渭河流域NDVI與氣候因子時空變化及相關性研究

王麗霞, 余東洋, 劉 招, 張雙成, 楊 耘

(1.長安大學 地質工程與測繪學院, 西安 710054; 2.國土資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室,西安 710075; 3.長安大學 地球科學與資源學院, 西安 710054; 4.長安大學 環(huán)境科學與工程學院, 西安 710054)

植被是地表物質循環(huán)與能量流動的主要載體[1]，也是氣候和生態(tài)環(huán)境變化的指示器[2]。氣候對植被的空間分布[3]、生產力[4]、物候[5]等具有重要影響。因此，深入研究植被的動態(tài)變化及其與氣候因子之間的相關性，對揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變以及應對氣候變化具有重要的現實意義。

歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)對植被的分布、密度及變化非常敏感，被認為是表征地表植被覆蓋動態(tài)的有效指標[6-8]。近年來，國內外學者利用NDVI數據從不同尺度對植被變化及其與氣候因子之間的動態(tài)關系進行了深入研究。例如，Liu等[9]研究發(fā)現，1982—2012年全球大多數地區(qū)NDVI與氣溫的相關性逐漸減弱，而與降水的相關性增強；樸世龍等[10]提出生長季的提前是中國植被對全球變化響應的最主要方式的觀點；Xu等[11]發(fā)現我國植被生長動態(tài)主要受氣溫影響，其次受到降水的影響；杜加強等[12]研究發(fā)現，新疆地區(qū)的NDVI變化在春秋季節(jié)主要受氣溫影響，夏季主要受降水的影響。

總之，當前的研究結果已經表明NDVI與氣候因子之間存在著顯著的相關性[13-15]，但研究結果的地區(qū)差異明顯[16-17]，對渭河流域指導意義不大。渭河流域位于黃土高原地區(qū)，是我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其植被覆蓋狀況對流域生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義，但目前針對該流域的相關研究較少。鑒于此，本文利用渭河流域2000—2015年MODIS NDVI月時序數據及同期氣象資料，研究流域NDVI、氣溫和降水的時空變化特征及相關性，以期為渭河流域生態(tài)環(huán)境保護與建設提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河流域位于黃河流域中部，地理位置介于33°—38°N，104°—110°E。其干流全長818 km，流域面積13.5萬km2，涇河和北洛河是其主要的支流。流域西部、渭河北山以北屬黃土高原，中部為渭河谷地，南部為秦嶺，地勢西高東低，平均海拔1 300 m。渭河流域地處溫帶半干旱半濕潤區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量500～800 mm，年平均氣溫7.8～13.5℃[18]，其主要植被類型有闊葉林、針葉林、灌叢、草叢、草甸、草原以及栽培植被。

1.2 數據來源

研究所用的植被指數數據采用2000—2015年MODIS NDVI月合成數據集，空間分辨率為500 m，數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)。利用ArcGIS軟件，以渭河流域矢量邊界為基礎進行裁剪，獲得研究區(qū)逐月的NDVI影像。氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)所提供的中國地面氣候資料月值數據集。包括渭河流域及其周邊的27個氣象站點，選取的氣象因子為月平均氣溫和月降水量。利用反距離權重插值法(Inverse Distance Weighing)將上述氣象要素插值為空間分辨率與NDVI一致的柵格數據。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 基于像元尺度的趨勢分析法能模擬研究區(qū)中每個柵格單元的變化趨勢，從而反映植被NDVI變化的方向和速率[19]。趨勢分析的計算公式為：

(1)

式中：Slop為像元NDVI線性回歸方程的斜率；i代表年份(本文中i的取值范圍為1～16)；n為研究的時間跨度(本文的時間跨度為16 a)。當Slop>0時，NDVI呈增加趨勢；當Slop<0時，NDVI呈減小趨勢；當Slop=0時；NDVI基本穩(wěn)定，無明顯變化。

1.3.2 相關分析 相關分析是測度變量之間相關程度的有效方法。本文首先對2000—2015年月時序NDVI與氣溫和降水進行相關分析，然后利用ArcGIS空間分析，基于像元尺度分析NDVI與氣溫和降水之間的相關性，以探討長時間序列下NDVI與氣溫和降水之間的相關程度，并分析其空間分布狀況。相關系數的計算公式如下：

(2)

式中：Rxy為相關系數；xi與yi分別代表變量x與y在第i時期時的值；x和y代表變量x與y的平均值；n為樣本容量。相關系數的取值范圍為-1～1，正值代表變量之間呈正相關關系，負值代表變量之間呈負相關關系，相關系數的絕對值越大，變量之間的相關性越強。

考慮到地理系統中各要素之間相互影響。采用偏相關系數法研究單個氣候因子與NDVI之間的相關性。偏相關系數的計算公式為：

(3)

式中：Rxy,z表示將變量z視為常數時變量x與y之間的偏相關系數；Rxy，Rxz，Ryz分別表示變量x，y，z兩兩之間的相關系數。偏相關系數的取值范圍為-1～1。

2 結果與分析

2.1 NDVI、氣溫及降水的時間變化

2.1.1 年內變化特征 圖1顯示了渭河流域2000—2015年月平均NDVI和氣溫、降水的時間變化序列。從圖1中可以看出，渭河流域平均NDVI具有明顯的季節(jié)變化。NDVI變化曲線在年內呈單峰型，最小值一般出現在1月和2月，此時NDVI小于0.3；最大值一般出現在8月，此時NDVI大于0.6。表1列出了16 a間各月的NDVI、氣溫和降水的平均值。由表1可以看出，NDVI從3月開始逐漸增大，并在8月達到最大值，為0.68；8月—次年2月NDVI逐漸降低，并在2月達到最小值，為0.27，春季和夏季是NDVI變化幅度最大的時間段。NDVI的年內變化直接反映了植被的物候，3月份開始，各類植被逐漸開始發(fā)芽生長，至8月份，植被均處于生長旺盛階段，此時NDVI達到最大值；9月份開始，植被逐漸停止生長，植被覆蓋度逐漸減小，因此NDVI逐漸降低，并在次年2月達到最低值。

從氣溫和降水的時間變化序列曲線中可以清晰看出NDVI在不同的變化階段里水熱條件的變化特征。渭河流域月平均氣溫和降水的年內變化趨勢與NDVI相一致，冬季氣溫低，降水量少，夏季氣溫高，降水量多。由表1可以看出，平均氣溫最高出現在7月份，為22.11℃，最低出現在1月份，為-4.17℃；降水量最大值出現在8月份，為99.7 mm，最小值出現在12月份，為3.88 mm。

2.1.2 年際變化特征 圖2顯示了渭河流域2000—2015年NDVI、氣溫和降水的整體變化趨勢。由圖2可知，渭河流域NDVI呈緩慢增大的趨勢，增大的速率約為0.088/10 a，表明植被覆蓋度有所增加。多年平均NDVI為0.48，NDVI最小值出現在2000年，為0.40，NDVI最大值出現在2013年，為0.56。NDVI的年際變化大致經歷了3個階段：(1) 2000—2002年，這一階段NDVI呈增大的趨勢，增大的幅度為0.06；(2) 2004—2010年，這一階段NDVI的變化較為平穩(wěn)，在0.45～0.47之間波動；(3) 2011—2015年，這一階段NDVI明顯增大，并且在2013年達到最大值。

2000—2015年，渭河流域的氣候總體上朝著暖濕的方向變化，氣溫和降水的年際波動較大，無明顯的波動周期。其中，氣溫升高的速率為0.066℃/10 a，降水增加的速率為37.92 mm/10 a。

圖1 2000-2015年渭河流域平均NDVI及各氣象要素的時間序列

圖2 渭河流域NDVI及各氣象要素年際變化趨勢

2.2 NDVI、氣溫及降水的空間變化

2.2.1 NDVI、氣溫及降水的空間分布特征 渭河流域2000—2015年平均NDVI、氣溫及降水的空間分布狀況如圖3所示。從圖3可以看出，NDVI分布的空間差異比較明顯，流域內NDVI介于0.18～0.78之間，均值為0.48。流域西部、北部的黃土丘陵溝壑區(qū)的植被覆蓋狀況較差，NDVI小于0.3；涇河谷地、北洛河谷地和關中平原的植被覆蓋狀況較好，NDVI介于0.3～0.6之間；流域南部的秦嶺、中部的子午嶺地區(qū)植被覆蓋狀況最好，NDVI大于0.6。

NDVI的空間分布格局與氣候因子的空間變化比較一致。根據插值結果，渭河流域平均氣溫4.3～14.77℃，多年平均降水量298～689 mm，氣溫和降水的空間分布表現出由東南向西北逐漸降低和減少的趨勢。流域西部、北部氣溫低、降水量少，氣候干旱，主要的植被類型為溫帶草原，NDVI較低；自西北向東南，水熱條件逐漸改善，涇河谷地、北洛河谷地以及關中平原適宜農耕，主要的植被類型為栽培植被，NDVI較高；流域南部的秦嶺和子午嶺地區(qū)水熱條件組合好，主要的植被類型為闊葉林和針葉林，并分布有少量的溫帶落葉灌叢，NDVI最高。

圖3渭河流域多年平均NDVI及各氣象要素的空間分布

2.2.2 NDVI、氣溫及降水的空間變化趨勢 基于流域尺度的時間序列分析可以探明渭河流域NDVI及氣候變化的整體趨勢，但無法說明這些變化在空間上的差異。因此利用趨勢分析法，在像元尺度上分析了渭河流域2000—2015年NDVI、氣溫及降水的變化趨勢，結果如圖4所示。圖4表明，近16 a以來，渭河流域絕大部分地區(qū)的NDVI值均呈增大的趨勢，統計各像元值對應的像元數發(fā)現，趨勢斜率大于0的像元個數有375 579個，占全區(qū)的97.77%，其中，流域西部和北部的NDVI增大的趨勢最為明顯；趨勢斜率小于0的像元個數有8 586個，占全區(qū)的2.23%，主要沿渭河干流一線的城鎮(zhèn)和人口密集地區(qū)分布?？傮w而言，渭河流域近16 a以來NDVI變化的趨勢為整體增大，西部強于東部，北部強于南部。

渭河流域大部分地區(qū)16 a間氣溫均呈升高的趨勢，其中流域西部、北部氣溫升高的趨勢最明顯，東部趨勢相對穩(wěn)定，北洛河以東氣溫有降低的趨勢；降水的變化趨勢為：流域大部分地區(qū)降水量增大，南部和西北部最明顯，北洛河谷地降水量有減少的趨勢。

2.3 NDVI與氣溫、降水的相關性分析

2.3.1 時間序列相關性分析 圖5顯示了渭河流域2000—2015年月平均NDVI隨氣溫和降水的變化而變化的大致趨勢。由圖5A可以看出，月平均NDVI與月平均氣溫之間的相關性顯著，NDVI隨氣溫的升高而增大，當月平均氣溫在20℃以上時，NDVI趨于最大。由圖5B可知，月平均NDVI與月降水之間接近于對數關系，月降水量在0～100 mm之間時，NDVI隨著降水的增加而迅速增大，當月降水量超過100 mm時，NDVI趨于穩(wěn)定，說明此時供給植被生長發(fā)育的水分已趨于飽和。

分別計算NDVI與氣溫和降水的相關系數和偏相關系數。結果表明，月平均NDVI與氣溫和降水之間均呈顯著正相關關系，其中NDVI與氣溫的相關系數為0.865，NDVI與降水之間的相關系數為0.776，二者均通過顯著性水平為0.01的檢驗；NDVI與氣溫的偏相關系數為0.664，NDVI與降水偏相關系數為0.346。這表明氣溫和降水的季節(jié)變化對植被生長影響顯著，并且說明就渭河流域而言，植被的動態(tài)變化更易受到氣溫變化的影響。

圖4渭河流域NDVI及各氣象要素的變化趨勢

2.3.2 空間相關性分析 對渭河流域2000—2015年年平均NDVI與年平均氣溫和年降水量逐像元進行相關分析和偏相關分析，結果如圖6所示。圖6A、圖6B顯示了NDVI與氣溫相關系數、偏相關系數的空間分布格局。由圖可知，渭河流域NDVI與氣溫的相關系數介于-0.943～0.864之間，偏相關系數介于-0.926～0.870之間，二者的極化現象嚴重且空間差異性明顯。NDVI與氣溫呈正相關關系的區(qū)域占流域面積的51.21%，主要分布在渭河寶雞峽以上的地區(qū)，包括寶雞、天水、平涼、固原以及榆林定邊縣。這些地區(qū)年均溫較低，植被以草原和栽培植被為主，同期氣溫升高，降水量也呈增大趨勢，這有利于農業(yè)耕作和自然植被生長。NDVI與氣溫呈負相關關系的地區(qū)占流域面積的48.79%，主要分布在北洛河流域以及渭河流域咸陽至潼關段，包括慶陽、西安、咸陽、銅川、延安和渭南,這與已有研究結果一致[20]。這也說明氣溫的升高會導致植被生長在一定程度上受到抑制。圖6C、圖6D顯示了NDVI與降水的相關系數、偏相關系數的空間分布格局。總體而言，NDVI與降水變化的相關性要弱于氣溫變化，NDVI與降水的相關系數介于-0.474～0.818之間，偏相關系數介于-0.519～0.825之間。空間分布上，NDVI與降水呈正相關關系的區(qū)域占流域面積的96.67%，特別是流域西北部，NDVI與降水的正相關性較為明顯，而植被覆蓋程度較好的秦嶺與子午嶺地區(qū)，NDVI與降水的相關性較弱。NDVI與降水呈負相關關系的區(qū)域占流域面積的3.33%，主要沿關中平原城市周邊分布。從整體上看，渭河流域降水的增加對植被生長主要起到促進的作用。

圖5 NDVI與氣溫、降水在時間序列上的關系

圖6NDVI與氣溫、降水量相關性空間分布

3 討論與結論

3.1 討 論

氣候變化是影響地表植被時空分布的重要原因[21]。已有研究表明，全球變暖正導致北半球中高緯度地區(qū)植被活動增強[22-23]。本文以渭河流域為研究區(qū)域，嘗試分析NDVI的時空變化及其與氣候因子之間的時空相關性。結果表明，2000—2015年，渭河流域NDVI總體呈增大的趨勢，但空間差異明顯，流域西部、北部植被活動的強度明顯大于東南部地區(qū)；在NDVI與氣候因子的相關性分析中發(fā)現，NDVI對氣溫變化的響應強度要大于降水變化；此外，氣溫的升高對植被動態(tài)變化的影響具有空間差異性，而降水的增加主要促進了植被的生長。氣候變化對渭河流域植被動態(tài)變化的影響是明顯的，但其他非氣候因素對植被動態(tài)變化的影響也不可忽視，特別是退耕還林(草)工程、城市化的發(fā)展等人類活動因素對植被動態(tài)的影響還有待進一步研究。

3.2 結 論

(1) 2000—2015年，渭河流域NDVI總體呈增大的趨勢，但空間差異明顯。NDVI增大的趨勢表現為西部強于東部，北部強于南部。同期渭河流域氣候總體朝暖濕的方向發(fā)展，流域西部、北部氣溫升高，降水量增大，東北部氣溫降低、降水量減小。

(2) 時間尺度上，渭河流域NDVI與氣溫和降水均呈顯著正相關關系，其中NDVI與氣溫的相關性要強于降水。

(3) 像元尺度上，渭河流域NDVI與氣溫的相關性空間差異明顯，西部主要呈正相關關系，東部主要呈負相關關系。大部分地區(qū)NDVI與降水均呈正相關關系。說明就渭河流域而言，氣溫的變化對植被生長的影響具有空間差異性和不確定性，而降水的增加會促進植被的生長。