近30年来秦岭南北坡植被指数时空差异及其对区域气候的响应

1、西北大学硕士学位论文近30年来秦岭南北坡植被指数时空差异及其对区域气候的响应姓名：孙华申请学位级别：硕士专业：环境科学指导教师：白红英20100616摘要秦岭作为亚洲东部最高的山地，是我国重要的气候和生物地理分界线，同时又是南 水北调中线的主要水源地。本文利用1981年7月-2003年12月的G1MMS、1998年4 月2007年10月的SPOT VEGETATION (SPOTVGT)数据和气候资料等，研究秦岭南 北坡地区的植被指数及其对气候变化的响应，不仅可以揭示全球变暖大趋势下秦岭南北 坡地区森林生态系统的响应程度，而且为本地区生物多样性保护和水源地保护提供理论 支撐。其主要研究结果和进

2、展如下：(1) 秦岭南北坡地区植被指数(NDVI)的时空变化特征季变化特征。近30年来，秦岭南北坡地区NDVI的季平均值均随时间呈波动变化， 且具有相似的变化趋势；春季和秋季秦岭南北坡地区的NDVI逐年增加，而夏季和冬季 的NDVI却随时间呈降低趋势；秦岭南北坡地区植被指数差异形成主要在夏季，夏季秦 岭南坡地区的NDV1值比秦岭北坡地区高0.1左右，其他季节差异不显著。年变化特征。秦岭南北坡地区植被指数的年平均值均随时间呈微弱的降低趋势，且 秦岭北坡地区降低速度大于秦岭南坡地区。1998年以前，两地区的植被指数总体比较稳 定；自1998年甩，植被指数波动较大，于2000年出现了垠低值。且秦岭南

3、北坡地区NDVI 的年均值差异逐渐增大。年最大NDVI变化特征。秦岭北坡地区年最大NDVI达显著减少的像元数占总像元数 的49.6%,而南坡地区占55.9%。达显著增加的像元数北坡地区显著多于南坡地区。(2) 秦岭南北坡地区植被指数对气候变化的响应近30年来，秦岭南北坡地区的气候变化具有趋同性，表现出气候暖干化特征。1998 年以前，秦岭南北两地区春夏两季的NDVI与温度显著相关，且秦岭南坡地区温度对植 被指数的影响存在滞后现象(滞后1个月)。1998年以后，除秦岭北坡地区的冬季以外， 两地区年、季平均NDVI与温度的相关性不显著。秦岭北坡地区冬季NDVI与温度的相 关系数商达0.75 (PV

4、0.05),表明秦岭北坡地区的植被更多地受气温变化的影响，在全 球变暖大趋势下，秦岭北坡地区植被可能更为敏感，是区域生态响应的一个重要信号。由于两地区降水均相对比较丰富，降水量对植被生长的彩响小于温度。(3) 近10年來秦岭南坡地区植被指数对温度变化的响应近io年来，秦岭南坡地区植被指数增加的面积总体大于减小的面积，但植被指数 减小的区域占总面积的15%以上，主要集中在植被类型以亚热带灌丛、草丛为主的地区， 草灌丛是秦岭竜坡退化最严重的植被类型；即使在植被覆盖度最高的地区，部分地区也 可能存在潜在退化的危险。秦岭南坡年最大NDVI值与前一年8月至当年7月平均温度显著相关，从北往南， 相关性从显

5、著正相关到不显著的正相关，再过渡到显著的负相关。研究表明该地区存在 两个温度界限，当询一年8月至当年7月平均温度低于13.0±0.2匸时，其与年最大NDVI 呈显著的正相关，而高于14.4±0.2*C时则呈显著的负相关.即当温度超过14.4±0.2*C时. 温度的升高可能会抑制当地植被的生长，从而导致该地区年最大NDVI降低。尤以南坡 南端的人为耕作区更为敏感，因此加大南部草灌丛的保护力度，继续积极开展退耕还林 还草是防止该地区植彼退化，保持秦岭生态系统平衡的重要措施。关键词：秦岭，植被指数，气候变化，温度，降水Spatial-temporal changes o

6、f vegetation index and responses to regionaltemperature in the northern and the southern regions ofQinling Mountains during the past 30 yearsAbstractAs the supreme mountains on the east of orient, Qinling Mountains are not only the important demarcation line of China's North and South, but also

7、the water south of the middle route of South-to North Water Divertion In terms of the analysis methods of MVC, regression, correlation and wavelet etc., the temporal & spatial characteristics of vegetation cover variations and the relationship between the climate were analyzed based on the longe

8、r term GIMMS (1981.7-2003.12)and SPOT VEGE1ATION(1998.4-2007.10) NDVI data.The studies of vegetation cover variation and its responses to regional climate change had been carried out. The main conclusions included:(1) The spatiabtemporal changes of vegetation in the northern and the southern regions

9、 of Qinling MountainsThe seasonal NDVI of the northern and the southern regions of Qinling Mountains fluctuated with the same trends as time passed; In winter and autumn, the seasonal NDVI of the two regions were increased with the time, while they were decreased in spring and winter.The vegetation

10、coverage in two regions were all reduced during the past 30 years, and the speed of the reduction in the northern part was greater than that of the southern part. Before 1998, there were small changes of vegetation, but it became decreased because of the climate change after 199& and presented t

11、he minimum value in 2000(2) Responses of vegetation coverage to regional environment change in the northern and the southern of Qinling MountainsThe climate in the northern and the southern of Qinling Mountains are becoming warm and dry during the past 30 years, and the differences of temperature an

12、d precipitation between the two regions were getting smaller. In the southern part of Qinling Mountains, the impact of temperature on vegetation cover lagged for 1 month, but the impact was small in the northern region because of human activities At the same time, the rainfall is relatively abundant

13、 in the two regions so that its impact was less than that of temperature. Correlation analysis showed that the seasonal mean NDVI in spring and summer were tightly correlated with temperature for both regions during 1982 to 1997. But after 1998, temperature was insignificant with either annual NDVI

14、or seasonal NDVI at any time, except winter in the northern region, when the conelation coefficient of winter's NDVI to temperature in the Northern Qinling Mountains was as high as 0.75 (P<0.05), which represented an important signal of regional ecological response to global warming.(3) Respo

15、nses of vegetation change to temperature in the southern region of Qinling Mountains during the past decadesDuring the past decades, the pixels where NDVI“ significantly decreased account for more than 15% of the total pixels in the southern region of Qinling Mountains, and the NDVI in the partial b

16、road-leaved forest-distrubted area reduced significantly. The most degraded vegetation were shrubs and bushes.The annual maximum of NDVI was correlated significantly with the mean air temperature calculated from last August to July, and the correlation followed by significant positive, insignificant

17、 positive and Significant negative from north to south in the southern region of Qinling Mountains What's more, there may be two sensitivity thresholds of positive and negative correlation, which means that when the temperature is lower than 13.0±0.2*C, it is significantly positive correlat

18、ed with the NDVI, while it will reduce the NDVImw when it higher than 14.4±0.2#C. So it was important to returning farmland to forest and grassland, especially in the southern part of the region.Key Words: Qinling Mountains, vegetation index, climate change,temperature, precipitation西北大学学位论文知识产

19、权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：年指导教师签名:亠d。年6月“日2Z/P年，月必日西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文

20、中特别加以标注和 致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：划、年力丿。年b月日西北大学硕上学位论文第一章绪论1.1研究背景与意义近百年来.特别是近一三十年来，全球气候系统正经历着一次以变暖为主要特征的 显著变化卩】。1906-2005年的100年里，全球平均地表温度上升了0.74£(0.560.92匕)， 且蜃近50年的升温速率几乎是过去100年的两倍。2007年联合国政府间气候变化专门委 员会(IP

21、CC)第四次评估报告的结论是：人类活动很可能是气候变暖的主要原因，这种 可能性在90%以上。一项研究报告显示，森林吸收人类制造的二氧化碳的能力正在下降。 这意味着人类释放的二氧化碳会更多地对气候造成彩响，而不是安全地被锁定在树木或 土壤中。如果温度升离意味着植物和微生物二氧化碳吸收量的减少，那么全球变暖趋势 将会加速。气候变化问题已成为各国政府、公众和科技界关注的重大问题。中国全球变化研究始于20世纪80年代，是全球变化研究发起国之一，中国科学家在 参与“世界气候研究计划(WCRP)”和“国际地圈生物圈计划(IGBP)”方面作出了积极 贡献。在"全球环境变化人文因素计划(IHDP)”

22、和“生物多样性计划(DIVERSI-TAS)" 方面也开展了有成效的研究。21世纪中国全球变化研究将面临新的挑战，考虑到中国区 域优势和国际科学前沿，下一阶段中国全球变化研究着巫解决的科学问题是：中国土地 利用/覆被变化与陆地生态系统变化研究；中国人类活动与区域碳循环过程研究；人类 活动与大气气溶胶研究；中国水循环与水问题研究；边缘海及海陆过渡地带与人类活动 研究；全球变化的影响与适应；全球变化与人类活动相互作用研究基础信息平台建设； 自然灾害预测和影响评估。学者们认为，由于气候变暖，地球上南北地区温差减小，经向大气环流减弱，降水 地理分布发生变化，但全球气候变暖对不同纬度地区降水量

23、的彩响到底是增加还是减少 仍是不确定。气候变化将导致全球水循环加剧，并会对区域水资源产生重大影响，并进 而彩响生态系统的平衡卩美国在2007年就已将陆地生态系统模型(包括山地生态系统、 森林生态系统、流域生态系统)、陆地生态系统研究(包括土壤、长期生态研究站点、 生态系统的物种入侵、林木市场和趋势、食物安全、生态系统的降水变化)以及水生生 态系统研究作为研究重点。植被覆盖是生态系统的主要指标之一，大区域范围植被覆盖的变化(退化与恢复)体 现了自然演变和人类活动对生态环境的作用，在全球变化研究中植被充当着“指示器” 的作用，长期以来演变而成的气候格局决定了植被的分布，气候变化导致植被生态系 统发

24、生相应的改变，中高纬地区植被生长季延长，适生区北移；气候变暖导致蒸发量加 大，使干旱半干旱地区荒漠化加剧；温度升高使北半球中高纬度植被生长季延长，植被 活动增加。与此同时，植被覆盖的变化又会对局地的小气候系统产生重要影响。全球变化是由千差万别的区域变化构成的。“温室气体增加可能造成的全球气候变 化因区域不同而异，陆地生态系统和环境对此的响应，也因地表各种过程在不同时空尺 度上表现出的差异及其自身的抗干扰能力和恢复能力的高低而变化。”“就区域性分析来 讲，重点地区将集中在脆弱生态区和自然地理的过渡地带如海岸带、水分条件的大梯度 过渡带及山地这些地区由于抵抗外部干扰的能力差，对环境的改变更为敏感，

25、因 此它们正受到学者们越来越多的关注。秦岭山地，腹地位于陕西省南部，东连豫鄂，西接甘陇，南望巴蜀，北瞰关中，大 致位于东经105°30“10°05，,北纬32040'34。35'之间。北部以秦岭北坡山脚线为界；南部 以汉江北岸为界，但不包括汉中、安康盆地。在汉中、安康盆地，以盆地的北缘为界； 东、西两侧以省界为界。秦岭山地北仰南俯，地处我国暖温带和亚热带的生态过渡带， 是中国南北地理环境的重要分界线。其独特的地理位置、古老的地质演化历史、复杂的 自然环境特点孕育了丰富的天然植物资源，近100多年来，一直受到中外各界学者的关 注。秦岭南北气候差异大，北坡属于暖

26、温带半湿润气候带，南坡大部分地区则属于亚热 带湿润气候带；秦岭山地还是重要的生物地理分界线，秦岭以北广泛分布暖温带落叶阔 叶林，而秦岭以南分布的则是北亚热带落叶阔叶常绿阔叶混交林。如位于秦岭南部的 安康与位于北部地区的西安，两地纬度距离仅为1°40*,直线距离不足200km,但当代气 候变化的南北差异却比较显著【叫延军平通过对秦岭南北坡地区近50年来秦岭南北环 境响应程度进行比较发现，近50年来，随着气候变暖，秦岭山地的气候分界作用明显， 其南北地区对全球变暖过程的响应有明显区别。秦岭以北变暖程度超过秦岭以南，而秦 岭以南年降水量减少的绝对值超过秦岭以北，温度以及降水的差值均随时间减

27、小，两地 区的气候存在趋同性。另一方面，秦岭南北坡地区人文环境不仅存在着历史性差异，且 随着现代经济发展，该地区的产业结构、经济发展速度和城市化水平亦发生了很大变化。坏境变化特别是气候变化对秦岭南北坡地区植彼指数的影响是否存在看差异性？ 秦岭生态系统是否具有区域响应分界的意义？秦岭山地作为南水北调中线的水源地是 否会成为气候变暖影响的敏感区域？等等，这些问题都值得进行较精细的比较研究；另 外，3S技术的发展为较大尺度上植被动态变化研究提供了便利和可能。对秦岭南北坡地 区的植被指数变化及其对气候变化的响应研究，不仅可揭示全球变暖大趋势下秦岭南北 坡地区森林生态系统的响应程度，而且可为本区生物多样

28、性保护和水源地保护提供理论 支撑。1.2国内外研究现状植被具有明显的年际变化和季节变化待点，对植被的动态监测可以从一定程度上反 映气候变化的趋势，因此监测植被动态变化以及分析这种变化与气候的关系已经成为全 球变化研究的一个重要领域。随着遥感卫星获得长时间序列逐日观测数据，许多国际组 织和机构指定了全球卫星数据接收、处理和生成数据集计划，所产生的标准数据集则极 大地促进了全球尺度、洲际尺度以及区域尺度上的植被动态变化监测研究。植被指数是一种利用卫星探测数据的线性或非线性组合来反映绿色植物生长状况 和分布的特征指数，通过科学的定标可实现植被信息变化的自动化提取。植被指数的计 算方法很多，主要可分为

29、两类：由波段的比值得到，常用的为比值植被指数、归化植 被指数等；另一类是由不同波段的线性组合构成，包括垂直植被指数、绿度植被指数等。 其中，归一化植被指数NDVI（Normalized difference vegetation index）能够敏感地反映出植 被生长状况、生物物理化学性质及生态系统参数的变化，是植被生长状况和覆盖度的最 佳指示因子，在一定程度上反映了像元所对应区域的植被和土地覆盖类型的综合情况， 因此常被直接或间接用于研究植被或土地覆盖变化同。1.2.1国外对植被变化及其气候响应的研究近十年来，国外学者利用NDVI多年时间序列数据，在NDVI和气候因子的相关关系 研究方面发表

30、了大量的论文阿 Eastman*11*, Anyambaf121, Li1131, Gurge円等人以主成 分分析及NDVI时间序列数据研究了非洲、美国及巴西等地NDV】或GVI变化，认为空间 上植被指数的异常变化在某种程度与厄尔尼诺（ENSO）现象所引发的降雨和温度异常 有关。Nemani【等分析表明1982年至1999年全球气候变化减弱了许多影响植被生长的临 界气候约束条件，植被净初级生产力NPP均有大幅度增加，18年全球NPP增加6%相当于 增加34亿吨碳；Kawataba（等利用NDV1数据分析了 19821990年全球尺度年和季节植被活动的年际变化趋势，结果表明北半球中高纬度地区，因

31、为逐渐增加的气温导致广泛地 植被活动增加；Zhou【E等对全球变暖影响下欧亚大陆植被覆盖趋势和生长状况进行了研究，分析表 明欧亚大陆北纬40度到70度61%面积，有植被区域生长季节NDVI表现出持续增长趋势， 欧亚大陆相对于北美洲植被生长季节有大的NDV1增加幅度（12%对8%）和更长的植被生 长期（1天对12天），即春天的提前和秋天的推迟；Schmidt等I利用NOAA/AVHRR NDVI对以色列的一个南北样带内不同植被带植被 对降水的响应进行了研究，结果表明在过渡带NDVI对降水很敏感。1.2.2我国植被变化及其气候响应的研究我国学者采用不同分辨率、不同时序的遥感影像，对我国典型地区植被

32、以及典型植 被的覆盖动态变化及其对气候的响应进行了研究。王思远等在遥感与GIS技术的支持下， 对中国19962000年5a来森林植被动态变化进行了定量研究N】，结果表明，5a中林草地 变化的总趋势是减少，耕地的增加主要以减少林草地为代价，经济发展加速、人类活动增 强是导致林草地减少的主要原因。马荣华等同以1987年海南植被类型分布图和1998年的TM遥感资料为信息源，综合 GIS参与监督分类及目视判读的方法，以GIS为工具对海南岛的植被变化进行了分析，加 ±1988年土壤他蚀图为信息源，提取生态因子信息并按景观生态类型进行了评价和分析 对比。朴世龙纠等利用1982-1999年间NOA

33、A/AVHRR数据，对我国植被覆盖动态变化进行 了分析，认为我国植被覆盖的动态变化受气候波动的影响十分显著，并且这种变化的区 域性差异明显，20世纪80年代和90年代的变化趋势之间存在较大的差异，90年代NDVI 减小的区域明显比80年代增加，特别是西北干旱地区下降趋势明显。张井勇等利用1981-1994年NOAA AVHRR数据的NDVI和160个标准气象台站的 气温、降水资料，对我国不同区域植被对气候的影响作了滞后相关分析。结论表明：在 多数地区前期NDVI与后期降水存在正的相关，同时这种滞后相关存在明显的区域差异, 上年冬季NDVI与夏季降水以华中和青藏高原地区的相关最为明显，而春季ND

34、VI与夏季 降水则以东部干旱半干旱区和青藏高原的相关更明显，降水较温度对NDVI的响应更显 著，可能与温堂效应部分掩盖了NDVI与温度的相关关系有关。李本纲通过对中国160个标准气辣站的AVHRR NDVI数据、气象数据、植被类型 数据的分析，认为温度和降水是中国大部分地区植被生长的主要限制因子，且气温的影 3西北大学硕上学位论文响超过降水。降水对植物生长的彩响力随年降水量的变化呈现规律性的变化，当年降水 St小于300mni时，降水的彩响力随降水量的增加而增加，当降水量在300700mm时达到 最大，当降水量大于700nHn时，降水的影响反而下降。但由于遥感数据的空间分辨率、研究时段以及研究

35、区域存在差异，研究时段较短且 代表性差，温度和相关系数的计算采用简单平均的方法等原因，研究结果可能存在较大 差异，有的结论甚至互相矛盾。高志强列认为西北干旱区植被指数与降水的关系不大，同温度的相关性也不好；李晓兵1却研究结论则与以上有所差异，他认为西北内陆的温带荒漠植彼NDVI的变 化明显受到温度、降水变化的彫响。李震绚等利用1982-2001年NDV1资料，采用差分法、斜率变化和主成分分析方法， 分析了20年来西北地区植被变化，并采用将植被变化图和西北地区气温和降水变化图进 行对比的方法，仅从定性的角度分析了西北地区NDVI与气候的关系，发现NDV1增加 区域与降水增加一致，与温度变化区域不

36、一致，从而得出NDV1与降水存在明显的正相 关，与温度变化关系不明显的结论。以上分析可以看出，在利用NDVI遥感数据进行植被覆盖的动态变化及其与气候的 关系研究时，应针对特定的区域、特定的时段、选用分辨率相对较高的遥感数据进行分 析。1.2.3基于遥感的植被变化研究常用于植被监测的卫星传感器包括NOAA AVHRR, SPOT, SPOTVGT, MODIS, Landsat, TM 和ETM + (7) , ASTER, SPOT4 和5, IKONOS, Quick Bird等冋。不 同传感器的波长范围、空间分辨率、时间分辨率都有较大差异，其中，前三种资料被普 遍使用于宏观尺度的植被覆盖监

37、测上，它们的重复周期均为1天，SPOT VET从1998年开 始被处理和使用，其空间分辨率为lkm, MODIS从2000年开始提供完成预处理的数据， 空间分辨率达到为250m；后6种资料则常用在小尺度(小区，小区域)的土地利用和土地 覆盖的分类和动态变化研究上，其中Quick Bird的空间分辨率达到了0.61m。下面以SPOTVGT为例，阐述一下植被指数NDV1数据的制备过程。VEGETATION传感器于1998年3月由SPOT4搭载升空，从1998年4月开始接收用 于全球植被覆盖观测的SPOT VGT数据。它拥有十分完善和高效的图像地面处理机构体 系。VEGETATION数据主要由瑞典的

38、Kiruna地面站负贵接收，由位于法国Toulouse的图 西北大学硕士学位论文像质量监控中心负责图像质量并提供相关参数(如定标系数)，最终由位于比利时的 V1TO研究所的图像处理与存档中心负贲全球VEGETATION数据存档与用户定单。其中VGT-P(prototype)数摇产品主要为科研人员提供高质量的物理量原型数据以 便于他们研建算法和应用模型。数据经过严格的系统误差订正并重采样为经纬网投影， 像元分辨率1km，像元亮度值是地物在大气顶层的反射率.除提供四个波段原始数据外， 还根据用户需要提供相关辅助参数，如大气状况、系统信息(太阳的天底角、方位角， 视场角和接收时间)和地形数据等。VG

39、T-S(synthesis)产品提供经过大气纠正的地表反射率数据，并运用多波段合成技 术來获得lkm分辨率的归一化植被指数(w)数据集。VGIY 产品包括每天合成的四个波 段的光谱反射率及NDVI数据集(si),每10天合成的四个波段的光谱反射率及10天最大 化NDVI数据集(S10)以减少云及BRDF的影响，同时S10还被重釆样成4km分辨率 (S10.4)和8km分辨率(S10.8)数据集。VGT-5产品以其高时间分辨率而被广泛使用。 本数据集包含的是每10天合成的四个波段的光谱反射率及10天最大化NDVI数据集 (S10)o SPOT源数据的预处理包括大气校正，辐射校正，几何校正，生成了

40、 10d最大化 合成的NDVI数据，并将到O1的值设置为O1,再通过公式YDN =(JNDVI +0.1)/0.004 转换到0-250的YDN值。1.2.4秦岭地区植被研究进展由于秦岭地理位置独特，物种丰富，其植物的种类、分布及变化很早就引起了广泛 的关注。19世纪末20世纪初是秦岭植物研究的奠基期，钟补求教授(1947)完成了秦 岭之植物地理概观I29J;崔友文教授(1949)较为详细地研究了华山植物的种类分布、 形态特征及生境。有组织的研究开始于解放后，自1952年起，西北大学、中国科学院、 西北师范大学、兰州大学、中国科学院西北植物研究所及西北水保所等10个单位的学者 深入到秦岭地区，

41、进行实地考察和调査研究。在70年代，多家单位的专家学者组成了秦 岭生物资源调査组，先后采集的植物标本达数十万号，为秦岭植物的研究奠定了坚实的 基础。特别是西北大学教授雷明德在1999年主编的陕西植被(列已成为目前陕西植物 资源研究中最为权威的著作，其中，秦岭的植被在这本专著中占有非常重要的地位。长期以来，许多单位的专家学者对秦岭不同地区的植被类型、生态环境进行了详细 的考察研究，并在此基础上发表了大量有关秦巴山区植被的论文，如应俊生等(1990、 1994)对太白山地区植物区系、植被以及秦岭植物区系的性质、特点和起源进行了研究 08】；杨秀芬（1985）、李乡旺等（1987）对秦岭西部甘南地区

42、的植被及植物区系进行 了研究；狄维忠等（1989）、胡正海（1964、1987）研究秦岭的珍稀植物等。随着遥感 技术的迅速发展和广泛应用，近年来许多学者对秦岭进行了更加深入的研究。秦岭山地 植被分布与环境梯度的关系卩叭植被生态系统服务功能及空间特征研究珂、秦岭山地植 被水源涵养功能空间分布格周及生态保育策略列等均是在遥感技术的基础上进疔的研 究。秦岭山地地处我国气候、生物地理分界线，是800mm等降水量线和一月0C等温线 的通过地，不仅其南北坡的地形、土壤、气候及生物分布具有较大差异，其自然和人文 环境的变化趋势也存在不同。但以前对秦岭地区的研究均是整体分析，对其南北坡的变 化差异进行对比研究

43、的较少，尚存在部分空白。延军平利用气象水文实测数据，计算 分析在气候变暖过程中中国秦岭具有的区域响应分界意义。在10年时间尺度上，陕南气 温变化较小，而关中气温增高较快，陕南与关中年均气温差值变小；关中和陕南降水量 差值变小，二者同时干旱或陕南更干旱，反映出秦岭在气候变化中显著的分界作用。秦 岭北坡地区较其以南地区环境干暖化的趋势更明显，这对于认识全球变化的区域响应差 异有参考意义。之后，其学生又对秦岭南北坡地区环境脆弱化和脆弱度进行了比较研究 （殉，认为近五十年来关中地区与陕南地区环境脆弱度均表现出加强趋势，关中地区脆弱 度由50年代的0.3增加到90年代的0.5&陕南地区脆弱度由5

44、0年代的0.24±升到90年代的 0.47；但关中地区脆弱性程度总体上商于陕南地区，尤其是脆弱度年代际变幅增长速度 显著快于陕南地区。在全球变暖大趋势下，秦岭南北坡地区的植被覆盖对气候和人文环境变化的响应程 度是否存在着差异性，秦岭生态系统是否具有区域响应分界的意义，目前还没有比较精 细的比较研究。本文在前人研究的基础上，结合秦岭南北坡地区的植被状况和环境响应 变化特点，对秦岭南北坡地区植被覆盖变化的差异以及植被覆盖对环境的响应进疔了对 比研究，不仅为秦岭生态系统区域响应分界的研究打下基础，而且对保持秦岭地区生态 系统的平衡具有重要意义。1.3研究内容本文利1981-2007年陕西省

45、秦岭地区的气象数据及G1MMS遥感彩像数据，结合实 际调査资料，分析研究了近30年来秦岭南坡和秦岭北坡地区植被指数的时空变化特征， 并结合气象气候资料，以及两地区受人为影响程度的不同，对两地区植被覆盖对气候因 7笫一章绪论子的响应程度作了比较。在此基础上，利用SP0TVEGETM10N遥感影像数据，对受人 为彩响程度相对较小的秦岭南坡近10年的植被覆盖变化状况及其对温度的响应作了更 为细致的分析研究。研究内容主要包括以下两部分：(1) 利用AVHRRNDVI数据以及气温、降水数据，结合秦岭地区的植被分布状况, 运用一元线性回归、相关分析以及小波分析等方法，研究了秦岭南北坡地区植被指数的 时空变

46、化特征及其与气候因子的关系。(2) 利用lkm分辨率的SPOT数据，研究了秦岭南坡地区植被指数的变化特征，并 在空间尺度上分析了温度对植被指数的影响程度。1.4技术路线气温降水变化持征图秦岭南北坡地区植被指数变化及其对环境响应的研究路线#西北大学硕士学位论文第二章研究区概况和研究方法2.1研究区概况秦岭山地是我国东部地区一条明显的南北地理分界线，也是黄河水系和长江水系的 重要分水岭c在陕西省境内，东西长400500km,南北宽120180km。秦岭大致与一月（TC 等温线、800mm等降水量线及2000小时日照时数等值线一致。秦岭南坡屈于长江的一级 支流汉江和嘉陵江水系，太阳辐肘较少，气温较高

47、，降水量较大，气候湿润，全年总辐 射量约4.62xlO6J/（cm2a）,日照时数约为170h,日照百分率不足50%【绚；秦岭北坡属于 黄河水系的一级支流渭河水系，1300m以下为暖温带气候，年均温8.7C12.7C,年降 水量650800mm , 13002600m为温带气候，年均温1.78.7*C年降水量则高达 9001000mm<>秦岭山地平均海拔在1000m以上，还有海拔在2500m以上的中高山。秦岭南坡植被 表现为以北亚热带为基带的垂直带谱，北坡表现为以暖温度为基带的垂直带谱，但随着 海拔高度的增大，南北两坡垂直带谱由基带的显著差异到上部的逐渐趋同。大体在2200m 以下

48、为松栋林带，主要树种为华山松、栓皮栋、油松、械树、铁杉、山杨等，混交树种 有锻树、化香、卜氏杨、械树等。其中lUUU16UOm为锐齿林和松林亚帯，15（X42200m 为辽东栋林、松林亚带，23002700m为牛皮栋林亚带，26003100m为冷杉林亚带， 29003350m为高山针叶林带，主要树种落叶松。本研究区域介于北纬105.52M11.10,东经31.9°34.9°之间，总面积约10万平方千米, 包括秦岭以北关中地区的西安市、周至县、华县、户县、蓝田县等15个县（市、区）和 秦岭以南汉中、安康与商洛的24个县（市、区），具体位置如图21。西北大学硕士学位论文图21研

49、究区范围及气象站点位賈秦岭南坡地区：1.风县2.佛坪3.勉县4.汉阴5.安康6.岚卑7.商甚&山阳9.洋县10.城 丙11.西乡12. F陕13.旬阳14.紫阳】5.丹风16商南17.太白1&留坝 19.洋县20.宁强21.石泉22.柞水23.镇安24.汉中市秦岭北坡地区：25.扶风26.渭南27.户县28.酋安29.华阴30.华且31.蓝田32.岐山33. 眉县34.周至35.长安36.潼关37.洛南38.宝鸡39. M2.2 NDVI数据来源和处理2.2.1 NDVI的基础理论遥感观测提供了对受人类活动和气候影响的大尺度植被变化进行监测、最化和研究 的机会。植被彩响着能量平

50、衡、气候、水文和生化循坏，可以作为气候和人文因素对坏 境影响的敏感指标。植被指数(VI)是对地表植被活动的简单、有效和经验的度量。利用卫星不同波段探 测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数。植物叶面在可见光红光波段有很强的 吸收特性，在近红外波段有很强的反射特性，这是植被遥感监测的物理基础，通过这两 个波段测值的不同组合可得到不同的植被指数。通常使用红色可见光通道(0.60.7/m) 和近红外光谱通道(0.7l.l“m)的组合來设计植被指数。植被参数相等的红色一近红外反射率的连线为“植被等值线”，它可以从辐射传输 模式或观测数据获得。植被指数等值线也反映了导致相同植被指数值的红色一近红外反

51、 射率响应的集合。这些等值线可以将像元数据对应到植被疑各种等级的模式参数。等值线的概念与槓被指数的辐射传输理论有本质上的联系，为从植被信号中分解大气和背景 信号提供了基础。NDVI=NDVI（Normal Differential Vegetation Index归一化植被指数，标准差异植被指数） 是近红外与红色通道反射率比值（SR二N1R/RED）的一种变换形式，(2.1)a可以是卫星接收的辐射、大气层顶显式反射率、地表辐射率、地表反射率或半球光谱反照率等的计数值。比值形式的NDVI可以使某些与波段正相关的噪声及直射辐射或 漫射辐射发生变化，云、云影、太阳角和视角、地形、大气削弱等的影响最小

52、化。还可 以在一定程度上消除定标和仪器误差的影响。NDVI可以用原始辐射记数值、大气层顶 辐射率来进行反射率计算。尽管比值消去了变量的单位，但不同资料计算出的NDVI结 果并不相同，使用时必须保持一致性。比值消除噪声的程度取决于近红外与红色通道反 射率噪声的相关性，和地面接近朗伯体的程度。NDVI能反映出植物冠层的背景彩响，如土壤、潮湿地面、雪、枯叶、粗超度等,且与植被覆盖有关。2.2.2 NDVI数据来源和处理本文所用遥感资料为GIMMS和SPOT VEGETATION （SPOT VGT）两种数据集的 NDVI数据。其中，数据GIMMS是来自国家自然科学基金委员“中国西部坏境与生态科 学数

53、据中心” （） 15d最大化8km数据集，每月有两幅数据，时 间为1981年7月至2003年12月；SPOT VEGETATION （SPOT VGT）下载于国家自然科学 基金委员"中国西部坏境与生态科学数据中心"（） 1998年4月1 日至2007年10月的每10天合成的四个波段的光谱反射率及10天最大化NDVI数据集，分 辨率为1 kmxlkmo该数据来源于比利时佛莱芒技术研究所（Flemish Inst.lechnological Research, Belgium）,源数据的预处理包括大气校正，辐射校正，几何校正。本文在进行植被覆盖的时间和空间变化特征分析时，采用了

54、不同的数据处理方法。 在进行植被覆盖的年际变化特征分析时，首先利用最大合成法（MVC）对每月两（三） 次NDVI取最大值，进一步消除数据中残留云、大气和太阳高度等因素的彩响，组成 19822007年月NDV1数据集。在此基础上，计算春季（35月）、夏季（68月）、秋季（9-11 月）冬季（122月）及年NDVI平均值。由于2007年11、12月的数据缺失，本研究利用后 5年对应月份数堀求平均的方法获得，并根据当年的实际情况进行修正。在ArcGIS 9.0 中，利用ArcTbolbox工具的Data Management Tools将影像投影转为与其他基础资料相匹 配的投影，并以研究区的矢量边界

55、图为掩膜，切割出秦岭南北所选研究区的影像，生成 研究所用的NDVI数据集，误差在一个像元以内。SPOT VEGETATION (SPOTVGT)数据中原 DN 值范围为 0-250, DN 值和真实 NDVI 之间的转换关系为NDVI=DN*0.004-0.1,利用上式将NDVI影像的值域转换到之间。由于在对植被覆盖的空间变化特征进行分析时，重点分析区域差异性，而平均法却 是降低区域差异的一种方法，因此本文在ERDAS 9.1支持下，采用最大值合成法(MVC) 将NDVI数据制作成月数据，以消除来自云和大气的部分干扰，并将一年中月数据最大 的月份的NDVI值作为该年的年最大NDVI值(80%发

56、生在7月)，以此来表征植被覆盖的 年变化情况。2.2.3 GIMMS和SPOT VGT的一致性检验由于GIMMS和SPOTVGT来自不同的传感器，具有不同的分辨率，其预处理过程也 不尽相同，因此需要对两者的一致性进行验证。从全区大尺度來看，两种植被数据之间 具有显著的一致性，利用SPOT VGT数据插补G1MMS数据进行时间序列分析，只适用 于大牢间尺度.并不适用于像元尺度I切。GIMMS和SPOT VGT数据在19982003年共有 6a的重叠区，且秦岭北坡地区(r=0.586,p<0.05)和秦岭南坡地区(r=0.754,p<0.01)两 种数据之间均具有显著的一致性，因此在进

57、行植被覆盖时间变化特征分析时，根据SPOT VGT数据对两地区20042007年GIMMS数据进行修正。植被覆盖的空间变化分析是基于像元进行的分析，不能用SPOTVGT数据对GIMMS 数据进行插补。因此本文在分析植被覆盖的空间变化特征时，只用1981-2003年的 GIMMS数据进行分析。2.3气象数据来源和处理本文所有气象资料均由陕西省气象局提供，气象数据包括秦岭以北15个气象站点和 秦岭以南24个站点1982-2007年的逐月温度和降水量数据。将逐月温度求平均得各季平 均温度和逐年平均温度。降水量的处理为将各月降水量相加，分别计算了各季总的降水 量和年总降水量。在从空间尺度研究植被覆盖与

58、气候因子的关系时，将秦岭南北坡地区 39个气象站点的温度和降水数据在ArcGIS中用Kriging法进行插值，转化成与NDVI值的 分辨率统一的栅格影像。并对插值的平均平方根进行交叉验证，若误差均在要求的范围 之内，则达到进行分析的要求。地统计模块的地统计方法很多，主要有：普通克里格法、简单克里格法、泛克里格 法、概率克里格法、指示克里格法、析取克里格法及协同克里格法等。这些克里格模型 不仅能创建预测表面和误差表面，而且根拯需要它们还能生成概率图和分位数图。运用克里格法进行插值的过程可分为两步：第一步，进行样点的空间结构重化分析; 第二步，对未知点的值进行预测。样点的空间结构量化分析，又称变异函数分析，是指 对样点数据拟合一个空间独立模型；在第二步中，克里格法利用第一步拟合的变异函数、 样点数据的空间分布及样点数据值对某一区域的未知点进行预测。本研究中主要运用普 通克里格法对站点温度进行空间插值。普通克里格(Ordinary Kriging)的模型如下表示：Z(s)=“(s)+ £ (s)(2.2)其中“是个未知的常最声)。普通克里格法中最垂要的一个问题是关于“是个常量的假 设是否合理。有时会存在很有力的科学证据来推翻这个假设。然而，作为一种估计方法, 它有其独待的灵活性，可用于估计那些看起来有某种