蕪湖市NDVI與氣候因子時(shí)空變化及相關(guān)性研究

劉義， 劉慶廣

(合肥學(xué)院 a.生物食品與環(huán)境學(xué)院；b.旅游與會(huì)展學(xué)院，安徽 合肥 230601)

植被是連接土壤、大氣和水分的重要“紐帶”，對(duì)陸地表面能量交換、水分循環(huán)和生物地球化學(xué)循環(huán)過程起著重要作用[1-3].植被覆被變化是氣象要素和人類活動(dòng)綜合作用的結(jié)果，能夠反映區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的演替趨勢(shì)[4].探究區(qū)域范圍植被覆蓋變化情況及其與氣溫、降水因子在時(shí)間上、空間上的關(guān)系，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)重要參考.歸一化植被指數(shù)(Normalizeddifferentialvegetationindex，NDVI)是最常用于監(jiān)測(cè)植被的遙感指數(shù)[5]，是目前最為常用的表征植被狀況的指標(biāo)[6].能夠定量地監(jiān)測(cè)植被的動(dòng)態(tài)變化，研究植被的生長狀況[7].

根據(jù)當(dāng)前已有研究，植被覆蓋與氣候因子的相關(guān)性顯著[9-11].學(xué)者們使用NDVI遙感數(shù)據(jù)，綜合氣象數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了研究.比如王麗霞等人通過研究渭河流域NDVI與氣候因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)NDVI與氣溫的相關(guān)性要強(qiáng)于降水[11]；李舒婷[12]等人通過研究內(nèi)蒙古自治區(qū)15 a的NDVI變化及其對(duì)與降水和氣溫的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，年際尺度上，降水對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)地區(qū)NDVI年際變化起決定作用；M.Otto等[13]研究摩洛哥西北部NDVI與降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域降水與植被覆蓋有著很強(qiáng)的相關(guān)性，特別是9月初到12月底的降水可以說明75%的農(nóng)用地NDVI.植物還有利于土壤修復(fù)，對(duì)土壤性質(zhì)破壞程度低，對(duì)多種污染物治理有效，成本低，環(huán)境友好[14].一般來講，不同區(qū)域之間植被差異巨大，氣象條件不同，因此研究NDVI與氣候因子的時(shí)空關(guān)系，需要針對(duì)不同研究區(qū)具體分析.蕪湖市地勢(shì)西南高東北低，植被覆蓋空間差異大，且因所屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，水熱變化大，需要對(duì)其NDVI與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行研究.但目前針對(duì)該市的相關(guān)研究較少.鑒于此，本文利用蕪湖市2000年—2015年MODISNDVI月時(shí)序數(shù)據(jù)及同期氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，研究該市NDVI與氣溫、降水的時(shí)空變化特征及相關(guān)性，為蕪湖市生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)文明建設(shè)提供參考.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

蕪湖市位于長江中下游南岸，安徽省東南部，下轄鏡湖區(qū)、弋江區(qū)、鳩江區(qū)、三山區(qū)4個(gè)市轄區(qū)以及無為市、蕪湖縣、繁昌縣、南陵縣4個(gè)縣，總面積約6 026 km2.地理位置介于北緯30°38′～31°34′，東經(jīng)117°57′～118°54′之間.長江流經(jīng)該市，將該市劃分為江南和江北兩大區(qū)域.春秋時(shí)，因“湖沼一片，鳩鳥繁多”而名“鳩茲”，西漢時(shí)因“蓄水不深而多生蕪藻”始名“蕪湖”，地勢(shì)西南高東北低，年平均氣溫16 ℃，年降雨量1 200 mm；主要植被類型有針葉林、闊葉林、竹林、灌叢及經(jīng)濟(jì)作物群落.近年來，蕪湖市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，截至2017年末，常住人口約369.6萬，城鎮(zhèn)化率65.05%，地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到3 065.52億元，比上年增長8.9%.

1.2 數(shù)據(jù)來源

地理矢量數(shù)據(jù)選取全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)1∶100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(http：//www.webmap.cn/main.do?method=index)中的蕪湖市矢量數(shù)據(jù).NDVI數(shù)據(jù)選取中國年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集[15]，該年度數(shù)據(jù)集是由SPOT/VEGETATIONNDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)基于最大值合成法得到，經(jīng)裁剪處理得到蕪湖市2013年—2017年NDVI數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)使用特拉華大學(xué)發(fā)布在美國國家海洋和大氣管理局的月值氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)集，時(shí)間覆蓋1900年—2017年，數(shù)據(jù)格式為NC格式，經(jīng)過提取、裁剪、重采樣等處理得到蕪湖市2013年—2017年的年平均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 一元線性回歸分析法

一元線性回歸分析能夠模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，該方法是指在一定時(shí)間內(nèi)，采用最小二乘法逐像元擬合年均NDVI的斜率，用以綜合反映植被覆蓋的時(shí)空演變特征[1].基于像元尺度的NDVI一元線性回歸分析法，得出蕪湖市NDVI的年際變化趨勢(shì)，用于分析年變化趨勢(shì).數(shù)學(xué)公式為[16]：

(1)

式中：n表示總年份數(shù)，本研究中n=5；Slope為NDVI在這n年間的變化趨勢(shì)值；NDVIi為第i年NDVI值.當(dāng)slope大于0時(shí)，表示所在像元的年最大NDVI值隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)；當(dāng)slope小于0時(shí)，NDVI隨時(shí)間變化呈減少趨勢(shì)；當(dāng)slope為0時(shí)，NDVI值沒有隨時(shí)間變化有明顯變化.

2.2 偏相關(guān)分析

相關(guān)分析可以用來分析NDVI值與氣溫、降水相互關(guān)系的密切程度.在多要素所構(gòu)成的地理系統(tǒng)中，不考慮其他要素的影響，而單獨(dú)研究兩個(gè)要素之間的相互關(guān)系的密切程度，稱為偏相關(guān).用以度量偏相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量，稱為偏相關(guān)系數(shù).

相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

基于降水量(溫度)的NDVI與溫度、降水量的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中，rxy，z為變量z固定后變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)，rxy、rxz、ryz分別為變量x和y、變量x與z、變量y與z的相關(guān)系數(shù).

3 結(jié)果與分析

3.1 蕪湖市植被NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)

時(shí)間變化.2013年—2017年蕪湖市NDVI逐年變化如圖1所示，5 a間，蕪湖市各地NDVI值年際植被覆蓋度差異大，表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，5 a的增長速度為0.03.NDVI變化呈現(xiàn)類似“√”(對(duì)勾)形狀特征，先降后增.2014年植被NDVI最低，2017年最高，植被覆蓋面積在2013年之后有所減少，2014年之后不斷增加.直至2017年才趕超2013年?duì)顟B(tài).這期間，植被在2013年—2014年出現(xiàn)衰退，NDVI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，植被覆蓋度降低；2014—2017年NDVI出現(xiàn)增長期，植被覆蓋度增加.蕪湖市各縣區(qū)在2013年—2017年5 a中的NDVI變化情況如表1，可知各縣區(qū)時(shí)間變化與全市總體變化一致，類“√”形狀變化，由2013年—2014年下降，由2014年—2017年上漲.5 a中，繁昌縣增加最多，增加了0.070 6；鳩江區(qū)增加最少，增加了0.005 5；按增加速度來看：繁昌縣>蕪湖縣>南陵縣>鏡湖區(qū)>弋江區(qū)>三山區(qū)>無為市>鳩江區(qū).

圖1 2013—2017年NDVI的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of NDVI from 2013 to 2017

表1 蕪湖市各縣區(qū)2013年—2017年NDVI數(shù)值表Table 1 NDVI values of counties and districts in Wuhu City from 2013 to 2017

由圖2可知，蕪湖市年NDVI存在顯著的地區(qū)差異，受氣溫、降水、地表地貌、土地類型等影響.分布特征是中間低兩端高，長江所流經(jīng)西南—東北水域一帶NDVI數(shù)值為低值，南部為較高值.此外，人口活動(dòng)較多的市區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地?cái)?shù)值偏低，植被覆蓋少.根據(jù)結(jié)果來看，南陵縣NDVI數(shù)值最高，植被覆蓋率為全市最高，2017年達(dá)到0.826 3；三山區(qū)NDVI最低，表明其植被覆蓋率為全市最低.按照NDVI平均水平由大到小排序?yàn)椋哼瓍^(qū)>鳩江區(qū)>鏡湖區(qū)>三山區(qū)>蕪湖縣>南陵縣>無為市>繁昌縣.

圖2 蕪湖市NDVI空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Wuhu City

根據(jù)一元線性回歸分析方法得到蕪湖市NDVI變化趨勢(shì)(見表2)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差法劃分等級(jí)，全市NDVI變化趨勢(shì)在-0.142 0到0.110 4之間，表明5 a變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)劇烈變化，51.35%的區(qū)域NDVI基本沒有變化.NDVI整體得到改善的區(qū)域面積大于退化區(qū)域，其中嚴(yán)重退化占2.38%，重度退化占3.40%，輕微退化16.81%.退化面積較為嚴(yán)重的是長江沿岸、本身NDVI水平較低的區(qū)域，無為市、鳩江區(qū)退化較多，其他區(qū)域也有少許分布.輕微改善、中度改善以及明顯改善分別占總面積的21.98%、2.94%、1.15%，主要分布在繁昌縣、南陵縣、鏡湖區(qū)等區(qū)域.植被得以改善的一是環(huán)繞于人類聚集地周圍，人類對(duì)自然環(huán)境重視起來的行動(dòng)，如城市綠化、開墾農(nóng)田等，使得植被覆蓋呈現(xiàn)增長狀態(tài).

表2 蕪湖市NDVI變化趨勢(shì)

3.1.2 氣溫、降水變化分析

2013年—2017年蕪湖市區(qū)域氣溫、降水量變化情況如表3所示，全市年均氣溫變化區(qū)間為16.70 ℃ ～17.50 ℃ ；降水變化區(qū)間在1 060.5 mm～2 119 mm.這5 a來，蕪湖市年均氣溫總體變化不大，但年際差異相對(duì)較大，2015年氣溫最低，為16.7 ℃.全市年均氣溫呈現(xiàn)北低南高、漸變過度的分布特征.這5 a來降水量變化大，比起氣溫變化要復(fù)雜，2013年—2016年逐年增加，2016年該市降水均值達(dá)到最高，為2 119 mm，2017年有所下降.蕪湖市年均降水同樣呈現(xiàn)北低南高，漸變過度的分布特征.

表3 蕪湖市2013年—2017年氣溫、降水變化Table 3 Temperature and precipitation changes in Wuhu City from 2013 to 2017

3.1.3 NDVI與年降水、年均溫之間的關(guān)系分析

計(jì)算蕪湖市5 a間的NDVI與年平均氣溫和年降水偏相關(guān)系數(shù)，得出氣溫、降水和NDVI偏相關(guān)系數(shù)r1和r2的空間分布圖(見圖3、圖4).

圖3 NDVI與氣溫偏相關(guān)(r1)空間分布Fig.3 Partial correlation between NDVI and temperature(r1)

圖4 NDVI與降水偏相關(guān)(r2)空間分布Fig.4 Partial correlation between NDVI and precipitation(r2)

圖3為NDVI與氣溫的偏相關(guān)分布，偏相關(guān)為負(fù)的主要分布在蕪湖縣東部、繁昌縣、無為市、鳩江區(qū)等零星分布，其余區(qū)域?yàn)檎?，正相關(guān)區(qū)域面積較多.NDVI與年均溫度偏相關(guān)系數(shù)為正的區(qū)域所占百分比為70%，負(fù)相關(guān)占比30%.圖4為NDVI與降水的偏相關(guān)分布，南陵縣大部分、蕪湖縣西部、三山區(qū)北部、鏡湖區(qū)中部、弋江區(qū)大部分地區(qū)、鳩江區(qū)大部分區(qū)域以及無為市北部偏相關(guān)為正，降水對(duì)植被起促進(jìn)作用；但在無為市南部、南陵縣東北部以及蕪湖縣西部等地區(qū)偏相關(guān)系數(shù)為負(fù)，降水似乎有阻礙植被生長的勢(shì)頭.蕪湖市NDVI與年降水量呈正相關(guān)的區(qū)域占比56.81%，呈負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)?3.19%，因此降水對(duì)植被生長整體表現(xiàn)為積極因素.通過分區(qū)顯示各縣區(qū)NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)均值，如圖5，可知區(qū)域NDVI與氣溫、降水的整體關(guān)系，NDVI與降水關(guān)系中，無為市的NDVI與降水偏相關(guān)區(qū)域均值是唯一的負(fù)值，表明該市NDVI與降水整體為負(fù)相關(guān)，降水對(duì)NDVI有一定的阻礙作用.其余為正相關(guān)的區(qū)域，按照數(shù)值由小到大為：蕪湖縣<三山區(qū)<繁昌縣<弋江區(qū)<鳩江區(qū)<鏡湖區(qū)<南陵縣，南陵縣植被NDVI受到降水的促進(jìn)作用最大.區(qū)域NDVI與氣溫偏相關(guān)均為正數(shù)，由小到大排序?yàn)椋菏徍h<繁昌縣<無為市<三山區(qū)<弋江區(qū)<鳩江區(qū)<南陵縣<鏡湖區(qū).NDVI與氣溫偏相關(guān)普遍大于與降水的偏相關(guān)程度，同一像元符合r1>r2的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)域的67.47%，表明5 a蕪湖市植被變化對(duì)氣溫的響應(yīng)程度高于對(duì)降水的響應(yīng).

圖5 各縣區(qū)NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)均值Fig.5 Mean value of partial correlation between NDVI and temperature and precipitation in each county

4 結(jié)語

通過分析蕪湖市2013—2017年NDVI時(shí)空變化特征及其與氣溫、降水的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)時(shí)間上，蕪湖市各地NDVI值年際植被覆蓋度差異大，表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).植被在2013年—2014年植被覆蓋度降低；2014年—2017年NDVI植被覆蓋度增加.按增加速度來看：繁昌縣>蕪湖縣>南陵縣>鏡湖區(qū)>弋江區(qū)>三山區(qū)>無為市>鳩江區(qū).空間上，蕪湖市年NDVI存在顯著的地區(qū)差異，中間低兩端高，南陵縣植被覆蓋率為全市最高，三山區(qū)NDVI最低.NDVI平均水平由大到小排序?yàn)椋哼瓍^(qū)>鳩江區(qū)>鏡湖區(qū)>三山區(qū)>蕪湖縣>南陵縣>無為市>繁昌縣.

(2)5 a的NDVI變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)劇烈變化.51.35%的區(qū)域NDVI基本沒有變化，NDVI整體得到改善的區(qū)域面積大于退化區(qū)域，其中嚴(yán)重退化占2.38%，重度退化占3.40%，輕微退化16.81%.退化較為嚴(yán)重的是長江沿岸、本身NDVI水平較低的區(qū)域.輕微改善、中度改善以及明顯改善分別占總面積的21.98%、2.94%、1.15%，主要分布在繁昌縣、南陵縣、鏡湖區(qū)等區(qū)域.

(3)NDVI與氣溫偏相關(guān)正相關(guān)區(qū)域面積較多，占比為70%，負(fù)值主要分布在蕪湖縣東部和其他區(qū)域零星分布，占比30%；NDVI與年降水量呈正相關(guān)的區(qū)域占比56.81%，呈負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)?3.19%，因此氣溫、降水均對(duì)植被生長整體表現(xiàn)為積極因素.除了無為市降水對(duì)NDVI有一定的阻礙作用，其余降水為促進(jìn)作用.區(qū)域NDVI與氣溫偏相關(guān)均為正數(shù)，由小到大排序?yàn)椋菏徍h<繁昌縣<無為市<三山區(qū)<弋江區(qū)<鳩江區(qū)<南陵縣<鏡湖區(qū).NDVI與氣溫偏相關(guān)普遍大于與降水的偏相關(guān)程度，且植被變化對(duì)氣溫的響應(yīng)程度高于對(duì)降水的響應(yīng).