氣候變化和土地利用對湖南省NDVI變化的影響

王若茹，甘德欣，李小馬

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南長沙 410125）

經(jīng)濟發(fā)展促使土地覆蓋發(fā)生改變，同時增溫在短期內(nèi)可能有利于部分地區(qū)的植被生長，但長期的氣候變化不僅增加了自然災(zāi)害風(fēng)險，而且會影響植被的分布[1]。同時，區(qū)域極端干旱和洪澇天氣發(fā)生更為頻繁。因此，研究土地利用和氣候變化與植被變化之間的關(guān)系極其重要。

目前，研究表明，氣候?qū)χ脖坏拈L期變化起決定性作用，影響植被變化的關(guān)鍵氣候因子為降水和氣溫[2]。CAO 等人發(fā)現(xiàn)近55 年我國平均氣溫的升溫速率遠高于全球平均溫度0.12 ℃/10 a，而宋文起等人分析表明我國整體上呈現(xiàn)干旱化的趨勢[3]。植被生長對氣候變化的響應(yīng)存在時空差異，在干旱或半干旱地區(qū)，氣候變化對植被變化的影響大于水熱條件較好的地區(qū)，北半球干旱地區(qū)的降水量是影響植被生長的主要原因，氣溫是影響北半球中南部植被變化的主要原因[4]。張慶斌等人研究表明湖南省的溫度對歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的影響強于降水[5]。易浪等人認為長江流域新增林地和耕地明顯改善了植被的生長狀況，而建設(shè)用地的增加破壞了植被的生長[6]。目前較多研究集中于研究湖南省植被與氣候變化的關(guān)系。因此，此次研究分析植被與氣候變化和土地覆蓋變化對植被的影響，對湖南省的生態(tài)平衡發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

湖南省地處云貴高原和江南丘陵的過渡區(qū)域，三面環(huán)山，中部丘陵、北部湖盆平原，為朝北開口的馬蹄形盆地，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。河網(wǎng)密布，水系發(fā)達。

從Google Earth Engine平臺獲取時空分辨率為16 d、250 m 的2002—2020 年的月NDVI 數(shù)據(jù)，并以4—10 月為生長季，獲取每年的生長季NDVI 均值數(shù)據(jù)。氣溫和降水氣候數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（1 m，1 km）。并將氣候和NDVI 數(shù)據(jù)重采樣為1 km分辨率。土地覆蓋數(shù)據(jù)使用武漢大學(xué)楊杰、黃昕公布的《中國1985—2020 逐年30 米土地覆蓋》[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 NDVI 趨勢分析

采用Theil-Sen Median 趨勢分析研究植被變化趨勢，此方法是穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計，其公式為

式中：j和i為年序號，xj和xi分別為第j和i年的NDVI 值；β>0 表示NDVI 改善，β<0 表示NDVI 退化。MK 趨勢顯著性檢驗植被變化，以|Z|>1.96 表示通過了95%置信度顯著性檢驗，即α=0.05 為置信水平。分為5 類分級趨勢。

1.2.2 NDVI 與氣候變化的關(guān)系

在進行兩要素間的相關(guān)分析后再進行偏相關(guān)分析，控制其他變量，分析NDVI 與氣溫或降水之間的相關(guān)性，公式為

式中：rxy,z為固定z后，變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz、ryz為xy、xz、yz的簡單系數(shù)。采用α=0.05 的t檢驗對偏相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

Sen-MK 的 結(jié)果顯示，2002—2020 年湖南省NDVI 空間變化整體以改善為主。其中，顯著改善的區(qū)域占研究區(qū)面積的64.87%，主要集中于湖南省西部和南部；而顯著退化的部分主要集中于城市區(qū)域和洞庭湖平原的部分區(qū)域，占1.39%。

偏相關(guān)分析NDVI 與氣候的關(guān)系顯示，NDVI 與氣溫的關(guān)系以負相關(guān)為主（89.67%），顯著負相關(guān)部分占25.81%，集中在湖南省西北部。植被與降水的關(guān)系以正相關(guān)為主（63.65%），6.79%為顯著正相關(guān)，集中于西部，而在經(jīng)濟較發(fā)達的城區(qū)多為負相關(guān)。由此可見，氣溫對湖南省的植被生長相較降水的影響更大，且存在空間差異性。

如圖1 所示，2002—2020 年湖南省土地覆被以林地和耕地為主。轉(zhuǎn)出的土地覆被類型中，林地覆蓋轉(zhuǎn)出面積最多，約為12 670 km2，轉(zhuǎn)出面積的96%轉(zhuǎn)為耕地，主要集中在中部的非城區(qū)；其次是耕地和水域轉(zhuǎn)出面積，耕地轉(zhuǎn)出面積大約10 891 km2，轉(zhuǎn)出面積的76%轉(zhuǎn)為林地，主要集中于湖南省南部和西北部，轉(zhuǎn)出面積的20%轉(zhuǎn)為不透水面，主要是擴張的城區(qū)；水域轉(zhuǎn)出面積大約1 305 km2，轉(zhuǎn)出面積的91%轉(zhuǎn)為耕地，主要集中于洞庭湖平原的洞庭湖區(qū)，東洞庭湖區(qū)的洞庭湖流域水域轉(zhuǎn)耕地現(xiàn)象集中。

圖1 2002—2020 年湖南省土地覆被轉(zhuǎn)移

3 結(jié)論與討論

湖南省NDVI 空間變化整體呈“西部高，東北低”，其中顯著改善面積（64.87%）超過顯著退化面積（1.39%）；氣溫是湖南省NDVI 變化的主導(dǎo)因素。氣溫以負相關(guān)為主，降水以正相關(guān)為主；土地覆蓋的變化影響了NDVI 的生長趨勢，如城市化帶來的耕地轉(zhuǎn)不透水面的土地覆蓋的轉(zhuǎn)變，使植被減少；造林工程的實施有利于植被的增加。

2002—2020 年NDVI 以顯著改善為主，并且西部改善區(qū)域較為集中，但在城區(qū)和洞庭湖平原的部分區(qū)域NDVI 明顯退化。郭慶斌等人研究的湖南省植被變化顯示有41.77%的研究區(qū)植被覆蓋度增加，湖南省西部較東部好，在長株潭部分地區(qū)以及洞庭湖東部地區(qū)植被出現(xiàn)退化趨勢[8]。此次研究結(jié)果表明，植被變化的總體情況都是以改善為主。

氣候方面，總體上，湖南省植被變化與氣溫顯著相關(guān)的區(qū)域多于降水量，這和趙倩倩等人從中國尺度上，研究的氣候變化與植被變化顯示，中國南方地區(qū)植被變化的主導(dǎo)因子是氣溫的結(jié)果是一致的[9]。這是因為湖南省屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，水熱條件充沛，整體自然環(huán)境適合植被生長，但是焦珂瑋等的研究認為一旦超過植被生長閾值，其作用由正向轉(zhuǎn)為負向影響，如增溫不僅會減少土壤水分，加速干旱趨勢，而且會影響有機物合成，不利于植被生長[10]。

此次土地覆蓋轉(zhuǎn)移研究結(jié)果表明，1）植被生長顯著改善的區(qū)域，土地覆被以林地為主。這可能是造林生態(tài)工程的作用，自2000 年起，國家全面推行人工造林等的生態(tài)工程，截至2020 年，湖南省森林覆蓋率已達59.96%。生態(tài)工程對改善植被生長的作用已經(jīng)在不同研究尺度上得到證明，SONG 等人認為中國近20 年來植被變綠的主要原因是生態(tài)工程[11]；區(qū)域尺度上，黃土高原，西南地區(qū)的植被都因生態(tài)工程的實施而得到改善[12]。值得注意的是，在未變的不透水面區(qū)域，植被顯著增長，這可能是因為人類環(huán)保意識的不斷增強[13]。2）植被顯著退化的區(qū)域主要集中在新增的不透水面和洞庭湖平原部分區(qū)域。洞庭湖平原區(qū)域一直以耕地為主的土地覆蓋，徐勇等人研究認為長江中下游的耕地利用變化對植被變化的影響大于其他用地類型，可能受到農(nóng)業(yè)開發(fā)和城市擴張等因素的影響，耕地植被生長出現(xiàn)退化趨勢[14]。而新增不透水面基本是由耕地覆蓋類型轉(zhuǎn)化，城市發(fā)展，人地矛盾升級，耕地的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了植被覆蓋的減少[15]。