基于TVDI的河南省土壤濕度時空變化及影響因素分析

王德應，楊永崇，王 濤，李奇虎

（西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院，西安 710054）

0 引 言

土壤濕度是指非飽和土壤中水分的含量［1］，是植物生長發(fā)育的主要水分來源，直接影響植被分布與農(nóng)作物產(chǎn)量，也是陸-氣系統(tǒng)中的重要參數(shù)，在反映干旱變化方面具有重要作用［2，3］。傳統(tǒng)人工觀測土壤濕度具有準確性高的優(yōu)勢，但在反映大尺度、大范圍土壤濕度變化方面存在不足。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展及遙感數(shù)據(jù)易獲取性增強，遙感數(shù)據(jù)以其覆蓋面廣和獲取周期短、獲取頻率高等特點，被廣泛應用于大范圍、長時期土壤濕度反演與動態(tài)監(jiān)測中，已取得豐富的研究成果［4，5］。河南省位于我國中東部南北氣候過渡帶，季風氣候明顯，境內(nèi)降水量季節(jié)分配不均，區(qū)域分布差異較大，干旱災害頻發(fā)［6］。作為農(nóng)業(yè)大省，頻發(fā)的旱災直接影響河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收，對經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定造成巨大阻力［7］。因此，開展河南省土壤濕度時空變化特征及其與氣溫降水關(guān)系研究，可為科學認識干旱發(fā)生發(fā)展規(guī)律及調(diào)控措施制定提供依據(jù)。

1971年，Watson首次利用土壤水分的熱特性實現(xiàn)遙感監(jiān)測土壤濕度［8］。目前，基于遙感數(shù)據(jù)反演表層土壤濕度的方法主要有：熱慣量法［9］、植被指數(shù)法［10-13］和微波遙感法［14］。溫度植被干旱指數(shù)TVDI作為植被指數(shù)法的一種，以歸一化植被指數(shù)NDVI與地表溫度LST為基礎進行土壤濕度反演。TVDI因計算簡單、數(shù)據(jù)易獲取、反演精度高等特點，被廣泛應用于土壤濕度監(jiān)測［15，16］。齊述華等［17］利用TVDI開展了全國旱情監(jiān)測并結(jié)合氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了驗證，認為TVDI與土壤濕度關(guān)系顯著，適合于旱情監(jiān)測。劉英等［18］研究認為基于雙拋物線型特征空間得到的TVDI能更好的反映地表10cm 內(nèi)的土壤水分狀況。由于地表植被對土壤濕度具有一定的影響，國內(nèi)學者研究表明，在植被覆蓋度較高區(qū)域，利用對植被生長狀況更加敏感的增強型植被指數(shù)EVI替代歸一化植被指數(shù)NDVI，可降低地表植被對TVDI的影響［19-21］。土壤濕度與氣候、環(huán)境因素關(guān)系密切，Liang等［22］利用TVDI研究全國干旱變化趨勢與氣侯變化關(guān)系認為，干旱發(fā)生與氣象因子密不可分，且在不同地區(qū)影響干旱的主要氣象因子也不相同。龐素菲等［23］利用TVDI探討了甘肅農(nóng)業(yè)干旱的時空變化情況，并認為氣溫、降水、海拔、坡度、植被類型、土地覆蓋類型是農(nóng)業(yè)干旱的主要影響因素。此外，不少學者利用TVDI反演河南省土壤濕度分布情況，描述其干旱發(fā)生特征，張文鴿等［24］采用高程和緯度校正后的TVDI描述了河南省2014年干旱發(fā)生過程，陳少丹等［25］利用標準化降雨蒸散指數(shù)SPEI和TVDI反映河南省干旱情況，劉英等［26］基于改進后的干濕邊方程計算TVDI監(jiān)測河南省春旱，均取得了較好的結(jié)果。

已有研究在長時間序列土壤濕度動態(tài)監(jiān)測和影響因素方面尚存不足，因此，本文使用2000-2019年MODIS 增強型植被指數(shù)EVI和地表溫度LST數(shù)據(jù)，建立雙拋物線型EVI-LST 特征空間，計算TVDI以反映土壤濕度，并利用土壤濕度觀測數(shù)據(jù)進行驗證，進而采用TVDI分析河南省土壤濕度時空變化特征，并結(jié)合氣象因子分析土壤濕度變化與氣溫和降水關(guān)系，以期為河南省科學防旱抗旱提供決策支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國中東部（31°23′～36°22′N，110°21′～116°39′E），總面積約16.7 萬km2，是中國地勢第二階梯向第三階梯過渡帶，西高東低，高差懸殊，地表形態(tài)復雜多樣。河南省東部為黃淮海沖積平原，北、西、南三面環(huán)山，沿省界依次為太行山、伏牛山、桐柏山、大別山，西南部間有南陽斷陷盆地（圖1）。河南處于半濕潤半干旱過渡帶，過渡帶氣候特征明顯，南北氣候差異較大，東部平原和西部山地氣候亦有所不同。全省多年平均氣溫為14.37～15.72 ℃，多年平均降水量579.84～1 134.17 mm，均呈由北向南遞增趨勢。受季風影響，降水量以6-8月份最多，多年平均日照時數(shù)為1 848.0～2 488.7 h，且北部多于南部。河南省境內(nèi)分屬海河、黃河、淮河、長江四大水系，耕地面積為7.90 萬km2［27］，是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域，頻發(fā)的干旱災害嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅糧食安全。

圖1 河南地區(qū)概況Fig.1 General situation of Henan Province

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

（1）遙感數(shù)據(jù)。使用的MOD11A2 和MOD13Q1 數(shù)據(jù)來源于LAADS DAAC 數(shù)據(jù)中心（https：//search.earthdata.nasa.gov/），時間為2000-2019年，涉及序列號為H27V05。其中地表溫度數(shù)據(jù)LSTMOD11A2為8 d合成產(chǎn)品，空間分辨率為1 km；植被指數(shù)數(shù)據(jù)EVIMOD13Q1 為16 d 合成產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，本文選取EVI與LST構(gòu)建雙拋物線型EVI-LST 特征空間。通過投影轉(zhuǎn)換、重采樣、最大值合成等方法，將EVI和LST數(shù)據(jù)處理為時間分辨率為1年、空間分辨率為250 m的數(shù)據(jù)。

（2）土壤濕度數(shù)據(jù)。土壤相對濕度數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）提供的中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)為分布于河南省境內(nèi)的16 個站點實測數(shù)據(jù)，觀測時間為每旬一次，土壤相對濕度月數(shù)據(jù)為三旬數(shù)據(jù)平均得到，采樣深度包括10、20、50、70、100 cm。

（3）數(shù)字高程模型（DEM）?？臻g分辨率為90 m，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），通過重采樣將其處理為250 m空間分辨率。

（4）氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），包括年均氣溫和年降水量，時間為2001-2015年，空間分辨率為1 km。在相關(guān)分析過程中，將TVDI數(shù)據(jù)重采樣到1 km進行計算。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤濕度反演

TVDI由EVI和LST計算得到，用于表征土壤濕度情況，計算公式如下［15，19］：

式中：LST為地表溫度；LSTmin為某一EVI值對應的最小地表溫度，對應濕邊方程；LST為任意像元的地表溫度；LSTmax為某一EVI值對應的最大地表溫度，即為干邊方程；TVDI取值范圍為0～1，其值越大說明越干旱，反之則越濕潤。

劉英等人基于雙拋物線型特征空間對干濕邊方程進行了改進［18］，改進后的干濕邊方程計算公式如下：

式中：EVI為增強型植被指數(shù)；a1、a2、b1、b2、c1、c2為干濕邊方程的系數(shù)，由雙拋物線型EVI-LST特征空間散點圖線性擬合得到。

地表溫度受海拔分布影響，具有氣溫垂直遞減特性。已有研究表明，受海拔變化影響，相同條件下海拔高的像元對應的TDVI值有變小，進而導致土壤濕度值較高的問題［28，29］。河南省境內(nèi)地形東西差異較大，最大高差接近2 400 m，因此本文對地表溫度進行海拔校正。校正公式如下：

式中：Td為校正后的地表溫度；LST為校正前的地表溫度；H為海拔；a是地表溫度受氣溫影響隨海拔增加的降低程度，a=0.6 ℃/（100 m）。利用校正后的地表溫度重新帶入式（1），計算校正后的TVDI。

1.3.2 分析方法

（1）線性趨勢法。利用線性趨勢法分析2000-2019年TVDI年際變化趨勢，若為正值則表示TVDI呈現(xiàn)增加趨勢，否則表示下降趨勢［30］?；谙裨木€性趨勢計算公式如下：

式中：Slope是線性擬合的斜率；j代表年份，取值范圍是1～20；TVDIyj代表第j年TVDI年值。

（2）重心遷移模型。為進一步研究干旱發(fā)生的時空聚集和轉(zhuǎn)移特征，本文采用重心遷移模型分別計算河南省2000-2019年干旱發(fā)生的分布重心，并通過其重心遷移方向和距離描述河南省干旱發(fā)生的總體變化趨勢和空間變化特征［31］。計算公式如下：

式中：Xt、Yt為第t年干旱發(fā)生區(qū)域重心的經(jīng)緯度坐標；Wit為第t年第i個像元的TVDI值，Xti、Yti分別代表第t年第i個像元的中心經(jīng)度和緯度。

（3）相關(guān)分析。相關(guān)分析包括反映2 個要素之間相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)和反映3個要素之間相關(guān)關(guān)系的偏相關(guān)系數(shù)［32］。本文利用相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別計算了TVDI與氣溫、TVDI與降水的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

式中：R為x和y之間的相關(guān)系數(shù)；xi、yi分別為第i年TVDI和年均氣溫（或年降水量）；xˉ與yˉ分別為TVDI和年均氣溫（或年降水量）的多年平均值。

偏相關(guān)系數(shù)反映的是3 個變量中某一變量假定為常數(shù)時，其他兩個變量的偏相關(guān)關(guān)系，內(nèi)含了常數(shù)變量的交叉影響作用［33］。計算公式如下：

式中：r12、r13、r23分別表示TVDI與年均氣溫、TVDI與年降水量、年均氣溫與年降水量的相關(guān)系數(shù)；r12.3、r13.2分別表示TVDI與年均氣溫、TVDI與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)，其顯著性檢驗采用t檢驗。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤濕度反演結(jié)果驗證

為了驗證TVDI結(jié)果的可靠性，眾多學者比較了TVDI與不同土層深度土壤相對濕度之間的關(guān)系。薛天翼等［34］認為TVDI能很好的反映0～10 cm土壤表層濕度狀況。劉英等［26］認為改進后的TVDI對地表10cm 內(nèi)土壤水分狀況更為敏感。因此，本文選用0～10 cm 土壤相對濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)對TVDI反演結(jié)果進行驗證。由于氣象站點實測的土壤相對濕度數(shù)據(jù)存在缺失和無效的情況，另外MODIS 產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)的獲取時間存在偏差，經(jīng)篩選后，選用2005年16 個站點各季節(jié)中相吻合月份的有效土壤相對濕度數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，各季節(jié)TVDI與土壤相對濕度的相關(guān)系數(shù)絕對值在0.4～0.6 之間，均通過P≤0.05 顯著性檢驗，說明兩者具有較好的相關(guān)性，并且呈現(xiàn)顯著負相關(guān)（圖2）。這一結(jié)果表明采TVDI反演和分析河南省土壤濕度狀況具有可行性。

圖2 2005年各季節(jié)土壤相對濕度與同期TVDI的擬合Fig.2 Linear Fitting of relative soil moisture to TVDI in 4 seasons in 2005

2.2 土壤濕度時空分布特征

2.2.1 時間變化特征

參閱已有研究中土壤濕度等級劃分結(jié)果［35，36］，本文根據(jù)TVDI數(shù)值，將土壤濕度劃分為5 種類型，分別為：極濕潤（0≤TVDI＜0.2）、濕潤（0.2≤TVDI＜0.4）、一般（0.4≤TVDI＜0.6）、干旱（0.6≤TVDI＜0.8）、極干旱（0.8≤TVDI≤1）。

2000-2019年河南省年均TVDI值介于0.35～0.5 之間，多年均值為0.42，表明河南省土壤濕度整體屬于一般狀態(tài)。年均TVDI峰值出現(xiàn)在2015年，為0.50，低值出現(xiàn)在2008年，為0.35。2000-2019年河南省年均TVDI值整體呈小幅上升趨勢，依據(jù)年均TVDI距平值，研究時段可以2012年為界，劃分為2000-2011年的較濕潤階段（年均TVDI距平值為負）和2012-2019年的較干旱階段（年均TVDI距平值為正），反映出河南省土壤濕度整體呈降低狀態(tài)（圖3）。河南省各土壤濕度類型變化方面，以2012年為節(jié)點，2000-2011年河南省土壤表層以濕潤類型為主，平均占比為52.39%，最高占比為2008年的65.56%；2012-2019年河南省主要土壤表層以一般類型為主，平均占比為44.89%，最高占比為2017年的49.57%（圖4）。此外，河南省干旱情況持續(xù)發(fā)生，研究時段內(nèi)每年均有不同程度的干旱發(fā)生，2015年干旱類型面積占比達到峰值為31.98%。除2015年外，其余各年濕潤類型面積占比均大于干旱類型面積占比，2008年二者差值最大，達到60.14%。

圖3 2000-2019年河南省TVDI變化過程Fig.3 Annual variations of TVDI in Henan Province during 2000-2019

圖4 2000-2019年河南省各土壤濕度類型面積百分比Fig.4 Area percentage of soil moisture types in Henan Province during 2000-2019

2.2.2 空間變化特征

河南省土壤濕度分布具有明顯的空間分異特征（圖5），呈現(xiàn)豫北、豫西及豫中較干旱，豫南豫東較濕潤。豫北干旱地區(qū)主要分布在衛(wèi)河以北的山地中；豫西干旱地區(qū)集中在崤山淺山丘陵區(qū)、三門峽洛陽至平頂山的峽谷地區(qū)以及南陽盆地，同屬豫西的伏牛山脈整體情況好于毗鄰地區(qū)，干旱次數(shù)少，程度也明顯較輕，多呈濕潤狀態(tài)；豫中平頂山市干旱最為嚴重，主要分布在伏牛山北脈。豫南干旱區(qū)域集中在駐馬店市北部平原一帶，信陽市則整體濕潤；豫東平原整體偏濕潤，干旱地區(qū)位于商丘永城縣境內(nèi)。

圖5 2000-2019年河南省土壤濕度空間分布Fig.5 Spatial distribution of soil moisture in Henan Province during 2000-2019

基于線性趨勢法，在像元尺度上計算2000-2019年河南省TVDI變化趨勢，將其分為減?。⊿lope＜-0.001）、不變（-0.001≤Slope≤0.001）和增大（Slope＞0.001）3類，對回歸趨勢進行顯著性t檢驗，當α=0.05 時，顯著性檢驗閾值為2.101，根據(jù)閾值將顯著性劃分為顯著（|Zc|＞2.101）和不顯著（|Zc|≤2.101）2個類型。利用TVDI變化趨勢與顯著性疊加結(jié)果，將得到的像元尺度TVDI劃分為顯著變濕、輕微變濕、穩(wěn)定不變、輕微變干和顯著變干5 個類型（表1）。如圖6所示，2000-2019年河南省土壤濕度顯著變干面積占31.59%、輕微變干面積占28.68%，偏向干旱的南陽盆地干旱情況加重，土壤濕度以一般為主的豫東平原也表現(xiàn)出顯著變干趨勢，而較濕潤的伏牛山脈地區(qū)土壤濕度也有所降低；土壤濕度呈顯著變濕面積占6.03%、輕微變濕的面積占23.68%，濕潤的豫南地區(qū)和伏牛山東南余脈土壤濕度有進一步增加傾向，原本較干旱的豫西崤山地區(qū)情況好轉(zhuǎn)明顯，表現(xiàn)為顯著變濕。總體而言，20年來河南省變化趨勢為：東部北部變化強于西部南部，且東部北部主要是變干，西部南部主要是變濕，另外河南省呈濕潤趨勢和干旱趨勢面積占比分別為29.71%和60.27%，整體上表現(xiàn)為干旱趨勢。

圖6 2000-2019年河南省土壤濕度變化趨勢空間分布Fig.6 Spatial distribution of variation trend for soil moisture types in Henan Province during 2000-2019

表1 土壤濕度變化趨勢顯著性等級劃分Tab.1 Classification of the significance of soil moisture trend

2.2.3 干旱發(fā)生頻率

在像元尺度上統(tǒng)計各像元2000-2019年干旱發(fā)生頻率Fi，并依據(jù)干旱發(fā)生頻率將河南省劃分為常年無旱區(qū)（Fi=0%）、常年低發(fā)旱區(qū)（0%＜Fi＜33.4%）、常年中發(fā)旱區(qū)（33.4%≤Fi＜66.67%）、常年高發(fā)旱區(qū)（66.67%≤Fi＜100%）、常年有旱區(qū)5 個分區(qū)（Fi=100%）（圖7）?？梢钥闯鋈∮?9.62%的區(qū)域土壤濕度較高，常年無旱區(qū)集中分布在豫西伏牛山脈及豫南地區(qū)；常年低發(fā)旱區(qū)面積占比最大，為44.73%，主要集中在豫東平原；常年中發(fā)旱區(qū)以豫中、豫北山地以及南陽盆地為主，面積占比為12.79%；常年高發(fā)旱區(qū)及常年有旱區(qū)面積占比僅為2.86%，主要集中熊耳山外方山與嵩山交匯處形成的峽谷地區(qū)，其他如鄭州、焦作、新鄉(xiāng)等城區(qū)范圍也表現(xiàn)為旱情高發(fā)。因此，僅從干旱發(fā)生頻率來看，河南省干旱災害主要影響在豫北山地及豫西伏牛山脈周邊地區(qū)。

圖7 2000-2019年河南省干旱發(fā)生頻率空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought frequency in Henan Province during 2000-2019

2.2.4 干旱重心轉(zhuǎn)移

利用重心遷移模型分別計算2000-2019年河南省干旱重心轉(zhuǎn)移距離和角度，如圖8與表2所示，2000年河南省干旱重心位于洛陽市，地理坐標為112°40′2"E，34°42′22"N；2019年南省干旱重心位于許昌市，地理坐標為113°11′37"E，34°11′16"N。2000-2019年河南省干旱重心整體向東偏南49°方向移動，轉(zhuǎn)移的距離為75.12 km，年平均轉(zhuǎn)移速度為3.95 km/a，反映出2000-2019年河南省干旱發(fā)生區(qū)域整體在向東南變化。研究時段內(nèi)，2000-2003年河南省干旱重心向南遷移，由洛陽轉(zhuǎn)移至平頂山市；2003-2007年干旱重心再次向北回歸，由平頂山轉(zhuǎn)移至洛陽市；2007-2012年則逐漸向東遷移，干旱重心由洛陽轉(zhuǎn)移至平頂山市東部；2012-2019年干旱重心穩(wěn)定分布在平頂山與許昌市交界處。

圖8 2000-2019年河南省干旱發(fā)生重心轉(zhuǎn)移軌跡Fig.8 Transfer trajectories of the gravity center of drought in Henan Province during 2000-2019

表2 2000-2019年河南省干旱重心遷移特征Tab.2 Transfer characteristics of the gravity center of drought in Henan Province during 2000-2019

2012年為干旱重心遷移的時間節(jié)點，2000-2011年干旱重心主要分布在洛陽與平頂山市交界處，2010-2019年干旱重心則主要分布在許昌與平頂山市交界處。據(jù)此將干旱重心分為2000-2011年和2012-2019年兩個發(fā)展階段，分別計算各發(fā)展階段干旱重心的標準差橢圓（圖8），橢圓參數(shù)如表3。結(jié)果表明2000-2011年河南省干旱重心呈東北-西南的分布格局，這一階段干旱重心轉(zhuǎn)移的主要特征為南北遷移，而2012-2019年河南省干旱重心則呈東-西分布格局，主要特征為東西遷移。另一方面，兩階段的橢圓分布范圍與橢圓參數(shù)均有較大差異，橢圓分布范圍在縮小，長軸與短軸均減少，說明第二階段干旱重心空間分布更加集中，干旱發(fā)生區(qū)域變化較小，橢圓中心向東南轉(zhuǎn)移，結(jié)合圖3中2012年以后河南省土壤濕度干旱類型面積增加，反映出2000-2019年干旱發(fā)生區(qū)域在向東南擴大。

表3 2000-2019年河南省干旱重心空間分布格局的標準差橢圓參數(shù)Tab.3 Standard deviation ellipse parameters of the gravity center of drought in Henan Province during 2000-2019

2.3 TVDI與氣溫降水的相關(guān)分析

考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，本文選取2001-2015年氣象數(shù)據(jù)與TVDI進行相關(guān)分析。通過逐像元計算獲取2001-2015年TVDI與年降水量、年均氣溫的相關(guān)系數(shù)［圖9（a）和圖9（b）］、偏相關(guān)系數(shù)t檢驗結(jié)果的顯著性分布［圖9（c）和圖9（d）］，定量分析了TVDI對氣溫、降水的響應。

圖9 TVDI與年降水量、年均氣溫的相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)t檢驗結(jié)果Fig.9 Correlation partial correlation t-test result for TVDI and precipitation，temperature

2.3.1 TVDI與年降水量相關(guān)分析

2001-2015年河南省TVDI與年降水量相關(guān)關(guān)系結(jié)果表明，兩者之間以負相關(guān)關(guān)系為主，說明隨著降水減少，TVDI值變大，則土壤濕度有所降低。相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果表明負相關(guān)占區(qū)域總面積的74.56%，分布范圍廣，其中顯著負相關(guān)區(qū)域占比為3.23%；正相關(guān)區(qū)域占比為25.44%，主要分布在豫西（洛陽及南陽市范圍）和豫中（鄭州及平頂山市范圍），其中顯著正相關(guān)區(qū)域占比僅為0.31%［圖9（a）］。

從偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗結(jié)果來看，TVDI與年降水量同樣以負相關(guān)關(guān)系為主，但又存在差異，負相關(guān)區(qū)域占全域面積的63.74%，其中顯著負相關(guān)區(qū)域面積占比為2.91%［圖9（c）］。相較負相關(guān)系數(shù)，面積減少10.82%，表明氣溫在降水對土壤濕度變化的影響中具有10.82%的作用。

以上結(jié)果表明，在河南省地區(qū)降水對土壤濕度具有促進作用，2001-2015年河南省年降水量呈緩慢下降趨勢，土壤濕度也同樣表現(xiàn)出下降趨勢。同時，也反映出降水、氣溫對土壤濕度存在交叉作用，僅從相關(guān)關(guān)系上不能完整表現(xiàn)出年降水量與土壤濕度的作用關(guān)系，通過引入偏相關(guān)關(guān)系可以得到更為客觀的結(jié)果。

2.3.2 TVDI與年均氣溫相關(guān)分析

2001-2015年河南省TVDI與年均氣溫相關(guān)關(guān)系顯著性分布、偏相關(guān)系數(shù)t檢驗結(jié)果均表明，年均氣溫與TVDI值以正相關(guān)關(guān)系為主，說明隨著氣溫的增加，TVDI值變大，則土壤濕度降低。在相關(guān)系數(shù)顯著性分布統(tǒng)計結(jié)果中，正相關(guān)區(qū)域占全域面積的69.83%，顯著正相關(guān)的面積占比為4.20%；負相關(guān)面積占比為30.17%，主要分布在豫西（南陽市及三門峽市北部范圍），其中顯著正相關(guān)面積占比僅為0.32%［圖9（b）］。

偏相關(guān)系數(shù)的t檢驗結(jié)果中，剔除降水因素的影響后，TVDI與年均氣溫呈正相關(guān)區(qū)域占面積比為65.10%，其中顯著負相關(guān)面積占比為2.23%［圖9（d）］。相較負相關(guān)系數(shù)，面積減少4.73%，表明降水在氣溫對土壤濕度變化的影響中起到4.73%的作用。二者中氣溫的交叉作用（10.82%）要大于降水的交叉作用（4.73%），說明相對于降水，氣溫對河南省土壤濕度變化的影響程度更大，其結(jié)果與龐素菲等的研究結(jié)果一致［23］。

2.3.3 氣溫降水對河南省土壤濕度變化作用分析

河南省南部降水多于北部，年降水量高值主要在豫西伏牛山脈核心區(qū)、豫東黃淮平原和南部大別山區(qū)，北部黃河流域降水較少；年均氣溫存在東西差異，豫西山區(qū)年均氣溫明顯低于其他地區(qū)（圖10）。結(jié)合圖5河南省土壤濕度空間分布可知，豫北山區(qū)和豫西淺山丘陵區(qū)氣溫相對較低，但年降水量也屬于全省最低水平，加之地形陡峭大多降水隨著溝壑迅速排放，可用于土壤存儲的水分較少，因而造成該地區(qū)土壤濕度表現(xiàn)為一般或干旱狀態(tài)。豫西伏牛山脈降水量較高并且年均氣溫為全省最低，該地區(qū)植被以林地為主，保水能力較強，因此伏牛山脈地區(qū)整體呈濕潤狀態(tài)。豫東北部黃衛(wèi)平原年均氣溫偏高且降雨量較低，但作為農(nóng)業(yè)種植地區(qū)，人工灌溉水源補給較多，因此黃衛(wèi)平原呈濕潤狀態(tài)。豫東南部黃淮平原及豫西南陽盆地為河南省年均氣溫峰值地區(qū)，土壤水分蒸發(fā)量大，土壤濕度整體表現(xiàn)為一般狀態(tài)甚至局部地區(qū)出現(xiàn)干旱情況。豫南地區(qū)年均氣溫高，但年降雨量也遠高于其他地區(qū)，土壤水分水源補給充足，因而豫南地區(qū)總體濕潤。

圖10 2001-2015年河南省年降水量、年均氣溫空間分布Fig.10 Distribution of precipitation and temperature in Henan Province during 2001-2015

2001-2015年河南省年降水量在364.21～1 737.47 mm 之間，年均氣溫在4.69～17.75 ℃之間。圖11為2001-2015年河南省TVDI、年降水量和年均氣溫變化趨勢，15年間TVDI呈增長趨勢，有干旱化傾向，而年降水量以9.09 mm/a 的趨勢逐漸減少，年均氣溫則以0.018 ℃/a的趨勢波動上升。一方面降水量減少，致使土壤水源補給減少，尤其是0～10 cm 淺層土壤表現(xiàn)的更為明顯；另一方面氣溫升高影響了土壤溫度的升高，并導致土壤水分蒸發(fā)加強，最終河南省土壤濕度表現(xiàn)出降低趨勢，具有干旱化傾向。

圖11 2001-2015年河南省TVDI、降水及氣溫變化趨勢Fig.11 Variation trend of TVDI，precipitation and temperature in Henan Province during 2001-2015

3 結(jié)論與討論

利用高程數(shù)據(jù)校正MOD11 數(shù)據(jù)，并使用MOD13 和校正后的MOD11 數(shù)據(jù)反演溫度植被干旱指數(shù)TVDI，分析河南省土壤濕度時空分布特征，并結(jié)合2001-2015年氣象因子數(shù)據(jù)，探究了土壤濕度變化與氣溫降水變化的關(guān)系，主要結(jié)論如下。

（1）溫度值被干旱指數(shù)TVDI反演結(jié)果與實測土壤濕度之間具有負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)通過0.05 顯著性檢驗，表明利用MOD11 和MOD13 數(shù)據(jù)反演的TVDI指數(shù)可用于河南省土壤濕度監(jiān)測。

（2）2000-2019年，河南省土壤濕度呈輕微變干趨勢，2000-2011年整體較濕潤（年均TVDI距平值為負），2012-2019年整體較干旱（年均TVDI距平值為正）。土壤濕度分布具有明顯空間分異特性，即豫東、豫南較為濕潤，豫西、豫北及豫中較為干旱。伏牛山脈、南陽盆地和豫北山地具有變干傾向，而豫東平原則干旱化趨勢明顯，豫南地區(qū)持續(xù)變濕，崤山地區(qū)土壤濕度好轉(zhuǎn)明顯，干旱趨勢面積占比（60.27%）大于濕潤趨勢面積占比（29.71%），河南省土壤濕度總體表現(xiàn)為干旱化趨勢。2000-2019年，河南省干旱發(fā)生頻率最高的區(qū)域集中在三門峽至平頂山沿線的峽谷地區(qū)，干旱重心由洛陽市轉(zhuǎn)移至許昌市，轉(zhuǎn)移距離為75.12 km，轉(zhuǎn)移速度為3.95 km/a，干旱發(fā)生區(qū)域在東南方向擴張。

（3）河南省TVDI與年降水量呈負相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。由于TVDI與土壤濕度呈負相關(guān)關(guān)系，故降水量下降，則TVDI數(shù)值升高，土壤濕度減弱；反之，土壤濕度增加。降水、氣溫對土壤濕度變化的影響具有交叉作用，其中氣溫的交叉作用（10.82%）高于降水的作用（4.73%）。2001-2015年，河南省年降水量減少而年均氣溫增加，二者交叉作用下，河南省整體呈干旱化趨勢。

以往基于TVDI指數(shù)的土壤濕度監(jiān)測中，多是對植被生長季或某一特定旱災進行監(jiān)測，而沒有從長時間序列進行年際變化的監(jiān)測，不足以表征區(qū)域真實的土壤濕度變化情況?；陔p拋物線型EVI-LST特征空間計算TVDI，以此反映土壤濕度情況并取得了較好的效果，對河南省近20年土壤濕度變化情況有了系統(tǒng)、客觀的認識。河南省部分地區(qū)為常年高發(fā)旱區(qū)或常年有旱區(qū)，如宜陽縣、澠池縣、伊川縣等，對此應調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效節(jié)水特色農(nóng)業(yè)。在土壤濕度影響因素方面，本文探究了利用相關(guān)-偏相關(guān)分析方法，從時間和空間上定量分析降水、氣溫對土壤濕度的影響作用。但本文只考慮了氣象因素對土壤濕度的影響，豫東平原和南陽盆地作為河南省主要的旱地耕種區(qū)，干旱化趨勢明顯，而豫西、豫南作為河南省主要的林地及水田分布地區(qū)，土壤濕度穩(wěn)定增加，說明不同土地利用類型對土壤濕度的影響程度亦不相同。因此，下一步工作中將結(jié)合土地利用類型、高程、蒸發(fā)、人為因素等作為土壤濕度變化的影響因素進行分析。