基于NDVI的喀斯特地區植被對氣候變化的響應研究
——以貴州省六盤水市為例

張勇榮，周忠發，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系是全球氣候變化研究的關鍵課題［2］，植被對氣候變化響應的研究可以揭示地表各圈層間的相互響應機制，對研究生態環境演變、全球碳循環模式等具有現實意義。遙感數據因其在時間和空間上具備的連續性，被認為是監測全球和區域植被變化最有效的數據源［3］。歸一化植被指數（NDVI）是反映植被覆蓋的一個重要指數，其時間序列的變化對應著植被的生長和變化，因而被廣泛應用于大尺度植被活動狀況的研究［3－8］。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

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

1.2 數據來源

所用遙感數據為1999年1月至2010年12月的SPOT Vegetation NDVI逐旬數據，空間分辨率為1km。Vegetation傳感器是由歐洲聯盟委員會贊助，從1998年4月開始接收NDVI數據［10］。NDVI數據的處理，選取每年各月內旬數據的最大值作為該月的NDVI值，將一年內各個月的NDVI值的最大值作為該年的 NDVI值［11］。

氣象數據來自貴州省氣象信息中心和六盤水市氣象局的實際監測數據，包括六盤水市域內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據。采用Kriging方法對氣候數據進行空間插值處理，獲取像元大小為1km，投影與NDVI數據相同的氣候要素空間數據。

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數據研究西南典型喀斯特區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，空間變異系數是衡量數據變異程度的統計量，可以很好地反映空間數據在時間序列上變化的差異程度，以變異系數Cv值來評價數據時間序列的穩定性。研究采用逐像元計算Cv系數，這樣可以整體把握喀斯特地區12a來植被覆蓋變化空間格局及分異規律，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，表明數據分布越離散，NDVI年際變化越大；反之則表明數據分布較為緊湊，NDVI時間序列數據較穩定［12］。

1.3.2 喀斯特區域植被與氣候因子相關分析 首先對1999—2010年研究區的NDVI與年均氣溫和年降水量進行相關分析，探討長時間序列的NDVI與氣溫和降水的相關性。在此基礎上完成基于像元的相關分析，對研究區12a間NDVI數據與溫度和降水量的空間插值數據進行逐像元相關分析。這樣可以反映出氣候因子與NDVI序列的相關程度及其空間分布規律，綜合分析植被NDVI對氣候因子的響應［3］。相關系數和偏相關系數計算公式為：

式中：x，y——兩個要素樣本值的平均值；rxy——要素x和y之間的相關系數，表示這兩個要素之間的相關程度的統計指標，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——變量之間的相關系數；R12，3——將變量V3固定后，變量V1與V2的偏相關系數；R12，3＞0表示正相關，即兩要素同向相關；R12，3＜0表示負相關，即兩要素異向相關；偏相關系數越大，說明該像元處二者要素相關性越強［13］。

2 結果與分析

2.1 研究區氣溫和降水變化趨勢

通過對各觀測站獲得的氣溫和降水數據進行時間序列分析。結果表明，1999—2010年研究區年均溫平均值為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1999—2010年NDVI變化趨勢可以看出，1999—2010年研究區植被年最大NDVI年際變化趨勢呈現不顯著緩慢上升趨勢；具體表現為3個階段：1999—2001年呈小幅上升趨勢，最大NDVI值出現在2001年，為0.858 8；2002年快速下降，NDVI值為0.780 3是整個研究時段內的最低值，2003—2005年呈快速回升態勢，最大值出現在2005年，NDVI值為0.882 4是研究時段內的最高值；2006年以后呈現穩定狀態，NDVI值都保持在0.8以上。通過逐像元計算NDVI的變異系數，從區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NDVI變異系數和年際變化空間分布情況可以看出（附圖3），研究區過去12a間，年最大NDVI變化較大，大部分區域的空間變異系數在0.25以上。

將研究區2010和1999年最大NDVI數據進行相減運算，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12a植被變化空間分布圖（附圖3）。從整體來看，研究區大部分植被表現為高度改善，面積占研究區總面積的37.04%。其次是輕微改善，占研究區總面積的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，研究區北部水城縣和六枝特區大部呈植被恢復狀態，而盤縣中部、南部呈現不變和退化趨勢。

2.3 研究區植被NDVI對氣候的響應

2.3.1 植被NDVI對氣溫和降水的整體相關性分析 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系數。結果表明，植被NDVI與年均氣溫間呈負相關關系，相關系數為－0.208 3（p＜0.05）；植被NDVI與年降水量間呈正相關關系，相關系數0.318 6（p＜0.05）；二者都未呈現出顯著的相關性。同時對植被NDVI與年降水量和平均氣溫進行偏相關分析；偏相關系數分別為：－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系數均未超過0.5。這主要是由于典型喀斯特地區下墊面分異大，在區域尺度下一定水平距離內，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，直接分析區域整體NDVI值與氣候要素均值的相關關系，實際意義不大，最終造成二者的相關性不顯著。

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

3 結論

（1）研究區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內植被NDVI呈整體恢復趨勢，植被NDVI的空間分布變異系數較大。

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

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

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

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

［1］ 孫紅雨，王常耀，牛錚，等.中國植被覆蓋變化及其與氣候因子關系：基于NOAA時間序列數據［J］.遙感學報，1998，2（3）：204－210.

［2］ 喻梅，高瓊，高素華.全球變化條件下植物個體的生理生態學模型［J］.植物學報，1997，39（9）：811－820.

［3］ 王宗明，國志興，宋開山，等.中國東北地區植被NDVI對氣候變化的響應［J］.生態學雜志，2009，28（6）：1041－1048.

［4］ 信忠保，許炯心，鄭偉.氣候變化和人類活動對黃土高原植被覆蓋變化的影響［J］.中國科學（D輯）：地球科學，2007，37（11）：1504－1514.

［5］ 樸世龍，方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動態變化［J］.第四紀研究，2001，21（4）：294－302.

［6］ 毛德華，王宗明，宋開山，等.東北多年凍土區植被 NDVI變化及其對氣候變化和土地覆被變化的響應［J］.中國環境科學，2011，31（2）：283－292.

［7］ 蒙吉軍，王鈞.20世紀80年代以來西南喀斯特地區植被變化對氣候變化的響應［J］.地理研究，2007，26（5）：857－866.

［8］ 李旭譜，張福平，胡猛.基于SPOTNDVI的植被覆蓋時空演變規律分析：以西北五省為例［J］.干旱地區農業研究，2012，3（5）：180－184.

［9］ 貴州省農業地貌區劃［M］.貴州 貴陽：貴州人民出版社，1989.

［10］ Maisongrande P，Duchemin B D，Dedieu G.VEGETATION／SPOT：An operational mission for the Earth monitoring；presentation of new standard products［J］.International Journal of Remote Sensing，2004，25（1）：9－14.

［11］ 羅玲，王宗明，宋開山，等.1982—2003年中國東北地區不同類型植被NDVI與氣候因子的關系研究［J］.西北植物學報，2009，29（4）：800－808.

［12］ 毛德華，王宗明，羅玲.基于 MODIS和AVHRR數據源的東北地區植被NDVI變化及其與氣溫和降水間的相關分析［J］.遙感技術與應用，2012，27（1）：77－84.

［13］ 徐建華.現代地理學中的數學方法［M］.2版.北京：高等教育出版社，2002.

［14］ 神祥金，吳正方，杜海波.東北地區植被NDVI變化及對氣象因子的響應［J］.東北師大學報：自然科學版，2013，45（1）：123－130.