山西省植被指數(shù)時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

李麗紅等

摘要：基于2001-2013年山西省中分辨率成像光譜儀（MODIS）植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD 13Q1）和氣象數(shù)據(jù)（氣溫、降水量），利用斜率分析法、相關(guān)系數(shù)分析法等方法，研究近13年來植被指數(shù)（增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI、歸一化植被指數(shù)NDVI）的時(shí)空變化特征，以及植被覆蓋變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)。結(jié)果表明，年際變化方面，整體EVI和NDVI年均值顯著增加，每個(gè)月均值也呈遞增趨勢(shì)，其中7月份的年際增長變化最為顯著（EVI、NDVI的線性增長率分別為0.003 8和0.005 7）；空間分布上，植被覆蓋較茂密的地區(qū)主要分布在山區(qū)一帶，植被稀疏區(qū)主要位于盆地附近；植被指數(shù)與年均降水量呈顯著正相關(guān)，與年均氣溫整體上呈負(fù)相關(guān)，顯著性并不明顯，表明植被覆蓋受降水變化影響較大，對(duì)其變化響應(yīng)較強(qiáng)，受溫度變化影響較小，呈弱響應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：山西??；植被指數(shù)EVI、NDVI；氣溫；降水量

中圖分類號(hào)：P461.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）17-4143-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.009

植被指數(shù)是描述植被數(shù)量、質(zhì)量、反映植物長勢(shì)和生物量等生長狀況的重要指標(biāo)[1，2]。植被指數(shù)不僅可以反映地表覆蓋及其變化狀況，而且可用于作物估產(chǎn)[3]、土地覆蓋分類[4]、土地災(zāi)情研究、植被生產(chǎn)力分析[5，6]及礦區(qū)植被變化影響[7，8]等，受到學(xué)者的關(guān)注。在眾多植被指數(shù)中，增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）是研究植被覆蓋及其變化方面應(yīng)用最多的植被指數(shù)。利用這兩種指數(shù)，學(xué)者們做了大量的研究。車良革等[9]基于NDVI像元二分模型，分析了南流江流域近19年來的植被覆蓋時(shí)空特征，并分析了地質(zhì)情況對(duì)植被覆蓋變化的影響；李建國等[10]基于NDVI數(shù)據(jù)研究了三峽庫重慶地區(qū)近10年來的植被生長狀況，并指出地形、坡度和地形起伏度是影響該地區(qū)植被變化的最主要因素；繆麗娟等[11]基于NDVI數(shù)據(jù)分析了蒙古國和內(nèi)蒙古地區(qū)的植被覆蓋情況，并進(jìn)一步分析降水和氣溫的變化趨勢(shì)及其與植被覆蓋變化的關(guān)系。已有研究表明，植被覆蓋變化與氣象因子之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[12-14]，但由于不同地區(qū)的植被覆蓋變化差異性較大、氣候變化程度也不盡相同，因此二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系亦有所不同。

本研究基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD 13Q1）影像數(shù)據(jù)，分析了2001-2013年間山西省植被指數(shù)月和年際間的變化情況，得到近13年來山西省植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化信息，同時(shí)對(duì)比分析了NDVI和EVI在表達(dá)植被覆蓋時(shí)空變化特征性能方面的差異；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合溫度、降水等氣候因子，分析了植被覆蓋變化與氣候變化之間的相關(guān)關(guān)系，為進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及全球變化研究奠定了基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

山西?。∟ 34°34′-40°43′，E 110°14′-114°33′），位于太行山以西、呂梁山以東、黃河中游東岸，全省輪廓略呈東北斜向西南的平行四邊形（圖1），總面積15.67萬km2。地貌種類較多，主要包括山區(qū)、丘陵、盆地和平原等，整體上呈現(xiàn)出東北高西南低的地勢(shì)。全省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，北部冬季寒冷干燥，南部夏季暖濕溫和，因此南北在氣候上差異顯著，晝夜溫差也較大。呈現(xiàn)出的總體氣候特征為春季氣候多變，風(fēng)沙較多；夏季炎熱，雨水集中；秋季短暫，天氣溫和；冬季寒冷干燥[15，16]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

研究數(shù)據(jù)（MODIS13Q1）來源于美國地質(zhì)勘探局（USGS）數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，是16 d合成的MODIS陸地2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分辨率為250 m，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括藍(lán)、綠、紅、近紅波段反射率影像、EVI影像和NDVI影像。整個(gè)山西省跨越了h26v04、h26v05和h27v04 3個(gè)軌道號(hào)，每年23景，共獲取2001年至2013年299景影像數(shù)據(jù)。

對(duì)獲取到的MODIS遙感數(shù)據(jù)做如下預(yù)處理。圖像拼接：基于地理坐標(biāo)，將山西省跨越的三幅圖像進(jìn)行拼接；投影轉(zhuǎn)換：MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)的Sinusoidal（正弦投影）投影轉(zhuǎn)換為研究所需的Albers投影（等積投影）；圖像裁剪：使用山西省行政邊界矢量圖對(duì)遙感圖像進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)數(shù)據(jù)。利用分層數(shù)據(jù)格式（HDF）對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除[17]。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，數(shù)據(jù)包括2001年至2013年的氣溫、降水量、平均氣溫距平、降水距平等內(nèi)容，全省覆蓋氣象站點(diǎn)共18個(gè)（圖1）。對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理、合并、剔除無效數(shù)據(jù)等處理。

2 方法與結(jié)果

2.1 植被指數(shù)的變化特征

2.1.1 植被指數(shù)的時(shí)間變化特征 對(duì)預(yù)處理后的MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和整理后，分別得到了2001-2013歷年的EVI和NDVI數(shù)據(jù)集。考慮到天氣狀況，為消除圖像中云和積雪覆蓋產(chǎn)生的影響，首先使用最大值合成算法，生成了每年12個(gè)月的月最大合成圖，然后再對(duì)每年12個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，得到EVI和NDVI年最大值合成圖。在此基礎(chǔ)上，首先統(tǒng)計(jì)了2001-2013年兩種植被指年最大合成圖的平均值并繪制了變化曲線（圖2）；其次，分別統(tǒng)計(jì)了這13年來每年12個(gè)月的EVI和NDVI年平均值數(shù)據(jù)并繪制出了它們的變化趨勢(shì)圖（圖3）。

為了定量的研究區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)的年際變化趨勢(shì)，采用斜率分析法，通過計(jì)算時(shí)間變量與對(duì)應(yīng)植被指數(shù)之間的斜率值，反映植被指數(shù)的變化情況。根據(jù)斜率取值范圍的不同，可以對(duì)植被指數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行不同程度的劃分，根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[2]中的等級(jí)分類和結(jié)合本研究結(jié)果，將其劃分為以下幾個(gè)等級(jí)：-0.006 5

由圖2可知，EVI和NDVI在2001-2013年間總體呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，其NDVI線性斜率為0.004 1，屬于顯著增加，年際相關(guān)系數(shù)為0.684 1；EVI線性斜率雖略低于NDVI（0.002 6），但也屬于中度增加趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)0.516 8。

由于山西省大部分地區(qū)主要是以農(nóng)業(yè)為主，且農(nóng)作物以一年一季為主，因此其植被指數(shù)變化顯示出明顯的作物生長季相特征。通過分析圖3可以得到全省植被覆蓋的季節(jié)性變化特征為：在1、2月以及12月期間屬于冬季，除了種植冬小麥之外田地里基本上無其他植被，大部分為裸地，因此植被指數(shù)值最低；從3月開始進(jìn)入播種期，田地里開始出苗，綠色植被覆蓋率開始升高，植被指數(shù)也均開始增長；7、8月進(jìn)入夏季，農(nóng)產(chǎn)品也進(jìn)入了生長旺盛期，各種類型的作物，比如最主要的兩種作物玉米和大豆都基本達(dá)到生長中最旺盛的時(shí)期，以及其他的一些灌木林也是枝葉茂密，因此兩種植被指數(shù)達(dá)到最大值；在之后的9、10月，隨著作物進(jìn)入成熟期，開始收割，直接導(dǎo)致了植被指數(shù)值的下降，最后在11月以后又進(jìn)入冬季裸地狀態(tài)。

結(jié)合圖2和圖3可知，除EVI和NDVI的全年植被覆蓋變化趨勢(shì)一致之外，同期NDVI值整體高于EVI值，這與兩種植被指數(shù)的構(gòu)造有關(guān)。這也與王正興等[18]的研究結(jié)果是一致的。

此外，表1也充分反映了植被指數(shù)的季節(jié)性變化特征。從表1可以看出，從1月到12月基本上是由基本不變到輕度增加到中度、顯著增加后再到輕度增加到基本不變的趨勢(shì)變化。其中5月到9月的增長較為顯著，而這與農(nóng)作物的生長季也是相一致的；7月的EVI和NDVI增加最為顯著，線性斜率分別為0.003 80和0.005 7。

2.1.2 植被指數(shù)的空間變化特征 為了分析植被覆蓋變化特征，基于2001-2013年EVI和NDVI年最大合成數(shù)據(jù)，按照植被生長不同階段的閾值對(duì)其進(jìn)行了密度分割，得到近13年的年均EVI和NDVI密度分割影像（圖4）。全省植被覆蓋狀況較好的區(qū)域主要是位于北部大同以南的恒山、五臺(tái)山，中西部的呂梁山、云中山、五麓山以及南部的中條山和東南部的太行山一代；植被覆蓋狀況相對(duì)較差的區(qū)域主要是位于北部的大同盆地、忻定盆地，中部的太原盆地，東部的長治盆地等地區(qū)。而且，通過對(duì)比可知，NDVI的變化特征較EVI更為明顯，這表明在植被覆蓋的空間差異性表達(dá)方面，NDVI具有明顯優(yōu)勢(shì)。

為了研究該區(qū)域植被覆蓋在空間分布上的變化情況，在2001-2013年的EVI和NDVI年最大合成影像中采集了以氣象站點(diǎn)為中心周圍的3×3的EVI和NDVI值，以9個(gè)值的平均值作為該氣象站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)值，并利用相關(guān)系數(shù)分析法，計(jì)算了每個(gè)站點(diǎn)植被指數(shù)序列值與年份時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)，最后利用ArcGIS空間插值的方法生成了植被指數(shù)的空間年際變化分布圖（圖5）。綠色部分的相關(guān)系數(shù)為正數(shù)，代表植被覆蓋增加的區(qū)域；紅色部分代表植被覆蓋減少的區(qū)域。從圖5可以看出，植被覆蓋增加區(qū)域主要分布在西部、南部的一些山區(qū)地帶，這些地區(qū)是以落葉闊葉林和次生落葉灌叢為主的夏綠闊葉林或針葉闊葉混交林分布區(qū)，植被類型較多；而植被覆蓋減少區(qū)域主要位于太原、大同、運(yùn)城附近，這些地區(qū)是溫帶灌草叢和半干旱草原分布區(qū)，森林植被較少，優(yōu)勢(shì)植物是長芒草、旱生蒿類和檸條、沙棘等，且太原作為省會(huì)城市是工業(yè)化、城市化最多的城市，植被覆蓋也會(huì)相應(yīng)減少。這一結(jié)果說明植被覆蓋的變化主要與該地區(qū)的植被覆蓋類型和氣象有關(guān)，因此很有必要研究植被指數(shù)與氣象因子之間的關(guān)系。

2.2 氣溫和降水的空間分布及其變化

基于2001-2010年全省18個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，在ArcGIS環(huán)境中采用克里金空間插值模型[19]得到全省的年均氣溫、年均降水量插值數(shù)據(jù)的空間分布圖（圖6）。山西省的年均氣溫呈現(xiàn)出南高北低的空間分布趨勢(shì)，由南向北逐漸遞減，這與山西北高南低的地勢(shì)相一致，近10年的年均氣溫為9.82 ℃，年均氣溫最高的站點(diǎn)是南部的臨汾（14.46 ℃），年均氣溫最低的站點(diǎn)為五臺(tái)山（2.05 ℃）。山西的年均降水量呈現(xiàn)出東南高西北低的空間分布格局，近10年的年均降水量為476.72 mm，年均降水量最高的站點(diǎn)為五臺(tái)山（622.67 mm），年均降水量最低的站點(diǎn)是北部的大同（360.70 mm），這與山西的溫帶大陸性季風(fēng)氣候有關(guān)。

圖7為2001-2010年10年的全省年均氣溫距平和降水量距平的年際變化趨勢(shì)。由圖7可知，近10年來全省的年均降水量呈上升狀態(tài)，近10年上升了1.75 mm，其中2003年的變化差異最為明顯；而年均氣溫呈現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)，10年下降了1.64 ℃，整體上變化不大，差異也不顯著。

2.3 植被指數(shù)與氣象因子的關(guān)系

本研究通過統(tǒng)計(jì)山西省近10年以來的年均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，分析其在年尺度上與植被指數(shù)EVI和NDVI的關(guān)系。表2是利用相關(guān)系數(shù)分析法計(jì)算出的EVI和NDVI分別對(duì)氣溫和降水量的相關(guān)系數(shù)。從表2中可以看出，植被指數(shù)與年均降水量整體上呈正相關(guān)狀態(tài)，且相關(guān)性較明顯，其中東南部的幾個(gè)站點(diǎn)與降水量呈現(xiàn)為高度相關(guān)（如五臺(tái)山、陽城、侯馬），其中最顯著的是陽城，年均降水與NDVI和EVI的相關(guān)系數(shù)分別為0.540和0.867；植被指數(shù)與年均氣溫整體表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，其中最顯著的為陽城，年均氣溫與NDVI和EVI的相關(guān)系數(shù)分別為-0.541和-0.619。西北部的幾個(gè)站點(diǎn)相關(guān)性較差（如右玉、大同、河曲），其中最差的是大同，與NDVI和EVI的相關(guān)系數(shù)分別為-0.096和-0.087。同時(shí)從圖7中可以看出，2003年的年均降水距平變化顯著，而年均氣溫變化不明顯，但是在圖2中的植被指數(shù)年際變化趨勢(shì)中容易發(fā)現(xiàn)，2003年的NDVI和EVI值都呈現(xiàn)出了明顯的遞增趨勢(shì)，這一點(diǎn)說明了植被指數(shù)對(duì)年均降水比年均氣溫要敏感的多。

3 結(jié)論

本研究基于山西省2001-2013年MODIS數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成年、月最大值EVI和NDVI影像，并通過空間插值得到氣溫和降水空間分布，在此基礎(chǔ)上分析了近13年來植被指數(shù)在時(shí)間、空間上的變化特征，以及植被指數(shù)與氣象因子之間的相關(guān)性，得到以下主要結(jié)論：

（1）在時(shí)間上，近13年來的植被指數(shù)均呈現(xiàn)出了增加的趨勢(shì)，其中NDVI的線性斜率為0.004 1，屬于顯著增加，EVI線性斜率為0.002 6，屬于中度增加；縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，不同年份的對(duì)應(yīng)月份也為遞增趨勢(shì)，其中7月份增加最為顯著，EVI、NDVI的線性斜率分別達(dá)到0.003 8和0.005 7。

（2）在空間上，植被指數(shù)很好的反映了地表植被覆蓋的空間差異性，植被覆蓋較濃密的位于北部大同以南的恒山、五臺(tái)山，中西部的呂梁山等一帶，相對(duì)植被覆蓋較稀疏的主要位于山西境內(nèi)的盆地附近一代。植被覆蓋變化與該地區(qū)的植被覆蓋類型、城市化工業(yè)化程度及其氣候有關(guān)。

（3）同期NDVI和EVI比較發(fā)現(xiàn)，無論是在時(shí)間上還是空間上，NDVI的值總是高于EVI值，這符合二者的構(gòu)造特征，說明在植被空間差異性表達(dá)方面，NDVI的性能要優(yōu)于EVI。

（4）全省植被指數(shù)與年均降水均呈正相關(guān)，其中相關(guān)性最為顯著的是陽城，年均降水與NDVI和EVI的相關(guān)系數(shù)分別為0.540和0.867；植被指數(shù)與年均氣溫呈負(fù)相關(guān)，最顯著的為陽城（與NDVI -0.541，與EVI-0.619）。這與山西省這些年的植被指數(shù)、氣溫、降水的年際變化趨勢(shì)相吻合。說明植被覆蓋受降水變化影響就大，對(duì)其變化響應(yīng)較強(qiáng)，受溫度變化影響較小，呈弱響應(yīng)關(guān)系。

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