鄺美清 鄭凱端 蔡金玉 紀嘉雯 黃仁滋

(1.福建省三明市氣象局，福建 三明 365000；2.尤溪縣農業(yè)農村局，福建 三明 365114；3.福建省尤溪縣氣象局，福建 三明 365114)

0 引言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最不可缺的重要組成之一，不僅與區(qū)域內一定的氣候因子、地質地貌等條件相互適應，同時植被覆蓋也對地理環(huán)境產生很大的依賴性，對于全球能量平衡、水循環(huán)、生物化學循環(huán)起著重要的調控作用。因此，研究植被覆蓋與氣候因子相互關系在當前研究區(qū)域、乃至全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。

植被變化是全球變化研究的核心內容之一[2]。植被是土地覆蓋的最主要部分。植被覆蓋變化是生態(tài)環(huán)境變化的直接結果[3]，既受到氣候變化的影響，又通過改變地表-大氣間的能量和水分交換反作用于氣候系統(tǒng)，加快或減緩氣候變化[4]。

近年來，國內眾多氣象學者對不同地區(qū)的植被NDVI時空變化趨勢及其與氣候變化的關系和響應特征做了大量研究[5-6]。張含玉等[7]指出，黃土高原植被NDVI年際(及生長季和季節(jié)) 變化與降雨和溫度的相關性不顯著，而在月時間尺度上，呈顯著的相關性，并且月NDVI 與當月降雨量的相關性要強于與當月溫度的相關性；植被生長對溫度的響應存在一個月的滯后期，而對降雨的響應無滯后效應。張井勇等[8]指出，相比我國的其他區(qū)域，青藏高原植被變化與區(qū)域氣候存在較強的反饋，植被覆蓋在年際尺度上對后期降水有一定的影響，溫度對植被的滯后響應比降水弱。陳海山等[9]通過數(shù)值模擬研究了植被覆蓋異常變化對陸面狀況的影響。劉少華等[10]根據(jù)NDVI資料以及氣象站氣溫、降水數(shù)據(jù)，以像元為計算單元，分別以植被分區(qū)和氣象站點為對象分析了植被NDVI、≥10℃積溫和降水量的年際變化及相關關系，得出植被NDVI與≥10℃積溫和降水量分別呈微弱的負相關和正相關的結論。

關于植被與氣候因子的研究，大多數(shù)研究學者采用統(tǒng)計分析方法[11-14]。植被與區(qū)域氣候之間的反饋有地區(qū)差異性，其反饋的時間尺度也不同。有關植被與氣候因子之間反饋的物理機制尚不完全清楚。

本文利用2008—2017年歸一化植被指數(shù)NDVI資料和福建省70個國家氣象觀測站的溫度、降水資料,以研究福建省區(qū)域氣候對植被變化的影響為目的，利用統(tǒng)計分析方法研究該地區(qū)氣候因子與植被覆蓋度之間的超前-滯后相互作用，明確其作用的時間尺度和地域性差異；為提出全球變化情景下的福建省生態(tài)建設、環(huán)境保護等對策提供依據(jù)。

1 資料與方法

歸一化植被指數(shù)被認為是研究全球變化非常理想的植被指數(shù)。本文所用2008—2017年植被覆蓋NDVI數(shù)據(jù)由MODIS數(shù)據(jù)庫提供，其分辨率為0.05°×0.05°。NDVI 能較好地反映綠色植物生長狀況和分布，可以宏觀反映地面綠色植物的生物量和覆蓋度等植被定量特征[15]。

氣候變化的研究資料在時間序列上應有一定時間系列，還應有具有一定代表性和比較性[1]。本文的氣象數(shù)據(jù)選自福建省70個國家氣象觀測站2008—2017年之間的月溫度和降水觀測資料，時間跨度達到10a。

在氣象學上，四個季節(jié)常定義為：3～5月為春季；6～8月為夏季；9～11月為秋季；當年12月到下一年2月為冬季。

2 福建植被分布及其時空變化特征

本文采用均值法、差值法等，通過對2008—2017年福建省植被的NDVI數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最后得到福建省年均植被覆蓋NDVI值的年際變化。2008—2017年間，福建省年均NDVI值在0.662～0.712，其中植被覆蓋度較好的年份為2015～2017年，2017年NDVI值達到最大，為0.712；植被覆蓋度較差的年份出現(xiàn)在2010年和2011年，這兩年的NDVI值均為最低，為0.662。福建省近10年年均植被覆蓋年際變化整體為遞增的趨勢。

空間上，福建省總體上植被覆蓋度良好，其中武夷山脈和戴云山脈兩大山脈植被覆蓋最好，沿海地區(qū)植被覆蓋較差，其他地區(qū)植被覆蓋度較好。福建的地理特點是“依山傍?！薄８＝ǘ嗌?，全省山地丘陵面積約占全省土地總面積的90%；這些山地多為森林所覆蓋，2013—2017年福建省的森林覆蓋率達65.95%，連續(xù)多年居全國第一。

福建省四個季節(jié)NDVI空間變化如圖1所示。圖中區(qū)域顏色越深，表示NDVI值越大，植被覆蓋越好，顏色越淺，植被覆蓋越差。福建省主要植被為常綠闊葉林，整體上看福建省一年四季的植被覆蓋相對良好。福建省春季NDVI值在0.6～0.7，夏季NDVI值在0.7～0.9，秋季NDVI值在0.6～0.8，冬季NDVI值在0.4～0.6。夏季、秋季的NDVI植被覆蓋良好，植被覆蓋度最好的季節(jié)為夏季，最差的季節(jié)為冬季；內陸地區(qū)夏季與冬季兩個季節(jié)的NDVI值變化最大，差值可達0.4。

(a)春季 b)夏季 c)秋季 d)冬季

3 福建省降水分布特征

通過2008—2017年近10年的降水數(shù)據(jù)(見圖2)分析得到，福建省多年平均降水量為1608.3mm，其中2010年降水量最大，達1995.3mm，2011年降水量最小，僅有1304.1mm，年際變化大。近10年福建省年平均降水量的空間分布不均，福建省西北部年降水量大于東南部，年降水大于2000mm的地區(qū)主要位于南平、三明大部及寧德、泉州的部分縣市。

圖2 福建省2008—2017年年平均降水量的年際變化

福建省月降水量分布不均，1月～6月平均降水量持續(xù)增加，6月份降水量最高，7月～12月降水量逐漸遞減。最大月平均降水量為323.7mm，出現(xiàn)在6月，最小月平均降水量為21.1mm，出現(xiàn)在12月。根據(jù)降水特點，分為四個降雨季節(jié)：春雨(3～4月)降水強度弱，量少、雨日多，總降雨量約占全年的22.9%，梅雨(5～6月)雨區(qū)廣，雨量多，強度大，雨時長，穩(wěn)定少變，雨量約占全年的38.9%，臺風雷陣雨(7～9月)雨區(qū)狹小，雨時短暫，雨量不豐，約占全年的25.1%，少雨季(10月～次年2月)干燥，雨水稀少，五個月的降水總量僅占全年13.1%左右。

4 福建省溫度分布特征

近10年來，福建省氣候變化趨勢整體上以變暖為主。近10年全省年平均溫度為20.2℃，其中2015年年平均溫度最高，達到20.6℃，2011年最低，只有19.8℃，年際變化大。春季的平均溫度為18.8℃，夏季的平均溫度為27.3℃，秋季的平均溫度為22.6℃，冬季的平均溫度為12.3℃。

近10年福建省年平均溫度的空間分布南北差異大，年平均溫度由北向南逐漸遞增。西北部年平均溫度小于20℃，廈門、漳州一帶年平均溫度大于22℃。

5 福建省植被NDVI與氣象要素的相關性研究

5.1 年均植被覆蓋與溫度降水的相關性

植被覆蓋度與氣候因子之間的相互關系主要表現(xiàn)在植被覆蓋與溫度、降水量的關系。圖3是福建省近10年年平均溫度、年均降水量與年均NDVI值變化關系散點圖，橫軸代表年份，縱軸分別代表年平均溫度、年均降水量與年均NDVI值。年際植被NDVI與溫度、降水的關系由每個站點近10年溫度、降水平均值與相對應10年NDVI值統(tǒng)計結果做線性相關分析。

(1)年平均降水量與年均NDVI值的相關性分析 (2)年平均溫度與年平均NDVI值的相關性分析

年平均溫度與NDVI值的相關性比年平均降水量與NDVI值的相關性更好(如圖3)，2011—2017年年平均氣溫與年NDVI值的變化趨勢一致。近10年年平均溫度與年均 NDVI的相關系數(shù)達0.7，在顯著水平0.05下，通過顯著性t檢驗。年均降水量與年均NDVI的相關系數(shù)只有0.05，沒有通過顯著性t檢驗，相對于降水，年平均溫度對年均NDVI的影響更大。

福建省植被生長受氣候因子溫度、降水的影響，而溫度、降水對植被的分布也會產生一定影響。為更好地描述NDVI與溫度、降水相關的空間分布情況，在ArcGIS軟件支持下，對溫度、降水進行空間離散化，與同期NDVI進行相關系數(shù)計算，進而得到NDVI與溫度、降水相關系數(shù)的空間分布情況[1]。對相關系數(shù)進行顯著性檢驗，資料樣本數(shù)為70，相關系數(shù)大于0.24，并通過5%顯著水平檢驗，相關系數(shù)大于0.31，并通過1%顯著水平檢驗。

5.2 不同季節(jié)降水與同期植被覆蓋相關性

通過對春、夏、秋、冬四季降水與同期NDVI的相關性分析可知，春、夏、秋、冬四季降水與同期NDVI空間相關性的差異大。春季降水相關系數(shù)在空間上呈相反兩個趨勢，中部為負相關，南北兩端為正相關，春季-0.4～-0.2所占比例最大；夏季降水相關系數(shù)大部分為正相關，相關系數(shù)達0.4～0.6，通過1%顯著水平檢驗；秋季降水與NDVI正相關所占比例相對較大，相關系數(shù)達0.5～0.7，通過1%顯著水平檢驗，主要位于福建省中北部，負相關區(qū)主要位于漳州、龍巖及中南部沿海一帶；冬季降水與NDVI值的相關性很差，大部分相關系數(shù)在正負0.2之間，沒有通過置信檢驗。由此可見，秋季降水與同季節(jié)的NDVI的相關性最高，其次是夏季，冬季的相關性最差。植被覆蓋度隨夏、秋季降水量增加而升高，近10年夏、秋季降水可能對福建省的夏、秋季植被生長變化產生正面影響。春季、冬季降水對植被覆蓋度的影響較小。

(a)春季 (b)夏季

5.3 不同季節(jié)溫度與同期植被覆蓋相關性

春、夏季溫度與秋、冬季溫度與同期NDVI相關系數(shù)總體呈相反兩個趨勢，春、夏季溫度與NDVI負相關所占比例相對較大。春夏季負相關區(qū)域主要位于福建省中北部，夏季溫度與同期NDVI的相關系數(shù)為-0.6～-0.4，大于春季溫度與同期NDVI的相關系數(shù)(-0.4～-0.2)，正相關區(qū)主要位于漳州、龍巖及中南部沿海一帶。夏季溫度與同期NDVI的相關系數(shù)通過了置信水平1%的檢驗。春季溫度與同期NDVI的相關系數(shù)只有正相關通過置信水平1%的檢驗。這表明福建省中北部植被覆蓋度隨夏季溫度降低而升高，近10年夏季溫度可能對該地區(qū)的夏季植被生長變化產生負面影響。福建省南部植被覆蓋度隨春季溫度升高而升高，近10年春季溫度可能對該地區(qū)的春季植被生長變化產生正面影響。秋、冬季溫度與NDVI正相關所占比例相對較大。秋冬季正相關區(qū)域主要位于福建省中北部，秋季相關系數(shù)0.6～0.8所占比例最大，冬季0.4～0.6所占比例較大，負相關區(qū)主要位于漳州、龍巖及中南部沿海一帶。秋、冬季溫度與同期NDVI的相關性均通過了5%顯著水平檢驗。秋季溫度與同季節(jié)的NDVI的相關性最高，其次是夏季，春季的相關性最差。

5.4 超前-滯后相關分析法

5.4.1 夏、秋、冬季的溫度、降水與春季植被覆蓋度相關性分析

如圖5所示，夏、秋、冬季的溫度與春季NDVI相關系數(shù)大部分為負相關，夏季的相關系數(shù)主要在-0.5～-0.2，通過了5%顯著水平檢驗。秋、冬季的相關系數(shù)主要在-0.6～-0.4之間，通過了1%顯著水平檢驗。空間上南北呈相反兩個趨勢，秋、冬季溫度與春季NDVI負相關所占比例相對較大，負相關區(qū)域主要位于福建省中北部，正相關區(qū)主要位于漳州及中南部沿海一帶。冬季溫度與春季NDVI的相關性最高，其次是秋季，夏季的相關性最差。

(a)夏季溫度與春季NDVI的相關性 (b)秋季溫度與春季NDVI的相關性 (c)冬季溫度與春季NDVI的相關性

夏、秋、冬季的降水與春季NDVI空間相關性差異大。夏季降水與春季NDVI相關系數(shù)在空間上呈相反兩個趨勢，中部、北部為正相關，相關系數(shù)主要在0.3～0.6之間，通過了5%顯著水平檢驗。三明、龍巖、寧德、福州等市的相關系數(shù)很小，在-0.2～0.2之間，沒有通過置信檢驗。南部沿海為弱負相關，同樣沒有通過置信檢驗；秋季降水與春季NDVI的相關系數(shù)在西北部為正相關，東南部為負相關，大部分相關性通過了5%顯著水平檢驗；冬季降水與春季NDVI負相關所占比例相對較大，相關系數(shù)主要在-0.4～-0.2，通過了5%顯著水平檢驗，主要位于福建省中北部，南部沿海為弱正相關，沒有通過置信檢驗。這表明西北部春季植被覆蓋度隨夏、秋季降水量增加而升高，同時也說明正相關區(qū)域近10年夏、秋季降水可能對該地區(qū)的春季植被生長變化有一定正面影響。冬季降水對春季NDVI的影響與夏、秋季的影響相反。

5.4.2 春、秋、冬季溫度、降水與夏季植被覆蓋度相關性分析

春、秋、冬季的溫度與夏季NDVI相關系數(shù)大部分為負相關，相關系數(shù)主要在-0.8～-0.6之間，通過了1%顯著水平檢驗，空間上南北呈相反兩個趨勢，負相關區(qū)域主要位于福建省中北部，正相關區(qū)域主要位于漳州及中南部沿海一帶。

春、秋、冬三個季節(jié)的降水與夏季NDVI的空間相關性相差較大。秋季降水與夏季NDVI相關性較好，西北部為正相關，相關系數(shù)主要在0.4～0.8之間，通過了1%顯著水平檢驗。東南部為弱負相關，相關系數(shù)主要在-0.4～-0.2之間，通過了5%顯著水平檢驗；冬季降水與夏季NDVI的相關性最差，沒有通過置信檢驗；春季降水與夏季NDVI負相關所占比例相對較大，主要位于福建省中部，北部和南部為正相關，相關系數(shù)大于0.3，通過了5%顯著水平檢驗。

5.4.3 春、夏、冬季溫度、降水與秋季植被覆蓋度相關性分析

春、夏、冬季三個季節(jié)的溫度與秋季NDVI的相關性相差不大，空間上也無明顯差異。

春、夏、冬季三個季節(jié)的降水與秋季NDVI的空間相關性相差較大。夏季降水與秋季NDVI的相關性最好，福建省內陸地區(qū)為正相關，相關系數(shù)主要在0.4～0.8之間，通過了1%顯著水平檢驗。沿海為負相關；春、冬季降水與秋季NDVI的相關性較差，福建省大部為弱負相關，且大部分相關系數(shù)在-0.2～0.2，沒有通過置信檢驗。

5.4.4 春、夏、秋季溫度、降水與冬季植被覆蓋度相關性分析

春、夏、秋季的溫度與冬季NDVI相關系數(shù)大部分為負相關，相關系數(shù)主要在-0.6～-0.4之間，通過了1%顯著水平檢驗。空間上南北呈相反兩個趨勢，負相關區(qū)域主要位于福建省中北部，正相關區(qū)主要位于漳州及中南部沿海一帶。

春、夏、秋季的降水與冬季NDVI空間相關性相差較大。夏季降水與冬季NDVI的相關性最好，福建省大部地區(qū)為正相關，相關系數(shù)主要在0.4～0.8之間，通過了1%顯著水平檢驗。夏季降水增多對冬季植被的增長有正面影響，南部沿海為負相關；春季降水與秋季NDVI的相關性一般，福建省大部為正相關，相關系數(shù)主要在0.2～0.4之間，通過了5%顯著水平檢驗。龍巖、寧德為負相關；冬季降水與秋季NDVI的相關性最差，大部分相關系數(shù)在-0.2～0.2，沒有通過置信檢驗，表明冬季降水對秋季植被覆蓋度的影響小。

5.5 小結

5.5.1 NDVI指數(shù)與同期氣象因子之間的反饋機制

年平均溫度對年NDVI值的影響較大，相關系數(shù)達0.7，年平均降水量對年NDVI值的影響不顯著，表明溫度對植被覆蓋度的影響比降水對植被覆蓋度的影響大。夏季降水、秋季降水、秋季溫度、冬季溫度與同期NDVI值呈正相關，相關系數(shù)主要在0.4～0.8，通過了1%顯著水平檢驗。夏季、秋季降水量增加可能促進夏秋季植被增長，秋季、冬季溫度升高對該地區(qū)的植被生長變化有一定正面影響。春季溫度、夏季溫度與同期NDVI值呈負相關，相關系數(shù)通過5%置信水平檢驗，春、夏季溫度可能對該地區(qū)的春、夏季植被生長變化有一定負面影響。春季降水、冬季降水與同期NDVI值的相關系數(shù)在-0.2～0.2，沒有通過置信檢驗，表明春季降水、冬季降水對同期植被覆蓋度的影響小。

春、秋季降水與同期植被覆蓋度的相關性有明顯地域差異，春季的相關性分布為中部大部與南北兩端相反，秋季的相關性分布為中北部大部與南部相反，夏、冬季節(jié)相關性無明顯地域差異。春、夏、秋、冬四季的溫度與同期植被覆蓋度相關性均有明顯地域差異，其空間分布特征是中北部大部與中南部沿海地區(qū)的正負相關性相反。

5.5.2 NDVI指數(shù)與不同季節(jié)氣象因子之間的反饋機制

春、夏、冬三季植被覆蓋度與不同季節(jié)的溫度相關性差異不大，福建省大部分為負相關，正相關區(qū)域主要位于漳州及中南部沿海一帶。夏季植被覆蓋度與不同季節(jié)溫度的相關性最好，相關系數(shù)主要位于-0.8～-0.6，通過了1%顯著水平檢驗。這表明夏季植被覆蓋度隨春、秋、冬季溫度升高而減少，同時也說明負相關區(qū)域近10年春、秋、冬季溫度可能對該地區(qū)的夏季植被生長變化有一定負面影響。

夏季降水對春、秋、冬季植被覆蓋度的影響較大，福建省大部為正相關，正相關系數(shù)可達0.6～0.8，通過了1%顯著水平檢驗。夏季降水增多，春、秋、冬三季的植被覆蓋度增大；冬季降水對春、夏、秋季植被覆蓋度的影響最小，相關系數(shù)小于0.4。

6 結論

2008—2017年間，福建省年均NDVI變動幅度在0.662～0.712之間，其中植被覆蓋在2017年達到最大值，NDVI為0.712；植被覆蓋較差的年份出現(xiàn)在2010年和2011年，這兩年的NDVI值均為最低，為0.662。近10年年均植被覆蓋年際變化整體為遞增的趨勢。從空間上看，福建省總體上植被覆蓋度良好，其中武夷山脈和戴云山脈兩大山脈植被覆蓋最好，沿海地區(qū)植被覆蓋較差，其他地區(qū)植被覆蓋度較好。夏季、秋季的NDVI植被覆蓋良好，植被覆蓋度最好的季節(jié)為夏季，最差的季節(jié)為冬季；內陸地區(qū)夏季與冬季兩個季節(jié)的NDVI值變化最大。

年平均溫度與NDVI值的相互關系比年平均降水量與NDVI值的相互關系更好，2011—2017年年平均氣溫與年NDVI值的變化趨勢一致。近10年年平均溫度與年均 NDVI的相關系數(shù)達0.7，在顯著水平5%下，通過顯著性檢驗，年均降水量與年均NDVI的相關系數(shù)只有0.05，沒有通過顯著性檢驗，相對于降水，年平均溫度對年均NDVI的影響更大。

春、夏、秋、冬四季降水與同期NDVI空間相關性的差異大。春季降水相關系數(shù)在空間上呈相反兩個趨勢，中部為負相關，南北兩端為正相關；夏季降水相關系數(shù)大部分為正相關，分布較均勻；秋季降水與NDVI正相關所占比例相對較大。冬季降水與NDVI值的相關性很差，大部分相關系數(shù)在-0.2～0.2之間，沒有通過置信檢驗。秋季降水與同季節(jié)NDVI的相關性最高，其次是夏季，冬季的相關性最差。

春、夏季溫度與秋、冬季溫度和同期NDVI值的相關系數(shù)總體呈相反兩個趨勢，春、夏季溫度與同期NDVI負相關所占比例相對較大。秋、冬季溫度與同期NDVI正相關所占比例相對較大。秋季溫度與同季節(jié)NDVI的相關性最高，其次是夏季，春季的相關性最差。

春、夏、冬三季植被覆蓋度與不同季節(jié)的溫度相關性差異不大，福建省大部分為負相關，正相關區(qū)主要位于漳州及中南部沿海一帶。夏季植被覆蓋度與不同季節(jié)溫度的相關性最好，相關系數(shù)主要位于-0.8～-0.6。夏季降水對春、秋、冬季植被覆蓋度的影響較大，福建省大部為正相關，正相關系數(shù)可達0.6～0.8，夏季降水增多，春、秋、冬三季的植被覆蓋度增大；冬季降水對春、夏、秋季植被覆蓋度的影響最小，相關系數(shù)小于0.4。