山东省近10年植被覆盖度变化与气候因子相关性分析

宋鹏飞，季 民，李 刚

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

植被在陆地生态系统的能量交换、生物地球化学循环和水文循环中起着重要的作用，是衡量生态环境状况和表现的主要指标[1-2]。植物的年际变化和季节变化特征十分明显，其生长受温度、降水等气候因子影响很大，植被生长状况是气候特征的综合反映[3]，植被覆盖度是描述生态系统的重要数据[4]。近10年来，遥感技术飞速发展并且在地球环境监测方面得到广泛应用，基于MODIS/NDVI数据的植被覆盖率变化的监测对于探讨区域植被动态变化规律及驱动力问题很有帮助[5]。因此研究植被覆盖与气候因子相互关系在当前研究区域，乃至全球可持续发展具有重要意义[6]。

目前,国内外众多学者对植被覆盖率变化应用不同方法在不同的角度进行过研究与分析,如张喜旺等分析了基于中高分辨率遥感的植被覆盖度时相变换方法，李钰溦等进行了中国北方地区植被覆盖度遥感估算及其变化分析，李萌的基于像元二分模型榆神府矿区植被覆盖度研究等为研究植被覆盖度动态变化提供了一些理论与研究方法。其中信志红等利用MODIS数据分析了黄河口即山东东营地区植被覆盖变化与气候因子的关系，并且得出植被覆盖度与气候因子的年际变化总体趋势较为相似的结论[7-11]。但目前还没有对整个山东省尤其是近10年的植被覆盖度变化与气候因子的相关性分析，因此本文试验对整个山东地区的植被覆盖度与降水、温度在空间上重心迁移变化及其相关性，以及在时间序列上植被NDVI与降水、温度的相关性及滞后性进行研究与分析。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

山东省位于华东地区，经纬度为34°22′N—38°23′N，114°19′E—122°43′E之间，与朝鲜半岛隔海相望，气候类型为暖温带季风气候，年平均温度为11～14℃，降水夏季多春季少，年降水量大于480 mm，由东南向西北递减[12]。

1.2 数据来源与预处理

本文研究所用的数据为MODIS/NDVI数据，下载自美国国家航空航天局网站，数据类型为MOD13A3(月植被数据)，使用MRT软件将数据投影转换WGS_1984_Albers，使用ArcGIS软件打开并进行影像裁剪等预处理[13]。进行地图代数计算对，每个影像数据均乘以0.000 1，使值域为[-1,1]，下一步的提取需要分两批处理。一方面，依次用表格显示分区统计功能工具提取山东界内栅格数据的NDVI值，将其整理为NDVI的年数据集、月数据集和季数据集；另一方面，使用多值提取至点功能将栅格数据NDVI值批量提取到气象站点属性表中，然后将每个站点数据作为一条记录导出分析。

降水、温度数据来源于中国气象网，首先将其整理为2005—2015年共11年的年均值、12个月的月均值和4个季度的季均值共54个数据，然后用克里金法分别进行空间插值，剪裁出研究区范围，提取山东省内的降水和温度数据值。利用ArcGIS空间区域分析的以表格显示分区统计的功能，导出到表格，并分类整理成降水和温度的年数据集、月数据集和季数据集以便后期分析。

1.3 研究方法

1.3.1 重心模型

在力学原理中，将研究区域划分成几个大小相等的单元，可以根据每个单元的中心坐标(Xi，Yi)和该单元的“重量”Mi建立重心模型。本次研究建立的是植被NDVI的重心模型，重心模型在监测植被覆盖度变化方面具有独特的优势，能够直观地反映出其变化规律[14-15]，重心坐标计算公式为

(1)

1.3.2 相关系数模型

为了研究植被生长变化及其与降水、温度的相关性，以及滞后期气候因子对植被覆盖度的影响，采用了相关系数模型，相关系数的计算公式为

(2)

2 山东省植被覆盖度变化与气候因子相关性分析

2.1 植被覆盖度变化与降水、温度的年动态变化分析

经过大量研究[18-22]，NDVI可以作为反映植被覆盖度的一个重要指标，并且国内外许多关于植被生长情况的研究都采用植被的NDVI数据。为揭示山东省植被覆盖度在年空间分布和时间序列上的动态变化，以及降水、温度对植被生长的影响，将结合重心模型计算年植被空间重心坐标，伴随连续的时间变化得到变化的重心坐标，以此来反映植被在空间分布上的动态变化。依次计算植被NDVI和降水、温度的重心坐标。将整组2005—2015年的植被重心坐标数据生成一个散点图，用箭头指出其每连续两年间的植被迁移方向，即植被重心迁移轨迹。用相同的方式做出降水、温度的年变化轨迹图。然后分别将NDVI与降水、NDVI与温度的变化轨迹图作比较，如图1和图2所示。

图1 2005—2015年NDVI与降水的重心迁移轨迹对比

由图1和图2可以清楚观察出每一年的植被NDVI、降水、温度的重心迁移方向，并发现植被与降水、温度存在明显的相关性。

图2 2005—2015年NDVI与温度的重心迁移轨迹对比

(1) NDVI与降水量的年重心迁移轨迹对比。2005—2015年内研究区植被NDVI重心迁移轨迹与降水重心迁移轨迹具有明显相关性，山东省植被覆盖在很大程度上受降水变化影响。同时，其他因素也对植被覆盖产生较大的影响，主要表现为2010—2011年、2011—2012年、2012—2013年三者的重心迁移轨迹在方向上呈现完全相反的状态，这可能是由温度变化或其他未知因素引起的。

(2) NDVI与温度的重心迁移轨迹对比。研究以上结果，发现2005—2015年内研究区植被NDVI的重心转移轨迹与温度的重心迁移轨迹在方向上具有很大的相关性，山东省地区植被覆盖在很大程度上受到温度变化的影响。同时，其他因素也对植被覆盖产生较大的影响，主要表现为2008—2009年、2009—2010年、2013—2014年、2013—2015年四者的重心轨迹在迁移方向上呈现完全相反的状态，这可能是由降水变化或其他未知因素引起的。

以上分析表明，植被生长受降水和温度影响很大，植被重心迁移轨迹与降水和温度在方向上有很高的相关性。植被生长受降水和温度的综合因素影响，单独一种因素不能完全影响植被的生长。

2.2 植被覆盖度变化及其与降水、温度的相关性分析

为分析年降水、温度对植被覆盖度变化的影响，对山东省2005—2015年的植被NDVI数据与降水、温度数据进行计算，得出它们的相关系数，结果发现相关系数不大。为直观地展现植被覆盖度变化及其与气候因子的关系，下面将植被NDVI数据及降水和温度的年数据生成植被NDVI与降水量年变化趋势对比图(如图3所示)和植被NDVI与温度的年变化趋势对比图(如图4所示)，并且在2005—2015年间选择了其中4年的植被NDVI指数影像图(如图5所示)反映植被覆盖度的变化过程。分析发现山东省植被NDVI在2005—2015年期间除2008—2009年、2012—2013年有所减少，其他年份均保持增长状态,且从2005年的0.395 8到2015年的0.425 6，共增长了7.52个百分比。

图3 2005—2015年NDVI与年降水量的变化趋势对比

图4 2005—2015年NDVI与年温度的变化趋势对比

图5 2005—2015年山东省植被NDVI指数影像

通过分析图3和图4发现，植被覆盖度的年变化与气候因子存在明显的相关性，只有2012—2013年的植被与降水、温度都呈反向变化。这说明，山东省植被的年生长变化在很大程度上受降水、温度的影响，也受其他因素影响。

3 植被覆盖度变化与气候因子的滞后性分析

虽然植被覆盖度变化受气候因子的影响较大，但是从气候因子发生变化到植被吸收进行光合作用，然后再通过植被的生长状况，反映到植被覆盖变化上需要一定的时间，即NDVI对气候因子的影响表现出一定的滞后性。本研究利用2005—2015年山东省的月NDVI和降水、温度数据，对二者进行月滞后性分析。将计算NDVI与降水和温度的当前月、前一月、前两月、前三月、当月—前一月、当月—前两个月、当月—前三个月等7个时间段的分析。

分析表明，山东省地区植被NDVI与降水因子表现为正相关性，整个山东省地区的植被NDVI受前0—1月(即当前月和前一月的降水之和)降水影响最大，其次为前0—2月。进一步分析当前月、前一月、前三月、前四月和前1—4月的累积降水与NDVI的相关系数(如图6所示)表明，研究区NDVI值主要受前一月降水量的影响，两者的相关系数为0.790，其次为当前月和前二月降水量的影响，相关系数分别为0.744和0.538 1。

最后得出NDVI与降水、温度的相关性最高是在当前月到上一个月(前0—1月)，相关系数高达0.971 8、0.913 0，此外由图6可知NDVI与温度的相关性要高于NDVI与降水的相关性。

图6 植被NDVI对降水、温度的滞后性

(1) 月均NDVI与降水的滞后性分析。分析表明，山东省地区植被NDVI与降水因子表现为正相关性，整个山东省地区的植被NDVI受前0—1月(即当前月和前一月的降水之和)降水影响最大，其次为当前月。进一步分析当前月、前一月、前三月和前1—3月的累积降水与NDVI的相关系数，发现研究区NDVI值主要受当前月降水量的影响，两者的相关系数为0.91，其次为前一月和前二月降水量的影响，相关系数分别为0.86、0.39。

(2) 月均NDVI与温度的滞后性分析。分析表明，山东省地区植被NDVI与温度因子表现为正相关性，整个山东省地区的植被NDVI受前0—1月(即当前月和前一月的平均温度)温度影响最大，其次为当前月。进一步分析当前月、前一月、前三月和前1—3月的平均温度与NDVI的相关系数表明，研究区NDVI值主要受当前月温度的影响，两者的相关系数为0.899 9，其次为前一月和前二月平均温度的影响，相关系数分别为0.860 4、0.527 4。

4 结 语

本文对山东省2005—2015年的植被覆盖度变化与气候因子的相关性进行了分析，结果表明近10年来，山东省植被NDVI从2005年的0.395 9到2015年0.425 6，覆盖度总体呈上升趋势并且与气候因子具有显著的相关性。

(1) 温度和降水对植被覆盖度变化具有明显影响。植被的生长在空间和时间序列上都受到降水和温度的影响，2005—2015年研究区内植被NDVI的重心转移轨迹与降水、温度的重心迁移轨迹在方向上具有明显的相关性。植被NDVI在时间序列上与降水和温度有很大的相关性，山东省地区植被覆盖在很大程度上受到降水和温度变化的影响。

(2) 植被NDVI对温度、降水的变化存在“时滞效应”。植被NDVI对气候因子的变化响应的滞后期为1个月。山东省植被NDVI对气候变化响应的空间规律与省内气候特征的空间分布基本一致。当气候因子变化到达一定程度时，会引起植被发生变化，因而植被对气候变化的响应存在时滞效应。