河北省植被NDVI变化及其对气象要素的响应

陈奇乐，谢梦姣，李瑾璞，李智，张美丽，王树涛

(1 河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定071000；2 河北农业大学 国土资源学院，河北 保定 071000)

植被是构成陆地生态系统不可或缺的重要组成部分，在气候变化中起着重要的指示作用[1-2]。因植被易受到气温和降水要素的影响[3-4]，所以研究其对气象要素的响应关系具有重要意义。在植被动态变化的研究中归一化植被指数(NDVI)被广泛应用于植被生物量监测、植被群落组成与分类、自然灾害灾情评估、土地利用和覆被变化等研究领域[5-7]。借助于GIS技术来进行植被的研究较为方便，许多学者也在这方面做了大量研究[8]。陈福军等利用8 km分辨率NDVI数据和气象资料分析海河流域1981-2000年NDVI与年气温、降水量的相关性，结果表明：海河流域东部沿海平原及燕山北部等干燥环境下，与降水呈正相关关系，与气温呈显著负相关性，而在山前平原农灌区，作物对气候因子变化响应不敏感[9]。Tao等研究了青藏高原的植被覆盖状况，发现草地植被变化波动比较大，其他植被类型波动幅度较小[10]。Sun等研究了中国北部区域植被覆盖状况，发现在总体上还是处于增加的趋势，但是增长速度在年份上有所差别[11]。Tian等对内蒙古区域的植被覆盖进行研究，得出在2000-2012年期间植被经过人类活动等有所改善，但是改善的范围和效果在整个区域有所差别[12]。

河北省植被种类多样，结构复杂，是我国植被资源比较丰富的省区之一[13]。近年来，由于气候、环境、人为影响使得河北省植被受到了严重的威胁。因此，基于GIS技术，利用2000-2015年MODIS NDVI数据，应用趋势分析、相关性分析等统计学方法，分析河北省整个省域内植被NDVI变化及其与气象要素的关系，以期为河北省生态功能维护和各项生态保护措施的开展提供基础数据及理论依据。

1 研究区概况

河北省位于中国华北地区，处于北纬36 °05 ′～42 °40 ′，东经113 °27 ′～119 °50 ′之间。环抱首都北京，东与天津毗连并紧傍渤海，东南部、南部衔山东、河南2省，西倚太行山与山西为邻，西北部、北部与内蒙古交界，东北部与辽宁接壤，河北省总面积18.88万km2。河北省海拔，最高海拔2 835 m位于坝上高原区，地势由西北向东南倾斜。该地区地貌类型复杂多样，种类齐全是我国地貌类型最丰富的省份之一[14]。河北省地处温带大陆性季风气候，大部分地区四季分明[15]。年日照时数2 303.1 h，年无霜期81～204 d；年均温为10.07 ℃，1月平均气温在3 ℃以下，7月平均气温18～27 ℃。年均降水量514.88 mm，降水量分布特点为东南多西北少；河北省干旱频繁，水资源不足，降水多的时候年份相对集中，常引发洪涝，干旱和洪涝都严重影响该地区的经济发展和生态环境[16]。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

NDVI数据采用中国科学院资源环境科学数据中心《中国年度植被指数(NDVI)空间分布数据集》。与研究区矢量图进行掩膜提取得到时间分辨率16 d，空间分辨率1 km×1 km，时间序列为2000-2015年的河北省NDVI数据。NDVI是指近红外波段与可见光波段的差和这2个波段的和之比值。计算公式如下：

(1)

式(1)中：NIR地表近红外波段；R地表可见光的红光波段。NDVI的值在[-1，1]之间，当NDVI越接近1时，表示植被覆盖度越高，当植被越接近-1时，表示植被覆盖几乎没有。

植被类型数据依据中国科学院资源环境科学数据中心的《1∶1 000 000中国植被图集》数据集，用河北省行政区进行投影转换和数据提取，得到研究区内植被大类数据，研究区有9种植被类型:草丛、草原、草甸、针叶林、落叶林、灌丛、沼泽、栽培植被、其他。

气象数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心的气象空间插值数据集，应用投影转换和数据掩膜，提取出与NDVI投影坐标和分辨率一致的栅格数据。在研究省域年均温和年降水量时，采用ArcGIS做栅格均值化处理，得到河北省年均温和年降水量平均值。

2.2 均值法

均值法可以避免一些异常值对研究结果的影响，能够更好的反应研究对象的整体状况。研究选用研究区平均最大化的NDVI值、各种植被类型的平均NDVI值和全省年均气象要素来研究各数据在2000-2015年16 a来的年际变化。

2.3 趋势分析法

一元线性回归趋势线法可分析单个像元的变化趋势，变化趋势斜率为正数表明植被覆盖处于改善状态，变化斜率为负数表明植被处于退化状态。应用该方法来模拟2000-2015年研究区内NDVI的空间变化趋势。计算公式如下：

(2)

式(2)中，θ为趋势线斜率，n为研究时间序列年数，即16 a(2000-2015年)；i代表年序号；NDVIi代表第i年最大化NDVI值。

2.4 相关分析

采用皮尔逊相关分析研究NDVI对气象要素的响应关系。该方法着重研究线性的单相关关系，相关关系用相关系数r来表示，其中r的范围在-1到1之间，r越接近1说明2变量的正相关关系越强，r越接近-1说明2变量的负相关关系越强，r越接近0说明两变量相关关系越弱。计算公式如下：

(3)

2.5 显著性分析

相关系数的显著性水平是在给定的置信水平下，通过查相关系数检验的临界值表来完成的[17]，见表1。

表1 相关系数检验的临界值

f值称为自由度，其数值为n-2，本研究的时间序列为16所以自由度为14；表中a表示不同的置信水平；置信水平下方对应的是相关系数P=0的临界值，当相关系数大于临界值时，认为两要素相关，反之，则不相关。

3 结果与分析

3.1 植被NDVI的时间变化规律

2000-2015年河北省不同植被年均NDVI变化统计结果，见下图1。

图1 2000-2015年河北省不同植被年均NDVI变化

Figure 1 NDVI variation of different vegetation type in Hebei Province from 2000-2015

由图1可知，9种不同的植被类型在16 a中都呈现波动上升趋势，植被覆盖有所增加。其中草原的变化幅度最大为0.18，沼泽的变化幅度最小为0.04。从整体上看，阔叶林、针叶林和灌丛3种植被变化趋势基本相同，草丛和栽培植被2种植被变化趋势基本相同，草原、草甸、沼泽和其他4种植被变化趋势基本相同。阔叶林、针叶林和灌丛3种植被在2000-2002年呈现下降趋势，在2002-2003年呈现上升趋势，在2003-2011年间呈现不变趋势，在2011-2012年呈现上升趋势，在2012-2015年呈现不变趋势；草丛和栽培植被2种植被在2000-2004年间呈现上升趋势，在2004-2013年呈现不变趋势，在2013-2015年呈现下降趋势；草原、草甸、沼泽和其他4种植被在2000-2002年呈现下降趋势，在2002-2003年呈现上升趋势，在2003-2013年呈现波动上升趋势，在2013-2015年呈现下降趋势。

河北省不同植被类型NDVI年际变化线性回归分析，见下表2。

表2 河北省不同植被类型NDVI年际变化线性回归分析

注：R2为拟合系数，r为相关系数，*表示通过p<0.05检验，**表示通过P<0.01检验。

由表2可知，16 a来河北省整个省域植被NDVI显著增加(P<0.01)增长速率为0.045 0/10 a。不同的植被类型的NDVI均值存在差异性，河北省2000-2015年间9种植被类型NDVI均值从大到小依次为阔叶林(0.792 2)、针叶林(0.780 9)、灌丛(0.770 3)、草丛(0.728 4)、栽培植被(0.724 6)、草甸(0.657 1)、沼泽(0.629 3)、草原(0.628 8)、其他(0.612 2)，增长速率从大到小依次为灌丛(0.063 0/10 a)、草原(0.056 0/10 a)、草甸(0.053 0/10 a)、阔叶林(0.051 0/10 a)、草丛(0.051 0/10 a)、针叶林(0.047 0/10 a)、其他(0.039 0/10 a)、栽培植被(0.033 0/10 a)、沼泽(0.014 0/10 a)。其中落叶林、针叶林、灌丛、草丛通过了显著性检验水平(P<0.01)，草原、草甸、栽培植物通过了的显著性检验(P<0.05)水平。根据一元线性回归方程来看，河北省植被NDVI在未来还会有增加趋势。

3.2 植被NDVI的空间变化规律

根据相关研究，结合统计分析，将河北省年变化率按数值分为7类：明显改善、中度改善、轻微改善、基本不变、轻微退化、中度退化、严重退化[18]。NDVI变化率小于-0.010 0表示植被NDVI严重退化；NDVI变化率在-0.010 0与-0.005 0之间表示被NDVI中度退化，NDVI变化率在-0.005 0与-0.001 0之间表示植被NDVI轻微退化，NDVI变化率在-0.001 0与0.001 0之间表示植被NDVI基本不变，NDVI变化率在0.001 0与0.005 0之间表示植被NDVI轻微改善，NDVI变化率在0.005 0与0.010 0之间表示植被NDVI中度改善，NDVI变化率大于0.010 0表示植被NDVI明显改善。

利用ArcGIS软件统计出研究时序内河北省植被变化面积变化分级见下表3。

表3 2000-2015年河北省植被NDVI变化像元比例表

由表3可知，河北省NDVI增加的区域面积为145 229 km2，占省域总面积77.39%，NDVI减少的区域面积为29 364 km2，占省域总面积15.64%，NDVI不变的区域面积为13 078 km2，占省域总面积6.97%。其中，中度改善的面积最大，为74 695 km2，占河北省面积的39.80%，轻微改善的面积次之，为49 933 km2，占河北省面积的26.61%。

采用ArcGIS软件对2000-2015年16 a植被NDVI数据进行一元线性趋势分析，得2000-2015年河北省NDVI变化趋势及变化斜率分级空间分布图，见图2。

图2 2000-2015年河北省NDVI变化趋势及变化斜率分级空间分布

Figure 2 Spatial distribution of NDVI trend and spatial distribution of slope grading in Hebei Province from 2000-2015

由图2可知，研究植被NDVI变化斜率与变化斜率分级的分布情况，16 a来河北省整体植被NDVI呈增加趋势，植被覆盖有所好转。在不同地区植被变化斜率有显著差异，表明植被NDVI在空间尺度上具有差异性。其中，NDVI明显改善的区域面积占整个研究区面积的10.98%，主要分布在冀西北间山盆地区和燕山山前丘陵区；NDVI中度改善的区域面积占整个研究区面积的39.80%，主要分布在燕山山前丘陵区、滨海冲积平原区和太行山山地丘陵区。NDVI轻微改善的区域面积占整个研究区面积的26.61%，主要分布在燕山山前丘陵区、滨海冲积平原区和太行山山地丘陵区。NDVI退化的区域面积占整个研究区面积的15.64%，主要分布在坝上高原区和东南部平原区。

3.3 植被NDVI对气象要素的响应特征

3.3.1 气象要素的年际变化 河北省2000-2015年间气温和降水的变化趋势，见下图3和图4。

图3 河北省2000-2015年年均气温变化趋势

图4 河北省2000-2015年年均降水量变化趋势

Figure 4 Variation trends of annual average precipitation in Hebei Province from 2000-2015

由图3和图4可知河北省2000-2015年间气温和降水的变化趋势。在气温方面，16 a间河北省年均气温呈现出波动态势，在2000年至2007年呈现波动上升趋势，在2007年至2010年呈现下降趋势，在2010年至2015年呈现波动上升趋势，其中气温峰值出现于2014年，为10.87 ℃；谷值发生在2012年，为9.36 ℃。总体来看，在研究时间序列内，河北省气候持续不变，增加速率为0 ℃/10 a。在降水方面，2000年至2015年间河北省年均降水量呈波动上升趋势，增加率为29.77 mm/10 a，其中年降水量峰值出现于2012年，为637.54 mm；谷值发生在2002年，为425.01 mm。

3.3.2 植被NDVI对气象要素的响应特征 利用ArcGIS软件进行2000-2015年河北省NDVI与年均温、年降水量的相关分析，分析结果见下图5。

图5 2000-2015年河北省NDVI与年均温、年降水量的相关系数空间分布

由图5可知，2000-2015年河北省植被NDVI与年均温和年降水量的相关性具有空间异质性，其中，NDVI与气温呈现显著正相关的区域主要分布于河北省北部燕山山地丘陵区，呈现显著负相关的区域主要分布于海河冲击平原东部；NDVI与降水量呈显著正相关的区域主要分布于河北省西北部坝上高原区、冀西北间山盆地区、太行山山地丘陵区，呈现显著负相关的区域主要分布于太行山南端丘陵区。

统计图5所得NDVI与年均温和年降水量的相关性，具体计算结果见下表4。

表4 NDVI与气温、降水相关性分析

注：极显著(P<0.01)，显著(P<0.05)。

由表4可知，河北省植被NDVI和气温正负相关并存，呈正相关的区域面积为73 336 km2，占整个省域面积的39.24%，呈负相关区域面积为113 564 km2，占整个省域面积的60.76%。其中呈极显著正相关(P<0.01)的区域面积为5 093 km2，占整个省域面积的2.72%，呈显著正相关(P<0.05)的区域面积为7 931 km2，占整个省域面积的4.24%，呈显著负相关(P<0.05)的区域面积为10 404 km2，占整个省域面积的5.57%，呈极显著负相关(P<0.01)的区域面积为3 230 km2，占整个省域面积的1.73%。由此看来呈显著正相关(P<0.05)和显著负相关(P<0.05)的区域十分有限，说明在像元尺度上，河北省大面积区域NDVI对气温变化的响应不太敏感。

河北省植被NDVI和降水量主要呈现正相关，呈正相关的区域面积为164 607 km2，占整个省域面积的88.07%，呈负相关的区域面积为22 293 km2，占整个省域面积的11.93%。其中呈极显著正相关(P<0.01)的区域面积为10 138 km2，占整个省域面积的5.42%，呈显著正相关(P<0.05)的区域面积为27 471 km2，占整个省域面积的14.70%，呈显著负相关(P<0.05)的区域面积为285 km2，占整个省域面积的0.15%，呈极显著负相关(P<0.01)的区域面积为33 km2，占整个省域面积的0.02%。这说明在像元尺度上，河北省大部分地区植被NDVI与降水变化呈正相关关系。可以看出，降水是河北省NDVI动态变化的关键气象要素，降水上升有利于植被的生长与恢复。

4 结论与讨论

河北省植被NDVI变化趋势主要呈增加趋势，NDVI增加区域面积占全省面积的77.39%，这一结果说明近年来河北省植被生长状况总体处于改善状态，地表植被趋于恢复。这与有关专家研究太行山区、海河流域得出结果基本一致[9,19]。

有研究认为，半湿润区NDVI变化主要受气温的影响，与降水关联性较小，还有研究认为在半干旱区NDVI变化主要受降水量和蒸散量的影响，与降水关联性较大[20]。而本研究表明，降水对NDVI的影响相对较大，气温对NDVI的影响较低，其原因是因为河北省年均温较高，长期处于稳定状态，再加之河北省年日照时数在2 355～3 062 h之间，处于较高的日照水平，植被生长具有适宜的温度、光照条件，因此，植被与气温的显著相关性较低。而植被NDVI与降水量呈显著正相关的区域较大，主要分布在坝上高原区、冀西北间山盆地区和太行山山地丘陵区，因这些地区海拔较高，雨水涵养作用明显下降，因此降水量的不断增加，使得植被具有更好的水源供应条件从而促进植被生长。

基于上述论述，建议在后期河北省生态修复及植被恢复过程中，应特别加强对植被覆盖减少区域的治理，主要治理的区域处于坝上高原区，应充分利用该地区植被生长发育过程中降水的正相关关系，合理安排植被培育、栽植等管理活动，不断提高河北省植被覆盖的数量和质量。