余夢晨，李 迎，李月芬

（吉林大學地球科學學院，長春 130061）

植被作為組成生態(tài)系統(tǒng)的重要成分，似中間樞紐連接著大氣、土壤和水體，通過光合作用與呼吸作用，在維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著不可或缺的作用［1，2］。植被的生長分布與氣候、海拔以及人文等環(huán)境因素有著密不可分的聯(lián)系［3］。在所有環(huán)境因素中，氣候因素對植被具有重要影響，其中，溫度主要影響植被對二氧化碳以及一些養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)化，降水主要提供植被生命活動必需的水分，兩者共同作用，共同影響植被的生長［4，5］。研究植被動態(tài)變化與自然環(huán)境和人類社會變化的關(guān)系，對評價生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，調(diào)節(jié)生態(tài)過程以及反映人類活動對植被覆蓋變化的影響具有重要意義［5-8］。

歸一化差異植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）作為最常用的植被指數(shù)之一，可以指示植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、生物量和生產(chǎn)力等植被性狀［9，10］?；陂L時間序列NDVI的研究在反映區(qū)域植被動態(tài)變化、監(jiān)測植被生長等方面有突出優(yōu)勢，是當前全球變化研究的主要內(nèi)容之一［11-15］。

目前，一些學者從時空兩個維度出發(fā)，基于長時序的NDVI數(shù)據(jù)集，反演植被覆蓋的動態(tài)變化并對NDVI與其影響因子之間的關(guān)系和響應機制進行深入研究［16-20］。還有一些學者基于NDVI進行了相關(guān)研究。欒金凱等［21］通過復直線回歸分析和殘差分析，實現(xiàn)定量分析影響植被動態(tài)變化的氣候因素和人為因素，區(qū)分不同因素對NDVI變化的貢獻，并對NDVI的未來變化進行預測。高江波等［22］從宏觀尺度分析了氣候因子與植被動態(tài)的關(guān)系，基于地理加權(quán)等方法厘清了不同植被活動空間與氣象因子的響應程度。Peng等［23］量化自然環(huán)境因子對NDVI的影響，確定對植物生長最為有利的自然環(huán)境因子以及因子交互作用的特征，以適應氣候變化的大背景。徐芝英等［24］選取NDVI表征浙江省植被覆蓋，利用小波分析法對研究區(qū)的自然、人文因素進行尺度特征的識別并且進行了多因子多尺度相關(guān)性分析。稅燕萍等［25］基于inVEST生境質(zhì)量模型，以生長季NDVI為植被變化表征，評估多年拉薩河流域的生境質(zhì)量變化，為開展相應的生態(tài)保護措施提供參考。本研究基于MODIS MOD 13Q1陸地植被數(shù)據(jù)，采用趨勢分析方法探究植被隨時間和空間的動態(tài)變化，結(jié)合氣溫與降水數(shù)據(jù)，探究氣候因子與生長季NDVI的關(guān)系，進一步揭示浙江省NDVI的時空變化特征，為浙江省乃至周邊快速發(fā)展的省市提供植被保護與生態(tài)環(huán)境建設參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

浙江省（27°01′—31°10′N，118°01′—123°08′E）位于長江三角洲的南部沿海地區(qū)，地形主要有山地、丘陵、平原、盆地等，整體地勢由西南向東北傾斜（圖1）。浙江中部主要為丘陵盆地地區(qū)，西部、南部和距離海岸線較遠的東部地區(qū)主要為山地丘陵地區(qū)，主要城市為衢州市、金華市、麗水市；浙江省北部和沿海東部地區(qū)主要為丘陵平原地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，城市化進程快，產(chǎn)業(yè)集聚度高，主要城市為湖州市、嘉興市、杭州市、紹興市、寧波市、臺州市和溫州市。氣候為典型的亞熱帶季風氣候，季節(jié)變化明顯，年均溫為15～18℃，年均降水量為1 200～2 000 mm。全省生物資源豐富，森林覆蓋率可達60%，主要植被類型為亞熱帶常綠闊葉林。

圖1 浙江省地形

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

NDVI數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局NASA（https：∕∕ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov∕search∕）發(fā)布的MODIS MOD 13Q1陸地3級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。本研究選取的時間范圍為2005—2018年植被生長季（5—9月）。

首先，通 過MRT（MODIS reprojection tools）和ArcGIS10.6.1等軟件將源數(shù)據(jù)進行提取、拼接、投影轉(zhuǎn)換和剪裁等批處理操作。其次為與氣候數(shù)據(jù)時間性保持一致并且消除大氣和衛(wèi)星誤差，采用MVC最大化合成法，得到2005—2018年生長季的NDVI月數(shù)據(jù)集［26］。最后，提取5—9月NDVI平均值得到生長季NDVI數(shù)據(jù)，用以指示年際變化。研究所需的氣候數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：∕∕data.cma.gov.cn∕），包括18個氣象站點2005—2018年的月平均氣溫和月累計降水量，經(jīng)過計算處理可以得到研究需要的浙江省的氣溫和降水量數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析采用一元線性回歸方程的斜率代表每個柵格像元隨時間變化的變化趨勢［27］，柵格斜率變化的計算如式（1）所示。

式（1）中，slope表示浙江省植被生長季NDVI的變化斜率；n為年數(shù)；為第i年植被生長季NDVI的平均值。Slope＞0表示研究區(qū)域植被覆蓋面積變大，NDVI多年變化趨勢為增加；slope＜0表示研究區(qū)植被覆蓋面積變小，NDVI多年變化趨勢為減少；slope=0表示NDVI在時間序列中保持不變。

2.2.2 相關(guān)分析相關(guān)分析法是研究各個變量之間相互關(guān)系的一種方法。自然界中許多變量可能有聯(lián)系，也可能沒有聯(lián)系，相關(guān)分析可以用于評估兩者或多者之間的響應程度［21］。其計算公式如式（2）所示。

式（2）中，n為樣本數(shù)；Xˉ代表變量xi的平均值；Yˉ代表變量yi的平均值；rxy表示變量xi和變量yi的相關(guān)系數(shù)。rxy＞0表示植被覆蓋狀況改善；rxy＜0表示植被覆蓋狀況惡化。如果rxy通過P=0.05的顯著性檢驗，則表示植被發(fā)生顯著變化。

2.2.3 變異系數(shù)變異系數(shù)用于反映柵格單元值的波動水平。一般來說，變異系數(shù)越大，說明植被在多年時間序列的生長季波動越大，NDVI就越不穩(wěn)定；反之，變異系數(shù)越小，說明植被變化程度越小，NDVI就越穩(wěn)定［28，29］。變異系數(shù)的計算公式如式（3）所示。

式中，CV為柵格像元值的變異系數(shù)；NDVIi為對應的第i年植被生長季NDVI為2005—2018年植被生長季NDVI的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被生長季NDVI空間分布特征

浙江省2005—2018年植被生長季NDVI多年均值整體水平較高，在空間上呈差異分布（圖2）。這種植被覆蓋空間分布差異性與浙江省的地形幾乎吻合，即浙江省中部丘陵盆地地區(qū)、北部平原地區(qū)以及東南丘陵地區(qū)對應的植被覆蓋度較低。推測其原因在于人類活動多集中在這些地區(qū)，人類社會對生態(tài)系統(tǒng)的擾動使得全省即使在氣溫和降水相對平均的情況下這些地區(qū)的植被覆蓋度仍相對較低。

圖2 2005—2018年植被生長季NDVI多年均值空間分布

3.2 植被生長季NDVI時間變化特征

3.2.1 區(qū)域尺度NDVI變化由圖3可知，浙江省2005—2018年植被生長季NDVI年均值變化范圍為0.643 1～0.673 3，多年平均值為0.654 1，研究區(qū)整體NDVI較高，反映出浙江省植被生長季整體覆蓋水平較高。

圖3 浙江省植被生長季NDVI年際變化

浙江省2005—2018年NDVI總體呈極顯著上升趨勢，年均增速為0.001 6，R2為0.54，P=0.002 8，通過P＜0.01的顯著性檢驗，說明浙江省近14年的植被覆蓋顯著增加，生態(tài)效益不斷提升。14年間NDVI變異系數(shù)為0.014 1，說明在此期間植被覆蓋率很穩(wěn)定。浙江省植被NDVI在14年間出現(xiàn)3個明顯的增加 階 段（2010—2013年、2014—2016年 和2017—2018年）、2個明顯的下降階段（2007—2008年和2013—2014年）和1個波動維持平衡階段（2005—2007年）。

3.2.2 像元尺度NDVI變化圖4反映了浙江省逐像元NDVI時間動態(tài)變化趨勢。根據(jù)分析將像元的趨勢變化分為5個級別，分別為快速退化（slope≤-0.015）、緩慢退化（-0.015＜slope≤-0.004）、保持穩(wěn)定（-0.004＜slope≤0.004）、緩 慢增加（0.004＜slope≤0.015）和快速增加（slop＞0.015）?？傮w來看，浙江省NDVI變化趨勢是增加的。

圖4 2005—2018年浙江省植被生長季NDVI的變化斜率（slope）分布

由表1可以看出，浙江省NDVI快速增加地區(qū)的面積為778.500 km2，占比為0.7%，主要分布在浙江省南部和西部的山地地區(qū)；NDVI快速退化地區(qū)的面積為2 975.438 km2，占比為2.8%，主要分布在浙江省中部和北部的丘陵平原地區(qū)以及東部的沿海丘陵地區(qū)，即經(jīng)濟較發(fā)達、人類活動活躍地區(qū)；NDVI緩慢增加、保持穩(wěn)定和緩慢退化地區(qū)占據(jù)主導地位，占浙江省總面積的96.5%。

表1 2005—2018年浙江省植被變化趨勢分析

通過相關(guān)分析和顯著性檢驗得到浙江省NDVI變化的顯著性如圖5所示。相關(guān)系數(shù)（r）大于0.532表示通過α=0.05的顯著性檢驗，據(jù)此將顯著性水平分為4個級別，分別為顯著減少（-0.986＜r＜-0.532）、減少不顯著（-0.532≤r＜0）、增加不顯著（0＜r≤0.532）、顯著增加（0.532＜r＜0.986）。從圖5和表2可以看出，浙江省NDVI顯著增加區(qū)域面積為24 007.063 km2，占浙江省面積的23.0%，主要分布在浙南、浙西和浙中的山地地區(qū)，這是由于這些區(qū)域的地形地貌難以開發(fā)利用或者是開發(fā)成本較高，所以使得植被自然生長；NDVI顯著減少的區(qū)域面積為8 313.188 km2，占浙江省總面積的8.0%，主要分布在浙北和浙東的丘陵平原地區(qū)。浙江省城市化和工業(yè)化進程的的進一步推進使得城市周邊的可利用土地迅速被開發(fā)使用，即使強調(diào)保護為先的生態(tài)理念，植被生長環(huán)境在人類活動的影響下依然有所惡化［30］，表現(xiàn)為NDVI顯著下降。增加不顯著和減少不顯著的區(qū)域則占了浙江省總面積的69.0%，這部分相對穩(wěn)定區(qū)域是由于浙江省環(huán)境保護政策和自然生態(tài)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性所決定的。

表2 2005—2018年浙江省植被動態(tài)變化顯著性分析

圖5 2005—2018年浙江省植被生長季NDVI變化顯著性分布

3.3 植被穩(wěn)定性空間分布特征

根據(jù)變異系數(shù)（CV）的計算結(jié)果，并參照文獻［28］，將植被穩(wěn)定性分為9個級別。結(jié)果（圖6）顯示，浙江省植被穩(wěn)定性總體較好，區(qū)域分異較為明顯。低波動（CV≤0.05）區(qū)域面積占比為59.8%，較低波動（0.05＜CV≤0.10）區(qū)域面積占比為26.0%，二者幾乎遍布整個浙江省。較高波動（0.10＜CV≤0.15）區(qū)域面積占比為6.5%，高波動（CV＞0.15）區(qū)域面積占比為7.7%，主要分布在浙江省北部平原、中部和東部的丘陵盆地等經(jīng)濟和人文活動較為活躍的地區(qū)，主要分布城市為嘉興市、湖州市、杭州市、紹興市、寧波市、臺州市和溫州市。

圖6 2005—2018年浙江省植被生長季NDVI變異系數(shù)分布

3.4 生長季NDVI與降水量和溫度的關(guān)系

將氣象數(shù)據(jù)進行處理與分析后，可以得到浙江省植被生長季平均氣溫和累計降水量的年際變化（圖7）。浙江省位于亞熱帶季風區(qū)，植被生長季（5—9月）降水豐富，氣溫較高，天氣較為炎熱。2005—2018年，研究區(qū)植被生長季的年際氣溫緩慢下降，每年下降0.003 6℃，未通過顯著性檢驗，并在2012—2016年出現(xiàn)大幅波動（圖7a）。浙江省植被生長季的平均氣溫在24.7～26.2℃波動，2015年最低，2013年最高，多年均值為25.7℃。14年間，浙江省生長季累計降水量的總體趨勢為增加，每年的增加量為5.876 mm，未通過顯著性檢驗，在2011—2014年波動較大（圖7b）。14年間生長季累計降水量為649.8～1 166.5 mm，2013年最小，2014年最大，多年均值為873.4 mm。

圖7 2005—2018年浙江省植被生長季氣溫和降水量年際變化

浙江省植被生長季的NDVI與氣候因子的相關(guān)分析結(jié)果（圖8）表明，年尺度上，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.447 3，未通過顯著性檢驗（P=0.108 8），NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.178 2，也未通過顯著性檢驗（P=0.542 3）；月尺度上，NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.775 6，為極顯著正相關(guān)（P＜0.01），NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.225 3，未通過顯著性檢驗（P=0.060 7）。結(jié)合相關(guān)分析結(jié)果，對氣溫、降水量14年間生長季月數(shù)據(jù)歸一化后與NDVI進行多元線性回歸分析，得y=0.590 6x1-0.057 5x2+0.357 3，其中x1表示氣溫，x2表示降水量，y表示NDVI。綜合考慮雙尺度相關(guān)分析和多元線性回歸分析，得到生長季氣溫對浙江省植被覆蓋的影響比降水量對植被覆蓋的影響更大，氣溫可以被認為是14年間浙江省生長季對植被影響更為顯著的氣候因子，且氣溫增加對全省植被生長具有正向作用。

圖8 2005—2018年浙江省植被生長季NDVI與氣溫和降水量的相關(guān)性

分析生長季各月NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)，目的是探索相同時間跨度下細化時間寬度，進一步研究溫度和降水量對NDVI的影響程度，結(jié)果見表3。其中，NDVI與氣溫的相關(guān)性只有在5月、7月呈中等相關(guān)關(guān)系，在8月呈弱相關(guān)關(guān)系，對應的相關(guān)系數(shù)分別為0.513 0、0.620 7和0.224 3，其中7月通過0.05水平的顯著性檢驗。NDVI與降水量的相關(guān)性在7月和8月呈顯著負相關(guān)，對應的相關(guān)系數(shù)分別為-0.577 8和-0.547 8，二者都通過了0.05水平的顯著性檢驗。在全球氣候變化的背景下，生長季中期的植被對氣溫和降水量的響應更為顯著。

表3 植被生長季月NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)性

4 討論

本研究分析了2005—2018年浙江省植被生長季NDVI的時空變化情況，并探究了生長季植被變化與氣候因子的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，2005—2018年浙江省植被覆蓋年際變化顯著提升，生長季NDVI與溫度呈顯著正相關(guān)，為主要氣候因子，而與降水量呈負相關(guān)。也有研究顯示降水量為主要氣候因子，降水量與NDVI為正相關(guān)關(guān)系，氣溫則與NDVI為負相關(guān)關(guān)系［11，30］。產(chǎn)生差異的主要原因可能在于浙江省近20年來年降水量呈增加趨勢，且兩者研究的時間尺度不同，本研究為植被生長季，而該研究為全年。相關(guān)研究表明，氣溫為主要氣候因子的地區(qū)總是雨量充沛，空氣濕度較大，而降水量為主要氣候影響因子的地區(qū)則多為干旱、半干旱地區(qū)，降水量較少［31，32］。

浙江省整體植被覆蓋水平高，但是區(qū)域分異顯著，往往是經(jīng)濟發(fā)達、人類活動頻繁地區(qū)的植被覆蓋度低，穩(wěn)定性差，而海拔較高、經(jīng)濟相對落后地區(qū)的植被覆蓋較高。已有的研究結(jié)果表明，人類活動頻繁、城市擴張會導致城市周邊植被退化［33，34］。氣候變化和人類活動都是影響植被時空變化的重要因素，二者和其他因素一起共同形成現(xiàn)今植被時空分布格局，影響植被的生長狀況。

本研究主要是分析了長時間序列下浙江省植被生長季的時空變化，并探究生長季NDVI與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。在數(shù)據(jù)預處理時，本研究基于MOD13Q1的250 m分辨 率的 浙江省NDVI數(shù)據(jù)，因為沒有使用高分影像數(shù)據(jù)進行驗證，如要進行市縣級的植被覆蓋變化研究還需進一步提高數(shù)據(jù)的分辨率和精確性。在研究生長季NDVI對氣候因子的響應時，采用了相關(guān)分析和多元線性回歸，沒有屏蔽因子之間的相互作用而進行偏相關(guān)分析。同時，人為因素和其他環(huán)境因素也是造成NDVI變化的主要因素之一，還需在以后的研究中采用地理探測器［35］等方法對其進行定性定量研究，借此評估自然因素和人為因素對植被變化的貢獻。

5 小結(jié)

1）NDVI的空間分布顯示，2005—2018年浙江省生長季植被覆蓋水平整體較高，植被覆蓋在空間水平上有所差異，高覆蓋區(qū)域主要在山地等海拔相對較高地區(qū)，低覆蓋區(qū)則主要分布在平原等低海拔地區(qū)，側(cè)面反映人類活動與植被覆蓋密切相關(guān)。

2）NDVI的時間變化顯示，從區(qū)域水平看，2005—2018年浙江省生長季的植被覆蓋呈極顯著上升趨勢，增速為0.001 6∕年，多年NDVI變異系數(shù)為0.014 1，說明植被覆蓋水平整體穩(wěn)定；從像元水平上看，NDVI趨勢保持穩(wěn)定的區(qū)域達61.1%，NDVI顯著減少和顯著增加的面積分別為8.0%和23.0%。其中，顯著減少的區(qū)域主要分布在浙北、浙中和浙東等地勢平坦且經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。顯著增加的像素點廣泛分布在各城市，說明各地在發(fā)展經(jīng)濟的同時也兼顧生態(tài)保護，生態(tài)效應日趨顯著，但經(jīng)濟發(fā)達城市的主要現(xiàn)狀還是以顯著減少為主，生態(tài)工程的開展刻不容緩。

3）2005—2018年浙江省植被穩(wěn)定性總體較好，低波動區(qū)域和較低波動區(qū)域占85.8%。高波動區(qū)域主要分布在浙北、浙中和浙東平原經(jīng)濟快速增長地區(qū)，推測是受到人文因素影響而導致的不穩(wěn)定。

4）2005—2018年浙江省生長季的氣溫變化總體呈波動下降趨勢，平均每年下降0.003 6℃，累計降水量則呈波動上升趨勢，平均每年上升5.876 mm。通過對2005—2018年浙江省植被生長季NDVI與氣溫、降水量年尺度和月尺度的相關(guān)分析，結(jié)合多元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)氣溫對生長季的NDVI影響更顯著，與NDVI呈顯著正相關(guān)。在生長季的不同時段，生長季中期的植被對氣溫和降水量的響應較生長季前期、晚期更為敏感。