汾河流域植被NDVI的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

張 衡，馬義娟*，李樂(lè)樂(lè)，張 廷，周 欣，任 爽

（1.太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植被覆蓋研究是土地科學(xué)和土地管理工作的一項(xiàng)重要任務(wù)，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)、土地覆蓋變化和碳儲(chǔ)量的重要基礎(chǔ)[1-2]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有重要意義。

在全球氣候變化背景下，基于歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的植被覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與氣候?qū)χ脖桓采w變化的影響研究受到廣泛關(guān)注。植被覆蓋變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究主要包括不同流域[3-5]、不同氣候區(qū)[6]、不同植被類型[7]的NDVI時(shí)空變化，如張會(huì)霞等研究發(fā)現(xiàn)汾河流域的植被覆蓋度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并明顯受地形因子的影響[8]。在氣候?qū)χ脖桓采w變化的影響研究方面，研究人員主要利用NDVI研究了長(zhǎng)期氣候變化對(duì)植被覆蓋的影響[9]、氣候因子與植被覆蓋變化的相關(guān)性[10-11]、增溫與干旱對(duì)植被覆蓋變化的影響[12-13]、氣候波動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與物候的影響[14-15]等。管曉祥等研究發(fā)現(xiàn)黃河源區(qū)植被NDVI 與氣溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，但與降水的相關(guān)性不明顯[16]。汪柳皓等認(rèn)為青藏高原地區(qū)植被指數(shù)變化與地表溫度和降水存在一定的相關(guān)性，并存在明顯的區(qū)域差異[17]。

汾河流域位于我國(guó)半干旱半濕潤(rùn)過(guò)渡地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)區(qū)域環(huán)境變化響應(yīng)敏感。近年來(lái)，因受到氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響，汾河流域氣候及其植被覆蓋發(fā)生了深刻變化。因此，對(duì)汾河流域植被覆蓋情況及其影響因素的相關(guān)研究具有重要意義。本研究通過(guò)分析2001—2019年汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)、空間聚類狀況以及流域氣溫和降水的時(shí)空變化趨勢(shì)，探討NDVI對(duì)氣溫與降水量的響應(yīng)，以期在氣候變化背景下為汾河流域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河發(fā)源于山西省寧武縣管涔山，位于黃土高原東部，是黃河第二大支流，流域面積達(dá)3.9×104km2，約占山西省總面積的25%。汾河?xùn)|臨太行山脈，西靠呂梁山脈，自北向南流經(jīng)太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地，在萬(wàn)榮縣匯入黃河。汾河干流全長(zhǎng)694 km，以太原市上蘭村和洪洞縣石灘村為界，流域分為上、中、下游（圖1）。汾河流域?qū)儆诖箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，地處半干旱半濕潤(rùn)氣候過(guò)渡帶，是山西省人口密集地區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人地矛盾突出，生態(tài)環(huán)境脆弱。

圖1 汾河流域地理位置Figure 1 Geographical location of the Fenhe River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）下載得到，空間分辨率為90 m × 90 m。2001—2019 年MODIS 數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（https://search.earthdata.nasa.gov/search）。MODIS 遙感產(chǎn)品為MOD13Q1，選取NDVI，為16 d 合成數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m×250 m，使用最大值合成法計(jì)算得到研究區(qū)季度最大NDVI數(shù)據(jù)和年最大NDVI數(shù)據(jù)。2001—2019年降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)下載自國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://www.geodata.cn/），為NETCDF 格式的月數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1 000 m×1 000 m。利用ArcGIS 10.8軟件處理降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，生成季度和年降水?dāng)?shù)據(jù)集以及季度和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用WGS1984坐標(biāo)系，空間分辨率為250 m×250 m。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析

采用一元線性回歸趨勢(shì)分析法從像元尺度上模擬2001—2019年NDVI和氣候因子的時(shí)空變化趨勢(shì)，即以年或季度為自變量，以各像元的NDVI和氣候因子為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析。計(jì)算公式為

式中，slope表示變量回歸方程的斜率，n表示年跨度，i表示年份，yi表示第i年的NDVI、氣溫與降水量數(shù)據(jù)。slope＞0表示變量呈增加趨勢(shì)，slope＜0表示變量呈減少趨勢(shì)。

1.3.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是對(duì)變量在不同空間位置上屬性值聚集程度的一種度量，局部空間自相關(guān)（Local indicators of spatial association，LISA）分析采用局部Moran′sI度量空間要素區(qū)域相似程度的聚集狀況，以此表現(xiàn)空間要素的聚集和分異特征[18]。本研究對(duì)汾河流域植被NDVI進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，采用LISA集聚圖分析其集聚或離散的空間特征。將NDVI劃分為高-高聚集型、低-低聚集型、高-低聚集型、低-高聚集型和不顯著相關(guān)型5種不同類型。其中，高-高聚集型和低-低聚集型為正相關(guān)類型，表示NDVI空間聚合程度較高；高-低聚集型和低-高聚集型為負(fù)相關(guān)類型，表示NDVI空間結(jié)構(gòu)呈離散特征；不顯著相關(guān)型表示NDVI無(wú)明顯的集聚或離散特征。引入單變量空間自相關(guān)分析法，以汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)值為ID變量，采用Queen鄰接法確定空間權(quán)重，在z檢驗(yàn)P＜0.05的基礎(chǔ)上繪制NDVI變化趨勢(shì)的LISA圖。局部Moran′sI指數(shù)通常用LISA統(tǒng)計(jì)量表示，局部空間自相關(guān)計(jì)算模型為[19]

式中，I為局部Moran′sI指數(shù)，n代表研究對(duì)象的個(gè)數(shù)，wij代表空間要素i和要素j的權(quán)重，xi-xˉ和xj-xˉ分別是第i、j個(gè)空間單元上的觀測(cè)值與平均值的偏差。

1.3.3 相關(guān)性分析

利用相關(guān)性分析研究汾河流域年際氣溫變化、年際降水量變化與NDVI的相關(guān)性。計(jì)算公式為

式中，R表示變量x和y的相關(guān)系數(shù)，xi表示第i年或季度的NDVI，yi表示第i年或季度的氣候因子的值，xˉ和yˉ分別表示NDVI和氣候因子n年或季度的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 汾河流域植被NDVI空間特征

2.1.1 汾河流域植被NDVI空間分布特征及變化趨勢(shì)

汾河流域2001—2019年平均NDVI為0.678（圖2a）。從空間分布看，汾河流域多年平均NDVI表現(xiàn)為盆地地區(qū)低、流域東西兩側(cè)山地地區(qū)高，并整體隨著海拔的升高而增加。根據(jù)趨勢(shì)斜率大小將NDVI的變化趨勢(shì)劃分為4類：明顯減少（slope≤-0.1/10 a）、微弱減少（-0.1/10 a ＜slope≤0）、微弱增加（0 ＜slope≤0.1/10 a）、明顯增加（slope＞0.1/10 a）。

圖2 2001—2019年汾河流域植被NDVI空間分布及變化趨勢(shì)Figure 2 Spatial distribution and change trend of NDVI in the Fenhe River Basin from 2001 to 2019

從季節(jié)尺度看，汾河流域2001—2019年春季、夏季、秋季和冬季的平均NDVI分別為0.478、0.674、0.551和0.258。汾河流域春季NDVIslope值為0.055/10 a（圖2b），上游地區(qū)多為增加趨勢(shì)，中游和下游地區(qū)多為減少趨勢(shì)；夏季NDVIslope值為0.082/10 a（圖2c），上游和下游地區(qū)多為增加趨勢(shì)，中游帶狀地區(qū)為減少趨勢(shì)；秋季NDVIslope值為0.062/10 a（圖2d），中游盆地地區(qū)呈明顯的減少趨勢(shì)；冬季的NDVIslope值為0.041/10 a（圖2e），整體呈微弱增加趨勢(shì)，并由南向北逐漸增強(qiáng)。整體上，不同季節(jié)汾河流域植被NDVI的增長(zhǎng)幅度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季。從全年來(lái)看（圖2f），汾河流域近20年NDVIslope值為0.075/10 a，呈微弱增加趨勢(shì)。其中，呈增加趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在流域的上游、下游以及東西兩側(cè)山地地區(qū)；中游部分地區(qū)的NDVI呈減小趨勢(shì)，并呈帶狀分布。

2.1.2 汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)LISA集聚

汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)的LISA集聚結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 2001—2019年汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)LISA集聚圖Figure 3 LISA aggregation map of change trend of NDVI in the Fenhe River Basin from 2001 to 2019

春季，高-高聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的33.23%，主要分布在上游地區(qū)和中游環(huán)太原盆地地區(qū)，為流域NDVI高值區(qū)，適宜植被生長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境優(yōu)越；低-低聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的22.04%，主要分布在中游和下游的盆地地區(qū)（圖3a）。夏季，高-高聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的32.48%，分布較為分散，主要集中在上游和下游地區(qū)；低-低聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的25.83%，主要分布在中游地區(qū)（圖3b）。秋季，高-高聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的35.31%，集中分布在流域兩側(cè)山地地區(qū)；低-低聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的17.57%，集中在太原盆地地區(qū)（圖3c）。冬季，低-低聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的28.79%，集中分布在中游和下游地區(qū)；高-高聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的18.41%，集中分布在中游和上游山地地區(qū)（圖3d）。從全年看，高-高聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的36.13%，集中分布在流域兩側(cè)山地地區(qū)；低-低聚集型區(qū)域面積占汾河流域總面積的21.87%，主要分布在中游地區(qū)（圖3e）。低-高聚集型和高-低聚集型區(qū)域在全年和各季節(jié)分布均較少，反映出汾河流域植被NDVI空間聚合程度較高。

2.2 汾河流域氣溫與降水量空間分布特征及變化趨勢(shì)

2.2.1 汾河流域氣溫空間分布特征及變化趨勢(shì)

汾河流域氣溫空間分布特征及變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 2001—2019年汾河流域氣溫空間分布及變化趨勢(shì)Figure 4 The spatial distribution and change trend of temperature in the Fenhe River basin from 2001 to 2019

汾河流域2001—2019年平均氣溫為10.12 ℃（圖4a），從空間分布看，盆地地區(qū)氣溫較高，流域東西兩側(cè)山地地區(qū)氣溫較低，整體上由南向北氣溫逐漸降低。從季節(jié)尺度看，春季、夏季、秋季和冬季的多年平均氣溫分別為11.39、21.68、10.12和-2.69 ℃。汾河流域的春季氣溫slope值為0.069 ℃/a（圖4b），太原盆地和臨汾盆地升溫較快，上游地區(qū)升溫較緩。汾河流域的夏季氣溫slope值為0.036 ℃/a（圖4c），流域兩側(cè)山地地區(qū)氣溫多為下降趨勢(shì)，盆地地區(qū)氣溫多為上升趨勢(shì)，氣溫變化趨勢(shì)的空間差異較大。汾河流域的秋季氣溫slope值為0.024 ℃/a（圖4d），山地地區(qū)氣溫主要呈下降趨勢(shì)，盆地地區(qū)氣溫上升較緩。汾河流域的冬季氣溫slope值為0.021 ℃/a（圖4e），上游地區(qū)氣溫為上升趨勢(shì)，下游地區(qū)氣溫為下降趨勢(shì)，氣溫變化趨勢(shì)的南北差異較大?？梢?jiàn)，不同季節(jié)汾河流域氣溫的上升幅度表現(xiàn)為春季＞夏季＞秋季＞冬季。汾河流域的全年氣溫slope值為0.038 ℃/a（圖4f），全流域氣溫均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其中太原盆地升溫最為明顯。

2.2.2 汾河流域降水空間分布特征及變化趨勢(shì)

汾河流域2001—2019年平均降水量為508.48 mm（圖5a）。從空間分布看，汾河流域降水量整體由南向北遞減，其中流域東北部降水量最少。從季節(jié)尺度看，汾河流域春季、夏季、秋季和冬季的多年平均降水量分別為74.43、287.62、133.64和12.78 mm。汾河流域的春季降水量slope值為0.496 mm/a（圖5b），流域南部降水量增加明顯，北部降水量變化微弱，整體上降水量增加趨勢(shì)強(qiáng)度為由南向北遞減。汾河流域的夏季降水量slope值為3.210 mm/a（圖5c），中游地區(qū)降水量增加明顯，下游地區(qū)降水量增加最少。汾河流域的秋季降水量slope值為-0.338 mm/a（圖5d），中游和下游地區(qū)降水量主要表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，上游地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。汾河流域的冬季降水量slope值為-0.284 mm/a（圖5e），全流域基本表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，中下游地區(qū)減少明顯?？梢?jiàn)，不同季節(jié)汾河流域降水量的增加趨勢(shì)強(qiáng)度表現(xiàn)為夏季＞春季＞冬季＞秋季。汾河流域的全年降水量slope值為3.084 mm/a（圖5f），這主要是由于汾河流域降水集中在夏季，夏季降水量變化主導(dǎo)了全年降水趨勢(shì)，其降水量增加趨勢(shì)強(qiáng)度表現(xiàn)為北高南低，下游地區(qū)增加最少。

圖5 2001—2019年汾河流域降水空間分布及變化趨勢(shì)Figure 5 The spatial distribution and change trend of precipitation in the Fenhe River Basin from 2001 to 2019

2.3 汾河流域氣溫、降水量與NDVI的相關(guān)性分析

2.3.1 汾河流域氣溫與NDVI的相關(guān)性分析

從季節(jié)尺度看，2001—2019 年汾河流域春季（r= 0.512，R2= 0.203，P= 0.053）、夏季（r= 0.200，R2=0.040，P=0.412）、秋季（r=0.021，R2=0.001，P=0.931）和冬季（r=0.145，R2=0.021，P=0.554）的年際氣溫變化與NDVI變化均呈正相關(guān)，但均不顯著（圖6）。不同季節(jié)的相關(guān)性大小表現(xiàn)為春季＞夏季＞冬季＞秋季。從全年看，汾河流域年際氣溫變化未對(duì)NDVI 變化產(chǎn)生顯著影響（r=0.224，R2=0.050，P=0.358）（圖6e）。因此，汾河流域植被NDVI對(duì)年際氣溫變化響應(yīng)不顯著。

圖6 2001—2019年汾河流域氣溫與NDVI的相關(guān)性擬合Figure 6 Correlation between temperature and NDVI in the Fenhe River Basin from 2001 to 2019

2.3.2 汾河流域降水量與NDVI的相關(guān)性分析

2001—2019 年，汾河流域春季的年際降水量變化和NDVI 變化顯著正相關(guān)（r= 0.512，R2= 0.262，P=0.025）（圖6a）；夏季的年際降水量變化和NDVI變化顯著正相關(guān)（r=0.514，R2=0.264，P=0.024）（圖6b）；秋季的年際降水量變化和NDVI變化正相關(guān)，冬季的年際降水量變化和NDVI變化負(fù)相關(guān)，但均不顯著（圖6c、圖6d）。不同季節(jié)的相關(guān)性大小表現(xiàn)為夏季＞春季＞冬季＞秋季。從全年來(lái)看，汾河流域年際降水量變化和NDVI變化無(wú)顯著相關(guān)性（r=0.410，R2=0.168，P=0.081）（圖6e）?？梢?jiàn)，汾河流域不同季節(jié)NDVI對(duì)年際降水量變化存在不同程度的響應(yīng)。

圖7 2001—2019年汾河流域降水量與NDVI的相關(guān)性擬合Figure 7 Correlation between precipitation and NDVI in the Fenhe River Basin from 2001 to 2019

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）2001—2019年汾河流域植被NDVI表現(xiàn)為盆地地區(qū)較低，流域東西兩側(cè)山地地區(qū)較高，并整體隨著海拔的升高而增加。近20 a NDVI整體呈微弱增加趨勢(shì)，其中山地地區(qū)NDVI增加趨勢(shì)明顯，盆地地區(qū)NDVI多呈減少趨勢(shì)；夏季NDVI增加最為明顯，冬季NDVI增加最緩。

（2）汾河流域植被NDVI變化趨勢(shì)的LISA集聚圖表明，春季上游地區(qū)和中游環(huán)太原盆地地區(qū)主要為高-高聚集型，為流域NDVI高值區(qū)；夏季高-高聚集型部分轉(zhuǎn)移到下游地區(qū)；秋季在中游太原盆地形成一個(gè)NDVI低值中心，為低-低聚集型；冬季氣候寒冷，使得大部分地區(qū)NDVI為低-低聚集型。

（3）2001—2019年汾河流域氣溫和降水量整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，并存在明顯空間差異。NDVI對(duì)降水量的響應(yīng)要強(qiáng)于對(duì)氣溫的響應(yīng)。在季節(jié)尺度上，各季節(jié)年際氣溫變化未對(duì)NDVI產(chǎn)生顯著影響，而夏季的年際降水量變化對(duì)NDVI的影響最為顯著。

3.2 討論

2001—2019年汾河流域?yàn)樯郎刳厔?shì)，這與Meng等對(duì)黃土高原相關(guān)研究的結(jié)果相似[20]。從不同區(qū)域看，流域內(nèi)升溫幅度差異較大，太原盆地和臨汾盆地升溫最明顯，可能是由盆地地區(qū)城市和人口相對(duì)集中造成[21]。在季節(jié)尺度上，汾河流域夏季降水量增加趨勢(shì)最為明顯，可能由于汾河流域?yàn)榇箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，夏季降水集中且變化更為明顯。

汾河流域植被NDVI 呈微弱增加趨勢(shì)，這與白建偉的研究結(jié)果相似[22]。在流域內(nèi)不同區(qū)域，山地地區(qū)NDVI增加趨勢(shì)明顯，可能是由于山地地區(qū)人類活動(dòng)較少且較適宜植樹(shù)造林，導(dǎo)致林地面積增加[23]；盆地地區(qū)NDVI多呈減小趨勢(shì)，主要原因是該地區(qū)為山西省人口較稠密、城市化水平較高以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，擠占了大量林地和草地[24]。從季節(jié)尺度看，近20 a來(lái)汾河流域不同季節(jié)植被NDVI增長(zhǎng)趨勢(shì)強(qiáng)度表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季。可能是由于汾河流域夏季的水熱條件最好，利于植被的快速恢復(fù)和生長(zhǎng)；春季是主要的植樹(shù)造林季節(jié)，人為導(dǎo)致的植被增加明顯[23]；冬季的植被存活率最低，進(jìn)而影響了NDVI變化。

汾河流域植被NDVI對(duì)氣溫和降水量的響應(yīng)較弱，可能是由于流域內(nèi)部自然環(huán)境差異較大，氣溫、降水量和NDVI的相關(guān)性存在區(qū)域正負(fù)波動(dòng)，導(dǎo)致整體上其相關(guān)性較低[25]。有研究表明，汾河流域北部的植被生產(chǎn)力與氣溫主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而流域南部的植被生產(chǎn)力與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系[26]，進(jìn)而表現(xiàn)為年際氣溫變化對(duì)汾河流域NDVI整體變化的相關(guān)性較弱。同時(shí)，可能由于研究時(shí)間范圍較短，年際氣溫變化較小，對(duì)植被生長(zhǎng)影響不明顯。降水量與NDVI 的相關(guān)性相對(duì)較強(qiáng)，這與朱小聰?shù)鹊陌l(fā)現(xiàn)一致[26]，一方面，可能是由于近20 a來(lái)汾河流域降水量的變化較大，對(duì)NDVI 產(chǎn)生了較明顯的影響；另一方面，汾河流域?yàn)榘敫珊蛋霛駶?rùn)過(guò)渡地區(qū)，近20 a來(lái)年平均降水量?jī)H為508.48 mm，植被受水分制約較大，對(duì)降水變化較為敏感[27]。

汾河流域春季的年際氣溫變化對(duì)NDVI的影響最強(qiáng)，可能是由于春季氣溫較低，同時(shí)是植被重要的生長(zhǎng)期，對(duì)氣溫變化較敏感。汾河流域夏季的年際降水量變化對(duì)NDVI的影響最強(qiáng)，這與安曉丹等的研究結(jié)果一致[28]，可能是由于該地區(qū)降水集中在夏季，夏季降水量對(duì)植被生長(zhǎng)影響明顯。汾河流域冬季的年際降水量變化與NDVI 變化存在一定負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是由于冬季氣溫低，較多降水反而易導(dǎo)致植被遭受凍害[29]，降低了流域NDVI。

除氣候因子外，汾河流域多樣的土壤類型也是NDVI變化的重要影響因子[30]。王競(jìng)等研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)修復(fù)政策、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張以及退耕還林還草工程等人為因素對(duì)汾河流域植被變化具有顯著影響[31]。本研究?jī)H考慮了汾河流域近20 a 的NDVI 變化特征，未來(lái)需進(jìn)一步分析長(zhǎng)時(shí)間序列的植被變化與氣候因子的相互關(guān)系。