西南巖溶區NDVI時空變化及其與氣候因子的關系

靖娟利,王永鋒

(1.桂林理工大學 測繪地理信息學院,廣西 桂林 541004; 2.廣西空間信息與測繪重點實驗室,廣西 桂林 541004)

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西南巖溶區NDVI時空變化及其與氣候因子的關系

靖娟利1,2,王永鋒1,2

(1.桂林理工大學 測繪地理信息學院,廣西 桂林 541004; 2.廣西空間信息與測繪重點實驗室,廣西 桂林 541004)

利用1998—2012年SPOT NDVI數據和氣象站點的溫度和降水數據，采用趨勢分析和相關分析法，研究了我國西南巖溶區NDVI時空變化特征，并分析了NDVI與氣候因子的關系。結果表明：(1)近15年來，西南巖溶區NDVI變化整體呈顯著增加趨勢，增速為0.052/10 a，9月份NDVI達到最大值，2月份降到最小值；NDVI增加的區域占97.13%，其中顯著增加(p<0.05)的區域占17.60%，減少區域占2.87%，顯著減少(p<0.05)占0.35%。(2)從年際變化來看，NDVI與溫度和降水量的相關系數各異，其中42.75%的地區NDVI與溫度呈正相關，57.25%區域呈負相關；20.15%的地區NDVI與降水量呈正相關，而79.85%區域呈負相關，說明溫度對研究區植被生長的影響大于降水量。(3)從年內變化來看，NDVI與當月溫度和降水量的相關系數高于年際，91.62%的NDVI與當月溫度呈正相關性，其中顯著正相關(p<0.05)約占75.94%；94.29%的NDVI與當月降水量呈正相關，其中顯著正相關(p<0.05)約占51.05%；表明水熱因子的季節變化對植被生長影響更大。NDVI受前1個月溫度和前2個月降水量的影響最顯著，表現出明顯的滯后效應。

西南巖溶區; NDVI; 氣候因子; 相關分析

植被是生態系統中聯結土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶[1]，在全球變化研究中充當“指示器”作用[2]。植被變化是地球內部(土壤母質、類型等)和外部(氣溫、降水、人類活動等)共同作用的結果[3]，植被動態變化監測及其與氣候因子關系已成為全球變化研究的一個重要領域[4]。隨著遙感對地觀測技術的發展，遙感數據由于其在時間序列和空間序列上都具有相對連續性，被證明是研究氣候變化與植被關系的有效數據源之一。歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態系統參數的變化[5]，已被國內外眾多學者用于研究不同尺度的植被覆蓋時空變化及其與氣候因子的關系[6-12]，我國巖溶區也受到學者的關注[13-14]。

中國西南巖溶區處于東亞巖溶區域中心，是世界上最大的喀斯特連續帶，該區地質環境脆弱性大、敏感度高，石漠化問題突出、自然災害頻繁發生，嚴重危及長江及珠江中下游地區生態安全。為了控制石漠化的擴展，1998年以來國家及地方政府實施退耕還林、還草政策。為評價西南巖溶區生態恢復效果，本文運用1998—2012年連續15 a的SPOT NDVI數據，研究NDVI的時空變化特征，分析NDVI與氣候因子的關系。

1　研究區概況

中國西南巖溶區集中分布在以貴州為中心的滇黔桂湘鄂川渝地區，地理位置為東經97°21′—117°20′，北緯20°12′—34°19′，面積約54萬km2，占全國巖溶面積的15.97%[15]。該地區居住著48個少數民族，總人口超過1億，是我國南方的主要貧困地區[16]。地處中國地貌單元的第二級臺階區，地勢西高東低；地貌類型復雜，發育多種巖溶地貌。屬于熱帶、亞熱帶季風氣候區，降雨量季節和區域差異明顯。多年平均降水量520～1 960 mm，多年平均氣溫4.3～23.4℃，大致都是由東南向西北遞減。地帶性土壤主要有紅壤和黃壤。研究區內碳酸鹽巖大面積出露，各種石灰土分布廣泛。地帶性植被為亞熱帶、熱帶常綠闊葉林。區內生物、礦產、水能、旅游資源豐富，但生態環境脆弱、人地矛盾尖銳。

2　數據與方法

2.1數據來源與預處理

遙感數據采用1998年4月—2012年12月的SPOT VGT NDVI數據，來源于http:∥free.vgt.vito.be/，空間分辨率為1 km，時間分辨率為逐旬。該數據已被廣泛用于植被和生態環境的相關研究，并取得了很好的效果。基于ArcGIS 10.2軟件平臺，利用公式NDVI=DN×0.004～0.1將原柵格DN數據進行NDVI真值恢復[17]。同時，采用最大值合成法[18-19](Maximum Value Composites，MVC)對年中各旬數據取最大值，得到研究區各月NDVI值和年NDVI序列數據，進一步消除云、大氣、太陽高度角等因素的部分干擾。以西南巖溶區范圍對NDVI數據進行裁剪，獲取研究區1998年4月—2012年12月共177個月1 km分辨率的NDVI數據集。

氣象數據為1998—2012年西南巖溶區及周邊地區內的164個站點的月平均氣溫和降水資料，其中研究區內的站點數為78個，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網http:∥cdc.cma.gov.cn。對收集到月平均氣溫和降水資料，在Excel軟件中統計為年平均氣溫和年降水量，在ArcGIS 10.2中采用普通克里格法進行空間插值，生成與NDVI數據具有相同空間參考及尺度的柵格氣象數據。

2.2研究方法

采用趨勢分析法[20]模擬1998—2012年研究區NDVI的變化趨勢，并對變化趨勢的顯著性進行F檢驗。根據NDVI變化趨勢的斜率slope值和F檢驗結果將NDVI變化趨勢分為以下4種變化等級：顯著減少(slope<0，p<0.05)、不顯著減少(slope<0，p>0.05)、不顯著增加(slope>0，p>0.05)、顯著增加(slope>0，p<0.05)。

基于相關分析法研究NDVI變化與氣候因子的相關性。分別基于年尺度和月尺度計算NDVI與溫度和降水量的相關系數，并研究NDVI對氣候因子的滯后效應，分別計算NDVI與前1個月、前2個月、前3個月氣溫、降水量的相關系數。

3　結果與分析

3.1NDVI時間變化特征

將年NDVI數據取像元平均值，并制作NDVI年際變化曲線圖(圖1A)，可以反映當年植被的總體狀態。從圖1A可見，1998—2012年西南巖溶區NDVI總體呈增加趨勢，增加速率為0.052/10 a，NDVI與年份的相關系數0.93，通過p<0.01顯著性檢驗，表明研究區植被覆蓋逐步得到改善，且變好趨勢顯著。研究時段內，研究區NDVI在0.698～0.771波動變化，具有明顯的階段性。1998—2002年NDVI從0.698波動增長到0.711；2002—2004年，NDVI從0.711快速增加到0.752，增幅達0.041，占總體增加幅度的56.16%；2005—2012年，NDVI從0.746波動增加到0.771。

對月NDVI均值進行統計分析發現(圖1B)，月NDVI均值季節變化比較明顯，其值在0.362～0.572波動，最小值出現在2月，然后逐漸升高，從3月份開始迅速上升，到9月份達到最大值，此后迅速回落，直至最小值。

圖1　西南巖溶區NDVI年際變化趨勢、月變化趨勢

3.2NDVI空間演變特征

基于西南巖溶區1998—2012年的NDVI數據，采用趨勢分析法研究了NDVI時空演變特征，并結合F顯著性檢驗結果，將NDVI變化分為4個級別(表1)。結合表1和圖2可以看出，西南巖溶區近15年NDVI整體得到改善，局部地區惡化，空間差異明顯。NDVI增加(slope>0)的區域占總面積的97.13%，其中不顯著增加(p>0.05)占79.53%，顯著增加(p<0.05)占17.60%，主要分布在四川南部、云南西部、湖南西北部和貴州、廣西、重慶、廣東大部分地區。NDVI改善區域中坡度>25°的區域占21.31%，15°～25°的區域占26.87%，8°～15°的區域占24.67%，<8°的區域占27.15%。這間接反映了國家及地方退耕還林(草)工程取得的成效。NDVI減少(slope<0)的區域占總面積的2.87%，其中不顯著減少(p>0.05)占2.52%，顯著減少(p<0.05)占0.35%，主要分布在四川西部和北部、貴州中部、云南東部、廣西和湖南等市(縣)轄區，這與近年的城市化建設有一定關系。上述分析結果表明，近15年研究區植被覆蓋發展良好，改善區域大于退化區域，生態環境得到顯著改善，石漠化擴張趨勢得到有效控制。

表1　西南巖溶區NDVI變化趨勢

為了進一步分析西南巖溶區近15年NDVI的動態變化特征，將2012年NDVI值減去1998年NDVI值，除以1998年NDVI值，得到1998—2012年研究區內每個像元NDVI值的動態變化率。統計結果表明，15年間NDVI變化率均值為0.113/a，占總面積94.36%的區域NDVI的變化率為正，主要分布在貴州、廣西、云南、湖北等地；僅有5.64%區域NDVI變化率為負，在研究區各地均有零星分布。NDVI動態變化率空間分布基本與年際變化趨勢一致，進一步說明1998—2012年西南巖溶區NDVI整體呈增加趨勢。

圖2　西南巖溶區NDVI變化空間分布格局

3.3NDVI與溫度、降水量的年際關系

1998—2012年，西南巖溶區年均溫度呈不顯著降低趨勢(R=0.19，n=15，p>0.05)，平均下降速率約為0.143℃/10 a(圖3A)；15年間NDVI與溫度在年際尺度上的正相關性和負相關性并存(圖4A)。正相關占整個研究區的42.75%，其中主要表現為不顯著正相關(p>0.05)，約占39.73%，達到顯著正相關(p<0.05)的面積約占2.23%，達到極顯著正相關(p<0.01)的面積僅占0.79%；主要分布在云南大部分地區、四川南部、重慶東部、廣西東部和西部、湖北西部、湖南中部地區。這些地區主要分布高原草甸、灌叢、農業植被，溫度的升高可以促進植被的光合作用，延長植被的生長季。NDVI與溫度呈負相關的地區占57.25%，主要表現為不顯著負相關(p>0.05)約占54.02%；顯著負相關(p<0.05)約占2.69%，極顯著負相關(p<0.01)約占2.69%；主要分布在貴州大部分地區、廣西北部、廣東、四川中部和北部、重慶東南部、湖北中部和西南部、湖南西南部。這是因為碳酸鹽巖分布區地表土壤瘠薄、基巖大面積裸露，加之地表地下具有雙層結構，滲漏嚴重，保水能力差，氣溫的升高會增大該區的地表蒸發量，因而對植被的生長有抑制作用。

1998—2012年，西南巖溶區年降水量呈顯著減少趨勢(R=0.55，n=15，p<0.05)，平均減少速率約為13.155 mm/a(圖3B)，NDVI與年降水量總體呈負相關(圖4B)，約占79.85%，其中不顯著負相關(p>0.05)占70.83%，顯著負相關(p<0.05)占6.62%，極顯著負相關(p<0.01)占2.40%。NDVI與年降水量呈負相關的區域在研究區廣泛分布，主要因為這些地區處于熱帶、亞熱帶，降雨豐沛，雨天的增加會減弱植被的光合作用，抑制植被生長。NDVI與年降水量呈正相關的區域占20.15%，其中不顯著正相關(p>0.05)的區域占19.69%，達到顯著正相關(p<0.05)的面積占0.37%，達到極顯著正相關(p<0.01)的面積僅占0.09%。在研究區各地均有零星分布，這些地區主要分布高寒草地、灌叢，農業植被、降水量的增加可減緩水分對植被生長的限制。

從整個研究區域來看，溫度和降水量的微弱變化并沒有影響植被覆蓋的減少，說明短期內氣候因子的變化對植被覆蓋變化影響不顯著。

圖3　西南巖溶區年均溫度、年降水量變化趨勢

圖4　西南巖溶區NDVI與溫度(A)、降水量(B)相關系數空間分布

3.4NDVI與溫度、降水量的年內關系

分析NDVI對溫度和降水量的年內時間響應特征，有利于進一步認識植被與氣候因子之間的關系。根據1998—2012年西南巖溶區NDVI和溫度、降水量不同月份的多年平均值，計算NDVI與前0～3個月溫度、降水量的相關系數(圖5—6)。

NDVI與當月氣溫的相關系數為0.67(p<0.05)，高于年水平(圖5A)。統計分析表明，91.62%的NDVI與當月溫度呈正相關性，其中通過p<0.05和p<0.01檢驗的面積比重分別為9.89%和66.05%，這說明植被生長受年內月溫度變化的影響較顯著。NDVI與前0～3個月溫度的相關系數均值分別為0.67，0.81，0.72，0.43，與前1個月溫度的相關系數最大，具有明顯的滯后效應。進一步統計發現，NDVI與前1～3個月溫度呈正相關的面積分別為96.90%，99.17%和98.85%，其中通過p<0.01檢驗的面積比重分別為82.23%，55.15%和19.64%。因此，植被生長受前1個月熱量條件影響最明顯。

NDVI與當月降水量的相關系數為0.55(p<0.05)，高于年水平(圖6A)，94.29%的NDVI與當月降水量呈正相關，其中通過p<0.05和p<0.01檢驗的面積分別為13.46%和37.59%。NDVI與前1～3個月降水量的相關系數均值分別為0.75，0.75，0.56，表現出明顯的滯后效應。進一步統計發現，NDVI與前1～3個月降水量呈正相關的面積分別為97.63%，99.37%和99.61%，其中通過p<0.01檢驗的面積分別為72.41%，70.16%和27.17%。整體而言，植被生長受前2個月降水量的影響較大。

比較NDVI與溫度的相關系數和與同期降水量的相關系數發現，在前0～1個月，NDVI與溫度的相關系數大于與同期降水量的相關系數，而前2～3個月，情況正好相反，這說明對整個西南巖溶區而言，NDVI對溫度變化的響應程度較為顯著，但時間較短，而對降水量變化的響應相對不顯著，但持續的時間較長。

圖5　西南巖溶區月NDVI與當月、前1個月、前2個月和前3個月溫度相關系數空間分布

圖6　西南巖溶區月NDVI與當月、前1個月、前2個月和前3個月降水量相關系數空間分布

4　結 論

1998—2012年西南巖溶區NDVI總體呈增加趨勢(R2=0.871 2)，增速為0.052/10 a，通過p<0.01顯著性檢驗。研究時段內，植被覆蓋恢復顯著，占總面積97.13%的地區NDVI得到改善，集中分布在貴州、廣西和云南等地區；退化區域占總面積的2.87%，主要分布在貴州、云南、四川、廣西和湖南等市(縣)轄區。NDVI動態變化率空間分布與年際變化趨勢基本一致。

從年際尺度來看，NDVI對溫度和降水因子響應具有明顯的空間異質性，溫度對植被生長的影響較降水量大。從月季尺度看，NDVI與溫度、降水量月相關性高于年際水平，表明植被生長受水熱因子的季節變化影響更大。NDVI受溫度的影響較降雨量大，NDVI受前1個月熱量條件的影響最顯著，受前2個月的降水量的影響最大，并表現出明顯的滯后效應。

植被覆蓋變化是自然與人類活動綜合作用的結果。近15年來西南巖溶區溫度和降水量總體呈下降趨勢，而植被覆蓋呈顯著增加趨勢，說明在短時間內氣候因素對植被覆蓋的影響不大，而人類活動可能是影響植被覆蓋變化的主要原因。這進一步說明近年來國家及地方政府實施的退耕還林還草、封山育林等一系列生態恢復工程取得了顯著成效。在本研究中，只分析了NDVI變化對氣候變化的響應，沒有考慮人類活動、地形地貌、地質因素等對其變化的影響。因此，進一步研究NDVI與人類活動等因子耦合關系，這對深入認識西南巖溶區植被覆蓋的空間格局及過程具有重要意義。

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Spatial and Temporal Variation of NDVI and Its Relations with Climate Factors in the Southwest Karst Area

JING Juanli1,2,WANG Yongfeng1,2

(1.College of Geomatics and Geoinformation,Guilin University of Technology,Guilin,Guangxi 541004, China; 2.Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics,Guilin,Guangxi 541004,China)

The spatial and temporal variation of NDVI and its relationship with climate factors in the southwest karst area of China during the period from 1998 to 2012 have been examined based on SPOT NDVI data and temperature/precipitation data from meteorological stations by using linear regression and correlation analysis.The results showed that: (1)during the past 15 years,NDVI overall increased significantly and with the growth rate of 0.052 per decade,maximum NDVI appeared in September and minimum in February,areas with NDVI increase accounted for 97.13% and about 17.60% of area increased significantly (p<0.05),the degraded areas accounted for 2.87% and with 0.35% passing p<0.05 significance test; (2)at the annual scale,correlations between NDVI and temperature/precipitation had the distinct spatial difference in the southwest karst area of China,the correlation of NDVI with temperature was positive in 42.75% of the total area,and negative in the rest area,while its correlation with precipitation was positive in 20.15% of the study area,and negative for the rest area,above analysis indicated that temperature affected growth more significantly than precipitation; (3)the correlations between NDVI and temperature/precipitation at the monthly scale were higher than the annual scale,the area with positive correlation between NDVI and temperature accounted for 91.62% of the total area,and area with significant positive correlation (p<0.05)accounted for 75.94% of the total area; 94.29% of NDVI was positively related with month precipitation,and significantly positive correlation (p<0.05)accounted for about 51.05%.The statistics reflected that the vegetation growth was mainly affected by the seasonal variation of hydro-thermal factors.NDVI was significantly affected by the preceding one month′s temperature and the preceding two months′ precipitation,and there was obvious lag-effect.

southwest karst area; NDVI; climate factor; correlation analysis

2015-08-18

2015-10-09

國家自然科學基金(41261088;41461085);廣西“八桂學者”崗位專項經費;廣西空間信息與測繪重點實驗室項目(1305114-11)

靖娟利(1977—),女,陜西西安人,碩士,副教授,主要從事遙感與GIS理論與應用研究。E-mail:jjlgut2008@163.com

TP79; P463.2

A

1005-3409(2016)05-0169-06