福建省植被变化与区域气候要素相关性分析*

邝美清 郑凯端 蔡金玉 纪嘉雯 黄仁滋

(1.福建省三明市气象局，福建 三明 365000；2.尤溪县农业农村局，福建 三明 365114；3.福建省尤溪县气象局，福建 三明 365114)

0 引言

植被作为陆地生态系统中最不可缺的重要组成之一，不仅与区域内一定的气候因子、地质地貌等条件相互适应，同时植被覆盖也对地理环境产生很大的依赖性，对于全球能量平衡、水循环、生物化学循环起着重要的调控作用。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[1]。

植被变化是全球变化研究的核心内容之一[2]。植被是土地覆盖的最主要部分。植被覆盖变化是生态环境变化的直接结果[3]，既受到气候变化的影响，又通过改变地表-大气间的能量和水分交换反作用于气候系统，加快或减缓气候变化[4]。

近年来，国内众多气象学者对不同地区的植被NDVI时空变化趋势及其与气候变化的关系和响应特征做了大量研究[5-6]。张含玉等[7]指出，黄土高原植被NDVI年际(及生长季和季节) 变化与降雨和温度的相关性不显著，而在月时间尺度上，呈显著的相关性，并且月NDVI 与当月降雨量的相关性要强于与当月温度的相关性；植被生长对温度的响应存在一个月的滞后期，而对降雨的响应无滞后效应。张井勇等[8]指出，相比我国的其他区域，青藏高原植被变化与区域气候存在较强的反馈，植被覆盖在年际尺度上对后期降水有一定的影响，温度对植被的滞后响应比降水弱。陈海山等[9]通过数值模拟研究了植被覆盖异常变化对陆面状况的影响。刘少华等[10]根据NDVI资料以及气象站气温、降水数据，以像元为计算单元，分别以植被分区和气象站点为对象分析了植被NDVI、≥10℃积温和降水量的年际变化及相关关系，得出植被NDVI与≥10℃积温和降水量分别呈微弱的负相关和正相关的结论。

关于植被与气候因子的研究，大多数研究学者采用统计分析方法[11-14]。植被与区域气候之间的反馈有地区差异性，其反馈的时间尺度也不同。有关植被与气候因子之间反馈的物理机制尚不完全清楚。

本文利用2008—2017年归一化植被指数NDVI资料和福建省70个国家气象观测站的温度、降水资料,以研究福建省区域气候对植被变化的影响为目的，利用统计分析方法研究该地区气候因子与植被覆盖度之间的超前-滞后相互作用，明确其作用的时间尺度和地域性差异；为提出全球变化情景下的福建省生态建设、环境保护等对策提供依据。

1 资料与方法

归一化植被指数被认为是研究全球变化非常理想的植被指数。本文所用2008—2017年植被覆盖NDVI数据由MODIS数据库提供，其分辨率为0.05°×0.05°。NDVI 能较好地反映绿色植物生长状况和分布，可以宏观反映地面绿色植物的生物量和覆盖度等植被定量特征[15]。

气候变化的研究资料在时间序列上应有一定时间系列，还应有具有一定代表性和比较性[1]。本文的气象数据选自福建省70个国家气象观测站2008—2017年之间的月温度和降水观测资料，时间跨度达到10a。

在气象学上，四个季节常定义为：3～5月为春季；6～8月为夏季；9～11月为秋季；当年12月到下一年2月为冬季。

2 福建植被分布及其时空变化特征

本文采用均值法、差值法等，通过对2008—2017年福建省植被的NDVI数据进行统计分析，最后得到福建省年均植被覆盖NDVI值的年际变化。2008—2017年间，福建省年均NDVI值在0.662～0.712，其中植被覆盖度较好的年份为2015～2017年，2017年NDVI值达到最大，为0.712；植被覆盖度较差的年份出现在2010年和2011年，这两年的NDVI值均为最低，为0.662。福建省近10年年均植被覆盖年际变化整体为递增的趋势。

空间上，福建省总体上植被覆盖度良好，其中武夷山脉和戴云山脉两大山脉植被覆盖最好，沿海地区植被覆盖较差，其他地区植被覆盖度较好。福建的地理特点是“依山傍海”。福建多山，全省山地丘陵面积约占全省土地总面积的90%；这些山地多为森林所覆盖，2013—2017年福建省的森林覆盖率达65.95%，连续多年居全国第一。

福建省四个季节NDVI空间变化如图1所示。图中区域颜色越深，表示NDVI值越大，植被覆盖越好，颜色越浅，植被覆盖越差。福建省主要植被为常绿阔叶林，整体上看福建省一年四季的植被覆盖相对良好。福建省春季NDVI值在0.6～0.7，夏季NDVI值在0.7～0.9，秋季NDVI值在0.6～0.8，冬季NDVI值在0.4～0.6。夏季、秋季的NDVI植被覆盖良好，植被覆盖度最好的季节为夏季，最差的季节为冬季；内陆地区夏季与冬季两个季节的NDVI值变化最大，差值可达0.4。

(a)春季 b)夏季 c)秋季 d)冬季

3 福建省降水分布特征

通过2008—2017年近10年的降水数据(见图2)分析得到，福建省多年平均降水量为1608.3mm，其中2010年降水量最大，达1995.3mm，2011年降水量最小，仅有1304.1mm，年际变化大。近10年福建省年平均降水量的空间分布不均，福建省西北部年降水量大于东南部，年降水大于2000mm的地区主要位于南平、三明大部及宁德、泉州的部分县市。

图2 福建省2008—2017年年平均降水量的年际变化

福建省月降水量分布不均，1月～6月平均降水量持续增加，6月份降水量最高，7月～12月降水量逐渐递减。最大月平均降水量为323.7mm，出现在6月，最小月平均降水量为21.1mm，出现在12月。根据降水特点，分为四个降雨季节：春雨(3～4月)降水强度弱，量少、雨日多，总降雨量约占全年的22.9%，梅雨(5～6月)雨区广，雨量多，强度大，雨时长，稳定少变，雨量约占全年的38.9%，台风雷阵雨(7～9月)雨区狭小，雨时短暂，雨量不丰，约占全年的25.1%，少雨季(10月～次年2月)干燥，雨水稀少，五个月的降水总量仅占全年13.1%左右。

4 福建省温度分布特征

近10年来，福建省气候变化趋势整体上以变暖为主。近10年全省年平均温度为20.2℃，其中2015年年平均温度最高，达到20.6℃，2011年最低，只有19.8℃，年际变化大。春季的平均温度为18.8℃，夏季的平均温度为27.3℃，秋季的平均温度为22.6℃，冬季的平均温度为12.3℃。

近10年福建省年平均温度的空间分布南北差异大，年平均温度由北向南逐渐递增。西北部年平均温度小于20℃，厦门、漳州一带年平均温度大于22℃。

5 福建省植被NDVI与气象要素的相关性研究

5.1 年均植被覆盖与温度降水的相关性

植被覆盖度与气候因子之间的相互关系主要表现在植被覆盖与温度、降水量的关系。图3是福建省近10年年平均温度、年均降水量与年均NDVI值变化关系散点图，横轴代表年份，纵轴分别代表年平均温度、年均降水量与年均NDVI值。年际植被NDVI与温度、降水的关系由每个站点近10年温度、降水平均值与相对应10年NDVI值统计结果做线性相关分析。

(1)年平均降水量与年均NDVI值的相关性分析 (2)年平均温度与年平均NDVI值的相关性分析

年平均温度与NDVI值的相关性比年平均降水量与NDVI值的相关性更好(如图3)，2011—2017年年平均气温与年NDVI值的变化趋势一致。近10年年平均温度与年均 NDVI的相关系数达0.7，在显著水平0.05下，通过显著性t检验。年均降水量与年均NDVI的相关系数只有0.05，没有通过显著性t检验，相对于降水，年平均温度对年均NDVI的影响更大。

福建省植被生长受气候因子温度、降水的影响，而温度、降水对植被的分布也会产生一定影响。为更好地描述NDVI与温度、降水相关的空间分布情况，在ArcGIS软件支持下，对温度、降水进行空间离散化，与同期NDVI进行相关系数计算，进而得到NDVI与温度、降水相关系数的空间分布情况[1]。对相关系数进行显著性检验，资料样本数为70，相关系数大于0.24，并通过5%显著水平检验，相关系数大于0.31，并通过1%显著水平检验。

5.2 不同季节降水与同期植被覆盖相关性

通过对春、夏、秋、冬四季降水与同期NDVI的相关性分析可知，春、夏、秋、冬四季降水与同期NDVI空间相关性的差异大。春季降水相关系数在空间上呈相反两个趋势，中部为负相关，南北两端为正相关，春季-0.4～-0.2所占比例最大；夏季降水相关系数大部分为正相关，相关系数达0.4～0.6，通过1%显著水平检验；秋季降水与NDVI正相关所占比例相对较大，相关系数达0.5～0.7，通过1%显著水平检验，主要位于福建省中北部，负相关区主要位于漳州、龙岩及中南部沿海一带；冬季降水与NDVI值的相关性很差，大部分相关系数在正负0.2之间，没有通过置信检验。由此可见，秋季降水与同季节的NDVI的相关性最高，其次是夏季，冬季的相关性最差。植被覆盖度随夏、秋季降水量增加而升高，近10年夏、秋季降水可能对福建省的夏、秋季植被生长变化产生正面影响。春季、冬季降水对植被覆盖度的影响较小。

(a)春季 (b)夏季

5.3 不同季节温度与同期植被覆盖相关性

春、夏季温度与秋、冬季温度与同期NDVI相关系数总体呈相反两个趋势，春、夏季温度与NDVI负相关所占比例相对较大。春夏季负相关区域主要位于福建省中北部，夏季温度与同期NDVI的相关系数为-0.6～-0.4，大于春季温度与同期NDVI的相关系数(-0.4～-0.2)，正相关区主要位于漳州、龙岩及中南部沿海一带。夏季温度与同期NDVI的相关系数通过了置信水平1%的检验。春季温度与同期NDVI的相关系数只有正相关通过置信水平1%的检验。这表明福建省中北部植被覆盖度随夏季温度降低而升高，近10年夏季温度可能对该地区的夏季植被生长变化产生负面影响。福建省南部植被覆盖度随春季温度升高而升高，近10年春季温度可能对该地区的春季植被生长变化产生正面影响。秋、冬季温度与NDVI正相关所占比例相对较大。秋冬季正相关区域主要位于福建省中北部，秋季相关系数0.6～0.8所占比例最大，冬季0.4～0.6所占比例较大，负相关区主要位于漳州、龙岩及中南部沿海一带。秋、冬季温度与同期NDVI的相关性均通过了5%显著水平检验。秋季温度与同季节的NDVI的相关性最高，其次是夏季，春季的相关性最差。

5.4 超前-滞后相关分析法

5.4.1 夏、秋、冬季的温度、降水与春季植被覆盖度相关性分析

如图5所示，夏、秋、冬季的温度与春季NDVI相关系数大部分为负相关，夏季的相关系数主要在-0.5～-0.2，通过了5%显著水平检验。秋、冬季的相关系数主要在-0.6～-0.4之间，通过了1%显著水平检验。空间上南北呈相反两个趋势，秋、冬季温度与春季NDVI负相关所占比例相对较大，负相关区域主要位于福建省中北部，正相关区主要位于漳州及中南部沿海一带。冬季温度与春季NDVI的相关性最高，其次是秋季，夏季的相关性最差。

(a)夏季温度与春季NDVI的相关性 (b)秋季温度与春季NDVI的相关性 (c)冬季温度与春季NDVI的相关性

夏、秋、冬季的降水与春季NDVI空间相关性差异大。夏季降水与春季NDVI相关系数在空间上呈相反两个趋势，中部、北部为正相关，相关系数主要在0.3～0.6之间，通过了5%显著水平检验。三明、龙岩、宁德、福州等市的相关系数很小，在-0.2～0.2之间，没有通过置信检验。南部沿海为弱负相关，同样没有通过置信检验；秋季降水与春季NDVI的相关系数在西北部为正相关，东南部为负相关，大部分相关性通过了5%显著水平检验；冬季降水与春季NDVI负相关所占比例相对较大，相关系数主要在-0.4～-0.2，通过了5%显著水平检验，主要位于福建省中北部，南部沿海为弱正相关，没有通过置信检验。这表明西北部春季植被覆盖度随夏、秋季降水量增加而升高，同时也说明正相关区域近10年夏、秋季降水可能对该地区的春季植被生长变化有一定正面影响。冬季降水对春季NDVI的影响与夏、秋季的影响相反。

5.4.2 春、秋、冬季温度、降水与夏季植被覆盖度相关性分析

春、秋、冬季的温度与夏季NDVI相关系数大部分为负相关，相关系数主要在-0.8～-0.6之间，通过了1%显著水平检验，空间上南北呈相反两个趋势，负相关区域主要位于福建省中北部，正相关区域主要位于漳州及中南部沿海一带。

春、秋、冬三个季节的降水与夏季NDVI的空间相关性相差较大。秋季降水与夏季NDVI相关性较好，西北部为正相关，相关系数主要在0.4～0.8之间，通过了1%显著水平检验。东南部为弱负相关，相关系数主要在-0.4～-0.2之间，通过了5%显著水平检验；冬季降水与夏季NDVI的相关性最差，没有通过置信检验；春季降水与夏季NDVI负相关所占比例相对较大，主要位于福建省中部，北部和南部为正相关，相关系数大于0.3，通过了5%显著水平检验。

5.4.3 春、夏、冬季温度、降水与秋季植被覆盖度相关性分析

春、夏、冬季三个季节的温度与秋季NDVI的相关性相差不大，空间上也无明显差异。

春、夏、冬季三个季节的降水与秋季NDVI的空间相关性相差较大。夏季降水与秋季NDVI的相关性最好，福建省内陆地区为正相关，相关系数主要在0.4～0.8之间，通过了1%显著水平检验。沿海为负相关；春、冬季降水与秋季NDVI的相关性较差，福建省大部为弱负相关，且大部分相关系数在-0.2～0.2，没有通过置信检验。

5.4.4 春、夏、秋季温度、降水与冬季植被覆盖度相关性分析

春、夏、秋季的温度与冬季NDVI相关系数大部分为负相关，相关系数主要在-0.6～-0.4之间，通过了1%显著水平检验。空间上南北呈相反两个趋势，负相关区域主要位于福建省中北部，正相关区主要位于漳州及中南部沿海一带。

春、夏、秋季的降水与冬季NDVI空间相关性相差较大。夏季降水与冬季NDVI的相关性最好，福建省大部地区为正相关，相关系数主要在0.4～0.8之间，通过了1%显著水平检验。夏季降水增多对冬季植被的增长有正面影响，南部沿海为负相关；春季降水与秋季NDVI的相关性一般，福建省大部为正相关，相关系数主要在0.2～0.4之间，通过了5%显著水平检验。龙岩、宁德为负相关；冬季降水与秋季NDVI的相关性最差，大部分相关系数在-0.2～0.2，没有通过置信检验，表明冬季降水对秋季植被覆盖度的影响小。

5.5 小结

5.5.1 NDVI指数与同期气象因子之间的反馈机制

年平均温度对年NDVI值的影响较大，相关系数达0.7，年平均降水量对年NDVI值的影响不显著，表明温度对植被覆盖度的影响比降水对植被覆盖度的影响大。夏季降水、秋季降水、秋季温度、冬季温度与同期NDVI值呈正相关，相关系数主要在0.4～0.8，通过了1%显著水平检验。夏季、秋季降水量增加可能促进夏秋季植被增长，秋季、冬季温度升高对该地区的植被生长变化有一定正面影响。春季温度、夏季温度与同期NDVI值呈负相关，相关系数通过5%置信水平检验，春、夏季温度可能对该地区的春、夏季植被生长变化有一定负面影响。春季降水、冬季降水与同期NDVI值的相关系数在-0.2～0.2，没有通过置信检验，表明春季降水、冬季降水对同期植被覆盖度的影响小。

春、秋季降水与同期植被覆盖度的相关性有明显地域差异，春季的相关性分布为中部大部与南北两端相反，秋季的相关性分布为中北部大部与南部相反，夏、冬季节相关性无明显地域差异。春、夏、秋、冬四季的温度与同期植被覆盖度相关性均有明显地域差异，其空间分布特征是中北部大部与中南部沿海地区的正负相关性相反。

5.5.2 NDVI指数与不同季节气象因子之间的反馈机制

春、夏、冬三季植被覆盖度与不同季节的温度相关性差异不大，福建省大部分为负相关，正相关区域主要位于漳州及中南部沿海一带。夏季植被覆盖度与不同季节温度的相关性最好，相关系数主要位于-0.8～-0.6，通过了1%显著水平检验。这表明夏季植被覆盖度随春、秋、冬季温度升高而减少，同时也说明负相关区域近10年春、秋、冬季温度可能对该地区的夏季植被生长变化有一定负面影响。

夏季降水对春、秋、冬季植被覆盖度的影响较大，福建省大部为正相关，正相关系数可达0.6～0.8，通过了1%显著水平检验。夏季降水增多，春、秋、冬三季的植被覆盖度增大；冬季降水对春、夏、秋季植被覆盖度的影响最小，相关系数小于0.4。

6 结论

2008—2017年间，福建省年均NDVI变动幅度在0.662～0.712之间，其中植被覆盖在2017年达到最大值，NDVI为0.712；植被覆盖较差的年份出现在2010年和2011年，这两年的NDVI值均为最低，为0.662。近10年年均植被覆盖年际变化整体为递增的趋势。从空间上看，福建省总体上植被覆盖度良好，其中武夷山脉和戴云山脉两大山脉植被覆盖最好，沿海地区植被覆盖较差，其他地区植被覆盖度较好。夏季、秋季的NDVI植被覆盖良好，植被覆盖度最好的季节为夏季，最差的季节为冬季；内陆地区夏季与冬季两个季节的NDVI值变化最大。

年平均温度与NDVI值的相互关系比年平均降水量与NDVI值的相互关系更好，2011—2017年年平均气温与年NDVI值的变化趋势一致。近10年年平均温度与年均 NDVI的相关系数达0.7，在显著水平5%下，通过显著性检验，年均降水量与年均NDVI的相关系数只有0.05，没有通过显著性检验，相对于降水，年平均温度对年均NDVI的影响更大。

春、夏、秋、冬四季降水与同期NDVI空间相关性的差异大。春季降水相关系数在空间上呈相反两个趋势，中部为负相关，南北两端为正相关；夏季降水相关系数大部分为正相关，分布较均匀；秋季降水与NDVI正相关所占比例相对较大。冬季降水与NDVI值的相关性很差，大部分相关系数在-0.2～0.2之间，没有通过置信检验。秋季降水与同季节NDVI的相关性最高，其次是夏季，冬季的相关性最差。

春、夏季温度与秋、冬季温度和同期NDVI值的相关系数总体呈相反两个趋势，春、夏季温度与同期NDVI负相关所占比例相对较大。秋、冬季温度与同期NDVI正相关所占比例相对较大。秋季温度与同季节NDVI的相关性最高，其次是夏季，春季的相关性最差。

春、夏、冬三季植被覆盖度与不同季节的温度相关性差异不大，福建省大部分为负相关，正相关区主要位于漳州及中南部沿海一带。夏季植被覆盖度与不同季节温度的相关性最好，相关系数主要位于-0.8～-0.6。夏季降水对春、秋、冬季植被覆盖度的影响较大，福建省大部为正相关，正相关系数可达0.6～0.8，夏季降水增多，春、秋、冬三季的植被覆盖度增大；冬季降水对春、夏、秋季植被覆盖度的影响最小，相关系数小于0.4。