河北省植被覆蓋對氣候變化的響應

安曉丹， 朱 驥， 劉學鋒*， 齊永青

(1.長江大學，湖北武漢 430100；2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊 050031；3.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，河北石家莊 050022)

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河北省植被覆蓋對氣候變化的響應

安曉丹1， 朱 驥2， 劉學鋒1*， 齊永青3

(1.長江大學，湖北武漢 430100；2.石家莊經(jīng)濟學院，河北石家莊 050031；3.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，河北石家莊 050022)

氣候變化對地理環(huán)境具有驅(qū)動性，能夠決定植被分布；而植被分布等變化會導致水熱量循環(huán)改變，反過來影響氣候[1]。因此，研究植被的動態(tài)變化以及分析植被與氣候變化關(guān)系等具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。植被指數(shù)(Vegetation index，VI)是通過探測衛(wèi)星不同波段的數(shù)據(jù)而獲得的，能作為代表植被生長好壞的數(shù)據(jù)。植被信息可以大范圍地從遙感影像中獲取，對植被的研究主要是通過不同組合的波段信息，這些波段所擁有的植被信息可以高達90%以上。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)能夠代表植被生成和營養(yǎng)狀況，是通過計算衛(wèi)星遙感中2個波段反射率而得。氣候變化對植被覆蓋的變化具有深遠影響[3-4]，而氣溫和降水量則是植被覆蓋最為敏感的2個氣候要素[5]。

近半個世紀以來，有關(guān)植被覆蓋與氣候變化的關(guān)系，國內(nèi)已有大量研究。武永利等[6]通過研究1982～2006年山西省植被覆蓋對氣候變化的響應，發(fā)現(xiàn)降水量的累計效應對植被NDVI指數(shù)變化最敏感。陳京華等[7]利用多種方法分析了祁連山地區(qū)的植被覆蓋特征，發(fā)現(xiàn)祁連山地區(qū)的植被指數(shù)變化的主導因素為氣溫和降水量。筆者對河北省NDVI變化及其與主要氣候因子的關(guān)系作了較深入分析，得到河北省植被覆蓋的變化趨勢及時空分布特征，并且分析河北省植被覆蓋與氣候變化響應的關(guān)系以及在季節(jié)上植被覆蓋和氣候的關(guān)系。這在一定程度上豐富和補充了河北省植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系方面的研究工作，可為河北省生態(tài)環(huán)境變化的評估和生態(tài)治理工作提供科學依據(jù)，為河北省現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方案的論證提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況河北省是華北地區(qū)的腹地，外包京、津兩市，自古就是京畿要地。該地區(qū)地處36°5′～42°37′N，113°11′～119°45′E。氣候特點是，春季干旱多風沙，夏季高溫多雨，秋高氣爽，冬季低溫少雪。全省年平均氣溫為4～13 ℃，各地區(qū)地勢不一，溫度差異較大。河北省年均降水量在400～800 mm，年變率很大，分布也很不均勻。太行山東側(cè)迎風坡和燕山南麓是河北省的2個降水頻繁區(qū)，而張北高原由于地理位置在內(nèi)陸，降水量一般低于400 mm，降水稀少。春旱、夏澇對農(nóng)作物的生長有害。

1.2數(shù)據(jù)源

1.2.1植被數(shù)據(jù)。所采用的植被數(shù)據(jù)是AVHRR (Advanced Very high resolution radiometer)反演的月平均歸一化植被指數(shù)，由美國NOAA/NASA探險者AVHRR中心(Pathfinder AVHRR Land, PAL)提供。該數(shù)據(jù)將全球劃分為5 004×2 168個矩形單元，其空間分辨率為8 km ×8 km(5’×5’) 。時間跨度為1982～2000年，其中1994年9～12月的數(shù)據(jù)缺失。該研究利用1993年和1995年NDVI與其相對應月份的平均值來替代，并且利用其他月份的值進行校正。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)。所有的氣象數(shù)據(jù)為1982～2000年河北省19個氣象站點的日平均氣溫和日降水量資料。河北省氣象站點的分布見圖1。該數(shù)據(jù)由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)中的中國地面氣候資料數(shù)據(jù)集所提供。

圖1　河北省氣象站點分布圖Fig.1　Hebei Province spatial distribution of meteorological stations

1.3處理方法對于植被數(shù)據(jù)，運用最大合成法MVC(Maximum value composites)進行處理。具體操作為通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取每個像元每旬的NDVI值，每個像元中最大的旬值作為該月的像元值，同樣通過計算得到最大年值、春季、夏季、秋季的NDVI值，作為年均NDVI值和3季的NDVI值。該方法的優(yōu)點是能夠消除云、大氣、太陽高度角等所引起的部分干擾[8]。因冬季寒冷，華北地區(qū)的植被生長處于休眠狀態(tài)，所以只對春季、夏季和秋季植被特征進行研究[9]。對于植被與氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系分析，該研究采用簡單的相關(guān)分析法和偏相關(guān)分析法兩種方法。

簡單相關(guān)分析法主要應用一元線性回歸法對1982～2000年的年均NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)(溫度和降水)進行處理，分析植被隨時間的變化情況。采用最小二乘法，計算線性傾向率(m)。

(1)

偏相關(guān)分析法主要揭示的是在剔除2個變量共同相關(guān)的1個變量后得到的2個變量單獨的相關(guān)性[10]。

(2)

式中，rij.k為第k個變量固定時，第i個變量和第j個變量的偏相關(guān)系數(shù)；rij、rik、rjk表示2個變量之間的簡單相關(guān)系數(shù)。該研究涉及到的3個變量分別是植被覆蓋的NDVI值、氣溫和降水量。

2結(jié)果與分析

2.1植被覆蓋變化特征

2.1.1時間分布特征。為了分析近19a的河北省植被指數(shù)年際間的變化情況，對1982～2000年NOAA/AVHRR的植被NDVI數(shù)據(jù)進行最大值合成法和統(tǒng)計計算，得到河北省植被NDVI值的年際變化曲線。從圖2可以看出，研究區(qū)年平均NDVI值在0.55～0.70之間波動，植被指數(shù)整體呈增長的狀況，年平均NDVI值的線性傾向率為0.002 8。其中，植被生長茂盛的年份出現(xiàn)在1984、1988、1990、1994和1998年，且在1994年達到0.69；1983年NDVI值為0.56,植被覆蓋較差。

圖2　1982～2000年河北省平均NDVI值的年際變化Fig.2　Annual variations of average NDVI of Hebei Province from 1982 to 2000

2.1.2空間分布特征。從圖3可以看出，19a來研究區(qū)北部和東北部植被NDVI值高，植被覆蓋良好，而低值區(qū)域主要分布在西部，中部植被覆蓋適中。植被覆蓋較好的地區(qū)主要分布在秦皇島、唐山、承德和張家口東部的部分地區(qū)，在淶水、淶源、涿鹿、蔚縣的交界處也有少量分布，而張家口西北部、滄州和石家莊北部為植被覆蓋稀少區(qū)域。

圖3　1982～2000年河北省年均NDVI分布Fig.3　The spatial distribution of annual average NDVI of Hebei Province from 1982 to 2000

2.1.3季節(jié)分布特征。季節(jié)NDVI值可以反映各季節(jié)植被的生長變化。從圖4可以看出，春季NDVI值最小，在0.30～0.55間浮動，季節(jié)植被指數(shù)呈增長狀況，并且NDVI值的線性傾向率為0.007 3/a，增長趨勢在3個季節(jié)中最大，1998年達到春季植被指數(shù)的峰值(0.52)。夏季NDVI值最大，分布于0.55～0.70之間，季節(jié)植被指數(shù)有增長趨勢，其線性傾向率為0.002 4/a，增長狀況在3個季節(jié)中較弱，峰值出現(xiàn)在1994年。秋季植被指數(shù)值居中，處于0.45～0.65之間，仍是增長狀況， NDVI值的線性傾向率為0.002 3/a，增長狀況在3個季節(jié)中最慢，1994年達到秋季植被NDVI的峰值。從3個季節(jié)與年均NDVI的相關(guān)程度來看，以夏季最大，達到0.990，且通過0.01水平的顯著性檢驗，春秋兩季的相關(guān)性分別為0.591和0.818，也都通過0.01水平的顯著性檢驗。夏季植被覆蓋的大小在很大層面上決定了全年植被覆蓋的大小。

圖4　1982～2000年平均季節(jié)NDVI值Fig.4　Chart of mean seasonal NDVI from 1982 to 2000

2.2河北省氣溫、降水量特征

圖5　1982～2000年河北省年均降水量和氣溫變化Fig.5　Variations of mean temperature and precipitation of Hebei Province from 1982 to 2000

2.2.1年均氣溫與降水量的變化。從圖5可知，河北省近19a來溫度整體呈增加狀況，增長速率為0.068 2 ℃/a，其中以1998年年均溫度最高，達到11.9 ℃，1984年年均溫度最低，為9.5 ℃；而降水量則呈現(xiàn)下降的趨勢，下降的速率為2.906 6 mm/a，降水量最高的年份出現(xiàn)在1987年，其次為1995年，分別為742.3和673.2 mm。氣溫與降水量之間整體上呈現(xiàn)相反的趨勢，即在雨量豐沛的年份氣溫偏低，而在溫度較高的年份降水量偏低。

2.2.2季節(jié)氣溫與降水量的變化。從圖6、7可以看出，河北省春、夏、秋季氣溫與降水量具有不同的變化趨勢。在氣溫方面，整體上變化幅度不大，以增長趨勢為主，變化最大的為夏季，變化率為0.065 7 ℃/a。與年均氣溫相比，各個季節(jié)都與年均氣溫具有0.05水平顯著的相關(guān)關(guān)系，以春季的相關(guān)性最大。在降水量方面，整體變化幅度比較大，變化形式表現(xiàn)出秋季為增長型，而春夏兩季為減少型。與年均降水量相比，各個季節(jié)的降水量只有春夏兩季與年降水量有較大的顯著相關(guān)性?？傮w來說，1982～2000年河北省春季和夏季均為氣溫的增加和降水量的減少，秋季表現(xiàn)為氣溫的增加和降水量的增多，其中夏季氣候暖干化趨勢明顯。

圖7　1982～2000年春季、夏季、秋季的平均氣溫變化Fig.7　Variations of average temperature in spring, summer and autumn from 1982 to 2000

2.3植被NDVI與氣溫、降水量變化的關(guān)系

2.3.1氣候要素年際變化對植被的影響。從圖8、9可以看出，NDVI的年際變化與氣溫的年際變化呈現(xiàn)出一定的相似性，其中大部分年份呈現(xiàn)出兩者增減步調(diào)的一致性，但個別年份如1983、1984、1990年植被與氣溫呈現(xiàn)相反的變化。這不僅表明植被NDVI對氣溫變化的關(guān)系，而且顯示氣溫不是改變植被覆蓋的唯一因素。從表面觀察不能科學地確定它們之間的關(guān)系，下面對NDVI與氣溫、降水量的關(guān)系做相關(guān)分析和偏相關(guān)分析，以科學地確定它們之間的關(guān)系。

圖8　1982～2000年河北省植被NDVI與氣溫的年際變化Fig.8　Annual variations of vegetation NDVI and temperature of Hebei Province from 1982 to 2000

圖9　1982～2000年河北省植被NDVI與降水量的年際變化Fig.9　Annual variations of vegetation NDVI and precipitation of Hebei Province from 1982 to 2000

對1982～2000年年均植被覆蓋與年均氣候要素做相關(guān)程度分析，發(fā)現(xiàn)在年平均上，無論是簡單的相關(guān)分析還是偏相關(guān)分析，NDVI與氣溫、降水量均呈正相關(guān)。在簡單相關(guān)分析中，NDVI與氣溫Pearson的相關(guān)系數(shù)為0.459，并且通過0.05水平的顯著性檢驗，但相關(guān)程度不高，NDVI和降水量Pearson相關(guān)系數(shù)僅為0.268。在偏相關(guān)分析中，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)達到0.566，并且通過0.05水平的顯著性檢驗，而降水量與NDVI偏相關(guān)系數(shù)為0.448，沒有達到顯著性檢驗。這說明近19a來河北省植被覆蓋和氣溫的關(guān)系較大。

2.3.2氣候要素季節(jié)變化對植被的影響。將春、夏、秋三季植被NDVI與該季氣溫和降水量間的關(guān)系分別進行簡單相關(guān)分析和偏相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在不同時期植被對氣候因子變化的響應不同。在春季，植被變化與氣溫的關(guān)系要明顯高于降水量。這無論是在簡單相關(guān)分析中還是在偏相關(guān)分析中都得到了驗證，但都未達到顯著性水平。在夏季，氣溫對植被的影響顯然已不是主導因素，降水量對植被的影響作用最大，且夏季植被覆蓋變化與降水量的偏相關(guān)系數(shù)達0.519，通過0.05水平的顯著性檢驗。這說明夏季河北省降水量的高低決定了植被的覆蓋變化。在秋季，植被覆蓋變化和氣溫的相關(guān)程度比降水量大，但相關(guān)程度不是很高?？傮w來看，在春、夏、秋三季河北省植被生長對氣溫和降水量的需求不同，其中春、秋兩季植被生長和氣溫的相關(guān)程度較大，夏季植被和降水量的相關(guān)性較大。此結(jié)果與孫艷玲等[9]對華北地區(qū)植被覆蓋與氣候變化響應的研究具有一致性。

3結(jié)論

根據(jù)1982～2000年AVHRR 8 km的NDVI數(shù)據(jù)和河北省19個氣象站點的氣溫、降水量數(shù)據(jù)，從年平均尺度和季節(jié)平均尺度兩個方面分別研究了河北省植被覆蓋特征、氣象特征以及植被覆蓋變化對氣候變化的響應，得出如下結(jié)論：

(1)從年平均變化方面來看，河北省植被覆蓋年最大NDVI值總體上為增長型；植被覆蓋較好地區(qū)主要在秦皇島、唐山和承德地區(qū)。從季節(jié)平均變化方面來看，河北省的年際植被覆蓋在很大程度上取決于夏季的植被覆蓋，二者之間的相關(guān)程度最大。

(2)從年平均變化方面來看，河北省年均氣溫為增長型，年均降水量呈下降型。從季節(jié)平均變化方面來看，春夏氣溫增加，降水量減少，秋季氣溫增加，降水量增加，夏季的干熱化明顯。

(3)從年平均變化方面來看，植被生長與氣溫具有顯著的關(guān)系，與降水量間關(guān)系不顯著。從季節(jié)平均變化方面來看，春秋兩季植被生長與氣溫變化的相關(guān)程度高，夏季植被生長與降水量的相關(guān)性高。

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摘要[目的] 研究河北地區(qū)植被覆蓋變化與氣候變化的關(guān)系。[方法] 利用1982～2000年NOAA 歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，結(jié)合19個氣象站點的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，采用最大值合成法、相關(guān)分析法以及偏相關(guān)分析法，分別從年平均和季節(jié)平均變化方面分析河北省植被覆蓋變化與氣候變化的相互關(guān)系。[結(jié)果] 在年平均上，河北省植被覆蓋與氣溫的變化關(guān)系大于植被覆蓋與降水量的變化關(guān)系；在季節(jié)平均上，在研究區(qū)春、夏、秋季植被生長對氣溫和降水量的需求不同，春秋兩季氣溫對植被生長有較為密切的關(guān)系，而夏季降水量則是植被生長更為重要的因子。[結(jié)論] 除夏季外，河北省植被覆蓋對氣溫變化的響應較為明顯。

關(guān)鍵詞植被覆蓋；氣候變化；NDVI；河北省

Vegetation Change and Its Response to Climate in Hebei Province

AN Xiao-dan1, ZHU Ji2, LIU Xue-feng1*et al (1.Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100; 2. Shijiazhuang University of Economic, Shijiazhuang, Hebei 050031; 3.Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050022)

Abstract[Objective] The research aimed to reveal the relationship between the vegetation change and the climate change in Hebei Province. [Method] We used the NDVI data of 1982-2000 NOAA combined with air temperature and precipitation data of 19 meteorological stations in the area. And we adopted the maximum synthesis, correlation analysis and partial correlation analysis to study the vegetation change and its relationship with climate change from two time scales (inter annual and seasonal variation). [Result] From the view of the inter-annual change, the relationship of vegetation change and temperature change was more close than precipitation in Hebei. From the view of seasonal variation, the vegetation growth in the research area was different in response to the changes in different seasons of different hydrothermal conditions. Vegetation growth was in relation to air temperature in spring and autumn, and the growth of vegetation was affected by precipitation in summer. [Conclusion] The response of vegetation cover to temperature change is more obvious than precipitation in addition to the summer in Hebei Province.

Key wordsVegetation cover; Climate change; NDVI; Hebei Province

收稿日期2015-11-30

作者簡介安曉丹(1989- )，女，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：植被、大氣遙感等。 * 通訊作者，教授，從事空間信息處理、地學三維建模與可視化、遙感及地理信息系統(tǒng)應用方面的研究。

基金項目國家自然科學基金項目(410011060)。

中圖分類號S 127

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-057-04