劉曉帆,任立良,袁 飛,徐 靜,劉 薇,喇承芳

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.南京大學(xué)水科學(xué)系,江蘇南京 210093;3.黃河水利委員會上游水文水資源局,甘肅蘭州 730030)

目前全球氣候變化成為許多學(xué)科的研究熱點,主要是因為近百年來,地球表面的年平均氣溫上升了約0.6℃,北半球的氣溫升高趨勢為1000a來所罕見,這一變化與人類的生存密切相關(guān)[1].植被覆蓋變化是對全球氣候變化和人類活動最重要的響應(yīng)之一.因此,在氣候變化背景下研究植被覆蓋的時空變化對生態(tài)環(huán)境評估、預(yù)測以及理解植被與氣候的關(guān)系都具有重要意義.

遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、時空連續(xù)性好,為研究大范圍植被變化提供了依據(jù)[2].其中歸一化植被指數(shù)NDVI(normal difference vegetation index)是目前應(yīng)用最廣的表征植被狀況的指數(shù),它可以很好地反映植被覆蓋、生長活力以及生物量等情況[3].20世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)外許多學(xué)者利用NDVI研究了植被覆蓋變化趨勢及其與氣候因子的關(guān)系.Ichii等[4]認(rèn)為在中高緯度地區(qū)的春夏季NDVI的年際變化與氣溫的變化顯著相關(guān),而半干旱地區(qū)與降水和氣溫的相關(guān)性都很顯著.信忠保等[3]利用GIMMS/NDVI數(shù)據(jù)對黃土高原地區(qū)1982～2003年間植被覆蓋變化的研究表明:黃土高原地區(qū)植被整體呈現(xiàn)增加趨勢,并存在明顯的空間差異;降水是影響黃土高原地區(qū)植被變化的重要因素.

老哈河流域位于北緯40.9°～42.9°,東經(jīng)117.2°～120°之間,面積為 18599km2,多年平均年降水量為450mm,屬于典型的半干旱區(qū).由于水資源缺乏,氣候變化深刻影響著流域內(nèi)的植被狀況.本文利用1982～2006年GIMMS/NDVI數(shù)據(jù),對老哈河流域不同植被類型NDVI年內(nèi)和年際變化及其與降水、氣溫的關(guān)系進(jìn)行分析,以進(jìn)一步了解全球氣候變化背景下該流域內(nèi)不同類型植被覆蓋度的變化及其對氣候因子的響應(yīng)程度.

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的NDVI數(shù)據(jù)是由美國航空航天局(NASA)全球監(jiān)測與模型研究組(Global Inventory Modelingand Mapping Studies,GIMMS)發(fā)布的GIMMS/NDVI數(shù)據(jù).該數(shù)據(jù)是來自NOAA系列衛(wèi)星(NOAA7,9,11,14,16和17)AVHRR的15d最大化合成數(shù)據(jù),空間分辨率為8km×8km,時間是1982年1月～2006年12月.利用遙感影像處理軟件ENVI分割出老哈河流域的NDVI數(shù)據(jù),并按照臨近原則對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,使其空間分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)?km×1km.為了減少云層對遙感影像的影響,采用最大像元合成法MVC(maximum value composites)[5]選取各月中最大NDVI值作為該月的NDVI值.

1982～2005年氣溫數(shù)據(jù)來源于老哈河流域內(nèi)赤峰氣象站,降水?dāng)?shù)據(jù)來源于老哈河流域內(nèi)52個雨量站(圖1).采用反距離平方法[6],將老哈河流域內(nèi)雨量站實測的降水量插值到空間分辨率為30″的柵格單元,在柵格的基礎(chǔ)上分別計算各類植被類型的區(qū)域平均值,并將區(qū)域平均值作為該類植被的雨量值.

土地覆被資料采用的是美國馬里蘭大學(xué)的全球1km土地覆被資料UMD(University of Maryland's1kmglobal land cover data),空間分辨率為30″.老哈河流域內(nèi)主要植被類型有林地、灌叢、草地和耕地,其面積分別占流域面積的18.1%,5.6%,40.2%和35.6%,其余水體和城鄉(xiāng)用地面積約占流域面積的0.5%(圖1).

1.2 研究方法

應(yīng)用一元線性回歸分析[7]模擬各種植被類型年均NDVI和季均NDVI的年際變化趨勢,經(jīng)驗回歸方程斜率的正負(fù)反映了植被覆蓋的增減趨勢,其絕對值的大小反映植被覆蓋的增減速率.為了研究NDVI與氣溫和降水的關(guān)系,選用了簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)[8]作為評價指標(biāo).簡單相關(guān)系數(shù)能衡量2個變量之間的直接相關(guān)程度,而偏相關(guān)系數(shù)能在對其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下,衡量多個變量中某2個變量之的線性相關(guān)程度.為了客觀真實地反映氣溫、降水對植被生長的影響,避免冬季積雪對NDVI值的影響,本文只對生長季(4～10月)的NDVI進(jìn)行研究[9],在柵格的基礎(chǔ)上分別計算各類植被類型的區(qū)域平均值,并將區(qū)域平均值作為該類植被的NDVI值.

圖1 老哈河流域土地覆被類型、氣象站和雨量站分布Fig.1 Distribution of land cover,meteorological tations,and rainfall gaugestations in Laoha River Basin

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI年內(nèi)變化及其與氣候因子的關(guān)系

2.1.1 NDVI年內(nèi)變化

計算得到的不同植被類型25a平均月NDVI如圖2所示.由圖2可知:林地、灌叢、草地和耕地的NDVI年內(nèi)變化均呈單峰型,年最大值出現(xiàn)在8月,分別為0.677,0.583,0.595和0.628,生長季NDVI平均為0.523,0.389,0.411和0.447;各種植被類型NDVI從4月開始迅速增加,至7月達(dá)到較大值,之后緩慢增加至8月達(dá)到最大值,然后NDVI開始下降,到11月回到春天明顯增加前的水平.11月到翌年4月老哈河流域植被枯黃,NDVI很小,變化也很小.

2.1.2 月NDVI與月平均氣溫、降水的關(guān)系

建立不同植被類型1982～2005年生長期月NDVI與月氣溫、月降水的相關(guān)統(tǒng)計樣本,樣本容量為168.植被的生長相對于氣候因子的變化要緩慢得多,因而NDVI對氣候因子的響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象,滯后現(xiàn)象與氣候因子和所研究的區(qū)域有關(guān)[10].為了定量分析老哈河流域NDVI對降水、氣溫的響應(yīng),分別計算了不同植被類型生長期月NDVI與同期以及前期月氣溫、月降水的簡單相關(guān)系數(shù),見表1.

圖2 老哈河流域NDVI年內(nèi)變化Fig.2 Annual variation of NDVI in Laoha River Basin

表1 不同植被類型月NDVI與氣溫、降水簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)(1982～2005年)Table 1 Pearson and partial correlation coefficients between monthly NDVI and temperature and precipitation for different vegetation types from 1982 to 2005

從相關(guān)分析結(jié)果可以看出:各種植被類型NDVI與氣溫、降水之間均具有正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性較大,尤其是NDVI與前1個月氣溫之間簡單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.85以上,而且相關(guān)性均通過置信度99%的顯著性檢驗.各種植被類型NDVI對氣溫和降水的響應(yīng)均存在滯后現(xiàn)象,當(dāng)滯后時間為1個月時,各種植被類型NDVI與氣溫、降水的簡單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了最大.灌叢、草地NDVI與前1個月降水的相關(guān)性較大,而林地相對較小,這主要受到2個方面因素的影響:一是植被生長的環(huán)境,老哈河流域林地主要分布在上游高海拔區(qū),雨水相對充足,降水不是植被生長的限制因素,因而其NDVI與降水的相關(guān)性較小;二是植被自身的生長特性,灌叢和草地根系發(fā)達(dá)且相對較淺,對降水很敏感,因而其NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)較大.由簡單相關(guān)分析結(jié)果可知,月NDVI與氣溫、降水之間均存在顯著的相關(guān)關(guān)系.為了區(qū)別這兩者對NDVI的影響程度,又進(jìn)行了NDVI與降水、氣溫的偏相關(guān)分析,即在假定氣溫或降水因子不變的情況下,分析NDVI與其中1種因子的相關(guān)性,偏相關(guān)系數(shù)見表1.各種植被類型NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)均大于與降水的偏相關(guān)系數(shù),而且相關(guān)性均通過了置信度99%的顯著性檢驗,因而老哈河流域氣溫對植被年內(nèi)生長的影響大于降水.

2.2 NDVI年際變化及其與氣候因子的關(guān)系

2.2.1 NDVI年際變化

本文只對生長季(4～10月)的NDVI進(jìn)行研究,利用4～10月NDVI均值作為年均NDVI,4～5月NDVI均值作為春季NDVI,6～8月NDVI均值作為夏季NDVI,9～10月NDVI均值作為秋季NDVI.圖3給出了老哈河流域1982～2006年均和季均NDVI的年際變化趨勢.從圖3可以看出,老哈河流域年均NDVI在1980～1999年呈顯著上升趨勢,2000年陡降至最低點,在2000～2006年又呈顯著上升趨勢,植被覆蓋逐漸恢復(fù)到20世紀(jì)90年代后期水平.總體上,1982～2006年老哈河流域年均NDVI呈上升趨勢,其中20世紀(jì)90年代老哈河流域植被覆蓋水平最好.從季節(jié)來看,老哈河流域夏秋季NDVI增加顯著,而春季沒有明顯的變化趨勢,各種植被類型均未通過0.01水平的顯著性檢驗.從植被類型來看,林地NDVI增加趨勢不顯著,其趨勢均未通過0.01水平的顯著性檢驗,而灌叢NDVI增加最顯著,其次為草地和耕地.表2給出了不同植被類型NDVI年際變化斜率、樣本決定系數(shù)R2和t檢驗的概率值P.

圖3 老哈河流域1982～2006年不同植被類型NDVI年際變化Fig.3 Inter-annual variation of NDVI for different vegetation types in Laoha River Basin from 1982 to2006

表2 老哈河流域1982～2006年 NDVI年際變化斜率、樣本決定系數(shù) R2和 t檢驗的概率PTable 2 Values of regression slope,determination coefficient R 2,and probability P of t-check for inter-annual variation of NDVI in Laoha River Basin from 1982 to2006

2.2.2 NDVI與氣溫、降水年際變化之間的關(guān)系

為了分析老哈河流域1982～2005年NDVI變化的原因,以植被生長最旺盛的夏季(6～8月)NDVI平均值為代表,分別計算了1982～2005年各種植被類型夏季NDVI與5～7月平均氣溫、6～8月平均氣溫、5～7月平均降水、6～8月平均降水的簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù),見表3.其中樣本容量為24.由簡單相關(guān)分析結(jié)果可知,夏季NDVI與同期和前期的氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān),與前期降水呈顯著的正相關(guān).這說明,老哈河流域夏季氣溫升高會導(dǎo)致植被覆蓋減少,而降水增加有利于植被的生長.由偏相關(guān)分析結(jié)果可知,林地和耕地夏季NDVI與同期和前期氣溫的偏相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于與降水的偏相關(guān)系數(shù)的絕對值,因而在老哈河流域林地和耕地NDVI的年際變化主要是受到了氣溫年際變化的影響,而灌叢和草地NDVI的年際變化受前期降水變化的影響較大.圖4給出了老哈河流域1982～2005年5～7月平均氣溫以及各植被類型5～7月平均降水年際變化趨勢.對比圖3(c)和圖4可以看出,老哈河流域NDVI在1982～1999年呈顯著上升趨勢,這是1982～1999年期間老哈河流域氣溫降低和降水增加共同作用的結(jié)果.2000年老哈河流域夏季氣溫驟升和降水減少導(dǎo)致NDVI在2000年出現(xiàn)了最小值,2000年后氣溫的降低和降水的升高使流域植被覆蓋逐漸得到恢復(fù).

表3 不同植被類型夏季NDVI與氣溫、降水簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)(1982～2005年)Table 3 Pearson and partial correlation coefficients between summer NDVI and temperature and precipitation for different vegetation types from 1982 to2005

圖4 老哈河流域1982～2005年5～7月平均氣溫、降水年際變化趨勢Fig.4 Inter-annual variation trends of averagetemperatureand precipitation in Laoha River Basin from May to July,1982-2005

3 結(jié) 論

本文利用1982～2006年GIMMS/NDVI數(shù)據(jù),對老哈河流域不同植被類型NDVI年內(nèi)和年際變化及其與氣溫、降水的關(guān)系進(jìn)行了研究,并得到了如下結(jié)論:

a.老哈河流域NDVI年內(nèi)變化均呈單峰型,年最大值出現(xiàn)在8月,年最小值出現(xiàn)在冬季.NDVI和氣溫、降水之間均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,且存在滯后現(xiàn)象,當(dāng)滯后時間為1個月時,NDVI與氣溫、降水的簡單相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了最大值.老哈河流域林地與灌叢、草地相比,其NDVI受前1個月降水影響相對較小.老哈河流域氣溫對植被年內(nèi)生長的影響大于降水.

b.老哈河流域NDVI的年際變化表現(xiàn)為1982～2006年老哈河流域年均NDVI呈上升趨勢,其中20世紀(jì)90年代老哈河流域植被覆蓋水平最好.從季節(jié)來看,老哈河流域夏秋季NDVI增加顯著,而春季沒有明顯的變化.從植被類型來看,林地NDVI增加趨勢不顯著,而灌叢NDVI增加趨勢最顯著,其次為草地和耕地.老哈河流域夏季氣溫升高會導(dǎo)致植被覆蓋減少,降水增加有利于植被的生長.老哈河流域林地和耕地NDVI的年際變化主要是受到了氣溫年際變化的影響,而灌叢和草地NDVI的年際變化受前期降水變化的影響較大.2000年老哈河流域夏季氣溫驟升和降水減少導(dǎo)致NDVI在2000年出現(xiàn)了最小值.

[1]齊述華,王長耀,牛錚,等.利用NDVI時間序列數(shù)據(jù)分析植被長勢對氣候因子的響應(yīng)[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004,23(3):91-99.(QIShu-hua,WANG Chang-yao,NIUZheng,et al.SVI and VCIbased on NDVItime-series dataset used tomonitor vegetation growth status and its response to climate variables[J].Progress in Geography,2004,23(3):91-99.(in Chinese))

[2]郭鈮,朱燕君,王介民,等.近22年來西北不同類型植被NDVI變化與氣候因子的關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報,2008,32(2):319-327.(GUONi,ZHU Yan-jun,WANGJie-min,et al.The relationship between NDVIand climateelementsfor 22yearsindifferent vegetation areas of northwest China[J].Journal of Plant Ecology,2008,32(2):319-327.(in Chinese))

[3]信忠保,許炯心.黃土高原地區(qū)植被覆蓋時空演變對氣候的響應(yīng)[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2007,17(6):770-778.(XIN Zhong-bao,XU Jiong-xin.Time-space evolution of vegetation response to climatein the loess plateau[J].Advances in Natural Science,2007,17(6):770-778.(in Chinese))

[4]ICHII K,KAWABATA A,YAMAGUCHIY.Global decadal changes in NDVI and its relationships to climate variables[C]//International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Sydney:[s.n.],2001:1818-1819.

[5]袁飛.考慮植被影響的水文過程研究[D].南京:河海大學(xué),2006.

[6]ASHRAFM,LOFTISJ,HUBBARDK G.Application of geostatistics to evaluatepartial weather station networks[J].Agricultural and Forest Meteorology,1997,84:255-271.

[7]孫榮恒.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[8]劉順忠.數(shù)理統(tǒng)計理論、方法、應(yīng)用和軟件計算[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005.

[9]陳世強,文莉娟,呂世華,等.黃河上游瑪曲縣植被指數(shù)與氣候變化研究[J].冰川凍土,2007,29(1):131-136.(CHEN Shiqiang,WEN Li-juan,LV Shi-hua.et al.Study of NDVI and climate change in Maqu county upstream of Yellow River[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2007,29(1):131-136.(in Chinese))

[10]毛飛,盧志光,張佳華,等.近20年藏北地區(qū)AVHRRNDVI與氣候因子的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報,2007,27(8):3198-3205.(MAO Fei,LU Zhi-guang,ZHANGJia-hua,et al.Relations between AVHRRNDVI and climatefactors in Northern Tibet in recent 20 years[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(8):3198-3205.(in Chinese))