山東省近10年植被覆蓋度變化與氣候因子相關(guān)性分析

宋鵬飛，季 民，李 剛

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量交換、生物地球化學(xué)循環(huán)和水文循環(huán)中起著重要的作用，是衡量生態(tài)環(huán)境狀況和表現(xiàn)的主要指標(biāo)[1-2]。植物的年際變化和季節(jié)變化特征十分明顯，其生長(zhǎng)受溫度、降水等氣候因子影響很大，植被生長(zhǎng)狀況是氣候特征的綜合反映[3]，植被覆蓋度是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)[4]。近10年來(lái)，遙感技術(shù)飛速發(fā)展并且在地球環(huán)境監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用，基于MODIS/NDVI數(shù)據(jù)的植被覆蓋率變化的監(jiān)測(cè)對(duì)于探討區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題很有幫助[5]。因此研究植被覆蓋與氣候因子相互關(guān)系在當(dāng)前研究區(qū)域，乃至全球可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)植被覆蓋率變化應(yīng)用不同方法在不同的角度進(jìn)行過(guò)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(shí)相變換方法，李鈺溦等進(jìn)行了中國(guó)北方地區(qū)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(qū)植被覆蓋度研究等為研究植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化提供了一些理論與研究方法。其中信志紅等利用MODIS數(shù)據(jù)分析了黃河口即山東東營(yíng)地區(qū)植被覆蓋變化與氣候因子的關(guān)系，并且得出植被覆蓋度與氣候因子的年際變化總體趨勢(shì)較為相似的結(jié)論[7-11]。但目前還沒(méi)有對(duì)整個(gè)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(guān)性分析，因此本文試驗(yàn)對(duì)整個(gè)山東地區(qū)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(guān)性，以及在時(shí)間序列上植被NDVI與降水、溫度的相關(guān)性及滯后性進(jìn)行研究與分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于華東地區(qū)，經(jīng)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(fēng)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(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本文研究所用的數(shù)據(jù)為MODIS/NDVI數(shù)據(jù)，下載自美國(guó)國(guó)家航空航天局網(wǎng)站，數(shù)據(jù)類型為MOD13A3(月植被數(shù)據(jù))，使用MRT軟件將數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換WGS_1984_Albers，使用ArcGIS軟件打開(kāi)并進(jìn)行影像裁剪等預(yù)處理[13]。進(jìn)行地圖代數(shù)計(jì)算對(duì)，每個(gè)影像數(shù)據(jù)均乘以0.000 1，使值域?yàn)閇-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(qū)統(tǒng)計(jì)功能工具提取山東界內(nèi)柵格數(shù)據(jù)的NDVI值，將其整理為NDVI的年數(shù)據(jù)集、月數(shù)據(jù)集和季數(shù)據(jù)集；另一方面，使用多值提取至點(diǎn)功能將柵格數(shù)據(jù)NDVI值批量提取到氣象站點(diǎn)屬性表中，然后將每個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為一條記錄導(dǎo)出分析。

降水、溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng)，首先將其整理為2005—2015年共11年的年均值、12個(gè)月的月均值和4個(gè)季度的季均值共54個(gè)數(shù)據(jù)，然后用克里金法分別進(jìn)行空間插值，剪裁出研究區(qū)范圍，提取山東省內(nèi)的降水和溫度數(shù)據(jù)值。利用ArcGIS空間區(qū)域分析的以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)的功能，導(dǎo)出到表格，并分類整理成降水和溫度的年數(shù)據(jù)集、月數(shù)據(jù)集和季數(shù)據(jù)集以便后期分析。

1.3 研究方法

1.3.1 重心模型

在力學(xué)原理中，將研究區(qū)域劃分成幾個(gè)大小相等的單元，可以根據(jù)每個(gè)單元的中心坐標(biāo)(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(jiān)測(cè)植被覆蓋度變化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠直觀地反映出其變化規(guī)律[14-15]，重心坐標(biāo)計(jì)算公式為

(1)

1.3.2 相關(guān)系數(shù)模型

為了研究植被生長(zhǎng)變化及其與降水、溫度的相關(guān)性，以及滯后期氣候因子對(duì)植被覆蓋度的影響，采用了相關(guān)系數(shù)模型，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

2 山東省植被覆蓋度變化與氣候因子相關(guān)性分析

2.1 植被覆蓋度變化與降水、溫度的年動(dòng)態(tài)變化分析

經(jīng)過(guò)大量研究[18-22]，NDVI可以作為反映植被覆蓋度的一個(gè)重要指標(biāo)，并且國(guó)內(nèi)外許多關(guān)于植被生長(zhǎng)情況的研究都采用植被的NDVI數(shù)據(jù)。為揭示山東省植被覆蓋度在年空間分布和時(shí)間序列上的動(dòng)態(tài)變化，以及降水、溫度對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，將結(jié)合重心模型計(jì)算年植被空間重心坐標(biāo)，伴隨連續(xù)的時(shí)間變化得到變化的重心坐標(biāo)，以此來(lái)反映植被在空間分布上的動(dòng)態(tài)變化。依次計(jì)算植被NDVI和降水、溫度的重心坐標(biāo)。將整組2005—2015年的植被重心坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成一個(gè)散點(diǎn)圖，用箭頭指出其每連續(xù)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(duì)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(fā)現(xiàn)植被與降水、溫度存在明顯的相關(guān)性。

圖2 2005—2015年NDVI與溫度的重心遷移軌跡對(duì)比

(1) NDVI與降水量的年重心遷移軌跡對(duì)比。2005—2015年內(nèi)研究區(qū)植被NDVI重心遷移軌跡與降水重心遷移軌跡具有明顯相關(guān)性，山東省植被覆蓋在很大程度上受降水變化影響。同時(shí)，其他因素也對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生較大的影響，主要表現(xiàn)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(xiàn)完全相反的狀態(tài)，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(duì)比。研究以上結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2005—2015年內(nèi)研究區(qū)植被NDVI的重心轉(zhuǎn)移軌跡與溫度的重心遷移軌跡在方向上具有很大的相關(guān)性，山東省地區(qū)植被覆蓋在很大程度上受到溫度變化的影響。同時(shí)，其他因素也對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生較大的影響，主要表現(xiàn)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(xiàn)完全相反的狀態(tài)，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(zhǎng)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(guān)性。植被生長(zhǎng)受降水和溫度的綜合因素影響，單獨(dú)一種因素不能完全影響植被的生長(zhǎng)。

2.2 植被覆蓋度變化及其與降水、溫度的相關(guān)性分析

為分析年降水、溫度對(duì)植被覆蓋度變化的影響，對(duì)山東省2005—2015年的植被NDVI數(shù)據(jù)與降水、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出它們的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)不大。為直觀地展現(xiàn)植被覆蓋度變化及其與氣候因子的關(guān)系，下面將植被NDVI數(shù)據(jù)及降水和溫度的年數(shù)據(jù)生成植被NDVI與降水量年變化趨勢(shì)對(duì)比圖(如圖3所示)和植被NDVI與溫度的年變化趨勢(shì)對(duì)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(shù)影像圖(如圖5所示)反映植被覆蓋度的變化過(guò)程。分析發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)狀態(tài),且從2005年的0.395 8到2015年的0.425 6，共增長(zhǎng)了7.52個(gè)百分比。

圖3 2005—2015年NDVI與年降水量的變化趨勢(shì)對(duì)比

圖4 2005—2015年NDVI與年溫度的變化趨勢(shì)對(duì)比

圖5 2005—2015年山東省植被NDVI指數(shù)影像

通過(guò)分析圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度的年變化與氣候因子存在明顯的相關(guān)性，只有2012—2013年的植被與降水、溫度都呈反向變化。這說(shuō)明，山東省植被的年生長(zhǎng)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(fā)生變化到植被吸收進(jìn)行光合作用，然后再通過(guò)植被的生長(zhǎng)狀況，反映到植被覆蓋變化上需要一定的時(shí)間，即NDVI對(duì)氣候因子的影響表現(xiàn)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(shù)據(jù)，對(duì)二者進(jìn)行月滯后性分析。將計(jì)算NDVI與降水和溫度的當(dāng)前月、前一月、前兩月、前三月、當(dāng)月—前一月、當(dāng)月—前兩個(gè)月、當(dāng)月—前三個(gè)月等7個(gè)時(shí)間段的分析。

分析表明，山東省地區(qū)植被NDVI與降水因子表現(xiàn)為正相關(guān)性，整個(gè)山東省地區(qū)的植被NDVI受前0—1月(即當(dāng)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(jìn)一步分析當(dāng)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(guān)系數(shù)(如圖6所示)表明，研究區(qū)NDVI值主要受前一月降水量的影響，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.790，其次為當(dāng)前月和前二月降水量的影響，相關(guān)系數(shù)分別為0.744和0.538 1。

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

圖6 植被NDVI對(duì)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(qū)植被NDVI與降水因子表現(xiàn)為正相關(guān)性，整個(gè)山東省地區(qū)的植被NDVI受前0—1月(即當(dāng)前月和前一月的降水之和)降水影響最大，其次為當(dāng)前月。進(jìn)一步分析當(dāng)前月、前一月、前三月和前1—3月的累積降水與NDVI的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)NDVI值主要受當(dāng)前月降水量的影響，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.91，其次為前一月和前二月降水量的影響，相關(guān)系數(shù)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(qū)植被NDVI與溫度因子表現(xiàn)為正相關(guān)性，整個(gè)山東省地區(qū)的植被NDVI受前0—1月(即當(dāng)前月和前一月的平均溫度)溫度影響最大，其次為當(dāng)前月。進(jìn)一步分析當(dāng)前月、前一月、前三月和前1—3月的平均溫度與NDVI的相關(guān)系數(shù)表明，研究區(qū)NDVI值主要受當(dāng)前月溫度的影響，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.899 9，其次為前一月和前二月平均溫度的影響，相關(guān)系數(shù)分別為0.860 4、0.527 4。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)山東省2005—2015年的植被覆蓋度變化與氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明近10年來(lái)，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(shì)并且與氣候因子具有顯著的相關(guān)性。

(1) 溫度和降水對(duì)植被覆蓋度變化具有明顯影響。植被的生長(zhǎng)在空間和時(shí)間序列上都受到降水和溫度的影響，2005—2015年研究區(qū)內(nèi)植被NDVI的重心轉(zhuǎn)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(guān)性。植被NDVI在時(shí)間序列上與降水和溫度有很大的相關(guān)性，山東省地區(qū)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(duì)溫度、降水的變化存在“時(shí)滯效應(yīng)”。植被NDVI對(duì)氣候因子的變化響應(yīng)的滯后期為1個(gè)月。山東省植被NDVI對(duì)氣候變化響應(yīng)的空間規(guī)律與省內(nèi)氣候特征的空間分布基本一致。當(dāng)氣候因子變化到達(dá)一定程度時(shí)，會(huì)引起植被發(fā)生變化，因而植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在時(shí)滯效應(yīng)。