山東省近10年植被覆蓋度變化與氣候因子相關性分析

宋鵬飛，季 民，李 剛

(山東科技大學，山東 青島 266590)

植被在陸地生態系統的能量交換、生物地球化學循環和水文循環中起著重要的作用，是衡量生態環境狀況和表現的主要指標[1-2]。植物的年際變化和季節變化特征十分明顯，其生長受溫度、降水等氣候因子影響很大，植被生長狀況是氣候特征的綜合反映[3]，植被覆蓋度是描述生態系統的重要數據[4]。近10年來，遙感技術飛速發展并且在地球環境監測方面得到廣泛應用，基于MODIS/NDVI數據的植被覆蓋率變化的監測對于探討區域植被動態變化規律及驅動力問題很有幫助[5]。因此研究植被覆蓋與氣候因子相互關系在當前研究區域，乃至全球可持續發展具有重要意義[6]。

目前,國內外眾多學者對植被覆蓋率變化應用不同方法在不同的角度進行過研究與分析,如張喜旺等分析了基于中高分辨率遙感的植被覆蓋度時相變換方法，李鈺溦等進行了中國北方地區植被覆蓋度遙感估算及其變化分析，李萌的基于像元二分模型榆神府礦區植被覆蓋度研究等為研究植被覆蓋度動態變化提供了一些理論與研究方法。其中信志紅等利用MODIS數據分析了黃河口即山東東營地區植被覆蓋變化與氣候因子的關系，并且得出植被覆蓋度與氣候因子的年際變化總體趨勢較為相似的結論[7-11]。但目前還沒有對整個山東省尤其是近10年的植被覆蓋度變化與氣候因子的相關性分析，因此本文試驗對整個山東地區的植被覆蓋度與降水、溫度在空間上重心遷移變化及其相關性，以及在時間序列上植被NDVI與降水、溫度的相關性及滯后性進行研究與分析。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

山東省位于華東地區，經緯度為34°22′N—38°23′N，114°19′E—122°43′E之間，與朝鮮半島隔海相望，氣候類型為暖溫帶季風氣候，年平均溫度為11～14℃，降水夏季多春季少，年降水量大于480 mm，由東南向西北遞減[12]。

1.2 數據來源與預處理

本文研究所用的數據為MODIS/NDVI數據，下載自美國國家航空航天局網站，數據類型為MOD13A3(月植被數據)，使用MRT軟件將數據投影轉換WGS_1984_Albers，使用ArcGIS軟件打開并進行影像裁剪等預處理[13]。進行地圖代數計算對，每個影像數據均乘以0.000 1，使值域為[-1,1]，下一步的提取需要分兩批處理。一方面，依次用表格顯示分區統計功能工具提取山東界內柵格數據的NDVI值，將其整理為NDVI的年數據集、月數據集和季數據集；另一方面，使用多值提取至點功能將柵格數據NDVI值批量提取到氣象站點屬性表中，然后將每個站點數據作為一條記錄導出分析。

降水、溫度數據來源于中國氣象網，首先將其整理為2005—2015年共11年的年均值、12個月的月均值和4個季度的季均值共54個數據，然后用克里金法分別進行空間插值，剪裁出研究區范圍，提取山東省內的降水和溫度數據值。利用ArcGIS空間區域分析的以表格顯示分區統計的功能，導出到表格，并分類整理成降水和溫度的年數據集、月數據集和季數據集以便后期分析。

1.3 研究方法

1.3.1 重心模型

在力學原理中，將研究區域劃分成幾個大小相等的單元，可以根據每個單元的中心坐標(Xi，Yi)和該單元的“重量”Mi建立重心模型。本次研究建立的是植被NDVI的重心模型，重心模型在監測植被覆蓋度變化方面具有獨特的優勢，能夠直觀地反映出其變化規律[14-15]，重心坐標計算公式為

(1)

1.3.2 相關系數模型

為了研究植被生長變化及其與降水、溫度的相關性，以及滯后期氣候因子對植被覆蓋度的影響，采用了相關系數模型，相關系數的計算公式為

(2)

2 山東省植被覆蓋度變化與氣候因子相關性分析

2.1 植被覆蓋度變化與降水、溫度的年動態變化分析

經過大量研究[18-22]，NDVI可以作為反映植被覆蓋度的一個重要指標，并且國內外許多關于植被生長情況的研究都采用植被的NDVI數據。為揭示山東省植被覆蓋度在年空間分布和時間序列上的動態變化，以及降水、溫度對植被生長的影響，將結合重心模型計算年植被空間重心坐標，伴隨連續的時間變化得到變化的重心坐標，以此來反映植被在空間分布上的動態變化。依次計算植被NDVI和降水、溫度的重心坐標。將整組2005—2015年的植被重心坐標數據生成一個散點圖，用箭頭指出其每連續兩年間的植被遷移方向，即植被重心遷移軌跡。用相同的方式做出降水、溫度的年變化軌跡圖。然后分別將NDVI與降水、NDVI與溫度的變化軌跡圖作比較，如圖1和圖2所示。

圖1 2005—2015年NDVI與降水的重心遷移軌跡對比

由圖1和圖2可以清楚觀察出每一年的植被NDVI、降水、溫度的重心遷移方向，并發現植被與降水、溫度存在明顯的相關性。

圖2 2005—2015年NDVI與溫度的重心遷移軌跡對比

(1) NDVI與降水量的年重心遷移軌跡對比。2005—2015年內研究區植被NDVI重心遷移軌跡與降水重心遷移軌跡具有明顯相關性，山東省植被覆蓋在很大程度上受降水變化影響。同時，其他因素也對植被覆蓋產生較大的影響，主要表現為2010—2011年、2011—2012年、2012—2013年三者的重心遷移軌跡在方向上呈現完全相反的狀態，這可能是由溫度變化或其他未知因素引起的。

(2) NDVI與溫度的重心遷移軌跡對比。研究以上結果，發現2005—2015年內研究區植被NDVI的重心轉移軌跡與溫度的重心遷移軌跡在方向上具有很大的相關性，山東省地區植被覆蓋在很大程度上受到溫度變化的影響。同時，其他因素也對植被覆蓋產生較大的影響，主要表現為2008—2009年、2009—2010年、2013—2014年、2013—2015年四者的重心軌跡在遷移方向上呈現完全相反的狀態，這可能是由降水變化或其他未知因素引起的。

以上分析表明，植被生長受降水和溫度影響很大，植被重心遷移軌跡與降水和溫度在方向上有很高的相關性。植被生長受降水和溫度的綜合因素影響，單獨一種因素不能完全影響植被的生長。

2.2 植被覆蓋度變化及其與降水、溫度的相關性分析

為分析年降水、溫度對植被覆蓋度變化的影響，對山東省2005—2015年的植被NDVI數據與降水、溫度數據進行計算，得出它們的相關系數，結果發現相關系數不大。為直觀地展現植被覆蓋度變化及其與氣候因子的關系，下面將植被NDVI數據及降水和溫度的年數據生成植被NDVI與降水量年變化趨勢對比圖(如圖3所示)和植被NDVI與溫度的年變化趨勢對比圖(如圖4所示)，并且在2005—2015年間選擇了其中4年的植被NDVI指數影像圖(如圖5所示)反映植被覆蓋度的變化過程。分析發現山東省植被NDVI在2005—2015年期間除2008—2009年、2012—2013年有所減少，其他年份均保持增長狀態,且從2005年的0.395 8到2015年的0.425 6，共增長了7.52個百分比。

圖3 2005—2015年NDVI與年降水量的變化趨勢對比

圖4 2005—2015年NDVI與年溫度的變化趨勢對比

圖5 2005—2015年山東省植被NDVI指數影像

通過分析圖3和圖4發現，植被覆蓋度的年變化與氣候因子存在明顯的相關性，只有2012—2013年的植被與降水、溫度都呈反向變化。這說明，山東省植被的年生長變化在很大程度上受降水、溫度的影響，也受其他因素影響。

3 植被覆蓋度變化與氣候因子的滯后性分析

雖然植被覆蓋度變化受氣候因子的影響較大，但是從氣候因子發生變化到植被吸收進行光合作用，然后再通過植被的生長狀況，反映到植被覆蓋變化上需要一定的時間，即NDVI對氣候因子的影響表現出一定的滯后性。本研究利用2005—2015年山東省的月NDVI和降水、溫度數據，對二者進行月滯后性分析。將計算NDVI與降水和溫度的當前月、前一月、前兩月、前三月、當月—前一月、當月—前兩個月、當月—前三個月等7個時間段的分析。

分析表明，山東省地區植被NDVI與降水因子表現為正相關性，整個山東省地區的植被NDVI受前0—1月(即當前月和前一月的降水之和)降水影響最大，其次為前0—2月。進一步分析當前月、前一月、前三月、前四月和前1—4月的累積降水與NDVI的相關系數(如圖6所示)表明，研究區NDVI值主要受前一月降水量的影響，兩者的相關系數為0.790，其次為當前月和前二月降水量的影響，相關系數分別為0.744和0.538 1。

最后得出NDVI與降水、溫度的相關性最高是在當前月到上一個月(前0—1月)，相關系數高達0.971 8、0.913 0，此外由圖6可知NDVI與溫度的相關性要高于NDVI與降水的相關性。

圖6 植被NDVI對降水、溫度的滯后性

(1) 月均NDVI與降水的滯后性分析。分析表明，山東省地區植被NDVI與降水因子表現為正相關性，整個山東省地區的植被NDVI受前0—1月(即當前月和前一月的降水之和)降水影響最大，其次為當前月。進一步分析當前月、前一月、前三月和前1—3月的累積降水與NDVI的相關系數，發現研究區NDVI值主要受當前月降水量的影響，兩者的相關系數為0.91，其次為前一月和前二月降水量的影響，相關系數分別為0.86、0.39。

(2) 月均NDVI與溫度的滯后性分析。分析表明，山東省地區植被NDVI與溫度因子表現為正相關性，整個山東省地區的植被NDVI受前0—1月(即當前月和前一月的平均溫度)溫度影響最大，其次為當前月。進一步分析當前月、前一月、前三月和前1—3月的平均溫度與NDVI的相關系數表明，研究區NDVI值主要受當前月溫度的影響，兩者的相關系數為0.899 9，其次為前一月和前二月平均溫度的影響，相關系數分別為0.860 4、0.527 4。

4 結 語

本文對山東省2005—2015年的植被覆蓋度變化與氣候因子的相關性進行了分析，結果表明近10年來，山東省植被NDVI從2005年的0.395 9到2015年0.425 6，覆蓋度總體呈上升趨勢并且與氣候因子具有顯著的相關性。

(1) 溫度和降水對植被覆蓋度變化具有明顯影響。植被的生長在空間和時間序列上都受到降水和溫度的影響，2005—2015年研究區內植被NDVI的重心轉移軌跡與降水、溫度的重心遷移軌跡在方向上具有明顯的相關性。植被NDVI在時間序列上與降水和溫度有很大的相關性，山東省地區植被覆蓋在很大程度上受到降水和溫度變化的影響。

(2) 植被NDVI對溫度、降水的變化存在“時滯效應”。植被NDVI對氣候因子的變化響應的滯后期為1個月。山東省植被NDVI對氣候變化響應的空間規律與省內氣候特征的空間分布基本一致。當氣候因子變化到達一定程度時，會引起植被發生變化，因而植被對氣候變化的響應存在時滯效應。