2005—2018年浙江省植被生长季NDVI时空变化及其对气候因子的响应

余梦晨，李 迎，李月芬

（吉林大学地球科学学院，长春 130061）

植被作为组成生态系统的重要成分，似中间枢纽连接着大气、土壤和水体，通过光合作用与呼吸作用，在维持生态系统的稳定性方面发挥着不可或缺的作用［1，2］。植被的生长分布与气候、海拔以及人文等环境因素有着密不可分的联系［3］。在所有环境因素中，气候因素对植被具有重要影响，其中，温度主要影响植被对二氧化碳以及一些养分的吸收与转化，降水主要提供植被生命活动必需的水分，两者共同作用，共同影响植被的生长［4，5］。研究植被动态变化与自然环境和人类社会变化的关系，对评价生态系统的环境质量，调节生态过程以及反映人类活动对植被覆盖变化的影响具有重要意义［5-8］。

归一化差异植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）作为最常用的植被指数之一，可以指示植被覆盖度、叶面积指数、生物量和生产力等植被性状［9，10］。基于长时间序列NDVI的研究在反映区域植被动态变化、监测植被生长等方面有突出优势，是当前全球变化研究的主要内容之一［11-15］。

目前，一些学者从时空两个维度出发，基于长时序的NDVI数据集，反演植被覆盖的动态变化并对NDVI与其影响因子之间的关系和响应机制进行深入研究［16-20］。还有一些学者基于NDVI进行了相关研究。栾金凯等［21］通过复直线回归分析和残差分析，实现定量分析影响植被动态变化的气候因素和人为因素，区分不同因素对NDVI变化的贡献，并对NDVI的未来变化进行预测。高江波等［22］从宏观尺度分析了气候因子与植被动态的关系，基于地理加权等方法厘清了不同植被活动空间与气象因子的响应程度。Peng等［23］量化自然环境因子对NDVI的影响，确定对植物生长最为有利的自然环境因子以及因子交互作用的特征，以适应气候变化的大背景。徐芝英等［24］选取NDVI表征浙江省植被覆盖，利用小波分析法对研究区的自然、人文因素进行尺度特征的识别并且进行了多因子多尺度相关性分析。税燕萍等［25］基于inVEST生境质量模型，以生长季NDVI为植被变化表征，评估多年拉萨河流域的生境质量变化，为开展相应的生态保护措施提供参考。本研究基于MODIS MOD 13Q1陆地植被数据，采用趋势分析方法探究植被随时间和空间的动态变化，结合气温与降水数据，探究气候因子与生长季NDVI的关系，进一步揭示浙江省NDVI的时空变化特征，为浙江省乃至周边快速发展的省市提供植被保护与生态环境建设参考依据。

1 研究区概况

浙江省（27°01′—31°10′N，118°01′—123°08′E）位于长江三角洲的南部沿海地区，地形主要有山地、丘陵、平原、盆地等，整体地势由西南向东北倾斜（图1）。浙江中部主要为丘陵盆地地区，西部、南部和距离海岸线较远的东部地区主要为山地丘陵地区，主要城市为衢州市、金华市、丽水市；浙江省北部和沿海东部地区主要为丘陵平原地区，经济发达，城市化进程快，产业集聚度高，主要城市为湖州市、嘉兴市、杭州市、绍兴市、宁波市、台州市和温州市。气候为典型的亚热带季风气候，季节变化明显，年均温为15～18℃，年均降水量为1 200～2 000 mm。全省生物资源丰富，森林覆盖率可达60%，主要植被类型为亚热带常绿阔叶林。

图1 浙江省地形

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

NDVI数据来源于美国航空航天局NASA（https：∕∕ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov∕search∕）发布的MODIS MOD 13Q1陆地3级标准数据产品，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。本研究选取的时间范围为2005—2018年植被生长季（5—9月）。

首先，通 过MRT（MODIS reprojection tools）和ArcGIS10.6.1等软件将源数据进行提取、拼接、投影转换和剪裁等批处理操作。其次为与气候数据时间性保持一致并且消除大气和卫星误差，采用MVC最大化合成法，得到2005—2018年生长季的NDVI月数据集［26］。最后，提取5—9月NDVI平均值得到生长季NDVI数据，用以指示年际变化。研究所需的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18个气象站点2005—2018年的月平均气温和月累计降水量，经过计算处理可以得到研究需要的浙江省的气温和降水量数据。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析采用一元线性回归方程的斜率代表每个栅格像元随时间变化的变化趋势［27］，栅格斜率变化的计算如式（1）所示。

式（1）中，slope表示浙江省植被生长季NDVI的变化斜率；n为年数；为第i年植被生长季NDVI的平均值。Slope＞0表示研究区域植被覆盖面积变大，NDVI多年变化趋势为增加；slope＜0表示研究区植被覆盖面积变小，NDVI多年变化趋势为减少；slope=0表示NDVI在时间序列中保持不变。

2.2.2 相关分析相关分析法是研究各个变量之间相互关系的一种方法。自然界中许多变量可能有联系，也可能没有联系，相关分析可以用于评估两者或多者之间的响应程度［21］。其计算公式如式（2）所示。

式（2）中，n为样本数；Xˉ代表变量xi的平均值；Yˉ代表变量yi的平均值；rxy表示变量xi和变量yi的相关系数。rxy＞0表示植被覆盖状况改善；rxy＜0表示植被覆盖状况恶化。如果rxy通过P=0.05的显著性检验，则表示植被发生显著变化。

2.2.3 变异系数变异系数用于反映栅格单元值的波动水平。一般来说，变异系数越大，说明植被在多年时间序列的生长季波动越大，NDVI就越不稳定；反之，变异系数越小，说明植被变化程度越小，NDVI就越稳定［28，29］。变异系数的计算公式如式（3）所示。

式中，CV为栅格像元值的变异系数；NDVIi为对应的第i年植被生长季NDVI为2005—2018年植被生长季NDVI的平均值。

3 结果与分析

3.1 植被生长季NDVI空间分布特征

浙江省2005—2018年植被生长季NDVI多年均值整体水平较高，在空间上呈差异分布（图2）。这种植被覆盖空间分布差异性与浙江省的地形几乎吻合，即浙江省中部丘陵盆地地区、北部平原地区以及东南丘陵地区对应的植被覆盖度较低。推测其原因在于人类活动多集中在这些地区，人类社会对生态系统的扰动使得全省即使在气温和降水相对平均的情况下这些地区的植被覆盖度仍相对较低。

图2 2005—2018年植被生长季NDVI多年均值空间分布

3.2 植被生长季NDVI时间变化特征

3.2.1 区域尺度NDVI变化由图3可知，浙江省2005—2018年植被生长季NDVI年均值变化范围为0.643 1～0.673 3，多年平均值为0.654 1，研究区整体NDVI较高，反映出浙江省植被生长季整体覆盖水平较高。

图3 浙江省植被生长季NDVI年际变化

浙江省2005—2018年NDVI总体呈极显著上升趋势，年均增速为0.001 6，R2为0.54，P=0.002 8，通过P＜0.01的显著性检验，说明浙江省近14年的植被覆盖显著增加，生态效益不断提升。14年间NDVI变异系数为0.014 1，说明在此期间植被覆盖率很稳定。浙江省植被NDVI在14年间出现3个明显的增加 阶 段（2010—2013年、2014—2016年 和2017—2018年）、2个明显的下降阶段（2007—2008年和2013—2014年）和1个波动维持平衡阶段（2005—2007年）。

3.2.2 像元尺度NDVI变化图4反映了浙江省逐像元NDVI时间动态变化趋势。根据分析将像元的趋势变化分为5个级别，分别为快速退化（slope≤-0.015）、缓慢退化（-0.015＜slope≤-0.004）、保持稳定（-0.004＜slope≤0.004）、缓 慢增加（0.004＜slope≤0.015）和快速增加（slop＞0.015）。总体来看，浙江省NDVI变化趋势是增加的。

图4 2005—2018年浙江省植被生长季NDVI的变化斜率（slope）分布

由表1可以看出，浙江省NDVI快速增加地区的面积为778.500 km2，占比为0.7%，主要分布在浙江省南部和西部的山地地区；NDVI快速退化地区的面积为2 975.438 km2，占比为2.8%，主要分布在浙江省中部和北部的丘陵平原地区以及东部的沿海丘陵地区，即经济较发达、人类活动活跃地区；NDVI缓慢增加、保持稳定和缓慢退化地区占据主导地位，占浙江省总面积的96.5%。

表1 2005—2018年浙江省植被变化趋势分析

通过相关分析和显著性检验得到浙江省NDVI变化的显著性如图5所示。相关系数（r）大于0.532表示通过α=0.05的显著性检验，据此将显著性水平分为4个级别，分别为显著减少（-0.986＜r＜-0.532）、减少不显著（-0.532≤r＜0）、增加不显著（0＜r≤0.532）、显著增加（0.532＜r＜0.986）。从图5和表2可以看出，浙江省NDVI显著增加区域面积为24 007.063 km2，占浙江省面积的23.0%，主要分布在浙南、浙西和浙中的山地地区，这是由于这些区域的地形地貌难以开发利用或者是开发成本较高，所以使得植被自然生长；NDVI显著减少的区域面积为8 313.188 km2，占浙江省总面积的8.0%，主要分布在浙北和浙东的丘陵平原地区。浙江省城市化和工业化进程的的进一步推进使得城市周边的可利用土地迅速被开发使用，即使强调保护为先的生态理念，植被生长环境在人类活动的影响下依然有所恶化［30］，表现为NDVI显著下降。增加不显著和减少不显著的区域则占了浙江省总面积的69.0%，这部分相对稳定区域是由于浙江省环境保护政策和自然生态系统本身的稳定性所决定的。

表2 2005—2018年浙江省植被动态变化显著性分析

图5 2005—2018年浙江省植被生长季NDVI变化显著性分布

3.3 植被稳定性空间分布特征

根据变异系数（CV）的计算结果，并参照文献［28］，将植被稳定性分为9个级别。结果（图6）显示，浙江省植被稳定性总体较好，区域分异较为明显。低波动（CV≤0.05）区域面积占比为59.8%，较低波动（0.05＜CV≤0.10）区域面积占比为26.0%，二者几乎遍布整个浙江省。较高波动（0.10＜CV≤0.15）区域面积占比为6.5%，高波动（CV＞0.15）区域面积占比为7.7%，主要分布在浙江省北部平原、中部和东部的丘陵盆地等经济和人文活动较为活跃的地区，主要分布城市为嘉兴市、湖州市、杭州市、绍兴市、宁波市、台州市和温州市。

图6 2005—2018年浙江省植被生长季NDVI变异系数分布

3.4 生长季NDVI与降水量和温度的关系

将气象数据进行处理与分析后，可以得到浙江省植被生长季平均气温和累计降水量的年际变化（图7）。浙江省位于亚热带季风区，植被生长季（5—9月）降水丰富，气温较高，天气较为炎热。2005—2018年，研究区植被生长季的年际气温缓慢下降，每年下降0.003 6℃，未通过显著性检验，并在2012—2016年出现大幅波动（图7a）。浙江省植被生长季的平均气温在24.7～26.2℃波动，2015年最低，2013年最高，多年均值为25.7℃。14年间，浙江省生长季累计降水量的总体趋势为增加，每年的增加量为5.876 mm，未通过显著性检验，在2011—2014年波动较大（图7b）。14年间生长季累计降水量为649.8～1 166.5 mm，2013年最小，2014年最大，多年均值为873.4 mm。

图7 2005—2018年浙江省植被生长季气温和降水量年际变化

浙江省植被生长季的NDVI与气候因子的相关分析结果（图8）表明，年尺度上，NDVI与气温的相关系数为0.447 3，未通过显著性检验（P=0.108 8），NDVI与降水量的相关系数为-0.178 2，也未通过显著性检验（P=0.542 3）；月尺度上，NDVI与气温的相关系数为0.775 6，为极显著正相关（P＜0.01），NDVI与降水量的相关系数为-0.225 3，未通过显著性检验（P=0.060 7）。结合相关分析结果，对气温、降水量14年间生长季月数据归一化后与NDVI进行多元线性回归分析，得y=0.590 6x1-0.057 5x2+0.357 3，其中x1表示气温，x2表示降水量，y表示NDVI。综合考虑双尺度相关分析和多元线性回归分析，得到生长季气温对浙江省植被覆盖的影响比降水量对植被覆盖的影响更大，气温可以被认为是14年间浙江省生长季对植被影响更为显著的气候因子，且气温增加对全省植被生长具有正向作用。

图8 2005—2018年浙江省植被生长季NDVI与气温和降水量的相关性

分析生长季各月NDVI与气温、降水量的相关系数，目的是探索相同时间跨度下细化时间宽度，进一步研究温度和降水量对NDVI的影响程度，结果见表3。其中，NDVI与气温的相关性只有在5月、7月呈中等相关关系，在8月呈弱相关关系，对应的相关系数分别为0.513 0、0.620 7和0.224 3，其中7月通过0.05水平的显著性检验。NDVI与降水量的相关性在7月和8月呈显著负相关，对应的相关系数分别为-0.577 8和-0.547 8，二者都通过了0.05水平的显著性检验。在全球气候变化的背景下，生长季中期的植被对气温和降水量的响应更为显著。

表3 植被生长季月NDVI与气温、降水量的相关性

4 讨论

本研究分析了2005—2018年浙江省植被生长季NDVI的时空变化情况，并探究了生长季植被变化与气候因子的相关性。研究发现，2005—2018年浙江省植被覆盖年际变化显著提升，生长季NDVI与温度呈显著正相关，为主要气候因子，而与降水量呈负相关。也有研究显示降水量为主要气候因子，降水量与NDVI为正相关关系，气温则与NDVI为负相关关系［11，30］。产生差异的主要原因可能在于浙江省近20年来年降水量呈增加趋势，且两者研究的时间尺度不同，本研究为植被生长季，而该研究为全年。相关研究表明，气温为主要气候因子的地区总是雨量充沛，空气湿度较大，而降水量为主要气候影响因子的地区则多为干旱、半干旱地区，降水量较少［31，32］。

浙江省整体植被覆盖水平高，但是区域分异显著，往往是经济发达、人类活动频繁地区的植被覆盖度低，稳定性差，而海拔较高、经济相对落后地区的植被覆盖较高。已有的研究结果表明，人类活动频繁、城市扩张会导致城市周边植被退化［33，34］。气候变化和人类活动都是影响植被时空变化的重要因素，二者和其他因素一起共同形成现今植被时空分布格局，影响植被的生长状况。

本研究主要是分析了长时间序列下浙江省植被生长季的时空变化，并探究生长季NDVI与气候因子的相关关系。在数据预处理时，本研究基于MOD13Q1的250 m分辨 率的 浙江省NDVI数据，因为没有使用高分影像数据进行验证，如要进行市县级的植被覆盖变化研究还需进一步提高数据的分辨率和精确性。在研究生长季NDVI对气候因子的响应时，采用了相关分析和多元线性回归，没有屏蔽因子之间的相互作用而进行偏相关分析。同时，人为因素和其他环境因素也是造成NDVI变化的主要因素之一，还需在以后的研究中采用地理探测器［35］等方法对其进行定性定量研究，借此评估自然因素和人为因素对植被变化的贡献。

5 小结

1）NDVI的空间分布显示，2005—2018年浙江省生长季植被覆盖水平整体较高，植被覆盖在空间水平上有所差异，高覆盖区域主要在山地等海拔相对较高地区，低覆盖区则主要分布在平原等低海拔地区，侧面反映人类活动与植被覆盖密切相关。

2）NDVI的时间变化显示，从区域水平看，2005—2018年浙江省生长季的植被覆盖呈极显著上升趋势，增速为0.001 6∕年，多年NDVI变异系数为0.014 1，说明植被覆盖水平整体稳定；从像元水平上看，NDVI趋势保持稳定的区域达61.1%，NDVI显著减少和显著增加的面积分别为8.0%和23.0%。其中，显著减少的区域主要分布在浙北、浙中和浙东等地势平坦且经济发达地区。显著增加的像素点广泛分布在各城市，说明各地在发展经济的同时也兼顾生态保护，生态效应日趋显著，但经济发达城市的主要现状还是以显著减少为主，生态工程的开展刻不容缓。

3）2005—2018年浙江省植被稳定性总体较好，低波动区域和较低波动区域占85.8%。高波动区域主要分布在浙北、浙中和浙东平原经济快速增长地区，推测是受到人文因素影响而导致的不稳定。

4）2005—2018年浙江省生长季的气温变化总体呈波动下降趋势，平均每年下降0.003 6℃，累计降水量则呈波动上升趋势，平均每年上升5.876 mm。通过对2005—2018年浙江省植被生长季NDVI与气温、降水量年尺度和月尺度的相关分析，结合多元线性回归分析，发现气温对生长季的NDVI影响更显著，与NDVI呈显著正相关。在生长季的不同时段，生长季中期的植被对气温和降水量的响应较生长季前期、晚期更为敏感。