2000—2017年湖南省NDVI动态变化及其对气候响应

张庆斌，罗 佳，周小玲，王光军

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

植被作为生态环境变化综合指标之一，反映一个地区生态环境的变化情况[1]。利用植被反射光谱构建植被指数，在植被动态变化长期观测中得到广泛应用。目前，归一化植被指数（NDVI）[2]作为常用反映植被变化指标，相比其他监测植被动态变化的植被指数，能更好反映植被动态变化。将NDVI 数据运用于观测某一地区的植被空间的变化，有助于了解该地区植被时空变化的过程、机理，进而找到改善该地区生态环境的方法，为打造优良的人居环境、促进地区经济可持续发展提供参考[3]。

遥感数据具有覆盖面积广、时相分辨率高的特点，为研究地表植被变化的NDVI 数据提供了长时间序列的数据源，有助于研究者对不同区域尺度NDVI 变化及其影响因素开展研究[4-5]。方精云等[6]研究1982—1999年中国植被覆盖变化，发现中国东部沿海地区NDVI 呈现下降趋势或变化不明显；农业产区和西部地区增加显著。王震等[7]利用2000—2013年中国三种主要土地覆盖类型，研究不同类型土地植被覆盖变化情况，全国植被覆盖整体为改善状态。但是耕地植被覆盖主要减少地区在东部繁华区以及人口聚集的城市中心区域，林地植被覆盖地区集中在东北传统林区以及东部沿海人口聚集区，草原草地植被覆盖得到显著改善。谢力等[8]认为在中国NDVI 的空间分布与降水空间分布极为吻合，NDVI 季节生长变化与温度的季节变化特征更近似；植被与温度在季节生长变化上存在e指数关系，同时与降水存在幂指数关系。李辉霞等[9]利用残差回归模型定量化研究气候、人为影响因素，对于人为因素对于NDVI 的变化做出评估。刘洋等[3]结合1982—2013年新疆地区NDVI数据，研究表明新疆地区植被覆盖空间分布差异明显，其中北疆由于南疆，西北由于东南。郭庆斌等[10]研究发现，2005—2015年湖南省NDVI年际变化稳定，湖南大部分地区植被覆盖度增加，湖南东部部分地区出现植被衰退现象。湖南于2000年开始，响应国家退耕还林的号召，在全省展开相关林业恢复工作；但是关于2000年以后，湖南全省植被变化情况，及其气候因素的影响研究尚不明晰。本研究运用湖南省2000—2017年NDVI 数据，结合同期降水、温度，探究湖南省植被动态变化及其气候因子的相关性，以厘清湖南NDVI 动态变化与气候因子间的关系，可为湖南省植被保护和利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南省地处长江中游，位于24°38′—30°08′N，108°47′—114°15′E，面积为2.118×105km2。洞庭湖平原在其北部位置，中部腹地为丘陵，地势为海拔西南高东北低，形成了东北开口马蹄形；山地占全省总面积51.20%，丘陵及岗地占29.30%，平原占13.10%，水面占6.40%[11]。气候为亚热带湿润季风气候，冬季干燥少雨，夏季高温多雨。受地形和亚热带季风气候的影响，以亚热带常绿阔叶林为主（图1）。

1.2 数据来源

NDVI 数据来源于美国NASA (National Aeronautics and Space Administration)戈达德航天中心MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)数据MOD13Q1 产 品(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/)的三级网格陆地植被数据，数据精度为空间分辨率250 m、时间分辨率16 d[12],同期气候数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.gov.cn/)，包括研究区2000—2017年湖南省范围内气象站点逐月平均气温和累计降水量。

1.3 数据处理

数据采用美国 NASA 提供的 MRT 软件，选取 NDVI 数据集进行拼接、投影转换，统一为WGS84 投影坐标系。利用ArcGIS10.4 和湖南地州市矢量边界图进行裁剪，进行MVC 最大化合成，得 到2000—2017年NDVI 各月数据集[13-14]。用MOD13Q1 质量控制文件剔除不良质量像元，在ENVI 中用Hants 滤波工具对长时间序列NDVI 数据集进行降噪处理，获得每辐影像NDVI 有效值在0～1 之间。再对年内NDVI 数据集进行均值化处理得到2000—2017年年均、各季节NDVI 数据集，最后对年均、各季节NDVI 数据进行线性回归分析，得到NDVI年际、各季节趋势方程和相关系数[15-16]。

采用趋势分析法对湖南省植被动态变化进行分析，计算公式[17]为：

图1 湖南省地形Fig.1 Terrain of Hunan province

式（1）中：K代表斜率，i代表2000—2017年的第i年，NDVIi代表第i年的NDVI 值。K＞0 时代表植被在这18 a 时间呈现增长的趋势，K=0 时说明植被在18 a 时间没有变化，K＜0 代表植被在18 a 时间呈现减少的趋势。

自然界中的许多现象之间存在着一定的联系，它们之间既不是确定的函数关系，也不是完全没有关系。相关分析就是研究两个或多个随机变量之间的联系[17]。相关性检验公式如下：

式（2）中：Rxy代表自变量和因变量的相关系数，n代表2000—2017年各变量的样本个数，xi代表年数，yi代表每年NDVI 的值，代表自变量年数的平均值，代表因变量NDVI 的平均值。如果相关系数大于0，表明植被呈现改善的趋势，反之表明该区域植被为恶化的状况。Rxy通过0.05 的显著性（P＜0.05）检验，植被呈现显著变化。

数据统计用Microsoft Excel 2010 软件，数据处理与分析用SPSS18.0 软件，在SPSS18.0 软件中对年际、四季NDVI 均值进行显著性检验，绘图用Python3.5 软件完成。

2 结果与分析

2.1 NDVI 的年际动态变化

2000—2017年湖南归一化植被指数（NDVI）变化范围为0.50～0.68，总体呈增长趋势，增长趋势达到显著水平（P＜0.01），NDVI 平均值为0.60，2000年以后，NDVI 最小值为0.55，出现在2005年，NDVI 最大值为0.68，出现在2014年（图2）。

图2 湖南植被动态年际趋势变化Fig.2 Overall trend change of vegetation dynamic in Hunan province

2.2 NDVI 的季节动态变化

2000—2017年间，湖南省季节之间NDVI 差异性达到显著水平（P＜0.05），均呈现增长趋势（图3）。根据表1，四季NDVI 的年均增长速率以秋季年增长速率最大，为0.012 2 a-1;春季增长速率次之，为0.005 23 a-1；夏季年增长速率为0.002 91 a-1，冬季年增长速率为0.002 7 a-1。春季NDVI 均值在0.58～0.69 之间变化，NDVI 最大值为0.68，出现在2017年；NDVI 最小值出现在2002年，达0.58。2000—2017年夏季NDVI 呈现波动变化，NDVI最大值为0.77，出现在2015年，NDVI 最小值在2000年，为0.68。秋季NDVI 的18 a 均值为0.56，NDVI最大值出现在2017年，为0.65；NDVI最小值达0.32，出现在2000年。冬季NDVI 在0.32～0.58 之间变化，在2000—2017年间为非持续性增长。冬季NDVI 多年平均值在四季中最小，为0.45。NDVI 最小值出现在2004年，为0.32，2017年出现最大值，达0.58。

图3 四季植被动态年际变化Fig.3 Inter-annual changes of vegetation dynamic in each season

表1 NDVI 与时间回归方程Table 1 NDVI and time regression equation

2.3 NDVI 空间动态变化

用一元线性回归趋势分析，得出湖南省2000—2017年逐像元NDVI 空间分布斜率图（图4）和不同等级分类K面积（表2）。图4中大部分区域增长率大于0，说明全省绝大数地区归一化植被指数是增加的，多数地区的增加率为0～0.02 a-1，部分地区增长率在0.02 a-1以上。NDVI 减少的区域分布在东部和西南地区，长株潭城市群部分地区植被退化较为明显。

表2为湖南省NDVI 间动态变化表，K为2000—2017年NDVI 变化速率。归一化植被指数减少的面积为7 174.63 km2，占湖南总面积的3.51%，其中K＜-0.02 a-1的区域主要分布在长沙、湘潭地区。NDVI 增加的面积为196 997.97 km2，，占湖南总面积的96.49%，其中绝大数地区以K在0～0.02 a-1变化。

2.4 NDVI 变化程度评价

通过对湖南地区NDVI 影像和时间序列变化程度进行偏相关分析，计算逐像元的NDVI 值与年份的回归系数，即相关系数Rxy，将该系数进行0.05 的显著性水平检验，得到2000—2017年湖南变化趋势分布（图5）。

若Rxy大于0.05 的显著性水平（P＜0.05）R0.05=0.468，该地区植被指数减少或增加趋势显著。根据相关系数显著性的阈值，分成4 个等级：NDVI 显著增加（0.468≤Rxy≤0.968）的区域面积为170 728.1 km2，占湖南省总面积的80.61%；增加不显著（0≤Rxy≤0.468），区域面积为26 227.94 km2，占湖南省总面积的12.38%；不显著减少（-0.468≤Rxy≤0）区域面积为5 061.44 km2，占湖南省总面积的2.4%；显著减少（-0.968≤Rxy≤-0.468）区域面积为2 113.50 km2，占湖南省总面积的0.99%。NDVI 减少的地区主要集中在长沙、常德、衡阳；在西北地区如张家界、土家族湘西自治州、怀化这3 个地级市归一化植被指数增加趋势显著。

图4 2000—2017年湖南植被动态一元线性回归斜率分布Fig.4 Unitary linear regression slope distribution of vegetation dynamic in Hunan province from 2000 to 2017

表2 2000—2017年湖南植被动态变化分析Table 2 Analysis table of dynamic changes of vegetation in Hunan province from 2000 to 2017

2.5 NDVI 与降水量及温度的关系

统计气象站点2000—2017年际、四季平均气温和年积累降水量（图6～7），用偏相关分析方法分析同期植被指数与同期降水量、气温相关关系（表3）。

图6反映了降水、温度年际变化，2000—2017年湖南年均温度18.32 ℃，降水量年均1 440.4 mm，降水量和温度分别在2011、2012年取到最小值，最小值为1 004.9 mm、16.73℃。降水、温度变化趋势平稳，降水量呈现减少趋势，温度平稳上升。

2000—2017年湖南四季温度变化幅度平缓，夏季温度相对较高（图7），2000—2017年平均温度为27.27℃，春季温度平均值为17.30℃，秋季温度平均值为18.55℃，冬季平均温度为7.15℃。2000—2017年来春夏两季降水量变化斜率趋近于零，秋季降水量增长速率较快，为4.8 mm/a，冬季降水量呈现减少趋势；春季降水在258.9～652.6 mm 之间变化，2000—2017年降水量平均值为495 mm；夏季2000—2017年降水平均值为502 mm，2002年降水出现最大值，为776.6 mm，降雨最小值为345.7 mm；秋季年降水量增长速率在四季中最快，2000—2017年降水平均值为245 mm；冬季降雨量在100～200 mm 间波动变化，降水量在2008年最低，为101.5 mm，2002年降水量取得最大值，最大值为283.3 mm。

表3为湖南2000—2017年NDVI 与同期气候因子（降水量、温度）的相关系数，温度对与年际NDVI 均值正相关达到显著水平，降水量对于归一化植被指数影响较弱。春、秋、冬归一化植被指数与同期温度为正相关，夏季温度与同期归一化植被指数呈负相关;夏、春两季温度与同期NDVI 相关性较弱；秋、冬两季归一化植被指数和温度达到极显著正相关（P＜0.01）。春、秋、冬季NDVI 与同期降水量呈微弱负相关，夏季归一化植被指数与同期降水量为正相关。

图5 2000—2017年湖南植被动态变化显著性检验Fig.5 Significance test of vegetation dynamic changes in Hunan province from 2000 to 2017

图6 湖南年际降水及温度变化Fig.6 Interannual climate change in Hunan province

表3 各季节NDVI 与同期温度及降水量的相关系数†Table 3 Correlation between NDVI in each season and growing season and temperature and precipitation in the same period

3 讨 论

3.1 NDVI 动态变化特征

2000—2017年年际、季节NDVI 增长趋势均达到显著水平，根据年际NDVI 随时间的变化，自2000年以后，2005年年际NDVI 取到最小值0.55，王震等[18]研究洞庭湖流域2001—2013年NDVI 数据集变化趋势发现，研究地区在2005年出现最小值，由于湖南大部分地区位于洞庭湖流域，两者在2005年都出现NDVI 最小值，最小值出现的可能原因在于：2003年,三峡水库蓄水运行，临河地区的岸滩裸露出来，植被覆盖度得到增加。由于气候变暖的原因，洞庭湖地区降水量显著下降[19]。气候变化、三峡大坝截流影响，湖南地区NDVI 最低值出现在2005年。年际NDVI在2005年出现低谷后，之后的两年时间平稳上升，2008年1—2月冰雪灾害导致南方幼龄林向中龄林发育阶段的树木死亡[20]，NDVI 在2008年出现下滑；同时四季NDVI 变化中，2008年春季NDVI出现谷底证明了南方2008年初春冰灾的危害。骆土寿等[21]和Ji 等[22]根据南方几省实际样地数据发现冰灾过后，植被类型不同抗灾能力差异较大，其中常绿阔叶乔木林冰灾过后受害最为严重，湖南以亚热带常绿阔叶乔木林为主要植被类型，而2008年冰灾中，该植被类型抗灾较差，可能造成了湖南该地区的优势植被类型受害严重，于2008年NDVI 出现极小值。同时受害死亡树种以幼龄、中龄树为主，树木生长周期较为缓慢，短时间内难以立即得到恢复，因而2008年冰灾过后，湖南地区在2010—2012年期间NDVI 没有立刻的增加，2012年后，树木逐渐成林，湖南NDVI 得到逐步提升。

Nezlin[23]研究发现研究区降水量充沛的地区，降水可以满足植被生长的基本需要，湿润地区土壤保水量较大，降水不再是限制植物生长的主要因素，温度成为植被生长的主要驱动因素。2000—2017年湖南四季NDVI 的变化中，冬季NDVI 均值最低，夏季NDVI 均值为四季最大，由于冬季部分植被进入落叶期，温度、降水量较低，植被处于生长季末期进而NDVI 为一年四季最低，夏季降水充沛，温度较高，植被处于生长季最旺盛时期，光合作用较为活跃，植被生长较快，夏季NDVI 在四季为最大值。本研究通过2000—2017年各季节NDVI 变化分析，发现秋季NDVI增长速率最快，冬季NDVI 增长速率次之，春夏两季NDVI 在2000—2018年中变化较小。

3.2 NDVI 空间变化特征

基于湖南植被指数空间变化的分析图，湖南大部分区域NDVI 呈现显著改善。2000—2017年张家界、怀化、土家苗族自治州NDVI 增加趋势在全省14 地州市中最为显著，归一化植被指数减少区域主要分布在长沙、常德、衡阳、株洲，在这4 个城市中，NDVI 著减少的区域分别占这些城市区域面积的24%、13.5%、11%、10%。Piao 等[24]于2004年研究全国NDVI 减少地区集中在长三角、珠三角经济活动频繁，城市化进度加快的地区，发现植被减少主要地区与本研究一致，这些地区隶属于环长株潭城市群，环长株潭城市群NDVI变化趋势与张家界、怀化、土家苗族自治州变化趋势形成鲜明对比，由于湖南政府提出“3+5”城市群的建设目标，重点打造长株潭3 个城市为中心，包括岳阳、常德、益阳、娄底、衡阳5 个城市，形成以“3+5”城市群为主体带动湖南经济快速发展的目标；由于张家界、土家族苗族自治州、怀化的特殊地理位置，湖南将这几个地方的部分地区作为生态红线重点保护区域;城市化的影响和生态红线的划定在一定程度上使得2000—2017年湖南NDVI 呈现空间差异性变化。Igor[25]使用2000—2014年NDVI 数据集发现城市化已经破坏了城区以及其周边5～10 km 范围的区域，另一方面已经开发的老城区植被出现增强的趋势，新城区植被出现恶化，由于新城区的开发使得土地利用发生改变原有林地被建成区取代，进而新城区出现“褐变状况”。城市化也影响了城内植被类型改变，Kumpula 等[26]提出城市中植被受到人为干预的影响植被类型会由单一功能生物群落向复杂的生物群落关系进行演变，从而使得一些老城区植被类型丰富；赵淑清等[27]评估城市化对植被生长的影响，发现中国32 个城市中大约85%的城市显示城市对植被生长起到促进作用。说明人为干预活动、城市化可以影响植被群落的变化情况，由于湖南“3+5”城市群建设的提出，高新开发区的扩建，快速的城市扩张，导致土地利用变更使得原先有林地变为非林地的城市用地导致城市群部分地区出现NDVI 显著减少的现象，张家界市、湘西自治州、以及怀化的部分地区位于武陵山区生物多样性生态红线内，这些地区成为人为禁止开发的区，进而使得这些地方受到很小的人为干扰，植被得以自然修复，从而在2000—2017年间植被覆盖显著提高。

综上所述，湖南归一化植被指数整体为增加趋势，部分地区NDVI 显著减少，由于政府对于不同地区政策不同，导致全省2000—2017年NDVI 变化趋势呈现空间差异。

刘家福等[28]研究植被对于气候的响应发现温度对于植被指数起到主要影响的地区，主要分布在平原区域内河流分布较广气候较为湿润地区；在半干旱地区，植被生长主要受到降水量的影响。

湖南地处亚热带季风区，降水量充沛，河流分布较广，2000—2017年温度、降水变化平缓，春、夏、秋、冬温度呈现上升趋势，冬季降水略有下降。通过降水、温度与NDVI 偏相关分析，温度对湖南归一化植被指数影响强度超过降水，秋、冬两季温度对于NDVI 的影响到达显著水平（P＜0.01），四季降水量与NDVI 变化呈现弱相关，这种结果与Sun 等[29]的结论一致，Sun 等[29]得出在少水、干旱地区降水量的多少是限制植被生长的主要因素，在雨水充足湿润地区，植被生长与温度相关性较强。

3.3 研究不足

本研究对于2000—2017年湖南全省归一化植被指数的变化趋势展开了分级评价，同时对于14个地州市归一化植被指数的变化趋势做了分析，发现湖南大部分地区植被得到显著增长，植被显著减少的地区主要分布在长沙、株洲、衡阳等地区；但是由于缺少多源数据的验证，只采用了Modis的250 m 分辨率的植被指数数据分析了湖南省的植被覆盖变化，没有将更进一步的高分辨率的卫星影像数据纳入研究中，缺少了其他高清卫星数据的验证。需要以后采用高分影像数据，细化对于湖南各地州市植被覆盖变化的评定，进而提高分析结果的精确度，为湖南不同地区植被覆盖变化的原因展开分析和归类。植被覆盖的变化不仅与降水、温度气候因素相关，人为活动的变化也会引起不同地区植被覆盖的变化，需要在以后的研究中对于全省植被覆盖变化的人为活动因素展开定量分析。

4 结 论

2000—2017年NDVI年均值增加幅度达30.1%，NDVI年际、四季的逐年增加表明湖南省森林植被的改善，也印证了20年里湖南省森林覆盖率提高6.1%的工作成就。NDVI 的空间动态变化方面，全省80.61%的地区植被覆盖增长趋势达到显著水平，长沙、株洲、常德、衡阳的部分地区植被覆盖显著退化，这些地区位于湖南“3+5”城市群的建设中，经济在全省各地州市发展较快，说明城市化可能抑制了植被覆盖的增长。NDVI 增长趋势较为突出的地区分布在张家界、怀化、土家苗族自治州，由于张家界、土家苗族自治州特殊的地理位置，政府将这些地区划为红线保护区，人为活动干扰较少，使得这些地区的植被覆盖得到恢复。综上所述，从NDVI 的均值变化到空间动态变化，研究表明2000—2017年间，湖南省植被覆盖总体呈现改善状况，但是由于政府相关政策不同，导致不同地区植被覆盖出现差异性变化。降水、温度对于NDVI 的影响方面，温度对NDVI 的作用强于降水对它的影响，由于湖南位于亚热带季风气候区，降水较为充沛，气候湿润，降水不再是限制植被生长的主要因素，温度对于植被覆盖的变化影响较大。

通过对2000—2017年间湖南地区植被覆盖变化和原因的分析，2000—2017年间湖南全省森林植被得到了一定的恢复，但是在“5+3”城市群建设的部分城市植被覆盖出现退化，这些植被覆盖退化的地区需要采取相关措施兼顾发展和保护平衡。在降水、温度影响方面，温度是对于全省NDVI 变化的影响强于降水对其作用。