长江上游安宁河流域植被生长变化对气候条件的响应

仙 巍，邵怀勇

(1.成都信息工程学院资源环境学院，成都 610225;2.成都理工大学国土资源部地学空间信息技术重点实验室，成都 610059)

0 引言

植被变化在全球能量循环及物质的生物化学循环中具有重要影响［1］。研究表明，无论在全球尺度还是在区域尺度上，气候变化通常是植被动态变化的关键驱动因子［2－3］，因此理解植被对气候变化的响应机制是当今科学界面临的重要任务之一［4］。当前，利用遥感图像获取大范围植被指数已成为植被覆被变化研究的主要方法。由遥感图像获取归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)被广泛应用于植被监测、农作物估产及干旱监测等方面［5－8］。国内外许多学者利用NDVI数据进行植被覆盖状况与气候的关系研究，这类研究主要分为特定区域NDVI与气候因子年际变化的时间序列相关性研究［9－10］和空间相关性研究［11］。国内学者对我国北方及青藏高原植被生长与气候因子关系的研究较为多见［12－15］，而对南方地区尤其是西南农牧交错带的此类研究基本未涉及，而西南农牧交错带处在青藏高原、云贵高原到四川盆地的过渡区域，属于气候变化敏感带和生态脆弱带，在气候及植被生长及结构类型等方面具有突出的过渡性，在我国生态安全建设中具有特殊的生态地位。因此，了解西南农牧交错带的植被生长状况及其对气候条件的响应，对指导该区域植被建设及生态恢复工作具有重要意义。

本研究以我国西南山地农牧交错生态脆弱区安宁河流域为研究区［16－19］，利用 2001—2008 年 NDVI数据及气象因子数据，探讨植被变化趋势及其对气候变化的响应机制，以期为研究植被与气候相互作用提供理论依据，掌握安宁河流域植被演变的趋势，为制定环境政策提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

安宁河流域位于四川省南部，行政区划包括冕宁县、米易县、德昌县和西昌市(图1)，是四川第二大平原。流域处我国云贵高原、青藏高原与四川盆地的过渡地带，其气候受亚热带季风气候和高原气候，水平地带与垂直地带交叉影响［20－21］，有明显干湿季。特殊的地理位置和复杂的气候条件使得该流域生态环境先天脆弱，属于我国西南山地农牧交错生态脆弱区。流域内植被类型丰富、珍稀树种多，但流域生态地质环境条件总体较差，矿产资源开发规模较大。因此，研究该区植被演变及其对气候的响应，可为流域生态环境保护政策的制定提供参考依据。

图1 安宁河流域行政范围Fig.1 Adm inistrative range of Anning River Basin

1.2 数据来源及处理

NDVI数据采用 NASA Goddard Space Flight Center提供的2001—2008年MOD13Q1数据集中的NDVI产品，正弦曲线投影，时间分辨率16 d，空间分辨率为250 m。由于该数据集产品已经过几何精纠正，辐射校正，大气精校正等预处理，本文仅应用MRT和ENVI软件对NDVI数据进行格式与投影转换、图像拼接与裁剪，运用最大值合成法将16 d的NDVI数据合成为月均值，以消除云、雾及太阳高度角等因素对NDVI的影响。

气象数据采用中国气象科学数据共享服务网提供的2001—2008年中国农业基本气象资料月数据集。该数据集包括研究区及周边地区标准气象站的月平均气温和月平均降水量，对其进行Kriging插值，空间分辨率设置为250 m。采用误差平均值和误差标准差作为指标，对插值前后2套数据进行T检验，以检验插值精度。结果显示差值前后2套数据的差异满足分析要求。

1.3 研究方法

1)利用NDVI栅格数据和插值后的气象数据计算研究区NDVI和气温的年均值和季均值以及年降水量和季降水量，并进行一元线性回归处理，分析其在时间尺度和空间尺度上的变化趋势。

2)对降水量和气温分别与NDVI的相关性进行分析。Pearson相关系数R的计算公式见文献［22］。如果相关系数R通过了0.05显著性检验(P＜0.05)或0.01 显著性检验(P＜0.01)，表明降水和气温与NDVI的相关性具有较好的统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 气候因子的变化特征

安宁河流域的降水量变化存在较强的时空可变性(图2)。2001—2008年的8 a间，2001年的年降水量最为充沛，其次是2007年，2 a的年降水量均在420 mm以上，而2003—2005年这3 a的年降水量均在400 mm以下。

图2 安宁河流域2001—2008年各季度降水量(mm)Fig.2 Quarterly precipitation in Anning River Basin during 2001 to 2008(mm)

如图2所示，每年第1季度降水量总体都较稀少，有从南往北逐渐递减的趋势，而流域南部降水量在近3 a来有逐年增加的趋势;流域间隔2 a左右会出现1次降水量下降的趋势;2007年第1季度降水量比往年同期减少。第2季度降水比第1季度有所增加，仅在2005年出现降水量比同期偏少的情况;总体遵循由南向北递减的趋势，但在2004年和2008年出现了南部降水比北部稀少的情况。第3季度为流域雨季，降水量增多，是全年降水量最多的季度;中部地区降水少于南部和北部地区，间隔2～3 a北部地区会出现一次降水比中部和南部地区降水多的情况，也说明了北部地区第3季度降水在全年中降水分布相对不均衡。第4季度降水量也较为稀少，但一般比第1季度的降水量稍多;有南多北少的趋势，但2002—2004年间该趋势不明显;2006年和2008年降水量比同期偏高。

研究区2001—2008年间年均气温起伏变化较大，总体趋势是每隔2～3 a年均气温会下降0.5～1℃，2001年和2004年气温均较低，而结合降水量的分析可以看出，2004年气温及降水量与其他年份相比均属“异常”年份。2005和2006年的年均气温较高，均超过了18℃(图3)。

图3 安宁河流域2001—2008年各季度平均气温(℃)Fig.3 Quarterly mean tem perature in Anning River Basin during 2001 to 2008(℃)

由图3可以看出，每年第1季度气温相对较低，温度范围在7～17℃之间，空间分布上气温从北到南逐渐升高，且在不同年份间南北温差普遍较大，2008年第1季度气温在全流域内均比往年同期气温要低。第2季度气温上升幅度较大，最低温均比上季度升高10℃左右，温度范围在16～26℃之间，空间分布仍然遵循南高北低的趋势，8 a间南北温差普遍比第1季度小，但2004年北部地区比其他年份同期温度偏低，而2005年南部地区比其他年份同期温度偏高。第3季度气温仍然较高，低温比上一季度有所增加，而高温增加不大，温度范围在19～25℃之间分布，说明该季度内温度的空间分布差异较小，流域内的温差减小;受纬度因素影响，气温空间南高北低趋势明显。第4季度温度范围在10～17℃之间，与第1季度的气温接近，但流域内部温差相对第1季度稍小;8 a间，2004年第4季度流域北部地区比其他年份同期气温偏低，而2008年流域南部地区比其他年份同期气温偏高。

2.2 NDVI的变化特征

8 a间，安宁河流域NDVI的空间差异不大，但以增长为主(增长区面积占全区的 52.38%)。98.36%区域的变化幅度都集中在－0.05～0.05之间，NDVI≤－0.05 与NDVI＞0.05 的区域分布零星，仅占研究区面积的1.64%(表1)。

表1 各变化幅度所占面积百分比Tab.1 Percentage of the area occupied by each changemargin

从每年各季度NDVI来看(图4)，第1季度NDVI在大多数区域的值偏低，区域整体植被覆盖度相对其他季度差，其中2001年相对其他年份NDVI偏低，植被覆盖状况比其他年份稍差。第2季度全区NDVI比第1季度有所升高，随着气温和降水量增加，植被覆盖比第1季度增加，其中2005年NDVI比其他年份的低，特别是研究区南部NDVI生长状况较差。2004年和2007年NDVI较高，除了中东部的安宁河平原外，其他地区植被覆盖状况均好于其他年份。第3季度NDVI在全年中最高，全区植被覆盖状况均较好，包括在其他季度覆盖状况较差的中东部安宁河平原在本季节内植被指数值也较高。第4季度植被指数值略有下降，但在4个季度中仍属植被覆盖状况较好的季度。

图4 安宁河流域2001—2008年各季度平均NDVIFig.4 Quarterly mean NDVI in Anning River Basin during 2001 to 2008

2.3 植被对气候因子的响应

2001—2008年的8 a间，研究区 NDVI变化与降水量变化和气温变化的相关系数分别为0.497 8和0.302 4(图5)，均通过了0.01显著性检验，表明降水量和气温与NDVI的相关性具有较好的统计学意义，且降水量对植被生长的影响更大。

图5 不同降水(左)和不同气温(右)条件下NDVI的分布情况Fig.5 Distribution of NDVI in different precipitation(left)and temperature(right)

通过对NDVI与气候因子的季度统计可知:第1季度NDVI总体偏低，取值范围在0.55～0.6之间，是4个季度中最低的。其中，2008年植被指数值最低，这与2008年第1季度气温偏低有关。各年间第1季度的气温变化不大，而降水量年际间存在波动，NDVI的波动与降水量的波动趋势保持较高的一致性。第2季度各年份间NDVI差别较大，其中2005年降水量比其他年份偏少，气温比其他年份偏高，2005年NDVI显著低于其他年份，NDVI不足0.6，说明降水量和气温等气候因子的变动会直接反映在NDVI上，也就是说气候因子对植被的生长有密切影响。第3季度各年份间NDVI相对第2季度差别减小，2005年该季度虽然降雨量有明显回升，温度与其他年份差异也不大，但NDVI的值仍然延续了上一季度的趋势，比其他年份低，说明植被的生长变化与气候变化相比具有一定的滞后性，这也与Wang等的研究结论相同［22－24］。同样，2003 年第 2季度虽然降水量比往年明显增加，气温也较高，水热条件较好，但该时期NDVI仍比其他年份偏低，气候因子影响的滞后性导致2003年第3季度NDVI明显好于其他年份，而此时的气温和降水量并不占优势，降水量比其他年份偏低。

第4季度各年份间NDVI总体差异不大，均在0.65上下浮动。其中2005年NDVI数值与其他年份相比差异不大。而2008年第4季度降雨量与其他年份相比属降雨充沛的年份，温度比其他年份略偏高，这与2008年较高的NDVI有密切联系。而在2008年第1—3季度NDVI比往年大部分时期偏低，与同期气候因子也表现出关系不密切的情况，即气温及降水量的增加对同时期NDVI影响不大，此现象主要由2007年第2—4季度气温偏低，第4季度降水量减少，导致第4季度NDVI降低，而2008年第1—3季度仍然延续了NDVI偏低的态势，直到2008年第4季度随着冬季气温升高和降水量充沛等气候环境的进一步改善，NDVI才出现反弹。

3 结论

本文基于多年高精度MODIS数据和安宁河流域及周围地区标准气象站的气象观测数据，分别从全年和季节角度分析了2001—2008年间攀西安宁河流域地区气温、降水量及植被的变化情况，以及植被生长与气温、降水量变化的关系，较好地揭示了该区域植被变化对气候变化的响应特点:

1)研究区降水量变化存在较强的时空可变性，8 a间呈现先下降后稳定的趋势，空间上大体呈现由南向北递减的趋势;年平均气温起伏变化较大，总体趋势是每隔2～3 a年均气温会下降0.5～1℃。

2)研究区植被变化的空间差异不大，但以增长为主。变化较小的区域面积占整个研究区面积的98.36%，NDVI值增长区域面积大于减小区域，占研究区面积的52.38%。季节尺度上，第3季度研究区植被长势较好，NDVI值较高。研究区NDVI值总体变化和气温、降水量呈正相关，其中降水对安宁河流域植被生长的影响更为明显。同时，植被的生长变化对气候变化的响应在时间上具有一定的滞后性。

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