劉 煒, 焦樹林, 李銀久, 莫躍爽, 趙宗權(quán), 張 潔, 趙 夢(mèng)

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

氣候，主要包括氣溫和降水[1-3]，是影響植被生長(zhǎng)和分布的關(guān)鍵性條件，它對(duì)植被生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)狀況以及季節(jié)變化。早期研究中關(guān)于北半球高緯度地區(qū)的植被覆蓋增加主要是由氣候變暖引起的[4]，在植被生長(zhǎng)受水分制約的干旱和半干旱地區(qū)，降水量對(duì)植被覆蓋變化起關(guān)鍵作用[5]，國(guó)內(nèi)金凱等[6-7]對(duì)全國(guó)植被覆蓋變化及其歸因進(jìn)行深入研究，結(jié)果表明中國(guó)植被生長(zhǎng)狀況的年際穩(wěn)定性較好，人類活動(dòng)對(duì)中國(guó)植被覆蓋的增加具有積極作用，其貢獻(xiàn)率大于氣候。羅玲等[8]及國(guó)志興等[9]對(duì)東北地區(qū)不同植被類型NDVI與氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明溫度是影響東北森林植被NDVI最主要的氣候因子，不同類型的植被受氣溫影響的差異不大，且同一植被受氣溫影響的程度強(qiáng)于降水。我國(guó)干旱地區(qū)NDVI與降水量的相關(guān)性更顯著，其余大部分地區(qū)NDVI隨著氣溫的升高而增加[10-11]。

喀斯特地區(qū)土層薄、成土慢、土壤保水性差、石山多，植被的生長(zhǎng)受到很大的限制，加上人為破壞，生態(tài)系統(tǒng)很容易發(fā)生逆向演替[12]。為了修復(fù)受喀斯特地貌及人類活動(dòng)等因素造成的植被稀疏、水土流失、基巖裸露、生境破碎等復(fù)雜多樣的喀斯特生態(tài)環(huán)境[13]，貴州省于2000年開展退耕還林還草工程，2004年開始實(shí)施石漠化綜合治理工程，2016年開始實(shí)施濕地保護(hù)等各項(xiàng)生態(tài)工程。楊世凡等[10]對(duì)黔中地區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行研究，結(jié)果表明植被覆蓋景觀的破碎程度逐漸降低，植被覆蓋呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。吳端耀等[14]、彭睿文等[15]及張繼等[16]對(duì)貴州高原的植被覆蓋變化及其與氣溫降水的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，植被NDVI與氣溫的相關(guān)性大于降水。

在全球氣候變暖及生態(tài)工程實(shí)施的背景下，了解植被覆蓋變化在不同時(shí)段與氣候因子關(guān)系的密切程度，對(duì)區(qū)域環(huán)境變化研究，保護(hù)地區(qū)植被，提高植被覆蓋度與生態(tài)系統(tǒng)抵抗力有重要意義[17-18]。因此基于植被指數(shù)(NDVI,Normalized Difference Vegetation Index)數(shù)據(jù)集、氣象數(shù)據(jù)分析貴州省NDVI、氣溫、降水的時(shí)空變化特征；并從定量分析的角度統(tǒng)計(jì)分析植被與氣候因子關(guān)系的密切程度。旨在探討氣候因子及植被的時(shí)空變化特征，并從相關(guān)性的角度出發(fā)，了解氣候因子對(duì)植被覆蓋程度的影響，以期在氣候變化背景下為貴州喀斯特生態(tài)環(huán)境中植被的生態(tài)保護(hù)提供理論參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省(103°36′—109°35′E，24°37′—29°13′N )是以烏蒙山為界的云貴高原東部地區(qū)，森林覆蓋率52%，植被資源豐富，地勢(shì)自西向東、自中部向南部和北部南面傾斜，喀斯特地貌發(fā)育非常典型，平均海拔在1 100 m左右(圖1)。氣候類型復(fù)雜多變，受南亞季風(fēng)影響，干濕季分明，屬典型的低緯高原氣候，溫暖濕潤(rùn)，因云層常年較多，所以日照少，陰天多，雨季明顯，降水充沛，雨熱同期，多集中于夏季；年平均降水量682～1 134 mm，年均氣溫14～16℃。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)(氣溫、降水)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)的1980—2019年日值數(shù)據(jù)集，經(jīng)過氣象站的篩選、異常值處理、采用線性內(nèi)插法并根據(jù)附近年份的數(shù)據(jù)對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。最后，通過對(duì)氣溫逐日數(shù)據(jù)求算術(shù)平均來獲得月、季、年時(shí)間序列數(shù)據(jù)；通過對(duì)降水逐日數(shù)據(jù)求和來獲得月、季、年累積降水量。其中，季節(jié)采用氣象季節(jié)劃分方法，即3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月(翌年)為冬季；年平均值為當(dāng)年12個(gè)月值的算術(shù)平均。植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的月NDVI數(shù)據(jù)集，時(shí)間跨度為1998—2018年。該數(shù)據(jù)集采用國(guó)際通用的最大值合成法(Maximum Value Composite Syntheses′ MVC)處理，由每個(gè)像元NDVI的最大值確定，有利于消除非火山巖氣溶膠、云覆蓋、大氣水汽、太陽(yáng)高度角等的部分干擾。由于缺少2019年1—2月數(shù)據(jù)，文中采用2016—2018年對(duì)應(yīng)月份的NDVI數(shù)據(jù)平均值對(duì)其進(jìn)行插值處理，用以計(jì)算2018年冬季NDVI。

1.3 分析方法

1.3.1 樣條插值法 氣候要素的空間分布特征能反映出研究區(qū)氣候長(zhǎng)期變化的格局狀態(tài)，由于降雨、氣溫?cái)?shù)據(jù)是基于測(cè)站點(diǎn)獲得的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，只有在這些點(diǎn)上才有準(zhǔn)確的值?？紤]各種插值方法的優(yōu)、缺點(diǎn)及適用范圍，結(jié)合前人研究[19-21]，為避免產(chǎn)生極值的現(xiàn)象選用張力樣條插值法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。樣條插值法[22]是使用一種數(shù)學(xué)函數(shù)，對(duì)一些限定的點(diǎn)值，通過控制估計(jì)方差，利用一些特征節(jié)點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合的方法來產(chǎn)生平滑的插值曲線。這種方法適用于逐漸變化的曲面，如溫度、高程、地下水位高度或污染濃度等。樣條插值法分為張力樣條插值法(Spline with tension)和規(guī)則樣條插值法(regularized Spline)；用Ve表示待估計(jì)點(diǎn)的值，則有：

(1)

式中:n為參與插值的臨近點(diǎn)數(shù)；dej為待插值點(diǎn)(xe,ye)與臨近點(diǎn)(xj，yj)之間的距離；Aj，a，b,c都是相應(yīng)的參數(shù)[23-24]。

1.3.2 趨勢(shì)分析方法 變化趨勢(shì)分析是指時(shí)間序列的某一要素(如NDVI、氣溫、降水等)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出的持續(xù)增加或減少的變化分析[25]。采用距平值描述各氣候要素偏離均值的變化情況。在時(shí)間序列的氣候要素中，某一年的要素值與要素的多年平均值之差被定義為要素對(duì)應(yīng)年份的距平值。將氣候要素的距平值計(jì)算出來，得到該要素的距平序列，使得基于新序列的分析結(jié)果更為直觀。距平序列的公式如下：

(2)

(3)

1.3.3 一元線性回歸分析法 采用一元線性回歸分析法分析1980—2019年貴州省的氣候變化特征。首先將氣溫和降水量的距平序列分別與年份進(jìn)行線性擬合，然后將擬合方程的斜率擴(kuò)大10倍，用以表示氣溫和降水的年際傾向率，單位分別為℃/10 a和mm/10 a。同時(shí)為了更好了解貴州省植被覆蓋度的整體差異，采用NDVI年、季平均值[26]進(jìn)行植被覆蓋度的時(shí)空變化分析。通過計(jì)算1998—2018年NDVI的線性趨勢(shì)率(slope)來定量描述不同時(shí)空尺度上的植被覆蓋率；slope為正，代表植被覆蓋度增加，反之減小?；貧w方程斜率的計(jì)算公式為

(4)

式中:slope為某一要素(氣溫、降水或植被NDVI)與時(shí)間變量擬合的一元線性回歸方程的斜率,用以表示該要素的年際變化趨勢(shì);i為時(shí)間變量,等于1到n的整數(shù);n為研究時(shí)段的年數(shù);xi為某一要素在第i年的數(shù)值。

在回歸模型的擬合度中，采用決定系數(shù)R2來判別，其中p<0.05和p<0.01分別表示變化趨勢(shì)顯著和極顯著。計(jì)算公式為：

(5)

1.3.4 相關(guān)性分析 運(yùn)用相關(guān)分析法來研究各要素之間的關(guān)系[27]。采用相關(guān)系數(shù)(r)來描述植被NDVI與氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)之間的相關(guān)程度。r的計(jì)算公式[28]如下：

(6)

表1 相關(guān)系數(shù)等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的時(shí)空變化特征

2.1.1 年尺度空間變化 貴州省1998—2018年平均NDVI的空間分布整體上呈現(xiàn)南高北低、東高西低的分布規(guī)律(圖2)；近21 a來，貴州省平均NDVI值為0.56，植被覆蓋度整體較高。其中，NDVI較低的區(qū)域主要集中在畢節(jié)的西部和貴陽(yáng)市的南部；究其原因，前者是喀斯特石漠化分布相對(duì)集中的地區(qū)，嚴(yán)重的石漠化導(dǎo)致植被稀疏，且區(qū)域坡度較大，地表破碎水土流失較為嚴(yán)重，土層薄、陡坡開墾嚴(yán)重，地表水資源流失嚴(yán)重，人類活動(dòng)影響較大，導(dǎo)致生態(tài)承載力低。而中部的貴陽(yáng)市是人類活動(dòng)較為集中的場(chǎng)所，也是城鎮(zhèn)發(fā)展較快的地區(qū)，使得森林資源遭到損害，從而植被覆蓋度相對(duì)于研究區(qū)其他地方較低。NDVI較高的區(qū)域主要集中在黔東南和銅仁的部分地區(qū)；黔東南區(qū)域原始森林沒有遭到破壞，植被覆蓋度較好；從地貌組成來看，主要是由于黔東南地區(qū)屬于非喀斯特地貌，成土速率快，土層較厚，適宜植被生長(zhǎng)。銅仁喀斯特石漠化分布嚴(yán)重地區(qū)在于石漠化治理成效好，使得植被覆蓋率得到明顯的改善。

圖2 貴州省1998-2018年NDVI空間分布

2.1.2 季尺度空間變化 通過計(jì)算1998—2018年貴州省植被NDVI不同季節(jié)的多年平均值，得到近21 a來各季節(jié)植被覆蓋度空間分布(圖3)。植被NDVI在空間上呈夏>秋>春>冬的特征，其值分別為0.69，0.63，0.52，0.39；黔東南地區(qū)四季均有較高的植被覆蓋，而貴陽(yáng)地區(qū)四季都處于較低的植被覆蓋區(qū)；此外，春、秋季植被NDVI在空間上表現(xiàn)出與年均植被NDVI相似的分布特征；夏季植被NDVI均值在空間上具有整體綠化度延伸擴(kuò)大的特征(圖3B)；秋季植被較春、冬兩季高，但由于植被生長(zhǎng)隨著氣溫、降水氣候因子的變化而逐漸停止生長(zhǎng)，在空間上呈現(xiàn)回落的特征(圖3C)；由于氣溫降低，降水減少，植被進(jìn)入休眠期，NDVI呈減小趨勢(shì)的區(qū)域在冬季明顯多余其他季節(jié)(圖3D)。

圖3 貴州省1998-2018年植被季節(jié)NDVI空間分布

2.1.3 年、季尺度時(shí)間變化 從圖4A可以看出，1998—2018年貴州省植被NDVI年際變化趨勢(shì)呈震蕩上升的趨勢(shì)[30-31]，從1998年的0.49增加到2018年的0.62，年平均最高值出現(xiàn)在2016年(0.64)，最低值出現(xiàn)在1998年(0.49)；植被NDVI的上升速率為6.4×10-3/a(p<0.01)。貴州省自2000年開始實(shí)施退耕還林還草政策，2005年貴州啟動(dòng)“綠色貴州建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃”，近21 a來退耕還林、封山育林等一系列生態(tài)工程建設(shè)成果顯著，植被覆蓋率得以提升。圖4A將貴州省植被NDVI的變化大致分為兩個(gè)階段，即1998—2012年(第一階段)，2013—2018年(第二階段)。在第一階段，植被NDVI表現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，上升速率為4.2×10-3/a，且通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；第二階段植被增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較為快速，上升速率為7.9×10-3/a，但沒有通過顯著性檢驗(yàn)。其中2009—2012年植被NDVI降低明顯可能是由于2008年冰凍雪災(zāi)以及2009年以來連續(xù)3 a均出現(xiàn)西南干旱等極端天氣事件所造成。

在季尺度上對(duì)植被NDVI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖4B)。1998—2018年冬季NDVI值最低，夏季最高，研究區(qū)秋季植被NDVI大于春季；其中2010年秋季NDVI大于夏季，這一年主要受本季度氣候的影響，在兩季降水同時(shí)增加的情況下，2010年的溫度降低是主要原因。從四季植被NDVI的變化趨勢(shì)可以得到，貴州省四季植被NDVI均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中夏季NDVI的變化趨勢(shì)最為明顯，其次是冬季、秋季、春季(5.83×10-3/a，6.09×10-3/a，6.30×10-3/a，7.43×10-3/a)，且均通過了p<0.01的顯著性檢驗(yàn)。

貴州省植被NDVI的年內(nèi)變化趨勢(shì)大體為鐘形或單峰形(圖4C)；年內(nèi)植被NDVI的最低值出現(xiàn)在2月份(0.34)，從3月份開始植被NDVI逐漸增加，至8月份達(dá)到最高(0.73)，隨后又逐漸降低，12月份植被NDVI降至0.47。從植被NDVI的季節(jié)變化來看，夏季是一年內(nèi)NDVI最高的季節(jié)，冬季NDVI最低，年均值大于春冬季均值而小于夏秋季，年均值、春季、夏季、秋季和冬季的植被NDVI分別為0.56，0.52，0.69，0.63,0.39(圖4D)?？傮w而言，貴州省植被NDVI呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。

圖4 貴州省近21 a平均NDVI變化

2.2 氣溫的時(shí)空變化特征

2.2.1 年尺度空間變化 圖5為貴州省1980—2018年年均溫的空間分布，總體來說，各站點(diǎn)平均氣溫為10.9～19.8℃，全省多年平均氣溫為15.7℃。具體而言，貴州省年均溫分布從西北向東部、向南部逐漸升高；呈現(xiàn)“東高西低，南高北低”的空間分布特征。年平均氣溫在空間上最大值與最小值相差11.1℃，年均溫在17.2℃以上的區(qū)域主要集中在省黔西南、黔南的南部邊緣區(qū)域，黔東南及銅仁的東部邊緣；而西北部大部分年均溫低于13.5℃，省內(nèi)其余區(qū)域介于13.5～17.2℃之間。

圖5 1980-2018年貴州省多年平均氣溫空間分布

2.2.2 季尺度空間變化 貴州各季節(jié)平均氣溫的空間分布各異，低溫區(qū)域除春、冬兩季延伸到中部外，大多集中在西北部(圖6)。具體而言，春、冬兩季的空間分布較為相似，最低溫區(qū)均集中在赫章縣及威寧彝族回族苗族自治縣，部分較低溫延伸到了省中部；春季高溫區(qū)主要分布在黔西南東南部、黔南西南部，夏季高溫主要集中在銅仁東部、黔東南東南部，秋冬季最高溫主要集中在黔西南東南部，全省春季、夏季、秋季和冬季的區(qū)域平均氣溫分別為16.0，23.7，16.6，6.7℃。

圖6 貴州近39 a季節(jié)平均氣溫空間分布

2.2.3 年尺度時(shí)間變化 貴州近39 a區(qū)域氣溫呈極顯著增加的趨勢(shì)(p<0.01)，上升速率為0.23℃/10 a(圖7)。此外，1980—1997年為貴州區(qū)域氣候變暖趨緩期，區(qū)域平均氣溫表現(xiàn)為不顯著增加趨勢(shì)，線性上升速率僅為0.02℃/10 a(p>0.1)；1998—2018年為區(qū)域平均氣溫的上升期，其區(qū)域平均氣溫的線性趨勢(shì)率達(dá)0.20℃/10 a(p>0.1)。整體而言，1980年以來貴州氣溫升溫速率明顯加快，與全球和中國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)后表現(xiàn)出的氣溫主要變化特征相一致[32]。

圖7 1980-2018年貴州省年平均氣溫距平

2.2.4 季尺度時(shí)間變化 貴州省各季節(jié)平均氣溫在近39 a來，除夏季是先下降后上升外，其他3個(gè)季節(jié)均呈上升趨勢(shì)，但各季節(jié)平均氣溫的年際變化和升溫速率差異較大。圖8A表明，1980—2018年省春季平均氣溫波動(dòng)較大，整體上呈極顯著上升趨勢(shì)，上升速率為0.38/10 a(p<0.01)。其中，春季氣溫在1980—1996年以-0.21℃/10 a(p>0.1)的下降速率下降；1996—2018年則以不太明顯的上升速率即0.52℃/10 a(p>0.01)上升。相比于其他3個(gè)季節(jié)，夏季平均氣溫的波動(dòng)幅度較大(圖8B)，在1980—2004年和2004—2018年的變化趨勢(shì)差異很大，趨勢(shì)率分別達(dá)-1.16℃/10 a(p<0.01)和1.92℃/10 a(p<0.01)，最低值(2013年)和最高值(2004年)差異達(dá)1.8℃。與春季氣溫的年際變化趨勢(shì)相似，1980—1997年秋季氣溫呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì)(圖8C)。其中，1997年以前氣溫迅速下降，而在1997年以后升溫速率明顯上升。秋季平均氣溫在1980—1997年、1997—2018年和1980—2018年3個(gè)階段的趨勢(shì)率分別為-0.27，0.19，0.19℃/10 a。冬季平均氣溫在近39 a年呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)(圖8D)，但顯著性不高，上升速率為0.22℃/10 a(p>0.1)。

圖8 1980—2018年貴州省平均氣溫距平序列變化

從季節(jié)溫度變化曲線來看(圖8)，四季氣溫均體現(xiàn)出一定的規(guī)律性，除夏季氣溫是先下降后上升外，春、秋和冬季均以不同的上升速率在逐年增溫，春季升溫速率最快，為0.38℃/10 a，冬季次之(0.22℃/10 a)，秋季最慢(0.19℃/10 a)。前人研究表明[33]，南北兩極濤動(dòng)是我國(guó)西南區(qū)域主要影響系統(tǒng)，南北極濤動(dòng)的持續(xù)增強(qiáng)是導(dǎo)致貴州在內(nèi)的整個(gè)西南地區(qū)冬季氣溫偏高的重要原因之一；另一方面是季風(fēng)與地理區(qū)位的共同作用，近幾十年由于孟加拉灣季風(fēng)結(jié)束偏早，我國(guó)西南及周邊地區(qū)秋季降水呈減少趨勢(shì)，干旱增多，土壤濕度降低，從而通過能量與物質(zhì)或者水汽的交換過程，導(dǎo)致地表在接收太陽(yáng)輻射后升溫加快[34-35]。

2.3 降水的時(shí)空變化特征

2.3.1 年尺度空間變化 基于1980—2018年的累計(jì)降水量空間插值圖，計(jì)算得到貴州省年累積降水量約為1 121 mm(圖9)。年累計(jì)降水量地域差異明顯，從北至南、從西到東方向呈條帶狀增加，其在空間上的差異最大可達(dá)566 mm；整體表現(xiàn)為西北部降水較少，南部降水較多的空間分布格局；這種空間分布格局可能是受地形及典型亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，由東南向西北推進(jìn)，夏季東南季風(fēng)受阻，使降水主要集中在貴州地區(qū)的南部。其中，畢節(jié)地區(qū)屬于少雨區(qū)，多年累積降雨量均少965 mm；黔西南、安順、六盤水西南部及黔南東南部同為多雨區(qū)，盤縣、銅仁、安順、興仁、望謨、獨(dú)山及榕江等氣象站降水量均超過1 200 mm，尤其是盤縣，降水量高達(dá)1 318.0 mm，是貴州省降水最充沛的地區(qū)。

圖9 1980-2018年貴州省多年累計(jì)降水量空間分布

2.3.2 季尺度空間變化 從貴州省四季累積降水量空間分布圖(圖10)可以看出，降水量遵循夏季>春季>秋季>冬季的季節(jié)性變化規(guī)律；其中，春季降水量較為匱乏，大部分地區(qū)的降水量均低于300 mm，但省東部地區(qū)的銅仁、黔東南、黔南等地區(qū)降水量均在300 mm以上，形成以威寧站點(diǎn)為降水中心，呈環(huán)狀向外幅散增加的空間格局，且一直延伸到以榕江、銅仁為中心的東部地區(qū)。夏季降水以省東北部地區(qū)降水較少，西南部地區(qū)降水較多為主；其中畢節(jié)及黔東南地區(qū)降水量最少，黔東南地區(qū)形成以三穗站點(diǎn)為中心向外擴(kuò)散降水量逐漸增加的條帶狀。秋季降水的空間分異較其他3個(gè)季節(jié)來說最大，省西南部降水較多，西北部降水最少；冬季降水空間分布與春季相似，由西部向東部成條帶狀增加的格局，其中，銅仁站點(diǎn)的降水量最多，為111.9 mm，威寧站點(diǎn)降水最少為28.3 mm。

圖10 貴州省1980-2018年季節(jié)累計(jì)降水量空間分布

2.3.3 年尺度時(shí)間變化 圖11表明，年累計(jì)降水量在1997年以前以37.47 mm/10 a(p>0.1)的上升速率增加，1997年以后呈不顯著減少趨勢(shì)，下降速率為-17.72 mm/10 a(p>0.1)；近39 a來整體變化呈不顯著的下降趨勢(shì)，下降速率為-10.71 mm/10 a(p>0.1)。年累計(jì)降水量在2011年達(dá)到最低，其數(shù)值比39 a來的平均值低307.7 mm；1989年、2009年、2013年的累計(jì)降水量也相對(duì)較少。而最高值出現(xiàn)在1997年，比39 a來的平均值高170 mm；近39 a來，年累計(jì)降水量的波動(dòng)幅度為477.7 mm，波動(dòng)幅度很大。

圖11 1980-2018年貴州年累計(jì)降水量距平序列變化趨勢(shì)

2.3.4 季尺度時(shí)間變化 圖12為1980—2018年貴州省季節(jié)累計(jì)降水量的距平序列變化。總體上，貴州4個(gè)季節(jié)的累計(jì)降水量在近39 a來的變化趨勢(shì)均不顯著，其中春季呈微弱增加趨勢(shì)，上升速率為2.39 mm/10 a，而夏季、秋季和冬季呈微弱減少趨勢(shì)，下降速率分別為-6.99 mm/10 a，-2.93 mm/10 a和-2.52 mm/10 a。此外，春季累計(jì)降水量在2011年達(dá)到最低，其數(shù)值比近39 a來的平均值低121.2 mm；而最高值出現(xiàn)在2016年，其數(shù)值比近39 a來的平均值高101.6 mm?？梢?，近39 a來春季累計(jì)降水量的波動(dòng)很大，振幅為222.7 mm(圖12A)。夏季累計(jì)降水量在1999年以前呈不顯著的增加趨勢(shì)，上升速率為66.34 mm/10 a(p>0.1)；在1999年以后呈不顯著的減少趨勢(shì)，下降速率為-24.41 mm/10 a(p>0.1)；近34 a的變化趨勢(shì)也不顯著(圖12B)。夏季累計(jì)降水量在2013年達(dá)到最低，其數(shù)值比近39 a來的平均值低214.5 mm；而最高值出現(xiàn)在1999年，比近39 a來的平均值高167.1 mm；近39 a來夏季累計(jì)降水量的波動(dòng)幅度約為381.6 mm。

圖12 1980-2018年貴州省累計(jì)降水距平序列變化

貴州省秋季累計(jì)降水量波動(dòng)幅度也較大，但整體變化趨勢(shì)不顯著，下降速率僅為-2.93 mm/10 a(p>0.1)。近39 a來最小值出現(xiàn)在2009年，其累計(jì)降水量比多年累計(jì)降水量少106 mm；而最高值出現(xiàn)在1994年，比近39 a來的平均值高141.4 mm；近39 a來秋季的波動(dòng)幅度為247.4 mm(圖12C)。冬季累計(jì)降水量在1994年以前呈不顯著的增加趨勢(shì)，上升速率為10.89 mm/10 a(p>0.1)，1994年以后以更為弱的趨勢(shì)率增加，上升速率為1.61 mm/10 a(p>0.1)；近39 a來的波動(dòng)幅度較小，振幅為150.5 mm(圖12D)。

2.4 氣溫、降水對(duì)NDVI的影響

2.4.1 區(qū)域尺度NDVI年際變化與氣候的關(guān)系 省尺度上，1998—2018年，年、春、夏、秋和冬4個(gè)季節(jié)NDVI年際變化與平均氣溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，其中冬季及年際NDVI與氣溫的相關(guān)性最高，夏季NDVI與平均氣溫的相關(guān)性最低；各季節(jié)及年際NDVI與累積降水量呈顯著的相關(guān)關(guān)系((p<0.01))，其中在夏、秋季，植被NDVI與累積降水量的r呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是在秋季，植被NDVI與累積降水量的r接近于0(表2)?？梢?，近21 a來貴州省植被NDVI的顯著增加與氣候暖化關(guān)系密切(r=0.44)，但與降水量變化關(guān)系較弱(r=0.31)。整體分析得出貴州省植被的生長(zhǎng)在不同季節(jié)對(duì)水熱條件變化的敏感性不同，夏、秋季與氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負(fù)相關(guān)，說明夏、秋季氣溫的升高或者降水的降低有利于植被生長(zhǎng)。究其原因，可能與貴州喀斯特地表具有獨(dú)特的地貌類型、地下具有特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成了地表與地下雙重儲(chǔ)水空間，降水充足，植被更依賴于氣溫變化有關(guān)。

表2 1998-2018年貴州省年季NDVI與氣溫、降水的相關(guān)系數(shù)

2.4.2 像元尺度NDVI季節(jié)變化與氣候的關(guān)系 圖13A表明，貴州省多數(shù)地區(qū)1998—2018年的春季NDVI與平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，r大于0的像元數(shù)量約占總數(shù)的98.37%，其中r大于0.67的像元占97.34%；植被NDVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)的像元約占1.63%，主要分布在安順北部以及黔西南的部分地區(qū)。圖13B表明，春季NDVI與降水量呈正相關(guān)關(guān)系的像元占像元總數(shù)的97.94%，但相關(guān)系數(shù)在0.114～0.220的像元居多，占60.29%；與降水呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的像元數(shù)占2.06%，主要分布于安順北部及黔西南的部分地區(qū)。究其原因，安順市是貴州典型石漠化地區(qū)，其中紫云縣及鎮(zhèn)寧縣近幾年生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施得到見效，植被恢復(fù)較好，r值較大；西秀區(qū)—普定縣—平壩縣沿線一帶及其周邊地區(qū)，與植被覆蓋顯著增加的紫云縣和鎮(zhèn)寧縣相比，該區(qū)域由于是城鎮(zhèn)、人口和交通道路網(wǎng)密集區(qū)，植被變化受人為負(fù)向干擾活動(dòng)的影響較大[36]，導(dǎo)致該區(qū)域的石漠化治理措施收效不明顯；黔西南地區(qū)也是由于石漠化現(xiàn)象導(dǎo)致此結(jié)果?？梢娰F州省春季大部分地區(qū)NDVI主要受氣溫變化的影響，其中在安順北部及黔西南部分地區(qū)，受石漠化及人類活動(dòng)干擾，植被NDVI與氣溫、降水均呈負(fù)相關(guān)。

圖13 1998-2018年貴州省春季NDVI與平均氣溫以及累積降水量相關(guān)系數(shù)空間分布

貴州省1998—2018年夏季NDVI與多年平均氣溫具有較高的相關(guān)性，其中呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的像元數(shù)量分別占像元總數(shù)的98.45%和1.55%(圖14A)。圖14B表明，夏季NDVI與降水量呈負(fù)相關(guān)的像元數(shù)占絕大部分，但相關(guān)性較弱；僅有1.32%的像元呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)很小，在0.082以上的像元數(shù)僅占0.01%；可見，貴州省夏季NDVI的年際變化主要受氣溫的影響，受降水量影響的地區(qū)很少且相關(guān)性自西北向東南逐漸減弱。究其原因，可能是貴州降水充足，夏季正值植被生長(zhǎng)季，需要充足的陽(yáng)光及熱量，進(jìn)行光合作用，以供植被生長(zhǎng)所需。

圖14 1998-2018年貴州省夏季NDVI與平均氣溫以及累積降水量相關(guān)系數(shù)空間分布

圖15A表明，貴州省秋季幾乎全部的地區(qū)NDVI與氣溫都呈正相關(guān)關(guān)系，只有0.08%的像元呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖15B表明，秋季NDVI與降水呈正相關(guān)關(guān)系的像元占比約為99.81%，只有0.19%的像元呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)大于0.197的像元僅占13.68%；在空間分布上，秋季NDVI與降水量呈自西向東逐漸減弱的趨勢(shì)。整體分析得出，秋季植被NDVI生長(zhǎng)更依賴于氣溫，與降水的相關(guān)性弱，但更有層次性。

圖15 1998-2018年貴州省秋季NDVI與平均氣溫以及累積降水量相關(guān)系數(shù)空間分布

由圖16A可知，冬季NDVI與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r值從省西南部向東北部遞減，呈強(qiáng)相關(guān)(r>0.6)的像元約占5.95%，相關(guān)性空間分異比其他季節(jié)大。圖16B表明，研究區(qū)范圍內(nèi)，冬季植被NDVI與降水均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)的像元數(shù)占87.24%。猜測(cè)，可能是由于冬季溫度降低，植被生長(zhǎng)需要一定的光和熱，隨著氣溫的降低，植被停止生長(zhǎng)。可見，貴州省冬季NDVI受氣溫的影響范圍更廣，冬季降水對(duì)植被的生長(zhǎng)起到延緩甚至是抑制作用。

圖16 1998-2018年貴州省冬季NDVI與平均氣溫以及累積降水量相關(guān)系數(shù)空間分布

圖17表明，貴州省不同季節(jié)的相關(guān)系數(shù)隨氣溫的變化存在較大的差異。隨春季氣溫的升高，除在15℃左右時(shí)，相關(guān)系數(shù)約為0.78外，相關(guān)系數(shù)r基本保持在0.90以上。由于植物屬于變溫類型，植物體溫度通常接近氣溫，并隨環(huán)境溫度的變化而變化，并有一定的滯后效應(yīng)，在15℃左右時(shí)，相關(guān)系數(shù)降低，猜測(cè)是由于春季氣溫升高，致使部分植被死亡或者枯萎造成。夏季相關(guān)系數(shù)r隨著平均氣溫的升高而增強(qiáng)，在18℃左右時(shí)達(dá)到最高，隨后開始減低到0.80左右保持不變，表明夏季NDVI對(duì)18℃氣溫最為敏感。猜測(cè)18℃時(shí)，植物葉綠體中的酶活性最高，光合最強(qiáng)，此后溫度過高，植被氣孔關(guān)閉，使得植被生長(zhǎng)減緩，相關(guān)系數(shù)減低。秋季相關(guān)系數(shù)r隨平均氣溫的升高呈線性減小趨勢(shì)，主要是因?yàn)榍锬┑蜏貤l件下落葉，植被即將進(jìn)入休眠期，因此相關(guān)系數(shù)降低。冬季NDVI與平均氣溫的相關(guān)性先隨氣溫的升高而降低，約在6.5℃以后，隨著氣溫的升高而增強(qiáng)，約在11℃以后，相關(guān)性不再隨著氣溫的升高而增強(qiáng)。冬季出現(xiàn)相關(guān)系數(shù)隨著氣溫的升高先降低再升高，可能是因?yàn)槎局脖婚_始受到凍害，部分植被死亡，相關(guān)性降低，后期植被長(zhǎng)期受到低溫影響后，產(chǎn)生生態(tài)適應(yīng)，比如在芽和葉的表面生成鱗片以及油脂等物質(zhì)保護(hù)，從而后期相關(guān)性開始提高。

圖17 1998-2018年貴州省NDVI與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)隨氣溫的變化

圖18 1998-2018年貴州省NDVI與累積降水量的相關(guān)系數(shù)隨降水量的變化

圖18表明，四季中，省植被NDVI與降水的相關(guān)性都較低，其中春季日照較少，植被生長(zhǎng)還未開始，降水增多對(duì)植被起抑制作用，相關(guān)系數(shù)r隨降水量的增加呈減小趨勢(shì)。夏、秋兩季r隨累積降水量的增加而逐漸減弱，夏季在585 mm左右最弱，秋季在217 mm敏感性最弱，之后均隨累積降水量的增加而逐漸增強(qiáng)。冬季NDVI對(duì)降水的敏感性呈負(fù)相關(guān)的下降趨勢(shì)，可能是由于冬季植被葉片老化，氣溫降低，植被進(jìn)入休眠期，對(duì)降水量的需求減少?？傮w來說，貴州省年累積降水量約1 000 mm左右，屬于降水充沛區(qū)，所以對(duì)降水的敏感性較低，植被NDVI對(duì)降水的敏感性呈春季>秋季>夏季>冬季規(guī)律。

3 討論與結(jié)論

(1) 近21 a，年均植被NDVI值為0.56，植被覆蓋度整體較高；年內(nèi)變化趨勢(shì)大體為鐘形或單峰形，NDVI年際變化呈震蕩上升的趨勢(shì)，空間上呈現(xiàn)南高北低、東高西低的分布規(guī)律，四季平均NDVI均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；

(2) 近39 a，全省年平均氣溫為15.7℃，呈“東高西低，南高北低”的空間分布特征；區(qū)域氣溫呈極顯著增加的趨勢(shì)。四季氣溫除夏季氣溫是先下降后上升外，春、秋和冬季均以不同的上升速率在逐年增溫，春季升溫速率最快，秋季最慢。

(3) 近39 a，年累計(jì)降水量空間上整體表現(xiàn)為從北至南、從西到東呈條帶狀增加，其在空間上的差異最大可達(dá)566 mm；整體以-10.71 mm/10 a(p>0.1)的下降速率減少；其中春季呈微弱增加趨勢(shì)，而夏季、秋季和冬季呈微弱減少趨勢(shì)。

(4) 近21 a來，貴州省植被NDVI的顯著增加與氣候暖化關(guān)系密切，但與降水量變化關(guān)系較弱。夏、秋季與氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負(fù)相關(guān)，說明夏、秋季氣溫的升高或者降水的降低有利于植被生長(zhǎng)。

(5) 四季中植被NDVI除冬季約在6.5℃時(shí)敏感性最弱約為0.20，其余季節(jié)對(duì)溫度敏感性不明顯；對(duì)降水的敏感性各個(gè)季節(jié)均有差異，其中冬季的抑制作用最為明顯，r值約為-0.80。

貴州自2000年開始實(shí)施退耕還林還草政策到2005年啟動(dòng)“綠色貴州建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃”，退耕還林、封山育林等一系列生態(tài)工程建設(shè)成果顯著，植被覆蓋率得以提升，植被NDVI整體逐漸改善。文中僅利用氣候因子來分析植被覆蓋的時(shí)空變化，并沒有考慮其他因素。NDVI是表征陸地表層植被生長(zhǎng)狀況質(zhì)量的函數(shù)指標(biāo)，生長(zhǎng)狀況的好壞不僅受到干旱氣象因子的影響，并且還會(huì)受到其他人類活動(dòng)以及自然因素(地形變化、火災(zāi)等)的影響。此外，在不同植被類型、不同的地理環(huán)境，使植被生長(zhǎng)對(duì)氣候條件的響應(yīng)的差異性也很大。因此，不同植被類型、不同地形、海拔以及人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和敏感性還需要進(jìn)一步討論與探索。