气候变化和土地利用对湖南省NDVI变化的影响

王若茹，甘德欣，李小马

（湖南农业大学风景园林与艺术设计学院，湖南长沙 410125）

经济发展促使土地覆盖发生改变，同时增温在短期内可能有利于部分地区的植被生长，但长期的气候变化不仅增加了自然灾害风险，而且会影响植被的分布[1]。同时，区域极端干旱和洪涝天气发生更为频繁。因此，研究土地利用和气候变化与植被变化之间的关系极其重要。

目前，研究表明，气候对植被的长期变化起决定性作用，影响植被变化的关键气候因子为降水和气温[2]。CAO 等人发现近55 年我国平均气温的升温速率远高于全球平均温度0.12 ℃/10 a，而宋文起等人分析表明我国整体上呈现干旱化的趋势[3]。植被生长对气候变化的响应存在时空差异，在干旱或半干旱地区，气候变化对植被变化的影响大于水热条件较好的地区，北半球干旱地区的降水量是影响植被生长的主要原因，气温是影响北半球中南部植被变化的主要原因[4]。张庆斌等人研究表明湖南省的温度对归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）的影响强于降水[5]。易浪等人认为长江流域新增林地和耕地明显改善了植被的生长状况，而建设用地的增加破坏了植被的生长[6]。目前较多研究集中于研究湖南省植被与气候变化的关系。因此，此次研究分析植被与气候变化和土地覆盖变化对植被的影响，对湖南省的生态平衡发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区及数据来源

湖南省地处云贵高原和江南丘陵的过渡区域，三面环山，中部丘陵、北部湖盆平原，为朝北开口的马蹄形盆地，属于亚热带季风气候。河网密布，水系发达。

从Google Earth Engine平台获取时空分辨率为16 d、250 m 的2002—2020 年的月NDVI 数据，并以4—10 月为生长季，获取每年的生长季NDVI 均值数据。气温和降水气候数据来源于国家青藏高原科学数据中心（1 m，1 km）。并将气候和NDVI 数据重采样为1 km分辨率。土地覆盖数据使用武汉大学杨杰、黄昕公布的《中国1985—2020 逐年30 米土地覆盖》[7]。

1.2 研究方法

1.2.1 NDVI 趋势分析

采用Theil-Sen Median 趋势分析研究植被变化趋势，此方法是稳健的非参数统计，其公式为

式中：j和i为年序号，xj和xi分别为第j和i年的NDVI 值；β>0 表示NDVI 改善，β<0 表示NDVI 退化。MK 趋势显著性检验植被变化，以|Z|>1.96 表示通过了95%置信度显著性检验，即α=0.05 为置信水平。分为5 类分级趋势。

1.2.2 NDVI 与气候变化的关系

在进行两要素间的相关分析后再进行偏相关分析，控制其他变量，分析NDVI 与气温或降水之间的相关性，公式为

式中：rxy,z为固定z后，变量x和y的偏相关系数；rxy、rxz、ryz为xy、xz、yz的简单系数。采用α=0.05 的t检验对偏相关系数进行显著性检验。

2 结果与分析

Sen-MK 的 结果显示，2002—2020 年湖南省NDVI 空间变化整体以改善为主。其中，显著改善的区域占研究区面积的64.87%，主要集中于湖南省西部和南部；而显著退化的部分主要集中于城市区域和洞庭湖平原的部分区域，占1.39%。

偏相关分析NDVI 与气候的关系显示，NDVI 与气温的关系以负相关为主（89.67%），显著负相关部分占25.81%，集中在湖南省西北部。植被与降水的关系以正相关为主（63.65%），6.79%为显著正相关，集中于西部，而在经济较发达的城区多为负相关。由此可见，气温对湖南省的植被生长相较降水的影响更大，且存在空间差异性。

如图1 所示，2002—2020 年湖南省土地覆被以林地和耕地为主。转出的土地覆被类型中，林地覆盖转出面积最多，约为12 670 km2，转出面积的96%转为耕地，主要集中在中部的非城区；其次是耕地和水域转出面积，耕地转出面积大约10 891 km2，转出面积的76%转为林地，主要集中于湖南省南部和西北部，转出面积的20%转为不透水面，主要是扩张的城区；水域转出面积大约1 305 km2，转出面积的91%转为耕地，主要集中于洞庭湖平原的洞庭湖区，东洞庭湖区的洞庭湖流域水域转耕地现象集中。

图1 2002—2020 年湖南省土地覆被转移

3 结论与讨论

湖南省NDVI 空间变化整体呈“西部高，东北低”，其中显著改善面积（64.87%）超过显著退化面积（1.39%）；气温是湖南省NDVI 变化的主导因素。气温以负相关为主，降水以正相关为主；土地覆盖的变化影响了NDVI 的生长趋势，如城市化带来的耕地转不透水面的土地覆盖的转变，使植被减少；造林工程的实施有利于植被的增加。

2002—2020 年NDVI 以显著改善为主，并且西部改善区域较为集中，但在城区和洞庭湖平原的部分区域NDVI 明显退化。郭庆斌等人研究的湖南省植被变化显示有41.77%的研究区植被覆盖度增加，湖南省西部较东部好，在长株潭部分地区以及洞庭湖东部地区植被出现退化趋势[8]。此次研究结果表明，植被变化的总体情况都是以改善为主。

气候方面，总体上，湖南省植被变化与气温显著相关的区域多于降水量，这和赵倩倩等人从中国尺度上，研究的气候变化与植被变化显示，中国南方地区植被变化的主导因子是气温的结果是一致的[9]。这是因为湖南省属于亚热带季风性气候，水热条件充沛，整体自然环境适合植被生长，但是焦珂玮等的研究认为一旦超过植被生长阈值，其作用由正向转为负向影响，如增温不仅会减少土壤水分，加速干旱趋势，而且会影响有机物合成，不利于植被生长[10]。

此次土地覆盖转移研究结果表明，1）植被生长显著改善的区域，土地覆被以林地为主。这可能是造林生态工程的作用，自2000 年起，国家全面推行人工造林等的生态工程，截至2020 年，湖南省森林覆盖率已达59.96%。生态工程对改善植被生长的作用已经在不同研究尺度上得到证明，SONG 等人认为中国近20 年来植被变绿的主要原因是生态工程[11]；区域尺度上，黄土高原，西南地区的植被都因生态工程的实施而得到改善[12]。值得注意的是，在未变的不透水面区域，植被显著增长，这可能是因为人类环保意识的不断增强[13]。2）植被显著退化的区域主要集中在新增的不透水面和洞庭湖平原部分区域。洞庭湖平原区域一直以耕地为主的土地覆盖，徐勇等人研究认为长江中下游的耕地利用变化对植被变化的影响大于其他用地类型，可能受到农业开发和城市扩张等因素的影响，耕地植被生长出现退化趋势[14]。而新增不透水面基本是由耕地覆盖类型转化，城市发展，人地矛盾升级，耕地的转换导致了植被覆盖的减少[15]。