不同高程下的NDVI變化及其與氣候因子的關(guān)系

余 琳， 姚 昆， 劉漢湖， 蒲松盛， 蔣瓊玉

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點實驗室, 成都 610059)

不同高程下的NDVI變化及其與氣候因子的關(guān)系

余 琳， 姚 昆， 劉漢湖， 蒲松盛， 蔣瓊玉

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點實驗室, 成都 610059)

利用2001年-2010年期間四川省MODIS NDVI月合成數(shù)據(jù)集，結(jié)合同期的氣象數(shù)據(jù)，研究不同高程下的NDVI變化，以及氣溫和降水對其的影響。成果表明：NDVI增長區(qū)域在低海拔和高海拔區(qū)均有分布，NDVI降低區(qū)域則主要分布在低海拔區(qū)；低海拔區(qū)與高海拔區(qū)NDVI年內(nèi)最低值出現(xiàn)時間不同，且低海拔區(qū)相對高海拔區(qū)NDVI的年內(nèi)變化更為曲折；降水和氣溫對不同高程的植被NDVI影響不同，同時降水對植被變化的影響較氣溫存在更為明顯的滯后性。

NDVI； 氣候因子； 不同高程； 相關(guān)性； 四川省

0 引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1]，在生態(tài)系統(tǒng)中起著極為重要的作用，聯(lián)結(jié)著土壤、大氣和水[2]。植被指數(shù)反映地表植被覆蓋和生長情況，通過植被指數(shù)可以評價植被覆蓋 、生長狀況和生物量等[3]。其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)較為廣泛地應(yīng)用于各種研究，因為它不僅能反映植被空間分布密度，還能與一些參數(shù)建立定量關(guān)系。在NDVI計算公式 中，Rn為近紅外波段，Rr為紅外波段，取值范圍在-1.0～1.0，正值表示有植被覆蓋，且值越大植被覆蓋越好，負值則表示無植被覆蓋[3-5]。氣候作為植被活動的主要驅(qū)動力之一[6-7]，其影響著植物的生長狀態(tài)，探究氣候因子與NDVI的關(guān)系有助于揭示植被覆蓋變化對氣候變化的響應(yīng)，為生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。目前已經(jīng)有大量研究對氣候因子(主要為降水、氣溫)和NDVI的關(guān)系作了深入分析[3,5,11]，但大多主要是將二者與某個區(qū)域的整體NDVI進行相關(guān)分析，忽略了不同高程下的NDVI對氣候因子的具體響應(yīng)特征，加之將四川作為研究區(qū)域進行該方向研究的文章偏少，因此筆者選取四川為研究區(qū)，將其高程劃分為5個等級，研究不同高程下NDVI對氣候因子的響應(yīng)特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于我國西南部，長江上游地區(qū)，介于東經(jīng)97°21′～108°31′，北緯26°03′～34°19′，東西長1 075 km，南北寬921 km，面積約480 000 km2，全省地形復(fù)雜，西高東低，可大致分為川西高原和四川盆地兩部分。因受到復(fù)雜地形的影響，四川氣候類型多樣，東部盆地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫16 ℃～18 ℃，氣溫日差較小，年差較大，冬暖夏熱，無霜期230 d～340 d,雨量充沛，年降水量達1 000 mm～1 200 mm；西部高原海拔高差大，總體屬于寒溫帶氣候，冬暖夏涼,水熱不足，年均溫4 ℃～12℃，年降水量500 mm～900 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://w-ww.gscloud.cn)，選取的是2001年-2010年中國1 km植被指數(shù)(NDVI)月合成數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是利用TERRA星的MOD09GQ產(chǎn)品，經(jīng)過拼接、切割、投影轉(zhuǎn)換、單位換算以及最大值合成等方法提取的。氣象數(shù)據(jù)來自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺提供的2001 年-2010年中國1 km柵格年平均氣候要素數(shù)據(jù)集[8]，其數(shù)據(jù)集各要素通過建立NCEP/NCAR中國區(qū)域的再分析資料數(shù)據(jù)與植被指數(shù)、地形之間的回歸樹模型，降尺度得到，包括逐月平均氣溫數(shù)據(jù)集、降雨數(shù)據(jù)集、相對濕度數(shù)據(jù)集、風(fēng)速數(shù)據(jù)集[9]，根據(jù)本文的需要選取了其中的平均氣溫數(shù)據(jù)集和降雨數(shù)據(jù)集。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

氣象數(shù)據(jù)去除異常值和缺測值，利用ArcGIS10.2軟件求出相關(guān)區(qū)域的月均溫和月降水。同樣利用ArcGIS10.2對NDVI月合成數(shù)據(jù)進行最大化處理，得到最大化年NDVI數(shù)據(jù)，并求出相關(guān)區(qū)域的月NDVI和年NDVI值。此外，為得到NDVI的變化趨勢，運用ArcGIS10.2軟件的柵格計算器，計算數(shù)據(jù)集中所有像元的NDVI與時間的回歸斜率，根據(jù)回歸斜率Slope來判讀NDVI變化情況，其具體的計算公為式(1)：

(1)

為研究不同高程下的NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系，利用SPSS軟件計算NDVI與降水、氣溫之間的偏相關(guān)系數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)來進行相應(yīng)的相關(guān)分析[11-14]。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同高程的NDVI年內(nèi)變化

將2001年-2010年各月NDVI值按不同高程進行平均，得到四川省不同高程的NDVI年內(nèi)變化曲線圖(圖1)。通過觀察圖1可以得到，高程對NDVI值有所影響，4 000 m以下影響較小，4 000 m以上NDVI值急劇下降；不同高程的NDVI年內(nèi)變化整體趨勢一致，從1月到12月NDVI都是先上升再下降，但在整體變化趨勢一致的情況下，各高程又有所差異。高程在1 000 m以下或1 000 m～2 000 m時，NDVI分別在1月和2月出現(xiàn)最低值，高程在2 000 m以上NDVI年內(nèi)最低值則出現(xiàn)在3月；高程在1 000 m以下時，NDVI急劇上升有兩個階段，分別是1月～3月和5月～7月，高程在1 000 m以上時，3月～7月是NDVI急劇上升的階段；高程在2 000 m～3 000 m時，NDVI的整個年內(nèi)變換較為平緩，波動不大，季節(jié)特征最不明顯；當高程在2 000 m以下時，NDVI從8月～10月開始急劇下降，并且在11月～12月期間繼續(xù)急劇下降，高程在3 000 m以上時，NDVI從7月～9月緩慢下降，從9月到11月開始急劇下降，但在11～12月期間，NDVI下降極緩。

圖1 不同高程的多年平均NDVI月變化Fig.1 Annual average monthly change of different elevation in Figure

2.2 NDVI的空間變化趨勢

圖2是利用最大化年NDVI與時間的線性回歸方程斜率(Slope)來代表2001年-2010年四川省的NDVI變化，斜率值為正代表NDVI增加，斜率值為負代表NDVI減少。根據(jù)NDVI變化趨勢斜率值并參照已有的植被指數(shù)退化劃分標準[10]，筆者將NDVI變化程度分為明顯退化區(qū)、輕度退化區(qū)、基本不變區(qū)、輕度改善區(qū)、明顯改善區(qū)(表1)。圖3是四川省地形分級。由圖2和圖3可以看出，四川地區(qū)2001年-2010年的整體NDVI呈上升趨勢，其中明顯改善區(qū)主要分布在4 000 m以上(由于明顯改善區(qū)分布范圍較小，在圖2和圖3中不能清晰顯示)，輕度改善區(qū)主要在1 000 m以下，明顯退化區(qū)則分布在1 000 m以下，輕度退化區(qū)在2 000 m以下和3 000 m～4 000 m之間都有所分布。

表1 NDVI變化情況

圖2 四川省2001年-2010年NDVI變化的空間分布Fig.2 Spatial distribution of NDVI in Sichuan province from 2001 to 2010

圖3 四川省高程分級圖Fig.3 Sichuan provincial level classification

2.3 不同高程下的NDVI變化與氣候因子的關(guān)系

為研究不同高程下的NDVI對氣候因子響應(yīng)的具體特征，筆者采用SPSS軟件，針對分級得到的五個高程區(qū)間，對研究期內(nèi)每月NDVI與當月、前兩個月、前三個月的氣候因子進行相關(guān)性分析(表2)。從復(fù)相關(guān)系數(shù)來看，NDVI與氣候因子的相關(guān)性隨著高程增加先降低再升高，在2 000 m～3 000 m時，相關(guān)性最低，但總體上相關(guān)性高，且均達到了顯著性水平(P<0.01)，各高程區(qū)間的NDVI與當月、前兩個月、前三個月氣溫和降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)都依次減小，表明各高程區(qū)間的NDVI對氣候因子的響應(yīng)不存在滯后。為了得到NDVI與某一氣象因子的真實相關(guān)關(guān)系，需求出NDVI分別與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)。從偏相關(guān)系數(shù)來看，五個高程區(qū)間進行對比，當高程在1 000 m～2 000 m、2 000 m～3 000 m時，NDVI與氣溫偏相關(guān)系數(shù)相對另外三個高程區(qū)間偏小，且各高程區(qū)間的NDVI與當月、前兩個月、前三個月氣溫偏相關(guān)系數(shù)逐漸減小，且隨著高程增加，NDVI與三個時期的氣溫偏相關(guān)系數(shù)差異在縮小，說明當高程在1 000 m以下或3 000 m以上時，NDVI受氣溫影響較大，高程在1 000 m～3 000 m時，NDVI受氣溫影響較小，各高程區(qū)間的NDVI變化對氣溫的響應(yīng)滯后性不明顯，但高海拔區(qū)NDVI對氣溫的響應(yīng)相對于低海拔區(qū)有一定的滯后；另外，當高程在1 000 m以下時，NDVI與前兩個月降水的偏相關(guān)系數(shù)最大，為0.315**，當高程在1 000 m～2 000 m時，NDVI又與前三個月降水的偏相關(guān)系數(shù)最大，為0.370**，當高程在2 000 m～3 000 m時，NDVI與降水沒有相關(guān)性，當高程在3 000 m～4 000 m之間或4 000 m以上時，NDVI都與前三個月降水的偏相關(guān)系數(shù)最大，分別為 -0.463**、-0.501**，由此說明高程在2 000 m以下，NDVI與降水呈正相關(guān)，且隨著高程增加，NDVI對降水的響應(yīng)越滯后，而在2 000 m～3 000 m，NDVI與降水不相關(guān)，在3 000 m以上，則NDVI與降水呈負相關(guān)，隨著高程增加，相關(guān)性越高，對降水的響應(yīng)也存在明顯的滯后性。從整體上看，NDVI與氣溫的相關(guān)指數(shù)都要比降水的高。

表2 四川地區(qū)不同高程下的NDVI與氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系

*p<0.05 **p<0.01

3 結(jié) 論

四川地區(qū)整體植被生長呈增長趨勢，對比10年內(nèi)不同等級的植被覆蓋變化趨勢面積及分布發(fā)現(xiàn)，明顯改善區(qū)和明顯退化區(qū)分別分布在4 000 m以上和1 000 m以下，輕度改善區(qū)和輕度退化區(qū)都主要分布在1 000 m以下，變化面積最大，這和人類活動有一定的關(guān)系。不同高程，植被年內(nèi)變化存在一定差異。NDVI年內(nèi)最低值，隨著高程增加其出現(xiàn)時間越推后；季節(jié)變化特征最不明顯的高程區(qū)間是2 000 m～3 000 m；低海拔區(qū)相對高海拔區(qū)的NDVI年內(nèi)變化更為曲折。

不同高程下的NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系存在差異。其中與氣溫的相關(guān)關(guān)系， 高程在1 000 m～3 000 m時，NDVI與氣溫相關(guān)性相對偏小，但達到了顯著性水平(p<0.01)；與降水的相關(guān)關(guān)系，以2 000 m～3 000 m的高程區(qū)間為分界點，在此區(qū)間NDVI與降水沒有明顯相關(guān)性，而高程在2 000 m以下時，呈正相關(guān)，高程在3 000 m以上時，呈負相關(guān)。因此，在低海拔區(qū)，氣溫和降水同時促進植被生長，而在高海拔區(qū)，對植被起促進作用的主要是氣溫，降水反而起到抑制作用。氣溫對植被變化的影響沒有明顯的滯后性，但降水對植被變化的影響存在明顯的滯后性，且隨著高程增加，滯后性越明顯。

由于數(shù)據(jù)集時間序列較短，筆者沒有作NDVI年際變化分析。另外，忽略了人類活動對NDVI的影響，且不同高程，其影響大小差異，由此可能對研究結(jié)果產(chǎn)生一些影響，在今后的研究中，應(yīng)考慮人類活動因素，進一步研究不同高程下的NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。

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NDVI variation at different elevation and its relationship with climatic factors

YU Lin, YAO Kun, LIU Hanhu , PU Songsheng, JIANG Qiongyu

(Key Laboratory of Geosciences Spatial Information Technology, Ministry of land and resources of the P.R China , Chengdu University of Technology, Chengdu 610059， China)

By using a total of 120 synthetic MODIS NDVI dataset of Sichuan province from 2001 to 2010 and the same periods of meteorological data, we carried out a research on NDVI variation at different elevation, and analyzed the influence of temperature and precipitation on its. The results show that: the NDVI growth areas were located both in the lower altitude and the higher altitude regions. The NDVI lower areas was mainly located in the lower altitude regions; The annual minimum of NDVI at low and high altitude appeared in different time, and NDVI at lower elevation areas changes relatively more twists and turns to high altitude areas; precipitation and temperature had an different influence in NDVI at different elevation, while the influence of precipitation on vegetation existed relatively more obvious latency to temperature.

NDVI; climatic factors; different elevation; correlation; Sichuan province

2016-06-03 改回日期：2016-08-22

國家自然科學(xué)基金(41102225)

余琳(1990-),女,碩士,主要研究方向為3S技術(shù)與數(shù)字國土,E-mail：1196539521@qq.com。

1001-1749(2017)02-0296-05

K 930

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.22