江蘇省NDVI時空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系

曹 磊, 謝 飛, 吳穎超, 王 震, 張娜娜, 趙言文

(南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

江蘇省NDVI時空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系

曹 磊, 謝 飛, 吳穎超, 王 震, 張娜娜, 趙言文

(南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

摘要：[目的] 分析江蘇省NDVI時空變化特征，并探討該地區(qū)NDVI與氣候因子之間的關(guān)系，為合理制訂生態(tài)環(huán)境保護政策和措施服務。[方法] 運用一元線性回歸模型分析NDVI時空變化特征，運用相關(guān)性分析法分析NDVI與氣候因子之間的關(guān)系。[結(jié)果] (1) 江蘇省NDVI在2001—2010年上升速率為0.005/a。 (2) 江蘇省部分丘陵山區(qū)平均NDVI達到0.8以上，江淮平原及黃淮平原平均NDVI大多位于0.7～0.8之間。 (3) 年際NDVI與相對濕度的相關(guān)系數(shù)為-0.720，月際NDVI與當月氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.860； 降雨和相對濕度對NDVI的影響存在滯后效應和累積效應，且滯后期均為1個月。[結(jié)論] 江蘇省NDVI在2001—2010年呈上升趨勢； NDVI平均值空間分布及其變化趨勢區(qū)域差異明顯； NDVI年際變化與相對濕度相關(guān)性最高，而氣溫對月際NDVI變化影響最大。

關(guān)鍵詞：植被; NDVI; 氣候因子; 江蘇省

全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)(GCTE)研究是全球變化研究的核心項目和重要方向。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主要組成部分，在氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性維持、水土保持等方面具有重要作用，是全球變化的“指示器”[1]。植被的生長和溫度、降水等氣候因子有著密切的關(guān)系，氣候變化是植被活動的重要影響因素[2]，因此明確植被變化特征并探討其與氣候變化之間的關(guān)系，可以為應對全球變化提供理論依據(jù)，在全球變化研究中具有重要意義。

利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據(jù)組合而成的植被指數(shù)可以反映植被的生長狀況。目前使用較多的植被指數(shù)包括：歸一化植被指數(shù)(normalized different vegetation index, NDVI)；改進植被指數(shù)(advanced vegetation index, AVI)；增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation index, EVI)等。其中NDVI是遙感影像的近紅外波段與可見光波段數(shù)值之差和這個兩個波段數(shù)值之和的比值參數(shù)，可以反映植被覆蓋、生長、種類和它們的生物量等情況[3]，已被廣泛應用于生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究中[4-6]。國內(nèi)外許多學者[7-9]對不同地區(qū)的植被NDVI變化以及植被與氣候之間的關(guān)系進行了大量研究。但由于研究地域、時間尺度不同，研究結(jié)果也有所差異。何月等[10]研究表明浙江省植被NDVI在1982—2010年緩慢下降，而中國西北地區(qū)在1982—2006年植被NDVI呈增加趨勢[11]；毛德華等[12]對東北多年凍土區(qū)的研究表明，較氣溫而言，降水量是影響該地區(qū)植被NDVI的主要因子，而崔林麗等[13]經(jīng)分析認為中國東部植被總體上對氣溫變化的響應大于對降水變化的響應。

1研究區(qū)概況

江蘇省位于我國東部沿海地區(qū)，處于暖溫帶向亞熱帶過渡帶，目前針對該地區(qū)的植被覆蓋變化及其與氣候因子關(guān)系研究并不多見。本研究利用2001—2010年江蘇省NDVI數(shù)據(jù)分析該省10 a植被覆蓋動態(tài)變化特征，并結(jié)合氣象資料探討植被覆蓋與氣候因子之間的關(guān)系，以豐富全球變化的區(qū)域響應研究，同時對于了解該區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化趨勢，進而制定合理的生態(tài)環(huán)境保護政策和措施具有一定的參考價值。

江蘇省位于長江、淮河下游，介于東經(jīng)116°18′—121°57′，北緯30°45′—35°20′之間。江蘇屬于暖溫帶—亞熱帶氣候的過渡區(qū)，大致以淮河—灌溉總渠一線為界，以北為溫帶季風氣候，以南為亞熱帶季風氣候。該省氣候溫和，四季分明，氣候資源豐富。多年平均氣溫13～16 ℃，年均降水量800～1 200 mm，無霜期200～240 d。江蘇地形以平原為主，平原面積占全省面積70%以上，主要有蘇南平原、蘇中江淮平原和蘇北黃淮平原，低山丘陵主要集中于北部和西南部。

2研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與處理

所用NDVI數(shù)據(jù)為MODND1 M中國1 km NDVI月合成產(chǎn)品，該產(chǎn)品由MODND1 D數(shù)據(jù)取每月最大值得到，數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，包括江蘇省內(nèi)23個標準氣象站2002—2010年降雨、氣溫和相對濕度數(shù)據(jù)，對23個站點氣象數(shù)據(jù)求平均，作為江蘇省平均值。

2.2　研究方法

2.2.1一元線性回歸分析趨勢線是對一組隨時間變化的變量進行回歸分析，預測其變化趨勢的方法[15]。對江蘇省2001—2010年各年平均NDVI進行一元線性回歸分析可以反映每個像元的變化趨勢。其計算公式為：

(1)

式中：i——年份序號；n——研究時段的長度； slope——線性擬合得到的斜率，即NDVI變化趨勢。slope為正時，表明植被覆蓋為增加趨勢，反之則為減少趨勢。

2.2.2相關(guān)性分析為探討植被NDVI對各氣候因子的響應關(guān)系，明確影響NDVI的主要氣候因子，運用SPSS軟件計算NDVI與氣溫、降雨、相對濕度等氣候因子的相關(guān)系數(shù)以及偏相關(guān)系數(shù)，并進行顯著性檢驗，比較NDVI與各氣候因子的相關(guān)性。

3結(jié)果與分析

3.1　NDVI時間變化特征

3.1.1年際變化特征江蘇省2001—2010年各年平均NDVI值如圖1所示，總體上在0.571 9~0.638 4之間波動上升趨勢，平均NDVI最大值和最小值分別出現(xiàn)在2007和2001年，10 a平均NDVI為0.606 5。由線性擬合方程可知，10 a間NDVI上升速率為0.005/a。

圖1　江蘇省年平均NDVI變化

3.1.2年內(nèi)變化特征對2001—2010年10 a間江蘇省各月的NDVI求平均值，得到江蘇省各月平均NDVI值(圖2)。由圖2可知，NDVI值在1—5月逐漸上升，6月出現(xiàn)一個低值，7月份NDVI值急劇上升并在7—9月份維持在較高水平，9月以后顯著下降。江蘇省各月平均NDVI值存在兩個峰值時段，4—5月為第一個峰值時段，7—9月為第二個峰值時段。

圖2　江蘇省各月平均NDVI

3.2　NDVI空間分布及變化

江蘇省2001—2010年NDVI平均值空間分布如附圖7所示。由附圖7可以看出，各區(qū)域間存在較大差異。其中，以宜溧低山丘陵地區(qū)為代表的部分丘陵山區(qū)平均NDVI最高，達到0.8以上；江淮平原及黃淮平原NDVI值次之，大多位于0.7～0.8之間，東部沿海地區(qū)及蘇南的城市外圍地區(qū)NDVI值大多位于0.6～0.7之間；城市及其周邊地區(qū)NDVI主要集中在0.3～0.5之間，水域NDVI值較低，大多在0.2以下。在像元尺度上對2001—2010年江蘇省年平均NDVI進行一元線性回歸分析，得到NDVI變化趨勢圖(附圖8)，同時統(tǒng)計不同變化程度所占總面積比例(表1)。分析得出，總體上江蘇省NDVI在2001—2010年10 a間略有上升，但各地區(qū)變化有所不同。輕微改善地區(qū)面積占總面積的50.76%，主要位于江蘇省北部；有40.20%的地區(qū)NDVI基本不變，主要分布在江蘇中南部；退化區(qū)域面積較小，約占總面積的6.89%，主要位于水陸交接帶和城鄉(xiāng)交錯帶；明顯改善地區(qū)面積占總面積的2.15%，主要包括太湖湖面的西北部區(qū)域及部分水陸交接帶。

表1　江蘇省2001-2010年NDVI變化程度統(tǒng)計結(jié)果

3.3　NDVI與氣候因子關(guān)系

3.3.1氣候變化特征2002—2010年江蘇省主要氣候因子年平均值詳見表2，平均降雨量在922～1 250 mm之間波動，年平均氣溫在15～16.5 ℃之間波動，平均相對濕度在71%～82.5%之間波動。對各年平均降雨、氣溫和相對濕度分別進行線性回歸分析，均未發(fā)現(xiàn)顯著變化趨勢。

表2　江蘇省主要氣候因子年平均值

圖3為2002—2010年降雨、氣溫和相對濕度的月平均值變化曲線，3個氣象因子均于7月份達到最大值。降雨和氣溫總體上均表現(xiàn)為1—7月呈上升趨勢，7月份以后逐漸下降；相對濕度在1—5月于70%左右波動，后急劇增加，7月達到最高值90%，7—12月相對濕度緩慢下降。

圖3　江蘇省氣象因子月際變化

3.3.2植被與氣候年際變化的關(guān)系在年際尺度上，對2002—2010年NDVI與同期氣溫、降雨、相對濕度分別進行相關(guān)和偏相關(guān)分析(表3)。江蘇省NDVI與相對濕度在0.05水平上顯著負相關(guān)，與氣溫、降雨無顯著相關(guān)性；NDVI與氣溫、相對濕度的偏相關(guān)系數(shù)均通過0.01水平的顯著性檢驗，分別為0.874和-0.942，與降雨的偏相關(guān)系數(shù)通過0.05水平的顯著性檢驗，為0.797。

表3　年際NDVI與氣候因子相關(guān)性

注：*，**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。下同。

3.3.3植被與氣候月際變化的關(guān)系在月際尺度上，由于相關(guān)研究表明植被生長對氣候因子的響應響應存在滯后性[13,15]，本研究對2002—2010年江蘇省各月NDVI與當月(前0個月)、前1個月、前2個月以及前0~1個月平均、前0~2個月平均氣溫、降雨、相對濕度進行雙變量相關(guān)分析(表4)。結(jié)果表明，NDVI除與前2個月的各氣候因子無顯著相關(guān)性外，與其他各時間段的氣候因子均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。單月中，NDVI與當月氣溫、前1月的降雨和相對濕度相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.860，0.830和0.770，在多月平均值中，NDVI與前0~1個月的平均氣溫、平均相對濕度相關(guān)性最大，分別為0.814和0.827，NDVI與前0~1個月、前0~2個月的平均降雨相關(guān)系數(shù)較為接近，分別為0.848和0.849。

表4　月際NDVI與氣候因子相關(guān)性

4結(jié) 論

(1) 江蘇省NDVI在2001—2010年總體上呈上升趨勢，上升速率為0.005/a；NDVI在年內(nèi)變化呈雙峰形式，雙峰時段分別為4—5月和7—9月，6月由于大量農(nóng)作物被收割，農(nóng)田裸露，NDVI值相對較低。

(2) 江蘇省NDVI平均值空間分布及其變化趨勢區(qū)域差異明顯。從平均值空間分布來看，部分丘陵山區(qū)由于森林植被覆蓋較高，年平均NDVI最高；江淮平原及黃淮平原由于農(nóng)作物的密集種植，年平均NDVI僅次于植被覆蓋高的丘陵山區(qū)。從變化趨勢來看，總體上江蘇北部地區(qū)植被覆蓋有所改善，南部地區(qū)保持穩(wěn)定；另外，局部地區(qū)如太湖西北部區(qū)域、水陸交接帶和城鄉(xiāng)交錯帶NDVI變化幅度較大，結(jié)合相關(guān)文獻可知，太湖西北部NDVI明顯升高主要是由太湖藍藻水華頻發(fā)引起，水陸交接帶NDVI變化可能與由年際間湖泊、河流等水位變化相關(guān)，城鄉(xiāng)交錯帶NDVI降低可能是因為土地利用/覆被類型由NDVI較高的農(nóng)用地轉(zhuǎn)為NDVI較低的城鎮(zhèn)用地。

(3) 江蘇省NDVI受氣溫、降雨、相對濕度等氣候因子的共同影響。在年際尺度上NDVI與相對濕度的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的絕對值均高于氣溫和降雨，說明年際NDVI與相對濕度關(guān)系更為密切。在月際尺度上，NDVI與當月氣溫的相關(guān)系數(shù)最高，表明氣溫對NDVI月際變化影響較大，而且NDVI變化對氣溫的響應沒有滯后效應；在NDVI與降雨及相對濕度的相關(guān)性分析中，單月中，NDVI與前1個月的降雨和相對濕度相關(guān)性較大，多月平均值中，NDVI與前0~1個月平均降雨和相對濕度相關(guān)系數(shù)較大，同時，NDVI與前0~1個月平均降水和相對濕度的相關(guān)系數(shù)較前1月的大，說明降雨和相對濕度對NDVI的影響存在滯后效應和累積效應，且滯后期均為1個月。

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Spatiotemporal Variation Characteristics and Impact Factors of NDVI in Jiangsu Province

CAO Lei, XIE Fei, WU Yingchao, WANG Zhen, ZHANG Nana, ZHAO Yanwen

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

Abstract：[Objective] Studying the spatiotemporal variation characteristics of NDVI in Jiangsu Province and the relationships between climatic factors with NDVI, in order to provide conferences for planing policies and countimeasures for eco-environment protection. [Methods] Linear regression trend method was used to analyze the spatiotemporal variation characteristics of NDVI, and correlation analysis method was used to analyze the relationship between climatic factors with NDVI.[Results] (1) The rising rate of average annual NDVI in Jiangsu Province from 2001 to 2010 was 0.005/a. (2) The average of NDVI in some hilly area were over 0.8, in Yangtze—Huai Plain and the Huang—Huai Plain, were mostly between 0.7 and 0.8.(3) The correlation between annual NDVI and relative humidity was -0.720, the correlation between monthly NDVI and the air temperature in the same month was 0.860; There existed lagging effect and accumulation effect for the influence of rainfall and relative humidity on NDVI, and the lag phase were both a month.[Conclusion] The average annual NDVI in Jiangsu Province had fluctuated uprising tendency from 2001 to 2010. The distribution and the change trend of average NDVI were distinct in different districts. The correlation of relative humidity and NDVI was the highest on the inter annual timescale, and the air temperature had the most important influence on monthly changes of NDVI.

Keywords:vegetation; NDVI; climatic factors; Jiangsu Province

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0151-04

中圖分類號：Q948.11

通信作者：趙言文(1965—),男(漢族),江蘇省徐州市人,教授,博士生導師,主要從事環(huán)境生態(tài)學、農(nóng)業(yè),水土保持研究。E-mail:ywzhao@njau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-01修回日期：2014-03-21
資助項目：江蘇省水利科技項目“江蘇省水土保持規(guī)劃專題研究”(2012031)
第一作者：曹磊(1989—),男(漢族),安徽省安慶市人,碩士研究生,研究方向為水土保持、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價。E-mail:caoleinjau@163.com。