秦巴山區夏季NDVI變化特征及其對氣候因子的響應

付沙沙， 彭 威,2， 邵愛梅， 蔡迪花， 羅苗欣， 劉兆京

（1.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州 730000；2.湖南農業大學化學與材料科學學院，湖南 長沙 410128；3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020）

植被是陸地生態系統的主要組成部分，在全球氣候變化中起著重要作用［1-2］。氣候變化作為植被活動時空變化的主要驅動力，通過引起植被生物物理響應過程的變化［3］，從而對全球碳循環、物質能量平衡等產生影響［4］。不同區域和地形條件下，由于幾何特征和水熱特征不同，植被生長狀況和覆蓋類型有明顯差異，植被對水熱條件的響應關系也不盡相同［5］，如林地、草地類型植被對降水響應較大，居民用地類型植被對氣溫響應較大［6］。植被變化也影響區域氣候模擬結果，雖然大陸尺度上總降水量的年際變化對植被年際變化不太敏感［7-9］，但在區域尺度上地表溫度和湍流地表通量對植被變化的響應顯著，這種情形在季風雨帶的外圍尤其明顯［9］。在氣候多變和地理環境復雜的區域，植被生態對氣候變化響應較為敏感［10］。因此，研究復雜地形植被變化與氣候因子的相互關系，可為氣候變化敏感區的生態環境建設和有效治理提供參考依據，也可為區域氣候模擬研究提供可用的植被和氣候變化信息。

歸一化植被指數NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）具有時空連續性，可定量監測地表植被覆蓋的動態變化，是表征植被生長狀況的最佳指標［2］。利用NDVI 數據開展植被動態變化及其與氣候因子關系的研究已有很多［11-12］，這些研究分析了不同區域、不同時間尺度NDVI 變化特征及對氣候因子的響應。研究發現，我國NDVI 總體呈增加趨勢［13］，除個別地區受降水影響外，主要受氣溫升高影響［4］。其中，黃河源區生長季NDVI增加主要受氣溫升高影響，隨海拔升高影響越大［14］；呼倫貝爾草原NDVI 增加主要由降水驅動，與降水普遍呈正相關［15］；長江三角洲和珠江三角洲由于快速城市化影響，NDVI 呈急劇下降趨勢［13］。多時間尺度下，三江源NDVI 對氣溫和降水變化敏感程度相當，植被生長主要受春季和秋季（季節尺度）、4月和10月（月尺度）氣候條件控制［16］。因此，植被與氣候因子關系的研究結果在區域尺度和時間尺度上存在一定差異性［1］，有必要開展不同區域、不同時間尺度NDVI變化特征及其對氣溫、降水變化的響應研究。

秦巴山區地形復雜，區域內植被生長受氣候因子影響，是全球變化區域響應的敏感區［17］。為此，已有學者對秦巴山區NDVI 與氣候因子的關系進行研究［18-21］。研究發現，秦巴山區植被覆蓋呈中間高、四周低分布，近年來植被覆蓋整體呈增加趨勢，與地表溫度呈正相關，且隨海拔升高，對地表溫度響應越大［18-19］。MODIS、SPOT VEG 和GIMMS3g三種NDVI 數據對秦巴山區植被年際變化有較好的一致性，均呈顯著增加趨勢，SPOT VEG 數據表明：NDVI與氣溫主要呈正相關，與降水正負相關并存［20］。秦巴山區積溫日數、干濕度指數等氣候指標具有海拔依賴性［17］。

以往對秦巴山區植被研究的時間尺度多以生長季或年尺度為主［18，21］，大多集中在陜西省境內［21］，主要討論NDVI 變化趨勢及其與氣候因子的相關關系［18-20］，尚沒有分析這一區域植被對氣候變化的滯后響應。秦巴山區夏季暴雨和地質災害多發［22］，給當地人民生命財產安全造成嚴重威脅。為此，本文利用秦巴山區2001—2019年夏季逐月NDVI數據和2—8 月氣溫、降水數據，在對NDVI、氣溫、降水時空變化特征進行分析的基礎上，通過滯后相關分析法，探討夏季NDVI 對氣候因子變化的滯后效應，以期為應對秦巴山區夏季氣候變化、夏季暴雨及其誘發的地質災害的預報預警提供參考依據。

1 數據與研究方法

1.1 研究區及數據

秦巴山區（圖1）地處102°～114°E、30°～36°N 之間，橫跨川、陜、渝、甘、豫、鄂五省一市，是長江流域與黃河流域的分界線，也是我國南北過渡帶的主體。過渡帶地理位置使秦巴山區地帶性植被由南向北從常綠闊葉林帶逐步向落葉闊葉林帶過渡。秦巴山區夏季濕熱、冬季濕冷，海拔差異大，具有多維地帶性變化特點，是我國氣候變化敏感區研究的天然實驗室。

本研究使用的DEM（Digital Elevation Model）數據、2001—2019 年夏季逐月NDVI 數據均來源于中國科學院資源環境科學與數據中心（http://www.resdc.cn），其空間分辨率分別為250 m 和1 km，其中，將NDVI 年平均值＜0.1 的像元視為非植被覆蓋區予以排除，月NDVI 值≤0 的像元也進行排除以減少積雪和水的影響［3］。

2001—2019年2—8月逐月累積降水量和平均氣溫數據集來源于“國家青藏高原科學數據中心”（http://data.tpdc.ac.cn）［23-27］，其空間分辨率為0.0083333°。在數據分析之前，利用ArcGIS將DEM、氣溫、降水數據插值到和NDVI 數據相同的投影坐標系和空間分辨率，根據秦巴山區矢量邊界進行裁剪，得到研究區NDVI、氣象和地形因子數據。

1.2 研究方法

本研究采用趨勢分析、相關分析［3］和滯后相關分析方法來分析秦巴山區夏季NDVI 的變化趨勢、NDVI 與氣候因子的相關特征及對氣候因子變化的時滯響應。其中，用滯后相關系數R*來表征NDVI對氣溫或降水等氣候因子變化的時滯效應，即

式中：R0,R1,Rn分別表示NDVI 與當前月、前推一個月、前推n個月的某一氣候因子之間的相關系數。若R*=Rn，則說明NDVI 對該氣候因子變化的響應滯后時間為n個月。

地形位指數T可綜合反映研究區高程和坡度［28］的空間分布特征，其計算公式為：

式中：E和S分別為秦巴山區某像元處的高程值和坡度值；Eˉ和Sˉ為研究區高程、坡度的平均值。若空間像元高程高、坡度大，則對應位置的地形位指數也大；反之亦然。

2 結果與分析

2.1 NDVI時空變化特征

首先對2001—2019年秦巴山區夏季NDVI數據進行年際變化特征分析，結果表明，秦巴山區夏季平均NDVI 總體呈上升趨勢，但不同月份上升趨勢略有差異（圖2a）。夏季平均NDVI 以0.6%·a-1的速率緩慢增加，其中，6月增長速率最大，為0.63%·a-1，7 月和8 月NDVI 增長速率均為0.59%·a-1，表明近年來植被生長狀況整體得到改善，不同月份NDVI 增長速率的差異與氣候變暖背景下部分植被生長季始期提前有關［29］。此外，秦巴山區植被覆蓋密度整體較高，19 a 夏季NDVI 均值為0.76，但在不同月份也略有差異，主要表現為6 月NDVI 均值相對較?。?.74），7 月和8 月植被覆蓋密度更高，NDVI 均值為0.77。

圖2 2001—2019年秦巴山區夏季（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）植被NDVI變化趨勢Fig.2 NDVI change trend in summer(a),June(b),July(c),August(d)in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

除去河湖和冰川等非植被覆蓋區影響,根據植被覆蓋密度的劃分標準［30］：NDVI值＜0.25為低植被覆蓋區，介于0.25～0.4 之間為中等植被覆蓋區，0.4～0.6之間為高植被覆蓋區，＞0.6為濃密植被覆蓋區。秦巴山區以濃密植被覆蓋區為主（圖3a），面積占比92.4%，NDVI＞0.85 的區域約占7.5%，主要分布在秦嶺中部、伏牛山、米倉山、大巴山及神農架地區。高、中等和低植被覆蓋區共占7.6%，主要分布在研究區西部，河南低海拔地區也有少量覆蓋。由NDVI 均值變化趨勢（圖3b）及其F檢驗結果（圖3c）可知，秦巴山區NDVI 整體呈顯著增加趨勢，甘肅天水-隴南一帶NDVI 增加較快；四川北部及漢江流域NDVI呈下降趨勢，分布較分散。

圖3 2001—2019年秦巴山區夏季NDVI多年平均（a）、變化趨勢（b）、顯著性（c）及其變化類型（d）的空間分布Fig.3 Spatial distribution of multi-year mean(a),change trend(b),significance level(c)and variation types(d)of NDVI in summer in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

基于NDVI 變化趨勢的顯著性對其進行分級（圖3d），不同變化類型面積占比如表1 所示。植被極顯著增加占比最大，這與近年來受退耕還林還草工程影響，秦巴山區生態保護強度和力度加強，一定程度上提高了區域植被覆蓋水平有關［31］；極顯著、顯著和略微減少共占1.6%，主要分布在研究區西部（尤其在四川阿壩州）和漢江流域部分地區，西部NDVI 退化區域可能與該地區海拔較高、坡度與地形位較大（圖4），導致水熱條件受到抑制，氣候不適宜植被根系生長有關［19］。

表1 秦巴山區植被NDVI變化趨勢分級Tab.1 Classification of NDVI trends in the Qinling-Daba Mountains

圖4 秦巴山區坡度（a）、地形位（b）空間分布Fig.4 Spatial distribution of slope(a)and terrain gradient(b)in the Qinling-Daba Mountains

2.2 NDVI與氣候因子的關系

2.2.1 氣溫、降水變化特征分析 秦巴山區多年夏季平均氣溫（圖5a）呈西低東高分布。在105°E以西氣溫普遍偏低，最低可達1.44 ℃，該區域內平均海拔在3500 m 以上（圖1），坡度和地形位較大（圖4）；105°～111°E 區域，除太白山、米倉山、大巴山及神農架高海拔地區氣溫相對較低，大部分地區氣溫超過18 ℃，海拔多在2000 m 以下；111°E 以東氣溫普遍較高，尤其在湖北中部氣溫最高可達27.71 ℃，海拔多位于1000 m 以下，坡度和地形位均較小。以上分析表明，秦巴山區氣溫分布與海拔、地形位、坡度等地形因子有關，統計可知，其相關系數依次為：-0.98、-0.78、-0.34（均通過0.01 置信度檢驗），這表明氣溫分布與海拔關系較為密切。

圖5 2001—2019年秦巴山區夏季氣溫多年平均（a）及變化趨勢（b）空間分布Fig.5 Spatial distribution of multi-year mean(a)and change trend(b)of temperature in summer in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

秦巴山區平均氣溫變化以上升趨勢為主（圖5b），其中，四川阿壩州氣溫上升趨勢較大，最大可達0.14 ℃·a-1，該區域海拔較高，坡度與地形位較大。降溫區零散分布在秦巴山區西部、太白山、大巴山脈及河南西部地區，氣溫下降趨勢略小，最大可達 -0.11 ℃·a-1。統計可得，氣溫變化趨勢與各地形因子均表現為正相關，以海拔、地形位影響為主，相關系數依次為：0.02、0.01，但其相關性低于與氣溫的關系。

秦巴山區夏季多年平均降水量從西北向東南逐漸增多（圖6a），大巴山脈降水普遍高于秦嶺-伏牛山一帶，其中，甘肅南部降水偏少，降水低于300 mm，神農架降水高于500 mm。統計可得，秦巴山區降水與海拔、地形位、坡度的相關系數依次為：-0.38、-0.18、0.06（均通過0.01 置信度檢驗），表明秦巴山區降水分布也受地形影響，但其影響程度不如氣溫明顯，這是由于降水還受到環流、可降水量等多種因素的影響。降水變化趨勢的空間分布（圖6b）表明，106°E 以西降水呈增加趨勢，隨經度增加降水增幅逐漸增大，其大值區位于四川東北部，最大可達5.65 mm·a-1；106°E 以東降水呈減少趨勢，由西向東減少趨勢愈加顯著，減少幅度較大的區域位于湖北西北地區，最大可達-8.61 mm·a-1。秦巴山區氣溫、降水變化及其分布差異可能與該地區不同植被類型光合作用、蒸騰作用等植被生物物理響應過程及地表反照率、地表粗糙度等不同有關［4］。

圖6 2001—2019年秦巴山區夏季降水多年平均（a）及變化趨勢（b）空間分布Fig.6 Spatial distribution of multi-year mean(a)and change trend(b)of precipitation in summer in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

2.2.2 NDVI 與氣溫的相關性分析 基于秦巴山區

2001—2019 年夏季逐月NDVI 數據，分別計算6—8月NDVI 與當前月、前推1 個月……前推4 個月氣溫的相關系數，分析NDVI對氣溫的時滯響應。圖7為NDVI 與不同滯后時間氣溫的相關系數分布，通過α=0.05 置信度檢驗的比例分別為29.0%（當前月）、30.2%（前推1個月）、31.9%（前推2個月）、32.2%（前推3 個月）和29.3%（前推4 個月）。不同滯后時間NDVI 與氣溫相關系數的空間分布大致相似，主要分布在秦巴山區西部、漢中盆地、四川東北部以及河南西部地區，NDVI與氣溫總體表現為正相關。

取不同滯后時間相關系數（圖7）絕對值的最大值來分析NDVI 對氣溫變化的時滯響應（圖8），NDVI 與氣溫的滯后相關系數通過α=0.05 置信度檢驗的比例為42.0%（圖8a），整體表現為正相關，在研究區西部和東北部正相關分布較集中；NDVI 與氣溫呈負相關的區域主要分布在甘肅臨夏和天水的部分地區，漢江流域有零星分布。進一步根據相關系數絕對值的大小進行相關程度分級，其空間分布和面積比分別如圖8b 和表2 所示。由此可知，秦巴山區NDVI 與氣溫呈中等強度相關的面積比最大（19.3%），主要分布在研究區西部（甘肅和政-漳縣-甘谷一帶以負的中等強度相關為主）及大巴山脈以南部分地區；弱相關次之（18.7%），在研究區分布較分散；強相關最?。?.1%），主要分布在研究區西部部分高海拔地區、漢中盆地及研究區東北部。

表2 NDVI-氣候因子相關程度劃分Tab.2 Division of the degree of correlation between NDVI and climate factors

從NDVI 對氣溫變化的響應時間分布（圖8c）可知，在秦巴山區西部（106°E 以西），NDVI 對氣溫變化以滯后0個月為主，說明在該地區NDVI對氣溫變化具有及時性；在中部（106°～109°E，除秦嶺大部分地區未通過顯著性的地區外），響應時間分布具有緯度差異，由北向南分別以滯后1個月、0個月為主；在東北部（109°E以東，33°N以北），響應時間以滯后3 個月為主，東南部（109°E 以東，33°N 以南）以滯后0個月為主，說明NDVI 對氣溫變化的響應在研究區東南部較東北部快。圖9a給出NDVI對氣溫變化的不同響應時間面積占比，其中，對氣溫變化響應較快(滯后期為0個月)的面積占比最大，主要分布在研究區西部，大巴山脈以南也有少量覆蓋；對氣溫變化響應較慢(滯后期為4個月)的面積占比最小，在研究區內零散分布。

圖9 2001—2019年秦巴山區夏季NDVI對氣溫（a）、降水（b）變化響應時間的面積占比Fig.9 Area proportions of response time of NDVI to temperature(a)and precipitation(b)changes in summer in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

2.2.3 NDVI 與降水的相關性分析 NDVI 與不同滯后時間降水的相關性低于其與氣溫的相關性，通過α=0.05 置信度檢驗的比例分別為20.7%、13.4%、27.2%、31.8%和29.1%（滯后時間同溫度）（圖10）。NDVI 與當前月、前推1個月降水的相關性空間分布和其他不同滯后時間存在差異，與當前月降水的正相關區域主要分布在甘肅南部和河南西部地區，四川阿壩州與成都、德陽交界地帶、漢江流域及周邊地區以負相關為主；與前推1 個月降水的相關性整體表現為正相關，主要分布在天水-成縣-廣元一帶及河南西部地區；與前推2～4 個月降水的相關性空間分布特征和其與相應滯后時間氣溫的大致相似，整體以正相關為主。

圖10 2001—2019年秦巴山區夏季植被NDVI與不同滯后時間降水量的相關系數空間分布Fig.10 Spatial distribution of correlation coefficients between the NDVI in summer and precipitation in a 0-to 4-month temporal lag in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

NDVI 與降水整體表現為正相關（圖11a），除在四川都江堰-茂縣-北川一帶、漢江流域及其周邊地區負相關面積占比較大，大部分區域NDVI 與降水的滯后相關性分布特征和其與氣溫的大致相似，但與氣溫的相關性整體較降水高，說明秦巴山區植被生長狀況與氣溫變化更為密切。由表2 可知，NDVI與降水呈不同程度相關的面積比為弱相關最大（30.6%），在整個研究區分散分布（圖11b）；中等強度相關次之（21.8%），主要分布在研究區西部、東北部；強相關最?。?.3%），其中正的強相關零星分布在甘肅碌曲縣、四川阿壩州及漢中盆地，負的強相關主要分布在甘肅南部少部分地區。

圖11 2001—2019年秦巴山區夏季植被NDVI對降水的相關系數（a）、相關程度（b）及響應時間（c）的空間分布Fig.11 Spatial distribution of correlation coefficient(a),degree of correlation(b)and response time(c)of NDVI to precipitation in summer in the Qinling-Daba Mountains from 2001 to 2019

對比圖8c 和圖11c 發現，秦巴山區NDVI 對氣溫、降水變化的響應時間存在地域差異，在研究區西部，NDVI 對降水變化以滯后2 個月為主，對氣溫變化以滯后0個月為主，說明在該地區NDVI對氣溫變化響應更快；在中部NDVI 對降水變化的響應時間同樣具有緯度差異，由北向南分別以滯后0個月、3 個月為主；在東北部NDVI 對氣溫、降水變化均以滯后3 個月為主，在東南部對降水變化以滯后3 個月為主，而對氣溫變化具有及時性。NDVI 對降水變化滯后3 個月的面積占比最大（圖9b），主要分布在四川東北部及研究區東部，甘肅南部和漢江流域一帶也有少量覆蓋；滯后0 個月的區域主要分布在四川都江堰-北川一帶及漢江流域周邊地區，其中，在四川都江堰-北川一帶NDVI 與氣溫的滯后相關性未通過顯著性檢驗，說明在該區域NDVI 對降水變化響應更明顯；滯后4 個月的區域主要分布在研究區西部及四川東北部。

2.2.4 不同植被類型對氣候因子的時滯性 不同植被類型NDVI對氣候因子的時滯效應存在差異［1］，本文基于中國科學院資源環境科學與數據中心提供的1:1000000 中國植被類型空間分布數據，秦巴山區可劃分為草甸、針葉林、高山植被、栽培植被、針闊葉混交林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、沼澤、無植被區域11 個植被類型，不同植被類型NDVI 與氣候因子的時滯性如圖12所示?？梢钥闯?，不同植被類型NDVI 與降水均表現為正相關，其中，沼澤NDVI與降水相關性最大、高山植被次之，闊葉林NDVI 與降水相關性最??；草原植被覆蓋下，NDVI 對降水變化響應較快。除針闊葉混交林和草原外，NDVI 與氣溫相關性均大于其與降水；不同植被類型覆蓋下，NDVI 對溫度變化的響應均較降水變化快，其中，高山植被NDVI對溫度變化具有及時性。

圖12 秦巴山區不同植被類型NDVI與氣溫、降水的相關系數（a）和響應時間（b）Fig.12 The correlation coefficient(a)and response time(b)of NDVI with temperature and precipitation under different vegetation types in the Qinling-Daba Mountains

3 結論與討論

本文基于秦巴山區2001—2019年夏季NDVI數據、2—8 月氣溫和降水數據，對NDVI 和氣候因子的時空分布特征、兩者之間的相關關系及NDVI 對氣候因子的時滯效應進行分析，得到以下結論：

（1）秦巴山區近19 a夏季NDVI整體以0.6%·a-1的速率增加；6月NDVI均值低于7月和8月，對應年變化速率高于7 月和8 月。NDVI 均值分布呈中部高、東西低，以濃密植被覆蓋區為主；大部分地區NDVI 變化趨勢＞0，以極顯著增加為主，植被生長狀況整體得到改善。

（2）秦巴山區夏季平均氣溫呈西低東高，氣溫變化以上升趨勢為主；降水從西北向東南逐漸增加，106°E 以西降水變化呈增加趨勢，106°E 以東呈減少趨勢。氣溫、降水空間分布主要受海拔影響；同一地形因子對氣溫影響強于降水。

（3）NDVI 與氣溫、降水均以正相關為主，且與氣溫變化更密切。NDVI 對氣溫、降水變化的響應時間存在地域差異，在研究區西部NDVI 對氣溫變化具有及時性，對降水變化以滯后2個月為主；在中部對氣溫、降水變化的響應時間具有緯度差異，由北向南分別以滯后1個月、0個月和0個月、3個月為主；在東北部對氣溫、降水變化均以滯后3 個月為主，在東南部對氣溫變化具有及時性，對降水變化以滯后3個月為主。

秦巴山區地形復雜，其NDVI 分布表現出明顯海拔依賴性，這與現有研究結論［19］是一致的。植被變化受到多種氣候因素的共同影響，本文僅初步探討了秦巴山區夏季植被與氣溫、降水的相關關系，對不同海拔條件下夏季NDVI 與多種氣象因子的反饋機理沒有深入分析。此外，NDVI 時空演變是氣候變化、土地利用等自然和人類活動多種因素綜合作用的結果。人類活動對植被變化有雙重影響，退耕還林還草工程的實施使植被覆蓋增加，而快速城市化對植被覆蓋造成一定負面影響，后續研究還需分析植被變化對人類活動的反饋機制。本文僅指出近19 a 秦巴山區整體植被NDVI 變化趨勢存在季節內差異，即6月NDVI多年平均值低于7月和8月，但并未深究其原因，這些都需在未來研究中進一步明確。