近10 a黃土高原地區(qū)NDVI變化及其對水熱因子響應分析

陳安安，孫 林，胡 北，羅隆誠，王 俊

（西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127）

植被是聯(lián)結(jié)土壤、大氣和水分等要素的自然紐帶，在全球環(huán)境和氣候變化研究中起著敏感指示器的作用［1］。研究植被的變化及其與氣候的響應是當今全球變化研究的重要方向之一［2－3］。經(jīng)過多年的研究，國內(nèi)外學者提出了幾十種不同的植被指數(shù)，其中歸一化植被指數(shù)（nor malized difference vegetation index，NDVI）是常用的指數(shù)之一［4－6］。NDVI與綠色葉片生物量、葉面積指數(shù)、植物光合能力、總干物質(zhì)積累以及年凈初級生產(chǎn)力等均有很好的相關(guān)性，常被用于進行土地生長和植被分類，植被生長動態(tài)變化檢測，模擬各種植被及地表生物物理參數(shù)與氣候變化關(guān)系等方面的研究。黃土高原是世界上黃土分布最多、最集中和最典型的地貌單元。作為典型的生態(tài)敏感區(qū)，研究其植被變化及其對氣候的響應對黃土高原地區(qū)的生態(tài)建設(shè)具有重要的科學意義，并為全球變化的區(qū)域響應研究提供借鑒。近年來，國內(nèi)外不斷有學者應用NDVI來研究植被的變化，發(fā)現(xiàn)NDVI與氣溫和降水量存在較好的相關(guān)關(guān)系［7－11］。具體到我國西北干旱半干旱區(qū)和黃土高原，國內(nèi)不少學者針對本地區(qū)植被變化特征及其對氣候因子的響應進行了報道［12－20］，但相關(guān)研究主要集中在單個區(qū)域的某個時間尺度，鮮有不同時間尺度上NDVI對區(qū)域氣候變化響應規(guī)律的研究。本文以1999—2008年SPOTVGT NDVI數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，結(jié)合最大值合成法（MVC）、克里格插值法以及相關(guān)分析法等，對黃土高原地區(qū)的NDVI和氣候因子進行相關(guān)分析和時滯分析，旨在探索在不同時間尺度下黃土高原地區(qū)植被變化及其與氣候因子之間的響應關(guān)系，加深生態(tài)脆弱區(qū)植被覆蓋對氣候變化響應的理解。

1 研究區(qū)概況

黃土高原是世界最大的黃土沉積區(qū)，地處我國中部偏北（34°—40°N，103°—114°E），平均海拔1 000～1 500 m，總面積為6.4×105k m2，合計有264個縣（包括縣級市），占全中國總面積的5.3%（圖1）。該區(qū)地處沿海向內(nèi)陸、平原向高原過渡地帶，自南而北兼跨暖溫帶、中溫帶2個熱量帶，自東向西橫貫半濕潤和半干旱2個干濕區(qū)，高原東部、南部屬于暖溫帶半濕潤區(qū)，中部屬于暖溫帶半干旱區(qū)，西部和北部屬于中溫帶半干旱區(qū)。黃土高原屬典型大陸季風氣候，年平均溫度為3.6～14.3℃，年降水量為150～750 mm，多集中在7—9月，占全年降水量的60%～80%，冬季降水一般只占到5%左右。

圖1 研究區(qū)域地貌概況

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來自比利時弗萊芒技術(shù)研究所（htt p：∥free.vgt.vito.be/）發(fā)布的SPOTVGT NDVI逐旬1999年第1旬至2008年第36旬最大化SPOT－VGT NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)過大氣校正、輻射校正、幾何校正，空間分辨率為1 k m。研究涉及的氣候數(shù)據(jù)源自國家氣象信息中心氣象資料室（中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，http：//cdc.c ma.gov.cn/）地面氣象數(shù)據(jù)集，相關(guān)的地圖數(shù)據(jù)來自西北大學城市與環(huán)境學院自建的黃土高原基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI數(shù)據(jù)提取 在Arc GIS 9.2平臺下，對原始SPOT影像逐旬柵格灰度值（DN）按公式（1）計算，轉(zhuǎn)化為NDVI真值數(shù)據(jù)，NDVI取值范圍［－1，1］。

將原始SPOT影像中的旬DN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化旬NDVI真值［－1.0，1.0］。

2.2.2 NDVI最大化處理 在 Arc GIS 9.2軟件環(huán)境下，利用Spatial Analyst模塊中的Cell Statistics界面中MAX命令對旬標準化NDVI數(shù)據(jù)進行MVC（maxi mu m value composites）最大化合成處理，構(gòu)建不同時間序列的NDVI序列，計算公式如下：

式中：MNDVIi——某一時間下的最大NDVI值，MNDVIi是旬 NDVI值；n——合成最大化 NDVI所需旬NDVI值的個數(shù)?？梢哉J為MNDVIi是某個時間尺度下植被覆蓋度最高的NDVI值。

2.2.3 氣溫和降水數(shù)據(jù)處理 選取黃土高原地區(qū)共計61個氣象站點的氣候數(shù)據(jù)，對旬尺度上的各個氣象站點的氣溫和降水數(shù)據(jù)在Arc GIS 9.2平臺的支持下，用kriging命令，對其進行空間插值，獲得整個黃土高原地區(qū)的旬平均氣溫和平均降水。在Excel軟件下，對氣溫數(shù)據(jù)進行均值處理，獲得不同時間尺度上氣溫因子序列；對降水數(shù)據(jù)進行累加處理，獲得不同時間尺度上的降水因子序列；將氣溫和降水序列組合到一起，獲得氣候因子序列。

為分析不同時間尺度下黃土高原地區(qū)NDVI和水熱條件的響應，參考相關(guān)文獻對氣溫和降水因子采取了不同的處理方式，以旬尺度為例如下：

將獲得的旬氣溫序列和旬NDVI序列進行匹配，利用Excel軟件的CORREL函數(shù)，首先計算滯后期為0的NDVI（1999年第1旬至2008年第36旬）和氣溫因子（1999年第1旬至2008年第36旬）的相關(guān)系數(shù)。然后再計算滯后期為1的NDVI（1999年第1旬至2008年第36旬）和氣溫因子（1998年第36旬至2008年第35旬）的相關(guān)系數(shù)。同理計算得到旬差為0～9的相關(guān)系數(shù)，分析相關(guān)系數(shù)的顯著性，求得最大時滯期。對于月、季尺度的計算方法相同。

將獲得的旬降水序列和旬NDVI序列進行匹配，利用Excel軟件下的CORREL函數(shù)，首先計算滯后期為0的NDVI（1999年第1旬—2008年第36旬）和降水因子（1999年第1旬—2008年第36旬）的相關(guān)系數(shù)。然后計算滯后期為1的相關(guān)系數(shù)，此時降水數(shù)據(jù)采取累加的方式，例如將1999年第1旬和1998年第36旬的降水數(shù)據(jù)累加獲得一個旬差為1累加值，將其1999年第1旬的NDVI匹配。以此方法獲得旬差為1時，NDVI和降水因子的匹配序列，計算旬差為1時的相關(guān)系數(shù)。依照此法，旬差為2時，將前0—2旬的降水數(shù)據(jù)的累加值與NDVI匹配求得相關(guān)系數(shù)，依次獲得旬差0—9旬的相關(guān)系數(shù)，分析相關(guān)系數(shù)的顯著性，求得最大時滯期。對于月、季尺度的計算方法相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 黃土高原地區(qū)植被變化趨勢

黃土高原1999—2008年NDVI最大值變化情況如圖2所示。黃土高原地區(qū)年NDVI變化呈波動上升趨勢（圖2a），線性增加的速率為9.9%/10 a。年NDVI最大值和最小值分別出現(xiàn)在2008年（0.53）和2001年（0.43）。從1999—2008期間黃土高原地區(qū)植被NDVI的空間變化情況來看（圖2b），10 a內(nèi)隴東、隴中和青海東部部分地區(qū)出現(xiàn)植被NDVI較顯著下降外，其它大部分地區(qū)植被NDVI均有所增加。黃土高原地區(qū)的植被變化主要受當?shù)貧鉁?、降水影響，近百年來全球變暖，黃土高原地區(qū)的氣溫基本穩(wěn)定，但略有下降；降水在近10 a呈上升趨勢，水熱因子條件逐漸改善，同時伴隨著退耕還林（草）戰(zhàn)略的實施。因此，黃土高原地區(qū)植被覆蓋呈整體上升趨勢。

圖2 黃土高原1999－2008年NDVI變化情況

3.2 黃土高原植被NDVI對氣溫和降水的響應

3.2.1 黃土高原植被NDVI值對氣溫和降水的旬響應 對黃土高原地區(qū)過去360旬的NDVI與前0—9旬的氣溫和降水進行相關(guān)性分析如圖3所示，結(jié)果表明黃土高原地區(qū)NDVI在旬尺度的響應與溫度的相關(guān)性大于降水。旬NDVI和前0—3旬氣溫和前1—4旬的累積降水相關(guān)系數(shù)較大，其中與前1旬氣溫相關(guān)系數(shù)最大，其值為0.90；與前3旬累積降水的相關(guān)系數(shù)最大，其值為0.84。隨著旬差值的增大，植被NDVI與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)逐漸減小。因此，黃土高原地區(qū)植被NDVI和氣溫、降水在旬尺度的最大滯后期分別為1旬和3旬。

圖3 黃土高原NDVI與溫度、降水旬尺度響應關(guān)系

3.2.2 黃土高原植被NDVI值對氣溫和降水的月響應 對黃土高原地區(qū)過去123個月的NDVI值和前0—3月的氣溫和累積降水進行相關(guān)性分析如圖4所示，結(jié)果表明黃土高原地區(qū)植被NDVI與氣溫和累積降水在月尺度上的相關(guān)性溫度大于降水，這與旬尺度的結(jié)果一致。植被NDVI和前0—1月的氣溫相關(guān)程度較高，與前0—2月的累積降水值的相關(guān)程度較大，其中與前1月的氣溫和累計降水相關(guān)系數(shù)最大，其值分別為0.92和0.91。隨著月數(shù)的前推，相關(guān)系數(shù)逐漸減小。因此，黃土高原地區(qū)植被NDVI和氣溫、累計降水的最大滯后期為1月左右。

圖4 黃土高原地區(qū)NDVI與溫度、降水月尺度相關(guān)系數(shù)

3.2.3 黃土高原植被NDVI值對氣溫和降水的季響應 對黃土高原地區(qū)過去40季的植被NDVI和前0—2季的氣溫和累積降水進行相關(guān)性分析見圖5所示，結(jié)果表明黃土高原地區(qū)植被NDVI和氣溫、降水在季尺度上的相關(guān)性降水大于氣溫，這與月、旬尺度結(jié)果存在顯著差異。植被NDVI和前0旬的氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)都比較大，其值分別是0.85和0.87；隨著季數(shù)往前推移，相關(guān)系數(shù)急劇下降。因此，黃土高原地區(qū)植被NDVI和氣溫、降水在季尺度的最大滯后期為0季左右。

圖5 黃土高原地區(qū)NDVI與溫度、降水季尺度相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示黃土高原地區(qū)1999—2008年NDVI變化成波動上升趨勢，這與我國西北地區(qū)及祁連山等地區(qū)的變化基本一致［13－15］，但響應的最大時滯不盡相同。戴聲佩等［15］對祁連山的研究表明，植被NDVI對旬氣溫和降水的最大時滯都為2旬，本文對黃土高原地區(qū)研究表明，植被NDVI對旬氣溫和降水的最大時滯期分別為1旬和3旬，原因是祁連山屬典型的高原大陸性氣候，因而植被NDVI對氣溫的最大時滯期大于黃土高原，積雪融水使得祁連山地區(qū)植被NDVI對累積降水的最大時滯小于黃土高原。

已往對植被NDVI和氣候因子的響應關(guān)系的研究多集中在旬或者季尺度上，較少有人對尺度可能引起的差異進行研究。本文結(jié)果表明，植被NDVI對氣溫的相關(guān)程度在月尺度上最大（0.92），在旬尺度（0.90）和季尺度（0.85）相關(guān)較??；植被 NDVI對降水的相關(guān)程度在月尺度（0.91）上最大，在旬尺度（0.84）和季尺度（0.87）相關(guān)較小，研究黃土高原植被NDVI對水熱因子響應關(guān)系的最優(yōu)時間尺度應為月尺度，最大時滯為1月。

本研究結(jié)果表明，黃土高原植被NDVI和氣溫、降水之間的響應關(guān)系存在一定時間尺度依賴性。在旬、月尺度黃土高原植被NDVI和氣溫、降水的相關(guān)程度上，氣溫的相關(guān)程度要大于降水；在季尺度進行相關(guān)分析時，降水的相關(guān)程度大于氣溫。在旬尺度上，黃土高原植被NDVI總體上對氣溫變化的響應大于降水，這與中國西北地區(qū)和東部地區(qū)的研究結(jié)果基本一致［15－16］。在月尺度上，黃土高原植被 NDVI總體上對氣溫的響應大于降水，這與黃土高原及黃河流域已有的研究結(jié)論基本一致［17－18］。在季尺度上，黃土高原植被NDVI對降水的響應大于溫度，這與陜北地區(qū)的研究結(jié)論基本一致［19－20］。存在尺度依賴性的原因是黃土高原地區(qū)自東向西橫貫半濕潤、半干旱兩個干濕帶，其中西部的半干旱區(qū)的面積占整個高原面積的70%以上，半干旱區(qū)全年降水主要集中在7，8月份。

（1）黃土高原近10 a來植被NDVI變化趨勢整體上呈上升趨勢，其中高原北部的內(nèi)蒙古地區(qū)和寧夏灌溉區(qū)、青海西寧周圍以及黃土高原東南部的秦嶺北坡等地區(qū)的植被覆蓋面積在持續(xù)增加，隴東、隴中和青海東部等地區(qū)呈下降趨勢。

（2）研究黃土高原地區(qū)植被NDVI對氣溫和降水最優(yōu)尺度為月尺度。

（3）黃土高原地區(qū)植被NDVI對氣溫和降水的響應關(guān)系存在尺度依賴性，植被NDVI對氣溫和降水的響應關(guān)系在旬、月尺度上是氣溫大于降水，在季尺度上則是降水大于氣溫。

［1] Cui L L，Shi J.Temporal and spatial response of vegetation NDVI to temperat ure and precipitation in easter n China［J］.Jour nal of Geographical Sciences，2010，20（2）：163－176.

［2] Manuel C.Molles Jr.Ecology：concepts and applications［M］.4t h ed.New Yor k：Mc Graw－Hill，2008，10：426－427.

［3] 于貴瑞.全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳蓄積［M］.北京：氣象出版社，2003：4－7.

［4] Curran P.Multispectral remote sensing of vegetation amount［J］.Progress in Physical Geography，1980，4（3）：315－341.

［5] Nezlina N，Kostianoyb A，Li B L.Inter－annual variability and interaction of remote－sensed vegetation index and at mospheric precipitation in the Aral Sea region［J］.Jour nal of Arid Envir on ments，2005，62：677－700.

［6] 李霞，李曉兵，陳云浩，等.中國北方草原植被對氣象因子的時滯響應［J］.植物生態(tài)學報，2007，31（6）：1054－1062.

［7] Parinaz Bajgirana，A Darivishsefatb，A khalilic，et al.Using AVHRR－based vegetation indices f or drought monitoring in the north west of Iran［J］.Jour nal of Arid Environ ments，2008（2）：1086－1096.

［8] Jeremy Weiss，David Gutzlera，Julia A Coonrod，et al.Seasonal and inter－annual relationships bet ween vegetation and cli mate in central New Mexico，USA［J］.Journal of Arid Environments，2004，57：507－534.

［9] 劉亞龍，王慶，張明明，等.山東地區(qū)NDVI與氣象因子持續(xù)性分析［J］.資源科學，2010，32（9）：1777－1782.

［10] Zhang J Y，Dong W J，Ye D Zh，et al.New evidence for effects of land cover in China on su mmer cli mate［J］.Chinese Science Bulletin，2003，48（4）：401－405.

［11] Jean－Marie Kileshye Onema，Akpof ure Taigbenu.NDVI－rainfall relationship in the Semliki watershed of the equatorial Nile［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2009，34：711－721.

［12] 李秀花，師慶東，常順利，等.1981—2001年中國西北干旱區(qū) NDVI變化分析［J］.干旱區(qū)地理，2008，31（6）：940－945.

［13] 夏露，劉詠梅，柯長青.基于SPOT 4數(shù)據(jù)的黃土高原植被動態(tài)變化研究［J］.遙感技術(shù)與應用，2008，23（1）：67－71.

［14] 李震，閻福禮，范湘濤.中國西北地區(qū)NDVI變化及其與溫度和降水的關(guān)系［J］.遙感學報，2005，9（3）：308－313.

［15] 戴聲佩，張勃，王強，等.祁連山草地植被NDVI變化及 其對氣溫降水的旬響應特征［J］.資源科學，2010，32（9）：1769－1776.

［16] 王永立，范廣洲，周定文，等.我國東部地區(qū)NDVI與氣溫、降水的關(guān)系研究［J］.熱帶氣象學報，2009，25（6）：725－733.

［17] Xin Zh B，Xu J X，Zheng W.Spatiotemporal variations of vegetation cover on the Chinese Loess Plateau（1981—2006）：Impacts of cli mate changes and hu man activities［J］.Science in China Earth Sciences，2008，51（1）：67－78.

［18] 劉綠柳，肖風勁.黃河流域植被NDVI與溫度、降水關(guān)系的時空變化［J］.生態(tài)學雜志，2006，25（5）：477－481.

［19] 高蓓，張樹譽，李星敏，等.陜北地區(qū)1997—2006年NDVI變化與氣候因子的關(guān)系［J］.成都信息工程學院院報，2009，24（9）：387－391.

［20] 李登科.陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋變化及其對氣候的響應［J］.西北植物學報，2009，29（5）：867－8 7 3.