贵州高原NDVI变化及其对气候变化的响应

许玉凤，潘网生，张永雷

黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州 都匀 558000

近年来，气候变暖毋庸置疑，极端天气频繁发生（Zhang et al.，2014），对生态变化影响显著（Eastman et al.，2013；Reichstein et al.，2013；Huang et al.，2018；马雄伟等，2020）。植被生态系统在地球各圈层的物质循环和能量流动过程中扮演着十分重要的角色（曾红霞等，2019）。植被能直观反映地表生态变化，而且对气候变化十分敏感，已作为衡量生态环境状况的主要指标（Jackson et al.，2008；南颖等，2010；张琪等，2016）。遥感数据具有范围大、数据新、时空连续性等优点（王宗明等，2009），已成为监测和定量评估植被变化的重要数据来源（洪艳等，2019；刘宪锋等，2015），其中归一化植被指数（NDVI）可以定量表征植被变化，被广泛用于监测区域或全球植被和生态环境变化的有效指标（卢乔倩等，2020），经常被用来揭示生态系统对气候变化的响应（安佑志等，2016；Ding et al.，2007）。气温和降水是影响植被变化的重要因素（刘可等，2018；刘世梁等，2014；Tao et al.，2017；Zhang et al.，2017），在年和月等不同的时间尺度上，不同植被类型有不同的响应（王情等，2013；刘正才等，2019），植物生长的缓慢过程决定了其对气温和降水的响应具有一定的时滞效应（Jiang et al.，2017）。

贵州高原位于中国西南喀斯特地区的腹地，其生态环境对全球变化非常敏感，受到国内外学者的广泛关注。近年来，关于贵州高原植被变化及其对气候变化响应的相关研究成果逐渐增多。研究表明，贵州高原植被变化在春季NDVI与温度和降水的相关系数高于其他季节，温度与NDVI的同季相关高于滞后相关，而降水与NDVI的滞后相关高于同季相关，与温度的相关性高于降水（郑有飞等，2009）。像元尺度上，与年均气温和降水均具有较强的负相关性，且年均气温的影响力大于年降水量（张勇荣等，2014）。NDVI与年降水量和年均温均呈不显著负相关，降水对植被变化的影响力大于温度（马士彬等，2016）。

但已有研究中关于月NDVI变化及其影响因素的研究不足；已有研究中关于NDVI对气温、降水响应的研究较多，对其他气象因子的相关研究较少；植被与影响因素时滞效应能深刻揭示作用机理，但目前针对贵州省月NDVI变化及其延迟效应还缺乏系统分析。

贵州省地形地貌条件复杂，传统的地面调查不能满足社会发展需求，充分利用NDVI数据具有区域覆盖区域广、时效长、重复周期短等优势，可以实现大区域、长时间序列植被变化的监测（马士彬等，2016）。本文利用1999—2017年SPOT NDVI和气象站点数据，运用GIS及统计分析方法、相关分析方法等，研究贵州省年、季和月NDVI的年际变化趋势，揭示该区域气候因子对植被的影响特征，探求月NDVI对气候因子的时滞效应，对于生态建设、水土保持、探索喀斯特生态环境效应机制具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 数据来源与预处理

NDVI数据源自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）。空间分辨率为1 km，通过重投影、裁剪等预处理，获得了研究所需要的数据集。

气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）日值数据集，研究所用的气象因子主要包括日照时数、大型蒸发量、降水量、平均地表气温、最高地表气温、最低地表气温、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速。

将数据选取UTM投影、GCS_WGS_84坐标系、TIFF格式；用贵州省行政边界矢量图层对其裁剪，得到研究区年、季、月NDVI数据集以及气象数据集。

借助ArcGIS平台获得年均NDVI、季均NDVI和月均NDVI，分析贵州省1999—2017年年均NDVI、季均NDVI和月均NDVI的变化趋势。

本研究为揭示贵州省植被年际变化、季节变化和逐月变化，以及植被与降水、温度在年际变化、季节变化和月变化方面的相关性，将NDVI、降水量、温度的月均数据和季节数据、年数据变化趋势进行对比分析。

1.2 研究方法

采用Pearson相关分析法度量要素间的相互关系，计算NDVI与相应气象因子之间的相关系数并进行显著性检验（刘正才等，2019）。其计算公式如下：

式中，rxy为相关系数；xi、分别为NDVI及其平均值；yi、分别为气象因子及其平均值；n为年份，本研究中取19。

计算NDVI与气象因子的相关系数，并分别计算NDVI与前1个月、前2个月气象因子的相关系数，研究植被对气象因子的影响程度及滞后效应。

2 结果与分析

2.1 植被年变化及其气象因子影响程度分析

2.1.1 NDVI的年际变化

如图1所示，研究期间贵州省NDVI随时间呈显著增加趋势（r=0.945，P=0.000），表明近19年来贵州省NDVI明显改善。这与许多学者关于中国不同地理单元乃至全国范围的植被活动总体增强（刘宪锋等，2015；Ding et al.，2007）的结论一致。

从年均增长率看，1999—2017年间为0.007 3 a-1。从阶段变化来看，1999—2010年间年均增长率为0.007 9 a-1，2011—2017年间为0.014 7 a-1，表明2011—2017年间上升幅度大于1999—2010年间的上升幅度。

图1 1999—2017年（a）、1999—2010年（b）和2011—2017年（c）植被变化趋势Fig.1 Annual change trend of vegetation in1999-2017 (a), 1999-2010 (b) and 2011-2017 (c)

2.1.2 气象因子影响程度分析

如图2所示，研究期间，日照时数年均值呈上升趋势，年均增长率为0.217 h·a-1；年降水量呈上升趋势，年均增长率为0.928 3 mm·a-1；平均风速呈上升趋势，年均增长率为0.002 6 m·s-1·a-1。气温呈上升趋势，其中最低地表气温和最低气温均年均增长率高于最高地表气温、平均地表气温、平均气温和最高气温。

平均相对湿度呈下降趋势，年均减少率为0.052%·a-1；大型蒸发量呈下降趋势，年减少率为0.969 7 mm·a-1。

如表1所示，气温的影响程度较大，其中NDVI与最低地表气温、最低气温呈显著正相关，与最低地表气温相关系数高于与最低气温的相关系数，且在0.01水平上显著。

与平均气温、平均地表气温的相关系数高于与最高地表气温和年降水量的相关系数为。与平均风速、日照时数和大型蒸发量的相关系数较小。只有与平均相对湿度的相关系数为负相关。

2.2 季节变化分析及其气象因子影响程度分析

2.2.1 季节变化分析

贵州省不同季节NDVI值差别较大，变化趋势不同。如图3所示，1999—2010年间夏季NDVI值最高，其次为秋季、春季，冬季最低。

从变化趋势看，1999—2017年间贵州省春季、夏季、秋季和冬季NDVI均呈显著上升趋势，其中春季显著性最高，其他3个季节显著性较高。4个季节的植被变化显著程度均在0.01水平（双侧）上显著相关，表明近19年贵州省NDVI明显改善。

从年均增长率看，春季最大为0.009 3 a-1，冬季为0.007 0 a-1，秋季为0.006 9 a-1，夏季最小为0.004 6 a-1。

图2 1999—2017年气象因子与年均NDVI变化趋势Fig.2 The change trend of climate factors in 1999-2017

表1 气象因子与年均NDVI的相关系数Table 1 The correlation coefficient between meteorological factors and annual NDVI

图3 贵州省1999—2017年季节NDVI变化趋势Fig.3 Trends of the seasonal NDVI change in Guizhou province in 1999-2017

2.2.2 季节变化的气象因子影响程度分析

（1）春季气象因子影响分析

如图4所示，从春季各气象因子的变化趋势看，日照时数、大型蒸发量、降水量、平均风速呈下降趋势；平均相对湿度呈上升趋势，年增长率为0.040 8%·a-1；气温因子都呈上升趋势，其中最低地表气温和最低气温均呈显著上升趋势，其年增长率分别为0.072 9 ℃·a-1和0.041 3 ℃·a-1。

如表2所示，从NDVI与气温的相关系数看，与最低地表气温在0.05水平上呈显著正相关；与最低气温、平均地表气温、最高地表气温、平均气温、最高气温的相关系数较大，表明相关程度较高。与平均相对湿度、日照时数的相关系数较小。与大型蒸发量、年降水量、平均风速呈不显著负相关。以上分析表明，气温升高促进植被生长，春季气候变暖促使植被生长季提前（马士彬等，2016），春季植被NDVI呈现上升趋势。

（2）夏季气象因子影响分析

如图5所示，夏季降水量、平均相对湿度呈下降趋势，其年减少率分别为2.377 2 mm·a-1和0.143 4%·a-1；日照时数、大型蒸发量、平均风速呈上升趋势，年增长率分别为0.794 4 h·a-1、1.030 2 mm·a-1和0.007 9 m·s-1·a-1。最低地表气温和最低气温均呈显著上升趋势，平均气温、最高气温上升趋势大于平均地表气温、最高地表气温。

图4 春季气象因子与年均NDVI变化趋势Fig.4 The change trend of climate factors in spring

表2 春季NDVI与气象因子的相关系数Table 2 The correlation coefficient between meteorological factors and annual NDVI

如表3所示，从夏季气象因子与NDVI的相关系数看，所有相关系数都没有呈现显著水平。从相关系数的大小分析其相关程度，NDVI与最低地表气温和最低气温的相关系数呈不显著的正相关，且系数较大；与平均气温、降水量呈不显著正相关，相关系数较小；与平均相对湿度、最高气温、日照时数呈不显著正相关，相关系数很小；与最高地表气温、平均风速、大型蒸发量、平均地表气温呈不显著负相关。

（3）秋季气象因子影响分析

如图6所示，从秋季各气象因子的变化趋势看，日照时数、大型蒸发量、最高地表气温呈下降趋势，其年减少率分别为0.451 2 h·a-1、0.809 9 mm·a-1和0.025 5 ℃·a-1；降水量、平均相对湿度、平均风速呈上升趋势，年增长率分别为3.844 2 mm·a-1、0.077 6%·a-1和0.004 1 m·s-1·a-1；气温因子中的平均气温、平均地表气温、最低地表气温和最低气温均呈显著上升趋势，平均地表气温、最低地表气温上升趋势大于平均气温、最低气温。

图5 夏季气象因子与年均NDVI变化趋势Fig.5 The change trend of climate factors in summer

表3 夏季NDVI与气象因子的相关系数Table 3 The correlation coefficient between NDVI and meteorological factors in summer

如表4所示，从秋季NDVI与气象因子的相关系数看，NDVI与最低地表气温在0.05水平（双侧）上呈显著正相关；与最低气温、年降水量、平均相对湿度气温、平均风速、平均地表气温、平均气温呈不显著正相关；与大型蒸发量、日照时数、最高地表气温、最高气温呈不显著负相关。

最低地表气温和最低气温升高、降水量、平均风速增加有助于秋季植被生长，而日照时数、大型蒸发量、最高地表气温和最高气温增加对植被生长有抑制作用。

（4）冬季气象因子影响分析

图6 秋季气象因子与年均NDVI变化趋势Fig.6 The change trend of climate factors in autumn

表4 秋季NDVI与气象因子的相关系数Table 4 The correlation coefficient between NDVI and meteorological factors in autumn

如图7所示，从冬季各气象因子的变化趋势看，日照时数、大型蒸发量、降水量、平均气温、最高气温、平均相对湿度呈下降趋势；平均地表气温、最高地表气温、最低地表气温、最低气温、平均风速均呈上升趋势。

如表5所示，冬季NDVI与气象因子的相关程度均没有呈现显著水平。其中，与气象因子呈正相关的有日照时数、最高地表气温、最低地表气温、最高气温、平均地表气温、平均气温、最低气温、大型蒸发量，其中与日照时数、最高地表气温、最低地表气温、最高气温相关系数较大；与气象因子呈负相关的有平均相对湿度、平均风速、年降水量，呈不显著负相关。

日照时数增加、最高地表气温、最低地表气温、最高气温升高有助于植被生长，而平均相对湿度增加、平均风速增大、降水增多都会抑制植被生长。这是因为冬季气温较低，日照增加、气温升高、湿度降低对植被生长是必要的。

图7 冬季气象因子与年均NDVI变化趋势Fig.7 The change trend of climate factors in winter

表5 冬季NDVI与气象因子的相关系数Table 5 The correlation coefficient between NDVI and meteorological factors in winter

综上，最低气温对春季和夏季植被的影响较大，最低温度、降水是影响秋季植被生长的重要因素，日照时数、地表气温和最高气温影响冬季受较大，气温的影响程度高于降水。

2.3 月变化及其气象因子影响程度分析

2.3.1 月NDVI的年际变化

（1）1—12月NDVI变化趋势分析

如表6所示，研究期间，1—12月NDVI变化趋势均呈上升趋势，1、6月外的其他月份均呈显著上升趋势。4、5、8、10月呈极显著上升趋势，2、3、7、9、11、12月呈显著上升趋势。

从年均增长率来看，10月NDVI年均增长率最大，2、4月增长率较大，6月年均增长率最小。因此，秋季NDVI增长率最高、夏季最低。

2月的NDVI值最低，农作物面积最小，因此，2月NDVI呈上升趋势，说明植被面积在扩大。

表6 贵州省1999—2017年间月NDVI变化趋势的回归方程Table 6 Regression equation of monthly NDVI change trend in Guzihou province in 1999-2017

（2）生长季延长分析

选取1999、2003、2005、2009、2013、2015、2017年的1—12月NDVI，比较不同年份的相同月份的NDVI变化。一般而言，由于4—10月是植被的主要生长季节，要了解生长季延长情况，需关注4月之前和10月之后NDVI的变化情况。

前文已经分析了1999—2017年间1—12月每月的NDVI均呈上升趋势。如图8所示，比较4月之前和10月之后的情况，发现随着时间的推移，4月之前和10月之后的NDVI值均有所增加，表明研究区植被生长季在延长。因此，植被年际变化的显著增长趋势除了植树造林等生态保护措施的有力实施外，与植被生长季延长有重要关系。

2.3.2 月变化的气象因子影响程度分析

分析植被月变化与当月、前一月、前两月的气象因子的相关程度，研究气象因子的影响状况的时滞性。

图8 1999—2017年植被NDVI生长季延长趋势Fig.8 The extension trend of growth season NDVI in 1999-2017

（1）月NDVI与当月气象因子的相关分析

按照具体气象因子对每个月份NDVI变化的影响程度看，地表气温的影响程度较大，其次为气温、日照时数、大型蒸发量、平均相对湿度、平均风速和降水量。

如表7所示，当月日照时数对NDVI的影响较大，尤其在冬季、夏初、秋中，日照时数延长有助于植被生长；NDVI受当月大型蒸发量影响较大，尤其在冬季、夏初、秋中更加明显。

表7 月NDVI与当月气象因子的相关系数Table 7 The correlation coefficient between monthly NDVI and meteorological factors in same month

平均地表气温在冬季、春末夏初对植被生长有明显的促进作用；最高地表气温升高可以促进冬季、春季、夏初和秋中的植被生长；最低地表气温升高可以促进冬中、春初、夏末植被生长，但是会在夏中、秋中、秋末产生抑制作用；平均气温升高对冬季、春初、夏初的植被生长促进作用较大；最高气温升高对冬季、春初、夏初植被生长影响显著；最低气温升高有助于冬中、春初植被生长。

降水量增加仅在春初、秋初对植被生长有促进作用，其他时间有抑制作用；平均相对湿度增大会抑制植被生长，尤其强烈抑制冬季、夏初的植被生长。

平均风速增大会促进夏季植被的生长，对冬中、春中、夏中有抑制作用。

（2）月NDVI与前一月、前两月气象因子的相关分析

为了分析气象因子的时滞效应，对NDVI与前一月、前两月的响应程度进行研究。

如表8所示，前一月的日照时数延长对3、6月NDVI有促进作用，而对10、12月的植被有抑制作用；前一月大型蒸发量增大会对12月NDVI有强烈抑制作用；前一月的最低地表气温升高对9、10、4月植被生长有促进作用；前一月降水量增加会促进10月植被生长；前一月平均相对湿度增大会对12月植被生长有促进作用；前一月最低气温升高在9、10月有促进作用。

日照时数、大型蒸发量、最低地表气温、降水量、平均相对湿度、最低气温在春季、夏初、秋季、冬初有时滞效应。

如表9所示，前两月的日照时数延长、最高地表气温升高对12月植被生长有促进作用；降水量增加对6月植被生长有促进作用。日照时数、最高地表气温、降水量对冬初、夏初有2个月的时滞效应。

表8 月NDVI与前一月气象因子的相关系数Table 8 The correlation coefficient between monthly NDVI and meteorological factors in previous month

表9 月NDVI与前两月气象因子的相关系数Table 9 The correlation coefficient between annual NDVI and meteorological factors in previous two month

以上分析表明，当月气象因子对植被变化影响较大；前一月中最低地表气温、最低气温影响较大，降水和蒸发量在某月份有一定程度的影响；前两月中日照时数、最高地表气温、最低地表气温、降水量在某月份有一定程度的影响。

3 结论

基于1999—2017年贵州省NDVI数据与同期气象数据，分析了年、季和月的年际变化及其对气候变化的响应，主要结论如下：

（1）研究期间，贵州省NDVI呈显著上升趋势，但存在阶段差别。最低地表气温和最低气温对植被生长影响较大，其中最低地表气温影响显著。

（2）夏季NDVI值最高，其次为秋季、春季，冬季最低。NDVI季节变化均呈显著上升趋势，其中，春季年增长率最大，其次为秋季、冬季，夏季最小。春季、秋季受最低地表气温影响较大，夏季、秋季受气温和降水的共同影响，冬季受日照时数、地表气温和最高气温影响较大。总体而言，气温的影响程度高于降水。

（3）1—12月NDVI均呈上升趋势，但每月上升状况不同。地表温度对每个月份植被的影响程度较大，其次为气温、日照时数、大型蒸发量、平均相对湿度、平均风速和降水量。气温对植被NDVI的影响既存在当月效应，也有滞后效应，日照时数、蒸发量、降水量滞后效应明显。气温升高、气候变暖促使生长季延长，是贵州高原重要的气候效应之一。