山西省不同生态分区增强型植被指数（EVI）对气候因子的响应

王虎威，张福平，燕玉超，雷声剑

（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062）

山西省不同生态分区增强型植被指数（EVI）对气候因子的响应

王虎威，张福平，燕玉超，雷声剑

（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062）

利用2000—2014年MODISEVI数据、27个气象站点逐月气温和降雨量、MOD16蒸散量数据，分析了山西省15年来的植被覆盖变化及其对气温、降水和蒸散量的响应特征。结果表明：（1）山西省植被总体呈现上升趋势，增速为2.6%·10a－1，不同生态分区中Ⅱ东部大行山山地＞Ⅲ中部盆地＞Ⅳ西部山地＞Ⅰ晋北山地＞Ⅴ晋西黄土丘陵区。（2）山西省植被覆盖具有较大的区域差异，其中东南部的EVI明显高于西北部，EVI频度图呈现“单峰结构”，全省绝大部分地区呈现不变或增加趋势，显著面积比例为25.95%，严重退化面积比例为1.04%。（3）基于年尺度的EVI与降水、蒸散量呈正相关，与温度负相关，基于月尺度的EVI与气温、蒸散量呈显著正相关，蒸散量与EVI的相关性好于降水、温度单一因子，而降雨量对EVI变化存在一个阈值。（4）从生长季考虑，从春季到夏季各大生态区蒸散量与EVI均为正相关并且逐渐加强，秋季除Ⅲ中部盆地外其它自然区均为负相关。

增强型植被指数；生态分区；蒸散量；气候因子；山西省

植被作为陆地的最主要组成部分，在地球系统中扮演着重要的角色，植被覆盖变化是生态环境变化的直接结果，它很大程度上代表了生态环境总体状况［1］，研究植被与气候变化之间的相互联系已经成为研究全球变化的重要内容［2］。遥感影像以其较大空间尺度和较长的时间连续观测，现在已成为研究地表植被覆盖变化状况的重要数据［3］。国内外许多学者对NDVI变化与气象因子的相关性进行了大量的研究工作［4－7］。已有研究表明，NDVI对植冠背景的影响较为敏感，当植被覆盖度小于15%或大于80%时，由于土壤背景的影响与饱和度问题，导致NDVI对植被检测的灵敏度下降［8］；对大气干扰处理有限，大气残留噪音对NDVI指数影响严重；易受土壤背景干扰，特别是中等植被覆盖区，当土壤背景变暗时，NDVI指数有增加的趋势，NDVI对季节性不明显而表现为高平曲线，EVI（Enhanced Vegetation Index）则具有季节性，呈钟形曲线［9］。可知采用EVI代替NDVI数据来分析植被变化及与气候的变化更加适宜，更能反映研究区域内植被空间差异［10］。

降水与温度是气候变化中最主要的两个气候因子，二者的变化会直接影响植被覆盖变化。地表实际蒸散发（ET）包括发生在土壤表面的蒸发和发生在植物叶片表面的蒸腾，不仅是水文循环和地表能量平衡的重要环节，也是植被生存必须的生理过程，蒸散量的变化与植被有着密切的联系［11］。MOD16通过了全球通量塔的验证［12］，模拟精度达到86%，不仅提供了地表ET的各种参数，而且具备较高的时间分辨率以及免费获取等特点［13］，所以本文加入ET分析其与植被变化的关系。彭代亮［8］研究浙江省EVI得出，浙江省大部分地区EVI对气温的最大响应没有时滞性，而对降水最大响应时滞为1个月左右，不同土地类型的植被EVI与气温的相关系数均大于降水；范瑛等［14］研究得知，内蒙古高原西部植被覆盖退化面积大于改善面积，退化区主要分布在内蒙古农牧交错带北部边缘；黄土高原地区植被覆盖和降水关系密切，降水变化是植被覆盖变化的重要原因［1］；山西省位于黄土高原东部，党越军等［15］山西省2003—2012年植被时空变化格局及对气候因子的响应研究表明：山西省10年间植被状况呈改善趋势，增加区域远大于减少区域；武永利等［16］用NASA／GIMMS的月植被指数对1982—2006年典型生态区的植被状况与气候响应研究表明：山西植被指数呈上升趋势，林区植被好于农业区，农业区好于农牧区，降水的年际变化对植被影响最大。结合前人研究的成果，本文基于2000—2014年的MODISEVI数据分析了山西省不同生态区域内植被覆盖在时空上的分布特征及覆盖变化状况，以及与气候因子的相关性研究，不仅可以为该地区植被的变化趋势提供生态预警，也可以为当地评估环境政策的制定以及可持续发展提供理论意义。

1 研究区域概况

研究区位于华北平原黄土高原东部，东面以太行山脉为界与河北省相邻，西面以黄河为界与陕西相邻，北面以外长城为界与内蒙古相毗连。山西省气候在垂直和南北方向的变化都比较明显，恒山以北属温带季风型大陆型气候，以南属于暖温带季风型大陆型气候，年平均气温从5℃～15℃不等，昼夜温差较大；年平均降水量介于380～650mm之间，由西北向东南递增且集中在7—9月的夏、秋季节，冬、春降水较少。山西省疆域轮廓呈东北—西南走向的平行四边形，总面积大约为15.6万km2，占全国总范围面积的比重为1.6%。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据源

2.1.1 遥感数据与气象数据遥感数据来自美国航空航天局NASA数据中心提供的2000—2014年的空间分辨率为1 km、时间分辨率为16 d的342期MODISEVI数据；气象数据是由国家气象局气候数据共享网（http：／／cdc.cma.gov.cn）提供的山西2000—2014年27个气象站点以及山西省附近的15个气象站点的月数据，植被图来源于“寒区旱区科学数据中心”（www：／／westdc.westgis.ac.cn）。

2.1.2 蒸散量数据蒸散量数据来自于美国蒙大拿大学森林学院工作组。MOD16－ET产品的算法是Mu等［13］在Penman Monteith公式基础上改进的，算法将地表分为裸土和冠层两种组分，根据不同下垫面的生物物理过程计算各自的空气动力学阻抗和冠层阻抗，再结合M0DIS数据产品估算得到。

2.1.3 生态分区数据根据2008年山西省分区依据以中国生态功能区划体系三级为基础，结合山西省的自然地理特点，特别是反映水平地带性规律以及大的地貌单元格局、高级植被类型单位、热量条件和典型的生态系统划分，山西省生态功能区划共分为5个生态大区，如图1（见273页彩图）、表1。

2.2 研究方法

由于山西省涉及到MOD13A2和MOD16蒸散量数据的3轨影像，所以利用MRT（MODIS Reprojection Tools）对影像进行拼接、重投影和提取，用ENVI软件对拼合后的影像进行裁切，提取月最大的EVI和月蒸散量的影像。

2.2.1 趋势分析法应用ArcGIS10.0栅格计算功能可以模拟每个栅格的变化趋势，以年为时间尺度的植被变化趋势，Kslope为正值，则表示植被覆盖度存在增加的趋势，其值为负，则表示随着时间推移植被覆盖度下降，计算公式如下［17］：

式中，n为总年数；i为研究期中的第i年，EVIi为第i年的最大EVI值；Kslope为一元回归斜率值。Kslope＜0，说明EVImax降低，数值越小，降低越明显；Kslope＞ 0，说明EVImax增加，数值越大，增加越显著。根据线性趋势系数，本研究将Kslope分为严重减少（Kslope≤－0.04）、轻微减少（－0.04≤Kslope≤－0.02）、基本不变（－0.02≤Kslope≤0.02）、轻微增加（0.02≤Kslope≤0.04）和显著增加（Kslope≥0.04）共5类。

2.2.2 相关性分析利用EVI与气温、降水、蒸散量栅格数据计算得出空间相关性的分布图，并检验相关系数的显著性。计算公式［18］：

式中，Rxy为x与y之间的相关系数；、为两样基本要素的平均值。

表1 山西省生态区划系统Table 1 The ecological region division systems in Shanxi Province

3 结果与分析

3.1 15年来山西省年平均EVI的时空变化

数据经最大值合成法（Maximum Value Composite，MVC）处理后提取山西省及各分区EVI逐年平均值，并绘制年EVI变化趋势图。从图2中可以看出，山西省植被覆盖在2000—2014年总体是呈逐年上升趋势，EVI值在0.3414～0.4632之间，增速为2.6%·10a－1，通过了显著性检验。主要经历了3个阶段：（1）2000—2004年急剧上升，是增加幅度最大的阶段，增速达到9.7%·10a－1，反映出退耕还林还草工程初见成效，植被覆盖状况明显得到改善；（2）2004—2008年以小幅波动略有下降为特征的时期，降速为2.4%·10a－1；（3）2009—2014上升阶段，并在2013年达到0.4632的最高值，增速为4.1%· 10a－1，这与2008年山西省出台《山西省生态功能区划》文件，促使各地方加大环境保护力度，加强植被建设有关。

以山西省和5个自然分区的年平均EVI值为因变量y，年份为自变量x，进行回归分析得到年平均EVI随年份变化的线性回归方程如表2。

可以看到5大自然区内均为正值，表明各大自然区在近15 a期间为增长趋势，其中Ⅳ西部山地和Ⅴ晋西黄土丘陵区植被恢复速率明显快于其它自然区，通过了0.001显著水平检验，这与近年来黄土高原地区实施退耕还林还草工程有很大的关系；Ⅰ晋北山地和Ⅲ中部盆地的植被增长率较低，基本保持不变，没有通过显著性检验；Ⅱ东部山地增长率介于上述两者之间，呈缓慢上升趋势，通过了0.05的显著水平检验。

图2 2000—2014年山西省不同分区平均EVI变化趋势Fig.2 The change trend of average EVI for different region from 2000 to 2014 in Shanxi Province

表2 山西省及5个自然区线性回归方程Table 2 The linear regression equation of Shanxi Province and five natural regions

图3给出了2000—2014年EVI平均值分布图和频度分布图，山西省EVI呈现“单峰结构”，EVI平均值为0.4146，值域在0.2～0.6的像元占比达94.15%，其中0.1～0.3所占比例为12.40%，0.5～0.7所占比例为16.10%，其中0.3～0.5所占比例最大，达到69.63%。

结合图3可知Ⅱ东部太行山山地＞Ⅲ中部盆地＞Ⅳ西部山地＞Ⅰ晋北山地＞Ⅴ晋西黄土丘陵区，全省植被覆盖状况从西北向东南逐渐变好，这与武永利等［16］研究的结论相符。其中晋西黄土丘陵区地处吕梁山地以西和黄河以东的晋陕峡谷区，以黄土丘陵为主，经这里流入黄河的11条黄河l级支流，大多源短流急，河道比降很大，加剧了水土流失，区内地带性植被已被破坏殆尽，现存的植被多数为次生灌丛和草本植物，覆盖率14.8%［19］，EVI值在0.26～0.37；晋北山地属于半干旱温带干草原，风沙大，年降雨量400 mm以下且主要集中在7—9月，分布极不均匀，气候干冷，该地区是山西省水热条件最差的地区，近年来治理力度较大，生态环境明显改善，但受自然影响制约大，EVI值在0.24～0.38；西部山地年降雨量在500mm以上，按林区划分为吕梁山土石山水源涵养林区和吕梁山东侧黄土丘陵水保林区，森林覆盖率分别为34.3%和18.4%，前者是汾河以及吕梁山西部九条一级支流的发源地，气候寒冷湿润，自然植被茂盛，主要植被为针叶林，而吕梁山东侧以栎、侧柏、山杨天然次生林和疏林灌草丛为主［20］，EVI值在0.36～0.48；中部盆地为大的断裂谷，主要为耕地，植被覆盖率不足10%，人类开发力度大，是山西省的产粮基地，热量与降雨量北低南高，降水较为丰富，EVI值在0.35～0.47；东部山地面积辽阔，山地之间分布着一些黄土冲积河谷及山间小盆地，森林覆盖率在2013年为26.15%，年降水量在500～650mm之间，自然植被丰富，五台山、太行山、太岳山和中条山森林覆盖很高，EVI值在0.39～0.50。

3.2 2000—2014年山西省植被覆盖变化

整体上看，研究区植被覆盖变化在空间上没有明显的规律，从图4上看，绝大部分地区EVI呈现不变或增加趋势，其中严重减少的占总面积的1.04%，主要分布于各大盆地，尤其是城市扩张边缘地带；轻微减少的占总面积的3.27%，主要位于盆地城市与城市相连的区域，以及城乡结合区，如太原盆地各县域城郊区，临汾洪洞地区，运城盆地的临猗县、运城市等；基本不变的占总面积的17.49%，位于各大盆地农业耕作区，1999年《基本农田保护条例》颁布之后，促进了农田的保护，各大山区的高海拔地区也基本不变，这里植被覆盖茂盛，人迹罕至；轻微增加的占总面积的52.25%，主要位于吕梁山、太行山腹地以及散落于晋西北黄土丘陵区，还有沿黄河滩涂区；显著增加的占总面积的25.95%，静乐、娄烦作为汾河上游地区和水源地，植被增加明显，太岳山南麓的古县、浮山县、洪洞以东及翼城县的植被增加明显，万荣、闻喜及绛县的部分也增加明显。

图3 2000—2014山西省多年平均EVI空间变化及频度分布图Fig.3 Spatial variation and frequency distribution chart of multi-year average EVI from 2000 to 2014 in Shanxi Province

图4 2000—2014年山西省植被覆盖变化空间分布Fig.4 Spatial distribution of vegetation cover change from 2000 to 2014 in Shanxi Province

3.3 气候变化和植被变化的关系

3.3.1 气候要素年际变化特征分析山西省年降水量、蒸散量和年均温变化如图5所示，2000—2014年山西省年降水量变化整体呈缓慢上升趋势，变化率为6.06 mm·a－1，蒸散量呈增加趋势，变化率为2.21mm·a－1。均温的年际变化趋势与降水变化相反，呈减小趋势，明显小于降水的变化率，由三阶多项式拟合曲线可知近15年来气温波动较大。

3.3.2 不同生态分区EVI变化特征与气象因子的相关性利用ENVI5.0提取各个气象站点及随机点的月均EVI与年EVI值，再分别提取月平均和年平均的气温、降水量及实际蒸散量进行相关分析。

在年际变化上，从表3可以看出，EVI与降水呈正相关，相关系数为0.523，在0.01水平上显著，相关系数最大的为Ⅱ区，并且通过了0.05水平上显著性检验，Ⅰ和Ⅳ区的相关系数在0.35～0.4之间，Ⅲ和Ⅴ的相关系数低于0.3。EVI与蒸散量相关系数为0.502，在0.01水平上显著，Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ区的相关系数在0.31～0.33之间，最大的为Ⅱ区且在0.05水平上显著，最小的为Ⅴ区。EVI与气温呈负相关，相关系数为－0.2，未达到显著性水平，5大生态区的绝大部分地区未通过显著性检验，Ⅰ区EVI与温度负相关系数最大，表明温度对该区域植被的生长影响较大。可知，在年际上降水是影响植被覆盖变化的最重要的因子，这与信忠保［1］等人研究黄土高原气候对植被覆盖变化影响的结果相一致，蒸散量次之，温度为负相关。

在年内变化上，如图6可以看出，山西省15年间月均EVI与同期月均温之间呈现正的线性相关，系数为0.723，达到极相关性（P＜0.001），月均降雨量和EVI之间呈非线性关系，降雨量对EVI有一个限值约为90 mm，当降雨量＜90 mm时，EVI会随降雨量的增加而增加；当降雨量＞80 mm，EVI没有明显的增加，维持在0.3左右。15年年内平均EVI为单峰型（图7），在7月达到了最高峰，15年年内平均蒸散量从1月到12月与EVI变化趋势基本一致，通过了0.01水平上的显著性检验，相关系数达到0.978。可知，在年内实际蒸散量是影响植被最重要的因子，温度次之，降水对EVI增加的阈值在90 mm左右。

本文分析了植被生长季不同生态区蒸散量与EVI的相关性，从表3、图8（见273页）中可知，春季ET相关系数最大为Ⅱ区，达到0.428，并且通过P＜0.05的信度检验，其次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ这三个自然区，最低的为Ⅳ区，这与该区域海拔、植被类型有较大关系；夏季ET与EVI相关系数达到最大，其中Ⅰ、Ⅴ区均达到0.75以上，都通过了P＜0.01信度检验，其次为Ⅳ、Ⅱ区，最低的为Ⅲ，这与该区域农作物夏收有很大的关系；秋季ET与EVI相关系数为负相关，尤其是Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区，这是由于该区域秋收之后植被锐减，加之该区域以落叶林及草地为主，气温下降植被蒸腾作用减弱，Ⅱ区相关性不明显，但在高海拔区域相关性显著，Ⅲ自然区相关性为0.136，与其它自然区相反，这与该区的冬小麦处于分蘖期正好相符。

图5 2000—2014年山西省年降水、蒸散量和年均温变化Fig.5 The change of yearly precipitation，evapotranspiration and temperature from 2000 to 2014 in Shanxi Province

表3 不同生态分区EVI变化特征及其与气象因子的相关系数Table 3 Change characteristics of EVI in different ecological regions and its correlation coefficients with climate factors

图6 2000—2014年月均EVI与月均温、降水量的回归曲线Fig.6 The regression curve of monthly EVI with monthly temperature and precipitation from 2000 to 2014

图7 山西省多年月均蒸散量与EVI趋势图Fig.7 The trend chart of the monthly average evapotranspiration with EVI in Shanxi Province

4 结论

通过基于长序列的MODIS／EVI、ET和气象数据，结合山西省生态分区，可以得到以下结论：

1）山西省植被总体呈现上升趋势，增速为2.6%·10a－1，不同生态分区中植被覆盖度状况是Ⅱ东部太行山山地＞Ⅲ中部盆地＞Ⅳ西部山地＞Ⅰ晋北山地＞Ⅴ晋西黄土丘陵区，其中Ⅳ西部山地和Ⅴ晋西黄土丘陵区植被恢复速率明显快于其它自然区。

2）山西省植被覆盖具有较大的区域差异，其中东南部的EVI明显高于西北部，EVI频度图呈现“单峰结构”。全省绝大部分地区呈不变或增加趋势，显著面积比例为25.95%，严重退化面积比例为1.04%。

3）基于年尺度的EVI与降水、蒸散量呈正相关，与温度负相关；月尺度的EVI为“单峰型”，与气温、蒸散量呈显著正相关，蒸散量与EVI的相关性好于降水、温度单一因子，而降雨量对EVI变化存在一个阈值，当降雨量达到一定值EVI不再增加。

4）从生长季考虑蒸散量与EVI的关系可知，从春季到夏季各大生态区均为正相关并且逐渐加强，秋季除Ⅲ中部盆地外其它自然区均为负相关。

5 讨论

由于山西省植被覆盖在空间上的差异性，通过利用EVI数据分析可以比较真实地反映该地区植被覆盖的状况，克服NDVI的一些缺点。研究发现山西省近15年间植被状况逐步改善，由于水热条件的影响，植被覆盖有很大的地域性，总体趋势是从西北向东南逐渐变好，这与信忠保等人研究黄土高原植被覆盖变化的结果一致［1］；不同生态区中Ⅱ东部山地植被覆盖最为良好，尤其是太岳山南麓及中条山部分地区，这是得益于该地区植被基础比较好，以及近年来大力植树造林。Ⅴ晋西黄土丘陵区植被状况最差，该区域地表支离破碎，沟壑纵横。据测算，该区域输沙量占整个黄河的近1／5［19］；植被覆盖增加明显的区域主要集中于晋西南及汾河上游地区；退化区域比较分散，主要集中于各大盆地城市边缘地带，与这些地区高强度的土地开发利用密不可分；改变幅度较大的是Ⅳ西部山地和Ⅴ晋西黄土丘陵区，这与近十几年国家推行的退耕还林还草政策及山西省推出的“蓝天碧水工程”有很大的关系。

在生长季内的EVI为“单峰型”，呈钟形曲线，与王正兴［9］等人研究结果一致。温度、降水与EVI为显著正相关［21］，降雨量对EVI存在一个阈值，大约在90 mm左右，这与党越军［15］等人研究大致一致，实际蒸散量是影响植被覆盖变化的最重要的因子，从不同季节的研究可知，随着蒸散量的变大，EVI也随之上升，这符合植被的生长状况。特别是Ⅱ东部山地和Ⅲ中部盆地正相关系数大于其它自然区，这与生态区玉米、小麦等粮食作物以及山区落叶林等的生长有关；随着蒸散量下降，到了秋季，EVI随之下降，尤其是位于北部的Ⅰ晋北山地、Ⅴ晋西黄土丘陵区和Ⅳ西部山地，负相关系数大于其它自然区，这与农作物的秋收、林木败落以及气温的下降有十分显著的关系。

人类活动对于植被覆盖变化的影响也是很大的。另外，不同自然区内的EVI并不是都与降水、蒸散量存在显著相关性，在一些地区，植被的覆盖还会有其它自然因素的影响，还有土壤质地、地形和政策条件等等对研究区植被覆盖同样起着很大的作用，这将成为下一步研究的重点。

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Response of enhanced vegetation index（EVI）to climatic factors in different ecological division of Shanxi Province

WANG Hu-wei，ZHANG Fu-ping，YAN Yu-chao，LEI Sheng-jian
（College of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi’an，Shaanxi 710062，China）

Using the data of MODIS EVI，monthly mean air temperature and precipitation from 27 weather stations and transpiration from MOD16 during 2000 to 2014，analyzed the vegetation cover change in recent15 years in Shanxi Province and its response feature to temperature，precipitation and evapotranspiration.The result showed that：（1）Overall the vegetation cover showed an upward trend，the increasing speed was2.6%·10a－1.In the different ecological division，the easternmountain area Ⅱ＞the central basin Ⅲ＞the western mountain area Ⅳ＞the north Shanxi mountain area Ⅰ＞the west Shanxi loess Ⅴ.（2）The vegetation cover in Shanxi Province possessed rather large regional difference.Among them and the EVI in southeast part was obvious higher than the northwest part.The EVI frequency chart was appeared“unimodal structure”.The most parts of province was showed unchange or increasing trend，the notable area ratio was 25.95%and the degradation area ratio was1.04%.（3）The yearly EVI with the precipitation and evapotranspiration was assumed positive correlation，negative correlation with the temperature，The monthly EVI with the temperature and evapotranspiration was showed significantly positive correlation.The correlation between evapotranspiration and EVI was better than the single factor as precipitation and temperature.Also the precipitation with EVI change was existed a threshold value.（4）From growing season considered the evapotranspiration with EVI，we can known that from spring to summer each big ecological region total showed positive correlation and strengthened gradually.In autumn，all other natural areas were negative correlation except the middle part of the central basin Ⅲ.

EVI；ecological division；ET；climatic factors；Shanxi Province

图1 山西省植被与生态区分布图Fig.1 The distribution map of vegetation and ecological region in Shanxi Province

图8 山西省不同分区各季节多年平均蒸散量与EVI的相关系数图Fig.8 The correlation coefficient chart of multi-year average evapotranspiration with EVI in each season and different regions of Shanxi Province

S181；Q948.1

A

1000-7601（2016）06-0266-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.40

2015-12-14

国家科技支撑项目（2012BAC08B07）；国家人力资源和社会保障部留学人员科技活动项目择优资助项目；中央高校基本科研业务费科研发展专项（GK201505112）

王虎威（1990—），男，硕士研究生，主要从事资源环境遥感与GIS应用研究。E-mail：861339097＠qq.com。

张福平（1973—），男，山西吕梁人，副教授，硕士生导师，主要从事资源环境遥感与GIS应用研究。E-mail：zhang-fuping＠163.com。