植被覆蓋對降水的響應研究

唐清竹 吳達瑩 吳川東

摘要：半干旱地區(qū)植被覆蓋與降水有著密切的聯(lián)系，本研究以典型半干旱地區(qū)甘肅省榆中縣為例，利用歸一化植被指數(shù)（NDVI），結(jié)合近十年的降水數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，運用SPSS軟件分析計算兩者的相關(guān)系數(shù)，探究降水與NDVI指數(shù)之間的響應關(guān)系。結(jié)果表明榆中縣植被覆蓋率與降水之間具有較為顯著的正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：榆中縣;NDVI;植被覆蓋;降水

中圖分類號：X17 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.111

Response of vegetation cover to precipitation in Yuzhong County，Gansu Province

Tang Qingzhu1，Wu Daying2，Wu Chuandong1

（1.Lanzhou University College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou Gansu 730000，China;2.Lanzhou University Second Hospital，Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract：Semi-arid areas of vegetation cover and precipitation has the close relation.This paper takes a typical semi-arid areas Yuzhong county in Gansu province as an example，using the normalized difference vegetation index （NDVI）， combined with nearly a decade of precipitation data to make crosscorrelation analysis， using SPSS software analysis calculating correlation coefficient of the two，to explore the response of the relationship between precipitation and the NDVI.The results show that there is a significant positive correlation between vegetation coverage and precipitation in Yuzhong county.

Key words：Yuzhong county;NDVI;Vegetation cover;Precipitation

植被作為全球氣候變化的“指示器”，連結(jié)了土壤、水分和大氣，能夠反映各種氣候要素不同年度、不同季節(jié)的變化情況[1]。植被覆蓋變化受自然變化和人類活動影響，其中以氣溫和降水的影響最為顯著[2-3]。隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)已可通過遙感技術(shù)獲取地表植被覆蓋情況[4]，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）就是通過遙感影像數(shù)據(jù)分析得出的用來表征植被覆蓋的典型遙感特征參數(shù)[5]，其計算公式為：

式中，NIR表示近紅外波段的反射率，RED表示紅外波段的反射率。NDVI能夠很好的反映植被生長狀況、植被繁茂程度及生物量的特征及變化，一般情況下與植被覆蓋度成正比，且對于同一種植被而言，NDVI值越高，說明地表植被覆蓋度越高[6]。

NDVI表征的植被覆蓋度與氣候變化的響應關(guān)系研究已成為當前環(huán)境變化研究的熱點之一[7]，國內(nèi)外許多學者都做過此類研究，如Chuai （2013）等人在內(nèi)蒙古地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)氣溫和降雨對NDVI的影響對于不同植物類型和不同季節(jié)各不相同。例如在夏季，NDVI與氣溫相關(guān)性不顯著，而對于栽培植物、灌木、草原草甸及荒漠地區(qū)的植被來說，NDVI與降水之間存在明顯的相關(guān)性[1]。Roerink（2003）等人曾在歐洲地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)在極為干旱地區(qū)，植被與降水的相關(guān)性最高，在中度濕潤地區(qū)，兩者仍存在一定的相關(guān)性，在非常濕潤地區(qū)，兩者的響應關(guān)系不明顯[8]。陳歡（2013）、李霞（2007）、丁明軍（2009）、吳麗麗（2014）等學者研究發(fā)現(xiàn)植被覆蓋對氣候因子的響應中還存在累積效應與時滯效應。在中國大陸，植被與降水的交互作用時間主要為2.5個月左右，因為植被生長主要通過吸收土壤水分，而土壤主要通過大氣降水獲得水分，水分通過大氣傳遞到土壤，最后由植被吸收，所以植被對降水存在明顯的滯后響應[9-12]。

青藏高原的存在使得我國西北地區(qū)的氣候條件不同于世界上其他同緯度地區(qū)，我國西北地區(qū)降水稀少，水資源匱乏，植被生長狀態(tài)較差，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是國內(nèi)外學者研究生態(tài)環(huán)境問題的熱點地區(qū)之一。而甘肅省榆中縣地處西北，作為我國的典型半干旱地區(qū)，氣候干燥、降水稀少、日照充足、日溫差大，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，且近年來土地荒漠化程度逐年加劇，利用NDVI表征該地區(qū)植被覆蓋情況十分有益。且作為西北小區(qū)域研究區(qū)，研究植被覆蓋與降水之間的相關(guān)性十分具有代表性。目前國內(nèi)外尚未有利用統(tǒng)計學三大相關(guān)性檢驗與雙尾顯著性檢驗表征植被覆蓋與降水量間相關(guān)關(guān)系的研究，本研究具有創(chuàng)新性。

1 研究區(qū)概況

甘肅省榆中縣位于103°49′～104°35′E，35°34′～36°27′N，總面積3259.77km2，海拔1430～3670m。屬溫帶半干旱氣候，年平均氣溫6.7℃，年平均降雨量350mm，無霜期120d。榆中縣南部大部分位于興隆山自然保護區(qū)，天然森林植被良好、生物種類繁多，生態(tài)環(huán)境良好。北部低山丘陵和中部黃土丘陵區(qū)是該縣宜林荒山荒地的重點分布區(qū)，也是生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)，植被主要以灌草和農(nóng)作物為主。中部川地和苑川河谷地水資源相對較豐富，是該縣主要的農(nóng)作物種植區(qū)，植被主要有農(nóng)作物、果樹林和農(nóng)田林網(wǎng)[10] 。

榆中縣位于甘肅省中部，屬典型的半干旱地區(qū)，是植被由森林向荒漠草原演化的典型過渡帶，因此榆中縣的植被覆蓋率對我國整個生態(tài)植被的演化趨勢有著典型的代表意義，同時也對榆中縣本地的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)平衡和水資源高效利用有著重要意義。

2 數(shù)據(jù)與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

本研究采用的甘肅省榆中縣地區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）提供的2003-2012年歷年逐月Landsat4-5TM衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品數(shù)據(jù)，波段1～5和波段7的空間分辨率為30m，波段6（熱紅外波段）的空間分辨率為120m，輸出格式為GeoTIFF，采用UTM-WGS84南極洲極地投影并經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正、地面控制點幾何校正，通過DEM進行了標準地形校正。為保證NDVI數(shù)據(jù)的準確性，選取的遙感影像的云量均小于10%，可用于研究植被覆蓋。通過ENVI軟件逐個分析榆中縣遙感影像，獲取榆中縣逐月NDVI平均值數(shù)據(jù)集。榆中縣2003-2012年歷年逐月20-20時降水量來自于榆中站（區(qū)站號52983）觀測得到的降水數(shù)據(jù)。

2.2 分析方法

SPSS數(shù)據(jù)分析：確定相關(guān)變量，以降水量為自變量，NDVI指數(shù)為因變量，通過相關(guān)性檢驗和正態(tài)分布檢驗得出兩者的相關(guān)性。

統(tǒng)計學三大相關(guān)性檢驗：皮爾遜（Pearson）相關(guān)也稱積差相關(guān)或積矩相關(guān)，是英國統(tǒng)計學家皮爾遜提出的一種計算直線相關(guān)的方法，它適用于兩個變量總體是正態(tài)分布或接近正態(tài)的單峰分布，兩個變量的觀測值是成對的且每對觀測值之間相互獨立。斯皮爾曼（Spearman）等級相關(guān)是根據(jù)等級資料研究兩個變量間相關(guān)關(guān)系的方法，它是依據(jù)兩列成對等級的各對等級差來進行計算的，又稱等級差數(shù)法。斯皮爾曼等級相關(guān)對數(shù)據(jù)條件的要求沒有皮爾遜相關(guān)系數(shù)嚴格，只要兩個變量的觀測值是成對的等級評定資料或是由連續(xù)變量觀測資料轉(zhuǎn)化得到的等級資料，無論兩個變量的總體分布形態(tài)和樣本容量的大小，都可使用斯皮爾曼相關(guān)進行研究。肯德爾（Kendall）檢驗是一個無參數(shù)假設檢驗，它使用計算而得的相關(guān)系數(shù)去檢驗兩個隨機變量的統(tǒng)計依賴性。當兩個變量的標準差都不為零時，相關(guān)系數(shù)才有意義[14]。

SPSS相關(guān)性檢驗中的皮爾遜相關(guān)系數(shù)、肯德爾相關(guān)系數(shù)和斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)反映的都是降水量與NDVI的相關(guān)性的指標，范圍為-1～1。相關(guān)系數(shù)的值為1時，X和Y分布在一條直線上，兩者的關(guān)系可用單調(diào)直線方程來描述，且Y隨著X的增加而增加，即兩個變量正相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的值為-1時兩個變量即呈負相關(guān)。相關(guān)系數(shù)的值為0時兩個變量之間沒有線性關(guān)系。相關(guān)系數(shù)越大表示兩者相關(guān)性越強。

雙尾顯著性檢驗：Sig.意為顯著性（significant），Sig.是差異性顯著與否的檢驗值，用來說明相關(guān)分析結(jié)果有無統(tǒng)計學意義。SPSS首先假設兩個變量間相關(guān)性為零為原假設，根據(jù)已有數(shù)據(jù)算出兩個變量間“相關(guān)性為零”的概率，即P值，一般與5%或1%進行比較。若P值小于5%，則說明原假設概率極低，換言之也就是有超過95%的概率說明兩個變量間存在顯著相關(guān)性。

本研究中若要確定降水量（mm）與NDVI兩者的相關(guān)性及響應關(guān)系，進行統(tǒng)計學三大相關(guān)性檢驗與雙尾顯著性檢驗并確定兩者存在顯著相關(guān)性是十分有必要的。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量與NDVI變化趨勢

由圖2可看出，NDVI值在年尺度內(nèi)與降水量的變化基本相吻合，降水量增多對應的NDVI值也相應增加，但本次研究中NDVI對降水的累積效應和滯后效應并不明顯。

3.2 正態(tài)分布檢驗

圖3、圖4展示了降水量（mm）與NDVI的正態(tài)Q-Q圖，正態(tài)Q-Q圖通過把測試樣本數(shù)據(jù)的分位數(shù)與已知分布相比較，從而檢驗數(shù)據(jù)的分布情況。Q-Q圖是一種散點圖，若要鑒別樣本數(shù)據(jù)是否近似于正態(tài)分布，只需看圖上的點是否近似在一條直線附近，圖形為直線說明數(shù)據(jù)正態(tài)分布，且該直線的斜率為標準差，截距為均值，直線越接近呈45度角并穿過原點說明分布越接近正態(tài)分布。由圖中可以看出，降水量（mm）與NDVI數(shù)據(jù)（圖中黑點）均大致分布在一條直線上，說明兩個變量符合正態(tài)分布，且斜率不為零，降水量（mm）與NDVI符合進行相關(guān)性檢驗的條件，可以進行三大相關(guān)性檢驗。

3.3 皮爾遜相關(guān)性檢驗

表1顯示了降水量（mm）與NDVI的皮爾遜相關(guān)性的數(shù)據(jù)，由表1可看出，降水量（mm）與NDVI平均值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.563**，Sig.小于0.01，說明兩者間相關(guān)性顯著，且具有統(tǒng)計學意義。

3.4 肯德爾相關(guān)性檢驗

表2顯示了降水量（mm）與NDVI的肯德爾相關(guān)性的數(shù)據(jù)，由圖2可看出，降水量（mm）與NDVI平均值的肯德爾相關(guān)系數(shù)為0.420**，Sig.小于0.01，說明兩者間相關(guān)性顯著。

3.5 斯皮爾曼相關(guān)性檢驗

表3顯示了降水量（mm）與NDVI的斯皮爾曼相關(guān)性的數(shù)據(jù)，由圖3可看出，降水量（mm）與NDVI平均值的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)為0.594**，Sig.小于0.01，說明兩者間相關(guān)性顯著。

4 總結(jié)與討論

榆中縣在2003-2012年內(nèi)月平均降水量范圍為0～150mm，總體降水稀少，NDVI數(shù)值分布在-0.05～0.2間，植被稀少，覆蓋度不高。由兩者間相關(guān)曲線可看出降水量增多相對應研究時段內(nèi)NDVI數(shù)值也相應增大，說明兩者間具有一定的相關(guān)關(guān)系。通過對榆中縣2003-2012年月平均降水量（mm）與NDVI進行皮爾遜、肯德爾、斯皮爾曼三大相關(guān)性分析與雙尾顯著性檢驗，得出兩者間相關(guān)性顯著，NDVI對降水存在一定的響應關(guān)系。

榆中縣植被覆蓋具有明顯的地區(qū)和季節(jié)不平衡性，為使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到改善、經(jīng)濟健康發(fā)展、水資源得以高效利用，有計劃有步驟地進行退耕還林、還草等政策，加強對現(xiàn)有草地、林地、森林的管理與自然資源如南部興隆山區(qū)的保護，是榆中縣生態(tài)環(huán)境建設的重要內(nèi)容，對榆中縣整體發(fā)展具有重要意義。

本次研究中NDVI數(shù)據(jù)量受遙感影像數(shù)據(jù)限制沒有降水數(shù)據(jù)豐富，因此只能代表較大尺度時間內(nèi)植被覆蓋的粗略變化情況，不能完全體現(xiàn)出小時段尺度內(nèi)植被覆蓋度的細微變化，今后有必要在小尺度范圍內(nèi)進一步研究得出兩者間更加精確的響應關(guān)系。此外，本次研究只討論了植被覆蓋情況與降水量的響應關(guān)系，今后有必要在人類活動、植被自然生長季等因素方面進行進一步的研究。

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收稿日期：2020-02-10

作者簡介：唐清竹（1999-），女，漢族，本科在讀，研究方向為生態(tài)水文學。