辽宁省植被覆盖度时空变化特征及其对气候变化的响应

易 雪，杨 森，刘鸣彦，李 涛，侯依玲，崔 妍

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 3.西安财经大学统计学院，陕西 西安 710010)

引 言

植被覆盖是指地球表面某一地区所覆盖的植物群落，是土地覆盖主要的组成部分，而植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[1]，其变化可以引起地表反照率、地表粗糙度、土壤湿度以及地表与大气的感热、潜热交换等发生改变，进而影响地表能量平衡，对区域乃至全球气候产生重要影响，植被覆盖度已成为气候数值模式、水文生态模型的重要参数，探讨植被覆盖度及其变化对全球气候变化研究具有重要意义[2-3]。联合国政府间气候变化专门委员会第5次评估报告指出，1880—2012年全球地表气温升高约0.85 ℃[4]，全球气候变暖对陆地植被生态系统产生深远影响[5-6]。研究表明，北半球中高纬度地区植被的增强归因于全球气候变暖[7-9]，而中国植被的增强主要受气温升高影响，但在个别区域却受降水影响[10-12]。可见，不同区域植被变化的影响因素存在差异。因此，研究植被覆盖度对气候变化的响应，对保护区域生物多样性、研究生态过程具有重要意义[13]。

归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)可用来表征植被生长状况[14-15]，它与植被覆盖度呈正相关[16]，常用于植被覆盖度的计算[17-18]。研究表明，我国植被覆盖度总体呈增加趋势，其中淮河流域、华北平原、黄土高原以及西部地区等增加速率较高[13,19-20]，而内蒙古中部[21]以及人类活动相对频繁的地区(如长三角、珠三角城市群)[22-24]植被覆盖度则呈减少趋势。另外，不同植被类型的植被覆盖度变化趋势也不尽相同，我国东部农作物的植被覆盖度增加趋势最大，森林的增加趋势最小[22]；同一植被类型的植被覆盖度在不同区域的变化特征也不尽相同，这是植被对气温、降水等环境条件的依赖程度不同所致[25]，因此开展不同区域、不同植被类型的植被覆盖度变化及其对气候变化的响应研究非常必要。

辽宁省地处中国东北地区南部，属于温带大陆性季风气候，南部濒临黄渤二海，气候类型多样，植物有2200余种。在全球气候变暖背景下，辽宁省气温显著升高[26]，生长季内NDVI整体呈上升趋势[14]，但不同植被类型对气候变化的响应如何？为此，本文基于2001—2019年MOD13A3产品的NDVI数据集、2001—2018年MCD12Q1产品的土地覆盖类型数据集以及辽宁省61个气象观测站气温、降水数据，重点分析近19 a来辽宁省不同植被类型的植被覆盖度与气温、降水的关系，以期为辽宁省生态环境建设和保护提供依据。

1 研究区概况

辽宁省位于中国东北地区南部，地处亚洲大陆东岸的北温带，地理位置介于118°53′E—125°46′E、38°43′N—43°26′N之间，属于温带大陆性季风气候。受季风影响，夏季全省气温普遍较高，平均达22.9 ℃，而冬季受西伯利亚和蒙古冷气团控制，气温较低，平均为-7.3 ℃。由于南部濒临黄渤二海，沿海地区具有一定的海洋性气候特征，夏季气温低于内陆1～2 ℃，冬季高于内陆5～10 ℃。降水量由东南向西北递减。辽宁省地势总体表现为东西两侧高、中部低的特征，东部和西部为中低山丘陵，南部为半岛，北部为低丘台地，中部为平原低地(图1)。在自然条件综合作用下，辽宁东部和南部为森林植被，西北部为森林草原和草甸草原，中部辽河平原为一年一熟的农作物和草甸草原[27]。

2 资料与方法

2.1 资料来源与预处理

使用2001—2019年MODIS卫星遥感产品MOD13A3中NDVI逐月数据，空间分辨率为1 km，且经过质量控制，剔除了云和气溶胶等影响[28]。植被覆盖类型数据由2001—2018年MODIS土地覆盖产品MCD12Q1数据得到，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 a，该数据基于国际地圈生物圈计划(IGBP)17类全球植被分类方案，包括11个自然植被类型、3个土地开发和镶嵌的地类和3个非草木土地类型定义类[29]，且经过严格的质量控制，数据空间连续、成像面积较大、对地表变化较敏感，适用于较大区域或尺度的土地利用变化监测[30-32]。

图1 辽宁省地形高程(单位：m)及 61个国家级气象观测站分布Fig.1 The distribution of terrain elevation (Unit: m) and 61 national meteorological observation stations in Liaoning Province

从图2看出，辽宁省共有14类土地覆盖类型，其中作物面积最大，主要分布在辽宁中部、南部以及沿海等海拔较低的地区，占总面积的45.5%；其次是草原，主要分布在辽宁西北部山区，占比为13.6%；落叶阔叶林主要分布在辽宁东部山地和丘陵地区，占比为12.1%；多树草原主要零星分布在落叶阔叶林间，占总面积的4.5%；稀树草原主要分布在辽宁东部山地、丘陵地区以南海拔较低的地区，占比2.3%；城市及建成区占比3.4%，水体占比1%，其他类型均不足1%。为了避免人类活动如城市扩张、退耕还林等对不同类型植被覆盖度的年际变化产生影响，逐像元统计2001—2018年土地覆盖类型是否发生变化，若发生变化，则不作为植被覆盖度变化统计范围。因此，除去城市及建成区和水体，选取面积占比超过1%的作物、草原、落叶阔叶林、多树草原和稀树草原5种植被类型，且近18 a来覆盖类型未发生变化的区域进行研究。

另外，气象数据为2001—2019年辽宁省61个国家级气象观测站逐月平均气温、降水量，站点分布见图1。根据各气象站点的经纬度信息，采用反距离权重法对气温、降水进行空间插值，空间分辨率取为1 km。文中涉及的辽宁省及其市级行政边界均是基于辽宁省标准地图服务网站下载的审图号为辽S(2017)134的标准地图制作，底图无修改。

图2 2001—2018年辽宁省土地覆盖类型分布Fig.2 The distribution of land-cover types in Liaoning Province during 2001-2018

2.2 植被覆盖度的计算

基于归一化植被指数(NDVI)，利用像元二分模型计算植被覆盖度[33-34]。该方法是假设一个像元内地表由植被覆盖区域与无植被覆盖区域组成，而遥感传感器观测到的光谱信息也由这2个组分因子线性加权组成，各因子的权重是在像元中所占面积的百分比，其中植被的权重即是植被覆盖度[21]，其表达式如下：

式中：Ci为第i个像元的植被覆盖度；NDVIi为第i个像元的NDVI值；NDVIv为全植被覆盖像元的NDVI值，为研究区最大值；NDVIs为完全的裸土或无植被覆盖像元的NDVI值，为研究区最小值。NDVIs理论值应接近于0，但由于地表性质不同，其取值范围在-0.1～0.2之间。NDVIv的理论值应为1，但受植被类型及植被生长季的影响，其值随之变化。根据赵鑫等[23]研究成果，从研究区NDVI累积概率分布上分别找出不同时相的5%和95%置信区间值，从所有时相内选出最小5%置信区间值和最大95%置信区间值，分别作为NDVIs和NDVIv参数值。

3 结果与分析

3.1 辽宁省植被覆盖度空间分布

2001—2019年辽宁省多年平均植被覆盖度为0～0.7，空间差异性明显，大体自西向东逐渐增加(图3)，与地形关系密切。其中，东部山地、丘陵区的植被覆盖度最高，为0.5～0.7，占总面积的35.5%；中部、南部平原区植被覆盖度普遍在0.4～0.5之间，占总面积的48.5%；西北部的努鲁儿虎山植被覆盖度偏低(0.3～0.4)，低于西南低山、丘陵地带(0.4～0.7)；城市、水域为植被覆盖度低值区。

图3 2001—2019年辽宁省平均植被覆盖度空间分布Fig.3 Spatial distribution of average vegetation coverage in Liaoning Province during 2001-2019

3.2 辽宁省植被覆盖度时间变化特征

2001—2019年辽宁省多年平均植被覆盖度为0.48，相较于长江流域[35]、华北平原[13]明显偏低，但高于内蒙古地区[21]。近19 a来，辽宁省年平均植被覆盖度整体呈显著上升趋势(通过α=0.01的显著性检验)，每10 a增加0.036，其中植被覆盖度2001年最低为0.42，2016年最高为0.51；不同年代增速不同，2000年代植被覆盖度年际波动大，增加了0.049，而2011—2019年年际波动小，植被覆盖度稳步上升，增加了0.0225，明显低于2000年代[图4(a)]。

从植被覆盖度的月变化[图4(b)]来看，辽宁省1月植被覆盖度最低为0.21，8月最高为0.86，说明全省8月植被生长最为旺盛，4月以前植被覆盖度普遍较低，增加缓慢，5月开始迅速增大，步入植被快速生长发育阶段，至9月植被停止发育，覆盖度开始下降，10月迅速下降。

从空间分布(图5)上看出，近19 a来辽宁省绝大部分地区(96.5%)植被覆盖度呈上升趋势，西部朝阳和葫芦岛西部、营口和大连北部等地区植被覆盖度增加最快且显著，平均每10 a增加0.06～0.1，而植被覆盖度高的东部大部分地区平均每10 a增加0.04～0.05，增加趋势通过α=0.1及以上的显著性检验；辽宁中部和东南沿海地区平均每10 a增加0.01～0.03，但增加趋势不显著；少部分位于城市周围或水域的植被覆盖度则呈减少趋势，城区扩张导致植被破坏，植被覆盖度下降。

图4 2001—2019年辽宁省平均植被覆盖度年际(a)、月(b)变化Fig.4 The annual (a) and monthly (b) change of average vegetation coverage in Liaoning Province from 2001 to 2019

图5 2001—2019年辽宁省植被覆盖度变化趋势(a， 单位： a-1)及显著性水平(b)空间分布Fig.5 Spatial distribution of change trend (a, Unit: a-1) of vegetation coverage and its significance level (b) in Liaoning Province from 2001 to 2019

不同植被类型对气候变化的响应程度不同，因此统计了2001—2019年辽宁省5种主要植被类型的植被覆盖度的年际及月变化(图6和表1)。可以看出，辽宁省作物和草原的植被覆盖度最小，约0.44，最大值均出现在2016年；多树草原和稀树草原的植被覆盖度在0.52～0.61之间，多年平均为0.57，最大值均出现在2018年；落叶阔叶林的植被覆盖度为0.57～0.65，多年平均为0.61，明显高于其他植被类型，最大值出现在2018年。近19 a来上述5种植被类型的植被覆盖度均呈现显著上升趋势[图6(a)]，其中草原的植被覆盖度增加速率最大，平均每10 a增加0.039，作物的增加速率最小，平均每10 a增加0.025。

从植被覆盖度的月变化[图6(b)]来看，上述5种植被类型的植被覆盖度均表现为单峰型月分布，其中作物和草原的峰值出现在8月，分别为0.859和0.801，而落叶阔叶林、多树草原和稀树草原的峰值出现在7月，分别为0.976、0.940和0.934。落叶阔叶林的植被覆盖度全年普遍高于其他类型植被，最低值出现在1月，3月随着气温升高开始复苏，5月陡然增加，而后缓慢增加，8月开始轻微回落，10—11月陡然下降，这是10月开始大面积落叶所致。稀树草原和多树草原的植被覆盖度在大部分时间内相近，仅1—2月稀树草原的植被覆盖度大于多树草原，多树草原从3月开始复苏，此时植被覆盖度接近稀树草原，而后2种类型的植被覆盖度同步变化。草原返青相对较晚，1—4月植被覆盖度普遍在0.2～0.3之间，5月开始返青，植被覆盖度显著增加，而后持续线性增加至7月，8月增速减缓，9月开始陡然持续下降，整体上草原植被覆盖度在生长季内变化迅速，而在非生长季变化很小。辽宁省农作物于5月开始出苗，其植被覆盖度从5月开始逐渐增加，10月农作物基本收割完毕，此时植被覆盖度下降迅速，11月至次年4月非生长季内植被覆盖度普遍在0.2～0.3之间，这与混合像元有关。

图6 2001—2019年辽宁省不同植被类型的植被覆盖度的年际(a)和月(b)变化Fig.6 The annual (a) and monthly (b) change of vegetation coverage with different vegetation types in Liaoning Province during 2001-2019

表1 2001—2019年辽宁省主要植被 类型的植被覆盖度统计值Tab.1 The statistics of vegetation coverage with different vegetation types in Liaoning Province from 2001 to 2019

3.3 辽宁省植被覆盖度对气候变化的响应

3.3.1 气温、降水时空变化特征

图7是辽宁省2001—2019年平均气温、降水量空间分布及年际变化。可以看出，受纬度和地形的影响，辽宁省年平均气温呈现北低南高的空间分布特征，年平均气温为5.6～11.6 ℃，南部渤海湾地区气温较高，东北部气温较低[图7(a)]；受地形和季风的影响，降水自东向西逐渐减少，辽东长白山区为多雨区，年均雨量可达1000 mm以上，这主要是地形抬升使辐合上升运动加强所致，而辽西为少雨区，年均雨量最低为424.5 mm[图7(b)]。近19 a来，辽宁省年平均气温、降水量均呈不显著上升趋势，气候倾向率分别为0.2 ℃·(10 a)-1、13.5 mm·(10 a)-1[图7(c)]。

3.3.2 植被覆盖度与气温、降水相关性空间分布

图8是辽宁省年平均植被覆盖度与年平均气温、降水量的相关系数空间分布。可以看出，辽宁东、西部植被覆盖度的年际变化受气温、降水的影响相反。辽宁中东部植被覆盖度与年平均气温呈正相关，铁岭到辽阳一带的相关系数超过0.575，通过α=0.01的显著性检验，而西部植被覆盖度与年平均气温则呈负相关，相关系数普遍在-0.388～0之间，未通过α=0.1的显著性检验。辽宁中西部和南部植被覆盖度与年降水量呈正相关，其中阜新到葫芦岛东北—西南向的狭长地带以及南部部分区域的相关性通过α=0.1及以上的显著性检验，而东部植被覆盖度与年降水量总体呈负相关，且大部区域的相关性不显著。

辽宁西部属于暖温带半干旱区[36]，高温干旱时有发生[37]，高温、少雨限制了植被生长，而东部则属于中温带湿润区[36]，温度偏低制约了植被生长。总的来说，整个研究区植被覆盖度与年平均气温呈正相关的区域占总面积的69.9%，其中7.4%和18.9%的面积通过α=0.01和α=0.1的显著性检验，而与降水量呈正相关区域占68.4%，其中有1.5%和13.0%的面积通过α=0.01和α=0.1的显著性检验。

图7 2001—2019年辽宁省年平均气温(a，单位: ℃)、降水量(b，单位: mm)空间分布及年际变化(c)Fig.7 Spatial distribution of annual average temperature (a, Unit: ℃) and precipitation (b, Unit: mm) and their annual changes (c) in Liaoning Province from 2001 to 2019

图8 2001—2019年辽宁省平均植被覆盖度与平均气温(a)、降水(b)的相关系数空间分布 (±0.389 和±0.575分别为α=0.1和α=0.01显著性检验的临界值)Fig.8 Spatial distribution of correlation coefficients between average vegetation coverage and average temperature (a), precipitation (b) in Liaoning Province from 2001 to 2019 (The negative and positive 0.389 and 0.575 are the critical values of the 0.1 and 0.01 significance tests, respectively)

3.3.3 不同植被类型的植被覆盖度与气温、降水的相关性

从不同植被类型的年平均植被覆盖度与气温、降水的相关系数箱线图(图9)看出，作物的植被覆盖度与气温的相关系数为-0.651～0.867，与降水的相关系数为-0.727～0.763，位于辽宁中部地区的作物与气温、降水均呈正相关，整体上与气温的相关性大于降水。辽宁中部主要种植水稻、玉米，其北部年均气温7.3 ℃，降水量601 mm，属于中温带半湿润季风气候，而南部年均气温9.5 ℃，降水量655.2 mm，属于暖温带半湿润季风气候，玉米和水稻喜温、需水量大，故而气温高、降水多有利于作物生长发育。然而，处于暖温带半干旱区的辽西地区的主要作物玉米与降水呈显著正相关，与气温呈负相关，且与降水的相关性大于气温，这是由于辽西地区易发生高温干旱，增温不利于作物生长，而降水增加则有利于作物生长。总体来说，作物的植被覆盖度与气温和降水的相关系数平均为0.135和0.237(表2)，呈正相关的区域面积分别占作物总面积的65.6%和86.9%。草原多分布在辽西北地区，该区属于中温带半干旱区[36]，草原的植被覆盖度与气温、降水的相关系数平均分别为-0.027、0.227，说明草原主要受降水影响，且降水多有利于草原植被覆盖度增加。落叶阔叶林、多树草原与气温的相关系数大于0.4，而与降水则呈负相关。落叶阔叶林、多树草原主要分布在辽东的铁岭市东南部、抚顺市东部、丹东市北部，且地貌为中低山地与丘陵，这里的植被是红松阔叶混交林和灌丛，属于中温带湿润区[36]，降水量丰富，气温低，所以气温是落叶阔叶林、多树草原生长的主要限制因子，同时降水多不利于植被生长。稀树草原与气温呈正相关，气候变暖有利于其植被覆盖度的增加，而与降水的相关性较弱。稀树草原主要分布在千山山脉以东地区，该地区降水充沛。

图9 辽宁省不同植被类型的植被覆盖度与气温(a)、降水(b)相关系数箱线图Fig.9 Box plot of correlation coefficients between vegetation coverage with different vegetation types and temperature (a), precipitation (b) in Liaoning Province

表2 2001—2019年辽宁省5种主要植被类型的 平均植被覆盖度与气温、降水的相关系数Tab.2 Correlation coefficients between average vegetation coverage with main five types of vegetation and temperature, precipitation in Liaoning Province from 2001 to 2019

为进一步探究月尺度不同类型植被覆盖度对气候因子的响应，统计了生长季内不同月份植被覆盖度与同期和上一月气温、降水量的相关系数(表3和表4)。可以看出，整个生长季内，作物植被覆盖度与同期气温和降水量的相关系数平均分别为-0.102和0.318，而与前一月气温、降水量的相关系数平均分别为-0.128和0.378，可见，作物对同期和上一月降水的响应明显大于气温，说明作物对降水的响应敏感且存在时滞性，这是由于作物在整个生育期内需水量均较大，前期降水对当前土壤湿度有较大影响[38]，而气温是作物进入不同发育期的关键因素，作物对前期气温的敏感性较弱。整体上，草原植被覆盖度与同期、上一月气温均呈负相关，相关系数分别为-0.176、-0.09，而与同期、上一月降水量均呈正相关，相关系数分别为0.312、0.328，说明高温少雨不利于草原生长发育，且对降水存在明显的时滞响应。落叶阔叶林、多树草原和稀树草原的植被覆盖度对气温、降水量的响应类似，在生长旺盛期间(5—8月)受同期气温影响较大，而在生长季末期(9月)受同期气温影响较小，同时在生长季初期和后期对前一月气温响应也较敏感，这与卢乔倩等[25]的研究结论一致；这3种植被类型的植被覆盖度在8—9月受同期降水影响较大，且9月植被覆盖度对前一月降水有较敏感的响应。总的来说，作物和草原对降水响应较敏感且存在时滞性，而落叶阔叶林、多树草原和稀树草原对气温响应敏感，且在生长季后期对气温、降水有时滞响应。

表3 辽宁省5种主要植被类型生长季内月平均植被覆盖度与同期气温、降水量的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between monthly average vegetation coverage with five vegetation types and temperature, precipitation in corresponding period during the growth season in Liaoning Province

表4 辽宁省5种主要植被类型生长季内月平均植被覆盖度与上一月气温、降水的相关系数Tab.4 Correlation coefficients between monthly average vegetation coverage with five vegetation types and temperature, precipitation in previous month during the growth season in Liaoning Province

4 结 论

(1)辽宁省植被覆盖度从东向西逐渐降低，具有显著的地域差异性。近19 a来，该省植被覆盖度整体呈明显上升趋势，每10 a约增加0.036，且作物、草原、落叶阔叶林、多树草原和稀树草原等主要类型的植被覆盖度均呈显著上升趋势，其中草原增加速率最大，作物增加速率最小。

(2)辽宁省5种主要植被类型的植被覆盖度均表现为单峰型月变化，但不同类型植被覆盖度开始显著增加和达到峰值的时间不同，落叶阔叶林、多树草原和稀树草原3月开始复苏，7月最为茂盛，作物和草原则从5月开始分别出苗和返青，8月最为茂盛。

(3)在年际尺度上，辽宁省植被覆盖度对气温、降水的响应具有空间差异性，整体上辽宁东部植被覆盖度对气温、降水的响应与西部相反，大部地区植被覆盖度与气温、降水呈正相关。不同植被类型对气温、降水的响应不同，同一植被类型对气温、降水的响应也存在空间异质性，如作物的植被覆盖度在暖温带半干旱区与降水呈正相关，与气温呈负相关，而在暖温带半湿润区则与降水和气温均呈正相关。从月尺度来看，作物和草原的植被覆盖度对降水响应敏感且存在时滞性；落叶阔叶林、多树草原和稀树草原在生长旺盛期对同期气温响应敏感，而在生长季末期对气温、降水均表现出时滞响应。

植被对气候的响应是一个复杂的过程，本文仅考虑了与气温、降水的相关关系，其研究结论具有一定的局限性，今后应按照不同气候区开展不同植被类型对气候变化的响应或者借助气候模式开展此类研究。另外，近19 a来植被类型未发生改变的区域，其植被覆盖度仍不可避免地受人类活动影响，如作物品种的改变、虫害治理、灌溉条件、封山育林、森林抚育等[39]，而本文未能考虑这些人为因素，这将是下一步工作内容。