呼圖壁縣NDVI變化與氣候因子的響應

楊成樂+張永福

摘要：利用2010～2014年Landsat 8數據，通過差值和相關性分析法，對呼圖壁縣植被指數（NDVI）的時空演變進行分析，并對NDVI與氣候因子相應的敏感性進行分析。結果表明，呼圖壁縣植被覆蓋變化呈現明顯的空間差異，植被指數有明顯的地域特征，中部平原地區(qū)的NDVI最大，植被覆蓋度明顯較高，主要分布在林地、農田；南部的高山、丘陵及北部荒漠地區(qū)的NDVI較低，植被覆蓋度也較低；呼圖壁縣具有明顯的季節(jié)性NDVI變化，NDVI增加最快在夏季和秋季，而冬季增長緩慢，且NDVI對氣候因子（降水、氣溫）響應存在時滯性；呼圖壁縣植被覆蓋NDVI與降水和氣溫呈極顯著相關關系，相關系數分別為0.843 1、0.870 2；復雜地形對植被指數有影響，農田耕作區(qū)的NDVI變化更大程度上體現了人類活動對植被指數的影響。隨著人口增加、城市化進程加快、城鄉(xiāng)建設侵占大量土地，會減少植被覆蓋的面積，影響植被指數的分布。

關鍵詞：呼圖壁縣；植被指數；氣候因子；Landsat 8

中圖分類號：X144 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）20-5229-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.016

Abstract： Based on Landsat 8 data during 2010～2014，temporal and spatial evolution of NDVI and its relationship with climate factors in Hutubi county were analyzed by using difference and correlation analysis method. The results showed that Hutubi county was covered by the change showed significant spatial difference vegetation index with obvious regional characteristics. Central Hutubi vegetation condition was better than the northern and southern desert region of mountains，hilly areas，the distribution of woodland and fields，vegetation index was significantly higher. The NDVI developed faster in summer and autumn than that in winter，but the responses of vegetation variation to precipitation and temperature had time lag. There was significant relation between monthly average NDVI and monthiy precipitation and temperature（P<0.01），with the corrlation coefficients 0.843 1 and 0.870 2. The impact of complex topography on vegetation indices，NDVI changes in agricultural farming area reflects the impact of human activities on vegetation indices greater extent. With population growth，urbanization，urban costruction occuied a lot of land， and it will reduce the area of the vegetation cover，vegetation index distribution influences.

Key words： Hutubi county； vegetation index； climate factor； Landsat 8

植被是地理環(huán)境的重要組成部分，植被的變化在全球變化研究中起著“指示器”的作用[1]。在植被覆蓋變化研究中，歸一化植被指數（NDVI，Normalized difference vegetation index） 能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數的變化[2]。植被覆蓋變化是氣候因子、環(huán)境因子以及人類活動共同作用的結果[3，4]。李曉兵等[5]通過研究得出從東南到西北，中國NDVI的變化與溫度、降水變化的相關系數逐漸增大；戴聲佩等[6]通過研究證實降水是中國西北干旱半干旱地區(qū)植被生長的主要限制因子。國內學者在分析全國范圍植被變化與氣候關系的研究中也發(fā)現植被指數對氣候的響應存在著區(qū)域差異[7-9]。

1 研究區(qū)概況

呼圖壁縣地形復雜，地勢南高北低，交錯分布著高山、丘陵、平原、沙漠和河流，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，自然環(huán)境復雜，氣候多樣，是北疆重要的農業(yè)縣，以種植小麥、玉米、棉花為主。然而土地利用類型不盡合理。目前鮮有對該區(qū)域植被覆蓋變化與氣候因子的響應關系研究。本研究采用Landsat 8數據研究呼圖壁縣植被覆蓋變化與氣候因子的響應關系，旨在增進對呼圖壁縣生態(tài)環(huán)境的認識，從而為該縣農林業(yè)生產和生態(tài)保護提供科學依據。

呼圖壁縣位于新疆維吾爾自治區(qū)，轄6個鎮(zhèn)、 1個鄉(xiāng)，總面積9 721.6 km2。地處東經86°5′～87°8′、北緯43°7′～45°20′。呼圖壁縣地勢南高北低，自東南向西北傾斜，縣內地貌類型復雜多樣，南部為高山、丘陵，平均海拔2 400 m，占總面積的31.6%；中部為沖積平原，海拔460～700 m，是農作物種植區(qū)，占總面積的43.2%；北部為沙漠地，海拔360～460 m，占總面積的25.2%。縣內有兩大水系分別是呼圖壁河、雀爾溝河。

呼圖壁縣在中緯度西風帶控制下，位于歐亞大陸中心帶，屬中溫帶大陸性氣候，冬長夏短，冬寒夏熱，晝夜溫差大。境內海拔高度相差較大，全縣南北地區(qū)的氣候也有著明顯的差異，低山、平原和沙漠地區(qū)屬中溫帶，南部中山和高山地區(qū)屬寒溫帶。溫度由北向南逐漸降低。

2 數據來源及預處理

Landsat 8數據是由中國科學院地理空間數據云平臺下載得到的，影像分辨率是1 km，時間分辨率是10 d。在ENVI5.0和ArcGIS10.0軟件下經過大氣校正、輻射校正等圖像預處理，得到研究區(qū)的NDVI數據。

氣象數據來自于中國氣象科學數據共享服務網提供的中國農業(yè)基本氣象資料月值數據集，該數據集包含了研究區(qū)范圍內及周邊的21個標準氣象臺站的月均值數據，對這21個臺站月均值數據通過克里金插值，對插值得到的溫度降水數據進行投影轉換、圖像裁剪等處理，得到研究區(qū)所需氣象數據。

3 研究方法

本研究中通過一元線性回歸方法研究各變量的變化趨勢，皮爾森相關系數研究植被NDVI和溫度降水的相關關系，并且運用顯著性檢驗方式來驗證研究結果。

1）NDVI均值法。利用NDVI柵格數據和經過插值裁剪得到的氣象數據對研究區(qū)的年均溫、年均降水和年均NDVI進行統(tǒng)計，以氣象部門季節(jié)劃分標準為依據。其中，春季為3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12月至次年2月。

2）差值分析法。采用差值分析法即兩個時相NDVI相對差值衡量NDVI的空間變化大小[10]，計算每個柵格上的相對變化差，即

其中，X為相對差，j為前期，i為后期。

3）相關分析法。計算各月、季節(jié)、年份的平均NDVI，將其與相應時段內的降水量及氣溫因素進行相關性分析，通過皮爾森公式分別計算出NDVI-溫度與NDVI-降水之間的相關系數，計算公式如下：

其中，rxy表示x、y之間的相關系數，xij表示第i年第j月的NDVI，x表示NDVI的月平均值、季度平均值或年平均值，yij表示第i年第j月的降水或溫度值，y表示溫度或降水的月平均值、季度平均值或年平均值。r介于-1～1之間，當0

如果r通過了顯著性檢驗P值（P<0.05），則NDVI與溫度以及降水的相關性都具有很好的統(tǒng)計學意義。

4 結果與分析

4.1 植被指數時空變化特征

4.1.1 空間植被指數 從宏觀上看，呼圖壁縣植被指數有明顯的地域特征，中部平原地區(qū)的NDVI最大，植被覆蓋度明顯較高，主要分布在林地、農田。南部的高山、丘陵及北部荒漠地區(qū)的NDVI較低，植被覆蓋度也較低，如圖1所示。

4.1.2 季節(jié)植被指數 選取2013年3月至2014年4月各季節(jié)的NDVI平均值，從季節(jié)上分析NDVI的變化。由圖2可知，呼圖壁縣植被覆蓋隨季節(jié)呈現推移變化趨勢，季節(jié)變化明顯。

夏季的植被覆蓋情況最好，特別是呼圖壁縣中部平原地區(qū)，0.8

北部荒漠地區(qū)一年四季的NDVI基本沒有太大的變化，0.1

中部為沖積平原，種植農作物，NDVI隨季節(jié)變化明顯。可以看出，隨著月份逐漸增加，NDVI從0.1增加到0.8，再下降到0.1～0.2。

NDVI在季節(jié)變化中，春到夏季呈上升趨勢，表明這兩個季節(jié)促進了植被活動。春季增加較為明顯，而夏季增加相對微弱。夏季的植被覆蓋度高。秋季農作物成熟收獲，收獲后植被覆蓋有所降低。

4.1.3 月植被指數 由呼圖壁縣各月NDVI的變化曲線（圖3）得知，在NDVI數月變化中，7、8、9月值較高。其中，8月NDVI達到最大，為0.8，由于夏季雨量充足，溫度適宜，植被生長達到一年中的峰值，植被覆蓋達到一年中的最大范圍。1～3月由于冬季溫度過低，抑制植被生長，NDVI較低，進入4月后溫度逐漸上升，植被加快生長，NDVI也逐漸增大，而進入9～12月，溫度又降低，植被生長速度變慢，NDVI逐漸減小。

4.2 植被指數變化的氣候原因分析

4.2.1 NDVI與月平均溫度的相關性分析 統(tǒng)計2010～2014年研究區(qū)內各氣象站點相應年份的月平均溫度，將該月平均溫度與相應月份的NDVI進行相關性分析。通過皮爾森公式計算得到NDVI與溫度的相關關系，從月平均溫度與NDVI關系曲線圖4來看，NDVI與溫度有高度的相關關系，相關系數為0.870 2。植被NDVI隨著溫度的增加而增加，這主要是因為植被生長需要一定的熱量條件。

根據2013～2014年各月平均溫度，統(tǒng)計得出一年內月平均溫度，將其與各月平均NDVI進行相關性分析，得到年內NDVI與溫度的關系。年內NDVI與溫度基本都呈正態(tài)分布，且兩者的相關性較好，NDVI隨著溫度的增加而增加，隨著溫度的降低而降低。7月溫度達到最高，而NDVI則在8月達到最高。出現了成長期NDVI隨溫度變化存在滯后現象，有可能是NDVI受前期溫度的影響，或者是夏季溫度過高蒸發(fā)量變大。植物可能由于受到水分的限制導致生長受到抑制。

但從總體上看，溫度與NDVI相關性較高，波動較一致。在同一溫度范圍內，植被類型是影響二者相關性的主要因子。

4.2.2 NDVI與月平均降水的相關性分析 統(tǒng)計2010～2014年研究區(qū)內各氣象站點相應年份的月平均降水，將該月平均降水與相應月份的NDVI進行相關性分析。通過皮爾森公式計算得到 NDVI與降水的相關關系。由月平均降水量與NDVI關系曲線（圖5）可以看出，NDVI與降水有高度的相關關系，相關系數為0.843 1，相對于NDVI與月平均溫度而言，NDVI與平均降水的相關性要大一些。降水量在0～150 mm時，NDVI隨著降水量的增加而增大，降水量超過150 mm時，NDVI隨著降水量的增加有下降趨勢，或因降水量增加但是溫度不適宜時，NDVI增加不明顯，冬季植被覆蓋度低，NDVI也低。

5 小結與討論

1）在空間變化尺度上，呼圖壁縣植被覆蓋變化呈現明顯的空間差異，植被指數有明顯的地域特征，中部平原地區(qū)的NDVI最大，植被覆蓋度明顯較高，主要分布在林地、農田。南部的高山、丘陵及北部荒漠地區(qū)的NDVI較低，植被覆蓋度也較低。

2）在植被季節(jié)變化方面，春到夏季呈上升趨勢，表明這兩個季節(jié)植被活動得到促進。春季增加較為明顯，而夏季增加相對微弱。夏季的植被覆蓋度高。秋季農作物成熟收獲，收獲后植被覆蓋有所降低。

3）NDVI與平均溫度和平均降水量有較高的相關性，NDVI與月平均溫度的相關系數為0.870 2，NDVI與月平均降水量的相關系數為0.843 1。可見溫度和降水量是影響植被覆蓋的重要因素，但是NDVI與降水和溫度存在一定時滯性，夏季溫度過高蒸發(fā)量變大。植物可能由于受到水分的限制導致生長受到抑制，降水量超過150 mm時，NDVI隨著降水量的增加有下降趨勢，或因降水量增加但是溫度不適宜時，NDVI增加不明顯。即NDVI是由溫度和降水共同作用的結果。

4）呼圖壁縣大體上處于地形較為平坦的地區(qū)，但是南部地區(qū)有高山和丘陵，所以也不能忽略復雜地形對植被指數的影響，農田耕作區(qū)的NDVI變化更大程度上體現了人類活動對植被指數的影響。隨著人口增加，城市化進程加快，城鄉(xiāng)建設侵占大量土地，會減少植被覆蓋的面積，影響著植被指數的分布。

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