山西省2003-2012年植被時(shí)空變化格局及對氣候因子的響應(yīng)

黨躍軍, 王禮霄, 嚴(yán)俊霞

(1.山西省水文水資源勘測局, 太原 030001； 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006)

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山西省2003-2012年植被時(shí)空變化格局及對氣候因子的響應(yīng)

黨躍軍1, 王禮霄2, 嚴(yán)俊霞2

(1.山西省水文水資源勘測局, 太原 030001； 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006)

利用2003—2012年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)、山西省17個(gè)氣象站逐日氣溫、降雨量資料和土地覆蓋數(shù)據(jù)，分析了山西省近10 a來NDVI的時(shí)空變化特征，及其對氣候因子的響應(yīng)。結(jié)果表明：近10 a月NDVI變化呈現(xiàn)單峰型；7—8月份的植被整體呈中度改善；各個(gè)行政區(qū)中臨汾、呂梁地區(qū)為明顯改善；太原、忻州、晉中為中度改善；朔州、運(yùn)城、長治、陽泉為輕度改善；大同與晉城地區(qū)基本不變；自然植被覆蓋類型方面，林地、灌叢、草地3種自然植被覆蓋類型都呈現(xiàn)改善趨勢，林地為輕度改善，灌叢與草地為中度改善；山西省東南部地區(qū)的NDVI普遍高于西北部地區(qū)，且西北部的植被增長狀況比東南部較好?；谠鲁叨鹊腘DVI與氣溫呈顯著正相關(guān)，而降雨量對NDVI變化存在一個(gè)閾值；基于年際尺度的NDVI與氣溫、降雨量的單變量相關(guān)不顯著；基于月尺度的NDVI與同期的氣溫和降雨量的復(fù)合相關(guān)模型優(yōu)于單變量相關(guān)模型。

山西; 歸一化植被指數(shù); 氣候因子; 相關(guān)分析

歸一化植被指數(shù)NDVI是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)，可以作為指示植物覆蓋程度的指標(biāo)。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，植物的覆蓋狀況可直接反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況[1]。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以其時(shí)間、空間連續(xù)性優(yōu)勢，可以為研究地表植被變化提供可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源[2]，特別是MODIS等提供的NDVI產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用到地表植被變化的研究中。

植被—?dú)夂蜿P(guān)系是全球變化研究中的重要組成，氣候及氣候變化是決定地表植被生存狀態(tài)和分布的重要因素[3]。因此，研究植被與氣候變化之間的相互聯(lián)系已經(jīng)成為研究全球變化的重要內(nèi)容[4]。目前對NDVI的研究表明：20世紀(jì)80年代以來，北半球中高緯地區(qū)的植被顯著增加[5]，在不同地區(qū)、不同時(shí)期NDVI的變化情況及其與氣候因子的關(guān)系有差異[6-12]。研究者對浙江省NDVI的研究表明，植被是氣候、地貌、土壤和人類活動(dòng)長期相互作用的結(jié)果，從與氣候要素年際變化來看，植被受濕潤指數(shù)的影響最為明顯，其次為降水、氣溫[13]；延安北部丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋狀況在持續(xù)轉(zhuǎn)好，年平均NDVI與年溫度相關(guān)不明顯，降雨量是引起NDVI年際波動(dòng)的影響因子之一[14]；黃土高原地區(qū)的植被指數(shù)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異，氣溫、降雨量是決定該地區(qū)植被生長的主要?dú)夂蛞蜃覽1]。山西省處于黃土高原地區(qū)的東部，武永利[15]等人用NASA /GIMMS的月植被指數(shù)對1982—2006年典型生態(tài)區(qū)的植被狀況與氣候響應(yīng)研究表明，山西植被指數(shù)呈上升趨勢，并存在明顯的年際變化，林區(qū)的NDVI與氣溫則有較一致的相關(guān)性。但是利用MODIS數(shù)據(jù)對山西省近年來的NDVI時(shí)空變化格局鮮有研究。本文基于2003—2012年衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)TERRA/MODIS的250 m分辨率16 d合成的NDVI數(shù)據(jù)、山西省17個(gè)氣象站逐日氣溫、降雨量和土地覆蓋數(shù)據(jù)，研究山西省近10 a來植被指數(shù)的時(shí)空變化特征，并以文峪河流域?yàn)槔治隽薔DVI與氣溫、降雨量的單變量簡單與復(fù)合變量相關(guān)，以期對山西省生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省地處我國第二級階梯黃土高原東翼，全省面積15.6萬km2。省境地形多樣，以山地、丘陵為主；西高東低，北高南低，呈階梯狀抬升。氣候?qū)儆谥袦貛Ъ撅L(fēng)氣侯，即溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬季長而寒冷干燥，夏季短而炎熱多雨，春季日溫差大，風(fēng)沙多，秋季短暫，氣候溫和。年平均氣溫3～14℃，晝夜溫差大，南北溫差也大。平均降雨量為400 mm到650 mm，但季節(jié)分布不均勻，夏季6—8月降雨量高度集中且多暴雨，降雨量約占全年的60%以上。植被指數(shù)對氣候因子響應(yīng)的研究選取文峪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，文峪河是汾河上游的一級支流，流域面積1 842.13 km2，流域的氣候?qū)偌撅L(fēng)控制下的暖溫帶大陸性山地氣候，年均溫4.2℃，平均年降雨量550 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

NDVI數(shù)據(jù)從美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站訂購(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)。該研究下載了2003—2012年的TERRA /MODIS全球250 m分辨率16 d合成產(chǎn)品(MOD13Q1)，利用HEG軟件重新投影為GeoTIFF格式，再用ArcGIS軟件對植被指數(shù)值提取。土地覆蓋類型數(shù)據(jù)使用的是中國科學(xué)院WESTDC 2.0土地利用產(chǎn)品。植被指數(shù)對氣候因子的響應(yīng)選取了文峪河流域?yàn)檠芯繉ο蟆庀髷?shù)據(jù)從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載，該研究下載了2003—2012年山西省17個(gè)氣象站點(diǎn)逐日的氣溫與降雨量數(shù)據(jù)，月均溫及月降雨量由17個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)通過插值方法，再用ArcGIS軟件裁剪、提取得到。

1.3 研究方法

基于WESTDC 2.0土地利用類型圖(2000年)、山西省行政區(qū)劃圖，分別提取不同地類，與對應(yīng)的NDVI圖層疊加，并利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)NDVI，對2003—2012年NDVI的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。利用變化斜率法[14]分析以年為時(shí)間尺度的植被變化趨勢，計(jì)算的斜率(公式1，變量i為研究時(shí)間段的年序號，NDVIi表示第i年的NDVI值)若為負(fù)值，表示其植被覆蓋呈減趨勢，相反斜率為正值，植被覆蓋呈增加趨勢。為了更好地評價(jià)NDVI在時(shí)間序列上的變化狀況，根據(jù)線性趨勢系數(shù)將NDVI變化分為7個(gè)等級[16]：嚴(yán)重退化(<-0.009 0)、中度退化(-0.004 5～-0.009 0)、輕微退化(-0.004 5～-0.000 9)、基本不變(-0.000 9～0.000 9)、輕微改善(0.000 9～0.004 5)、中度改善(0.004 5～0.009 0)、明顯改善(>0.009 0)。趨勢顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)，p<0.05為變化顯著。

(1)

式中：Slope——線性趨勢；NDVI——植被指數(shù)。

由于NDVI指示的是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度，因此研究NDVI對氣候的響應(yīng)應(yīng)該盡量避免人類活動(dòng)、或者其他非植被覆蓋地區(qū)的干擾，本研究選取了基本由植被覆蓋的文峪河流域來進(jìn)行NDVI對氣候因子的響應(yīng)研究。文峪河流域西倚呂梁山脈中段，地勢西北向東南傾斜，關(guān)帝山林區(qū)、龐泉溝自然保護(hù)區(qū)等都在流域內(nèi)。基于ArcGIS的插值功能，對氣溫用克里金插值法、對降雨量用反距離權(quán)重法(IDW)[17-18]進(jìn)行插值，通過對山西省17個(gè)氣象臺(tái)站插值得到所研究區(qū)域的氣溫、降雨量資料，利用SPSS軟件，通過Pearson相關(guān)分析及回歸分析方法研究氣溫、降雨量與NDVI的單變量相關(guān)以及復(fù)合變量相關(guān)，得出回歸方程，并進(jìn)行F檢驗(yàn)，試圖揭示導(dǎo)致NDVI變化的原因。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省植被指數(shù)的時(shí)空變化

2.1.1 山西省植被指數(shù)的時(shí)間變化 圖1為山西省2003—2012年的NDVI月變化圖，可以看出，近10 a山西省月均NDVI呈現(xiàn)單峰型，全年變化范圍在0.33～0.77之間，變異系數(shù)(CV)為0.34。NDVI從3月份以后開始增加，8月份達(dá)到極大值為0.77，9月份出現(xiàn)下降，1月份達(dá)到最低值附近。春季氣溫回升，作物開始生長，NDVI開始增長，但比較緩慢；秋季除了自然植被變化外，農(nóng)作物收割也是導(dǎo)致植被指數(shù)下降的因素之一。

圖1 山西省2003-2012年NDVI月變化

7月，8月為植被長勢最為良好的階段，因而選取2003—2012年7—8月的NDVI平均值作為指標(biāo)進(jìn)行分析。圖2為山西省2003—2012年NDVI年變化曲線，可以看出，山西省近10 a間NDVI線性趨勢系數(shù)為正，表明山西省整體植被呈改善趨勢。進(jìn)一步分析表明，NDVI與對應(yīng)年份的擬合效果較好(R2=0.588 9)，因此，山西省10 a植被中度改善(線性趨勢系數(shù)為0.005 4，介于0.004 5與0.009 0之間)，但是經(jīng)過F檢驗(yàn)，p=0.10，改善的趨勢不顯著。究其原因，有可能是由于時(shí)間序列較短造成的。

圖2 山西省2003-2012年NDVI年變化

表1為山西省2003—2012年各行政區(qū)的NDVI變化情況?？梢钥闯?，11個(gè)行政區(qū)的線性趨勢都為正值，表明各個(gè)行政區(qū)的植被在10 a間均有改善，其中臨汾、呂梁地區(qū)為明顯改善；太原、忻州、晉中為中度改善；朔州、運(yùn)城、長治、陽泉為輕度改善；大同與晉城地區(qū)基本不變。F檢驗(yàn)的結(jié)果表明，臨汾、呂梁、太原、忻州、晉中這五個(gè)地區(qū)NDVI的變化均達(dá)到了顯著。臨汾、呂梁地區(qū)10 a間增長率最大，分別達(dá)到了13.79%，13.17%?？傮w將分為顯著增加區(qū)與不顯著區(qū)，其中臨汾、呂梁、太原、忻州、晉中為顯著增加區(qū)。造成這種結(jié)果的原因可能是，山西省南部的植被覆蓋較北方要好，晉城、運(yùn)城兩個(gè)地區(qū)植被覆蓋基礎(chǔ)較好，改善空間也較小。在退耕還林、封山育林等政策下，植被覆蓋基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)改善效果比較明顯。

表1 山西省2003-2012年各行政區(qū)NDVI均值、線性趨勢系數(shù)和相關(guān)系數(shù)

**為0.01水平下極顯著。下表同。

表2為山西省2003—2012年自然植被覆蓋類型的NDVI變化情況?？梢钥闯觯轿魇?0 a間自然植被覆蓋類型的線性趨勢系數(shù)都為正，表明都呈現(xiàn)改善趨勢。林地為輕度改善，灌叢與草地為中度改善。F檢驗(yàn)的結(jié)果表明，灌叢與草地的NDVI變化達(dá)到了顯著水平。其中，林地NDVI的增長率為2.66%；灌叢NDVI的增長率為5.51%；草地NDVI的增長率達(dá)到了11.17%。造成這種差異可能是由于這自然植被自身的生長，喬木原本的NDVI就高，沒有灌木、草可恢復(fù)的空間大，既原有基數(shù)差異所致。

表2 山西省2003-2012年各自然植被NDVI均值、線性趨勢系數(shù)和相關(guān)系數(shù)

2.1.2 山西省植被指數(shù)的空間變化 圖3為2003—2012年山西省7月NDVI空間分布圖，可以看出，全省植被覆蓋狀況從西北向東南逐漸變好。進(jìn)一步分析表明，NDVI的分布呈現(xiàn)出晉城>長治>陽泉>晉中>臨汾>運(yùn)城>太原>忻州>呂梁>大同>朔州，位于東南部的晉城NDVI均值最高；位于西北部的朔州NDVI均值最低；位于北部的大同與朔州地區(qū)的NDVI與其他地區(qū)的差異較大。造成這種差異可能是多種因素共同作用的，譬如長治地區(qū)相對處于低緯度，水熱條件較好，運(yùn)城地區(qū)雖然同樣處于低緯度，但是盆地范圍較大，人口數(shù)量相對較大，導(dǎo)致其植被覆蓋狀況不太好。

圖4為2003—2012年NDVI的變化趨勢圖，植被覆蓋整體上以改善趨勢為主，NDVI增加區(qū)域遠(yuǎn)大于減少區(qū)域，其中明顯增加區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，如呂梁地區(qū)東部、太原市北部、忻州市南部、晉中市西北部，說明近年來封山育林、植樹造林、退耕還林等生態(tài)恢復(fù)措施取得了一定的成效。NDVI退化區(qū)域比較分散，主要分布在、人口密集、工業(yè)較多的建城區(qū)。總之，在植被覆蓋基礎(chǔ)薄弱、采取了生態(tài)恢復(fù)措施的地區(qū)，植被指數(shù)增加趨勢特別明顯；在一些植被覆蓋基礎(chǔ)較好的地區(qū)，植被指數(shù)變化不太明顯，如長治、晉城地區(qū)；而在人口密集、城市周邊城建地區(qū)植被指數(shù)有減小的趨勢。

圖3 山西省2003-2012年7月NDVI空間分布

圖4 山西省2003-2012年NDVI變化趨勢

2.2 山西省植被指數(shù)對氣候因子的響應(yīng)

2.2.1 山西省月均植被指數(shù)與同期氣溫、降雨量的單變量相關(guān)分析 本研究以文峪河流域?yàn)槔齺磉M(jìn)行NDVI對氣候因子的響應(yīng)研究。圖5為2003—2012年月均NDVI與同期月均溫和月降雨量的擬合曲線?？梢钥闯?，山西省10 a間月均NDVI與同期月均溫之間呈現(xiàn)正的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.900，達(dá)到極顯著水平(p<0.001)。月均降雨量和NDVI之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，降雨量對NDVI的作用存在一個(gè)閾值，當(dāng)降雨量<100 mm時(shí)，NDVI會(huì)隨降雨量的增加而增加；當(dāng)降雨量>80 mm時(shí)，NDVI不會(huì)隨著降雨量的增加而有明顯增加，維持在0.7～0.8之間的水平。

圖6為年際尺度的NDVI與氣溫、降雨量的變化曲線?？梢钥闯?，年平均降雨量的波動(dòng)與NDVI的波動(dòng)基本相吻合，但是年平均氣溫的波動(dòng)與NDVI的波動(dòng)相關(guān)程度不顯著。進(jìn)一步分析表明，年平均氣溫與年平均降雨量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.318，0.239，相關(guān)性均不顯著。

對2003—2012年的氣溫與降雨量做線性趨勢分析，均未通過置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，表明氣溫和降雨量10 a間均沒有顯著變化。因此，在年際尺度上，年平均氣溫、年平均降雨量對NDVI變化影響都不顯著，植被自身的生長規(guī)律，以及人類活動(dòng)(如植樹種草、放牧、伐樹等)可能是影響該地區(qū)NDVI變化的主要因素。

圖5 2003-2012年月均NDVI與月均溫、月均降雨量的回歸曲線

圖6 2003-2012年年均NDVI、年均溫、年均降雨量的年際變化曲線

2.2.2 山西省月均植被指數(shù)與同期氣溫、降雨量的復(fù)合變量相關(guān)分析 我們分別用兩種線性模型對NDVI與溫度和降雨量的復(fù)合關(guān)系進(jìn)行分析。表3為2003—2012年月均NDVI與同期月均溫和月降雨量的擬合曲線參數(shù)。可以看出，NDVI=0.011T+0.001P+0.362模型較兩個(gè)單變量方程相比，R2均得到了提高，可以解釋NDVI季節(jié)變化的85%。因此，雙變量的模型要優(yōu)于單變量模型，NDVI=0.011T+0.001P+0.362模型能夠較好地用氣溫和降雨量擬合NDVI。

表3 月均NDVI與月均氣溫、降雨量的回歸分析及各項(xiàng)參數(shù)

3 討 論

山西省10 a間整體植被狀況呈改善趨勢，植被覆蓋基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)改善效果較覆蓋基礎(chǔ)較好的地區(qū)空間大，效果明顯。但由于時(shí)間序列較短，部分類別的改善趨勢不顯著，這與相關(guān)研究[17]基本一致；由于地形、水熱條件以及非氣候因素的差異，植被覆蓋狀況從西北向東南逐漸變好，這與黃土高原整體的植被空間變化格局相關(guān)研究[1]結(jié)果一致。

植被的生長受氣候條件的制約，月尺度的NDVI與同期的氣溫呈顯著的正相關(guān)，降雨量對NDVI變化存在一個(gè)閾值，約在80 mm，這與馮妍等[19]的研究(降雨量對NDVI變化的閾值約在100 mm)基本一致；年際尺度的NDVI與同期的氣溫和降雨量的相關(guān)性都不顯著，10 a間氣溫和降雨量沒有顯著變化，但NDVI有顯著的增加趨勢，可以初步認(rèn)為非氣候因素是影響年際NDVI變化的主要原因，這與宋富強(qiáng)等[20]的研究結(jié)論一致。溫度和水分都是影響植物生長的生態(tài)因子，溫度與水分的相互作用使得研究NDVI與氣溫和降雨量的關(guān)系變得復(fù)雜化。NDVI與同期的氣溫和降雨量的復(fù)合模型優(yōu)于單變量模型，表明NDVI年內(nèi)月變化是氣溫與降雨量共同作用的結(jié)果，這與劉德義等[21]的研究(氣溫和降水是影響植被指數(shù)的兩個(gè)重要自然因素)結(jié)果一致。年際變化則非氣候變化引起,如植被自身的生長規(guī)律，以及如植樹種草、放牧、伐樹等人為因素。

盡管我們對植被指數(shù)與氣溫、降雨量的相關(guān)性進(jìn)行了研究，由于研究區(qū)域較小，還需要在更大范圍進(jìn)行分析。氣候變化是植被覆蓋時(shí)空變化的重要影響因素，但非氣候因素也不容忽視，在今后的研究中，應(yīng)該考慮在更大區(qū)域尺度上更多的因素對植被指數(shù)的聯(lián)合作用。

4 結(jié) 論

1) 近10 a山西省月均NDVI呈現(xiàn)單峰型；基于線性趨勢分析，山西省10 a間植被狀況呈改善趨勢，林地、灌叢、草地3種覆蓋類型均有所改善。

2) 結(jié)合GIS地統(tǒng)計(jì)方法可以得出，全省植被覆蓋狀況從西北向東南逐漸變好，位于東南部的晉城NDVI均值最高，位于西北部的朔州NDVI均值最低；植被覆蓋整體上以改善趨勢為主，NDVI增加區(qū)域遠(yuǎn)大于減少區(qū)域。其中明顯增加區(qū)域主要分布在中部地區(qū)，NDVI退化區(qū)域比較分散。

3) 基于回歸與相關(guān)分析，月尺度的NDVI與同期的氣溫呈現(xiàn)顯著地正相關(guān)，與同期降雨量呈現(xiàn)非線性相關(guān)，降雨量到達(dá)一定水平后，NDVI增加不明顯；NDVI與同期的氣溫和降雨量的復(fù)合模型優(yōu)于單變量模型。年平均氣溫、年平均降雨量對NDVI變化影響都不顯著，植被自身的生長規(guī)律，以及人類活動(dòng)(如植樹種草、放牧、伐樹等)可能是影響該地區(qū)NDVI變化的主要因素。

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Spatiotemporal Dynamics of Vegetation and Its Response to Climatic Factors in Shanxi Province from 2003 to 2012

DANG Yuejun1, WANG Lixiao2, YAN Junxia2

(1.ShanxiHydrographicandWaterResourcesSurveyBureau,Taiyuan030001,China;2.InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

Based on the normalized difference vegetation index(NDVI) data from moderate resolution imaging spectroradiometer(MODIS), the daily temperature and precipitation data from 17 meteorological stations, and the land cover data in the period from 2003 to 2012, this paper analyzed spatiotemporal variation patterns of the vegetation and their correlations with climatic factors in recent ten years in Shanxi Province. The results showed that the vegetation index of months indicated a single peak; in recent decade, the vegetation index of Shanxi Province indicated moderate improvement in July and August; the vegetation index improved in all regions, the obvious improvement was observed in Linfen and Lvliang, the moderate improvement was found in Taiyuan, Xinzhou and Jinzhong, and the slight improvement was found in Shuozhou, Yuncheng, Changzhi and Yangquan; with respect to different land cover types, the vegetation index showed moderate improvement in shrub land and grassland, but slight improvement was found in woodland；the values of NDVI in the southern and eastern regions were high, but low values were observed in the northern and western regions，and the improvement of NDVI in the northwest was better than the southeast. There is a significant positive linear correlation between the monthly average NDVI and the monthly mean temperature in the province. A threshold value of precipitation affecting NDVI existed, and NDVI did not increase significantly. There is a weak correlation between the NDVI and the interannual change of temperature and precipitation; the effect of univariate correlation models of monthly average NDVI and the monthly mean temperature/precipitation is better than the composite variables correlation models.

Shanxi Province; NDVI; climatic factors; correlation analysis

2014-04-15

2014-06-03

國家自然科學(xué)基金(41201374);山西省自然基金(2012011033-5)

黨躍軍(1964—),男,山西太原人,高級工程師,主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境遙感。E-mail:525079118@qq.com

嚴(yán)俊霞(1958—),女,山西洪洞人,講師,研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境遙感。E-mail:yjx422@sxu.edu.cn

Q141

1005-3409(2015)02-0235-06