汾河流域2001—2013年植被覆蓋時空變化及其對氣候因子的響應

王宇琛，李松鳴，王 霄，王汀沃，李洪建

（1.山西大學環(huán)境與資源學院，山西太原030006；2.山西大學黃土高原研究所，山西太原030006）

汾河流域2001—2013年植被覆蓋時空變化及其對氣候因子的響應

王宇琛1，李松鳴1，王 霄1，王汀沃1，李洪建2

（1.山西大學環(huán)境與資源學院，山西太原030006；2.山西大學黃土高原研究所，山西太原030006）

利用2001—2013年汾河流域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)歸一化植被指數(shù)（NDVI）、地表溫度（LST）和降水實測資料，分析了汾河流域及其上、中、下游近13 a來NDVI的時空變化特征及其對氣候因子的響應。結果表明，近13 a汾河流域月NDVI變化呈現(xiàn)單峰型；整個流域及上、中、下游的植被覆蓋率均有所提高；植被覆蓋狀況由西北向東南逐漸變好；基于月尺度的NDVI與LST呈顯著正相關，而降水量與NDVI的相關關系為拋物線型；基于月尺度的NDVI與同期的LST和降水量的復合相關模型優(yōu)于單變量相關模型，復合相關模型為：NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222；基于年際尺度的NDVI與LST的單變量相關不顯著，而NDVI與降水量的單變量相關性顯著；NDVI的赫斯特指數(shù)表明，汾河流域的植被覆蓋狀況將持續(xù)改善。

汾河流域；歸一化植被指數(shù)；氣候因子；相關分析

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可直接表征某地區(qū)的植被覆蓋狀況，它和植物的蒸騰作用、太陽光的截取、光合作用以及地表凈初級生產(chǎn)力等密切相關[1]。植被—氣候關系是全球變化研究中的重要組成，氣候是決定地表植被分布狀況的重要因素[2]。

植被覆蓋狀況可以表征一個地區(qū)的生態(tài)環(huán)境情況，研究一個地區(qū)的NDVI對掌握該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義[3]。目前對NDVI的研究表明，20世紀80年代以來，北半球中高緯地區(qū)的植被顯著增加[4]，在不同地區(qū)、不同時期NDVI的變化情況及其與氣候因子的關系有差異[5-10]。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，溫度、降水量是決定該地區(qū)植被生長的主要氣候因子[1]。1981—2001年間西北干旱區(qū)年際最大的NDVI變化與氣候變化具有明顯的相關性，尤其是對新疆的南、北疆來說，NDVI與年降水量的相關程度要優(yōu)于與年均溫的相關程度[11]。氣溫和降水對于流域植被的覆蓋狀況有著重要的影響，而且降水對植被的空間分布影響更為顯著[10]。

寧夏春夏季降水量對植被覆蓋度的作用較大，氣溫對植被覆蓋度的作用較小[12]。武永利等[13]用NASA/GIMMS的月植被指數(shù)研究了1982—2006年山西省典型生態(tài)區(qū)的植被覆蓋狀況對氣候的響應，結果表明，山西植被指數(shù)呈上升趨勢，并存在明顯的年際變化。1999年以來，延安北部歸一化植被指數(shù)NDVI整體上呈上升趨勢，除與降水增多有關外，非氣候因素中生態(tài)保護和環(huán)境建設等人為措施，如植樹造林、封山禁牧等封育措施是導致植被顯著增加的重要原因[14-15]。植被指數(shù)的月變化在作物種植區(qū)呈現(xiàn)雙峰型，而其他覆蓋類型呈現(xiàn)單峰型。安徽省月均NDVI與月均溫呈顯著正相關，而與月降水量呈非線性正相關，其中對NDVI的作用存在一個極限值。另外，NDVI與溫度、降水量的年際關系均呈現(xiàn)弱正相關[16]。但是利用MODIS數(shù)據(jù)對山西省汾河流域近年來的NDVI時空變化格局鮮有研究。

筆者基于2001—2013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)、地表溫度（LST）和汾河流域的降水實測資料，研究山西省汾河流域近13 a來植被指數(shù)的時空變化特征，以及NDVI與LST、降雨量的單變量與復合變量的相關關系，以期對山西省汾河流域生態(tài)環(huán)境恢復建設提供數(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

汾河全長694 km，流域面積39 471 km2，占全省國土面積的25.3%，位于山西省的中部和西南部。汾河流域地處中緯度大陸性季風帶，屬溫帶大陸性季風氣候，為半干旱、半濕潤型氣候過渡區(qū)，四季變化明顯。雨熱同季，光熱資源較為豐富。全流域多年（1956—2000年）平均降雨量為504.8 mm，降雨的年際變化較大，年內(nèi)分配不均，全年70%降雨量集中在6—9月，并且多以暴雨形式出現(xiàn)；氣溫晝夜溫差大，南北溫差也大[17]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

結合《山西河流》中汾河相關資料，基于30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS9.3軟件的水文分析模塊（Hydrology）提取了汾河干流和汾河上、中、下游邊界線，以便分析。汾河流域的NDVI數(shù)據(jù)從美國國家航空航天局（NASA）訂購（http:// ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），研究下載了2001—2013年的TERRA/MODIS全球250 m分辨率16 d合成的產(chǎn)品（MOD13Q1）和1 000 m分辨率8 d合成的產(chǎn)品（MOD11Q1），利用HEG軟件重新投影為GeoTIFF格式，再用ArcGIS 9.3軟件對汾河流域的植被指數(shù)和LST進行提取。收集到的2001—2011年汾河流域降水數(shù)據(jù)主要來源于山西省水文水資源勘測局。

1.3 研究方法

利用變化斜率法[18]分析以月、年為時間尺度的植被變化趨勢，計算的斜率若為負值，表示其植被覆蓋呈減少趨勢；斜率若為正值，表示其植被覆蓋呈增加趨勢。趨勢顯著性檢驗采用F檢驗，P＜0.05為變化顯著。利用SPSS軟件，通過Pearson相關分析及回歸分析法研究汾河流域LST、降水量與NDVI的單變量相關以及復合相關關系，同時得出回歸方程，并進行F檢驗，以揭示近13 a汾河流域NDVI變化的原因。

基于重標極差（R/S）分析方法基礎上的赫斯特指數(shù)（Hurst exponent）[19]，研究隨機變化數(shù)據(jù)與時間是否具有相關性。Hurst指數(shù)（H）的取值區(qū)間為（0，1），當計算結果H＝0.5時，表明研究的時間序列在未來與原時間序列的變化趨勢無關；當計算結果H∈（0.5，1）時，表明研究的時間序列在未來與原時間序列的變化趨勢具有相同的變化趨勢；當計算結果H∈（0，0.5）時，表明研究的時間序列在未來與原時間序列的變化趨勢具有相反的變化趨勢?；诖丝蓪Ψ诤恿饔蛭磥淼闹脖桓采w狀況作出預測，為以后汾河流域的植被保護提出新思路。

2 結果與分析

2.1 汾河流域植被指數(shù)的時空變化

2.1.1 汾河流域植被指數(shù)的時間變化 從圖1可以看出，13 a汾河流域月均NDVI呈現(xiàn)單峰型，全年變化范圍在0.19～0.63。NDVI在8月份之前逐月增加，8月份達到最大值0.63，之后又開始下降，1月份到達最低值。植物生長受氣候條件影響，夏季溫度高、降水多，熱量和水分充足有利于植物生長，NDVI增加；冬季溫度低、降水少，熱量和水分不足使得植物葉片凋落，蓋度減低，導致NDVI降低。

7，8月為植被長勢旺盛的階段，因而，選取2001—2013年7，8月的NDVI平均值作為指標進行分析。從圖2可以看出，汾河流域13 a間NDVI線性趨勢系數(shù)為0.009 7，其斜率值大于0，表明汾河流域整體植被呈改善趨勢。而由R2＝0.672 9可知，NDVI與對應年份的擬合效果較好。經(jīng)過F檢驗，P＜0.01，改善趨勢顯著。

2.1.2 汾河流域植被指數(shù)的空間變化 從表1可以看出，3個流域的線性趨勢系數(shù)都為正值，表明各個流域的植被在13 a間均有改善，但程度不同，上游和下游植被覆蓋變化率在2%左右，而中游則為1.34%，差別較大。造成這種結果的原因是由于中游植被覆蓋基礎比上游和下游要好，植被改善的空間較小，所以，植被覆蓋基礎薄弱的地區(qū)改善效果明顯。

表1 汾河上、中、下游2001—2013年NDVI均值、變化率、線性趨勢系數(shù)和決定系數(shù)

從圖3，4可以看出，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，從整體上看，13 a間NDVI小于0.4的地區(qū)（顏色較深的區(qū)域）逐漸減少，NDVI大于0.7的地區(qū)（顏色較淺的區(qū)域）逐漸增大。根據(jù)衛(wèi)星遙感影像變化可以看出，13 a間NDVI整體趨向改善（偶有年份退化，究其原因是受當年水熱狀況影響），尤其是原本植被覆蓋較弱的區(qū)域有顯著改善。其原因與近10多年來政府推出的“退耕還林、退耕還草”政策有關，使得汾河流域植被覆蓋程度逐漸改善。

2.2 汾河流域植被指數(shù)對氣候因子的響應

2.2.1 汾河流域月均植被指數(shù)與同期LST、降水量的單變量相關分析 從圖5可以看出，汾河流域13 a間月均NDVI與月均LST之間呈現(xiàn)正的線性相關。月均降水量和NDVI之間呈現(xiàn)非線性關系，降水量對NDVI的作用存在一個極限值，當降水量＜100 mm時，NDVI會隨降水量的增加而增加；當降水量＞100 mm時，NDVI不會隨著降水量的增加而有明顯增加，僅維持在0.5～0.6的水平。

從圖6，7可以看出，年均NDVI與年均LST的決定系數(shù)為0.157 1，且進行F檢驗時，P＝0.18，未通過顯著性檢驗，表明年均NDVI與年均LST相關性不顯著；而年均NDVI與年均降水量的決定系數(shù)為0.466 0，進行F檢驗時，P＝0.02，通過顯著性檢驗，表明年均NDVI與年均降水量相關性顯著。因此，在年際尺度上，LST不是影響NDVI變化的唯一因子，而降水量在一定程度上影響NDVI的變化。

2.2.2 汾河流域月均植被指數(shù)與同期LST、降水量的復合變量相關分析 分別采用復合線性模型對NDVI與同期LST、降水量的復合關系進行分析，結果表明，NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222模型與2個單變量方程相比，R2有所提高，決定系數(shù)為85.8%，可以較好做出解釋。因此，從整體上說雙變量的模型要優(yōu)于單變量模型（表2）。

表2 汾河流域2001—2011年月均NDVI與月均LST、月均降水量的回歸分析

2.3 汾河流域植被指數(shù)的未來變化趨勢分析

基于重標極差（R/S）分析方法基礎上，得出汾河流域2001—2013年年平均NDVI的Hurst指數(shù)為0.715 9，位于（0.5，1）區(qū)間內(nèi)，表明汾河流域的植被在未來有著與原來相同的變化趨勢，將繼續(xù)朝著改善的方向發(fā)展。在遙感影像上，NDVI大于0.7的區(qū)域逐漸增大、小于0.4的區(qū)域逐漸減小，也表明在未來汾河流域的植被覆蓋范圍將擴大。

3 討論

在空間上，汾河流域13 a間植被整體覆蓋狀況呈改善趨勢，植被覆蓋狀況從西北向東南逐漸變好（個別年份除外），這與黃土高原整體的植被空間變化格局相符合[1]，同樣也符合整個華北地區(qū)的整體走勢[20]。具體來說，在上、中、下游3個流域的比較中，由于上游和下游基礎植被覆蓋較差，植被改善效果明顯?！巴烁€林、退耕還草”政策的推出和政府對人們保護花草樹木、禁止亂砍濫伐觀念的教育，促進了汾河流域植被覆蓋度的提高[21]。

在時間上，汾河流域的NDVI存在明顯的季節(jié)變化，夏季NDVI較高，冬季NDVI較低。表明植被的生長受氣候條件的制約，這與王麗霞等[10]的研究結果相一致。結合數(shù)據(jù)具體分析，月尺度的NDVI與同期的LST呈顯著正相關，與同期降水量呈現(xiàn)正的非線性相關，降水量對NDVI變化存在一個極限值，當降水量達到這個極限值后，NDVI變化極小，這與馮研等[16]、信忠保等[22]的研究結果基本一致；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LST和降水量的關系變得復雜化，通過數(shù)據(jù)分析表明，NDVI與同期的LST和降雨量的復合模型優(yōu)于單變量模型，說明NDVI的變化是LST與降水量共同作用的結果。

從長期來說，基于線性趨勢分析，汾河流域13 a的植被覆蓋狀況呈改善趨勢，又結合NDVI時間序列的Hurst指數(shù)，表明植被恢復在未來是可持續(xù)的。進一步研究發(fā)現(xiàn)，年際尺度的NDVI和同期的LST相關性不顯著，而與降水量相關性顯著，可以初步認為，在年際尺度上非氣候因素是影響年際NDVI變化的主要原因，這與宋富強等[23]的研究結論一致。

此外，由于研究采用的時間為2001—2013年，時間尺度相對較短，因此在今后的研究中，需進一步拓展，采取在更大時間尺度上探索植被覆蓋指數(shù)的影響機制。

4 結論

本研究結果表明，在月尺度內(nèi)，近13 a汾河流域月NDVI變化呈現(xiàn)單峰型，氣候變化是植被覆蓋時空變化的重要影響因素，月尺度的NDVI與同期的LST呈顯著正相關，而降水量與NDVI的相關關系存在一個極限值，在100 mm左右；而當時間擴展至年際范圍時，非氣候因素成為主要因素。近13 a汾河流域及上、中、下游的植被覆蓋狀況呈改善趨勢，從西北向東南逐漸變好，在未來也會呈現(xiàn)改善趨勢，既表現(xiàn)在植被長勢向好，也表現(xiàn)在植被覆蓋范圍的擴大?；谠鲁叨鹊腘DVI與同期的LST和降水量的復合相關模型優(yōu)于單變量相關模型，其復合相關模型為：NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222。

［1］徐茜，任志遠，楊忍，等.黃土高原地區(qū)歸一化植被指數(shù)時空動態(tài)變化及其與氣候因子的關系[J].陜西師范大學學報，2012，40（1）：82-87.

［2］Piao S L，F(xiàn)ang J Y，Zhou LM，et al.Interannual variations of monthly and seasonal normalized difference vegetation index（NDVI）in China from 1982 to 1999[J].Journal of Geophysical Research，2003，108：4401-4414.

［3］王國芳.基于遙感技術的植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測 [J].山西農(nóng)業(yè)科學，2015，43（5）：592-595.

［4］方精云，樸世龍，賀金生，等.近20年來中國植被活動在增強[J].中國科學，2003，33（6）：554-565.

［5］索玉霞，王正興，劉闖.中亞地區(qū)1982年至2002年植被指數(shù)與LST和降雨量的相關性分析 [J].資源科學，2009，31（8）：1422-1429.

［6］夏露，劉詠梅，柯長青.基于SPOT4數(shù)據(jù)的黃土高原植被動態(tài)變化研究[J].遙感技術與應用，2008，23（1）：67-72.

［7］劉志紅，郭偉玲，楊勤科，等.近20年黃土高原不同地貌類型區(qū)植被覆蓋變化及原因分析 [J].中國水土保持科學，2011，9（1）：16-23.

［8］Parmesan C，Yohe G.A globally coherent fingerprint of climate change impacts across natural systems[J].Nature，2003，421（6）：37-42.

［9］Kobayashi H，Dye D G.Atmospheric conditions for monitoring the long-termvegetation dynamics in the Amazon using normalized difference vegetation index [J].Remote Sensing of Environment，2005，97（4）：519-525.

［10］王麗霞，任志遠，任朝霞，等.延河流域NDVI與主要氣候因子的時空相關性研究 [J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，25（8）：88-93.

［11］李秀花，師慶東，郭娟，等.中國西北干旱區(qū)1981—2001年NDVI對氣候變化的響應分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（2）：12-16.

［12］陳曉光，李劍萍，韓穎娟，等.寧夏近20年來植被覆蓋度及其與氣溫降水的關系[J].生態(tài)學雜志，2007，26（9）：1375-1383.

［13］武永利，李智才，王云峰，等.山西典型生態(tài)區(qū)植被指數(shù)（NDVI）對氣候變化的響應[J].生態(tài)學雜志，2009，28（5）：925-932.

［14］孫智輝，劉志超，雷延鵬，等.延安北部丘陵溝壑區(qū)植被指數(shù)變化及其與氣候的關系[J].生態(tài)學報，2010，30（2）：533-540.

［15］雷延鵬，孫智輝，劉志超，等.基于時序植被指數(shù)的延安北部丘陵溝壑區(qū)植被變化分析 [J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（4）：53-57.

［16］馮妍，何彬方，唐懷甌，等.安徽省2000—2009年不同類型植被的變化及其與氣溫、降水的關系 [J].生態(tài)學雜志，2012，31（11）：2926-2934.

［17］李英明.山西河流[M].北京：科學出版社，2004.

［18］何月，樊高峰，張小偉，等.浙江省植被NDVI動態(tài)及其對氣候的響應[J].生態(tài)學報，2012，32（14）：4352-4362.

［19］Li SS，Yan J P，Liu XY，et al.Response of vegetation restoration to climatechange and human activities in Shaanxi-Gansu-Ningxia Region[J].Geogr Sci，2013，23（1）：98-112.

［20］王怡，檀艷靜.華北地區(qū)植被NDVI變化及與氣候因子的關系[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2014，42（8）：890-895.

［21］逯登斌.現(xiàn)代林業(yè)管理探討：以山西省退耕還林工程建設為例[J].華東森林經(jīng)理，2013，27（2）：39-41.

［22］信忠保，許烔心.黃土高原地區(qū)植被覆蓋時空演變對氣候的響應[J].自然科學進展，2007，17（6）：770-778.

［23］宋富強，邢開雄，劉陽，等.基于MODIS/NDVI的陜北地區(qū)植被動態(tài)監(jiān)測與評價[J].生態(tài)學報，2011，31（2）：354-363.

Spatial and Temporal Dynamics of Vegetation Cover from 2001 to 2013 and Its Response to Climatic Factors in Fenhe River Basin

WANG Yu-chen1，LI Song-ming1，WANG Xiao1，WANG Ting-wo1，LI Hong-jian2
（1.College of Environment&Resource Sciences，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute of Loess Plateau，Shanxi University，Taiyuan 030006，China）

Based on the Normalized Difference Vegetation Index（NDVI）data from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）,the daily land surface temperature（LST）and precipitation data from17 meteorological stations in Fenhe River basin of Shanxi province from 2001 to 2013,the paper analyzed spatiotemporal variation patterns of the vegetation cover in the basin and their correlations to climatic factors.The results showed that the change of vegetation index on monthly scale was a single peak.The vegetation cover index in the whole basin and the upstream,midstream and downstream showed a moderate increase trend.The vegetation coverage condition gradually got better from northwest to southeast.There was a significant positive linear correlation between the monthly average NDVI and the monthly mean LST in the basin,but the correlation between NDVI and precipitation was parabolic.The double variable model including LST and precipitation together for predicting the relationship between monthly mean NDVI and the monthly mean LST and precipitation was better than univariate correlation models.The double variable model was NDVI＝0.007Ts＋0.002P＋0.222.At annual scale there was a weak correlation between NDVI and LST,but significant correlation existed between NDVI and precipitation. The Hurst exponent value calculated from NDVI showed that the vegetation cover of Fenhe River basin in Shanxi province would become better increasing with time.

Fenhe River basin;NDVI;climatic factors;correlation analysis

Q948

A

1002-2481（2016）05-0640-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.17

2016-01-12

國家自然科學基金項目（41201374）；山西省基礎研究項目（2012011033-5）；山西大學科研訓練項目（2014012127）

王宇?。?993-），男，山東安丘人，在校學生，研究方向：資源環(huán)境遙感。李洪建為通信作者。