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地球信息科学学报 >

2015 , Vol. 17 >Issue 1: 78 - 85

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00078

1982-2006年加纳植被覆盖时空变化及其气候影响

  • 王昭生 , 1, 2, 3 ,
  • 黄玫 , 1, * ,
  • 闫慧敏 1 ,
  • 王军邦 1 ,
  • 岳溪柳 1
展开
  • 1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101
  • 2. 中国科学院地球环境研究所,西安 710075
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049
*通讯作者：黄玫(1968-),女,贵州兴仁县人,副研究员,研究方向为陆地生态系统对气候变化响应的模拟与分析。E-mail:

作者简介：王昭生(1985-),男,甘肃武威人,博士生,研究方向为陆地生态系统对气候变化响应的模拟与分析。E-mail:

收稿日期: 2014-01-17

  要求修回日期: 2014-03-23

  网络出版日期: 2015-01-05

基金资助

中国科学院地理科学与资源研究所“一三五”战略科技计划项目

国家“973”计划项目(2010CB950603)

国家自然科学基金项目(41271118)

收起

Spatiotemporal Variation of Vegetation and Climate Impacts on It in Ghana from 1982 to 2006

  • WANG Zhaosheng , 1, 2, 3 ,
  • HUANG Mei , 1, * ,
  • YAN Huimin 1 ,
  • WANG Junbang 1 ,
  • YUE Xiliu 1
Expand
  • 1. Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. Institute of Earth Environment, CAS, Xian 710075, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
*Corresponding author: HUANG Mei, E-mail:

Received date: 2014-01-17

  Request revised date: 2014-03-23

  Online published: 2015-01-05

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

非洲陆地生态系统是气候变化的高敏感区,研究该区域植被覆盖变化及其控制因素,对深刻认识气候变化的影响具有重要意义。本文利用1982-2006年植被指数（NDVI）数据,研究位于非洲西部热带地区的加纳共和国植被覆盖的时空变化特征,结合同期的气温和降水量数据,分析其植被活动对气候变化的响应特征。研究结果表明,加纳86.4%的植被覆盖区NDVI在25 a间都呈现不同程度的增加趋势。20世纪80年代初和21世纪初这2个时期,NDVI值大于0.4的面积百分比呈增加趋势;NDVI值大于0.5的面积百分比从26%增加到38.2%;NDVI值在0.4-0.5之间的面积百分比从47.5%增加到51.9%。NDVI受降水量控制的区域占总区域面积的57.2%,而受气温控制的面积占总区域面积的42.8%。总的来看,加纳植被覆盖对降水量变化的敏感程度强于气温变化。

关键词： 非洲; NDVI; 植被活动; 控制因素

本文引用格式

王昭生 , 黄玫 , 闫慧敏 , 王军邦 , 岳溪柳 . 1982-2006年加纳植被覆盖时空变化及其气候影响[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(1) : 78 -85 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00078

Abstract

As African terrestrial ecosystem is highly sensitive to climate change, considerable researches during the past several decades have focused on monitoring vegetation activity and its responses to climate change, thus we can thoroughly understand the progress of climate change. It's significant to study the vegetation variation and its control factors in this area.We combined datasets of the satellite-derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI),whose spatial resolution is 8 km, and climate factors (temperature and precipitation) to detect vegetation activity change. Additionally, we analyzed the spatial correlations among NDVI, temperature, precipitation on the spatio-temporal patterns from 1982 to 2006 in Ghana. In order to conduct certain spatial correlation analysis, we interpolated the temperature and precipitation data from Climatic Research Unit (CRU3.0) datasets with respect to the spatial resolution of NDVI. At the regional scale, the results from this study showed the different increase trends occurred in the vegetation area of Ghana in the recently 25 years, which suggested that the vegetation activity has been strengthened. Compare the spatial distribution of NDVI in the early 1980 s (1982-1986) with the early 21st century (2002-2006), we found that the areas whose NDVI value is greater than 0.5 and whose value is between 0.4 and 0.5 all show a trend of increase; area percentage with NDVI value greater than 0.5 had increased from 26% to 38.2%, and the area percentage with NDVI value between 0.4 and 0.5 had increased from 47.5% to 51.9%.Spatial correlation analysis showed that the area with precipitation governed NDVI accounted for 57.2% of the total area, and the area with NDVI controlled by the temperature accounted for 42.8% of the total area. In summary, the vegetation of Ghana is more sensitive to the rainfall changes than the temperature changes.

Key words： Africa; NDVI; vegetation activity; influencing factor

1 引言

植被是陆地生态系统的主体,在全球物质与能量循环,以及碳平衡中起着重要作用。随着气候变暖加剧,科学界越来越关注植被对全球变化的响应与反馈机制[1-2]。研究植被活动及其控制因素是了解植被对全球变化响应的重要内容[3]。归一化植被指数NDVI能较准确地反映植被的覆盖程度、生长状况以及光合作用强度[4-5],常被直接或间接的作为植被活动的表征指数[6-9]。最近对NDVI的研究表明,北半球中高纬地区植被活动在1982-1999年间显著增强,其中春季变化最为强烈[10];Weiss[11]、王建英[12]、徐铭志[13]等的研究发现,近20 a来北半球高纬地区冬春变暖显著,温度变化影响了植被生长;Schmidt等的研究结果表明,以色列植被过渡带区域NDVI对降水变化敏感[14];方精云等对我国NDVI的研究发现,温度上升和夏季降水量增加可能是我国植被活动增强的主要原因[15]。
非洲植被覆盖类型多样,陆地生态系统净初级生产力占全球总量的1/5,净生态系统生产力是全球的一半[16],整个非洲大陆的生态系统是气候变化的高敏感区[17-18]。例如对萨赫勒地区[19-21]、东非[22-23]、喀拉哈里沙漠[24-26]、南非[27-28]、埃塞俄比亚[29]、苏丹[30]、塞内加尔[31-32]以及南部非洲国家[33-34]进行的遥感数据反演都发现,其植被指数年际波动明显且对降水变化非常敏感。而西非赤道地区的植被生长动态对气候变化响应的时空格局还缺乏深入细致的研究[35-36]。
本研究以加纳共和国为研究对象,对植被及其控制因素分析,以揭示西非赤道地区植被活动的变化特征及其对气候变化的响应,从而为在全球范围深入了解植被活动变化及其控制因素提供参考。

2 研究区地理特征与数据源及预处理

2.1 研究区地理特征

加纳共和国东临多哥,西与科特迪瓦为邻,北靠布基纳法索,南接几内亚湾,共辖10省区。西南盆地、沃尔特盆地和沿海盆地（图1）形成了加纳的3个不同的气候区：西南盆地最为湿润,广泛分布着热带雨林,年均降雨量在1500~2000 mm之间;沃尔特盆地年降水量在1000~2000 mm之间,主要植被类型是热带森林和草原;沿海盆地年均降水量为900 mm,是加纳最干旱的地方,主要植被覆盖是热带稀树草原和农作物。
Fig. 1 Topography map of Ghana

图1 加纳地形空间分布

2.2 数据来源与预处理

气温和降水量数据来源于CRU TS 3.0数据集,该数据是英国气候研究中心（Climatic Research Unit,CRU）利用观测资料制作的高分辨率全球陆地气候数据集,其空间分辨率为0.5 ℃×0.5 ℃经纬度网格。本研究利用ANUSPLIN 3.1插值软件分别将气温和降水量数据插值到空间分辨率为8 km的网格上。1982-2006年空间分辨率为8 km×8 km,时间分辨率为15 d的归一化差分植被指数（NDVI）数据来源于Global Inventory Modeling and Mapping Studies（GIMMS）工作组,本研究采用最大值合成法MVC（Maximum Value Composite）获得每月的NDVI数据。
比较插值后的气候数据（气温和降水）与加纳23个观测站点实测数据（图2（a）、（b））,发现插值后的气温和降水数据与观测数据有很好的一致性,这表明插值后的气候数据能够反映加纳的气候变化特征。
Fig. 2 Comparison validation of temperature and precipitation

图2 温度和降水数据的对比验证

3 植被覆盖时空变化分析

3.1 分析算法

3.1.1 趋势分析
通过线性拟合方程 ( y = ax + b ) 来分析NDVI的年际变化趋势,其中,系数a、b可表示为：
a = n ∑ i = 1 n x i y i - ∑ i = 1 n x i ∑ i = 1 n y i n ∑ i = 1 n x i 2 - ∑ i = 1 n x i 2 （1）
b = ∑ i = 1 n x i 2 ∑ i = 1 n y i - ∑ i = 1 n x i ∑ i = 1 n x i y i n ∑ i = 1 n x i 2 - ∑ i = 1 n x i 2 （2）
式中, n 代表年数,等于25; x i 代表年份（1,2,3,…,25）; y i 为第 i 年的NDVI值。当 a 大于0,表示NDVI呈上升趋势,当 a 小于0,则呈下降趋势。
本研究的年际趋势分析在Origin 8.1统计软件平台上进行。
3.1.2 相关分析
计算2个变量相关系数的公式如下：
r = ∑ j = 1 n ( x j - x ̅ ) ( NDV I j - NDVI ¯ ) ∑ j = 1 n ( x j - x ̅ ) 2 ∑ j = 1 n ( NDV I j - NDVI ¯ ) 2 （3）
式（3）中, n 为统计年数（25 a）; j 为年序号; NDVI ¯ 是对应像元的25 a平均NDVI值; x 为气象要素（温度或降水）。空间场之间的相关分析在ArcGIS 10.1软件平台上进行。

3.2 算法分析结果与讨论

3.2.1 NDVI的空间格局
加纳1982-2006年平均NDVI呈自北向南的增加趋势（图3（c））,整个区域NDVI值在0.05-0.64之间。其中,北部热带稀树草原区域的NDVI在0.33-0.47之间;南部热带森林区域的NDVI值在0.47-0.64之间;沃尔特盆地的河流和湖泊,以及南部沿海区域的NDVI在0.15以下;区域平均NDVI值为0.457。
Fig. 3 Spatial and temporal distribution of average multiannual temperature, precipitation and NDVI of Ghana in 1982-2006

图3 1982-2006年加纳多年平均温度、降水和NDVI的时空分布

加纳全国范围年平均气温在25.7~29 ℃之间,仅相差3.3 ℃。北部的Upper East 和Northern省温度相对较高（图3（a））,对应NDVI的低值区。中部的Brong Ahafo、Ashanti、Easter和Volta省温度较低,相应区域的NDVI值较高。
加纳多年平均年降水量空间格局呈带状分布,中部最大,从中部向东南和西北方向递减,形成3个降水量条带（图3（b））。西南盆地降水量较高,其最高值可达1464 mm。北部的Upper West、Upper East省和东南部的沿海盆地,降水量较低,最低值869 mm。整个区域平均降水量为1132 mm。与区域NDVI空间变化图比较发现,降水量高的区域,NDVI通常也较高。
3.2.2 NDVI的年际变化特征
1982-2006年期间,加纳区域多年平均NDVI呈显著增加趋势（图4（a））,25 a的NDVI极差为0.087。在1994年NDVI出现最低值0.407,这可能是加纳1994年原木出口量达历史最高量,使得林木大面积被破坏[37-38],同时也可能与本年度发生的种族冲突造成的森林、农作物大面积受损有关[39]。2005年NDVI达到最大值0.488。
Fig. 4 Interannual variation of NDVI, precipitation and temperature in 1982-2006

图4 1982-2006年NDVI、降水、温度的年际变化

加纳区域平均气温年际波动不大,仅在27.1~28.1 ℃之间波动。气温最高值28.1 ℃,出现在1987年;1998年为气温次高值（28.0 ℃）;气温最低值出现在1992年（图4（b））。轻微的温度变化对NDVI变化没有影响（R=0.042,P>0.1）。
加纳区域平均年降水量也没有显著变化。在834~1307 mm之间波动。降水量极大值的年份有1982、1985、1987、1989、1994、1997和2000年,其中1987、1997和2000年与NDVI的极大值对应;降水量极小值的年份有1984、1986、1988、1990、1996、1998和2004年,其中,1986、1996和1998年与NDVI的极小值对应。NDVI与年降水量相关但不显著（R=0.307, p>0.1）。
从图4可看出,NDVI的年际波动可分为2个阶段：1982-1994年植被覆盖呈下降时期,此阶段温度呈减少趋势,降水量增加不大;1995-2006年加纳植被覆盖属于上升阶段,同时期的温度和降水量都有所增加。
3.2.3 NDVI多年变化趋势空间分布
1982-2006年加纳植被年平均NDVI变化速率整体上呈现自北向南递减的趋势（图5）。增加速率最大的区域主要集中于加纳的Upper West、Upper East 和Northern省的大部分地区,这几个地区植被覆盖主要为热带稀树草原。NDVI增加的面积占全国植被覆盖面积的86.2%。其中,每年增加速率在0-0.005之间的面积为27.9%,主要分布在除Upper East省的其它9个省份;增加速率在0.005-0.01的面积为27.5%;增加速率在0.01-0.015的面积比率是19.2%,其中分布于Northern省的面积比较大;增加速率在0.015-0.027之间的面积比率为11.6%,主要分布于Upper West、Upper East和Northern省。NDVI呈减少趋势的面积占总面积百分比约为13.6%,其中,NDVI变化速率在-0.005-0之间的面积为10.9%,变化速率小于-0.005的面积为2.7%,这些区域主要分布于加纳南部7省（Brong Ahafo、Volta、Ashanti、Eastern、Western、Central、Great Accra）。总的来看,加纳植被活动以正向增强为主。
Fig. 5 Spatial distribution of average annual NDVI variation rate in 1982-2006

图5 1982-2006年加纳年均NDVI变化速率的空间分布

图6比较了20世纪80年代初和21世纪初加纳植被年平均NDVI的空间分布,其中,20世纪80年代初的NDVI用1982-1986年平均值表示,21世纪初的NDVI用2002-2006年平均表示。由图6看出,加纳植被NDVI整体上南高北低的格局没有改变,这与加纳植被分布的格局是一致的,即在南方广泛分布热带森林的区域NDVI较大,在北方主要分布着稀树草原的区域NDVI相对较小。
Fig. 6 Spatial distribution of five-year average annual NDVI in the 1980 s (1982-1986) and the early-2000 s (2002-2006)

图6 20世纪80年代初和21世纪初加纳年均NDVI的空间分布

从20世纪80年代初到21世纪初,NDVI值大于0.5面积百分比从26%增加到38.2%;NDVI值在0.4-0.5之间的面积百分比从47.5%增加到51.9%;NDVI小于0.2的分布区面积没有变化,主要在沿海盆地和沃尔特盆地,其植被覆盖度较低。
3.2.4 NDVI与气温和降水量的关系
图7显示了NDVI与气温和降水的空间相关性系数,以及气温和降水量相关系数平方之差的空间分布。图7（a）、（b）中相关系数绝对值大于0.505时,相关关系通过0.01置信度检验;相关系数绝对值在0.396和0.505时,相关关系通过0.05置信度检验。
Fig. 7 Correlation relationship of temperature ,precipitation with NDVI ,and the difference between the square of two-coefficient (RNT, RNP, RNT2-RNP2, respectively)

图7 NDVI与温度和降水的相关关系,以及两相关系数平方之差

根据植被NDVI与温度变化的相关性分析（图7（a））可知,温度和NDVI之间是正相关和负相关并存,且呈负相关的区域面积较大。加纳大部分区域NDVI与气温的空间相关没有达到0.01显著性水平。NDVI与气温正相关系数达到0.05以上置信度的区域零星分布于北部的Upper West、Upper East以及Northern省;与气温的负相关系数达到0.05显著性水平的区域零星分布在Brong Ahafo和Ashanti省的交接地带以及Northern省的东南部地区。由此可见,加纳NDVI受温度影响较小。
根据植被NDVI与降水量变化的相关性分析（图7（b））可知,NDVI与降水是正相关和负相关并存,整体上呈正相关关系。加纳的大部分区域NDVI与降水量正相关,但置信度超过0.05水平的区域不多。这些区域主要分布于Upper West省的南部地区、Brong Ahafo省的西南部、Ashanti省的西南部、Eastern省中部地区和Great Accra省的中部地区（图7（b））。
相关性系数平方之差可以判断NDVI变化主要受气温还是降水量变化的影响。图7（c）展示了NDVI与气温的相关系数平方减其与降水量相关系数平方的空间分布结果。其中数字为正时,表示NDVI与气温的相关性大于其与降水量的相关性,数字越大表示气温的主导性越强;反之,当二者之差为负时,则其与降水量的相关性大于与气温的相关性,负值的绝对值越大则表示降水量对NDVI的控制越强。由植被NDVI与温度、降水的相关性系数平方差分析（图7（c））可知,NDVI与温度、降水的相关性系数平方差正负并存,负值区域比重较大。NDVI受降水量控制的区域占总区域面积的57.2%,主要分布于Upper West、Northern、Easter、Western、Ashanti和Great Accra省的大部分地区,以及Brong Ahafo省的西南部、Volta省的南部地区,其中最大相关系数差可达0.49（图7（c））。NDVI受气温控制的区域占总区域面积的42.8%,主要分布于Upper Easter、Northern省的东部、Ashanti和Brong Ahafo省的北部地区,相关系数最大差为0.33。
从以上分析可知,加纳地区的温度空间分布差异很小,研究时段的变化也很小,对加纳NDVI变化影响也较小;在极少数区域（图7（b））,降水对NDVI变化有显著影响。

4 结论

本文利用1982-2006年GIMMS NDVI数据对加纳共和国植被覆盖变化进行监测,并从气候因素探讨植被覆盖变化的影响,得出以下结论：
（1）25 a间,加纳植被覆盖虽有波动,但总体上植被覆盖呈增加趋势。NDVI的年际波动可分为2个阶段：①1982-1994年植被覆盖呈下降趋势,此期间研究区内气温和降水的波动较大,但三者的波动趋势相近;②1995-2006年加纳植被覆盖属于上升阶段,此时期温度适宜和降水比较充沛。1995-2009年气温和降水的年际变化与NDVI的年际变化大致相同。另外,加纳区域年平均气温的空间分布呈现自北向南递减趋势,年降水量分布呈南多北少状态,年平均NDVI空间分布与降水量的空间分布基本一致,这说明气候因素对NDVI的年际变化有一定的影响。
（2）从空间变化上来看,加纳大部分地区植被活动表现出不同程度的增强趋势,NDVI年增加速率为正的面积占全国植被覆盖面积的86.2%,在空间分布上整体呈现自北向南递减的趋势,即加纳北部热带稀树草原区的NDVI增加速率高于南部热带森林地区。
（3）依据气温、降水变化对植被NDVI影响的相关性分析可知：加纳大部分区域NDVI与气温的空间相关性不显著,说明气温不是影响植被覆盖变化的主要因素;加纳的大部分区域NDVI与降水量呈正相关（但置信度超过0.05水平的面积不大）;通过相关系数平方之差的研究发现,NDVI受降水量控制的区域占总区域面积的57.2%,其余区域主要受气温控制,说明降水变化对植被的覆盖变化影响较大。
（4）气候是影响植被覆盖变化的重要因素,但人类活动对植被覆盖变化的影响也不能忽视。近年来,加纳政府实施的森林可持续保护战略取得了一定成效[40],其森林退化面积减少,使植被覆盖呈上升趋势;药用植物、可可等经济农作物的广泛种植[41-42],使植被覆盖面积增加;城市森林的建设,使城区的植被覆盖呈增加趋势[43]。在气候因素和人类活动的综合作用下,加纳植被覆盖总体呈增加 趋势。

The authors have declared that no competing interests exist.

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