杨成乐+张永福

摘要：利用2010～2014年Landsat 8数据，通过差值和相关性分析法，对呼图壁县植被指数（NDVI）的时空演变进行分析，并对NDVI与气候因子相应的敏感性进行分析。结果表明，呼图壁县植被覆盖变化呈现明显的空间差异，植被指数有明显的地域特征，中部平原地区的NDVI最大，植被覆盖度明显较高，主要分布在林地、农田；南部的高山、丘陵及北部荒漠地区的NDVI较低，植被覆盖度也较低；呼图壁县具有明显的季节性NDVI变化，NDVI增加最快在夏季和秋季，而冬季增长缓慢，且NDVI对气候因子（降水、气温）响应存在时滞性；呼图壁县植被覆盖NDVI与降水和气温呈极显著相关关系，相关系数分别为0.843 1、0.870 2；复杂地形对植被指数有影响，农田耕作区的NDVI变化更大程度上体现了人类活动对植被指数的影响。随着人口增加、城市化进程加快、城乡建设侵占大量土地，会減少植被覆盖的面积，影响植被指数的分布。

关键词：呼图壁县；植被指数；气候因子；Landsat 8

中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）20-5229-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.016

Abstract： Based on Landsat 8 data during 2010～2014，temporal and spatial evolution of NDVI and its relationship with climate factors in Hutubi county were analyzed by using difference and correlation analysis method. The results showed that Hutubi county was covered by the change showed significant spatial difference vegetation index with obvious regional characteristics. Central Hutubi vegetation condition was better than the northern and southern desert region of mountains，hilly areas，the distribution of woodland and fields，vegetation index was significantly higher. The NDVI developed faster in summer and autumn than that in winter，but the responses of vegetation variation to precipitation and temperature had time lag. There was significant relation between monthly average NDVI and monthiy precipitation and temperature（P<0.01），with the corrlation coefficients 0.843 1 and 0.870 2. The impact of complex topography on vegetation indices，NDVI changes in agricultural farming area reflects the impact of human activities on vegetation indices greater extent. With population growth，urbanization，urban costruction occuied a lot of land， and it will reduce the area of the vegetation cover，vegetation index distribution influences.

Key words： Hutubi county； vegetation index； climate factor； Landsat 8

植被是地理环境的重要组成部分，植被的变化在全球变化研究中起着“指示器”的作用[1]。在植被覆盖变化研究中，归一化植被指数（NDVI，Normalized difference vegetation index） 能很好地反映植被覆盖、生物量及生态系统参数的变化[2]。植被覆盖变化是气候因子、环境因子以及人类活动共同作用的结果[3，4]。李晓兵等[5]通过研究得出从东南到西北，中国NDVI的变化与温度、降水变化的相关系数逐渐增大；戴声佩等[6]通过研究证实降水是中国西北干旱半干旱地区植被生长的主要限制因子。国内学者在分析全国范围植被变化与气候关系的研究中也发现植被指数对气候的响应存在着区域差异[7-9]。

1 研究区概况

呼图壁县地形复杂，地势南高北低，交错分布着高山、丘陵、平原、沙漠和河流，属于温带大陆性干旱半干旱气候，自然环境复杂，气候多样，是北疆重要的农业县，以种植小麦、玉米、棉花为主。然而土地利用类型不尽合理。目前鲜有对该区域植被覆盖变化与气候因子的响应关系研究。本研究采用Landsat 8数据研究呼图壁县植被覆盖变化与气候因子的响应关系，旨在增进对呼图壁县生态环境的认识，从而为该县农林业生产和生态保护提供科学依据。

呼图壁县位于新疆维吾尔自治区，辖6个镇、 1个乡，总面积9 721.6 km2。地处东经86°5′～87°8′、北纬43°7′～45°20′。呼图壁县地势南高北低，自东南向西北倾斜，县内地貌类型复杂多样，南部为高山、丘陵，平均海拔2 400 m，占总面积的31.6%；中部为冲积平原，海拔460～700 m，是农作物种植区，占总面积的43.2%；北部为沙漠地，海拔360～460 m，占总面积的25.2%。县内有两大水系分别是呼图壁河、雀尔沟河。

呼图壁县在中纬度西风带控制下，位于欧亚大陆中心带，属中温带大陆性气候，冬长夏短，冬寒夏热，昼夜温差大。境内海拔高度相差较大，全县南北地区的气候也有着明显的差异，低山、平原和沙漠地区属中温带，南部中山和高山地区属寒温带。温度由北向南逐渐降低。

2 数据来源及预处理

Landsat 8数据是由中国科学院地理空间数据云平台下载得到的，影像分辨率是1 km，时间分辨率是10 d。在ENVI5.0和ArcGIS10.0软件下经过大气校正、辐射校正等图像預处理，得到研究区的NDVI数据。

气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网提供的中国农业基本气象资料月值数据集，该数据集包含了研究区范围内及周边的21个标准气象台站的月均值数据，对这21个台站月均值数据通过克里金插值，对插值得到的温度降水数据进行投影转换、图像裁剪等处理，得到研究区所需气象数据。

3 研究方法

本研究中通过一元线性回归方法研究各变量的变化趋势，皮尔森相关系数研究植被NDVI和温度降水的相关关系，并且运用显著性检验方式来验证研究结果。

1）NDVI均值法。利用NDVI栅格数据和经过插值裁剪得到的气象数据对研究区的年均温、年均降水和年均NDVI进行统计，以气象部门季节划分标准为依据。其中，春季为3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12月至次年2月。

2）差值分析法。采用差值分析法即两个时相NDVI相对差值衡量NDVI的空间变化大小[10]，计算每个栅格上的相对变化差，即

其中，X为相对差，j为前期，i为后期。

3）相关分析法。计算各月、季节、年份的平均NDVI，将其与相应时段内的降水量及气温因素进行相关性分析，通过皮尔森公式分别计算出NDVI-温度与NDVI-降水之间的相关系数，计算公式如下：

其中，rxy表示x、y之间的相关系数，xij表示第i年第j月的NDVI，x表示NDVI的月平均值、季度平均值或年平均值，yij表示第i年第j月的降水或温度值，y表示温度或降水的月平均值、季度平均值或年平均值。r介于-1～1之间，当0

如果r通过了显著性检验P值（P<0.05），则NDVI与温度以及降水的相关性都具有很好的统计学意义。

4 结果与分析

4.1 植被指数时空变化特征

4.1.1 空间植被指数 从宏观上看，呼图壁县植被指数有明显的地域特征，中部平原地区的NDVI最大，植被覆盖度明显较高，主要分布在林地、农田。南部的高山、丘陵及北部荒漠地区的NDVI较低，植被覆盖度也较低，如图1所示。

4.1.2 季节植被指数 选取2013年3月至2014年4月各季节的NDVI平均值，从季节上分析NDVI的变化。由图2可知，呼图壁县植被覆盖随季节呈现推移变化趋势，季节变化明显。

夏季的植被覆盖情况最好，特别是呼图壁县中部平原地区，0.8

北部荒漠地区一年四季的NDVI基本没有太大的变化，0.1

中部为冲积平原，种植农作物，NDVI随季节变化明显。可以看出，随着月份逐渐增加，NDVI从0.1增加到0.8，再下降到0.1～0.2。

NDVI在季节变化中，春到夏季呈上升趋势，表明这两个季节促进了植被活动。春季增加较为明显，而夏季增加相对微弱。夏季的植被覆盖度高。秋季农作物成熟收获，收获后植被覆盖有所降低。

4.1.3 月植被指数 由呼图壁县各月NDVI的变化曲线（图3）得知，在NDVI数月变化中，7、8、9月值较高。其中，8月NDVI达到最大，为0.8，由于夏季雨量充足，温度适宜，植被生长达到一年中的峰值，植被覆盖达到一年中的最大范围。1～3月由于冬季温度过低，抑制植被生长，NDVI较低，进入4月后温度逐渐上升，植被加快生长，NDVI也逐渐增大，而进入9～12月，温度又降低，植被生长速度变慢，NDVI逐渐减小。

4.2 植被指数变化的气候原因分析

4.2.1 NDVI与月平均温度的相关性分析 统计2010～2014年研究区内各气象站点相应年份的月平均温度，将该月平均温度与相应月份的NDVI进行相关性分析。通过皮尔森公式计算得到NDVI与温度的相关关系，从月平均温度与NDVI关系曲线图4来看，NDVI与温度有高度的相关关系，相关系数为0.870 2。植被NDVI随着温度的增加而增加，这主要是因为植被生长需要一定的热量条件。

根据2013～2014年各月平均温度，统计得出一年内月平均温度，将其与各月平均NDVI进行相关性分析，得到年内NDVI与温度的关系。年内NDVI与温度基本都呈正态分布，且两者的相关性较好，NDVI随着温度的增加而增加，随着温度的降低而降低。7月温度达到最高，而NDVI则在8月达到最高。出现了成长期NDVI随温度变化存在滞后现象，有可能是NDVI受前期温度的影响，或者是夏季温度过高蒸发量变大。植物可能由于受到水分的限制导致生长受到抑制。

但从总体上看，温度与NDVI相关性较高，波动较一致。在同一温度范围内，植被类型是影响二者相关性的主要因子。

4.2.2 NDVI与月平均降水的相关性分析 统计2010～2014年研究区内各气象站点相应年份的月平均降水，将该月平均降水与相应月份的NDVI进行相关性分析。通过皮尔森公式计算得到 NDVI与降水的相关关系。由月平均降水量与NDVI关系曲线（图5）可以看出，NDVI与降水有高度的相关关系，相关系数为0.843 1，相对于NDVI与月平均温度而言，NDVI与平均降水的相关性要大一些。降水量在0～150 mm时，NDVI随着降水量的增加而增大，降水量超过150 mm时，NDVI随着降水量的增加有下降趋势，或因降水量增加但是温度不适宜时，NDVI增加不明显，冬季植被覆盖度低，NDVI也低。

5 小结与讨论

1）在空间变化尺度上，呼图壁县植被覆盖变化呈现明显的空间差异，植被指数有明显的地域特征，中部平原地区的NDVI最大，植被覆盖度明显较高，主要分布在林地、农田。南部的高山、丘陵及北部荒漠地区的NDVI较低，植被覆盖度也较低。

2）在植被季节变化方面，春到夏季呈上升趋势，表明这两个季节植被活动得到促进。春季增加较为明显，而夏季增加相对微弱。夏季的植被覆盖度高。秋季农作物成熟收获，收获后植被覆盖有所降低。

3）NDVI与平均温度和平均降水量有较高的相关性，NDVI与月平均温度的相关系数为0.870 2，NDVI与月平均降水量的相关系数为0.843 1。可见温度和降水量是影响植被覆盖的重要因素，但是NDVI与降水和温度存在一定时滞性，夏季温度过高蒸发量变大。植物可能由于受到水分的限制导致生长受到抑制，降水量超过150 mm时，NDVI随着降水量的增加有下降趋势，或因降水量增加但是温度不适宜时，NDVI增加不明显。即NDVI是由温度和降水共同作用的结果。

4）呼图壁县大体上处于地形较为平坦的地区，但是南部地区有高山和丘陵，所以也不能忽略复杂地形对植被指数的影响，农田耕作区的NDVI变化更大程度上体现了人类活动对植被指数的影响。随着人口增加，城市化进程加快，城乡建设侵占大量土地，会减少植被覆盖的面积，影响着植被指数的分布。

参考文献：

[1] 孙红雨，王长耀，牛 铮，等.中国地表植被覆蓋变化及其与气候因子的关系：基于NOAA时间序列数据分析[J].遥感学报，1998，2（3）：204-210.

[2] 戴声佩，张 勃，王海军.中国西北地区植被NDVI的时空变化及其影响因子分析[J].地球信息科学学报，2010，12（3）：315-321.

[3] 赵玉萍，张宪洲，王景升，等.1982年至2003年藏北高原草地生态系统NDVI与气候因子的相关分析[J].资源科学，2009，31（11）：1988-1998.

[4] 信忠保，许炯心，郑 伟.气候变化和人类活动对黄土高原植被覆盖变化的影响[J].中国科学D辑：地球科学，2007，37（11）：1504-1514.

[5] 李晓兵，史培军.基于NOAA/AVHRR数据的中国主要植被类型NDVI变化规律研究[J].植物学报，1999，41（3）：314-324.

[6] 戴声佩，张 勃，王海军，等.中国西北地区植被覆盖变化驱动因子分析[J].干旱区地理，2010，33（4）：636-643.

[7] 何 月，樊高峰，张小伟，等.浙江省植被NDVI动态及其对气候的响应[J].生态学报，2012，32（14）：4352-4362.

[8] 高志强，刘纪远.基于遥感和GIS的中国植被指数变化的驱动因子分析及模型研究[J].气候与环境研究，2000，5（2）：155-164.

[9] 刘 灿，高阳华，李月臣，等.基于NDVI的重庆市植被覆盖变化及其对气候因子的响应[J].长江流域资源与环境，2013，22（11）：1514-1520.

[10] 刘宪锋，任志远.西北地区植被覆盖变化及其与气候因子的关系[J].中国农业科学，2012，45（10）：1954-1963.