袁沫汐， 鄒 玲， 林愛(ài)文,*，朱弘紀(jì)

1 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079 2 地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079

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湖北省地區(qū)植被覆蓋變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

袁沫汐1,2， 鄒 玲1,2， 林愛(ài)文1,2,*，朱弘紀(jì)1,2

1 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 武漢 430079 2 地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079

歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為一個(gè)重要的遙感參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映植被覆蓋程度和植被生長(zhǎng)狀況、生物物理化學(xué)性質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化，其時(shí)序數(shù)據(jù)也已成為基于生物氣候特征開(kāi)展大區(qū)域植被和土地覆蓋分類(lèi)的基本手段?；?001—2012年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)分析法以及線性相關(guān)分析等方法對(duì)湖北省植被年際變化趨勢(shì)、月變化趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析；并且研究該區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化及其與氣溫和降水的關(guān)系。結(jié)果表明近12年來(lái)，研究區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋度良好，其中鄂西北及鄂南地區(qū)NDVI值較高為0.82，鄂中東部城市NDVI值較低為0.13；2001—2012年間年均NDVI整體呈增加趨勢(shì)，增速1%/10a；植被覆蓋度基本不變區(qū)域占研究區(qū)總面積的92.8%，大致符合我國(guó)中部地區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)；分析NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系可知，降水量對(duì)湖北植被NDVI年變化起有重要影響；逐月NDVI與月平均氣溫及月降水量的回歸分析表明，降水和氣溫對(duì)生長(zhǎng)季不同月份的植被NDVI影響明顯不同，同時(shí)呈現(xiàn)一定的滯后性。

歸一化植被指數(shù)；植被覆蓋變化；氣候變化；滯后性；湖北省

在全球變化中，植被扮演著陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的角色。植被不僅參與全球物質(zhì)與能量循環(huán)、調(diào)節(jié)全球氣候，同時(shí)在自然地理環(huán)境中起到“指示器”的作用[1]。植被覆蓋的變化導(dǎo)致了地表反照率、溫室氣體等地表與大氣特性的變化[2]，通過(guò)影響地氣系統(tǒng)的水分和能量收支從而影響區(qū)域氣候發(fā)生變化；氣候變化則會(huì)改變植被群落的組成、結(jié)構(gòu)、影響植被的生物量，進(jìn)而影響到植被覆蓋度的狀況[3]。目前國(guó)內(nèi)外越來(lái)越關(guān)注植被對(duì)全球變化的響應(yīng)與反饋機(jī)制，研究植被覆蓋與氣候的關(guān)系已成為全球變化研究的重要內(nèi)容。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是遙感影像的近紅外波段與紅外波段反射率的比值參數(shù)，它準(zhǔn)確地反映植被的覆蓋程度、生長(zhǎng)狀況以及光合作用的強(qiáng)度[4-5]，能在較大時(shí)空尺度上客觀反映研究區(qū)植被覆蓋信息[5-6]。因此，歸一化植被指數(shù)是目前研究植被變化最為常用的指標(biāo)，成為當(dāng)前研究生態(tài)變化的主要數(shù)據(jù)集。

近年來(lái)我國(guó)針對(duì)植被覆蓋變化及其對(duì)氣候響應(yīng)的問(wèn)題逐漸深入，不同區(qū)域進(jìn)行研究得到的結(jié)論也有所差異。楊元合、樸世龍[7]利用NOAA/AVHRRNDVI數(shù)據(jù)研究近20年來(lái)的青藏高原草地植被覆蓋變化及其與氣候因子的關(guān)系，結(jié)果表明高寒草地夏季NDVI的增加是夏季溫度和春季降水共同作用的結(jié)果，溫性草原夏季NDVI變化與氣候因子并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，高寒草地植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在滯后效應(yīng)；杜靈通、田慶久[8]利用 SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算寧夏近11年來(lái)的植被覆蓋度并對(duì)其變化特征進(jìn)行了研究，并分析其與氣候因子之間的關(guān)系，結(jié)果顯示植被覆蓋度與氣溫和降水呈正相關(guān)關(guān)系；劉斌[9]等根據(jù)GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)對(duì)華北地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，認(rèn)為華北地區(qū)植被覆蓋變化與干燥度指數(shù)和氣溫有很好的相關(guān)性，但人類(lèi)活動(dòng)的作用遠(yuǎn)大于氣候變化且兩者相對(duì)作用的大小在不同空間位置上表現(xiàn)不同；余振[10]等探究了中國(guó)東部南北樣帶不同時(shí)間尺度的氣候因子和植被活動(dòng)變化特征，闡述12種具有代表性的植被類(lèi)型對(duì)氣候因子的響應(yīng)方式；廖建華[11]等以GIMMS-NDVI為基礎(chǔ)，結(jié)合氣候和人類(lèi)活動(dòng)數(shù)據(jù)，分析1982—2003年間長(zhǎng)江上游植被覆蓋季節(jié)變化的空間分布，發(fā)現(xiàn)春季、夏季降雨與氣溫同步增加致使植被覆蓋增加，而秋冬季反之；崔林麗[12]等探討了近10年中國(guó)東部NDVI在全年、各個(gè)季節(jié)對(duì)氣溫和降水變化的旬時(shí)空響應(yīng)特征，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部植被總體上對(duì)氣溫變化的響應(yīng)大于降水，在空間上植被對(duì)氣溫變化的最大響應(yīng)總體表現(xiàn)為北部和中部大于南部，對(duì)降水變化的最大響應(yīng)表現(xiàn)為北部大于中部和南部。

湖北省處于中國(guó)地勢(shì)第二階梯向第三階梯的過(guò)渡地帶，位于長(zhǎng)江中游地段，地形復(fù)雜多樣，生物資源豐富，對(duì)該地區(qū)植被覆蓋變化與氣候關(guān)系進(jìn)行單元詳細(xì)研究對(duì)于林區(qū)保護(hù)、植被恢復(fù)、城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。本文試圖利用2001—2012年MODIS遙感數(shù)據(jù)、20個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，采用線性趨勢(shì)分析、相關(guān)系數(shù)等方法，分析研究區(qū)歸一化植被指數(shù)的月變化和年際變化；從植被覆蓋度逐年變化特征、空間分布特征、時(shí)空統(tǒng)計(jì)特征3個(gè)方面，多角度分析湖北省近12年來(lái)植被覆蓋變化特征，并根據(jù)植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析植被對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度。

1 研究區(qū)域地理特征

湖北省東連安徽，南鄰江西、湖南，西接重慶、陜西，河南為鄰，介于29°05′—30°20′N(xiāo),108°30′—116°20′E之間[13]。地勢(shì)大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開(kāi)的不完整盆地。全省面積185090 km2，山地約占55%,丘陵24.5%,平原僅占20%[14]。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，光能充足，熱量豐富。無(wú)霜期長(zhǎng)[15]，年平均氣溫15—17℃，降水充沛，雨熱同季，年降水量地域分布呈由南向北遞減趨勢(shì)，降水量分布有明顯的季節(jié)變化，一般是夏季最多，冬季最少，年均降水量在800—1600 mm之間。植被類(lèi)型主要以亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠闊葉落葉闊葉混交林為主[16]。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)采用2001年1月至2012年12月Terra-MODIS13Q1 16d合成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m，數(shù)據(jù)來(lái)源美國(guó)國(guó)家航空航天局(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/)。數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)分辨率為30 m(圖1)，數(shù)據(jù)來(lái)源地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。使用ENVI軟件將下載的數(shù)據(jù)批處理進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成圖像的拼接和裁切。

氣象數(shù)據(jù)為2001—2012年湖北省地區(qū)20個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.escience.gov.cn/)。利用ArcGIS 10.0軟件對(duì)研究區(qū)20個(gè)氣象站點(diǎn)的年均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Kriging插值，得到湖北省地區(qū)2001—2012年間年均氣溫和年降水量。

圖1 研究區(qū)DEM及氣象站點(diǎn)位置Fig.1 Study area DEM and meteorological stationsof study area

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI均值法

采用最大值合成法將各旬?dāng)?shù)據(jù)合成為月數(shù)據(jù)，并對(duì)12個(gè)月NDVI數(shù)據(jù)求平均值。得到的年均NDVI值可以較好的反映該年份地表植被覆蓋狀況，而且消除了不同地區(qū)季節(jié)變化對(duì)地表植被覆蓋變化的影響[17]。

2.2.2 NDVI趨勢(shì)分析

為了定量研究NDVI的變化趨勢(shì)，本文采用一元線性回歸分析的方法，該方法可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，以單個(gè)像元時(shí)間變化特征反映整個(gè)空間變化規(guī)律，綜合反映區(qū)域時(shí)空格局演變[18]。對(duì)時(shí)間自變量和NDVI因變量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法，計(jì)算數(shù)據(jù)集中所有像元的NDVI與時(shí)間的回歸斜率[19]。

Slope是像元NDVI回歸方程的斜率，若Slope>0，表示隨時(shí)間變化植被指數(shù)是增加的趨勢(shì)，并且數(shù)值越大植被覆蓋度增加越明顯；反之，若Slope<0則代表植被指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

式中,i為年序號(hào)；n為年跨度，即12年；NDVIi為第i年最大化NDVI值。

2.2.3 相關(guān)分析

采用最小二乘法擬合NDVI和氣候要素隨時(shí)間的變化速率，即NDVI和氣候要素y隨時(shí)間t的線性回歸系數(shù)[20]。

計(jì)算兩個(gè)變量相關(guān)系數(shù)公式[21]如下：

2.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

為探究NDVI與氣候因子之間的相互關(guān)系，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS采用Pearson相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)對(duì)NDVI與各氣候因子進(jìn)行相應(yīng)的分析。

3 結(jié)果分析

3.1 湖北省NDVI時(shí)間變化

3.1.1 NDVI月變化

圖2 湖北省2001—2012年NDVI月變化 Fig.2 Monthly variation of NDVI in Hubei Province from 2001 to 2012

根據(jù)2001—2012年月平均MODIS/NDVI資料統(tǒng)計(jì)出NDVI平均值，圖2為湖北省近12年NDVI月平均值，明顯看出，隨月份變化NDVI值也隨之發(fā)生改變，8月NDVI值最高為0.80，1月NDVI值最低為0.43。2—8月全省NDVI呈明顯上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)?月份開(kāi)始鄂中部平原地帶種植棉花、水稻秧苗處于生長(zhǎng)的階段、鄂北崗地的冬小麥和山區(qū)的油菜正處于生長(zhǎng)時(shí)期[22-23]、鄂東、鄂西山地的樹(shù)木也抽枝發(fā)芽；至8月份，研究區(qū)內(nèi)陽(yáng)光充足、雨水豐沛植被處于生長(zhǎng)旺盛階段[24]，各類(lèi)植被均處于生長(zhǎng)旺盛階段NDVI達(dá)到一年中最高值；9月份開(kāi)始農(nóng)作物逐漸成熟，大部分植被落葉，植被覆蓋減少，NDVI下降，至次年1月降到全年最低值。

3.1.2 NDVI年際變化

圖3 湖北省2001—2012年NDVI年均值曲線及其線性趨勢(shì) Fig.3 Annual variation of NDVI and linear trend in Hubei Province from 2001 to 2012

圖3是NDVI年均值曲線及其線性趨勢(shì)，2001—2012年湖北省地區(qū)植被覆蓋整體呈增加趨勢(shì)，增速為1%每10年，變化趨勢(shì)不顯著。2001年NDVI值為0.588，達(dá)到最低點(diǎn)，這主要是由于三峽工程的實(shí)施導(dǎo)致長(zhǎng)江上、中游地區(qū)植被遭到破壞，生態(tài)移民對(duì)植被造成了一定的影響；而后NDVI持續(xù)上升，2004年NDVI值上升到極點(diǎn)0.619，2005—2006年經(jīng)歷小幅波動(dòng)后直線上升且在2007年NDVI值達(dá)到最高值0.633；2007—2012年間NDVI值呈現(xiàn)先下降減小后上升增加的趨勢(shì)，其中2008—2010年間有明顯的下滑趨勢(shì)，主要是該時(shí)期全國(guó)天氣異常，遭遇極端天氣，南方遭受冰凍、寒潮、冰凍等災(zāi)害性天氣導(dǎo)致植被受災(zāi)，NDVI不斷下降[25-27]。研究區(qū)這種波動(dòng)性的變化與所實(shí)施的城市建設(shè)、水利林業(yè)工程有關(guān)，后期一系列的退耕還林、造林綠化的工程實(shí)施取得了明顯的成效。

3.2 湖北省NDVI空間變化

圖4為湖北省2001—2012年平均NDVI空間分布圖。由圖可知，湖北省NDVI空間分布呈現(xiàn)自東向西逐漸遞增的趨勢(shì)。NDVI高值區(qū)主要分布在鄂西北、鄂西南部地區(qū)，其中最大值高達(dá)0.821；NDVI低值區(qū)分布于鄂中部及東部大范圍區(qū)域。出現(xiàn)這種分布差異現(xiàn)象的主要原因是由于鄂中部、東部地勢(shì)較為平坦，河網(wǎng)水系密布，利于居民居住和城市發(fā)展，主要城市如武漢市、黃岡市、黃石市、鄂州市、孝感市都聚集分布于此，故中、東部地區(qū)植被覆蓋度比較低。而西部地勢(shì)較高，從西南到西北分布著大巴山、武當(dāng)山，植被類(lèi)型豐富多樣，人類(lèi)活動(dòng)相對(duì)而言較少所以該地區(qū)NDVI值高。

圖5為湖北省2001—2012年年均NDVI變化趨勢(shì)圖，圖中發(fā)現(xiàn)，2001—2012年湖北省地區(qū)植被覆蓋變化有明顯的區(qū)域差異。其中植被覆蓋度減小的區(qū)域主要集中在武漢、黃石、鄂州、黃岡、孝感、荊州等城市；植被覆蓋度增加的地區(qū)廣泛分布在恩施西南部、十堰西北部、隨州東北部等地區(qū)。造成這種明顯分化的主要原因是自2007年以來(lái)“武漢城市圈”的興起發(fā)展，城市的建設(shè)用地侵占了耕地、林地資源，導(dǎo)致植被覆蓋度嚴(yán)重降低。

圖4 湖北省2001—2012年平均NDVI空間分布圖Fig.4 Distribution of annual averageNDVI in Hubei from 2001 to 2012

圖5 湖北省2001—2012年年均NDVI變化斜率趨勢(shì)圖Fig.5 Variation trend of annual averageNDVI in Hubei from 2001 to 2012

圖6 湖北省2001—2012年年均NDVI變化斜率分級(jí)圖 Fig.6 The picture of average annual NDVI change slope classification in Hubei Province from 2001—2012

根據(jù)已有數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，采用等間隔等分法將變化斜率分為7個(gè)等級(jí)(表1，圖6)。結(jié)果顯示，嚴(yán)重退化的區(qū)域主要是武漢市及其周邊地區(qū)，退化面積為10.67676km2，占總面積的0.0057%；中度退化的區(qū)域零散分布于東部地區(qū)，退化的面積為348.8389km2，占總面積的0.19%；輕度退化的區(qū)域范圍較廣，幾乎分布于整個(gè)湖北省地區(qū)，但集中連片的區(qū)域主要分布于中東部地區(qū)，以武漢市、黃岡市、赤壁市、仙桃市為主，退化為面積11308.63km2，占總面積的6.08%；基本不變的區(qū)域的面積為172670.4km2，占總面積92.88%；輕度改善面積1426.35km2，占總面積0.77%；中度改善面積126.5681km2，占總面積的0.6%；植被覆蓋明顯改善的區(qū)域僅占全省陸域面積的0.0046%。NDVI有所改善的區(qū)域零星分布于鄂西北角、鄂北部頂端以及鄂東北部小部分地區(qū)。據(jù)上述分析可以得出，湖北省在近12年中植被覆蓋狀況基本保持不變，這主要是因?yàn)樵撌|部、北部、南部、植被以常綠闊葉林為主，且西部為神農(nóng)架原始生態(tài)區(qū)，神農(nóng)架地區(qū)是保持完好的亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)，物種多樣。

表1 2001—2012年湖北省年均NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

Slope: 斜率

3.3 氣候因子變化特征

圖7為湖北省2001—2012年均氣溫、年均降水量變化及其線性趨勢(shì)。圖中顯示，近12年湖北省年均氣溫變化幅度小，多年年均氣溫約為16.64℃；2001—2003年呈下降趨勢(shì)，2004年反彈回峰值，2005年又下降至谷底，2006、2007年維持在峰值階段，2008—2012年持續(xù)下降。從整體上來(lái)看年均氣溫呈下降趨勢(shì)，大致呈W型，下降的速率大致為0.63℃/10a，通過(guò)0.05的顯著水平檢驗(yàn)。在全球氣候變暖的大背景下，區(qū)域氣候呈現(xiàn)變冷趨勢(shì)的原因需要進(jìn)一步探討。

由圖可知，近12年湖北省年均降水量波動(dòng)較大，2001、2003、2006、2009、2011這5年的降水量相對(duì)于其他年份的降水量而言偏低，分別為736、749、873、1035、921mm；而2002年降水量最高，為1285mm；2004—2005年、2007—2008年降水量相對(duì)比較平穩(wěn)，基本維持在同一水平；2010年降水量則達(dá)到一個(gè)小高峰為1238mm。從整體而言湖北省近12年的年均降水量是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，平均增長(zhǎng)幅度為11.95mm/a，12年來(lái)降水量變化并不顯著，未通過(guò)0.05的顯著水平檢驗(yàn)。

圖7 湖北省2001—2012年年均氣溫、年均降水量變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of annual average temperature and annual precipitation in Hubei from 2001 to 2012

3.4 植被覆蓋與氣候因子的響應(yīng)

3.4.1 年變化尺度上NDVI與氣候因子的相關(guān)性分析

圖8為湖北省NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系圖，分析圖8可知，NDVI與降水正負(fù)相關(guān)并存，整體上呈正相關(guān)關(guān)系。湖北省NDVI與降水量呈正相關(guān)的區(qū)域面積占湖北省總面積83%，但置信度超過(guò)0.05水平的區(qū)域不多，僅占總面積的9.47%。這些區(qū)域零星分布于湖北的東北部、鄂西北、鄂西南以及鄂東部地區(qū)。

圖8顯示了NDVI與氣溫和降水的空間相關(guān)性系數(shù)，從圖看出，氣溫和NDVI之間是正負(fù)相關(guān)并存，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積較正相關(guān)的區(qū)域稍大。湖北省內(nèi)NDVI與氣溫的空間相關(guān)沒(méi)有達(dá)到0.05顯著性水平。由此可見(jiàn)湖北省NDVI受溫度影響小。

相關(guān)系數(shù)的平方即為擬合優(yōu)度，可以相互進(jìn)行比較而且能直觀判斷擬合優(yōu)劣。因此可以利用相關(guān)系數(shù)平方之差判斷NDVI變化主要受氣溫還是降水量變化的影響[28]。NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)平方減其與氣溫相關(guān)系數(shù)平方的空間分布結(jié)果(圖8)。其中值為正表明NDVI與降水量的相關(guān)性大于其與氣溫的相關(guān)性，值越大表示降水量的影響力越強(qiáng)；反之，當(dāng)值為負(fù)時(shí)，則表明氣溫的相關(guān)性大于降水量的相關(guān)性，負(fù)值的絕對(duì)值越大表明氣溫對(duì)NDVI的控制越強(qiáng)。分析圖可知，NDVI受氣溫控制的區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的0.46%遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降水量對(duì)NDVI控制的區(qū)域面積。由此可見(jiàn)，氣溫對(duì)湖北省NDVI變化影響小，在少數(shù)區(qū)域降水對(duì)NDVI變化有顯著影響。

圖8 湖北省NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系，以及兩相關(guān)系數(shù)平方差Fig.8 Correlation relationship of temperature，precipitation with NDVI，and the difference between the square of two-coefficient

3.4.2 生長(zhǎng)季各月NDVI年際變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)及其滯后性

滯后性是指植被不能對(duì)影響其生長(zhǎng)的因子的動(dòng)態(tài)變化做出及時(shí)的反應(yīng)。氣溫、降水不僅可以影響植被當(dāng)前生長(zhǎng)狀況，同時(shí)還存在一定的滯后性，可用滯后期表示氣象因子對(duì)植被變化的影響[29]。為了研究湖北省植被NDVI對(duì)氣象因子的滯后響應(yīng)，選用2001—2012年湖北省地區(qū)植被生長(zhǎng)季(4—9月)的NDVI與同期氣候因子做偏相關(guān)分析，同時(shí)以2個(gè)月滑動(dòng)平均(上月與本月)和3個(gè)月滑動(dòng)平均(前2個(gè)月與本月)與該月NDVI作偏相關(guān)分析。

表2為湖北省近12年來(lái)生長(zhǎng)季各月NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系。由表2可知，4月份降水豐富，此時(shí)NDVI與降水的相關(guān)性好，與當(dāng)月降水偏相關(guān)系數(shù)為0.543，而與前2個(gè)月和前3個(gè)月的降水偏相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.807、0.633，有著顯著相關(guān)(P<0.05)，與前2個(gè)月的氣溫呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)，與前3個(gè)月的氣溫呈中度負(fù)相關(guān)，這表明前期的水分累積對(duì)植被生長(zhǎng)有較大的影響。5月份植被生長(zhǎng)達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，受氣候因子的影響不大。6月份氣溫升高、植被蒸騰作用變強(qiáng)，植被NDVI與當(dāng)月的氣候因子均無(wú)相關(guān)性，與前2個(gè)月的氣候因子有顯著的相關(guān)性(P<0.05)，與前3個(gè)月的降水有中度相關(guān)性。7月是研究區(qū)的盛夏季節(jié)，溫度不是植被生長(zhǎng)的限制因子，植被NDVI與當(dāng)月的降水偏相關(guān)系數(shù)為0.7，與前3個(gè)月的降水偏相關(guān)系數(shù)為0.73，均達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。8、9月份植被NDVI與降水的相關(guān)性較好。研究表明，植被NDVI變化與氣候因子的相關(guān)性有著明顯的季節(jié)性，同時(shí)植被NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在滯后性，不同月份對(duì)氣候因子的滯后時(shí)間存在差異。

表2 湖北省近12年來(lái)生長(zhǎng)季各月NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系

Table 2 Relationships of NDVI in different months during the growing season to temperature and precipitation in recent 12 years in Hubei Province

月份Month當(dāng)月Duringthemonth前2個(gè)月Thefirsttwomonths前3個(gè)月Thefirsttwomonths復(fù)相關(guān)系數(shù)M-correlationcoefficientRNDVI-P/TRNDVI-T/P復(fù)相關(guān)系數(shù)M-correlationcoefficientRNDVI-P/TRNDVI-T/P復(fù)相關(guān)系數(shù)M-correlationcoefficientRNDVI-P/TRNDVI-T/P40．5430．5430．2920．8470．807?-0．770?0．7200．633?-0．56650．4130．3640．3190．1490．1170．1320．3180．2750．26960．069-0．064-0．0430．7350．612?0．723?0．5240．2130．51470．8390．700?-0．5570．4990．4120．3670．7320．730?0．11180．5600．5600．3600．4990．235-0．3040．4940．317-0．14990．6940．599-0．2380．5570．5530．2240．6280．575-0．086

T: 氣溫Temperature;P: 降水Precipitation; *P≤0.05;RNDVI-T/P(RNDVI-Temperature/Precipitation): NDVI 與氣溫偏相關(guān)系數(shù);RNDVI-P/T(RNDVI-Precipitation/Temperature):NDVI 與降水偏相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本文利用RS和GIS技術(shù)，采用多種方法揭示了湖北省地區(qū)植被覆蓋變化狀況以及對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度。該研究區(qū)雨熱同期，并且水熱條件相對(duì)較好，因此氣溫和降水都是植被生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。氣溫上升和降水量的增加在總體上對(duì)多數(shù)植被生長(zhǎng)有積極作用，但是對(duì)于略小部分地區(qū)的植被卻帶來(lái)了不良影響導(dǎo)致植被覆蓋度與氣溫、降水呈負(fù)相關(guān)狀態(tài)。

湖北省植被覆蓋整體較好，2001—2012年間該省植被覆蓋整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其增長(zhǎng)速度為1%/10a，期間有小幅度的下降趨勢(shì)但下降區(qū)域范圍不大；從植被覆蓋月變化來(lái)看，冬季植被呈增加趨勢(shì)，主要由于冬季該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加強(qiáng)所致；空間上，植被覆蓋格局呈現(xiàn)“西高，東低”的分布特征；根據(jù)逐像元的變化斜率分析發(fā)現(xiàn)，湖北省植被覆蓋在近12年里呈現(xiàn)出總體保持穩(wěn)定，局部輕微改善的趨勢(shì)。植被覆蓋穩(wěn)定區(qū)分布廣泛，其面積占全省面積86.42%；輕度和明顯改善的面積共占全省面積10%，主要分布在湖北省西部以及西北部、東北部地區(qū)；退化區(qū)主要集中在湖北省主城區(qū)，長(zhǎng)江沿岸地帶。

由年際尺度分析可知，湖北省12年年均氣溫、年均降水與年均NDVI的相關(guān)系數(shù)較低，但NDVI與降水量的關(guān)系較氣溫更為密切，降水量的適量增加有利于植被的生長(zhǎng)；月變化分析表明植被NDVI變化與氣候因子的相關(guān)性有著明顯的季節(jié)性也有滯后性。

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Analyzing dynamic vegetation change and response to climatic factors in Hubei Province,China

YUAN Moxi1,2，ZOU Ling1,2，LIN Aiwen1,2,*, ZHU Hongji1,2

1 School of Resource and Environmental Sciences，Wuhan university，Wuhan 430079, China 2TheKeyLaboratoryofGeographicInformationSystem,Wuhan430079,China

Normalized difference vegetation index (NDVI) is an important remote sensing parameter, it can accurately reflect the degree of vegetation and vegetation growth status, biological, physical, and chemical properties; and the changes in ecological system parameters. Based on its sequence data, it is also used as a bioclimatic character in large vegetation areas and for basic land cover classification. Vegetation cover changes in Hubei in 2001—2012 were analyzed using moderate resolution imaging spectrometer (MODIS) NDVI data. The maximum value composites, trend analysis, and linear regression analysis were used to analyze the annual and monthly NDVI changes of different vegetation types and to characterize the temporal and spatial vegetation cover changes and their relationship with temperature and precipitation. The results showed that vegetation cover was good in most regions of Hubei Province: the NDVI value was the highest (0.82) for the northwest regions and was the lowest (0.13) for the central urban regions. In general, the yearly mean NDVI increased from 2001 to 2012 at a rate of 1%/10 a. A constant area accounts for 92.8% of the total vegetation coverage, which is consistent with the trend of China′s central region vegetation change. Precipitation had a crucial effect on the inter-annual variation of NDVI. The relationships of NDVI across different months during the growing season to temperature and precipitation over 12 recent years indicated that there was an obvious difference in the effects of temperature and precipitation on NDVI among different months in the growth season, and response of NDVI to the climate factors was lagged.

NDVI; vegetation cover change; climate change；lagging；Hubei province

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301586)

2015- 07- 10;

2016- 03- 21

10.5846/stxb201507101464

*通訊作者Corresponding author.E-mail: awlin@whu.edu.cn

袁沫汐， 鄒玲， 林愛(ài)文，朱弘紀(jì).湖北省地區(qū)植被覆蓋變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(17):5315- 5323.

Yuan M X，Zou L，Lin A W, Zhu H J.Analyzing dynamic vegetation change and response to climatic factors in Hubei Province,China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5315- 5323.