[摘要]基于20002014年MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)和同時(shí)期氣候數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)分析法、簡(jiǎn)單相關(guān)分析法、偏相關(guān)分析法、復(fù)相關(guān)分析法等多種時(shí)間與空間分析方法，探討了黃河源區(qū)植被NDVI時(shí)空變化特征與氣候變化響應(yīng)。結(jié)果表明，過(guò)去15年內(nèi)，黃河源區(qū)植被NDVI在時(shí)間變化上呈緩慢增加趨勢(shì)，空間上呈由東南向西北遞減的分布格局。在時(shí)間上，植被NDVI與氣候因子均呈上升趨勢(shì)，氣溫和降水上升趨勢(shì)分別通過(guò)0.05和0.01的顯著性檢驗(yàn)。偏相關(guān)系數(shù)空間分布上，整體上植被NDVI受降水童的影響要大于受氣溫的影響。復(fù)相關(guān)系數(shù)空間分布上，通過(guò)0.01、0.05、0.1的顯著性檢驗(yàn)像元占比分別為3.26%、5.63%、4.09%。黃河源區(qū)北部植被NDVI主要受降水因子影響，西南部和中部植被主要受氣溫因子影響。

[關(guān)鍵詞]MODIS NDVI;黃河源區(qū);時(shí)空變化;氣候因子

[中圖分類(lèi)號(hào)]Q948 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

隨著全球氣候變暖，加速的冰川消融使全球海平面上升導(dǎo)致海岸自然生態(tài)環(huán)境失衡;增加了極端天氣發(fā)生頻率，出現(xiàn)干旱、洪澇、極端氣溫、熱浪、熱帶風(fēng)暴、颶風(fēng)等影響生物生存和農(nóng)業(yè)生產(chǎn);造成了全球生態(tài)系統(tǒng)破壞，改變生態(tài)環(huán)境而加快生物滅絕速率，其影響已成為制約人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的主要因素。植被作為連接大氣、土壤、水分和土地利用的自然“紐帶”，是陸地生態(tài)系統(tǒng)存在的基礎(chǔ)條件。植被是生物地球化學(xué)循環(huán)、水文循環(huán)和陸地表面能力交換過(guò)程中的下墊層層，在土地利用/覆被變化、全球變化研究中起著“指示器”的作用。

氣候和人類(lèi)活動(dòng)共同影響著植被的變化，其中人類(lèi)活動(dòng)的影響不容易定量化，大部分通過(guò)定性描述的方式來(lái)研究。歸一化差分植被指數(shù)（NDVI，Normalized Difference VegetationIndex）被認(rèn)為是目前監(jiān)測(cè)區(qū)域或全球植被與生態(tài)環(huán)境變化最有效指標(biāo)，是研究植被變化常用的定量研究方法。已有研究從全球或區(qū)域等尺度采用不同研究方法（相關(guān)性分析、回歸分析、Granger因果檢驗(yàn)等）分析了氣候因子對(duì)植被變化的影響，結(jié)果表明氣溫與降水是對(duì)植被生長(zhǎng)影響最為顯著的2個(gè)氣候因子。

黃河源區(qū)作為我國(guó)黃河流域上游最重要的產(chǎn)流區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，源區(qū)高寒生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感且迅速。本文以黃河源區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用多種方法分析植被變化與氣候的響應(yīng)情況，為未來(lái)源區(qū)生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)以及氣候變化研究提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河源區(qū)位于中國(guó)西北地區(qū)中部（E95°54′～103°24′，N32°09′～36°34′），橫跨甘肅、青海和四川三省，東西長(zhǎng)約695km，南北寬約480km，面積達(dá)13.1～10⁴km²（圖1）。屬于大陸性高原氣候，由東南向西北大致劃分為3個(gè)氣候區(qū)：東南部屬濕潤(rùn)氣候區(qū)、中部屬半干旱氣候區(qū)、西北部屬干早氣候區(qū)。年平均氣溫5℃左右，年均降水量為320～750mm。自然環(huán)境類(lèi)型多樣，高寒植被分布廣泛，包括高寒草甸、高寒草原、高寒沼澤、高寒灌叢、常綠針闊葉林、高山稀疏植被等，以高寒草原和高寒草甸為主，約占研究區(qū)總面積70%以上。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文分析使用的遙感數(shù)據(jù)來(lái)自NASA網(wǎng)站（ttps：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），獲取了2000年2月～2014年12月的MOD13Q1，空間分辨率為250m。在MRT（MothsReprojection Tools）工具中將原始影像（Sinusoidal投影）統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)系和UTM投影，采用最大合成法（MVC，Maximum Value Composites）將半旬植被NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到年均植被NDVI，本文只分析黃河源區(qū)生長(zhǎng)季植被NDVI與氣候相應(yīng)情況。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn/），選取了研究區(qū)14個(gè)氣象站點(diǎn)以及周邊地區(qū)10個(gè)補(bǔ)充站點(diǎn)15年（2000-2014年）的月平均降水、氣溫兩個(gè)參數(shù)，使用ArcGIS軟件進(jìn)行Krigin8插值，得到與植被NDVI分辨率一致、投影相同的柵格數(shù)據(jù)。植被類(lèi)型來(lái)自1：400萬(wàn)植被類(lèi)型圖（中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì)，2007），將研究區(qū)植被類(lèi)型劃分為：高山植被、高寒灌叢、高寒草原、高寒草甸、高寒沼澤和針闊葉林。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI變化趨勢(shì)分析。趨勢(shì)分析是通過(guò)對(duì)一組隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行線性回歸分析，從而預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)的方法[16-17]。本文使用趨勢(shì)分析法來(lái)模擬研究區(qū)植被NDVI在15年內(nèi)的空間變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下：

2.2.4 復(fù)相關(guān)分析。復(fù)相關(guān)分析是度量一個(gè)變量與多個(gè)變量之間的相關(guān)程度，用復(fù)相關(guān)分析來(lái)研究NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)性。在計(jì)算簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算復(fù)相關(guān)系數(shù)，公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河源區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋時(shí)空變化特征

3.1.1 時(shí)間變化。分析黃河源區(qū)2000～2014年生長(zhǎng)季植被NDVI年際變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，研究區(qū)植被NDVI隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，呈先下降后上升再波動(dòng)下降趨勢(shì)，2001年達(dá)到最小值，最大值在2012年，NDVI分布在0.49～0.53，NDVI均值為0.51，傾向率為0.019/10a，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.73，上升趨勢(shì)通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，呈顯著增加趨勢(shì)。

研究區(qū)不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)季植被NDVI變化趨勢(shì)有差別，如圖3所示。由圖3可知，黃河源區(qū)所有植被在2000～2014年均呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中高寒植被的增長(zhǎng)速率最快為0.011/10a，不同植被類(lèi)型生長(zhǎng)季NDVI值有差異，在黃河源區(qū)植被生長(zhǎng)季中高寒沼澤的平均NDVI值最高，值均在0.65～0.70。對(duì)不同植被NDVI變化趨勢(shì)率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)的植被僅有針闊葉林，通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)的植被有高寒草原、高寒草甸、高寒沼澤。

3.1.2 空間變化。在2000～2014年生長(zhǎng)季NDVI空間分布如圖4所示，由圖4可知DNVI大部分分布在0.2～0.8之間，均值是0.51。在研究區(qū)西北部的鄂陵湖、扎陵湖和龍羊峽水庫(kù)北部等地區(qū)植被覆蓋比較少，NDVI值較低，大部分NDVI為0.0～0.40在鄂陵湖、扎陵湖南部、巴顏喀拉山北部與北東部、龍羊峽水庫(kù)南部等地區(qū)植被覆蓋較好，NDVI主要分布在0.2～0.6之間。在若爾蓋盆地和阿尼瑪卿山東南部等地區(qū)植被覆蓋度高，NDVI多在0.60.8之間。研究區(qū)中部NDVI分布在0.40.8之間。

NDVI空間分布與氣候變化相關(guān)，研究區(qū)西北部屬于干早氣候區(qū)，生長(zhǎng)的植被主要是高寒草甸及少量的高寒草原與高山植被，植被生長(zhǎng)稀疏，DNVI值較小，主要分布在0.0."0.4之間。隨著向東南方向移動(dòng)，中部屬于半干早氣候區(qū)，植被NDVI增加，主要在0.2～0.8之間，植被分布有高寒草甸、高寒灌叢、針闊葉林。到達(dá)東南地區(qū)，東南部屬于濕潤(rùn)氣候帶，植被生長(zhǎng)狀況好，NDVI值達(dá)到最大，大部分分布在0.6～0.8之間，植被主要是高寒草甸和高寒沼澤，還有少量的高寒灌叢。

在空間分布上，黃河源區(qū)生長(zhǎng)季NDVI呈北西向東南方向遞增的空間分布格局。

為了表示NDVI變化幅度大小，通過(guò)對(duì)每個(gè)像元變化趨勢(shì)斜率的計(jì)算來(lái)表示，趨勢(shì)斜率的正負(fù)分別表示在2000～2014年間NDVI是增加還是減少。對(duì)趨勢(shì)斜率按標(biāo)準(zhǔn)差分為7類(lèi)：顯著減少、中度減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、中度增加、顯著增加，結(jié)果如圖5所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從圖5和表2可知在2000～2014年研究區(qū)植被覆蓋整體上呈穩(wěn)定趨勢(shì)。植被改善面積為38848.54km²，占總面積29.93%，顯著改善區(qū)域主要分布在龍羊峽水庫(kù)南部地區(qū)的低海拔河谷地帶，有少量分布在扎陵湖與鄂陵湖周邊，植被類(lèi)型主要是高寒草原和少量高寒草甸。中度改善和輕度改善區(qū)域主要分布在扎陵湖西北部和鄂陵湖的東北部地區(qū)、巴顏喀拉山的北部及若爾蓋盆地，分布的植被是高寒草甸和高寒沼澤。植被退化區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部地區(qū)，植被類(lèi)型以高寒草甸和高寒灌叢為主。植被不變區(qū)域在全域均有不同程度的分布，所占比例是最大，占比為45.13%。

總體上，生長(zhǎng)季植被增加區(qū)域主要分布在研究區(qū)的北部和南部。

3.2 黃河源區(qū)生長(zhǎng)季植被NDVI與氣候變化的晌應(yīng)

3.2.1 時(shí)間變化。研究區(qū)2000～2014年生長(zhǎng)季氣溫和降水變化趨勢(shì)情況如圖6所示。由圖6可知，在全球氣候變暖的大背景下，黃河源區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，最低氣溫在2004年，最高值在2010年，氣溫每年平均增加0.0436℃，氣溫上升趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。生長(zhǎng)季降水也呈上升趨勢(shì)，降水每年平均增加5.7043mm，降水上升趨勢(shì)通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。

不同植被類(lèi)型受氣候影響存在一定的差異，本文通過(guò)皮爾遜系數(shù)來(lái)表示NDVI與氣候時(shí)間序列的相關(guān)性，其檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，由表3可見(jiàn)所有植被NDVI與氣候因子均呈正相關(guān)關(guān)系。高山植被、高寒草甸和高寒沼澤與氣溫相關(guān)性高，并通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，高寒草甸與降水的相關(guān)性通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，高寒草甸與降水的相關(guān)性極高，通過(guò)0.001的顯著性檢驗(yàn)。

3.2.2 空間變化。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法，根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果將NDVI與溫度、降水相關(guān)性定義如下6個(gè)等級(jí)：極顯著負(fù)相關(guān)（R<0，P≤0.01），顯著負(fù)相關(guān)（R<0，0.010.05），不顯著正相關(guān)（R>0，P>0.05），顯著正相關(guān)（R>0，0.010，P≤0.01）。

（1）偏相關(guān)空間分布。研究區(qū)NDVI與氣候因子偏相關(guān)系數(shù)和顯著水平分布情況如圖7～8，表4所示。NDVI與莆溫的偏相關(guān)系數(shù)分布在-0.93～0.97，空間上正相關(guān)像元所占比例為76.22%，通過(guò)0.01和0.05顯著性水平檢驗(yàn)的比例分別為6.00%與9.43%，植被類(lèi)型是高賽草甸、高山植被和高寒沼澤，主要分布在扎陵湖、鄂陵湖周邊地區(qū)、巴顏喀拉山的東南部和若爾蓋盆地。NDVI與降水偏相關(guān)系數(shù)分布在-0.89～0.96，空間上正相關(guān)像元所占比例為76.50%，通過(guò)0.01和0.05顯著性水平檢驗(yàn)的比例分別為9.24%%和8.31%，分布在扎陵湖北部、鄂陵湖北部和北東部、龍羊峽水庫(kù)周邊，以高寒草原為主。

總體上生長(zhǎng)季植被NDVI受降水f的形響要大于受氣溫的影響。

（2）復(fù)相關(guān)空間分布。復(fù)相關(guān)系數(shù)反映的是NDVI與氣溫、降水的多因素相關(guān)程度，其結(jié)果空間分布如圖9所示。復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.00～0.98，其空間均值為0.46。在鄂陵湖與扎陵湖周邊、龍羊峽水庫(kù)周?chē)⑷魻柹w盆地等區(qū)域復(fù)相關(guān)系數(shù)值較高，在研究區(qū)的中部和南部復(fù)相關(guān)系數(shù)值較低。整體上，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的像元較少，通過(guò)了0.01、0.05、0.1的顯著性檢驗(yàn)的像元占比分布為3.26%、5.63%、4.09%，主要植被類(lèi)型是高寒草原。

3.3 氣像變化對(duì)植被NDVI的驅(qū)動(dòng)分析

根據(jù)中國(guó)植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)分區(qū)方法，對(duì)研究區(qū)植被覆蓋變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分析，分類(lèi)準(zhǔn)則見(jiàn)表6。

根據(jù)表6準(zhǔn)則得到研究區(qū)分類(lèi)結(jié)果如圖10，屬于氣溫馭動(dòng)型區(qū)域分布較少，主要在扎陵湖和鄂陵湖北部，所占比例為1.32%。降水驅(qū)動(dòng)型主要分布研究區(qū)北部的扎陵湖、鄂陵湖和龍羊峽水庫(kù)周邊，所占比例為7.41%，以高寒草原為主。受氣溫和降水驅(qū)動(dòng)型區(qū)域在水域周邊，所占比例為1.42%。非氣候因子驅(qū)動(dòng)型呈片狀分布在黃河源區(qū)大部分地方，所占比例為89.85%。

整體上，氣候因子中降水驅(qū)動(dòng)型作用大于氣溫驅(qū)動(dòng)型和降水、氣溫驅(qū)動(dòng)型的影響，氣溫驅(qū)動(dòng)和降水、氣溫綜合驅(qū)動(dòng)作用相當(dāng)。

4 討論與結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）植被NDVI時(shí)空變化特征。在時(shí)間上，植被NDVI呈增加趨勢(shì)。在空間分布上，植被NDVI呈由西北向東南逐增的分布格局。

（2）植被NDVI與氣候變化的響應(yīng)。在時(shí)間上，植被NDVI與氣候因子均呈上升趨勢(shì)，氣溫和降水上升趨勢(shì)分別通過(guò)0.05和0.01的顯著性檢驗(yàn)。與氣溫相關(guān)性最高的植被是高寒草甸、高山植被和高寒沼澤，均通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn);與降水相關(guān)性最高植被的是高寒草原，通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)，高寒草甸通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中高寒草甸與氣溫和降水相關(guān)性均顯著。

偏相關(guān)系數(shù)空間分布上，整體植被NDVI受降水量的影響要大于受氣溫的影響。NDVI與氣溫偏相關(guān)系數(shù)中，空間上呈正相關(guān)像元所占比例為76.22%，通過(guò)0.01和0.05顯著性水平檢驗(yàn)的比例分別為6.00%與9.43%，植被是高寒草甸、高山植被和高寒沼澤，主要分布在扎陵湖、鄂陵湖周邊地區(qū)、巴顏喀拉山的東南部和若爾蓋盆地。NDVI與降水空間上呈正相關(guān)像元所占比例為76.50%，通過(guò)0.01和0.05顯著性水平檢驗(yàn)的比例分別為9.24%%和8.31%，分布在扎陵湖北部、鄂陵湖北部和北東部、龍羊峽水庫(kù)周邊，以高寒草原為主。

復(fù)相關(guān)系數(shù)空間分布上，復(fù)相關(guān)系數(shù)分布在0.000.98，其空間均值為0.46。在鄂陵湖與扎陵湖周邊、龍羊峽水庫(kù)周?chē)?、若爾蓋盆地等區(qū)域，復(fù)相關(guān)系數(shù)值較高，在研究區(qū)的中部和南部復(fù)相關(guān)系數(shù)值較低。整體上，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的像元較少，通過(guò)了0.01、0.05、0.1的顯著性檢驗(yàn)的像元占比分布為3.26%，5.63%、4.09%，主要是高寒草原。

（3）植被NDVI與氣候的驅(qū)動(dòng)分析。整體上，氣候因子中降水驅(qū)動(dòng)型作用大于氣溫驅(qū)動(dòng)型和降水、氣溫驅(qū)動(dòng)型的影響作用，氣溫驅(qū)動(dòng)和降水、氣溫綜合驅(qū)動(dòng)作用相當(dāng)。屬于氣溫驅(qū)動(dòng)型區(qū)域分布較少，主要在扎陵湖和鄂陵湖北部，所占比例為1.32%。屬于降水驅(qū)動(dòng)型主要分布研究區(qū)北部的扎陵湖、鄂陵翻和龍羊峽水庫(kù)周邊，所占比例為7.41%，以高寒草原為主。受氣溫和降水驅(qū)動(dòng)型區(qū)域在水域周邊，所占比例為1.42%。

黃河源區(qū)北部屬于干旱氣候區(qū)，靠近柴達(dá)木盆地，水資源匱乏、氣溫高，土壤中的水分含量不足。降水可以促進(jìn)北部植被生長(zhǎng)，因此北部地區(qū)植被NDVI一受降水因子驅(qū)動(dòng)比較明顯，氣溫升高可能會(huì)加強(qiáng)水分散發(fā)加劇干旱的趨勢(shì)，所以北部地區(qū)植被NDVI受氣溫因子驅(qū)動(dòng)較少。黃河源區(qū)西南部和東南部屬于濕潤(rùn)氣候區(qū)，海拔較高，氣溫較低，土壤水分含量充足，水分匱乏不再是影響植被生長(zhǎng)的主要因素，反而降雨的增多可能引起局部云量增大會(huì)導(dǎo)致光照減少，影響植被的光合作用，因此研究區(qū)西南部和東南部植被覆蓋受降水影響較少，主要受氣溫因子驅(qū)動(dòng)，由于在水分充足的情況下，氣溫的升高能夠促進(jìn)植物的光合作用。

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[收稿日期]2020-04-14

[作者簡(jiǎn)介]楊玲莉（1989-），女，四川廣安人，工程師，碩士，研究方向：生態(tài)遙感。