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 環境科學與工程學院, 西安 710054)

植被是地表物質循環與能量流動的主要載體[1]，也是氣候和生態環境變化的指示器[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變化及其與氣候因子之間的相關性，對揭示區域生態環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關系進行了深入研究。例如，Liu等[9]研究發現，1982—2012年全球大多數地區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]發現我國植被生長動態主要受氣溫影響，其次受到降水的影響；杜加強等[12]研究發現，新疆地區的NDVI變化在春秋季節主要受氣溫影響，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，是我國典型的生態環境脆弱區，其植被覆蓋狀況對流域生態環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環境保護與建設提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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，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，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的NDVI值均呈增大的趨勢，統計各像元值對應的像元數發現，趨勢斜率大于0的像元個數有375 579個，占全區的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，占全區的2.23%，主要沿渭河干流一線的城鎮和人口密集地區分布?？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趨于穩定，說明此時供給植被生長發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域占流域面積的51.21%，主要分布在渭河寶雞峽以上的地區，包括寶雞、天水、平涼、固原以及榆林定邊縣。這些地區年均溫較低，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，這有利于農業耕作和自然植被生長。NDVI與氣溫呈負相關關系的地區占流域面積的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?？傮w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，NDVI與降水的相關性較弱。NDVI與降水呈負相關關系的區域占流域面積的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植被活動增強[22-23]。本文以渭河流域為研究區域，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；在NDVI與氣候因子的相關性分析中發現，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變化的影響是明顯的，但其他非氣候因素對植被動態變化的影響也不可忽視，特別是退耕還林(草)工程、城市化的發展等人類活動因素對植被動態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。