25年來秦嶺NDVI指數的氣候響應

陳曉寧，蔣好忱

(國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西 西安 710054)

植被在全球變化研究中起著“指示器”的作用，對植被的動態(tài)監(jiān)測可以在一定程度上反映氣候的變化趨勢，是生態(tài)環(huán)境研究的熱點之一[1-4]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)是反映植被所吸收的有效輻射比例的重要指標，對植被的長勢和生長量非常敏感，在一定程度上代表地表植被覆蓋變化[5]。因此，NDVI常用來估測土地覆蓋面積大小、植被光合作用能力、植被生物量、區(qū)域蒸散量、土壤水含量及旱情災害等[6-13]。

許多學者研究了不同地區(qū)NDVI與主要氣候因子的關系。文獻[14]利用SPOT VGT NDVI數據和氣象資料，分析了1998—2007年我國東部植被在不同季節(jié)對氣溫、降水變化的時空響應特征；文獻[15]利用GIMMS/NDVI數據分析了我國西北地區(qū)1982—2006年植被NDVI時空變化特征及其影響因子；文獻[16]利用變化斜率法、主成分分析法和相關分析法得出流域NDVI與降雨的良好相關性；文獻[17]使用統(tǒng)計學方法，探討了NDVI時空變化及與氣候因子的關系。本文對秦嶺山區(qū)的多年NDVI變化情況進行分析，同時使用相關分析法和趨勢分析法對不同植被類型下影響NDVI的氣候因子進行研究，為氣候變化背景下制定環(huán)境資源保護和利用策略提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據基礎

以陜西秦嶺地區(qū)為研究樣區(qū)，植被數據資料采用AVHRR-NDVI資料，空間分辨率為8 km，將數據進行預處理拉伸并標準化至-1～1之間。選取安康、佛坪、商州、華山4個氣象站點(見表1)，獲取1982—2006年的氣溫和降水量數據，資料來自于中國氣象局氣象信息中心氣候資料室。研究范圍及氣象站點的空間位置分布如圖1所示，秦嶺地區(qū)植被覆蓋類型如圖2所示。

表1 氣象站點

1.2 研究方法

采用線性傾向估算法和相關系數法對秦嶺地區(qū)植被指數的時空變化及其與氣候因子的關系進行分析。構建樣本與時間之間的線性回歸方程，回歸系數與回歸常數的最小二乘估計見式(1)。利用回歸系數b與相關系數r之間的關系，求出時間ti與變量xi之間的相關系數，見式(2)。

(1)

(2)

NDVI與氣候因子的相關系數可通過式(3)得到

(3)

式中，n為樣本數量。

2 結果與分析

2.1 NDVI變化分析

對安康、佛坪、商州、華山4個氣象站的氣溫和降水數據進行計算，求出1982—2006年的年平均氣溫、年總降水量和年平均植被指數。分別對1982—2006年的年平均氣溫、年總降水量及植被指數進行擬合，結果如圖3—圖5所示。

1982—2006年間，秦嶺地區(qū)年均溫最低為10.7℃，最高為12.8℃，整體呈不斷波動上升趨勢，25年間上升幅度達到了2.1℃。

由圖4可知，雖然各年的總降水量值大小不一，但就變化趨勢來看變化趨于平穩(wěn)，平均在790 mm左右。年總降水量的變化趨勢不明顯，約為-7.172 6 mm/a。

1982—2006年，NDVI的多年變化趨勢有所上升，反映了研究區(qū)域的植被有所增加，植被的保護相對較好，每年增幅約為0.000 7。

對植被在1982—2006年的變化作趨勢分析，結果如圖6所示。植被指數在研究區(qū)域的中西部和東北部都有明顯的增加(黑色和灰色所示)。在南部和西北部的部分地區(qū)植被指數值一度處于低值，甚至出現(xiàn)負值，最低值為-0.002 3。針對植被指數的變化情況，對1982—2006年植被指數變化的顯著性作了檢驗，結果如圖7所示，植被指數的變化在中西部和東北部比較顯著，而在南部和西北大面積區(qū)域不顯著。圖7與圖6所示情況基本一致，說明在中西部和東北部植被指數的變化較為明顯。

將研究區(qū)植被類型數據與NDVI變化數據進行疊加分析，進一步研究25年來不同植被類型的變化情況(見表2)。從表2可以看到，增加最為明顯的植被為溫帶、亞熱帶、熱帶常綠灌叢矮林，平均值為0.001 2，而針葉林的變化最小。

表2 不同植被類型NDVI變化情況

2.2 不同區(qū)域NDVI與氣候因子相關性

將1982—2006年逐年NDVI值與同期的逐年年均溫進行相關分析，相關系數如圖8所示。研究區(qū)域中西部和東北的大部分地區(qū)植被指數變化與氣溫之間呈明顯的正相關關系，相關系數最大值達到0.72，表明中西部和東北大部分地區(qū)的植被指數變化受氣溫的影響較大；南部和西北地區(qū)呈明顯的負相關關系(白色區(qū)域)，最大負相關系數達到-0.41，由此可見該區(qū)域植被指數變化受氣溫的負面影響較大；此外，局部小范圍地區(qū)(灰色所示)的植被幾乎不受氣溫的影響。對植被指數與氣溫之間關系的顯著性作分析，結果如圖9所示，氣溫對植被指數影響明顯的區(qū)域也主要分布于中西部和東北區(qū)域。

分析氣溫對不同植被覆蓋類型的影響程度(見表3)，相互關系最為顯著的植被類型為果樹園、經濟林，平均值達到0.52，說明果樹園、經濟林受氣溫影響大，針葉林則受氣溫的影響最小。

表3 不同植被類型下氣溫與植被指數的相關關系

采用與上述相同的方法，分析NDVI與年總降水量的相關關系(如圖10、圖11所示)。從圖中可以看出僅有南部與北部的小部分區(qū)域的植被指數與降水呈正相關(黑色所示)，并且最大正相關系數只有0.473；而其他大部分地區(qū)植被指數變化與降水呈明顯的負相關(白色所示)，最大負相關系數達到-0.516，因此大部分地區(qū)的植被指數受降水的負面影響較大。除個別地區(qū)外，絕大部分地區(qū)的植被指數與降水之間的關系不顯著。

由表4可見，降水與植被的相互關系最顯著的植被類型為闊葉林，平均值為-0.13，說明闊葉林受降水影響較大；相互關系最不顯著的植被類型為果樹園、經濟林，平均值僅為-0.07，受降水的影響較小。

表4 不同植被類型下降水與植被指數的相關關系

3 結論與展望

NDVI是反映植被覆蓋的一個重要指標，其變化是區(qū)域植被覆蓋狀況的體現(xiàn)，分析其與氣候因子的相互關系，具有重要的理論和實際意義。本文所得結論如下：

(1) 陜西秦嶺地區(qū)年均氣溫在1982—2006年間呈不穩(wěn)定性上升，上升幅度為2.1℃，這主要是由于近幾十年來，隨著溫室氣體的不斷排放，全球氣溫不斷上升；年總降水量的變化趨勢趨于平穩(wěn)，平均值在756 mm左右；該區(qū)域的植被指數有略微的上升。

(2) 研究發(fā)現(xiàn)，1982—2006年秦嶺地區(qū)的NDVI在中西部和東北部與氣溫呈正相關，且比較顯著，在南部和西北部呈明顯的負相關，植被指數受氣溫的影響比較大。北部和南部的部分地區(qū)的植被指數與降水呈正相關，其他區(qū)域與降水呈明顯的負相關，植被指數與降水的關系不顯著，受降水的影響較小。總的來說，氣溫是影響該地區(qū)植被指數變化的主要因素。

由于受到數據空間分辨率的限制，精度更高的分析結果有待進一步的完善。