全 文 ：浙江省植被覆盖时空动态及其与生态
气候指标的关系*
高大伟1**摇 张小伟1 摇 蔡菊珍1 摇 何摇 月1 摇 林建忠2
( 1 浙江省气候中心, 杭州 310017; 2 洞头县气象局, 浙江温州 325700)
摘摇 要摇 对 1982—2006 年间浙江省归一化植被指数(NDVI)的时空变化及其与关键生态气
候指标(生物热量指数和生物干湿度指数)的相关性进行了研究.结果表明:研究期间,浙江省
植被覆盖总体呈缓慢下降趋势,NDVI显著减少的地区约占全省面积的 30郾 71% ;生态气候指
标与滞后一年的 NDVI显著相关,其中生物热量指数与 NDVI呈显著负相关,生物干湿度指数
与 NDVI呈显著正相关,说明研究区湿度的增加可促进植被长势,而过高的热量对植被生长则
具有明显的抑制作用.
关键词摇 归一化植被指数摇 生物热量指数摇 生物干湿度指数摇 时滞效应
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1518-05摇 中图分类号摇 P467摇 文献标识码摇 A
Spatiotemporal variations of vegetation cover in Zhejiang Province and their relations to eco鄄
climatic indices. GAO Da鄄wei1, ZHANG Xiao鄄wei1, CAI Ju鄄zhen1, HE Yue1, LIN Jian鄄zhong2
( 1Zhejiang Climate Center, Hangzhou 310017, China; 2Dongtou Meteorological Bureau, Whenzhou
325700, Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1518-1522.
Abstract: This paper studied the spatiotemporal variations of normalized difference vegetation index
(NDVI) in Zhejiang Province in 1982-2006, and their relations to the dominant eco鄄climatic fac鄄
tors in the Province. In the study period, the vegetation cover in the Province had a slowly decrea鄄
sing trend, and the area with a significant decrease of NDVI occupied 30郾 71% of the total. There
were significant relationships between the eco鄄climatic indices and the NDVI of the following year.
The NDVI was significantly positively correlated with biological aridity / humidity index, and signifi鄄
cantly negatively correlated with biological warmth index, suggesting that the increase of humidity
could promote vegetation growth, while excessive heat could inhibit the vegetation growth in the
study area.
Key words: normalized difference vegetation index; biological warmth index; biological aridity / hu鄄
midity index; time鄄lag effect.
*浙江省科技厅项目(2009C33053)和浙江省气象局青年科技专项
(2009QN03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: davidgao82@ 163. com
2009鄄11鄄17 收稿,2010鄄03鄄22 接受.
摇 摇 植被作为陆地生态系统的重要组成部分,在全
球变化中扮演着重要的角色[1] . 一方面,热量和水
分作为植物一切活动的能量来源和基本组成成分,
是植被生长的决定因素[2];另一方面,植被通过生
物地球化学循环对气候产生影响,而改变的气候又
通过大气、植被和土壤等的物质和能量交换作用对
植被生长产生影响[3-4] .
归一化植被指数( normalized difference vegeta鄄
tion index, NDVI)是当前最常用的遥感监测地面植
被覆盖状况的指标,已被成功应用于研究植被分布、
生产力、时空变化及趋势和监测生境退化、片断化以
及诸如干旱、火灾等气候灾难造成的生态影响等诸
多方面[5-9] . 由于遥感具有周期短、覆盖范围广、波
段宽和时间序列长等优势,植被指数作为研究环境
与气候关系和响应的一个有效工具,已得到广泛应
用[10-14],但大多数相关研究集中在植被指数与温
度、降水等气象观测参数之间的相关性方面,而忽视
了具有显著生态学意义的气候参数(如积温、干湿
度)与植被指数变化的关系以及两者相互作用的时
滞效应研究[15] . 刘春迎[16]运用经典的 Kira 指数研
究了中国植被与气候的关系,随后倪健[17]在此基础
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1518-1522
上提出了以月均温度 10 益为界的生物热量指数
(biological aridity / humidity index, BK),并修正 Kira
干湿度指数为生物干湿度指数(biological warmth in鄄
dex, BWI),结果表明,生态气候指标与中国主要植
被类型及其分布格局密切相关.为此,本研究试图从
生态气候的全新视角出发,探讨了较长时间尺度
(1982—2006 年)上浙江省植被动态及其与具有显
著生态学意义的气候指标之间的关系,旨在寻求气
候变化影响植被生长状况及植被对气候反馈作用的
规律性.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
浙江省(27毅01忆—31毅10忆 N,118毅01忆—123毅08忆
E)地处长江三角洲南翼,陆域面积 10郾 18伊104 km2 .
研究区属亚热带湿润季风气候,温和湿润,四季分
明,年均气温 15郾 6 益 ~18郾 3 益,年均降水量 1092 ~
2029 mm.该区在地形上有“七山一水两分田冶之说,
土壤以红壤和黄壤为主.全省植被覆盖率较高,1999
年末的森林覆盖率达 54郾 6% ,自然植被以常绿阔叶
林为主;沿海和近海的风能储量较大,具有较高的规
模开发利用价值[18] .
1郾 2摇 数据来源
本文中 1982 年 1 月—2006 年 12 月的 NDVI 数
据(时间分辨率为 15 d,空间分辨率为 8 km伊8 km)
源于 NASA全球监测与模型研究组(Global Inventor
Modeling and Mapping Studies, GIMMS ) 发布的
GIMMS / NDVI 数据集. 该数据具有时段长、连续性
好,并在多方面进行了校正等优势. GIMMS 数据与
SPOT / VGT和 TERRA / MODIS等高质量传感器的数
据具有较好的相关性[19],因此,采用 GIMMS 数据可
提高对全球生态系统研究(特别是全球气候变化研
究)的精度[3] . 同时期浙江省各气象观测站点逐月
的气温和降水数据源于浙江省气象局.
1郾 3摇 数据处理
利用 ENVI 4郾 6 软件,通过最大值合成法(maxi鄄
mum value composites, MVC)对每月的上、下半月
NDVI以及一年 24个时次的 NDVI 分别取最大值,进
一步消除数据中残留云、大气和太阳高度角等因素影
响,得到 1982—2006年间浙江省逐月和逐年的 NDVI
数据集,并统计每幅栅格图像的 NDVI平均值.
将研究区内每个栅格像元的年 NDVI 序列与其
相应的时间序列(年)进行线性回归,分析年际尺度
上的植被长期变化趋势,趋势显著性检验采用 F 检
验.根据各像元 NDVI变化趋势和显著性水平,将变
化趋势分为 3 类:显著增加( r>0,琢臆0郾 05)、显著减
少( r<0,琢臆0郾 05)和变化不显著(琢>0郾 05).
考虑到气象数据的完整性和准确性,共统计浙
江省 65 个气象常规站的生物热量指数(BWI,益)和
生物干湿度指数(BK,mm·益 -1),其算式[11]如下:
BWI =移
n
i = 1
(T - 10)
BK = 2PBWI + 120摇 (BWI > 80)
BK = PBWI + 40摇 (BWI 臆80)
式中:T 为 10 益以上的月均气温(益);n 为月均气
温大于 10 益的月数;P 为年降水量(mm). BK 值越
大,说明生境越湿润,反之则越干燥.
采用 STATISTICA 6郾 0统计软件进行相关性分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 浙江省植被覆盖的年变化
由图 1 可以看出,1982—2006 年间,研究区 ND鄄
VI值总体呈缓慢下降趋势,表明期间的植被覆盖有
所减少( r= -0郾 51,P<0郾 01). NDVI 最大值(0郾 704)
出现在 1984 年,最小值(0郾 624)出现在 2005 年,总
体波动程度不大. 其中,2004 年的 NDVI 值较 2005
年降低了约 0郾 057,变化比较明显.
摇 摇 1982—2006 年间,浙江省约 81郾 58%区域的植
被覆盖在减少,其中,NDVI 值显著减少的区域约占
全省面积的 30郾 71% ,主要分布在浙江省南部的温
州、丽水以及北部的杭州、湖州等地;NDVI 显著增
加的区域约占全省面积的 1郾 58% ,仅在金华、衢州
地区交界处以及沿海有零星分布(图 2).
图 1摇 1982—2006 年间浙江省归一化植被指数(NDVI)的年
际变化
Fig. 1摇 Annual variation of NDVI in Zhejiang Province (1982-
2006).
91516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 高大伟等: 浙江省植被覆盖时空动态及其与生态气候指标的关系摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 1982—2006 年间浙江省 NDVI的变化趋势
Fig. 2 摇 Change trend of NDVI in Zhejiang Province (1982 -
2006).
2郾 2摇 浙江省植被覆盖的月变化
浙江省植被的生长季节为 3—8 月,期间的 ND鄄
VI值逐渐增加,从 9 月开始 NDVI 值下降,至次年 2
月降到最低值(图 3). 为了进一步分析不同月份对
全年NDVI变化的贡献,本文计算了1982—2006年
图 3摇 浙江省 NDVI的月变化
Fig. 3摇 Monthly variation of NDVI in Zhejiang Province.
图 4摇 浙江省 NDVI的累计变化率
Fig. 4摇 Cumulative variation of monthly NDVI in Zhejiang Prov鄄
ince.
间各月 NDVI的变化率(图 4),研究期间,研究区 3、
4、6—10 和 12 月的 NDVI 值均呈减小趋势,1、2、5
和 11 月呈增加趋势.
2郾 3摇 浙江省生物热量指数和生物干湿度指数的变化
由图 5 可以看出,在近年来气候变暖的背景下,
1982—2006 年间浙江省生物热量指数(BWI)总体
呈现出较明显的增加趋势( r = 0郾 73,P<0郾 01),最高
值出现在 1998 和 2006 年,最低值出现在 1992 年;
全省平均生物干湿度指数(BK)没有明显的规律性,
最小值出现在 2003 年,最大值出现在 1989 年.
2郾 4摇 浙江省植被覆盖与生态气候指标的关系
考虑到气候变化在年际尺度上对植被覆盖可能
存在的时滞效应,对浙江省 1982—2006 年间逐年的
平均生态气候指标与当年、滞后一年以及滞后两年
的 NDVI 值进行相关性分析,结果表明,BWI 和 BK
与滞后一年的 NDVI 值均显著相关,其中 BWI 与滞
后一年的 NDVI呈显著负相关,而 BK与滞后一年的
NDVI呈显著正相关(表 1).植被的生长状况是水分
和热量等因素共同作用的结果,因此本文考虑了
BWI与 BK同时对 NDVI 的可能影响. 由表 1、图 6
可以看出,BWI+BK与滞后一年的NDVI呈极显著
表 1摇 浙江省生态气候指标与 NDVI的相关系数
Tab. 1 摇 Correlation coefficients of NDVI and eco鄄climatic
indices in Zhejiang Province
项目
Item
当年 NDVI
Contemporaneous
NDVI
滞后一年
NDVI
Next year
NDVI
滞后两年
NDVI
NDVI with 2
years intervals
生物热量指数 BWI -0郾 36 -0郾 60** -0郾 39
生物干湿度指数 BK 0郾 29 0郾 47* 0郾 19
生物热量指数+生物
干湿度指数 BWI+BK
0郾 40 0郾 67** 0郾 40
*P<0郾 05; **P<0郾 01.
0251 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 5摇 浙江省生物热量指数和生物干湿度指数的年变化
Fig. 5摇 Annual variation of BWI and BK in Zhejiang Province (1982-2006).
图 6摇 浙江省生物热量指数、生物干湿度指数与滞后一年的
NDVI之间的关系
Fig. 6摇 Relationship between two eco鄄climatic indices and NDVI
of the following year in Zhejiang Province.
相关( r=0郾 67,F = 8郾 50,df = 2,21,P<0郾 01).说明在
一年的时滞效应上,浙江区域内热量的增加明显抑
制了 NDVI的增加,而湿度的增加对 NDVI则有较好
的促进作用.
3摇 讨摇 摇 论
1982—2006 年间,浙江省 NDVI 整体呈缓慢的
下降趋势,植被覆盖有所减少,这与韩秀珍等[20]和
史军等[21]的研究结论一致.浙江省地处我国东部沿
海,近年来城市化、工业化加速过程中森林植被遭到
砍伐、农业生产活动受到抑制是导致该地区 NDVI
降低的主要原因.从空间分布来看,研究期间浙江省
30郾 71%地区的植被覆盖显著减少,显著减少的区域
主要位于雁荡和天目两处山脉,恰为浙江省典型的
常绿阔叶林植被类型区;而 NDVI 显著增加的区域
只零星分布于浙江省中部的金衢盆地以及沿海,这
些区域地势普遍较平坦,NDVI 的增加可能主要是
由于近年来人为的经济植物种植以及植被恢复所
致.
在年际尺度上,NDVI 与生物热量指数(BWI)
呈负相关,而与干湿度指数(BK)呈正相关, NDVI
对两者的最大响应时间均为滞后一年,且都达到了
显著水平.毕晓丽等[22]研究结果表明,浙江省处于
强烈的降水驱动区,在 7—9 月,降水与 NDVI 呈显
著的正相关,而与温度呈负相关,这与本研究结果基
本一致.而彭代亮等[23]研究认为,浙江省大部分地
区的植被指数对气温的最大响应没有时滞性,而对
降水的最大响应时滞为 1 个月左右,与本研究结论
有所差异,其原因可能是由于所涉及的时间尺度和
空间分辨率不同,具体原因尚需进一步探讨.刘德义
等[24]对天津地区的相关研究发现,水分与 NDVI 的
关系与本研究结果一致,说明水分是天津和浙江省
植被变化的主要驱动因子,但与本研究结论不同的
是,天津地区的温度与植被指数并不存在显著相关,
其原因可能是由于两地区植被类型的不同导致其对
热量的响应机制不同所致,浙江省的主要植被类型
为亚热带常绿阔叶林,而天津的地带性植被为暖温
带落叶阔叶林.
当同时考虑 BK 和 BWI 对 NDVI 的影响时,本
研究发现这两项生态气候指标在滞后一年的时滞效
应上,与 NDVI呈极显著相关,说明研究区 NDVI 对
生态气候指标大约在滞后一年时的响应最强烈. 本
研究证实,热量和干湿度是浙江省 NDVI 年变化的
主要影响因子,湿度的增加增大了植被的生长势,使
植被生长迅速;而过高的热量则加速了地表蒸散发
过程,潜在地加剧了水分的缺乏,对植被生长具有明
显的抑制作用[22] .
12516 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 高大伟等: 浙江省植被覆盖时空动态及其与生态气候指标的关系摇 摇 摇 摇 摇
本文通过遥感技术手段获取气候与植被关系的
方法具有直观、实用等优点,但由于长时间序列的卫
星传感器的分辨率不高,加之研究期间浙江省景观
类型也发生了很大变化,所以本研究未对浙江省的
不同植被类型(如天然植被、农田、城市绿地等)分
别与生态气候指标进行相关性分析,也未涉及对生
态过程的认识,今后应着眼于将动态描述植被类型
和生理过程的基本模型引入大气环流模式,对植被
和生态系统对气候变化的响应和反馈作用进行研
究[25] .另外,浙江省经济普遍较发达,尤其是近年来
伴随着城市化进程,人类活动对环境的影响日益剧
烈,且内容多样、机制复杂[11,25],而本研究数据尚未
涉及该方面,有待今后更深入研究.
致谢摇 感谢华东师范大学环境科学系陈小勇教授对本文英
文摘要的修改润色.
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作者简介摇 高大伟,男,1982 年生,硕士.主要从事生态遥感
的应用和开发研究,发表论文 4 篇. E鄄mail: davidgao82 @
163. com
责任编辑摇 杨摇 弘
2251 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷