1982-2015年山西省忻州市植被覆蓋變化與氣候因子的相關性分析

陳金牛，毛學剛,3，侯艷軍

(1.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007；2.福建師范大學濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地，福建 福州 350007；3.福建師范大學地理研究所，福建 福州 350007；4.忻州師范學院地理系，山西 忻州 034000)

植被是陸地生態系統中非常具有研究價值的環境要素之一，其在全球范圍內的能量交換，大氣圈、巖石圈、生物圈和水圈物質之間的循環，以及地球生境演化過程中，都有著特殊的作用[1-3]。歸一化植被指數(NDVI)是目前應用最廣泛的陸地植被覆蓋表征指標，同時，NDVI也是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子[4]。所以，通過研究植被生長季的月均NDVI與氣候因子之間的相關性可以得到研究區域生境的變化和演化趨勢[5]。

近30年來，國內外許多研究專家利用NDVI指數對不同國家和地區進行了植被的時空變化特征及影響因素的研究和討論。Myneni等[6]指出氣候變暖使得北半球高緯度的植被覆蓋有增加的趨勢，同時，在我國黃土高原等地也得出了相同的結論。劉淼等[7]發現1988-2000年山西省植被覆蓋度呈下降趨勢。信忠保等[8]對黃土高原的植被覆蓋變化演變特征及其歸因進行了分析，指出黃土高原的植被覆蓋變化是由氣候變化因素和人類活動共同導致的。易浪等[9]分析了1999-2010年的黃土高原植被覆蓋變化的驅動因素，認為降水變化是影響其植被覆蓋變化的主要驅動力。張嘉琪等[10]研究得出山西省1999-2010年氣溫與生長季NDVI的相關性較低，降水量與生長季NDVI的相關性較高，人類活動對山西省的植被覆蓋變化的正面和負面作用有并存關系，但正面影響大于負面影響。黨躍軍等[11]發現氣候變化是山西省的植被覆蓋變化的主要驅動力因素。從眾多學者的研究結果來看，山西省的總體植被覆蓋變化與氣候因子的變化之間關系密切，但是未提出在山西省局部區域尤其是黃土高原的部分區域的有效結論，而忻州市位于黃土高原的東部太行山以西，具有重要的區域位置，忻州市的植被覆蓋變化與氣候因子的變化相關性結果具有一定的研究價值。

忻州市的縣域由于處于黃土高原境內，植被破壞現象嚴重，導致水土流失問題十分嚴峻，主要發生在偏關縣、五寨縣、繁峙縣、神池縣等地區。在黃土高原演化整體規律的影響下，忻州市植被覆蓋也發生了較明顯的變化，其中地形地貌單元和氣候變化是影響忻州市地區植被覆蓋的重要影響因素。現研究表明，隨著中國氣候變暖的趨勢[12]，以及忻州市地區氣候逐漸干燥的趨勢下，不利于植被的生長和繁衍及生態環境的演化[13]。因此，忻州市的植被覆蓋特征及變化研究，有利于促進忻州市脆弱的生態環境與社會經濟水平的協調發展，同時可以為忻州市地區的生態環境的恢復與忻州市的植被破壞和生態脆弱地區環境的改善提供相應的理論研究方法。

本文主要基于1982-2015年NASA/GIMMS的NDVI數據，采用最大值合成法、一元線性回歸法及相關性分析法研究了忻州市的植被覆蓋時空變化的特征，結合中國氣象共享網的氣象數據，分析得出其氣候變化規律，并研究其相關性。

1 研究區域概況

忻州市古稱“秀容”，是一個歷史文化名城，素有“晉北鎖鑰”之稱，為山西省省轄市。忻州市的坐標為東經110°53′～113°58′，北緯38°08′～39°40′，地處山西省北部，處于黃土高原的東部，華北平原的西側，其地形比較復雜，山川較多，河流較少，地形地貌種類相對比較豐富。

忻州市的氣候類型為溫帶季風氣候，全年平均氣溫范圍在4.32～9.21℃，全年無霜期平均為167 d，年平均降水量為345～588 mm，并且集中在7-9月份。總體來說，在季風氣候的影響下，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，氣候比較干旱，降水分配不均，且年際變化較大。市域河流為牧馬河、滹沱河等。土壤類型豐富，主要分為黃壤、棕黃壤、褐土等。忻州市生態區差異顯著，存在著十分天然的植被群落，陸地生態系統植物序列地帶性分異規律顯著，物種豐富[14-15]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

遙感的NDVI數據來源于美國國家航空航天局(NASA)戈達德航天中心GIMMS組數據集，資料時間跨度為1982年4月至2015年10月，空間分辨率為8 km，時間分辨率為16 d，合成方法為最大值合成法。經過大氣校正、輻射校正、幾何精度校正，用非對稱高斯方法對其進行擬合，得到光滑的NDVI時間序列數據。氣候因子數據來源于中國氣象科學數據共享服務網的忻州市地區的8個站點的氣象氣候資料，包括：植被生長季的月平均氣溫、月平均降水量、平均相對濕度、日降水量≥0.1 mm日數、風速、太陽輻射量等。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法 最大值合成法是在自然生態環境較差的情況下采用的數據處理方法，其區別于常用的NDVI數據合成方法(如累加處理法、平均值處理法等)，可以明顯地突出研究區植被覆蓋狀況。本文通過選用最大值合成法，以消除云、大氣、太陽高度角等干擾，獲取NDVI最大值進行分析[16]。

2.2.2 趨勢分析 線性回歸是通過利用數理統計中的回歸分析，來確定兩種或兩種以上變數間相互依賴的定量關系的一種統計分析方法，應用十分廣泛[17]。一元線性回歸能夠模擬每個柵格的變化趨向，進而反映區域上NDVI變化的空間分布特征[18]。通過Matlab計算每個柵格像元生長季平均NDVI的變化斜率，得到忻州市植被在生長季平均NDVI的空間變化特征。計算公式如下：

(1)

式中，slope為像元NDVI回歸方程的斜率，若slope>0，表示隨時間變化制備指數呈增加的趨勢，并且數值越大，植被覆蓋度增加越明顯；反之，若slope<0則代表植被指數呈下降的趨勢。n為監測時間段的年數；i為年序號。

2.2.3 相關分析 回歸方程公式如下：

(2)

3 結果與分析

3.1 忻州市的植被覆蓋的時空特征

從圖1可以發現，1982-2015年間忻州市植被生長季(4-10月)的月均NDVI在時間上呈增加變化趨勢且呈正相關，由公式(1)計算得到研究區1982-2015年間植被生長季NDVI變化斜率為slope=0.002，植被生長較好，且增長速度較快，可以看到，在2012年NDVI均值出現最高值，在1984年NDVI均值出現最低值。

圖1 1982-2015年忻州市生長季NDVI月均變化

圖2為忻州市1982-2015年時間序列中選取6個年份(1982年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年)的植被生長季的NDVI月均空間分布和變化，可以看出，雖然在1982-2015年間忻州市的大部分區域植被生長季的NDVI值在時間和空間上呈線性增加趨勢，但是選取的各年份生長季的NDVI在空間上的變化不同，有一定的差異性。生長季的NDVI空間分布差異性表現為在忻州市的東部和東南部的五臺山區、中西部蘆芽山區等山地林區NDVI數值較大，而西北的半干旱黃土裸露的地區NDVI數值則較低。在這6個選取年份里，生長季NDVI空間變化趨勢比較明顯，在忻州市東部、西部和東南地區的植被覆蓋變化增加顯著，以五臺山區、蘆芽山區為主要的增加變化區域。

分析圖3可知，忻州市的1982-2015年間植被生長季月均NDVI空間變化主要趨勢大致為從西南向東北遞減，具體表現為西南、中西部等地區生長季NDVI呈現正態變化發展趨勢，而東北、北部等地區生長季NDVI呈現負態變化發展趨勢。

圖2與圖3結合分析可以得出，忻州市的大部分地區植被覆蓋空間分布不平衡，NDVI空間分布大致呈現自東向西遞減的趨勢，植被率較低的主要在忻州市的西北、東北地區，大致分布在偏關縣、保德縣、繁峙縣、代縣等，其地形以黃土裸露的丘陵山地為主。繁峙縣、原平市、忻府區、定襄縣等忻定盆地和滹沱河河谷地區，以及偏關縣的偏頭關古長城古堡、代縣的雁門關古長城等地，由于城市化的快速發展及大量的人類歷史軍事活動，導致其植被覆蓋率較低。同時，在忻州市的西北半干旱地區，由于靠近黃土高原的中心區域，地貌主要為裸露的黃土地貌，且受季風氣候的影響較小，植被覆蓋率低。植被率較高的主要在忻州市東部、西部和東南地區，大致分布在靜樂縣、寧武縣、岢嵐縣、河曲縣、五臺縣等，其地形以山地為主。然而分布在忻州的五臺山、蘆芽山、系舟山地區的山地林區，氣候條件相對溫暖濕潤，植被生長條件優良，并且由于人工防護林的實施，植被覆蓋率較高。

圖3 1982-2015年忻州市生長季NDVI空間變化趨勢

3.2 忻州市的氣候因子變化的時空特征

3.2.1 氣溫的時空變化特征 圖4顯示，1982-2015年內，忻州市的植被生長季月均氣溫變化在不同時間存在一定的差異性，但是總體的趨勢是呈正相關增加，其中月均氣溫變化較大，在2000年左右同比變化較大。可以分析得出，忻州市植被生長季的月均氣溫呈線性增加趨勢，并且由于忻州市處于季風區，其氣溫的時間變化幅度呈現不穩定狀況。在不同年份的植被生長季，月均氣溫最高值在1999年，為17.96 ℃，最低值在1984年，為15.94 ℃，可以得知，在1982-2015年里，植被生長季的氣溫因子有一定的不穩定變化，所以在不同的變化速度的影響下，忻州市的植被覆蓋變化與氣溫因子的響應較明顯，其變化趨勢相似。

圖4 1982-2015年忻州市植被生長季月均氣溫變化趨勢

圖5為忻州市1982-2015年時間序列中選取6個年份(1982年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年)的植被生長季的氣溫空間分布圖，可以得知，忻州市的植被生長季月均氣溫值空間分布的特征大致呈現自東南向西北遞減，自南向北遞減。同時，忻州市的不同年份植被生長季的月均氣溫值的分布存在一定的差異性，而且其基本特征與變化趨勢與忻州市1982-2015年的氣溫空間變化趨勢存在一致性。

分析1982-2015年忻州植被生長季氣溫空間變化趨勢(圖6)可得，在全球氣候變暖的趨勢下，忻州市的氣溫空間變化不均衡，但是整體呈現正態變化趨勢，其變化幅度趨勢為西北、北部較高，中部、西南較低。

圖5與圖6結合分析得出，忻州市植被生長季月均氣溫空間分布特征表現為中部和東南等地區的數值較高，西部和西北等地區的數值則較低。在空間上大致呈現為自東南向西北遞減，自南向北遞減的趨勢。但是，在忻州市的西北局部地區表現有一個特殊區域的植被生長季月均氣溫較高，主要分布在保德縣、河曲縣的黃河流域范圍內，由于其受到河流小氣候和黃河河谷的地形影響，因此其植被生長季月均氣溫較高。忻州市植被月均氣溫空間變化明顯的地區主要分布在忻定盆地、滹沱河流域、黃河流域等地形地勢較低的地區，植被生長季月均氣溫較高，氣溫變化增加趨勢幅度較大。而五臺山、蘆芽山、云臺山、系舟山等海拔較高地區，植被生長季月均氣溫較低，其氣溫變化趨勢幅度也較小。

3.2.2 降水量的時空變化特征 圖7顯示，1982-2015年內，忻州市的植被生長季月均降水量的月均變化存在不平衡性，但是月均降水量總體變化趨于平穩。可以分析得出，植被生長季月均降水量呈現線性平穩增加趨勢，但是月均降水量在每個年份之間的同比變化較大，變化幅度最大的在1996-1997年，同時由于忻州市處于季風區，其降水量的時間變化幅度也同樣趨于不穩定性。

在不同年份的植被生長季，月均降水量最高值在1988年，為87.7 mm，最低值在1991年，為41.58 mm。可以得知，在1982-2015年里，植被生長季的降水量因子也有一定的不穩定變化，且變化幅度更大。在不同的變化速度的影響下，忻州市的植被覆蓋變化對降水量因子的響應較氣溫因子不明顯，降水量的時間變化趨勢與NDVI時間變化趨勢不趨同。

圖8為忻州市1982-2015年時間序列中選取6個年份(1982年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年)的植被生長季的降水量空間分布圖，可以得知，忻州市的降水量空間分布特征為自東南向西北遞減，與整體降水量空間特征相一致。同時，忻州市1982-2015年的降水量空間變化為中西部和東北部變化非常顯著，這應該是由于季風氣候的降水不穩定性所致。

1982-2015年來，氣候逐漸不穩定的變化，使忻州市降水量的空間變化起伏較大，并且出現地區降水量空間變化不平衡、不均勻的情況(圖9)。

圖5 1982-2015年中選取時間序列生長季氣溫空間分布

圖6 1982-2015年忻州植被生長季氣溫空間變化趨勢

圖7 1982-2015年忻州市植被生長季月均降水量變化趨勢

圖8 1982-2015年中選取時間序列生長季降水量空間分布

圖9 1982-2015年忻州植被生長季降水量空間變化趨勢

從圖中得知，在1982-2015年間，忻州市的西部地區植被生長季月均降水量整體呈現正態變化發展趨勢，而西北、東部、東南地區植被生長季月均降水量則呈現負態變化發展趨勢。可見在降水量的空間變化中忻州市的東西部差異明顯，植被生長季月均降水量呈現東部變化幅度小，西部變化幅度大，其空間變化幅度表現為由東向西增加趨勢。

圖8與圖9結合分析可以得出，忻州市整體的降水量值在空間上呈自東南向西北遞減，且在1982-2015年間降水量值在同一空間內變化也較大。受溫帶季風氣候的影響，忻州市的東南部、東部及中部降水量較高，主要分布在五臺山東麓、忻定盆地等地，而西部、西北部地區降水量明顯較低，主要分布在蘆芽山西坡、靜樂縣、偏關縣等地；同時，忻州市的中部、西北、東北地區降水變化較少，忻府區、原平市等地出現負態減少趨勢。

3.3 忻州市的植被覆蓋變化與氣候因子的相關性

從1982-2015年忻州市的植被生長季的氣溫及降水數值時空變化特征的和NDVI的時空變化趨勢來看，不同時空格局內，NDVI與氣溫與降水量的關系也有差異。分析圖10可知，1982-2015年間，忻州市植被生長季的月均NDVI與氣溫的相關性為正負相關并存，但是整體上呈正相關關系。同時，NDVI與氣溫的正相關系數平均為0.362，且正相關區域面積較大，主要分布在忻州市的西北部、東部等地，主要原因是受黃河流域和滹沱河流域的河流影響，氣溫對植被的生長影響較大，同時因為河流的氣候調節作用，這些地區受氣候變化影響較小，對NDVI的時空變化特征影響較小，比較平穩。

圖10 1982-2015年的忻州市植被生長季的NDVI變化與氣溫的相關性

從圖11中顯示的1982-2015年忻州市植被生長季的NDVI與降水的相關關系可以得知，忻州市植被生長季的月均NDVI與降水之間是正負相關并存，整體平均來看是呈正相關，且正相關面積較大，主要集中在忻州市的東部、南部和西南部地區，包括忻定盆地、五臺山區、靜樂縣等，NDVI與降水的正相關平均系數為0.283。但是從圖中可知，NDVI與降水的相關性在空間上顯示為負相關的區域面積大于正相關，所以NDVI與降水的相關性更具有顯著的空間分異性。可見，在NDVI的空間分布和NDVI與降水的相關性的圖像對比中，忻定盆地的2個相關性匹配度較低，說明忻州市的植被在生長季的NDVI與降水的相關性低于氣溫。在忻州市季風氣候的影響下，降水的空間差異更明顯，從而導致其相關性正負性明顯。據孫睿[19]研究顯示，植被覆蓋度的空間動態變化和降水量有規律性關系。所以，在降水空間分異規律的影響下，忻州市整體空間中1982-2015年的時間序列里降水對植被的生長狀態的影響就小于氣溫對植被生長的影響。

圖11 1982-2015年的忻州市植被生長季的NDVI變化與降水的相關性

本文發現，由于植被在生長季的生長情況受到區域水熱條件的限制[20]，植被對氣候因子變化的響應與其在生長季的生長變化所受影響有關，且存在差異性，但是在研究過程中得到的結果顯示，忻州市1982-2015年的植被覆蓋變化的驅動力因素主要為氣溫和降水2個氣候因子，且植被的生長對其2個氣候因子的敏感性和相關顯著性不同，NDVI與氣溫的相關性大于與降水的相關性。所以在所得結論中會存在驅動力的主要性質差異，這與其他學者研究的結論比較一致[21-25]。

4 討論

(1)通過分析，忻州市植被覆蓋時空變化出現分布差異現象的主要原因有2點。①忻州市的整體氣候類型為溫帶季風氣候，并處在半濕潤與半干旱地區的分界，雨熱同期，總體降水較少。忻州市東北部、西部等地海拔較高，氣溫偏低；風力風速大，植被生長季的風速極端可以達到9級以上[14]，很多地方位于風力強勁的山體，并有大量的風力發電機，影響植被的生長。同時，在寧武縣、河曲縣等地有河流經過，比較濕潤，植被覆蓋率較高。②忻州市的經濟發展不平衡，主要經濟發展地區在忻定地區及繁峙縣和原平市的工業發展地區，有大量工廠位于沿滹沱河流域[15]，造成了較嚴重的環境污染，而人口主要分布在忻定盆地，近幾年由于忻州市的城市建設加大、“城市一體化”等政策的實施，導致城市建設用地大量地侵占了耕地、林地資源，城市及郊區大面積區域的植被覆蓋率嚴重降低。

(2)忻州市1982-2015年的氣溫空間變化特征出現的主要原因是由于海拔高度影響了氣溫均值的地區分布，還有由于城市的地區分布導致城市熱島效應變強，在忻定盆地等城市密集區氣溫較高且比較穩定，在寧武縣、五臺縣等山區由于山谷風的不穩定變化，氣溫較低且變化較大。

(3)忻州市1982-2015年的降水量空間變化特征出現的主要原因有：①由于蘆芽山、五臺山等山地分布，在東南和西南地區在夏季風較強盛時由于山地的阻擋會出現地形雨，增加降水量；②在忻定盆地由于氣溫的變化較大，其降水量也受地面溫度變化的影響出現減少的趨勢，同時由于人口密度大，氣候變化也比較大；③在忻州市的西北地區，在氣候類型的基礎上，其降水量本身較少，降水變化呈負態變化。

(4)忻州市部分區域NDVI變化與氣溫和降水量呈負相關關系，原因可能是：①忻州市處于黃土高原上，水土流失比較嚴重，尤其在山地地區及河流流域范圍內，生態環境比較脆弱，氣溫和降水的增加會對植被的生長帶來破壞性的影響；②人為因素對植被的破壞，包括城市建設用地的增加及環保措施的不明顯，故部分區域的NDVI與氣溫和降水呈負相關狀態。

(5)本文主要研究的是氣候因子對植被生長季的NDVI時空變化的影響，雖考慮了區域內人類活動對植被生長季的NDVI變化的影響，但不是主要研究內容。而且，本文在對氣候因子的選擇時，僅主要考慮了氣溫和降水2個氣候要素，此外太陽輻射、風速、土壤、植被、生物等環境條件也會對植被的NDVI變化產生影響。所以，后續的研究也會結合多方面的環境要素來全面分析植被生長季的NDVI的變化與氣候以及環境變化的響應。

(6)本文分析研究了忻州市的植被覆蓋變化和氣候因子的相關性，時間序列跨度長，有利于促進忻州市的生態環境的理論研究，同時研究其市域的植被覆蓋變化和氣候變化的規律，對忻州市的不同生態區的規劃與發展具有實際意義。

5 結論

(1)在1982-2015年的時間序列中，忻州市每年的生長季NDVI變化存在差異，植被生長季的月均NDVI呈線性增加趨勢，同時在空間表現為不同地形單元區的空間變化，總體正負相關性較小，西南、東南地區呈現正態相關，北部，中部呈現負態相關。同時，NDVI空間分布特征表現為東部、東南、中西部、西南部分地區數值較大，西北地區NDVI數值明顯較低。

(2)忻州市在1982-2015年間的氣候變化趨勢總體來說比較平穩，忻州市的植被生長季氣溫呈正態增加趨勢變化，降水變化則趨于平穩，但也呈增加趨勢。由于地處季風區，其植被生長季月均氣溫與降水量在年際之間變化幅度較大。此外，忻州市市域處在半濕潤區與半干旱區的分界，降水主要集中在東南部和西南部，氣溫整體差異不大，盆地和河流流域氣溫較高，山地氣溫較低。

(3)研究表明，忻州市的植被覆蓋變化較大，其氣溫和降水量因子的變化是植被生長季的NDVI的變化趨勢的主要驅動力因素。忻州市1982-2015年間植被生長季的氣溫和降水都有所增加，在總體上對植被的生長有積極的作用，尤其是氣溫的增加對植被的生長的影響比較明顯，植被生長對于氣溫因子的變化更敏感，而相比之下降水與NDVI則相關性比較低。但同時氣溫和降水對于略小部分區域的植被生長和變化作用較小，甚至有部分區域NDVI與氣溫和降水呈負相關關系。