河北省植被NDVI變化及其對氣象要素的響應(yīng)

陳奇樂，謝夢姣，李瑾璞，李智，張美麗，王樹濤

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定071000；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000)

植被是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，在氣候變化中起著重要的指示作用[1-2]。因植被易受到氣溫和降水要素的影響[3-4]，所以研究其對氣象要素的響應(yīng)關(guān)系具有重要意義。在植被動態(tài)變化的研究中歸一化植被指數(shù)(NDVI)被廣泛應(yīng)用于植被生物量監(jiān)測、植被群落組成與分類、自然災(zāi)害災(zāi)情評估、土地利用和覆被變化等研究領(lǐng)域[5-7]。借助于GIS技術(shù)來進(jìn)行植被的研究較為方便，許多學(xué)者也在這方面做了大量研究[8]。陳福軍等利用8 km分辨率NDVI數(shù)據(jù)和氣象資料分析海河流域1981-2000年NDVI與年氣溫、降水量的相關(guān)性，結(jié)果表明：海河流域東部沿海平原及燕山北部等干燥環(huán)境下，與降水呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)性，而在山前平原農(nóng)灌區(qū)，作物對氣候因子變化響應(yīng)不敏感[9]。Tao等研究了青藏高原的植被覆蓋狀況，發(fā)現(xiàn)草地植被變化波動比較大，其他植被類型波動幅度較小[10]。Sun等研究了中國北部區(qū)域植被覆蓋狀況，發(fā)現(xiàn)在總體上還是處于增加的趨勢，但是增長速度在年份上有所差別[11]。Tian等對內(nèi)蒙古區(qū)域的植被覆蓋進(jìn)行研究，得出在2000-2012年期間植被經(jīng)過人類活動等有所改善，但是改善的范圍和效果在整個區(qū)域有所差別[12]。

河北省植被種類多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是我國植被資源比較豐富的省區(qū)之一[13]。近年來，由于氣候、環(huán)境、人為影響使得河北省植被受到了嚴(yán)重的威脅。因此，基于GIS技術(shù)，利用2000-2015年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，應(yīng)用趨勢分析、相關(guān)性分析等統(tǒng)計學(xué)方法，分析河北省整個省域內(nèi)植被NDVI變化及其與氣象要素的關(guān)系，以期為河北省生態(tài)功能維護(hù)和各項生態(tài)保護(hù)措施的開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北省位于中國華北地區(qū)，處于北緯36 °05 ′～42 °40 ′，東經(jīng)113 °27 ′～119 °50 ′之間。環(huán)抱首都北京，東與天津毗連并緊傍渤海，東南部、南部銜山東、河南2省，西倚太行山與山西為鄰，西北部、北部與內(nèi)蒙古交界，東北部與遼寧接壤，河北省總面積18.88萬km2。河北省海拔，最高海拔2 835 m位于壩上高原區(qū)，地勢由西北向東南傾斜。該地區(qū)地貌類型復(fù)雜多樣，種類齊全是我國地貌類型最豐富的省份之一[14]。河北省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)四季分明[15]。年日照時數(shù)2 303.1 h，年無霜期81～204 d；年均溫為10.07 ℃，1月平均氣溫在3 ℃以下，7月平均氣溫18～27 ℃。年均降水量514.88 mm，降水量分布特點為東南多西北少；河北省干旱頻繁，水資源不足，降水多的時候年份相對集中，常引發(fā)洪澇，干旱和洪澇都嚴(yán)重影響該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境[16]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心《中國年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集》。與研究區(qū)矢量圖進(jìn)行掩膜提取得到時間分辨率16 d，空間分辨率1 km×1 km，時間序列為2000-2015年的河北省NDVI數(shù)據(jù)。NDVI是指近紅外波段與可見光波段的差和這2個波段的和之比值。計算公式如下：

(1)

式(1)中：NIR地表近紅外波段；R地表可見光的紅光波段。NDVI的值在[-1，1]之間，當(dāng)NDVI越接近1時，表示植被覆蓋度越高，當(dāng)植被越接近-1時，表示植被覆蓋幾乎沒有。

植被類型數(shù)據(jù)依據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的《1∶1 000 000中國植被圖集》數(shù)據(jù)集，用河北省行政區(qū)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)提取，得到研究區(qū)內(nèi)植被大類數(shù)據(jù)，研究區(qū)有9種植被類型:草叢、草原、草甸、針葉林、落葉林、灌叢、沼澤、栽培植被、其他。

氣象數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的氣象空間插值數(shù)據(jù)集，應(yīng)用投影轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)掩膜，提取出與NDVI投影坐標(biāo)和分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。在研究省域年均溫和年降水量時，采用ArcGIS做柵格均值化處理，得到河北省年均溫和年降水量平均值。

2.2 均值法

均值法可以避免一些異常值對研究結(jié)果的影響，能夠更好的反應(yīng)研究對象的整體狀況。研究選用研究區(qū)平均最大化的NDVI值、各種植被類型的平均NDVI值和全省年均氣象要素來研究各數(shù)據(jù)在2000-2015年16 a來的年際變化。

2.3 趨勢分析法

一元線性回歸趨勢線法可分析單個像元的變化趨勢，變化趨勢斜率為正數(shù)表明植被覆蓋處于改善狀態(tài)，變化斜率為負(fù)數(shù)表明植被處于退化狀態(tài)。應(yīng)用該方法來模擬2000-2015年研究區(qū)內(nèi)NDVI的空間變化趨勢。計算公式如下：

(2)

式(2)中，θ為趨勢線斜率，n為研究時間序列年數(shù)，即16 a(2000-2015年)；i代表年序號；NDVIi代表第i年最大化NDVI值。

2.4 相關(guān)分析

采用皮爾遜相關(guān)分析研究NDVI對氣象要素的響應(yīng)關(guān)系。該方法著重研究線性的單相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系用相關(guān)系數(shù)r來表示，其中r的范圍在-1到1之間，r越接近1說明2變量的正相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)，r越接近-1說明2變量的負(fù)相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)，r越接近0說明兩變量相關(guān)關(guān)系越弱。計算公式如下：

(3)

2.5 顯著性分析

相關(guān)系數(shù)的顯著性水平是在給定的置信水平下，通過查相關(guān)系數(shù)檢驗的臨界值表來完成的[17]，見表1。

表1 相關(guān)系數(shù)檢驗的臨界值

f值稱為自由度，其數(shù)值為n-2，本研究的時間序列為16所以自由度為14；表中a表示不同的置信水平；置信水平下方對應(yīng)的是相關(guān)系數(shù)P=0的臨界值，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于臨界值時，認(rèn)為兩要素相關(guān)，反之，則不相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI的時間變化規(guī)律

2000-2015年河北省不同植被年均NDVI變化統(tǒng)計結(jié)果，見下圖1。

圖1 2000-2015年河北省不同植被年均NDVI變化

Figure 1 NDVI variation of different vegetation type in Hebei Province from 2000-2015

由圖1可知，9種不同的植被類型在16 a中都呈現(xiàn)波動上升趨勢，植被覆蓋有所增加。其中草原的變化幅度最大為0.18，沼澤的變化幅度最小為0.04。從整體上看，闊葉林、針葉林和灌叢3種植被變化趨勢基本相同，草叢和栽培植被2種植被變化趨勢基本相同，草原、草甸、沼澤和其他4種植被變化趨勢基本相同。闊葉林、針葉林和灌叢3種植被在2000-2002年呈現(xiàn)下降趨勢，在2002-2003年呈現(xiàn)上升趨勢，在2003-2011年間呈現(xiàn)不變趨勢，在2011-2012年呈現(xiàn)上升趨勢，在2012-2015年呈現(xiàn)不變趨勢；草叢和栽培植被2種植被在2000-2004年間呈現(xiàn)上升趨勢，在2004-2013年呈現(xiàn)不變趨勢，在2013-2015年呈現(xiàn)下降趨勢；草原、草甸、沼澤和其他4種植被在2000-2002年呈現(xiàn)下降趨勢，在2002-2003年呈現(xiàn)上升趨勢，在2003-2013年呈現(xiàn)波動上升趨勢，在2013-2015年呈現(xiàn)下降趨勢。

河北省不同植被類型NDVI年際變化線性回歸分析，見下表2。

表2 河北省不同植被類型NDVI年際變化線性回歸分析

注：R2為擬合系數(shù)，r為相關(guān)系數(shù)，*表示通過p<0.05檢驗，**表示通過P<0.01檢驗。

由表2可知，16 a來河北省整個省域植被NDVI顯著增加(P<0.01)增長速率為0.045 0/10 a。不同的植被類型的NDVI均值存在差異性，河北省2000-2015年間9種植被類型NDVI均值從大到小依次為闊葉林(0.792 2)、針葉林(0.780 9)、灌叢(0.770 3)、草叢(0.728 4)、栽培植被(0.724 6)、草甸(0.657 1)、沼澤(0.629 3)、草原(0.628 8)、其他(0.612 2)，增長速率從大到小依次為灌叢(0.063 0/10 a)、草原(0.056 0/10 a)、草甸(0.053 0/10 a)、闊葉林(0.051 0/10 a)、草叢(0.051 0/10 a)、針葉林(0.047 0/10 a)、其他(0.039 0/10 a)、栽培植被(0.033 0/10 a)、沼澤(0.014 0/10 a)。其中落葉林、針葉林、灌叢、草叢通過了顯著性檢驗水平(P<0.01)，草原、草甸、栽培植物通過了的顯著性檢驗(P<0.05)水平。根據(jù)一元線性回歸方程來看，河北省植被NDVI在未來還會有增加趨勢。

3.2 植被NDVI的空間變化規(guī)律

根據(jù)相關(guān)研究，結(jié)合統(tǒng)計分析，將河北省年變化率按數(shù)值分為7類：明顯改善、中度改善、輕微改善、基本不變、輕微退化、中度退化、嚴(yán)重退化[18]。NDVI變化率小于-0.010 0表示植被NDVI嚴(yán)重退化；NDVI變化率在-0.010 0與-0.005 0之間表示被NDVI中度退化，NDVI變化率在-0.005 0與-0.001 0之間表示植被NDVI輕微退化，NDVI變化率在-0.001 0與0.001 0之間表示植被NDVI基本不變，NDVI變化率在0.001 0與0.005 0之間表示植被NDVI輕微改善，NDVI變化率在0.005 0與0.010 0之間表示植被NDVI中度改善，NDVI變化率大于0.010 0表示植被NDVI明顯改善。

利用ArcGIS軟件統(tǒng)計出研究時序內(nèi)河北省植被變化面積變化分級見下表3。

表3 2000-2015年河北省植被NDVI變化像元比例表

由表3可知，河北省NDVI增加的區(qū)域面積為145 229 km2，占省域總面積77.39%，NDVI減少的區(qū)域面積為29 364 km2，占省域總面積15.64%，NDVI不變的區(qū)域面積為13 078 km2，占省域總面積6.97%。其中，中度改善的面積最大，為74 695 km2，占河北省面積的39.80%，輕微改善的面積次之，為49 933 km2，占河北省面積的26.61%。

采用ArcGIS軟件對2000-2015年16 a植被NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性趨勢分析，得2000-2015年河北省NDVI變化趨勢及變化斜率分級空間分布圖，見圖2。

圖2 2000-2015年河北省NDVI變化趨勢及變化斜率分級空間分布

Figure 2 Spatial distribution of NDVI trend and spatial distribution of slope grading in Hebei Province from 2000-2015

由圖2可知，研究植被NDVI變化斜率與變化斜率分級的分布情況，16 a來河北省整體植被NDVI呈增加趨勢，植被覆蓋有所好轉(zhuǎn)。在不同地區(qū)植被變化斜率有顯著差異，表明植被NDVI在空間尺度上具有差異性。其中，NDVI明顯改善的區(qū)域面積占整個研究區(qū)面積的10.98%，主要分布在冀西北間山盆地區(qū)和燕山山前丘陵區(qū)；NDVI中度改善的區(qū)域面積占整個研究區(qū)面積的39.80%，主要分布在燕山山前丘陵區(qū)、濱海沖積平原區(qū)和太行山山地丘陵區(qū)。NDVI輕微改善的區(qū)域面積占整個研究區(qū)面積的26.61%，主要分布在燕山山前丘陵區(qū)、濱海沖積平原區(qū)和太行山山地丘陵區(qū)。NDVI退化的區(qū)域面積占整個研究區(qū)面積的15.64%，主要分布在壩上高原區(qū)和東南部平原區(qū)。

3.3 植被NDVI對氣象要素的響應(yīng)特征

3.3.1 氣象要素的年際變化 河北省2000-2015年間氣溫和降水的變化趨勢，見下圖3和圖4。

圖3 河北省2000-2015年年均氣溫變化趨勢

圖4 河北省2000-2015年年均降水量變化趨勢

Figure 4 Variation trends of annual average precipitation in Hebei Province from 2000-2015

由圖3和圖4可知河北省2000-2015年間氣溫和降水的變化趨勢。在氣溫方面，16 a間河北省年均氣溫呈現(xiàn)出波動態(tài)勢，在2000年至2007年呈現(xiàn)波動上升趨勢，在2007年至2010年呈現(xiàn)下降趨勢，在2010年至2015年呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中氣溫峰值出現(xiàn)于2014年，為10.87 ℃；谷值發(fā)生在2012年，為9.36 ℃。總體來看，在研究時間序列內(nèi)，河北省氣候持續(xù)不變，增加速率為0 ℃/10 a。在降水方面，2000年至2015年間河北省年均降水量呈波動上升趨勢，增加率為29.77 mm/10 a，其中年降水量峰值出現(xiàn)于2012年，為637.54 mm；谷值發(fā)生在2002年，為425.01 mm。

3.3.2 植被NDVI對氣象要素的響應(yīng)特征 利用ArcGIS軟件進(jìn)行2000-2015年河北省NDVI與年均溫、年降水量的相關(guān)分析，分析結(jié)果見下圖5。

圖5 2000-2015年河北省NDVI與年均溫、年降水量的相關(guān)系數(shù)空間分布

由圖5可知，2000-2015年河北省植被NDVI與年均溫和年降水量的相關(guān)性具有空間異質(zhì)性，其中，NDVI與氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布于河北省北部燕山山地丘陵區(qū)，呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于海河沖擊平原東部；NDVI與降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布于河北省西北部壩上高原區(qū)、冀西北間山盆地區(qū)、太行山山地丘陵區(qū)，呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于太行山南端丘陵區(qū)。

統(tǒng)計圖5所得NDVI與年均溫和年降水量的相關(guān)性，具體計算結(jié)果見下表4。

表4 NDVI與氣溫、降水相關(guān)性分析

注：極顯著(P<0.01)，顯著(P<0.05)。

由表4可知，河北省植被NDVI和氣溫正負(fù)相關(guān)并存，呈正相關(guān)的區(qū)域面積為73 336 km2，占整個省域面積的39.24%，呈負(fù)相關(guān)區(qū)域面積為113 564 km2，占整個省域面積的60.76%。其中呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域面積為5 093 km2，占整個省域面積的2.72%，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)的區(qū)域面積為7 931 km2，占整個省域面積的4.24%，呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)的區(qū)域面積為10 404 km2，占整個省域面積的5.57%，呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域面積為3 230 km2，占整個省域面積的1.73%。由此看來呈顯著正相關(guān)(P<0.05)和顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)的區(qū)域十分有限，說明在像元尺度上，河北省大面積區(qū)域NDVI對氣溫變化的響應(yīng)不太敏感。

河北省植被NDVI和降水量主要呈現(xiàn)正相關(guān)，呈正相關(guān)的區(qū)域面積為164 607 km2，占整個省域面積的88.07%，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積為22 293 km2，占整個省域面積的11.93%。其中呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域面積為10 138 km2，占整個省域面積的5.42%，呈顯著正相關(guān)(P<0.05)的區(qū)域面積為27 471 km2，占整個省域面積的14.70%，呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)的區(qū)域面積為285 km2，占整個省域面積的0.15%，呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)的區(qū)域面積為33 km2，占整個省域面積的0.02%。這說明在像元尺度上，河北省大部分地區(qū)植被NDVI與降水變化呈正相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯觯邓呛颖笔DVI動態(tài)變化的關(guān)鍵氣象要素，降水上升有利于植被的生長與恢復(fù)。

4 結(jié)論與討論

河北省植被NDVI變化趨勢主要呈增加趨勢，NDVI增加區(qū)域面積占全省面積的77.39%，這一結(jié)果說明近年來河北省植被生長狀況總體處于改善狀態(tài)，地表植被趨于恢復(fù)。這與有關(guān)專家研究太行山區(qū)、海河流域得出結(jié)果基本一致[9,19]。

有研究認(rèn)為，半濕潤區(qū)NDVI變化主要受氣溫的影響，與降水關(guān)聯(lián)性較小，還有研究認(rèn)為在半干旱區(qū)NDVI變化主要受降水量和蒸散量的影響，與降水關(guān)聯(lián)性較大[20]。而本研究表明，降水對NDVI的影響相對較大，氣溫對NDVI的影響較低，其原因是因為河北省年均溫較高，長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，再加之河北省年日照時數(shù)在2 355～3 062 h之間，處于較高的日照水平，植被生長具有適宜的溫度、光照條件，因此，植被與氣溫的顯著相關(guān)性較低。而植被NDVI與降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域較大，主要分布在壩上高原區(qū)、冀西北間山盆地區(qū)和太行山山地丘陵區(qū)，因這些地區(qū)海拔較高，雨水涵養(yǎng)作用明顯下降，因此降水量的不斷增加，使得植被具有更好的水源供應(yīng)條件從而促進(jìn)植被生長。

基于上述論述，建議在后期河北省生態(tài)修復(fù)及植被恢復(fù)過程中，應(yīng)特別加強(qiáng)對植被覆蓋減少區(qū)域的治理，主要治理的區(qū)域處于壩上高原區(qū)，應(yīng)充分利用該地區(qū)植被生長發(fā)育過程中降水的正相關(guān)關(guān)系，合理安排植被培育、栽植等管理活動，不斷提高河北省植被覆蓋的數(shù)量和質(zhì)量。