華北地區(qū)植被NDVI與不同氣候指標(biāo)的相關(guān)分析

馮 敏， 孫艷玲， 劉 斌， 王中良

(1.天津師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 天津 300387； 2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 400047)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是大氣圈、生物圈和土壤圈相互聯(lián)系的樞紐，在全球氣候變化研究中起到“指示器”的作用[1]。一般而言，大尺度上的氣候要素是決定陸地植被類型分布格局及其功能特性的最主要因素，植被則是地球氣候最鮮明的反映和標(biāo)志[2]。研究植被變化及其與氣候因子的關(guān)系在全球變化研究中具有重要的意義。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是監(jiān)測地區(qū)或全球植被和生態(tài)環(huán)境的有效指標(biāo)，是植被生長狀況及植被覆蓋度的最佳指示因子[3]。長時間序列NDVI數(shù)據(jù)已廣泛用于植被變化趨勢研究[4-6]，而且，NDVI作為研究植被與氣候關(guān)系的一個有效工具，也已得到廣泛應(yīng)用。但是，目前大多數(shù)研究主要集中在NDVI與氣溫、降水這兩個氣候指標(biāo)的相關(guān)分析方面，例如,Ichii等[7]研究了氣候變化與全球NDVI的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)北半球中高緯度地區(qū)春秋季NDVI與溫度顯著相關(guān)；利用NDVI研究植被對氣候的響應(yīng)時，Rasumsen等[8]發(fā)現(xiàn)NDVI與降水量高度相關(guān)；樸世龍等[9]和趙茂盛等[10]利用NDVI和氣溫、降水研究中國植被變化，發(fā)現(xiàn)植被的增加源于溫度的升高，但在區(qū)域尺度上則與降水有關(guān)。NDVI與氣溫、降水等單一氣候因子之間的相關(guān)性分析固然有一定的意義，但是，植被對氣候和其他環(huán)境因子的反應(yīng)是綜合的，因此，必須強(qiáng)調(diào)氣候因子的綜合影響。倪健[11]提出了以月平均氣溫10 ℃為界的生物熱量指數(shù)(BWI)和生物干濕度指數(shù)(BK)，發(fā)現(xiàn)植被類型分布與熱量因子和干濕度因子具有較好的相關(guān)性，并被運用到其他相關(guān)研究中[12]。此外，干燥度指數(shù)作為表征一個地區(qū)干濕程度的指標(biāo)也可以用于植被與氣候的關(guān)系研究[13]。張遠(yuǎn)東等[14]分析了西南地區(qū)不同植被類型NDVI與氣候因子的相關(guān)性，結(jié)果表明，沼澤、灌叢、草原、草甸和栽培植被NDVI與干旱指數(shù)的相關(guān)性最大。

基于上述研究可以發(fā)現(xiàn)，NDVI不僅與單一氣候指標(biāo)有密切關(guān)系，而且與綜合氣候指標(biāo)也有很好的相關(guān)性。目前，關(guān)于不同氣候指標(biāo)與植被指數(shù)相關(guān)關(guān)系對比分析研究較少，為此，本文以華北地區(qū)作為研究區(qū)域，探討1982—2006年華北地區(qū)植被動態(tài)及其與不同氣候指標(biāo)(年平均氣溫、年降水量、干燥度指數(shù)、生物熱量指數(shù)、生物干濕度指數(shù))之間的相關(guān)關(guān)系，旨在尋求華北地區(qū)氣候變化對植被變化的影響和植被生長對氣候的反饋規(guī)律，為保護(hù)華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境提供理論支持和指導(dǎo)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華北地區(qū)地處中國地形的第三階梯，行政上包含北京市、天津市、河北省、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。該區(qū)域面積廣闊，受季風(fēng)氣候影響明顯，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在7 ℃左右，夏季熱量充足，降水量自沿海向內(nèi)陸逐漸減少，平均年降水量在400 mm左右，且降水主要集中在7—8月。自然條件比較優(yōu)越，適合農(nóng)作物及植被的生長。華北地區(qū)的土地覆蓋類型復(fù)雜多樣，主要包括森林、灌叢、草地、農(nóng)田等[15]。此外，華北地區(qū)擁有豐富的自然資源，再加上便利的海陸空交通運輸條件以及首都北京的輻射帶動作用，使得華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展。然而同時也給華北地區(qū)帶來一系列環(huán)境問題，使該區(qū)時常受到沙塵暴、水土流失等自然災(zāi)害的影響，生態(tài)環(huán)境比較脆弱。

1.2 NDVI數(shù)據(jù)來源與處理

本文中所采用的GIMMIS/NDVI(global inventory modeling and mapping studies/normalized difference vegetation index)數(shù)據(jù)來源于NASA(national aeronautics and space administration)全球監(jiān)測的植被指數(shù)數(shù)據(jù)，時間分辨率為15 d，時間跨度為1982年1月至2006年12月，空間分辨率為8 km×8 km，投影方式為Albers投影。首先，利用ArcGIS 9.3軟件獲得華北地區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)，通過最大值合成法(maximum value composites, MVC)將每月的上、下半月每15 d的NDVI取最大值，每個柵格的NDVI值用該月最大的NDVI代替，同樣采用MVC法得到每個柵格的年最大NDVI值，進(jìn)而得到1982—2006年25 a的NDVI序列。

1.3 氣象數(shù)據(jù)來源與處理

本文的氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象局華北地區(qū)85個氣象觀測站(附圖3)，包括各個站點的經(jīng)度、緯度和1982—2006年逐月的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。分別計算出年平均氣溫、年降水量、干燥度指數(shù)、生物熱量指數(shù)、生物干濕度指數(shù)5種氣候指標(biāo)的數(shù)值。同時，采用ArcGIS軟件中的克里格插值法對華北地區(qū)的不同氣候指標(biāo)進(jìn)行空間插值生成各氣候指標(biāo)的柵格圖，其投影方式和空間分辨率與植被NDVI柵格數(shù)據(jù)一致。其中，干燥度指數(shù)和生物熱量指數(shù)、生物干濕度指數(shù)的計算公式如下。

(1)干燥度指數(shù)。用氣溫、熱量、降水氣候因子構(gòu)成函數(shù)表達(dá)式，用來研究華北地區(qū)1982—2006年的氣候干燥程度(降水與蒸散量的差值)[16]。干燥度指數(shù)r的計算公式如下：

(1)

式中：EPm—— —年可能蒸散量(mm)；P——年降水量(mm)。

(2)生物熱量指數(shù)和生物干濕度指數(shù)。采用倪健等[11]提出的修正生物熱量指數(shù)BWI(℃)和生物干濕度指數(shù)BK(mm/℃)，用以研究植物生長環(huán)境的熱量和水分條件，其計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中：T——10 ℃以上的月平均氣溫(℃)；n——月平均氣溫大于10 ℃ 的月數(shù)；P——年降水量(mm)。BK值越大說明生態(tài)環(huán)境越濕潤，BK值越小則說明生態(tài)環(huán)境越干燥。

1.4 研究方法

(1)一元線性回歸趨勢分析。此方法常用來反映植被NDVI和氣候指標(biāo)隨時間變化的趨勢特征[17]。本文以1982—2006年25 a的時間序列為自變量，對植被NDVI值和氣候指標(biāo)進(jìn)行一元線性回歸分析，以此來研究植被NDVI及氣候指標(biāo)在時間上的變化規(guī)律。其一元線性回歸變化斜率計算公式為：

(5)

式中：slope——一元線性回歸分析的變化斜率；Xi——第i年的NDVI值或氣候指標(biāo)值；n——監(jiān)測時間段的累積年數(shù)。slope<0表示植被NDVI或氣候指標(biāo)呈減小趨勢，slope>0表示植被NDVI或氣候指標(biāo)呈增加趨勢。

(2)相關(guān)系數(shù)。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析不同氣候指標(biāo)與植被NDVI之間的相關(guān)性。 相關(guān)系數(shù)|r|值越大，表明氣候指標(biāo)與NDVI值之間的相關(guān)性越好，該氣候指標(biāo)對植被生長情況的影響越大，反之則相關(guān)性越差。其計算公式為：

(6)

式中：x，y——數(shù)據(jù)變量；n——數(shù)據(jù)變量的個數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 華北地區(qū)植被NDVI的年際變化特征

由圖1可以看出，華北地區(qū)植被NDVI在1982—2006年整體處于上升趨勢，其線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)為0.470 6，通過了p<0.05的顯著性檢驗，說明上升趨勢顯著。方程斜率表明華北地區(qū)平均每年NDVI增加0.001 1，25 a間年NDVI上升了9.950%。不同土地覆蓋類型上植被NDVI變化最明顯的是農(nóng)田(r=0.664,p<0.01)和灌叢(r=0.582，p<0.01)，呈現(xiàn)出極顯著上升；草地NDVI顯著上升(r=0.497,p<0.05)；森林和沙漠土地類型上植被NDVI上升趨勢不明顯(如表1所示)。

圖1 1982-2006年華北地區(qū)NDVI變化趨勢

表11982-2006年華北地區(qū)不同土地覆蓋類型NDVI變化趨勢回歸分析

注：R2代表相關(guān)系數(shù)的平方； n代表年數(shù)。

2.2 華北地區(qū)氣候指標(biāo)的年際變化特征

1982—2006年華北地區(qū)不同氣候指標(biāo)的年變化如圖2所示。其中，年平均氣溫以0.060 7 ℃/a的速度增加，呈現(xiàn)出極顯著的增溫趨勢(p<0.01)；年降水量以2.239 8 mm/a的速度減少，但未通過顯著性檢驗，降水量減少趨勢不明顯；干燥度指數(shù)的年變化波動較大，但減小趨勢不明顯。研究區(qū)生物熱量指數(shù)BWI總體呈現(xiàn)極顯著增加趨勢 (p<0.01)，而生物干濕度指數(shù)BK呈現(xiàn)顯著減小趨勢(p<0.05)。

不同土地覆蓋類型上各氣候指標(biāo)的變化特征如表2所示。由表2可以看出，不同土地覆蓋類型的年平均氣溫上升趨勢均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)；森林的年降水量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(p<0.05)；森林的干燥度指數(shù)也呈明顯的上升趨勢，但其他土地覆蓋類型的干燥度指數(shù)變化不明顯；森林的生物熱量指數(shù)上升趨勢達(dá)到顯著水平(p<0.05)，草地、農(nóng)田、灌叢、沙漠的生物熱量指數(shù)上升趨勢極為顯著(p<0.01)；森林的生物干濕度指數(shù)上升趨勢最顯著(p<0.01)，其次是草地(p<0.05)，農(nóng)田、灌叢、沙漠的生物干濕度指數(shù)上升趨勢不明顯。

圖2 1982-2006年華北地區(qū)不同氣候指標(biāo)的變化趨勢

表21982-2006年華北地區(qū)不同土地覆蓋類型氣候指標(biāo)的變化斜率

注：**，*分別代表通過了p<0.01和p<0.05的顯著性檢驗。下同。

2.3 華北地區(qū)植被NDVI與氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

通過對1982—2006年華北地區(qū)植被NDVI與逐年的氣候指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)，可以發(fā)現(xiàn)植被NDVI與干燥度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.64，通過了p<0.01的顯著性檢驗，而生物熱量指數(shù)和生物干濕度指數(shù)與植被NDVI的相關(guān)性較低。對植被NDVI與氣候指標(biāo)進(jìn)行滯后1 a的時滯效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，年平均氣溫與滯后1 a的NDVI呈顯著正相關(guān)，可以看出華北地區(qū)植被NDVI與干燥度指數(shù)和氣溫的相關(guān)性最為密切。

表3 1982-2006年華北地區(qū)植被NDVI與不同氣候指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)

對不同土地覆蓋類型的植被NDVI與氣候指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果表明(表4)，草地、農(nóng)田和灌叢的植被NDVI與當(dāng)年的年均氣溫均呈顯著正相關(guān)，分別通過了p<0.05和p<0.01的顯著性檢驗；不同土地覆蓋類型的植被NDVI與年降水量相關(guān)分析中只有草地呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，其他均未達(dá)到顯著性水平；草地的植被NDVI與干燥度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大，其他土地覆蓋類型的NDVI與干燥度指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，但均未通過顯著性檢驗；不同土地覆蓋類型的NDVI與生物熱量指數(shù)、生物干濕度指數(shù)相關(guān)性不明顯，但草地的NDVI與生物熱量指數(shù)的相關(guān)性最大，沙漠的NDVI與生物干濕度指數(shù)的相關(guān)性最大。

表4 華北地區(qū)不同土地覆蓋類型上植被NDVI與不同氣候指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

通過1982—2006年華北地區(qū)植被NDVI與當(dāng)年不同氣候指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的空間分布圖可以看出(圖3)，植被NDVI與不同氣候指標(biāo)的相關(guān)性在空間上存在很大差異。統(tǒng)計表明，5.82%的地區(qū)(內(nèi)蒙古地區(qū)東部和中部的草原地區(qū)，河北、山西的農(nóng)田分布區(qū)，內(nèi)蒙古、山西、河北交界的灌叢覆蓋地區(qū))植被NDVI與年均氣溫呈顯著正相關(guān)，說明氣溫升高對草地、農(nóng)田和灌叢植被的生長具有顯著的促進(jìn)作用，3.67%的地區(qū)(內(nèi)蒙古北部和西部，京津冀晉部分地區(qū))NDVI與年均氣溫顯著負(fù)相關(guān)。華北地區(qū)NDVI與年降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古北部、中部和西部草原地區(qū)，占整個研究區(qū)總面積的20.00%，這些區(qū)域氣候干旱，降水成為植被生長的重要限制因子；僅1.46%的地區(qū)NDVI與年降水量顯著負(fù)相關(guān)，且主要分布在內(nèi)蒙古北部的森林地區(qū)。華北地區(qū)NDVI與干燥度呈顯著正相關(guān)的地區(qū)分布在內(nèi)蒙古東部地區(qū)，面積約占1.11%；呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域分布在內(nèi)蒙古中部的大部分地區(qū)，占整個研究區(qū)總面積的17.73%。3.43%的地區(qū)(內(nèi)蒙古的通遼市、呼和浩特市和巴彥淖爾市)植被NDVI與生物熱量指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；8.38%的地區(qū)(內(nèi)蒙古北部的森林地區(qū)和西部沙漠地區(qū)，河北、山西境內(nèi)部分區(qū)域)NDVI與生物熱量指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。華北地區(qū)NDVI與生物干濕度指數(shù)呈顯著正相關(guān)的范圍占總面積的15.74%，主要分布在內(nèi)蒙古北部、中部、西部的草原覆蓋地區(qū)，與年降水量的分布范圍相差不大，可見生物干濕度指數(shù)對反映草原植被生長情況具有很好的作用；還有1.59%的地區(qū)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，主要位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市、通遼市的東部以及華北唐山市內(nèi)。

3 結(jié) 論

通過對1982—2006年華北地區(qū)植被NDVI與不同氣候指標(biāo)的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，整體上華北地區(qū)植被NDVI呈現(xiàn)出上升趨勢，其中草地、農(nóng)田和灌叢的植被NDVI上升趨勢較為顯著。華北地區(qū)不同氣候指標(biāo)在1982—2006年變化趨勢表現(xiàn)為年平均氣溫和生物熱量指數(shù)呈顯著增加趨勢，年降水量、干燥度指數(shù)和生物干濕度指數(shù)呈減少趨勢。在年際尺度上，華北地區(qū)植被NDVI與當(dāng)年的干燥度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與上一年的年平均氣溫呈顯著正相關(guān)，說明干旱的減緩和氣溫的升高對華北地區(qū)植被生長有直接的促進(jìn)作用。此外，華北地區(qū)植被NDVI與當(dāng)年不同氣候指標(biāo)的相關(guān)性存在很大的空間差異，內(nèi)蒙古境內(nèi)的草地植被NDVI與年均氣溫、年降水量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與干燥度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；農(nóng)田地區(qū)NDVI與年均氣溫顯著正相關(guān)；灌叢覆蓋地區(qū)NDVI與年均氣溫呈極顯著正相關(guān)；所有植被NDVI與生物熱量指數(shù)、生物干濕度指數(shù)相關(guān)性不明顯，但草地地區(qū)與生物熱量指數(shù)的相關(guān)度最高，而沙漠地區(qū)與生物干濕度的相關(guān)度最高。

圖3 1982-2006年華北地區(qū)NDVI與各氣候指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的空間分布

本研究中所采用的NDVI數(shù)據(jù)的空間分辨率為8 km，是從較大尺度上分析了華北地區(qū)植被變化與不同氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。實際上地表植被覆蓋變化不僅受氣候因子的影響，亦受人為活動制約。雖然在較大時空尺度上氣候變化可起主導(dǎo)作用，但是在特定地區(qū)和時期，社會和經(jīng)濟(jì)因素也常常具有決定性作用[18-20]。因此，在進(jìn)行華北地區(qū)植被變化與氣候指標(biāo)在特定區(qū)域和時期的相關(guān)關(guān)系研究時，還需要在更小的尺度上進(jìn)行調(diào)查研究，進(jìn)一步進(jìn)行驗證。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫紅雨,王長耀,牛錚,等.中國地表植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系:基于NOAA時間序列數(shù)據(jù)分析[J].遙感學(xué)報,1998,2(3):204-210.

[2]張新時.研究全球變化的植被—氣候分類系統(tǒng)[J].第四紀(jì)研究,1993,13(2):157-169.

[3]張學(xué)霞,葛全勝,鄭景云.近50年北京植被對全球變暖的響應(yīng)及其時效:基于遙感數(shù)據(jù)和物候資料的分析[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(2):123-130.

[4]Kawabata A, Ichii K, Yamaguchi Y. Global monitoring of the inter-annual changes in vegetation activities using NDVI and its relationships to temperature and precipitation [J]. International Journal of Remote Sensing, 2001,22(7):1377-1382.

[5]Friedl M A, Mclver D K, Hodges J C F, et al. Global land cover mapping from MODIS: Algorithms and early results [J]. Remote Sensing of Environment, 2002,83(1):287-302.

[6]郭鈮,王小平,蔡迪花,等.近20多年來西北綠洲植被指數(shù)的變化及其成因[J].干旱區(qū)研究,2010,27(1):75-82.

[7]Ichii K, Kawbata A, Yamaguchi Y. Global correlation analysis for NDVI and climatic variables and NDVI trends: 1982—1990 [J].International Journal Remote Sensing, 2002,23(18):3873-3878.

[8]Rasmusen M S. Developing simple, operational, consistent NDVI-Vegetation models by applying environmental and climatic information(Part II).Crop yield assessment[J]. International Journal of Remote Sensing, 1998,19(1):119-139.

[9]樸世龍,方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動態(tài)變化[J].第四紀(jì)研究,2001,21(4):294-302.

[10]趙茂盛,符淙斌,延曉冬,等.應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)研究中國植被生態(tài)系統(tǒng)與氣候的關(guān)系[J].地理學(xué)報,2001,56(3):287-296.

[11]倪健.KIRA指標(biāo)的拓展及其在中國植被與氣候關(guān)系研究中的應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1997,8(2):161-170.

[12]高大偉,張小偉,蔡菊珍.浙江省植被覆蓋時空動態(tài)及其與生態(tài)氣候指標(biāo)的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2010,21(6):1518-1522.

[13]孟猛,倪健,張治國.地理生態(tài)學(xué)的干燥度指數(shù)及其應(yīng)用評述[J].植物生態(tài)學(xué)報,2004,28(6):853-861.

[14]張遠(yuǎn)東,張笑鶴,劉世榮.西南地區(qū)不同植被類型歸一化植被指數(shù)與氣候因子的相關(guān)關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(2):323-330.

[15]徐文婷,吳炳方,顏長珍,等.用SPOT-VGT數(shù)據(jù)制作中國2000年度土地覆蓋數(shù)據(jù)[J].遙感學(xué)報,2005,9(2):204-214.

[16]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T20481—2006 氣象干旱等級[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:1-17.

[17]馬國明,王建,王雪梅.基于遙感的植被年際變化及其與氣候關(guān)系研究進(jìn)展[J].遙感學(xué)報,2006,10(3):421-431.

[18]楊建平,丁永康,陳仁升.長江黃河源區(qū)高寒植被變化的NDVI紀(jì)錄[J].地理學(xué)報,2005,60(3):467-478.

[19]付新峰,楊勝天,劉昌明.雅魯藏布江流域NDVI變化與主要氣候因子的關(guān)系[J].地理研究,2007,26(1):60-66.

[20]陳佑啟,Peter H V,徐斌.中國土地利用變化及其影響的空間建模分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2000,19(2):116-127.