刘少华

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1 第 37 卷第 3 期 2014 年 5 月 ARID LAND GEOGRAPHY Vol. 37 No.3 May 2014 中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究 2 1,2 1,2 刘少华, 严登华, 史晓亮 3 1,2, 袁喆 (1 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 ; 2 中国水利水电科学研究院水资源研究所, 北京 ; 3 西安科技大学测绘科学与技术学院, 西安 ) 摘要 : 根据年全国 GIMMS NDVI 资料, 以及全国 583 个气象站点的气温和降水量数据, 以像元为计算单元, 分别以植被分区和气象站点为对象分析了植被 NDVI 10 积温和降水量的年际变化及相关关系结果表明 :(1) 全国及各分区 10 积温均呈显著的增加趋势, 降水量和植被 NDVI 整体上呈减小趋势, 植被覆盖面积略有增加, 且 10 积温增速越大则降水量减速越小 (2) 全国植被 NDVI 与 10 积温和降水量分别呈微弱的负相关和正相关由于地形地貌地理位置以及人类活动作用的差异性, 不同植被分区相关性有所差异 (3) 秦岭 - 淮河以北地区, 降水量是影响植被生在的限制性气候因子而秦岭 - 淮河以南地区, 植被 NDVI 与 10 积温和降水量的分布无显著性规律关键词 : 植被 NDVI; 10 积温和降水量 ; 相关性分析 ; 植被分区中图分类号 : TP753 文献标识码 :A 文章编号 : (2014) (480~489) 近年来在全球气候变化背景下, 陆地生态系统 [1-4] 的时空分布已经发生了剧烈改变, 而陆地生态系 [5] 统的变化又将反馈于气候变化因而, 陆地生态系统演变是气候变化研究的重要内容同时地表 [6] 植被是陆地生态系统响应气候变化的综合指示器, 气候变化下植被的时空响应是近年来的研究热点问题当前植被对气候变化的响应研究中通常采用归一化植被指数 (NDVI), 它与植被覆盖度叶面积指数生理条件等性状具有很好的关系, 已被广 [7-10] 泛应用于大尺度植被活动的研究中众所周知, 影响植被变化最为关键气候要素是水分和热量, 所以以往的研究主要采用降水量和平均气温作为影响植被生长的水分和热量的气候因子然而, 平均气温反映的是时段内热量的平均水平, 而积温表征的是时段内热量的总体水平, 它能更有效地表征时段内影响植被生长的热量条件因此, 积温的变化对植被 NDVI 年际变化影响更为重要研究表明, 10 是多数植被适宜生长的起始温度, 10 积温 (ATAT) 是衡量某地区的热量资源情况的重要指标, 其时空分布的差异性直接影响 [11-14] 着植被分布特征以往植被变化对气候因子响应研究中, 通常采用典型研究区域面尺度或气象站点尺度的植被 NDVI 与气候因子的相关分析由于植被 NDVI 数据本身分辨率的局限性, 以及气候地形地貌植被 [15] 类型等条件的响应, 不同尺度下植被 NDVI 的响应特征必然有所差异, 单一尺度的分析难以反映植被 NDVI 变化的真实情况本文以像元为计算单元, 分别以全国植被分区和气象站点为研究对象, 结合面尺度和点尺度综合分析了植被 NDVI 10 积温和降水量的年际变化及相关关系 1 数据资料及研究方法 1.1 数据来源及处理植被 NDVI 数据研究表明我国气候显著 [16] 变化发生在 20 世纪 80 年代, 故植被 NDVI 资料须满足长时间序列的要求美国马里兰大学 GLCF 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 (973 计划 ) 项目 (2010CB951102); 国家自然科学基金创新研究群体基金项目 ( ) 作者简介 : 刘少华 (1989-), 男, 河南驻马店人, 硕士研究生, 水文学及水资源学专业. shliuiwhr@hotmail.com 通讯作者 : 严登华 (1976-), 男, 安徽太湖人, 教授, 主要从事气候变化下水资源综合应对及 3S 技术的应用. yandh@iwhr.com

3 期刘少华等 : 中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究 481 (Global Land Cover Facility) 研究组生产的 1982-2006 年 GIMMS NDVI 数据集是目前时间序列最长的 NDVI 数据, 该组数据经过了统一处理, 具有较好的一致性, 并已被广泛应用于全球及区域大尺度植 [17-19] 被变化的研究该数据为半月合成数据, 空间分辨率为 8

2 3 期刘少华等 : 中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究 481 (Global Land Cover Facility) 研究组生产的年 GIMMS NDVI 数据集是目前时间序列最长的 NDVI 数据, 该组数据经过了统一处理, 具有较好的一致性, 并已被广泛应用于全球及区域大尺度植 [17-19] 被变化的研究该数据为半月合成数据, 空间分辨率为 8 km 8 km, 由于后期卫星传感器的改变, 该系列数据产品仅到 2006 年考虑到不同 NDVI 数据源的时空分辨率传感器精度以及数据处理方式的差异性, 会破坏数据的一致性, 影响研究结果的可靠性和真实性因此, 为了保证数据源的一致性, 本研究采用马里兰大学生产的 GIMMS NDVI 数据组作为源数据, 该数据处理采用最大合成法 MVC (Maximum Value Composites) [20] 首先获月 NDVI 年值, 该方法可进一步消除云大气太阳高度角等的 [21-22] 干扰其公式为: MNDVI j = Max(NDVI 1,NDVI 2 ), (1) 式中 :j 为月序号 ;MNDVI j 为第 j 月的最大 NDVI 值 ;NDVI 1 和 NDVI 2 分别为第 j 月上半月和下半月的 NDVI 值同样采用 MVC 方法获取年最大 NDVI (YNDVI max ), 作为年 NDVI 值计算公式为 : YNDVI max = Max(MNDVI 1,MNDVI 2,,MNDVI 12 ), (2) 气象数据根据中国气象科学数据共享服务网获得的全国 752 个基本气象站点历年 ( 年 ) 的日平均气温和降水量资料, 选取其中年间具有较完整资料的 583 个站点, 计算得到各站点的 10 积温和降水量的年值在 ArcGIS 9.3 平台下, 采用克里金插值方法把 10 积温和降水量年值展布到全国范围与 NDVI 数据相匹配的 8 km 8 km 栅格上, 气象站点分布如下图 1 [23] 植被分区数据根据全国植被分区, 把全国划分为 8 个研究分区见图 1, 统计分析历年各分区中各栅格植被 NDVI 10 积温和降水量的均值作为该分区的值由于人类活动比较集中的地区以及一些非植被覆盖区的 NDVI 值小于 0.3 [24], 由于不同植被分区植被类型的差异性, 以及栅格数据分辨率的局限性, 植被 NDVI > 0.3 的栅格也并都是完全的植被覆盖区域, 但它在一定程度上反映了该栅格对 [9-10] 应区域的植被覆盖度叶面积指数等综合条件因此, 本研究中以 NDVI > 0.3 的栅格区域作为植被图 1 气象站点及植被分区 Fig.1 Distribution of weather stations and vegetation regionalization 覆盖区来研究植被覆盖面积的时空演变 1.2 研究方法趋势线分析方法本文运用趋势线方法来分析年全国及各植被分区植被 NDVI 10 积温和降水量的变化趋势及其空间分布其 [25] 计算公式为 : θ slope = n j x j - æ n n è ç ö æ ö j ç x j ø è ø, (3) n æ n è ç ö j 2 - æ n 2 ø è ç ö j ø n ( ) 式中 :n 为监测时间段的年数, 本研究中 n = 25 ( 年 );x j 为第 j 年的研究因子值 ( 植被 NDVI 10 积温和降水量 );θ 是趋势线的斜率, 当 θ > 0 时说明研究因子在 n 年间的变化趋势是增加的, 反之则是减少相关性分析对年全国及各分区植被 =NDVI 序列数据与 10 积温和降水量逐像 [24,26] 元进行相关性分析, 并结合相关系数的空间分布特点, 综合分析各分区植被 NDVI 对气候因子的响应其相关系数计算公式如下 : r xy = n ( x j - - x )( y j - ȳ ) n ( ) x j - - x 2 n ( ) y j - ȳ 2, (4) 式中 : - x 和 ȳ 分别表示 2 个因子样本值的平均值, 即 :

3 482 干旱区地理 37 卷 - x = 1 n n x j ; ȳ = 1 n n y j, (5) 式中 :r xy 为因子 x 和 y 之间的相关系数, 表示两因子之间的相关程度的统计指标, 其值介于 [-1,1] 区间 r xy > 0 表示正相关 ; 反之, 则表示负相关, 且相关系数的绝对值越大, 说明该像元处两因子相关性越强 2 结果与讨论 2.1 植被 NDVI 10 积温及降水量的时空变化积温与降水量的时空变化根据全国及各植被分区 10 积温和降水量的年际变化 ( 图 2 和 3) 及变化率的统计结果 ( 表 1) 可知, 各分区的 10 积温均呈显著的增加趋势, 而降水量呈减少趋势 ( 分区 7 除外 ) 且各分区 20 世纪 90 年代之后 10 积温和降水量的变化趋势明显的大于之前其中分区 1 2 和 6 的 10 积温普遍增加, 降水量明显减少, 且其 10 积温和降水量的变化空间分布较均匀分区 3 的 10 积温的增速呈西高东低分布, 而降水量呈西减东增的分布特征分区 4 和 5 的 10 积温和降水量分别呈增加和减少的趋势, 且其空间分布差异性较大其中长江中下游地区 10 积温显著的增加, 而其降水量明显减少而横断山脉地区 10 积温变化不大, 但其降水量明显增加整体上分区 7 的 10 积温和和降水量均呈增加趋势, 其中塔里木盆地地区 10 积温增速较小, 降水量呈减少趋势分区 8 的 10 积温和降水量分别呈增加和减少趋势, 且喜马拉雅山脉地区 10 积温增加较少, 降水量呈较少趋势整体而言, 我国 10 积温和降水量分别呈增加和减少的趋势, 但其空间分布差异显著 10 积温增速较小的区域主要分布在东北西北以及西南地区, 增速较大地区集中在新疆中部以及长江中下游地区我国降水量减少的地区集中在东北地区华北地区关中及以南地区以及长江中下游地 [27] 区, 该结果与相关研究成果吻合其中长江中下游地区的 10 积温和降水量的区域差异性可能是受该区域强烈的人类活动以及长江来水量的影响较大同时对比各分区的 10 积温和降水量的变化量可知 ( 图 4), 整体上各分区 10 积温增加趋势越大, 降水量减少趋势越小植被 NDVI 和覆盖面积的时空变化统计得到全国植被 NDVI 变化及分布如图 5(a) 和 6, 植被覆盖面积变化如图 5(b), 结果表明, 全国植被 NDVI 均值呈微弱的下降趋势, 覆盖面积呈现出明显增加趋势分区 1 和 2 植被 NDVI 呈微弱的降低趋势, 且在 1998 年后有降低趋势表现较为明显, 这与之 [24] 前研究结果吻合然而, 分区 1 和 2 植被覆盖面积分别保持不变和增加, 这表明该区域植被覆盖度有下降趋势, 可能是该区域降水量减少所导致分区 3 的植被 NDVI 基本稳定, 但植被覆盖面积有下降趋势, 意味着分区 3 的植被覆盖度有所提高原因是分区 3 包括华北平原耕作区, 随着现代化耕作水平的提高, 作物生长状况较之前有大幅度提高, 导致耕作区 NDVI 值有所增加分区 4 的植被 NDVI 和覆盖面积均有所下降, 植被 NDVI 的下降原因可能是由于人类活动减少植被覆盖面积导致的分区 5 的植被 NDVI 有一定的减少趋势, 而植被覆盖面积略有增加可能原因是气候的持续变暖为热带季雨林雨林的发展提供了条件, 使得该区域植表 1 线性变化率统计 Tab.1 Statistics of linear rates 植被分区分区名称 10 积温 / d a -1 降水量 /mm a -1 NDVI /1 a -1-1 面积 /km 2 a 分区 1 寒温带针叶林区域分区 2 温带针阔叶混交林区域分区 3 暖温带落叶阔叶林区域分区 4 亚热带常绿阔叶林区域分区 5 热带季雨林雨林区域分区 6 温带草原区域分区 7 温带荒漠区域分区 8 青藏高原高寒植被区域全国

4 3期刘少华等中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究图 2 10 积温和降水量变化 Fig.2 Changes of accumulated temperature above 10 ATAT and precipitation 图 3 10 积温和降水量变化空间分布 Fig.3 Distribution of ATAT and precipitation changes 图 4 各分区 10 积温和降水量变化率 Fig.4 Rates of ATAT and precipitation change in different vegetation regionalization 483

干旱区地理 484 37 卷图 5 植被 NDVI 及覆盖面积变化 Fig.5 Changes of NDVI and vegetation coverage area 条件同时 10 积温的上升增加了冰川雪盖等融水为植被提供了水分条件 2.

5 干旱区地理卷图 5 植被 NDVI 及覆盖面积变化 Fig.5 Changes of NDVI and vegetation coverage area 条件同时 10 积温的上升增加了冰川雪盖等融水为植被提供了水分条件 2.2 植被 NDVI 10 积温及降水量的相关分析植被分区相关分析我国植被 NDVI 与 10 积温和降水量相关分析结果见表 3 其空间分布如图 7 结果可知全国范围内植被 NDVI 与 10 积温呈负相关与降水量呈正相关但相关性均不显著分区 1 的植被 NDVI 与气温和降水量均呈微弱的负相关其中大兴安岭以西地区的 NDVI 与 10 积温和降水量的相关性为正的像元明显多于图6 NDVI 空间变化 Fig.6 Distribution of NDVI changes 东部表明大兴安岭对该分区植被生长具有重要影响分区 2 的植被 NDVI 与降水量呈微弱的负相关与 10 积温呈显著的负相关原因是该区域被覆盖面积增加但由于该区域降水量的显著减少包含大量的耕作区其植被 NDVI 和作物生长状况以及人类活动的影响降低了区域植被覆盖度分人们的耕作水平密切相关分区 3 的植被 NDVI 与区 6 和 7 的植被 NDVI 和覆盖面积均呈增加趋势 10 积温和降水量的相关性均较小主要原因是主要原因是该区域是我国三北防护林建设显著地该分区包括华北平原和辽河平原拥有大量的城镇和提高了该区域的植被条件分区 8 的植被 NDVI 和耕作用地人类活动是影响该区域植被生长的关键覆盖面积均有所增加其可能原因是由于该区域因子分区 4 和 5 植被 NDVI 与 10 积温呈显著人类活动相对较弱气候变暖使得青藏高原区域的的负相关与降水量具有弱正相关其原因是该区 10 积温普遍升高 28 给植被的生长提供了热量域近年来降水量的减少加之人类活动的剧烈作用

6 3 期刘少华等 : 中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究 485 Tab.2 表 2 相关性检验 Results of correlation test 相关系数分区 1 分区 2 分区 3 分区 4 分区 5 分区 6 分区 7 分区 8 全国 NDVI 与降水量 * NDVI 与 10 积温 * * * 注 :* 表明满足 p < 0.05 的显著性检验水平降低了该区域的植被覆盖度分区 6 植被 NDVI 与 10 积温和降水量均呈正相关, 但都不显著原因是该区域的人工造林活动是其植被生长的关键影响因子分区 7 植被 NDVI 与 10 积温具有弱的正相关, 与降水量呈显著的正相关原因是该区域主要是荒漠戈壁区域, 其植被发展的限制条件是降水量分区 8 植被 NDVI 与 10 积温和降水量分别呈微弱的正相关和呈负相关, 但均不显著可能原因是其 10 积温的明显增加, 增加了冰川雪山等融水为该区域植被提供了热量和水分, 故其植被 NDVI 与 10 积温关系密切, 但由于区域内部的水热转化使得其植被 NDVI 与 10 积温和降水量的相关关系均不显著由于人类活动以及地形地貌等特征的影响, 我国植被 NDVI 与 10 积温和降水量的相关性不显著, 且相关系数分布的差异性较大我国南部地区由于水热条件适宜, 其植被状况受人类活动影响显著, 而与 10 积温和降水量变化的关系不明显在东北地区水热均是限制其植被生长的关键因子, 但由于该区域 10 积温的增加和降水量的减少, 使得降水量成为影响该区域植被生长状况的限制性气候因子北部及西北地区水分是其植被生长的限制性气候因子, 由于降水量的增加和人为的造林活动, 导致该区域植被状况显著地好转青藏高原地区 10 积温的增加可以为其植被生长同时提供热量和水分条件, 故 10 积温是影响其植被生长的限制性气候因子同时由图 10 可知, 全国大部分地区植被 NDVI 和降水量呈正相关, 但在水资源丰富的水系边灌区植被 NDVI 与降水量具有明显 [29] 负相关的分布特点, 与之前研究结果吻合整体上, 我国 10 积温的整体增加为植被生长提供了热量条件, 水分成为影响植被发展的限制性因子气象站点相关分析统计分析各气象站点处的植被 NDVI 10 积温和降水量相关关系如下图 8, 结果显示相关特征在典型 10 积温和降水量等值线 ( 10 积温为 /d 的等值线和 800 mm 降水量等值线, 位置如图 9) 两侧具有显著性差异, 且典型等值线分布与气候分界线秦岭 - 淮河线相吻合根据结果可知, 秦岭 - 淮河线以北地区主要是半湿润半干旱以及干旱区, 限制其植被生长的气象因子是水分因此, 植被 NDVI 与 10 积温没有明显的分布规律, 但其与降水量整体上呈显著地正相关的分布特征而以南的湿润地区, 由于其整体水热条件比较适宜其植被生长状况与 10 积温和降水量分布无明显规律, 其植被 NDVI 基本在稳定 0.6 左右 3 结语本文基于长时间序列 GIMMS NDVI 资料和气象数据, 并结合全国植被区划, 研究分析了全国及各植被分区年植被 NDVI 10 积温和降水量的年际变化和相关性特征, 得到以下结论 : (1) 全国及各植被分区 10 积温均呈显著地增加趋势, 而降水量和植被 NDVI 整体上呈减小趋势, 且分区 10 积温增速越大则降水量减速越小其中温带荒漠区的降水量有较小的增加趋势, 暖温带落叶阔叶林区温带草原 / 荒漠区以及青藏高原高寒植被区的植被 NDVI 均有所增加, 其中温带草原区植被 NDVI 增加最为明显全国植被覆盖面积整体上略有增加, 但暖温带落叶阔叶林区和亚热带常绿阔叶林区的植被覆盖面积有稍许减少 (2) 全国植被 NDVI 与 10 积温和降水量分别呈较小负相关和正相关寒温带针叶林区和温带针阔叶混交林区植被 NDVI 与 10 积温和降水量均呈负相关, 且后者满足显著性检验暖温带落叶阔叶林区亚热带常绿阔叶林区和热带 ( 季 ) 雨林区植被 NDVI 与 10 积温和降水量分别呈正相关和负相关, 且其负相关性显著温带草原 / 荒漠区植被 NDVI 与 10 积温和降水量均呈正相关, 且后

干旱区地理 486 37 卷图 7 10 积温和降水量与植被 NDVI 相关关系分布 Fig.7 Correlations distribution of NDVI and ATAT and precipitation 图 8 气象站点 10 积温和降水与植被 NDVI 统计关系 Fig.

7 干旱区地理卷图 7 10 积温和降水量与植被 NDVI 相关关系分布 Fig.7 Correlations distribution of NDVI and ATAT and precipitation 图 8 气象站点 10 积温和降水与植被 NDVI 统计关系 Fig.8 Statistical relation of NDVI and ATAT and precipitation on the weather stations 整体而言我国 10 积温的整体增加为植被生长提供了热量条件使得水分成为影响植被发展的限制性影响因子尤其是在相对干旱的秦岭-淮河以北地区植被 NDVI 与降水量呈正相关的分布特征而以南的湿润地区其植被生长状况受 10 积温和降水量分布差异性影响较小人类活动是影响其植被状况的关键要素参考文献 References 1 丁明军张镱锂刘林山等. 青藏高原植被覆盖对水热条件年图 9 典型 10 积温和降水量等值线分布内变化的响应及其空间特征 J. 地理科学进展 Fig.9 Distribution of d ATAT and DING Junming ZHANG Yili LIU Linshan et al. Sea- 800 mm precipitation isolines 者植被 NDVI 与 10 积温呈显著的正相关青藏高原高寒植被区植被 NDVI 与 10 积温和降水量分别呈正相关和负相关 sonal time lag response of NDVI to temperature and precipitation change and its spatial characteristics in Tibetan Plateau J. Progress in Geography MYNENI R B KEELING C D TUCKER C J et al. Increased plant growth in the northern high latitudes from 1981 to 1991 J. Nature

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10 3 期刘少华等 : 中国植被 NDVI 与气候因子的年际变化及相关性研究 489 interpolation method,which came from the China meteorological data sharing service system,and both of the time series were from 1982 to Then the linear regression analysis was used to analyze the inter-annual trend of NDVI,ATAT and precipitation on every division. At last,the correlation analysis was applied to study the relation between NDVI and ATAT and precipitation on the scales of vegetation regionalization and weather station. The results showed as follows:(1)the ATAT had a significant increasing trend overall country,and the northwest and southeast of China had a higher increasing trend. But the precipitation and NDVI had a decreasing trend in China. And the bigger ATAT increasing trend there was,the smaller precipitation decreasing trend there would be. What s more,the area of vegetation coverage had a slight increasing trend from 1982 to 2006.(2)The NDVI was negatively related to the ATAT and positively related to the precipitation overall China. However,different vegetation regionalization had different results. The correlation between NDVI and ATAT and precipitation were negative in cool temperate and temperate needleleaf forest regionalization and Temperate mixed needleleaf and broadleaf deciduous forest regionalization. NDVI was positively related to precipitation,negatively related to ATAT in warm temperate broadleaf deciduous forest regionalization,subtropical broadleaf evergreen forest regionalization and tropical (monsoon)rain forest regionalization. Both of correlations between NDVI and ATAT and precipitation were positive in Temperate steppe regionalization and Temperate desert regionalization. And NDVI was negatively related to precipitation,positively related to ATAT in Qinghai-Tibet Plateau alpine vegetation regionalization.(3)generally speaking,precipitation was the restricted climate factor for the growth of vegetation in the north of the Qinling Mountain-Huaihe River(QH line). But in the south of the QH line with enough moisture and heat,there was not significant relation between NDVI and ATAT and precipitation distribution. Key Words: NDVI; effective accumulated temperature above ten degree(short for ATAT )and precipitation; correlation analysis;vegetation regionalizations 巴基斯坦参议院主席布哈里阁下等一行参观中国科学院新疆生态与地理研究所标本馆 2014 年 5 月 12 日, 巴基斯坦参议院主席赛义德纳亚尔侯赛因布哈里阁下等一行 15 人在全国政协外事委员会副主任吕新华自治区政协党组副书记常务副主席刘晏良自治区外侨办主任穆扎帕尔米吉提等陪同下, 赴中国科学院新疆生态与地理研究所标本馆参观据悉, 布哈里阁下是首次访问新疆中国科学院新疆生态与地理研究所党委书记田长彦陪同布哈里阁下一行参观了标本馆布哈里大致了解了新疆的总体概况, 包括新疆的沙漠湖泊河流冰川绿洲以及水资源和生物资源的种类和分布情况丰富而直观的图片和模型引起了布哈里阁下一行极大的兴趣尤其是新疆的生物资源保护现状引起布哈里阁下的极大关注, 布哈里阁下仔细咨询了新疆的保护区和野生动物的保护现状

mm 400 mm 15 mm EOF mm/10a Fig. 1 Distributions

mm 400 mm 15 mm EOF mm/10a Fig. 1 Distributions 7 2 2011 3 ADVANCES IN CLIMATE CHANGE RESEARCH Vol. 7 No. 2 March 2011 1673-1719 (2011) 02-0097-07 1961 2007 77 5 5 6 2 3 8 11 1980 1980 1990 2015 8 11 P426.6 A 7.86% 4 50 0.35 5 6 19 7 8 9 1 1906 2005