基于NDVI的喀斯特地區(qū)植被對氣候變化的響應(yīng)研究
——以貴州省六盤水市為例

張勇榮，周忠發(fā)，馬士彬，張躍紅

植被是生物圈的主要組成部分之一，與大氣圈、水圈、巖石圈、人類圈構(gòu)成了一個有機的整體，其它圈層的變化會不同程度地影響植被的空間特征，所以植被在全球變化研究中能夠起到“指示器”的作用［1］。探討植被與氣候變化之間的關(guān)系是全球氣候變化研究的關(guān)鍵課題［2］，植被對氣候變化響應(yīng)的研究可以揭示地表各圈層間的相互響應(yīng)機制，對研究生態(tài)環(huán)境演變、全球碳循環(huán)模式等具有現(xiàn)實意義。遙感數(shù)據(jù)因其在時間和空間上具備的連續(xù)性，被認為是監(jiān)測全球和區(qū)域植被變化最有效的數(shù)據(jù)源［3］。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是反映植被覆蓋的一個重要指數(shù)，其時間序列的變化對應(yīng)著植被的生長和變化，因而被廣泛應(yīng)用于大尺度植被活動狀況的研究［3－8］。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州 省 六 盤 水 市 位 于 104°18′—105°42′E，25°19′—26°55′N，包括鐘山區(qū)、水城、盤縣、六枝4個縣（區(qū)、特區(qū)），總面積9 914.42km2，是典型喀斯特分布區(qū)，喀斯特分布面積占區(qū)域總面積的68.7%。研究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，以喀斯特山地丘陵地貌為主，地形起伏大，切割強烈，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年年均氣溫為14.18℃.平均降水量為1 303.82mm［9］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所用遙感數(shù)據(jù)為1999年1月至2010年12月的SPOT Vegetation NDVI逐旬?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為1km。Vegetation傳感器是由歐洲聯(lián)盟委員會贊助，從1998年4月開始接收NDVI數(shù)據(jù)［10］。NDVI數(shù)據(jù)的處理，選取每年各月內(nèi)旬?dāng)?shù)據(jù)的最大值作為該月的NDVI值，將一年內(nèi)各個月的NDVI值的最大值作為該年的 NDVI值［11］。

氣象數(shù)據(jù)來自貴州省氣象信息中心和六盤水市氣象局的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括六盤水市域內(nèi)3個站點及周邊10個站點的1999—2010年月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)。采用Kriging方法對氣候數(shù)據(jù)進行空間插值處理，獲取像元大小為1km，投影與NDVI數(shù)據(jù)相同的氣候要素空間數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋特征分析方法 采用1999—2010年的NDVI數(shù)據(jù)研究西南典型喀斯特區(qū)域植被覆蓋的整體分布情況。NDVI年際變化趨勢分析采用空間變異系數(shù)，空間變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)變異程度的統(tǒng)計量，可以很好地反映空間數(shù)據(jù)在時間序列上變化的差異程度，以變異系數(shù)Cv值來評價數(shù)據(jù)時間序列的穩(wěn)定性。研究采用逐像元計算Cv系數(shù)，這樣可以整體把握喀斯特地區(qū)12a來植被覆蓋變化空間格局及分異規(guī)律，計算公式為：

式中：xi——第i年植被年最大NDVI值；ˉx——1999—2010年植被年最大NDVI的平均值。Cv值越大，表明數(shù)據(jù)分布越離散，NDVI年際變化越大；反之則表明數(shù)據(jù)分布較為緊湊，NDVI時間序列數(shù)據(jù)較穩(wěn)定［12］。

1.3.2 喀斯特區(qū)域植被與氣候因子相關(guān)分析 首先對1999—2010年研究區(qū)的NDVI與年均氣溫和年降水量進行相關(guān)分析，探討長時間序列的NDVI與氣溫和降水的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上完成基于像元的相關(guān)分析，對研究區(qū)12a間NDVI數(shù)據(jù)與溫度和降水量的空間插值數(shù)據(jù)進行逐像元相關(guān)分析。這樣可以反映出氣候因子與NDVI序列的相關(guān)程度及其空間分布規(guī)律，綜合分析植被NDVI對氣候因子的響應(yīng)［3］。相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)計算公式為：

式中：x，y——兩個要素樣本值的平均值；rxy——要素x和y之間的相關(guān)系數(shù)，表示這兩個要素之間的相關(guān)程度的統(tǒng)計指標，其值介于［－1，1］之間。

式中：V1，V2，V3——1990—2010 年的植被年最大NDVI，年均氣溫和年降水量；r12，r13，r23——變量之間的相關(guān)系數(shù)；R12，3——將變量V3固定后，變量V1與V2的偏相關(guān)系數(shù)；R12，3＞0表示正相關(guān)，即兩要素同向相關(guān)；R12，3＜0表示負相關(guān)，即兩要素異向相關(guān)；偏相關(guān)系數(shù)越大，說明該像元處二者要素相關(guān)性越強［13］。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣溫和降水變化趨勢

通過對各觀測站獲得的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進行時間序列分析。結(jié)果表明，1999—2010年研究區(qū)年均溫平均值為14.25℃，最高值為14.58℃（2001年），最低值為13.96℃（2005年）。

由研究區(qū)年均溫變化趨勢線可見，氣溫呈下降趨勢，變化率為 －0.027 7 ℃／a，R2＝0.217 9（p＜0.05）。研究區(qū)12a間年降水量平均值為1 263.02 mm，最高值為1 513.90mm（2000年），最低值為1 041.10mm（2006年）。呈顯著下降趨勢，R2＝0.292 8（p＜0.05），其變化率為－20.459mm／a。說明研究區(qū)整體氣候變化呈冷干趨勢。

2.2 植被變化特征分析

通過分析研究區(qū)1999—2010年NDVI變化趨勢可以看出，1999—2010年研究區(qū)植被年最大NDVI年際變化趨勢呈現(xiàn)不顯著緩慢上升趨勢；具體表現(xiàn)為3個階段：1999—2001年呈小幅上升趨勢，最大NDVI值出現(xiàn)在2001年，為0.858 8；2002年快速下降，NDVI值為0.780 3是整個研究時段內(nèi)的最低值，2003—2005年呈快速回升態(tài)勢，最大值出現(xiàn)在2005年，NDVI值為0.882 4是研究時段內(nèi)的最高值；2006年以后呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，NDVI值都保持在0.8以上。通過逐像元計算NDVI的變異系數(shù)，從區(qū)域尺度上反映植被年最大NDVI的變化情況及分異格局。由研究區(qū)NDVI變異系數(shù)和年際變化空間分布情況可以看出（附圖3），研究區(qū)過去12a間，年最大NDVI變化較大，大部分區(qū)域的空間變異系數(shù)在0.25以上。

將研究區(qū)2010和1999年最大NDVI數(shù)據(jù)進行相減運算，并按照NDVI值≤－0.15時為重度退化；－0.15＜NDVI≤－0.05為輕度退化；－0.05＜NDVI≤0.05為基本不變；0.05＜NDVI≤0.15為輕微改善；NDVI＞0.15為高度改善的標準進行重分類［14］，可以得到研究區(qū)12a植被變化空間分布圖（附圖3）。從整體來看，研究區(qū)大部分植被表現(xiàn)為高度改善，面積占研究區(qū)總面積的37.04%。其次是輕微改善，占研究區(qū)總面積的32.61%。基本不變和退化的面積分別占總面積的19.86%和10.48%。從空間分布來看，研究區(qū)北部水城縣和六枝特區(qū)大部呈植被恢復(fù)狀態(tài)，而盤縣中部、南部呈現(xiàn)不變和退化趨勢。

2.3 研究區(qū)植被NDVI對氣候的響應(yīng)

2.3.1 植被NDVI對氣溫和降水的整體相關(guān)性分析 分別對1999—2010年的植被年最大NDVI、年均氣溫和年降水量進行平均，計算NDVI與氣溫和降水之間的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明，植被NDVI與年均氣溫間呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為－0.208 3（p＜0.05）；植被NDVI與年降水量間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.318 6（p＜0.05）；二者都未呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。同時對植被NDVI與年降水量和平均氣溫進行偏相關(guān)分析；偏相關(guān)系數(shù)分別為：－0.244 47，0.341 3（p＜0.05），植被NDVI與降水量和平均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)均未超過0.5。這主要是由于典型喀斯特地區(qū)下墊面分異大，在區(qū)域尺度下一定水平距離內(nèi)，植被NDVI和氣候要素隨強烈的地形變化而快速變化，如果忽略地形因素，直接分析區(qū)域整體NDVI值與氣候要素均值的相關(guān)關(guān)系，實際意義不大，最終造成二者的相關(guān)性不顯著。

2.3.2 NDVI與氣溫和降水的逐像元相關(guān)分析 為解決地形對植被NDVI與氣候要素相關(guān)性的影響，采用基于像元的相關(guān)分析方法。通過對1999—2010年研究區(qū)植被NDVI與年均溫和年降水的空間插值數(shù)據(jù)進行基于像元的相關(guān)分析可知（附圖4），研究區(qū)植被NDVI與年均溫相關(guān)系數(shù)小于0的植被像元面積占研究區(qū)總面積的72.48%，其中相關(guān)系數(shù)小于－0.5的像元占研究區(qū)總面積的29.2%，體現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系；研究區(qū)植被NDVI與年降水相關(guān)系數(shù)大于0和小于0的植被像元面積分別占研究區(qū)總面積的49.9%和50.1%，相關(guān)系數(shù)大于0.5和小于－0.5的像元分別占研究區(qū)總面積的11.37%和12.78%，體現(xiàn)出不顯著負相關(guān)。通過像元水平的相關(guān)分析可以看出，植被NDVI與年均溫和降水量均呈現(xiàn)出一定負相關(guān)關(guān)系，在氣候呈冷干變化趨勢的驅(qū)動下，有利于區(qū)域植被NDVI值的提高。為進一步分析氣溫和降水對植被NDVI的影響力，對它們進行基于像元的偏相關(guān)分析。結(jié)果表明，基于像元計算的植被NDVI與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)均值為－0.285 5，與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)均值為－0.048 01。其中植被NDVI與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)小于－0.5的像元面積占研究區(qū)總面積的33.86%，與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)小于－0.5的像元面積占研究區(qū)總面積的19.5%。綜合分析，研究區(qū)年均溫對植被NDVI的影響力大于年降水量。植被NDVI空間分布與氣候要素的相關(guān)關(guān)系呈顯著地域性：與年均溫的相關(guān)關(guān)系水城縣南部和盤縣以負相關(guān)為主，水城縣中、北部和六枝特區(qū)以不顯著負相關(guān)和正相關(guān)為主；與年均降水量呈負相關(guān)，主要分布在水城縣和盤縣北部地區(qū)，正相關(guān)主要分布在六枝特區(qū)和盤縣南部地區(qū)；植被NDVI與年降水相關(guān)系數(shù)大于0.3的像元有87.1%分布于海拔1 400m以上的區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)1999—2010年氣候變化呈冷干趨勢，年均氣溫變化率為－0.027 7℃／a，年降水變化率為－20.459mm／a。12a內(nèi)植被NDVI呈整體恢復(fù)趨勢，植被NDVI的空間分布變異系數(shù)較大。

（2）受地形因素影響，區(qū)域整體植被NDVI最大值和年均溫與年降水量均值間相關(guān)系數(shù)絕對值都未超過0.5，相關(guān)關(guān)系不顯著。

（3）通過逐像元相關(guān)分析可以看出，研究區(qū)植被NDVI與年均氣溫和年降水量的相關(guān)呈顯著負相關(guān)，在氣候呈冷干趨勢變化下，有利于植被的自然恢復(fù)。同時年均溫對植被NDVI的影響力大于年降水量。

（4）研究區(qū)植被NDVI與氣候要素的相關(guān)系數(shù)空間分布具有較強的地域性。與年均溫的相關(guān)關(guān)系水城縣南部和盤縣以負相關(guān)為主，水城縣中、北部和六枝特區(qū)以不顯著負相關(guān)和正相關(guān)為主；植被NDVI與年降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在六盤水市北部和中部，海拔一般在1 400m以上；呈負相關(guān)區(qū)域主要分布在六盤水市東部和南部，這些區(qū)域地形起伏相對較小。

（5）本研究針對典型喀斯特地區(qū)，在分析區(qū)域氣候與植被覆蓋變化的基礎(chǔ)上，從像元尺度研究了植被NDVI與氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系，得出了典型喀斯特區(qū)域植被對氣候變化的響應(yīng)模式。今后，需開展具體植被類型在不同季節(jié)內(nèi)對氣候變化響應(yīng)的研究，全面剖析喀斯特區(qū)域植被與氣候間的關(guān)系。

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