淮河流域植被變化及影響因素分析

賀巧寧，徐金夢(mèng)，李鑫川

（淮陰師范學(xué)院 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 淮安 223300）

0 引言

植被變化對(duì)水文、生態(tài)環(huán)境和氣候產(chǎn)生重要影響，可作為氣候和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境敏感性的指標(biāo)。持續(xù)顯著的氣候變化和日益增強(qiáng)的人類(lèi)活動(dòng)已對(duì)全球植被造成嚴(yán)重影響。因此，研究植被變化規(guī)律以及分析植被變化的影響因素具有重要意義。

歸一化植被指數(shù)可反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)和長(zhǎng)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于研究區(qū)域乃至全球植被覆蓋狀況變化。嚴(yán)登明等利用MODIS 時(shí)序數(shù)據(jù)分析了淮河流域土地利用時(shí)空格局動(dòng)態(tài)及其植被覆蓋變化；王情等研究了淮河流域植被覆蓋時(shí)空變化，包括月變化規(guī)律、年際變化趨勢(shì)和不同景觀類(lèi)型的植被指數(shù)變化趨勢(shì)等[1]；史曉亮等利用MODIS NDVI 遙感影像數(shù)據(jù)與TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，采用降水距平百分率（Pa）作為氣象干旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了2001-2016 年淮河流域植被NDVI 和降水異常百分比的年際變化特征及其相關(guān)性[2]。這些研究主要探討了淮河流域植被覆蓋的時(shí)空變化以及氣象因子對(duì)植被變化的影響，鮮少關(guān)注植被變化的人為影響因素。美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星線性?huà)呙铇I(yè)務(wù)系統(tǒng)傳感器獲取的夜間燈光數(shù)據(jù)與用電水平、經(jīng)濟(jì)水平和人口數(shù)量有很強(qiáng)的相關(guān)性，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)城市化進(jìn)程和人類(lèi)活動(dòng)[3]。有鑒于此，文章擬選用DMSP 燈光數(shù)據(jù)并結(jié)合溫度和降水等氣象數(shù)據(jù)探討淮河流域植被變化對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)。

淮河流域是典型的氣候過(guò)渡帶地區(qū)，兼具南北氣候特征[4]。因此，在南北氣候的共同作用下，流域內(nèi)植被變化存在顯著差異。同時(shí)，在國(guó)家政策支持下，各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化水平日益提高，使得各個(gè)地區(qū)土地利用方式發(fā)生了顯著變化[5]。然而，已有研究較為關(guān)注淮河流域植被變化與自然因素之間的關(guān)系，對(duì)其與人類(lèi)活動(dòng)之間的關(guān)系以及自然因素和人類(lèi)活動(dòng)兩種因素誰(shuí)占主導(dǎo)地位的研究關(guān)注較少。為此，本研究擬基于NDVI 數(shù)據(jù)，分析2000-2013 年淮河流域植被時(shí)空變化特征，在此基礎(chǔ)上結(jié)合2000-2013 年淮河流域氣溫、降水和夜間燈光數(shù)據(jù)探討淮河流域植被NDVI 變化對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)，以期為中國(guó)快速城鎮(zhèn)化背景下和“雙碳”目標(biāo)下的區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

淮河流域地處中國(guó)東部，介于長(zhǎng)江和黃河兩流域之間，地理位置在E111°55′～121°20′，N30°55′～36°20′之間，面積約為27 萬(wàn)km2?；春恿饔虻奈鞑俊⑽髂喜恳约皷|北部為山區(qū)，其余為廣闊的平原，山區(qū)多于平原，沿海大于內(nèi)陸，流域植被類(lèi)型主要為各類(lèi)農(nóng)作物、灌叢、森林及草甸等?；春恿饔蛭挥谥袊?guó)南北氣候的交界處，其南部大部分為亞熱帶季風(fēng)及濕潤(rùn)性氣候，北部多為溫帶季風(fēng)氣候；其氣溫及降水基本呈由南向北遞減分布。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

2.1.1 植被數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

MOD09Q1 反射率數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)LP DAAC的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品?；春恿饔蚍秶x用h27v05 和h28v05 進(jìn)行拼接和投影轉(zhuǎn)換。MOD09Q1 反射率數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為8d，空間分辨率為250m，用近紅外波段和紅波段計(jì)算出淮河流域植被NDVI。

每8d 的MOD09Q1 反射率數(shù)據(jù)是基于每天的反射率數(shù)據(jù)采用最大值合成法以消除云和氣溶膠等的影響而生成的影像[6]。論文先對(duì)8d 合成的NDVI數(shù)據(jù)運(yùn)用S-G 濾波進(jìn)行平滑，后經(jīng)平均計(jì)算得到月、季節(jié)和年尺度的NDVI。

2.1.2 降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

論文選用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn），選取淮河流域及其周邊70個(gè)氣象站點(diǎn)的日尺度降水量和氣溫?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理中先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)與控制，然后采用克里金插值方法進(jìn)行空間插值，最后利用淮河流域邊界進(jìn)行掩膜提取，得到流域內(nèi)降水和氣溫的空間分布。

2.1.3 城市化水平數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

在本次研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果采取傳統(tǒng)的方法來(lái)分析淮河流域城市化發(fā)展水平，需要用到大量社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但是由于淮河流域不是一個(gè)統(tǒng)計(jì)口徑的行政區(qū)劃[7]，各區(qū)域之間在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有所差異，因此論文采用夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)反映城市化水平。研究所用夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)軍事氣象衛(wèi)星DMSP，空間分辨率為1000m。文章提取了2000-2013 年淮河流域14a 的燈光數(shù)據(jù)，并對(duì)流域范圍的穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器間相互校正、同年多傳感器校正和連續(xù)性校正，生成了適用于淮河流域的長(zhǎng)時(shí)間序列的燈光數(shù)據(jù)集[8]。

由于不同數(shù)據(jù)類(lèi)型具有不同的分辨率且考慮到最低分辨率，因此將地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算的NDVI值和氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣至1km×1km 的空間分辨率，以便進(jìn)行空間分析與對(duì)比[16]。

2.2 研究方法

2.2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)用于研究變量之間的線性相關(guān)程度，本文選用相關(guān)系數(shù)表征淮河流域植被NDVI 與燈光數(shù)據(jù)DMSP、氣溫和降水的關(guān)聯(lián)程度[9]，計(jì)算公式為：

其中，為與的協(xié)方差，為的方差，為的方差。

2.2.2 變化趨勢(shì)分析

文章選用線性擬合方程對(duì)淮河流域NDVI 的年變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合。擬合方程為，其中，a 為NDVI 隨著時(shí)間x 變化的回歸系數(shù)；x 為時(shí)間，y 為NDVI，計(jì)算公式為：

式中，n 為研究時(shí)段的長(zhǎng)度，為第i 年的NDVI。a ＞0 表 示NDVI 呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，a ＜0 表示NDVI 呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。使用P 值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P ＜0.05 為顯著，P ＜0.01 為極顯著。結(jié)合回歸系數(shù)大小和顯著性水平，論文將變化趨勢(shì)分為5 個(gè)等級(jí)，NDVI 變化趨勢(shì)分級(jí)表，見(jiàn)表1。

表1 NDVI 變化趨勢(shì)分級(jí)表

3 結(jié)果與討論

3.1 淮河流域植被NDVI 時(shí)空變化特征

3.1.1 植被NDVI分布特征

2000-2013 年淮河流域年均NDVI 在空間分布上存在明顯的空間異質(zhì)性，2000-2013 年淮河流域年均NDVI 空間分布圖，見(jiàn)圖1。江蘇省區(qū)域NDVI年均值要高于山東省、安徽省和河南省，其多年平均NDVI 值為0.44，其他三?。ㄉ綎|省、安徽省和河南省）的年均NDVI 值分別為0.39、0.43 和0.43。淮河流域內(nèi)平原地區(qū)NDVI 值較小，普遍介于0.4-0.5 之間；山區(qū)NDVI 值較大，如大別山區(qū)、伏牛山區(qū)和桐柏山區(qū)，多介于0.5-0.6 之間，其中大別山區(qū)NDVI 普遍＞0.6，是流域內(nèi)NDVI 最高值區(qū)域。沂蒙山區(qū)NDVI 值較小，多年平均NDVI 值介于0.3-0.4 之間。

圖1 2000-2013 年淮河流域年均NDVI 空間分布圖

3.1.2 植被NDVI變化特征

2000-2013年淮河流域年均NDVI呈顯著增加趨勢(shì)，淮河流域2000-2013年年均NDVI變化，見(jiàn)圖2。整個(gè)研究期內(nèi)，流域平均年NDVI以0.57%/a（P<0.05）速率增加。其中，在2000-2007年NDVI增長(zhǎng)速率較快（1.22%/a（P<0.05））；2008-2013年流域內(nèi)NDVI值增長(zhǎng)速率變緩，以每年0.56%（P<0.05）的速率緩慢上升。研究期內(nèi)，2000年NDVI值最小，為0.37；2007年NDVI達(dá)到最大值0.47?；春恿饔騈DVI值整體呈逐年上升的趨勢(shì)，這與前人關(guān)于淮河流域絕大部分地區(qū)NDVI有顯著增加趨勢(shì)的研究結(jié)果相一致[10]。此外，從植被NDVI的動(dòng)態(tài)變化中可以反映出淮河流域生態(tài)質(zhì)量的變化，體現(xiàn)了淮河流域內(nèi)各地政府對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)的保護(hù)以及生態(tài)建設(shè)的重視。

圖2 淮河流域2000-2013 年年均NDVI 變化

空間分布上，在2000-2013 年，淮河流域植被NDVI 總體呈變綠趨勢(shì)，淮河流域2000-2013 年NDVI 變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖3。這主要是由于淮河流域近年來(lái)大力發(fā)展平原林業(yè)以及農(nóng)業(yè)，平原地區(qū)植被覆蓋有所改善。淮河流域西部山區(qū)地區(qū)植被茂盛，NDVI 總體亦呈增加趨勢(shì)。在一些城市及周邊地區(qū)，植被NDVI 呈減少趨勢(shì)，這可能是由于城市化發(fā)展導(dǎo)致部分耕地和草地被建設(shè)用地占用，植被覆蓋下降。從各省來(lái)看，河南省西南部地區(qū)NDVI 極顯著增加；山東省中部地區(qū)和江蘇省東南部地區(qū)呈顯著減少趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)江蘇省的鹽城、泰州和揚(yáng)州等地區(qū)由于城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)耕面積減少，NDVI 顯著減少。

圖3 淮河流域2000-2013 年NDVI 變化趨勢(shì)

3.2 植被NDVI 變化的影響因素

3.2.1 氣象因子對(duì)植被變化的影響

植被受人類(lèi)活動(dòng)、氣候因子、地形地貌等多種因素影響[11]，其中降水量和氣溫是影響植被變化的主要?dú)夂蛞蜃?。文章根?jù)淮河流域及其周?chē)?0 個(gè)氣象站點(diǎn)，利用2000-2013 年中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，計(jì)算獲得淮河流域年平均氣溫和年降水量。

3.2.2 氣溫和NDVI的關(guān)系

淮河流域年均氣溫在空間上呈現(xiàn)由南向北遞減的空間分布特征。溫度低值主要位于沂蒙山區(qū)，多年平均溫度為12～14℃；溫度高值主要位于城市及其周邊地區(qū)，多年均溫在16～17℃。流域內(nèi)年均氣溫年際波動(dòng)較大，最低值出現(xiàn)在2003 年，年均氣溫為14.4℃，最高值出現(xiàn)在2006 年，年均氣溫為15.6℃。2000-2013 年淮河流域NDVI 與氣溫之間的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，在2000-2013 年期間，淮河流域內(nèi)氣溫的變化與植被變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.3。

圖4 2000-2013 年淮河流域NDVI 與氣溫之間的相關(guān)關(guān)系

3.2.3 降水和NDVI的關(guān)系

2000-2013 年，淮河流域內(nèi)年降水量呈現(xiàn)由南向北遞減的分布特征，其中，大別山區(qū)降水量最大，年降水量在1000mm 以上；魯西平原北部和豫東平原北部年降水量在700mm 左右，降水量較小。流域內(nèi)降水量年際變化顯著，其中，2001 年降水量最小，為656mm；2003 年降水量最大，為1289mm；多年平均降水量值為892mm。在研究期內(nèi)，2001 年流域總降水量驟降，干旱強(qiáng)度大，這與鄭曉東[12]、謝五三[13]的研究結(jié)果一致。

對(duì)比淮河流域年均NDVI 變化規(guī)律可知，植被NDVI 年變化與降水量的年變化并不一致，說(shuō)明植被NDVI 值的變化不僅受降水量變化的影響，還受其他自然因素和人為因素綜合疊加影響。由圖5 可知，NDVI 與降水之間的相關(guān)性較小，相關(guān)系數(shù)為0.18，表明研究期內(nèi)淮河流域植被的生長(zhǎng)受降水量的影響較小。

圖5 2000-2013 年淮河流域NDVI 與降水之間的相關(guān)關(guān)系

3.2.4 城市化過(guò)程對(duì)植被變化的影響

隨著淮河流域內(nèi)城市快速發(fā)展，熱島效應(yīng)增強(qiáng)，對(duì)流域內(nèi)局地氣候造成影響，從而對(duì)流域內(nèi)植被生長(zhǎng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此研究城市化進(jìn)程對(duì)植被變化影響有重要意義。文章基于2000-2013 年DMSP/OLS 夜間遙感數(shù)據(jù)，處理得到淮河流域城市夜間燈光數(shù)據(jù)，并用此夜間燈光數(shù)據(jù)分布反映城市的擴(kuò)展情況和人類(lèi)活動(dòng)的變化。利用DN 值的大小衡量城市化水平，城市化水平越高，DN 值越大。

淮河流域內(nèi)各城市城市化水平呈現(xiàn)明顯的差異性?；春恿饔蛭鞅辈康暮幽鲜∴嵵菔屑捌渲?chē)鞘谢潭容^高，山東省南部的臨沂市和濟(jì)寧市以及江蘇省的徐州市、揚(yáng)州市和淮安市城市化水平次之，安徽省城市化水平整體較低。

從2000-2013 年淮河流域年均燈光亮度值的變化圖中可以看出，2000-2013 年淮河流域城市化水平逐年增加，2000-2013 年淮河流域年均燈光亮度值的變化（左）和植被NDVI 與DMSP 之間的相關(guān)關(guān)系（右），見(jiàn)圖6。2000-2005 年城市化發(fā)展速度較穩(wěn)定，從2006 年開(kāi)始，增長(zhǎng)速度加快，這一現(xiàn)象是由于各地工業(yè)發(fā)展，帶動(dòng)城市化發(fā)展，使得城市范圍迅速擴(kuò)張。

圖6 2000-2013 年淮河流域年均燈光亮度值的變化（左）和植被NDVI 與DMSP 之間的相關(guān)關(guān)系（右）

淮河流域植被NDVI 與DMSP 呈正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性較強(qiáng)，反映了淮河流域內(nèi)各城市在發(fā)展的同時(shí)，也注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。前人的研究表明，淮河流域內(nèi)的城市可以充分利用銜接南北地區(qū)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)南北地區(qū)的資源調(diào)度來(lái)促進(jìn)發(fā)展，而對(duì)于城市化發(fā)展較為緩慢的城市，可以合理利用當(dāng)?shù)氐臈l件來(lái)發(fā)展，例如將高污染產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)換為低污染產(chǎn)業(yè)，合理利用土地類(lèi)型，推動(dòng)旅游等第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而提高城市化水平[14]。

綜合上述淮河流域NDVI 與DMSP、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性分析可知：NDVI與DMSP 呈正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性較強(qiáng)，NDVI 與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系但相關(guān)性較弱，NDVI 與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性極低。由此可見(jiàn)，在2000-2013 年期間，對(duì)淮河流域植被NDVI 變化影響最大的因素是城市發(fā)展，其次是氣溫，降水量的影響最小。由此可見(jiàn)，城市化進(jìn)程是影響淮河流域植被變化的主導(dǎo)因素。

4 結(jié)論

論文基于MODIS MOD09Q1 反射率數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和DMSP 燈光數(shù)據(jù)，分析了2000-2013 年淮河流域植被NDVI 的時(shí)空變化特征，在此基礎(chǔ)上結(jié)合淮河流域氣溫和降水的時(shí)空變化特征和流域內(nèi)城市化發(fā)展進(jìn)程，探討了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)淮河流域植被變化的影響。主要研究結(jié)論包括：

1）2000-2013 年淮河流域年均NDVI 在空間分布上呈現(xiàn)明顯差異，江蘇省NDVI 年均值要高于山東省、安徽省和河南省。淮河流域年均NDVI 值在0.37-0.47 之間，呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)?？臻g分布上，在2000-2013 年，淮河流域植被NDVI 總體呈變綠趨勢(shì)。

2）2000-2013 年淮河流域年降水量和年均氣溫在空間上呈由南向北遞減的分布特征。流域內(nèi)年均氣溫變化穩(wěn)定，城市及其周?chē)貐^(qū)溫度較高。流域內(nèi)年降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，年際波動(dòng)較大。2000-2013 年間，植被NDVI 與氣溫呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，與降水呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）2000-2013 年淮河流域城市燈光數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不同城市之間存在一定的差異。研究期內(nèi)，植被NDVI 與DMSP 呈顯著正相關(guān)關(guān)系。在城市化進(jìn)程中，植被NDVI 亦在提升，說(shuō)明淮河流域各城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也關(guān)注生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。在影響淮河流域植被變化的因素中，人類(lèi)活動(dòng)占主導(dǎo)地位，降水量與氣溫變化的影響較小，且氣溫的影響程度要高于降水量的影響程度。