI研究了植被覆蓋變化趨勢(shì)及其與氣候因子的關(guān)系.Ichii等[4]認(rèn)為在中高緯度地區(qū)的春夏季NDVI的年際變化與氣溫的變化顯著相關(guān),而半干旱地區(qū)與降水和氣溫的相關(guān)性都很顯著.信忠保等[3]利用GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)對(duì)黃土高原地區(qū)1982～2003年間植被覆蓋變化的研究表明:黃土高原地區(qū)植被整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),并存在明顯的空間差異;降水是影響黃土高原地區(qū)植被變化的重要因素.

老哈河流域位于北緯40.9°～42.9°,東經(jīng)117.2°～120°之間,面積為 18599km2,多年平均年降水量為450mm,屬于典型的半干旱區(qū).由于水資源缺乏,氣候變化深刻影響著流域內(nèi)的植被狀況.本文利用1982～2006年GIMMS/NDVI數(shù)據(jù),對(duì)老哈河流域不同植被類(lèi)型NDVI年內(nèi)和年際變化及其與降水、氣溫的關(guān)系進(jìn)行分析,以進(jìn)一步了解全球氣候變化背景下該流域內(nèi)不同類(lèi)型植被覆蓋度的變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度.

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文采用的NDVI數(shù)據(jù)是由美國(guó)航空航天局(NASA)全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(Global Inventory Modelingand Mapping Studies,GIMMS)發(fā)布的GIMMS/NDVI數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)是來(lái)自NOAA系列衛(wèi)星(NOAA7,9,11,14,16和17)AVHRR的15d最大化合成數(shù)據(jù),空間分辨率為8km×8km,時(shí)間是1982年1月～2006年12月.利用遙感影像處理軟件ENVI分割出老哈河流域的NDVI數(shù)據(jù),并按照臨近原則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,使其空間分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)?km×1km.為了減少云層對(duì)遙感影像的影響,采用最大像元合成法MVC(maximum value composites)[5]選取各月中最大NDVI值作為該月的NDVI值.

1982～2005年氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于老哈河流域內(nèi)赤峰氣象站,降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于老哈河流域內(nèi)52個(gè)雨量站(圖1).采用反距離平方法[6],將老哈河流域內(nèi)雨量站實(shí)測(cè)的降水量插值到空間分辨率為30″的柵格單元,在柵格的基礎(chǔ)上分別計(jì)算各類(lèi)植被類(lèi)型的區(qū)域平均值,并將區(qū)域平均值作為該類(lèi)植被的雨量值.

土地覆被資料采用的是美國(guó)馬里蘭大學(xué)的全球1km土地覆被資料UMD(University of Maryland's1kmglobal land cover data),空間分辨率為30″.老哈河流域內(nèi)主要植被類(lèi)型有林地、灌叢、草地和耕地,其面積分別占流域面積的18.1%,5.6%,40.2%和35.6%,其余水體和城鄉(xiāng)用地面積約占流域面積的0.5%(圖1).

1.2 研究方法

應(yīng)用一元線性回歸分析[7]模擬各種植被類(lèi)型年均NDVI和季均NDVI的年際變化趨勢(shì),經(jīng)驗(yàn)回歸方程斜率的正負(fù)反映了植被覆蓋的增減趨勢(shì),其絕對(duì)值的大小反映植被覆蓋的增減速率.為了研究NDVI與氣溫和降水的關(guān)系,選用了簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)[8]作為評(píng)價(jià)指標(biāo).簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)能衡量2個(gè)變量之間的直接相關(guān)程度,而偏相關(guān)系數(shù)能在對(duì)其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下,衡量多個(gè)變量中某2個(gè)變量之的線性相關(guān)程度.為了客觀真實(shí)地反映氣溫、降水對(duì)植被生長(zhǎng)的影響,避免冬季積雪對(duì)NDVI值的影響,本文只對(duì)生長(zhǎng)季(4～10月)的NDVI進(jìn)行研究[9],在柵格的基礎(chǔ)上分別計(jì)算各類(lèi)植被類(lèi)型的區(qū)域平均值,并將區(qū)域平均值作為該類(lèi)植被的NDVI值.

圖1 老哈河流域土地覆被類(lèi)型、氣象站和雨量站分布Fig.1 Distribution of land cover,meteorological tations,and rainfall gaugestations in Laoha River Basin

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI年內(nèi)變化及其與氣候因子的關(guān)系

2.1.1 NDVI年內(nèi)變化

計(jì)算得到的不同植被類(lèi)型25a平均月NDVI如圖2所示.由圖2可知:林地、灌叢、草地和耕地的NDVI年內(nèi)變化均呈單峰型,年最大值出現(xiàn)在8月,分別為0.677,0.583,0.595和0.628,生長(zhǎng)季NDVI平均為0.523,0.389,0.411和0.447;各種植被類(lèi)型NDVI從4月開(kāi)始迅速增加,至7月達(dá)到較大值,之后緩慢增加至8月達(dá)到最大值,然后NDVI開(kāi)始下降,到11月回到春天明顯增加前的水平.11月到翌年4月老哈河流域植被枯黃,NDVI很小,變化也很小.

2.1.2 月NDVI與月平均氣溫、降水的關(guān)系

建立不同植被類(lèi)型1982～2005年生長(zhǎng)期月NDVI與月氣溫、月降水的相關(guān)統(tǒng)計(jì)樣本,樣本容量為168.植被的生長(zhǎng)相對(duì)于氣候因子的變化要緩慢得多,因而NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象,滯后現(xiàn)象與氣候因子和所研究的區(qū)域有關(guān)[10].為了定量分析老哈河流域NDVI對(duì)降水、氣溫的響應(yīng),分別計(jì)算了不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)期月NDVI與同期以及前期月氣溫、月降水的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表1.

圖2 老哈河流域NDVI年內(nèi)變化Fig.2 Annual variation of NDVI in Laoha River Basin

表1 不同植被類(lèi)型月NDVI與氣溫、降水簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)(1982～2005年)Table 1 Pearson and partial correlation coefficients between monthly NDVI and temperature and precipitation for different vegetation types from 1982 to 2005

從相關(guān)分析結(jié)果可以看出:各種植被類(lèi)型NDVI與氣溫、降水之間均具有正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性較大,尤其是NDVI與前1個(gè)月氣溫之間簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.85以上,而且相關(guān)性均通過(guò)置信度99%的顯著性檢驗(yàn).各種植被類(lèi)型NDVI對(duì)氣溫和降水的響應(yīng)均存在滯后現(xiàn)象,當(dāng)滯后時(shí)間為1個(gè)月時(shí),各種植被類(lèi)型NDVI與氣溫、降水的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了最大.灌叢、草地NDVI與前1個(gè)月降水的相關(guān)性較大,而林地相對(duì)較小,這主要受到2個(gè)方面因素的影響:一是植被生長(zhǎng)的環(huán)境,老哈河流域林地主要分布在上游高海拔區(qū),雨水相對(duì)充足,降水不是植被生長(zhǎng)的限制因素,因而其N(xiāo)DVI與降水的相關(guān)性較小;二是植被自身的生長(zhǎng)特性,灌叢和草地根系發(fā)達(dá)且相對(duì)較淺,對(duì)降水很敏感,因而其N(xiāo)DVI與降水的相關(guān)系數(shù)較大.由簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果可知,月NDVI與氣溫、降水之間均存在顯著的相關(guān)關(guān)系.為了區(qū)別這兩者對(duì)NDVI的影響程度,又進(jìn)行了NDVI與降水、氣溫的偏相關(guān)分析,即在假定氣溫或降水因子不變的情況下,分析NDVI與其中1種因子的相關(guān)性,偏相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1.各種植被類(lèi)型NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)均大于與降水的偏相關(guān)系數(shù),而且相關(guān)性均通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn),因而老哈河流域氣溫對(duì)植被年內(nèi)生長(zhǎng)的影響大于降水.

2.2 NDVI年際變化及其與氣候因子的關(guān)系

2.2.1 NDVI年際變化

本文只對(duì)生長(zhǎng)季(4～10月)的NDVI進(jìn)行研究,利用4～10月NDVI均值作為年均NDVI,4～5月NDVI均值作為春季NDVI,6～8月NDVI均值作為夏季NDVI,9～10月NDVI均值作為秋季NDVI.圖3給出了老哈河流域1982～2006年均和季均NDVI的年際變化趨勢(shì).從圖3可以看出,老哈河流域年均NDVI在1980～1999年呈顯著上升趨勢(shì),2000年陡降至最低點(diǎn),在2000～2006年又呈顯著上升趨勢(shì),植被覆蓋逐漸恢復(fù)到20世紀(jì)90年代后期水平.總體上,1982～2006年老哈河流域年均NDVI呈上升趨勢(shì),其中20世紀(jì)90年代老哈河流域植被覆蓋水平最好.從季節(jié)來(lái)看,老哈河流域夏秋季NDVI增加顯著,而春季沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì),各種植被類(lèi)型均未通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn).從植被類(lèi)型來(lái)看,林地NDVI增加趨勢(shì)不顯著,其趨勢(shì)均未通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn),而灌叢NDVI增加最顯著,其次為草地和耕地.表2給出了不同植被類(lèi)型NDVI年際變化斜率、樣本決定系數(shù)R2和t檢驗(yàn)的概率值P.

圖3 老哈河流域1982～2006年不同植被類(lèi)型NDVI年際變化Fig.3 Inter-annual variation of NDVI for different vegetation types in Laoha River Basin from 1982 to2006

表2 老哈河流域1982～2006年 NDVI年際變化斜率、樣本決定系數(shù) R2和 t檢驗(yàn)的概率PTable 2 Values of regression slope,determination coefficient R 2,and probability P of t-check for inter-annual variation of NDVI in Laoha River Basin from 1982 to2006

2.2.2 NDVI與氣溫、降水年際變化之間的關(guān)系

為了分析老哈河流域1982～2005年NDVI變化的原因,以植被生長(zhǎng)最旺盛的夏季(6～8月)NDVI平均值為代表,分別計(jì)算了1982～2005年各種植被類(lèi)型夏季NDVI與5～7月平均氣溫、6～8月平均氣溫、5～7月平均降水、6～8月平均降水的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表3.其中樣本容量為24.由簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果可知,夏季NDVI與同期和前期的氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān),與前期降水呈顯著的正相關(guān).這說(shuō)明,老哈河流域夏季氣溫升高會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋減少,而降水增加有利于植被的生長(zhǎng).由偏相關(guān)分析結(jié)果可知,林地和耕地夏季NDVI與同期和前期氣溫的偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于與降水的偏相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值,因而在老哈河流域林地和耕地NDVI的年際變化主要是受到了氣溫年際變化的影響,而灌叢和草地NDVI的年際變化受前期降水變化的影響較大.圖4給出了老哈河流域1982～2005年5～7月平均氣溫以及各植被類(lèi)型5～7月平均降水年際變化趨勢(shì).對(duì)比圖3(c)和圖4可以看出,老哈河流域NDVI在1982～1999年呈顯著上升趨勢(shì),這是1982～1999年期間老哈河流域氣溫降低和降水增加共同作用的結(jié)果.2000年老哈河流域夏季氣溫驟升和降水減少導(dǎo)致NDVI在2000年出現(xiàn)了最小值,2000年后氣溫的降低和降水的升高使流域植被覆蓋逐漸得到恢復(fù).

表3 不同植被類(lèi)型夏季NDVI與氣溫、降水簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)(1982～2005年)Table 3 Pearson and partial correlation coefficients between summer NDVI and temperature and precipitation for different vegetation types from 1982 to2005

圖4 老哈河流域1982～2005年5～7月平均氣溫、降水年際變化趨勢(shì)Fig.4 Inter-annual variation trends of averagetemperatureand precipitation in Laoha River Basin from May to July,1982-2005

3 結(jié) 論

本文利用1982～2006年GIMMS/NDVI數(shù)據(jù),對(duì)老哈河流域不同植被類(lèi)型NDVI年內(nèi)和年際變化及其與氣溫、降水的關(guān)系進(jìn)行了研究,并得到了如下結(jié)論:

a.老哈河流域NDVI年內(nèi)變化均呈單峰型,年最大值出現(xiàn)在8月,年最小值出現(xiàn)在冬季.NDVI和氣溫、降水之間均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,且存在滯后現(xiàn)象,當(dāng)滯后時(shí)間為1個(gè)月時(shí),NDVI與氣溫、降水的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了最大值.老哈河流域林地與灌叢、草地相比,其N(xiāo)DVI受前1個(gè)月降水影響相對(duì)較小.老哈河流域氣溫對(duì)植被年內(nèi)生長(zhǎng)的影響大于降水.

b.老哈河流域NDVI的年際變化表現(xiàn)為1982～2006年老哈河流域年均NDVI呈上升趨勢(shì),其中20世紀(jì)90年代老哈河流域植被覆蓋水平最好.從季節(jié)來(lái)看,老哈河流域夏秋季NDVI增加顯著,而春季沒(méi)有明顯的變化.從植被類(lèi)型來(lái)看,林地NDVI增加趨勢(shì)不顯著,而灌叢NDVI增加趨勢(shì)最顯著,其次為草地和耕地.老哈河流域夏季氣溫升高會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋減少,降水增加有利于植被的生長(zhǎng).老哈河流域林地和耕地NDVI的年際變化主要是受到了氣溫年際變化的影響,而灌叢和草地NDVI的年際變化受前期降水變化的影響較大.2000年老哈河流域夏季氣溫驟升和降水減少導(dǎo)致NDVI在2000年出現(xiàn)了最小值.

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