中國不同植被覆蓋類型NDVI對氣溫和降水的響應特征

盧喬倩，江濤*，柳丹麗，劉智勇

1. 中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275；2. 中山大學土木工程學院，廣東 珠海 519082

在全球氣候變化與生態環境變化的大背景下，植被的時空演變是氣候變化、水土保持、土地利用等自然和人類活動多種因素綜合作用的結果（李曉兵等，2000；武正麗等，2015），各種氣候因子影響著陸地地表植被時空分布（何月等，2012；田義超等，2016），其中以氣溫和降水兩個因子對植被生長的影響最為突出（Wang et al.，2011；崔林麗等，2011）。

通過衛星遙感手段對全球植被和氣候因子進行持續監測，利用NDVI等量化指標分析不同尺度上的植被水文響應，為揭示陸表生態環境特征提供了強有力的數據支持和研究手段（何全軍，2019）。作為監測區域或全球植被和生態環境變化的有效指標，歸一化植被指數（NDVI）是目前公認的植被覆蓋度及植被生長狀態的最佳指示因子（馬守存等，2018）。目前國內外許多學者在不同區域尺度上研究了植被NDVI對氣溫和降水的響應特征。高江波等（2019）和Nemani et al.（2003）發現，氣候因素對植被生長的影響具有空間差異性，在干旱及半干旱的北方地區，影響植被生長的主要氣候因素是降水；在濕潤的南方地區則是氣溫；Wen et al.（2017）研究了三峽工程建設前后NDVI的驅動力，西南部農田中，增溫趨勢是90年代前NDVI變化上升的主要氣候相關驅動力，而降水下降是 90年代后影響中西部農田NDVI變化的主要氣候因子；Lamchin et al.（2018）在其研究中發現溫度是中國東北部和中部植被綠度變化的主要驅動力，呈間接關系；Jiang et al.（2017）在對1984—2013年中亞地區植被綠度的時空特征及其與氣候因子的關系研究中，發現溫度是影響山地和咸海盆地植被綠度季節變化的控制因子，干旱是影響克孜勒庫姆沙漠和烏斯泰爾特高原北部植被退化的主要因素。植被生長的緩慢過程決定了其對氣溫和降水的響應具有一定的時滯效應。史丹丹等（2018）發現在黃河源區氣溫、降水對植被生長影響最大時間滯后效應大概為16 d和32 d；田義超等（2016）分析得出，北部灣沿海地區的植被覆蓋NDVI對氣溫響應的滯后期以0—5旬為主，短于對降水響應的滯后期6—9旬；Wu et al.（2015）在其研究中發現，考慮了時滯效應后的模型，氣候因子解釋了全球植被生長64%的變化，比忽略時滯效應的模型高了11%。

上述研究多基于中國局部地區或流域，鮮有基于全國尺度的研究。中國幅員遼闊，具有豐富多樣的植被覆蓋類型，而不同植被覆蓋類型對氣候變化的響應具有差異性（黃文琳等，2019）。本文基于1982—2012年共 31年的NDVI、氣溫與降水的逐月監測數據，運用GIS及相關統計方法，分析植被生長季月均NDVI與月均氣溫和降水的相關性和滯后性，以探討中國不同植被覆蓋類型NDVI與氣溫和降水在時空上的響應機制，為全國陸地生態環境建設和保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中國位于亞洲東部，太平洋西岸，海陸總面積約 1.26×107km2，陸地面積約 9.6×106km2。領土南北跨越的緯度近50°，大部分位于溫帶，小部分位于熱帶，沒有寒帶，植被覆蓋類型多種多樣（吳征鎰，1980）。依照中國科學院資源環境數據云平臺的我國自然地理分區數據，結合研究需要，將中國劃分為西北地區、華北地區、東北地區、西南地區、華中地區、華東地區和華南地區七大片區（圖1）。

中國距海遠近差距較大，加之地勢高低不同，地形類型及山脈走向多樣，因而氣溫降水的組合復雜多樣，形成了溫帶大陸性氣候、溫帶季風氣候、亞熱帶季風氣候、熱帶季風氣候和高原高山氣候等多種多樣的氣候類型（劉明光，2000；王茜等，2017；許翔馳，2019）。時空分布上，冬季氣溫由南向北遞減,南北溫差大，夏季除青藏高原外全國普遍高溫；降水夏多冬少，年際變化大，此外，各地降水差別很大，總趨勢是從東南沿海向西北內陸遞減，東南沿海的年降水量多在 1600 mm以上，西北有大片地區年降水量在50 mm以下（郭志華等，2007）。

1.2 數據來源及預處理

圖1 中國七大區域分布圖Fig. 1 Distribution map of 7 regions of China

本研究使用的月平均氣溫和降水數據，來自中國氣象數據網（http://data.cma.cn/）的中國地面氣溫、降水月值 0.5°×0.5°格點數據集（V 2.0），該數據集基于國家氣象信息中心基礎資料專項最新整編的中國地面2472個臺站氣溫、降水資料，利用ANUSPLIN軟件的薄盤樣條法進行空間插值，生成1961年至最新的中國氣溫、降水月值格點數據。氣溫、降水和NDVI數據時間序列均選擇4—10月，這是中國范圍內植被普遍的生長季。1982—2012年，全國平均氣溫和平均降水在生長季均呈現兩端低、中間高的正態分布特點。其中最低月平均氣溫和降水發生在10月（6.9 ℃，28.7 mm），最高值發生在7月（19.8 ℃，132.8 mm），雨熱同期（表1）。月均溫波動較小，月降水波動較大。年均溫在近31年來呈現緩步上升態勢，在1998年達到最高14.6 ℃，同年降水量也達到峰值，為80.4 mm（圖2）。

表1 1982—2012年全國生長季月平均氣溫、降水值Table 1 Monthly mean temperature and precipitation over China for the period 1982-2012

圖2 1982—2012年生長季全國氣溫（t）、降水量（P）年際變化Fig. 2 Annual variation of temperature and precipitation during the growing season in China in 1982-2012

圖3 2001—2011年中國植被覆蓋類型圖Fig. 3 Vegetation cover types across China over the period 2001-2011

植被覆蓋類型數據通過MODIS土地覆蓋產品獲取，只有自2001—2011年的空間分辨率為0.05°的國際地圈生物圈（IGBP）全球植被分類方案（Bao et al.，2007），方案定義了 17類一般土地覆蓋類型，包括11類自然植被分類、3類土地利用和土地鑲嵌、3類無植被生長土地分類（Friedl et al.，2002），其中中國有16種植被覆蓋類型（圖3）。為研究氣溫、降水對植被 NDVI的影響，本文除去裸地或低植被覆蓋區、水域、雪、冰、城市和建成區以及變化地區，只選取樣本點超過 100個的常綠闊葉林、落葉闊葉林、混交林、開放灌叢、多樹的草原、草原、作物、作物和自然植被的鑲嵌體等 8種典型植被覆蓋類型進行研究，這些植被覆蓋類型的分布區域在2001—2011年變化較小，長時間較為穩定。常綠闊葉林主要分布在西南、華南及臺灣地區；落葉闊葉林主要分布在東北地區；混交林除西北地區，均有大面積分布；開放灌叢主要分布在西藏部分地區；多樹的草原主要分布在西南和華南地區的交界處，以及華南地區北部；草原在整個北方地區大面積分布，以及位于西南的西藏大部分地區；作物主要分布在華中、華東和東北地區；作物和自然植被的鑲嵌體則是小面積分布在華南的粵西地區。

NDVI數據來自 NASA近期發布的 GIMMS NDVI 3g數據集，空間分辨率8 km×8 km，時間分辨率 15 d，是目前所能獲取的時間序列最長的NDVI數據（Liu et al.，2016）。為與氣溫、降水數據分辨率保持一致，本研究利用ArcGIS 10.3，用最鄰近內插法對NDVI數據進行重采樣。近31年8種典型植被覆蓋類型NDVI均值介于0.1211—0.7494之間，大小排序依次為常綠闊葉林＞落葉闊葉林＞混交林＞多樹的草原＞作物和自然植被的鑲嵌體＞作物＞草原＞開放灌叢（表2）。在生長季變化尺度上，8種典型植被覆蓋類型NDVI變動均較為平穩，其中作物NDVI上升趨勢最為明顯。各種植被覆蓋類型NDVI在1990年均出現高值，在2000年和2001年出現低值（圖4）。

1.3 研究方法

本文運用相關分析方法，通過計算同月份、滯后1個月和滯后2個月的月均植被NDVI和氣溫、降水時間序列之間的皮爾遜（Pearson）相關系數，研究植被生長季NDVI對氣溫和降水的響應。皮爾遜（Pearson）相關系數被廣泛用于度量兩變量之間的相關程度，其計算公式（馬士彬等，2016）：

表2 1982—2012年全國生長季不同植被覆蓋類型NDVI最大值、最小值和平均值Table 2 Maximum values, minimum values and mean values of NDVI for different vegetation cover types during the growing season in China in 1982-2012

圖4 1982—2012年全國生長季不同植被覆蓋類型NDVI變化情況Fig. 4 Changes of NDVI for different vegetation cover types during the growing season in China in 1982-2012

式中，r為X、Y兩變量間的相關系數；Xi、Yi分別為NDVI和氣象要素的樣本值；為樣本均值。r取值范圍是[-1, 1]，r值在[-1, 0]表示兩個變量呈負相關，在[0, 1]表示呈負相關。計算得到相關系數后，繪制箱形圖分析不同植被覆蓋類型NDVI與氣溫、降水之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 1982—2012年生長季平均NDVI與氣溫、降水的相關性

從生長季尺度上看，除西南部分地區和西北小部分裸地或低植被覆蓋地區外，其他地區多年生長季平均NDVI與平均氣溫呈顯著正相關；西藏南部和華南大部分地區植被NDVI與降水呈負相關，其他地區多年生長季平均NDVI與平均降水呈顯著正相關（圖5）。從植被類型上看，除常綠闊葉林和多樹的草原外，其他植被覆蓋類型NDVI與氣溫、降水這兩個氣候因子的相關性一致為正相關關系，其中落葉闊葉林、開放灌叢和草原這3種植被覆蓋類型與氣溫和降水均呈較高的正相關，且對氣溫響應比對降水強烈（表3）。常綠闊葉林NDVI與降水呈現負相關；分布于華南和臺灣地區的常綠闊葉林NDVI與氣溫呈正相關（r=0.3272），而分布于西南地區的常綠闊葉林 NDVI與氣溫呈負相關（r=-0.3591）。

表3 1982—2012年生長季8種植被覆蓋類型平均NDVI與氣溫、降水的相關系數Table 3 Correlation coefficients between mean NDVI and temperature/precipitation for 8 vegetation cover types during the growing season in China in 1982-2012

2.2 生長季同月植被NDVI與氣溫、降水的相關性

圖5 1982—2012年生長季平均NDVI與氣溫、降水相關性空間分布Fig. 5 Spatial distribution of correlation between average NDVI and temperature/precipitation during growing season in 1982-2012

圖6 NDVI與同月份氣溫相關性分布圖Fig. 6 Correlation distribution of NDVI and temperature for each month of the growing season

生長季月平均植被NDVI與同月份氣溫普遍呈現正相關，4—6月的相關性明顯高于7—10月的相關性（圖6）。空間分布上，部分地區的植被NDVI與氣溫之間相關性較為突出，氣溫對植被生長產生的積極影響，隨著生長季由東北和華中逐漸向華南再向華東地區轉移（圖6），這與不同地區的植被覆蓋類型和人類活動有關。混交林主要分布在東北地區和華北內蒙古地區，混交林NDVI與氣溫的相關性在 4 月（r東北=0.4336*；r內蒙古=0.4612**）和 5 月（r東北=0.413；r內蒙古=0.6028**）較高，而后開始大幅度降低；作物NDVI在整個生長季與氣溫相關性均不明顯（圖7）；常綠闊葉林NDVI與氣溫的正相關性在6—8月時較高，其他月份相關性較弱；大面積分布于西南地區的草原NDVI與氣溫的相關性在9、10月時較大幅度地提高（圖 6）。植被 NDVI與同月降水相關性普遍低于其與同月氣溫的相關性（圖6，圖 8），除華北地區草原帶，同月的降水對植被NDVI的影響在空間上不連續、規律不明顯。

2.3 生長季植被NDVI與前1個月氣溫、降水的相關性

植被NDVI與前1個月氣溫的空間相關性分布規律性較弱（圖9）。9月東北凍土區植被NDVI與8月氣溫呈顯著正相關。東北地區黑龍江省和吉林省少量分布落葉闊葉林，10月落葉闊葉林NDVI與9月的氣溫的正相關性是顯著的（r=0.3529*），相應箱形圖中也可看出，落葉闊葉林NDVI與氣溫的相關性在10月明顯增高（圖9f，圖10f），表明在生長季末期，落葉闊葉林NDVI對氣溫的響應滯后期約為1個月。

與同期相比，部分地區滯后1個月植被NDVI與降水相關性有了明顯的提高，其中以分布在華北地區的內蒙古草原帶最為突出，其 5—9月植被NDVI與降水呈顯著正相關，平均相關系數為0.328；西南地區的開放灌叢在6—7月的NDVI與其前 1個月降水呈顯著正相關，相關系數分別為0.1617和0.2993（圖11，圖12）。為研究其他植被覆蓋類型的時滯效應，并更好地確定滯后期，本研究進一步分析了滯后時間為2個月的各要素之間的相關性。

2.4 生長季滯后2個月植被NDVI與氣溫、降水的相關性

在整個研究時間尺度上，大部分地區滯后2個月的植被NDVI和氣溫的相關性規律不強（圖9，圖13）。除9月植被NDVI與7月氣溫的相關性在昆侖山脈附近和東北及華北部分混交林地區呈顯著正相關外（圖13d），其他相關性均不明顯。

圖7 NDVI與同月份氣溫相關性箱形圖Fig. 7 Boxplot of correlation between NDVI and temperature for each month of the growing season

7—8月，西南開放灌叢NDVI與前2個月的降水呈正相關，相關系數分別是0.2509和0.1591，這與滯后時間1個月的分析基本一致（圖14b—d，圖15b—d）。華北草原帶與滯后1個月結果相比，9月NDVI與7月降水正相關性更強（r=0.3169）（圖11e，圖14d），10月NDVI與8月降水呈顯著正相關（圖14e），其他月份相關性有細微的增強或減弱，但影響不大。由此可以推斷，西南開放灌叢與華北草原帶的NDVI與降水的響應滯后期為1—2個月。

3 討論

考慮中國范圍內常綠闊葉林、落葉闊葉林、混交林、開放灌叢、草原、多樹的草原、作物以及作物和自然植被的鑲嵌體等8種典型植被覆蓋類型普遍的生長時期，本研究選取4—10月作為生長季。對于極度寒冷或炎熱地區，生長季長度可能存在不確定性（劉家福等，2018），但選取4—10月可以減少由于冬季冰雪覆蓋產生異常的NDVI值造成的誤差（田義超等，2016）。在生長季尺度上，1982—2012年中國大部分地區植被 NDVI與氣溫和降水呈正相關，且對氣溫響應更強烈。西南地區的西藏南部和云南中南部植被NDVI與氣溫呈負相關，這與熊巧利等（2019）氣溫升高對青藏高原西南和橫斷山脈地區植被生長不利的研究結論相符合；西藏南部和華南大部分地區植被 NDVI與降水呈負相關，這是因為在濕潤地區，降水多導致日照時數少，不利于植物的光合作用，此外強降水會對地表造成沖刷和侵蝕，破壞植被（周金霖等，2017）。分布于華南和臺灣地區的常綠闊葉林NDVI與氣溫呈正相關，而分布于西南地區的常綠闊葉林NDVI與氣溫呈負相關，造成差異的原因可能是西藏南部地區和云南由于獨特的地形條件，在4—10月受濕熱的西南季風影響，形成夏秋多雨的雨季，氣溫增高的同時降水過于豐富，影響植被生長。

圖8 NDVI與同月份降水相關性分布圖Fig. 8 Correlation distribution of NDVI and precipitation for each month of the growing season

圖9 滯后時間為1個月的NDVI與氣溫相關性分布圖Fig. 9 Correlation distribution of NDVI and temperature with 1 month lag

圖10 滯后時間為1個月的NDVI與氣溫相關性箱形圖Fig. 10 Boxplot of correlation between NDVI and temperature with 1 month lag

圖11 滯后時間為1個月的NDVI與降水相關性分布圖Fig. 11 Correlation distribution of NDVI and precipitation with 1 month lag

植被生長受到水熱條件的共同影響，NDVI對氣溫和降水的響應在時間和空間上具有不同特征。分布在東北和華北地區的混交林NDVI與同月氣溫的相關性在4月和5月較高，6月后相關性大幅度降低，原因是此后這類植被長勢穩定，氣溫和降水對其生長的制約作用減小；作物是一種易受人工干預影響的植被覆蓋類型，其NDVI在整個生長季與同期氣溫相關性不明顯；植被NDVI與同月降水相關性普遍低于植被NDVI與同月氣溫的相關性，除華北地區草原帶，同月的降水對NDVI的影響在空間上不連續、規律不明顯，這是因為氣溫和降水對NDVI的影響存在時滯效應（Wu et al.，2015；何云玲等，2018；李舒婷等，2019；史丹丹等，2018）。不同植被覆蓋類型NDVI對氣溫和降水的響應滯后期存在差異性。在生長季末期，分布在東北地區黑龍江和吉林省的落葉闊葉林NDVI對氣溫的響應有約1個月的滯后期，這與生長季末期該地區氣溫較低、植被對氣溫響應較慢有關。西南地區的開放灌叢和華北草原帶NDVI對降水的響應滯后期為1—2個月，這是由于西南地區的開放灌叢位于常年寒冷的高原區域，干旱少雨，導致植被響應緩慢，而草原地區雖然全年降水不均勻，但由于牧草生長茂盛，土壤具有較強的蓄水能力，土壤層水分可補充植被生長所需水分，這些因素使得該類植被 NDVI對降水有明顯滯后性（李舒婷等，2019）。

圖12 滯后時間為1個月的NDVI與降水相關性箱形圖Fig. 12 Boxplot of correlation between NDVI and precipitation with 1 month lag

圖13 滯后時間為2個月的NDVI與氣溫相關性分布圖Fig. 13 Correlation distribution of NDVI and temperature with 2 months lag

植被NDVI對氣候的響應是一個復雜的過程，研究成果因研究區域、時空尺度和數據來源等因素的不同而出現一定的差異性（張景華等，2015）。本文利用逐月數據來分析植被NDVI與氣溫、降水的響應關系，為更好地認識不同時間尺度植被 NDVI對氣候因子響應的時滯效應，可基于逐旬、10 d等更高時間分辨率或通過時間分辨率插值的NDVI和氣候數據產品開展進一步的研究；另外，中國部分植被覆蓋類型一定程度上受到大型生態工程的影響，尤其如三北防護林工程和其他地區的人工植樹造林活動，這些都將對植被NDVI對氣候的響應機制產生一定的影響，而本研究未能對這些人為因素的影響作深入分析，這也是今后有待進一步探討的內容。

圖14 滯后時間為2個月的NDVI與降水相關性分布圖Fig. 14 Correlation distribution of NDVI and precipitation with 2 months lag

圖15 滯后時間為2個月的NDVI與降水相關性箱形圖Fig. 15 Boxplot of correlation between NDVI and precipitation with 2 months lag

4 結論

本文基于 1982—2012年 4—10月 GIMMS NDVI 3g數據集、中國氣象數據網同時期氣溫與降水月值0.5°×0.5°格點數據集（V 2.0）和MODIS土地覆蓋產品，選取中國范圍內常綠闊葉林、落葉闊葉林、混交林、開放灌叢、草原、多樹的草原、作物以及作物和自然植被的鑲嵌體等長時間較為穩定的8種典型植被覆蓋類型，運用GIS和相關統計方法，對中國近31年不同植被覆蓋類型NDVI與氣溫和降水在時空上的相關性和滯后性進行了研究，主要結論如下：

（1）植被NDVI對氣溫和降水的響應在空間上具有差異性。大部分地區氣溫和降水對植被生長產生積極的影響，且氣溫的影響比降水強烈，但在西藏南部和華南濕潤地區，降水一定程度上會阻礙植被的生長。

（2）不同植被覆蓋類型NDVI與氣溫、降水的相關性不同，對于同一植被覆蓋類型而言，其響應也存在空間異質性。分布在西南地區和華南、臺灣地區的常綠闊葉林受所處環境地形和季風的影響，其NDVI與氣溫的響應關系完全不同，西南地區為負相關，而華南、臺灣地區為正相關。

（3）植被對氣溫和降水的響應具有時滯效應，NDVI對降水響應的的滯后性更顯著。不同植被覆蓋類型的響應滯后期不同，同一植被覆蓋類型對不同氣候因子的響應滯后期也不同。在生長季末期，落葉闊葉林的NDVI對氣溫的響應滯后期約為1個月，而對降水的響應滯后性不明顯；西南開放灌叢與華北草原帶的NDVI與氣溫的響應關系無明顯時滯效應，但其對降水的響應滯后期為1—2個月。