氣候因子對貴州省植被覆蓋度的協同影響

代仁麗, 鐘九生, 何志遠, 何 鑫, 林雙雙

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院， 貴陽 550001)

氣候變化必然導致植被的變化，但植被生長變化是受多種要素共同影響的，即氣候因子對植被具有協同作用[1-3]。氣溫和降水是影響植被覆蓋度最根本的因素，兩者之間存在緊密聯系，且是影響一個地區(qū)植被覆蓋度的最主要的氣候因子，決定一個區(qū)域植被覆蓋狀況，同時也是一個區(qū)域氣候狀況的反映[4]。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)作為植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，可以良好反映地表植被覆蓋度，且NDVI對植被生長狀況非常敏感，被廣泛應用在環(huán)境、生態(tài)和農業(yè)研究中[5-9]。

目前，眾多學者對NDVI時空變化特征以及NDVI對氣溫和降水的響應進行了大量研究[10-13]。張景華等[14]對瀾滄江流域植被NDVI與氣候因子間的相關性進行分析，研究表明氣溫和降水對瀾滄江流域植被生長均具有明顯影響，氣溫的影響尤為顯著，同一植被類型受氣溫的影響強于降水，但對降水的變化更為敏感。張鵬騫等[15]對京津冀地區(qū)近20 a的NDVI時空變化特征分析，研究表明北京市近20 a的NDVI呈波動增長，京津冀地區(qū)近20 a采取的生態(tài)保護工程取得了顯著成效。王靜等[16]對南方丘陵山地帶NDVI時空變化及其驅動因子分析，研究表明南方丘陵山地帶植被NDVI值較高，屬高植被覆蓋區(qū)，且2000—2010年植被NDVI整體呈上升趨勢，但并不顯著。NDVI變化及其與氣候因子的關系在不同區(qū)域和時間等條件下得到證明[7-17]，且研究結果存在一定的差異性。貴州省作為我國喀斯特地貌分布最廣、分布面積占比最大的省份[18]，吸引了不少學者對其進行研究，劉煒等[19]、許玉鳳等[18]研究表明貴州省植被覆蓋與氣溫的相關性大于降水。張蓓蓓等[20]研究表明貴州省NDVI與氣溫的相關性雖然大于降水，但其對降水的滯后性卻高于氣溫。劉陽等[21]研究表明貴州省植被變化受氣候變化和人類活動共同影響，但人類活動影響大于氣候變化。

前人研究中，通常將降水與氣溫單獨作為影響植被生長的影響因素，缺少氣候因子的協同作用分析。本文以2001—2018年MODIS NDVI數據為基礎，運用趨勢分析及多元回歸分析法，分析貴州省植被生長期(4—9月)NDVI與氣候因子的相關關系，旨在探究植被變化與氣候變化的關系，同時分區(qū)分析貴州省不同地貌類型的NDVI對降水與氣溫的協同響應，進一步研究植被變化對氣候變化的協同響應規(guī)律，為科學預估植被生長和應對氣候變化的影響提供依據。

1 研究區(qū)概況

貴州省(簡稱“黔”或“貴”)位于東經103°36′—109°35′、北緯24°37′—29°13′，地處云貴高原，東靠湖南，南鄰廣西，西毗云南，北連四川和重慶；境內地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1 100 m左右(圖1)。氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶濕潤季風氣候。氣溫變化小，冬暖夏涼，氣候宜人。降水較多，雨季明顯。截至2018年，全省森林覆蓋率已達57%。其中：全省9個市(州)、貴安新區(qū)的森林覆蓋率分別為黔東南州67.67%、銅仁市65.19%、黔南州64.66%、遵義市60.48%、六盤水市59.72%、黔西南州58.71%、安順市56.73%、畢節(jié)市54.19%、貴陽市52.16%、貴安新區(qū)27.99%。

圖1 貴州省地理位置

2 數據與方法

2.1 數據來源

氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)，選取2001—2018年能良好覆蓋貴州省的31個氣象站點逐日氣象資料。NDVI數據選用2001—2018年MODIS 16 d合成的NDVI數據產品MOD13Q1/NDVI，數據在美國國家航空航天局地球觀測系統(tǒng)數據和信息系統(tǒng)(NASA′s Earth Observing System Data and Information System)下載，利用最大值合成法進行預處理，消除云和大氣的干擾，并合成逐月NDVI數據。地貌數據來源于地理國情監(jiān)測云平臺(http:∥www.dsac.cn/)，經過重分類處理所得。

2.2 研究方法

2.2.1 Anusplin插值方法 局部薄盤光滑樣條函數(Partial thin plate smoothing splines)基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數插值理論，目前該模型形成了一種較為成熟的專用氣候因子插值工具—ANUSPLIN。它在實際應用中完成了一批有影響力的空間化氣候因子數據集[22-24]。模型中引入經度、緯度、海拔等多個地理因子作為線性變量和協變量，公式如下：

Zi=f(Xi)+byi+ei

式中:Zi為待空間化柵格i點的氣溫、降水;Xi為d維樣條獨立變量；f(Xi)為需要估算的關于Xi的未知光滑數;yi為p維獨立協變量;b為yi的p維系數;ei為期望值為0的自變量隨機誤差。

2.2.2 一元線性回歸趨勢分析 基于Matlab的柵格數據一元線性回歸及顯著性檢驗法[4-7,16,25-27]，計算公式如下：

式中:θslope為回歸方程斜率,θslope>0,表示變量呈增加趨勢,θslope<0,表示變量呈減少趨勢；n表示監(jiān)測累積年數(n=18);Ci表示第i年的累積變量。

表1 趨勢變化等級劃分

2.2.3 多元地理回歸模型 植被的生長受制于氣候因子(降水、氣溫)的變化，研究NDVI與氣候因子(降水、氣溫)的定量關系，以探究降水、氣溫對植被生長的協同作用。基于Matlab的柵格數據多元線性回歸模型及顯著性檢驗法[1,4,7,17,24,26-30]，對貴州省2001—2018年植被生長期的NDVI與降水、氣溫空間插值數據逐像元進行分析。

偏相關分析計算公式如下：

式中:T表示氣溫;P表示降水;RNDVI-T表示NDVI與氣溫的相關系數；RNDVI-P表示NDVI與降水的相關系數；RT-P表示氣溫與降水的相關系數。

多元回歸分析計算公式如下：

YNDVI=aXT+bXP+ε

式中:T表示氣溫;P表示降水;a,b為偏回歸系數;ε為回歸常數,為隨機誤差,也是一個隨機變量。

3 結果與分析

3.1 2001-2018年貴州省氣候因子的時空動態(tài)變化

氣候變化影響著植被生長變化，因此本文基于Anusplin插值方法所得貴州省2001—2018年植被生長期逐月降水、氣溫柵格數據，分別計算18 a植被生長期的平均降水、氣溫(圖2)，探究植被生長期的降水和氣溫的空間特征。由圖2可得，貴州省植被生長期的降雨空間分布特征為降雨量自西北向東南呈帶狀依次遞減；降雨量最少區(qū)主要分布于畢節(jié)市及遵義市西北部地區(qū)(110～120 mm)，貴州省中部地區(qū)降雨量可達130～160 mm，貴州省西南地區(qū)降雨量整體為160～170 mm。貴州省植被生長期氣溫空間分布存在明顯空間差異，氣溫空間分布特征呈西低東高的特征；氣溫最高區(qū)與氣溫最低區(qū)兩者氣溫相差達14℃；氣溫最低區(qū)主要分布與貴州省西部地區(qū)，以畢節(jié)市及六盤水市最為顯著(11.5～17.5℃)；氣溫最高區(qū)主要分布于黔西南州與安順市交界地區(qū)(23.5～25.5℃)。

3.2 2001-2018年貴州省植被NDVI時空動態(tài)

為探究貴州省植被覆蓋狀況，依據前人研究[31-32]劃分植被覆蓋度，分為低植被覆蓋度(0≤FVC<0.2)、中低植被覆蓋度(0.2≤FVC<0.4)、中等植被覆蓋度0.4≤FVC<0.6)、中高植被覆蓋度(0.6≤FVC<0.8)和高植被覆蓋度(0.8≤FVC≤1)。貴州省整體植被覆蓋良好，全省86.14%的地區(qū)以中高植被覆蓋度等級為主；貴州省18 a植被生長期的植被覆蓋等級呈東高西低的空間分布特征，以畢節(jié)市西部、貴陽市南部及安順市北部地區(qū)為中低及中等植被覆蓋度等級。由圖3可知，2001—2018年貴州省植被生長期NDVI均值總體呈波動上升趨勢，上升速率為0.042/10 a；2001年NDVI值最低，僅0.62，2016年NDVI值最高，為0.72。利用一元線性回歸趨勢分析法結合F檢驗法對貴州省2001—2018年植被生長期NDVI值的變化趨勢進行顯著性分析，用于表示趨勢變化置信度的高低，見圖4。由圖4可知，貴州省植被覆蓋總體呈不斷增加趨勢，且全省植被覆蓋呈增加趨勢地區(qū)遠大于減小區(qū)域；2001—2018年，貴州省植被生長期極顯著增加的區(qū)域占42.23%，顯著增加的區(qū)域占15.91%；非顯著增加的區(qū)域占32.20%，非顯著減少的區(qū)域占7.30%，顯著減少的區(qū)域占0.61%，極顯著減少的區(qū)域占0.75%。整體來看，貴州植被整體上顯著改善，但仍然有部分區(qū)域植被退化，結合遙感影像和現場調查，退化的區(qū)域主要為城鎮(zhèn)化建設區(qū)域。

圖2 貴州省18 a植被生長期平均降水和平均氣溫

圖3 2001-2018年貴州省植被生長期NDVI均值變化

3.3 氣候因子對植被生長協同作用分析

植被的變化是受多種因素的影響，但植被的生長主要受制于降水與氣溫；為探究植被生長期降水與氣溫對植被生長的影響作用，利用偏相關分析法，逐像元探究NDVI與降水、氣溫的相關性，并根據p值(0.05)的相關性系數進行定性分類，分為顯著正相關(p<0.05，相關系數r>0)，不顯著正相關(p≥0.05，相關系數r>0)，顯著負相關(p<0.05，相關系數r<0)，不顯著負相關(p≥0.05，相關系數r<0)。

由圖5和圖6可知，貴州省植被NDVI受氣溫和降水的影響顯著，且空間差異明顯。在控制溫度的情況下，貴州省植被NDVI與降水的相關系數介于-0.79～0.95，植被NDVI與降水的相關系數較高區(qū)主要分布于畢節(jié)市西部地區(qū)，最大正相關性系數為0.95；兩者呈負相關區(qū)主要分布于貴州省中部地區(qū)，最大負相關系數為0.79；其中，呈顯著正相關、不顯著正相關、顯著負相關、不顯著負相關的面積分別占全省總面積的8.59%，63.65%，0.47%，27.29%。在控制降水的情況下，貴州省植被NDVI與氣溫的相關系數介于-0.73～0.87，植被NDVI與氣溫的相關系數較高區(qū)主要分布于貴州省中部地區(qū)，最大正相關性系數為0.87；兩者呈負相關區(qū)主要分布于遵義市和銅仁市北部地區(qū)，最大負相關系數為0.73；其中，呈顯著正相關、不顯著正相關、顯著負相關、不顯著負相關的面積分別占全省總面積的6.95%，75.83%，0.08%，17.13%。對比貴州省植被NDVI與降水、氣溫的相關性可知，貴州省植被NDVI與氣溫的相關性大于其與降水的相關性，但在畢節(jié)市西部地區(qū)植被NDVI與降水的相關性高于氣溫，結合貴州省植被覆蓋情況可知，對于植被覆蓋良好區(qū)域影響植被生長狀態(tài)的主要氣候因子為氣溫，植被覆蓋較差的區(qū)域影響植被生長的主要氣候因子為降水。

圖4 2001-2018年貴州省植被生長期植被覆蓋度和NDVI變化趨勢

圖5 貴州省植被生長期NDVI與降水(控制氣溫)相關系數和相關性空間分布

圖6 貴州省植被生長期NDVI與氣溫(控制降水)相關系數和相關性空間分布

降水和氣溫的變化必然導致植被的變化，但是植被生長變化是降水和氣溫兩者共同作用的結果，貴州省特殊的地形地貌導致降水、氣溫空間分布不均，因此不同地區(qū)的植被生長對降水和氣溫敏感性存在差異。基于此，利用多元回歸分析法探究貴州省不同地區(qū)降水和氣溫對貴州省植被生長的協同響應規(guī)律。

由圖7可知，貴州省植被NDVI與降水、氣溫的多元回歸分析中，通過0.05顯著性檢驗的降水系數的空間分布特征與NDVI與降水的偏相關分析的相關系數空間分布特征基本一致，多元回歸分析中降水系數介于-0.13～1.63；降水系數較大區(qū)主要以畢節(jié)市西部、遵義大部分地區(qū)及銅仁市西北地區(qū)為主，總體呈北高南低；同理，通過0.05顯著性檢驗的氣溫系數的空間分布特征與NDVI與氣溫的偏相關分析的相關系數空間分布特征基本一致，多元回歸分析中氣溫系數介于-0.15～0.98，貴州省氣溫系數較小區(qū)主要分布于畢節(jié)市東部；畢節(jié)市西部、遵義大部分地區(qū)及銅仁市西北地區(qū)，其他區(qū)氣溫系數較高。

圖7 貴州省植被生長期NDVI與降水、溫度多元回歸系數空間分布

對比分析通過0.05顯著性檢驗的降水和氣溫系數空間分布圖可知，在貴州省的西北地區(qū)即畢節(jié)市西部、遵義大部分地區(qū)、銅仁西北部地區(qū)，植被的生長主要受降水的影響較大，其他地區(qū)植被的生長受氣溫的影響較大。

以貴州省地貌類型圖為基礎，對不同地貌類型區(qū)域的NDVI與氣候因子的回歸系數進行分區(qū)統(tǒng)計，結果見圖8。貴州省不同地貌類型區(qū)的植被NDVI與降水、氣溫的回歸系數分別表現為，降水系數：喀斯特丘陵洼地>喀斯特中山谷地>峰林谷地>峰叢谷地>深切低山>峰林溶原(盆地)>喀斯特低山谷地>淺切中山>淺切低山>峰叢洼地>深切中山；氣溫系數：深切中山>淺切中山>峰叢洼地>淺切低山>峰叢谷地>喀斯特中山谷地>峰林溶原(盆地)>喀斯特低山谷地>峰林谷地>深切低山>喀斯特丘陵洼地；對同一地貌類型，NDVI與降水、氣溫的回歸系數表現為氣溫的系數>降水的系數。

圖8 不同地貌類型區(qū)的植被NDVI與降水、氣溫回歸系數空間分布

4 討論與結論

4.1 討 論

本文研究結果表明貴州省2001—2018年生長期植被NDVI總體呈上升趨勢，植被覆蓋增加，與張培培等[20]研究結果一致。貴州省NDVI與降水、氣溫的相關性表現出明顯的空間差異性，總體來看，NDVI與氣溫的相關性高于降水[19,33]。究其原因為，貴州省河流數量較多，50 km2以上河流1 059條，河流尺度小，河網密度大[34]，水資源豐富，植被生長需要的水分來源并不以降水為主，降水不是限制植被生長的主要因子[14]。

探究降水、氣溫對植被生長的協同影響，得到降水對畢節(jié)市西部、遵義大部分地區(qū)、銅仁西北部地區(qū)的植被生長影響更顯著，而其他地區(qū)植被的生長受氣溫的影響較大。統(tǒng)計可知，NDVI與降水的相關性表現為喀斯特區(qū)域高于非喀斯特區(qū)域，與氣溫的相關性表現與之相反。喀斯特地貌由于石灰?guī)r巖石裂隙發(fā)達，漏水嚴重，土層又淺薄，保水性極差，時常處于干旱狀態(tài)，水分貧乏[35]，在石漠化綜合治理、退耕還林還草等生態(tài)工程的開展后，貴州省生態(tài)恢復取得成效，植被生長環(huán)境不斷改善，植被覆蓋度增加，但喀斯特區(qū)域生境保水性差，故降水與氣溫對植被生長的協同作用表現為降水高于氣溫，非喀斯特區(qū)域生境保水性相對較好，植被生長對氣溫的敏感高于降水。

不同地區(qū)的地理環(huán)境不同，影響植被生長的因素不同，同時考慮多種因子的影響，對探究植被生長變化有重要意義，本文僅探究了降水、氣溫對植被生長變化的影響，缺少與其他因子的協同探究，影響植被覆蓋度的條件是復雜的，仍需繼續(xù)深入探究。

4.2 結 論

(1) 2001—2018年貴州省植被生長期NDVI均值總體呈波動上升趨勢，上升速率為0.042/10 a，且全省植被覆蓋呈增加趨勢地區(qū)遠大于減小區(qū)域。

(2) 貴州省植被NDVI受氣溫和降水的影響顯著，且空間差異明顯。對比貴州省植被NDVI與降水、氣溫的相關性可知，貴州省植被NDVI與氣溫的相關性大于其與降水的相關性，但在畢節(jié)市西部地區(qū)植被NDVI與降水的相關性高于氣溫。

(3) 植被覆蓋良好區(qū)域影響植被生長狀態(tài)的主要因素為氣溫，植被覆蓋較差的區(qū)域影響植被生長的主要氣候因子為降水。在貴州省的西北地區(qū)植被的生長主要受降水的影響較大，其他地區(qū)植被的生長受氣溫的影響較大。

(4) 同一地貌類型，植被NDVI與降水、氣溫的回歸系數表現為氣溫大于降水。