2000—2018年江西省NDVI時(shí)空演變特征及其與氣候因子關(guān)系分析

陸 晴，劉根林，繆 利，陳榮清

(1.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2.東華理工大學(xué) 資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究中心, 江西 南昌 330013)

植被在地球生態(tài)系統(tǒng)中非常活躍，在地球不同圈層之間起重要的紐帶作用，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化起到重要的指示作用(Lawley et al., 2016; 樸世龍等, 2003; 張思源等, 2020)。區(qū)域尺度的植被變化體現(xiàn)了自然演變和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用，研究區(qū)域尺度的地表植被變化及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于認(rèn)識(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部作用機(jī)制有重要意義(He et al., 2017; Chu et al., 2019)，同時(shí)根據(jù)其驅(qū)動(dòng)機(jī)制能夠?yàn)橹脖坏慕ㄔO(shè)及保護(hù)提供一定科學(xué)依據(jù)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是用來(lái)反映植被生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。NDVI能夠突出植被特征而弱化其他地物特征，用以表征地表植被活動(dòng)的強(qiáng)弱，現(xiàn)已成為研究生態(tài)系統(tǒng)、自然資源乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段(黃悅悅等, 2019; 彭文甫等, 2019; 方正等, 2020; 李萬(wàn)鈺等, 2020)。目前在各種尺度及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，NDVI得到了廣泛的應(yīng)用。例如在流域(張軍等, 2016; 軒俊偉等, 2018; 鄧元杰等, 2020)以及干旱、極寒地帶(鐘莉娜等, 2013; 杜加強(qiáng)等, 2016; 韓炳宏等, 2019; 范倩倩等, 2020)等，多以年度、季度或月度NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)相關(guān)分析、地理探測(cè)器、變異系數(shù)、趨勢(shì)分析以及冗余分析等，研究NDVI時(shí)空分異，同時(shí)定性定量地探究該變化與自然因子及人文因子之間的關(guān)系(Gu et al., 2018; 宋超等, 2018)。

江西省是典型的南方紅壤丘陵區(qū)，森林覆蓋面積大，但森林生態(tài)功能低下、水源涵養(yǎng)能力不強(qiáng)，水土流失依然嚴(yán)重(何雄偉, 2016; 鄒永旺等, 2019)。氣候變化是植被覆蓋變化的主要影響因素之一(王濤等, 2017; 張蓓蓓等, 2020)。在1961—2016年，江西省年降雨量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，增加速率為31.5 mm/10a；氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，氣溫增加速率為0.196 ℃/10a(陸晴等, 2019)。本研究選取2000—2018年江西省年度、季度NDVI數(shù)據(jù)和5期土地利用數(shù)據(jù)，在分析NDVI時(shí)空演變特征的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)分析、偏相關(guān)分析等方法，探究氣溫、降水等氣候因子以及土地利用數(shù)據(jù)與江西省NDVI之間的關(guān)系，以期為江西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和應(yīng)對(duì)氣候、環(huán)境變化政策的制定提供更具有針對(duì)性的依據(jù)和建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

江西省位于北緯24°29′—30°04′、東經(jīng)113°34′—118°28′，全省總面積166 900 km2，共有11個(gè)設(shè)區(qū)市，地理位置屬于華東地區(qū)。全省以山地、丘陵地貌為主，東南西三面群山環(huán)繞，內(nèi)側(cè)丘陵廣布，中北部平原坦蕩，山地丘陵面積約占全省面積的76%。江西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯，具體表現(xiàn)為：春季溫暖濕潤(rùn)，細(xì)雨綿綿；夏季炎熱，受臺(tái)風(fēng)影響雷雨天氣多；秋季溫和干燥；冬季濕冷、少雨雪。江西也是中國(guó)多雨省份之一，具體表現(xiàn)為贛南多于贛北、贛東多于贛西，但降雨量年際分布不平衡。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究使用SPOT NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 000 m，采用最大值合成法生成的2000—2018年的年度、季度NDVI數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可以充分反映全國(guó)各地區(qū)在時(shí)間、空間上植被覆蓋和分布情況，被廣泛用于植被變化狀況監(jiān)測(cè)、植被資源合理利用和凈初級(jí)生產(chǎn)力估算等研究。

氣候數(shù)據(jù)(均溫、降水量)是由2000—2018年江西省內(nèi)及周邊的30個(gè)氣象站數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ANUSPLIN插值得到，在進(jìn)行降水和溫度插值時(shí)，均以經(jīng)度、緯度作為自變量，在溫度插值過(guò)程中以海拔作為協(xié)變量，降水插值則未使用協(xié)變量，而是進(jìn)行了開(kāi)平方轉(zhuǎn)換，以保證降水不為負(fù)值(陸晴等, 2019)。

土地利用數(shù)據(jù)下載于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)，包括2000年、2005年、2010年、2015年、2018年等5期數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集是覆蓋全國(guó)陸地區(qū)域的多時(shí)相土地利用現(xiàn)狀庫(kù)，主要基于Landsat影像數(shù)據(jù)，通過(guò)人工目視解譯而成。本研究使用的土地利用數(shù)據(jù)分辨率為1 000 m。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)分析法

本研究采用一元線性回歸法，以時(shí)間為自變量、NDVI為因變量，定量分析2000—2018年江西省植被覆蓋度隨時(shí)間的變化(Douglas et al., 2004; 謝勝金等, 2020)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，S表示多年NDVI線性擬合斜率值，n為年數(shù)，INDVi代表第i年NDVI。當(dāng)S>0時(shí)，表明NDVI逐時(shí)段遞增，反之則遞減。

2.2 相關(guān)分析

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，常用相關(guān)分析來(lái)定量衡量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)連續(xù)性變量的相關(guān)關(guān)系(趙玉萍等, 2009)，本研究采用Pearson相關(guān)分析法來(lái)計(jì)算NDVI與氣溫、降水等氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)R，R取值范圍為[-1，1]，當(dāng)R>0時(shí)，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)，反之則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；當(dāng)R=0時(shí)，說(shuō)明二者沒(méi)有線性相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式如下：

(2)

2.3 偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析是通過(guò)控制其他變量的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)研究某兩個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系(穆少杰等, 2012)，計(jì)算公式如下：

(3)

式中，RYt,p是將p變量控制后Y、t的偏相關(guān)系數(shù)，即表示在Y、t中剔除了p變量的影響；RYt、RYp、Rtp分別表示變量Y和t、變量Y和p、變量t和p的Pearson相關(guān)系數(shù)(Y、t、p分別代表同季節(jié)研究區(qū)域的NDVI、氣溫、降水)。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI隨時(shí)間變化特征

3.1.1 年變化特征

對(duì)2000—2018年江西省NDVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)總體NDVI變化趨勢(shì)。從圖1中可以看出，研究區(qū)內(nèi)NDVI總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。NDVI平均為0.769 1，頂峰值出現(xiàn)在2017年，NDVI為0.813 6；波谷值出現(xiàn)在2000年，NDVI為0.728 6。2014年至2018年的NDVI值均大于平均值。從變化速率來(lái)看，19年間NDVI變化速率為0.043/10a，屬于緩慢上升，這從一定程度上說(shuō)明江西的植被狀況良好。

圖1 江西省在2000—2018年間的NDVI年際變化趨勢(shì)Fig.1 Interannual variation trend of NDVI in Jiangxi province from 2000 to 2018

3.1.2 季節(jié)變化特征

參照年度NDVI時(shí)序變化，建立NDVI季節(jié)變化趨勢(shì)圖(圖2)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。NDVI在夏季時(shí)為0.69～0.81；在冬季時(shí)為0.47～0.64。NDVI的季節(jié)變化趨勢(shì)總體上是夏季>秋季>春季>冬季，這是因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)符合物候規(guī)律。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出NDVI作為植被生長(zhǎng)狀況的反映，同樣也具有物候時(shí)序特征。江西地處東南地區(qū)，屬于亞熱帶地區(qū)，春季氣溫逐漸回升，降水逐漸增多，植被大多在此時(shí)生芽、發(fā)青，因此NDVI在春季時(shí)高于冬季。夏季光照充足、降水充分，是植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的一個(gè)階段，此時(shí)植被體內(nèi)的葉綠素含量達(dá)到了最高，因此NDVI在夏季最高。秋季濕熱多雨且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成植被的生長(zhǎng)周期延長(zhǎng)，因此在NDVI表現(xiàn)上，秋季要高于春季。從變化趨勢(shì)來(lái)看，雖然在四個(gè)季節(jié)的NDVI都處于波動(dòng)之中，但是均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從上升速率可以看出，冬季上升速率最大為0.075/10a，夏、秋兩季上升速率最小為0.041/10a，春季居中，上升速率為0.054/10a，增長(zhǎng)速率表現(xiàn)為冬季>春季>夏季=秋季。

圖2 江西省2000—2018年NDVI季節(jié)變化趨勢(shì)Fig.2 Seasonal variation trend of NDVI in Jiangxi province from 2000 to 2018

3.2 NDVI空間變化特征

3.2.1 空間分布特征

基于像元計(jì)算2000—2018年NDVI均值，并劃分為5個(gè)等級(jí)：極低[0，0.1)、低[0.1，0.3)、中[0.3，0.5)、較高[0.5，0.7)、高[0.7，1.0]。由圖3可知，江西省絕大部分地區(qū)NDVI為0.7～1.0，占全省總面積的82.3%，表明研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋率高?？傮w上，贛南地區(qū)NDVI要高于贛北地區(qū)，NDVI較低的地區(qū)集中位于鄱陽(yáng)湖、贛江等流域，這也可以從季節(jié)分布(圖4)上得到驗(yàn)證。

圖3 江西省2000—2018年年均NDVI空間分布(a)、變化趨勢(shì)(b)及其顯著性(c)Fig.3 Spatial distribution of annual average NDVI (a), trend(b) and significance(c) in Jiangxi province from 2000 to 2018

圖4 江西省2000—2018年季節(jié)NDVI分布Fig.4 Distribution of seasonal NDVI in Jiangxi province from 2000 to 2018

3.2.2 空間變化趨勢(shì)

從年趨勢(shì)變化(圖3)上來(lái)看，研究區(qū)NDVI整體上處于上升趨勢(shì)，變化速率為-0.042 6/10a～0.045 6/10a，鄱陽(yáng)湖地區(qū)上升速率最為明顯；NDVI呈下降的地區(qū)基本位于城區(qū)附近，表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程，不可避免地對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生一定影響。從圖5可以看出，贛北地區(qū)NDVI在四個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，其中以冬季最為顯著。贛北地區(qū)地貌多為盆地、平原，地勢(shì)平坦，適合人類(lèi)居住及耕作，因此受到人為活動(dòng)干擾較大；贛南地區(qū)多為山地、丘陵，植被多為常綠闊葉林，因此受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，NDVI呈下降趨勢(shì)的地方也多位于城鎮(zhèn)、河流附近。在秋季，鄱陽(yáng)湖地區(qū)大范圍呈現(xiàn)正增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與鄱陽(yáng)湖水位下降有一定聯(lián)系(夏偉倫, 2017)。綜合年變化顯著性及四季變化顯著性來(lái)看，贛北地區(qū)變化不顯著，冬季顯著變化區(qū)域面積明顯高于其他季度顯著變化區(qū)域。

圖5 江西省2000—2018年季節(jié)NDVI變化趨勢(shì)及其顯著性Fig.5 Variation trend and significance of seasonal NDVI in Jiangxi province from 2000 to 2018

3.3 NDVI與氣候因子的關(guān)系

圖6為2000—2018年NDVI與氣候因子的相關(guān)系數(shù)分布。從圖6可以看出，NDVI與降水在贛西北、贛南等部分地區(qū)呈明顯正相關(guān)，而在鄱陽(yáng)湖附近呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)。降水量在水資源缺乏的地區(qū)可以有效地促進(jìn)植被生長(zhǎng)，但在鄱陽(yáng)湖等水資源豐沛的地區(qū)，過(guò)多的降水不僅不會(huì)產(chǎn)生促進(jìn)作用，反而會(huì)抑制植被生長(zhǎng)。NDVI與降水相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(0.05)地區(qū)僅占全省總面積的4.7%，說(shuō)明降水對(duì)NDVI的影響不明顯。NDVI與氣溫在贛中、贛南大部分地區(qū)呈現(xiàn)正相關(guān)，而在贛北大部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。從顯著性檢驗(yàn)(0.05)上來(lái)看，全省約有28.4%地區(qū)NDVI與氣溫存在顯著相關(guān)關(guān)系，明顯高于NDVI與降水之間的關(guān)系，表明氣溫對(duì)江西省NDVI的影響大于降水。

圖6 NDVI與氣溫(temp)、降水(pre)的相關(guān)系數(shù)(R)及其顯著性(P)Fig.6 Correlation coefficient(R) and significance(P) of NDVI with temperature and precipitation

利用偏相關(guān)分析法分析江西省季節(jié)NDVI與季節(jié)氣候因子(季度均溫、季度總降水量)的關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)及顯著性見(jiàn)表1。從整體上看，NDVI與氣溫、降水等氣候因子大體呈現(xiàn)正相關(guān)，NDVI在冬季與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但不顯著。NDVI在夏季、秋季與氣溫、降水的相關(guān)性較高，NDVI在夏季的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，同時(shí)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(0.05)，表明在夏季的時(shí)候，氣候因子對(duì)NDVI有積極影響?？傮w上，氣溫、降水在春、冬兩季與NDVI的相關(guān)性不高，在秋季與NDVI的相關(guān)性較高但不顯著，在夏季則與NDVI呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

表1 NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)系數(shù)及其顯著性Table 1 Partial correlation coefficient of NDVI, temperature and precipitation and its significance

3.4 NDVI與土地利用類(lèi)型的關(guān)系

結(jié)合NDVI數(shù)據(jù)以及5期土地利用數(shù)據(jù)，分析NDVI與土地利用之間的關(guān)系。由表2可知，林地、草地的平均NDVI不斷增加，分別由2000年的0.753 8、0.714 2上升至0.851 1、0.800 1，表明林地和草地的植被覆蓋度得到提高，生態(tài)狀況轉(zhuǎn)好。建設(shè)用地面積占比則一直增加，由1.67%增加至3.30%，而建設(shè)用地的平均NDVI呈先上升后下降趨勢(shì)，由2000年的0.6731上升至2010年的0.718 4，隨后又下降至2018年的0.586 7。與建設(shè)用地相反，耕地面積占比逐漸下降，由27.16%下降至26.38%，但耕地平均NDVI卻呈上升趨勢(shì)。

表2 各土地利用類(lèi)型NDVI均值Table 2 Average NDVI of each land use type

4 結(jié)論

本研究基于SPOT NDVI數(shù)據(jù)集，分析了2000—2018年江西省NDVI的時(shí)空演變特征，并利用相關(guān)分析、偏相關(guān)分析等方法探討其與氣溫、降水等氣候因子之間的關(guān)系。主要有以下結(jié)論：

(1) 江西省的NDVI在2000—2018年總體上呈上升趨勢(shì)，變化速率為0.043/10a，年均NDVI為0.72～0.82，表明江西省在研究時(shí)段內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況良好。從季節(jié)上來(lái)看，NDVI表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季，NDVI作為植被生長(zhǎng)狀況的反映，遵守植物生長(zhǎng)物候規(guī)律，因此NDVI表現(xiàn)也具有物候時(shí)序規(guī)律。

(2) 江西省植被覆蓋率高，大部分地區(qū)NDVI處于0.7～1.0。由于贛南地處山區(qū)，多為常綠林覆蓋，因此贛南地區(qū)的NDVI高于贛北地區(qū)，并且全年保持較高NDVI。低值NDVI大多位于鄱陽(yáng)湖、贛江等流域，在研究時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程，人類(lèi)密集居住點(diǎn)附近NDVI呈下降趨勢(shì)，表明人類(lèi)活動(dòng)在一定程度上不可避免地對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生干擾。林地、草地、耕地三種土地利用類(lèi)型的平均NDVI呈上升趨勢(shì)，而建設(shè)用地的平均NDVI則呈先上升后下降的趨勢(shì)。

(3) 全省大部分地區(qū)NDVI與氣溫、降水呈正相關(guān)，贛北地區(qū)多呈負(fù)相關(guān)，但總體上均不顯著，全省僅有4.7%的區(qū)域與降水呈顯著相關(guān)，表明年降水量對(duì)江西省NDVI的影響微弱；28.4%的區(qū)域與氣溫呈顯著相關(guān)，明顯高于降水，說(shuō)明在江西省氣溫要高于降水對(duì)NDVI變化的影響。從季節(jié)上來(lái)看，NDVI在春冬季時(shí)與氣溫降水呈弱相關(guān)且不顯著，在秋季時(shí)與氣溫、降水相關(guān)性高但不顯著，只有在夏季時(shí)與氣溫、降水量呈顯著正相關(guān)。