1土地覆被對(duì)降水變化的響應(yīng)及時(shí)空預(yù)測(cè)案例分析土地覆被對(duì)降水變化的響應(yīng)及時(shí)空預(yù)測(cè)案例分析 11降水對(duì)NDVI變化的影響 1 11.2季均NDVI同季降水的空間相關(guān)性 2 52降水對(duì)NPP變化的影響 7 74.3.2季均NPP同季降水的空間相關(guān)性 82.3NPP對(duì)降水變化響應(yīng)的時(shí)滯性 1降水對(duì)NDVI變化的影響1.1年NDVI同年降水的空間相關(guān)性相關(guān)分析方法，計(jì)算1998~2016年流域NDVI同降水的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4-1。1998-2016年黃淮海流域的年NDVI與年降水量的相關(guān)系數(shù)總體上自西北至東南遞減，值域?yàn)?0.87~0.93,均值為0.29。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占的85.21%,較高的正相關(guān)主要分布在流域中部的黃土高原地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為14.79%,較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域東南角的華北平原南部地區(qū)。這種分布現(xiàn)象是由于，在黃土高原地區(qū)主要植被類型為林草植被，多數(shù)地帶受氣候植被有了足夠的水源就會(huì)生長(zhǎng)較好，因此該地區(qū)NDVI變化同降水變化呈正相關(guān)。而華北平原南部區(qū)域植被類型以喬木和農(nóng)作物為主，其水熱條件優(yōu)越，正常情況下植被長(zhǎng)勢(shì)就很好，當(dāng)降水量增多時(shí)，反而會(huì)由于水源過(guò)渡充足導(dǎo)致土壤含水量長(zhǎng)期過(guò)飽和，土壤的透氣性變差、含氧量不足，植物根系呼吸就會(huì)受阻，進(jìn)而引結(jié)合相關(guān)性檢驗(yàn)來(lái)看，只有30.14%的區(qū)域NDVI和降水處于顯著性相關(guān)區(qū)間 (p<0.05)內(nèi)。其中，極顯著正相關(guān)區(qū)域占比15.55%(p<0.01),顯著正相關(guān)占比14.14%(0.01<p<0.05),均主要分布于流域中部偏西北區(qū)域，該區(qū)域也為NDVI和降水之間高度正相關(guān)集中區(qū)域；而極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)0.33%,只是零星的分布于流域東南部區(qū)域。這表明整體上流域年NDVI與年降水2N000TT顯著性檢驗(yàn)結(jié)果N為進(jìn)一步探究黃淮海流域NDVI變化同降水的關(guān)系，本文計(jì)算了1998~2016年春(3~5月)、夏(6~8月)、秋(9~11月)、冬(12~次年2月)平均NDVI (如圖4-2式)變化與同期季降水的相關(guān)系數(shù)，具體結(jié)果空間分布如圖4-3。3N由圖4-3(a)得，春季NDVI與降水相關(guān)系數(shù)總體上中部高、兩邊低，值域在-0.77~0.90之間，均值為0.22。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的8較高的正相關(guān)主要分布在流域西部的青藏高原和中部的黃土高原地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為17.57%,整體分布較為零散，較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域東北之間，均值為0.26。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的81.49%,較高的正相關(guān)主要分布在中部的鄂爾多斯高原地區(qū)和呂梁山地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為18.51%,較高的負(fù)相關(guān)則相較集中地分布于流域東南角的淮河流域與長(zhǎng)江流域相間，均值為0.16(圖4-3c)。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的75.58%,較高的正相關(guān)主要分布在中部的黃土高原地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為24.42%,上述春、夏、秋三個(gè)季節(jié)NDVI變化與降水變化主要正相關(guān)為主，與之相反相關(guān)的區(qū)域僅占整個(gè)流域的8.87%,整體分布較零散，較高的正相關(guān)主要分布在流域東南角的淮河流域與長(zhǎng)江流域相接處。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比達(dá)為91.13%,較高的4N人NDVI和降水相關(guān)系數(shù)(a)N人NDVI和降水相關(guān)系數(shù)0NDVI和降水相關(guān)系數(shù)NDVI和降水相關(guān)系數(shù)0通過(guò)T檢驗(yàn)對(duì)黃淮海流域1998~2016年季度NDVI與同期降水的相關(guān)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到圖4-4的空間分布結(jié)果圖。春季NDVI與降水極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域總共占流域面積的0.09%,分布比較零散；顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的8.78%,主要分布在流域西南角的青藏高原和中部的黃土高原；極顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的2.55%,主要分布在流域中部的黃土高原。所以，春季NDVI與同期降水的相關(guān)系數(shù)通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域總占比為11.42%。夏季NDVI與降水極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域總共占流域面積的0.63%,集中分布在流域東南角；顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的14.28%,主要分布在流域中部的鄂爾多斯高原；極顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的7.52%,主要分布在流域北部的河套平原。所以，夏季NDVI與同期降水的相關(guān)系數(shù)通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域總占比為22.43%。1.44%,集中分布在流域西北角的黃河源頭區(qū)域；顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的14.28%,主要分布在流域中部的鄂爾多斯高原；極顯著正相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的0.86%,集中分布在流域東南部的黃土高原西部。所以，秋季NDVI與同期降水的相關(guān)系數(shù)通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域總占比為8.63%。0.04%,分布零散；顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的13.46%,主要分布在流域中部的鄂爾多斯高原和流域東南的華北平原；極顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占流域總面積的53.60%,主要分布在流域西南角的青藏高原和中部的黃土高原。所以，冬季NDVI與同期降水的相關(guān)系數(shù)通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域總占比為17.1%。人人綜合上述結(jié)果可得，黃淮海流域1998~2016年夏季NDVI與同期降水正相關(guān)性最高，平均為0.26,且其通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域最大，占流域總面積的22.43%。春、夏、秋季NDVI與同期降水絕大多數(shù)區(qū)域均為正相關(guān)，只有冬季NDVI與同期降水絕大多數(shù)區(qū)域?yàn)樨?fù)相關(guān)，平均為-0.31,其通過(guò)過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域位居第二，占流域總面積的17.1%。春秋季NDVI與同期降水分別只有11.42%和8.63%的區(qū)域通過(guò)了相關(guān)性檢驗(yàn)。春、夏、秋三季是大多數(shù)植被從生長(zhǎng)發(fā)育到成熟的時(shí)間段。該段時(shí)間內(nèi)，需要有良好的水熱條件來(lái)供給植被生長(zhǎng)，所以在這期間NDVI與同期降水易表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。其中夏季水熱條件最好，植被生長(zhǎng)較為迅速；當(dāng)夏季降水增多時(shí)能明顯促進(jìn)植被生長(zhǎng)，所以總體的正相關(guān)性最高。而冬季降水多以地面垂直降雪形式出現(xiàn)，不利于植被利用；再加上冬季氣溫較低，植被生長(zhǎng)受阻。所以導(dǎo)致冬季降水量增多時(shí)，植被生長(zhǎng)反而緩慢，使得整體NDVI與同期降水表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于氣候降水變化可能會(huì)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)的滯后，本研究接下來(lái)就計(jì)算了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的季度NDVI值分別和當(dāng)季同期降水量、向前推1個(gè)月的降水量、向前推2個(gè)月的降水量和向前推3個(gè)月的降水量的相關(guān)系數(shù)。6從表4-2黃淮海流域季度NDVI與不同時(shí)期降水的相關(guān)系數(shù)來(lái)看，春季的平均NDVI與當(dāng)季降水相關(guān)度最高，相關(guān)系數(shù)為0.664且在0.01置信水平上表現(xiàn)為顯著相關(guān)?？傮w上看，春季NDVI值對(duì)當(dāng)季同期降水量、向前推一個(gè)月降水量、向前與當(dāng)季降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.531和0.648,雖然均在0.01置信水平上表現(xiàn)為顯著相關(guān)，但與前推一個(gè)月的降水相關(guān)性最高，分別為0.560和0.687,且依舊在0.01置信水平上表現(xiàn)為顯著相關(guān)。這表明這兩個(gè)季節(jié)植被發(fā)育對(duì)向前推一個(gè)月的降水量變化的響應(yīng)相對(duì)敏感，即該時(shí)期的植被生長(zhǎng)同前期降水量有著滯后關(guān)系，其滯后間隔約為1個(gè)月。而冬季NDVI值與同期降水的時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.599,但其與前推2個(gè)月降水相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.705且在0.01置信水平上表現(xiàn)為顯著相關(guān)，說(shuō)明該季節(jié)植被生長(zhǎng)與前期降水存在滯后關(guān)系，滯后間隔約為2個(gè)月。綜上所述，黃淮海流域春季NDVI與當(dāng)季降水量相關(guān)性最高，表明春季植被生長(zhǎng)和降水之間的響應(yīng)關(guān)系較及時(shí)；夏、秋兩季NDVI均與前推一個(gè)月降水量相與前推兩個(gè)月降水量相關(guān)性最高，表明冬季植被生長(zhǎng)對(duì)降水的響應(yīng)存在兩個(gè)月的果是可靠的。一般來(lái)說(shuō)，植被生長(zhǎng)需要良好的水熱條件，特別是降水，通常短期內(nèi)的降水無(wú)法滿足植被生長(zhǎng)的所有需求，所以要考慮長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)降水的累積量，較春季更多，但此時(shí)植被生長(zhǎng)迅速，降水量需求可能更大，所以NDVI對(duì)降水量的響應(yīng)會(huì)存在一個(gè)月的滯后性。而冬季水熱條件差，無(wú)法滿足植被生長(zhǎng)需求，為了讓植被正常生長(zhǎng)，就需要積累更長(zhǎng)時(shí)間的降水量在冬季進(jìn)行利用，這樣就會(huì)導(dǎo)致冬季NDVI對(duì)降水量的響應(yīng)存在兩個(gè)月的滯后性。當(dāng)季前推1個(gè)月前推2個(gè)月前推3個(gè)月3~5月2~4月1~3月12(上年)~2月6~8月5~7月4~6月3~5月9~11月8~10月7~9月6~8月冬季12~2(次年)月11~1(次年)月10~12月9~11月7季均NDVI當(dāng)季降水前推1個(gè)月降水前推3個(gè)月降水冬季注：經(jīng)過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，表中所有系數(shù)均在0.012降水對(duì)NPP變化的影響本研究選用逐像元的皮爾森相關(guān)分析方法，計(jì)算2000~2015年流域NPP同降水的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4-5。2000-2015年黃淮海流域的年NPP與年降水量的相關(guān)系數(shù)總體上自北向南遞減，值域?yàn)?0.87~0.98,均值為0.36。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的90.43%,較高的正相關(guān)主要分布在流域中部偏北的鄂爾多斯高原地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為9.57%,較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域在鄂爾多斯高原地區(qū)近幾十年由于建設(shè)“三北防護(hù)林”,林地草地面積增加，且多數(shù)地帶受氣候降水條件限制，存在干旱缺水現(xiàn)象，植被整體耐旱性就較強(qiáng)，所以當(dāng)降水量增多時(shí)，植被有了足夠的水源就會(huì)生長(zhǎng)較好，區(qū)域NDVI和NPP值就都會(huì)偏高，因此該地區(qū)NPP變化同降水變化呈正相關(guān)。而瑪曲濕地區(qū)域是世界上保存最完整的濕地之一，但從2000年以來(lái)，該地沼澤濕地面積明顯萎縮，沼澤草甸大量轉(zhuǎn)為亞高山草甸和沙地裸巖961,當(dāng)降水量增加時(shí)，雖然濕地區(qū)域NDVI也會(huì)增加，但相較于原先沼澤草甸的NPP值，亞高山草甸和沙地裸巖的NPP值小很多，所以整體NPP值會(huì)顯示出下降，因此該地區(qū)NDVI變化同降水變而結(jié)合相關(guān)性檢驗(yàn)來(lái)看，只有32.54%的區(qū)域NDVI和降水處于顯著性相關(guān)區(qū)間 (p<0.05)內(nèi)。其中，極顯著正相關(guān)區(qū)域占比16.49%(p<0.01),顯著正相關(guān)占比15.81%(0.01<p<0.05),均主要分布于流域中部偏西北區(qū)域，該區(qū)域也為NDVI和降水之間高度正相關(guān)集中區(qū)域；而極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)總共僅占0.24%,只是零星的分布于流域西南角部分區(qū)域。這表8NN0極顯著負(fù)相關(guān)極顯著正相關(guān)00圖4-5黃淮海流域2000~2015年NPP與降水相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果空間分布Fig4-5SpatialdistributionofcorrelationcoefficientandsignificancetestprecipitationintheHuanghuaihaiBasinfrom2000to4.3.2季均NPP同季降水的空間相關(guān)性NN人9NN為進(jìn)一步探究黃淮海流域NPP變化同降水的關(guān)系，本文計(jì)算了2000~2015年春、夏、秋、冬平均NPP(如圖4-6式)變化與同期季降水的相關(guān)系數(shù)，具體結(jié)果空間分布如圖4-7。春、夏、秋三季黃淮海流域季均NPP與同期降水量的相關(guān)關(guān)系總體上為正相關(guān)。春季NPP與降水相關(guān)系數(shù)整體上由東至西降低，值域范圍為-0.43~0.94,均值為0.33.其中表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的88.25%,高度正相關(guān)主要分布在流域中部的黃土高原和流域東部的華北平原地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為11.15%,較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域西南角的青藏高原地區(qū)。夏季NPP與降水相關(guān)系數(shù)總體上由西北至東南降低，值域在-0.52~0.96之間，均值為0.32。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的85.69%,較高的正相關(guān)主要分布在流域中北部的鄂爾多斯高原和呂梁山地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為14.31%,較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域東南角的華北平原部分地區(qū)。秋季NPP與降水相關(guān)系數(shù)總體上由北至南降低，值域在-0.47~0.97之間，均值為0.34。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域占整個(gè)流域的87.98%,較高的正相關(guān)分布區(qū)域較廣，占據(jù)流域北部大片地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比僅為12.02%,較高的負(fù)相關(guān)則主要分布于流域南部的黃土高原中南部。與上述春、夏、秋三個(gè)季節(jié)NPP變化與降水變化主要為正相關(guān)相反，冬季NPP與降水主要呈現(xiàn)出大范圍的負(fù)相關(guān)。冬季NPP與降水相關(guān)系數(shù)總體上基本較小，值域在-0.79~0.88之間，均值為-0.27。其中，表現(xiàn)為正相關(guān)的區(qū)域僅占整個(gè)流域的15.32%,整體分布較零散，較高的正相關(guān)主要分布在流域北部的呂梁山地區(qū)。而負(fù)相關(guān)區(qū)域占比達(dá)為84.68%,較高的負(fù)相關(guān)分布較廣泛，集中分布在流域黃土高原中部偏北地區(qū)。綜合來(lái)看，春、夏、秋三季NPP與同期降水量均以正相關(guān)為主，且正相關(guān)面積分別為88.85%、85.69%、87.98%;而冬季則以負(fù)相關(guān)為主，負(fù)相關(guān)面積為84.68%。(a)NPP和降水相關(guān)系數(shù)NPP(a)NPP和降水相關(guān)系數(shù)(c)(c)NPP和降水相關(guān)系數(shù)(d)NPP和降水相關(guān)系數(shù)為29.73%。極顯著負(fù)相關(guān)顯著員相關(guān)極顯著負(fù)相關(guān)顯著員相關(guān)T顯著性檢驗(yàn)結(jié)果T顯著性檢驗(yàn)結(jié)果相關(guān)懷不顯綜合2000~2015年黃淮海流域四個(gè)季節(jié)NPP和同期降水的相關(guān)性來(lái)看，春、夏、秋三季NPP與同期降水絕大多數(shù)區(qū)域均為正相關(guān)，且其通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域面積逐步變大，分別為28.32%、29.73%和31.85%。其中秋季NPP與同期降水正相關(guān)性最高，平均為0.34,且其通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域最大。與之相反，冬季NPP與同期降水絕大多數(shù)區(qū)域?yàn)樨?fù)相關(guān)，平均為-0.27,其通過(guò)過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)的區(qū)域最少，只有18.98%。NPP是指研究時(shí)間段內(nèi)綠色植物所累積的有機(jī)物總量。植被生長(zhǎng)季主要為夏、秋兩季，其中秋季植被多數(shù)接近成熟狀態(tài)，在同樣降水條件下，秋季有機(jī)物積累可能較夏季更多，所以其NPP與同期降水正相關(guān)性較之于夏季更高。春季植被多屬于萌芽狀態(tài)，本身積累的有機(jī)物較少，所以其NPP與同期降水正相關(guān)性較之于夏季更低。而冬季氣候條件差，溫度低，降水多為雨雪形式；降水量增加，就代表著冬季雨雪量增大，氣溫越發(fā)寒冷，不利于植被生長(zhǎng)，更不利于植被有機(jī)物積累。所以，冬季NPP與同期降水多表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)2.3NPP對(duì)降水變化響應(yīng)的時(shí)滯性考慮到研究區(qū)內(nèi)NDVI對(duì)降水變化的響應(yīng)存在著滯后相似滯后效應(yīng)。于是，本研究接下來(lái)計(jì)算了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)的季度NPP分別和當(dāng)季同期降水量、向前推1個(gè)月的降水量、向前推2個(gè)月的降水量和向前推3個(gè)月的降水量的時(shí)間相關(guān)系數(shù)。季均NDVI當(dāng)季降水前推1個(gè)月降水前推2個(gè)月降水前推3個(gè)月降水冬季注：經(jīng)過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，表中所有系數(shù)均在0.01從表4-3可得，春季的季均NPP與同期降水相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.645且在0.01