金沙江下段植被NDVI變化趨勢及其歸因

丁文榮

摘要：基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)氣象站數(shù)據(jù)、退耕還林資料，輔以空間統(tǒng)計(jì)、疊置分析和趨勢分析等方法，研究了金沙江下段植被NDVI時(shí)空變化特征及其影響因素，結(jié)果表明：從年內(nèi)來看，金沙江下段植被NDVI變化呈單峰型，3月份為最低值0.55，而9月份為最高值0.75，年際上10年以來植被覆蓋總體呈現(xiàn)出增長趨勢，且這種增長存在顯著的空間異質(zhì)性；研究區(qū)植被覆蓋較好，植被NDVI平均值為0.65，海拔3 850 m以下植被覆蓋隨海拔上升而增加，超過3 850 m后隨海拔升高呈降低趨勢；年內(nèi)植被NDVI受降水量的影響較氣溫更為明顯，對兩者均有2個(gè)月的滯后期，而年際上植被NDVI則受氣溫變化的影響較降水量更為突出，且大規(guī)模的植被恢復(fù)工程對金沙江下段植被覆蓋的增加有重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：植被NDVI；氣溫；降水；人類活動(dòng)；金沙江下段

中圖分類號：K903文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0107-06

Abstract：Jinsha River is a key area for hydropower construction in China and an ecological barrier of Yangtze River.Based on the temperature and precipitation data from standard meteorological stations and MODIS data，this paper studied the spatiotemporal variation of vegetation NDVI and related influence factors in the lower section of Jinsha River through correlation analysis，spatial statistical analysis，overlay analysis，and other methods.The results showed that during a year，changes of NDVI showed a single peak，with the lowest value at 0.55 in March and the highest value at 0.75 in September.Over the 10 years，the vegetation coverage showed an overall growing trend.There was spatial heterogeneity in the NDVI growth.Below 3 850 m altitude，the vegetation NDVI generally gradually escalated with altitude，but it declined above 3 850 m altitude.During a year，the impact of precipitation on vegetation NDVI was more obvious than that of air temperature，and the NDVI change was two months behind the precipitation and temperature.Over the years，temperature had more prominent influence on vegetation NDVI than precipitation.Besides，the large-scale conversion of farmland to forest had important contribution to the increase of NDVI in the lower section of Jinsha River.

Key words：tNDVI；emperature；precipitation；human activity；Jinsha River

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，植被是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的中心環(huán)節(jié)。歸一化植被指數(shù)（Normal Difference Vegetation Index，NDVI）與生物量、葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、土地利用等密切相關(guān)，是目前最為常用的表征植被狀況的指標(biāo)。諸多學(xué)者對氣候因子與植被NDVI的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，降水、氣溫與植被NDVI關(guān)系最為密切，降水對植被覆蓋的影響具有滯后性，它們之間的關(guān)系具有顯著的空間差異[1]。國外對植被覆蓋空間變化方面的研究表明，北半球中高緯地區(qū)植被活動(dòng)顯著增加，氣候變暖導(dǎo)致全球部分地區(qū)植被覆蓋發(fā)生顯著變化[2]，這在我國對東北、華北、青藏高原及東北等地區(qū)的研究中也得到了驗(yàn)證[3-5]。對植被NDVI變化與人類活動(dòng)的關(guān)系研究，現(xiàn)有結(jié)果表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與植被恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致NDVI上升，而植被分布及變化與人口密度、單位GDP等呈顯著負(fù)相關(guān)[6]。

金沙江流域尤其是下段作為國家水電能源建設(shè)基地、長江上游的生態(tài)屏障，植被演變過程關(guān)乎國家能源安全與長江流域生態(tài)安全而備受矚目。隨著1989年長江上游水土流失重點(diǎn)防治區(qū)首批一期小流域綜合防治工程（“長治”工程）正式啟動(dòng)，1998年長江流域洪水后金沙江中下游地區(qū)停止天然林商品性采伐并實(shí)施天然林保護(hù)工程（“天?！惫こ蹋?，以及1999年開始的“退耕還林”工程后，金沙江下段植被逐步得到保護(hù)和恢復(fù)[7-8]。但是，這些工程實(shí)施后金沙江下段植被覆蓋發(fā)生的變化及其在時(shí)空上呈現(xiàn)的特征，以及這些變化的主要影響因素等問題，到目前為止仍未弄清楚?；诖?，本文在對金沙江下段植被NDVI時(shí)間空間分布格局和變化特征分析的基礎(chǔ)上，從氣候和人類活動(dòng)兩個(gè)方面分析植被NDVI變化的驅(qū)動(dòng)因素，以期為該區(qū)水電建設(shè)與生態(tài)保護(hù)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究所指的金沙江下段為四川得榮縣-九龍縣-馬邊彝族自治縣以南的金沙江流域部分，位于98°55′-104°55′E和23°30′-29°30′N之間，面積約18.87×104 km2，海拔自東向西逐漸升高，最高處位于稻城縣貢嘎山，海拔為6 032 m，而最低處為宜賓市江安縣長江河谷一帶，海拔僅236 m。區(qū)內(nèi)山地和高原占總面積的80%以上，平地僅占不足20%的面積（圖1）。金沙江下段特別是河谷地帶，光熱資源豐富，年均溫20～23 ℃，≥10 ℃積溫達(dá)7 000～8 000 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 500～2 700 h，有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展[9]。土壤類型以紅壤、紫色土和黃棕壤為主，海拔1 730 m以下發(fā)育有干熱區(qū)特有的土壤類型燥紅土。植被類型復(fù)雜多樣，鑲嵌交錯(cuò)分布，山地垂直植被帶完整，發(fā)育有西南地區(qū)特有的干熱河谷植被類型。近年來，隨著我國“長治”工程和“天?！惫こ痰膶?shí)施，生態(tài)環(huán)境總體得到恢復(fù)，但局部地段尤其是干流干旱河谷區(qū)，惡化趨勢仍未得到有效控制。

2.數(shù)據(jù)與方法

遙感數(shù)據(jù)采用地理科學(xué)數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）提供的全國MODND 1M產(chǎn)品，時(shí)間跨度為2001年1月至2010年12月，時(shí)間分辨率為1月，空間分辨率為1km。對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換，并利用研究區(qū)邊界截取金沙江下段NDVI數(shù)據(jù)后，為有效消除云遮蔽、大氣影響等不利因素，對預(yù)處理好的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，采用最大合成法MVC（Maximum Value Composites）折算為年值NDVI數(shù)據(jù)[10]。公式如下：

氣象數(shù)據(jù)為2001年-2010年金沙江下段36個(gè)氣象站月平均氣溫和降水資料（圖1），數(shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.nmic.cn/home.do）、云南省氣象局資料中心和四川省氣象局，均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括連續(xù)性檢驗(yàn)、極值檢驗(yàn)和時(shí)間一致性檢驗(yàn)。對收集到的月均氣溫和降水資料，累計(jì)得到對應(yīng)站點(diǎn)的年平均氣溫和降水量。然后采用泰森多邊形法[12]將不同站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為金沙江下段的面值氣象數(shù)據(jù)。

3 植被NDVI時(shí)空變化特征

3.1 植被NDVI時(shí)間演變

植被覆蓋度與NDVI呈正相關(guān)，可由遙感影像反演的NDVI充分反映，植被覆蓋度愈好，NDVI值愈大[13]。為揭示金沙江下段植被覆蓋的變化情況，對采用最大合成法獲取的研究區(qū)每個(gè)柵格的月NDVI值進(jìn)行全區(qū)平均，得到全區(qū)的月均NDVI值（圖2）。從圖2a中可以看出，就年內(nèi)來看，金沙江下段NDVI值變化于0.55～0.73之間，3月份為一年中的最低值0.55，而9月份為最高值0.75，呈現(xiàn)出明顯的單峰型變化特征。3月份達(dá)到最低值0.55后進(jìn)入生長期，3月-4月上升較慢，4月-6月在一年中升速最快，6月-9月微弱上升，9月份達(dá)到峰值后生長期結(jié)束并開始下降，一直持續(xù)到翌年3月份。

從年際來看，最大化NDVI數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖中（圖2（b）），能清晰的看出在研究時(shí)段內(nèi)年均植被NDVI波動(dòng)于0.63～0.68之間，2001年0.63為最低值，而2009年0.68則為最高值。年均植被NDVI呈現(xiàn)出上升的趨勢，速率為0.05/（10a）。以2005年為界，金沙江下段植被NDVI變化可以分為兩個(gè)階段，2001年-2005年有小幅波動(dòng)但趨勢不明顯，而2006年-2009年則上升趨勢較為突出。

3.2 植被NDVI空間特征

總體而言，金沙江下段植被覆蓋較好，植被NDVI多年平均值為0.65（圖3（a））。其中，滇西、滇西北和雅礱江流域干流沿線植被覆蓋在整個(gè)研究區(qū)相對最好，而滇東北的昭通一直延伸到四川昭覺縣一帶則植被覆蓋相對較差。這主要與人類活動(dòng)有較大關(guān)系，滇東北是云南省人口密度較高和開發(fā)最早的區(qū)域，降水量較少，喀斯特發(fā)育，故植被覆蓋相對為差。而滇西、滇西北則主要以發(fā)展旅游業(yè)為主，人口密度相對較低，加之眾多自然保護(hù)區(qū)，使植被得以良好保護(hù)。

從金沙江下段植被覆蓋與海拔之間的關(guān)系來看（圖3（b）），海拔高度為3 850 m左右是植被覆蓋的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3 850 m以下植被覆蓋隨著海拔高度增加而覆蓋度上升，而超過3 850 m后則隨著海拔高度的增加，植被覆蓋反而呈現(xiàn)降低趨勢。這主要是3 850 m左右為亞高山針葉林和高山灌叢草甸的分界線，海拔更高則被礫石和冰川所覆蓋[14]，植被NDVI因此降低。

圖4為金沙江下段2001年至2010年的植被NDVI空間變化狀況?？梢钥闯?，就整個(gè)金沙江下段來看，植被NDVI以增加為主，尤其是嵩明縣-西昌市一線以東地區(qū)增加最為突出，云南楚雄龍川江流域及麗江地區(qū)也主要表現(xiàn)為增加趨勢。減少的區(qū)域主要集中在3個(gè)區(qū)域，分別是云南省昆明市滇池周圍，云南省桑園河、魚泡江流域和四川省的雅礱江中下游干流沿線。采用空間統(tǒng)計(jì)方法，對金沙江下段植被覆蓋呈增加和減少趨勢的面積分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得知，增加和減少的面積分別占總面積的78.33%和21.67%。可見，經(jīng)過多年持續(xù)不斷的植被恢復(fù)和保護(hù)后，當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w整體上得到了有效提升。

4 植被NDVI變化的歸因

植被NDVI的時(shí)空變化影響要素是多方面的，可以概括為自然方面和人為影響方面。長時(shí)間尺度上人類活動(dòng)尤其是土地開發(fā)利用影響突出，短時(shí)間尺度上自然因素特別是降水與氣溫變化往往是導(dǎo)致植被NDVI變化的主控因子[15]。

4.1 植被NDVI與氣候變化

從圖5A可以看出，就氣溫而言金沙江下段年內(nèi)氣溫波動(dòng)于5.8～19.7℃之間，1月份氣溫最低而7月份氣溫最高。從降水量來看，11月至次年4月份降水量較少，不足全年降水量的10%，而降水量最多的6月-8月份，占全年的比例高達(dá)59.73%。此外，7月份既是一年中平均氣溫最高的月份，也是降水量最多的月份。對比圖2（a）可知，金沙江下段年內(nèi)植被NDVI極值出現(xiàn)在9月，而該區(qū)降雨量與氣溫的年內(nèi)極值則出現(xiàn)在7月，表明植被NDVI較降雨量和氣溫有2個(gè)月的滯后時(shí)間。

為探討年內(nèi)降水量與氣溫對植被NDVI的影響程度，對自2001年1月至2010年12月的降水量和氣溫分別與植被NDVI進(jìn)行回歸分析和相關(guān)分析（圖6）。從圖中可知，月降水量和月均氣溫與月值NDVI的確定系數(shù)R2分別為0.26和0.17，而相關(guān)系數(shù)則分別為0.52和0.42，故從年內(nèi)來看，植被NDVI受降水量的影響較氣溫更為明顯。

從年降水量變化趨勢來看（圖5（b）），2001年-2010年金沙江下段的降水呈減少趨勢，減少速率高達(dá)155.75 mm/（10a）。其中2001年降水量最多，為993 mm，而2009年降水量僅有712 mm，相當(dāng)于2001年的71.2%。就年均氣溫而言，則呈現(xiàn)出微弱的升高趨勢，速率為0.05 ℃/（10a）。對自2001年至2010年的降水量和氣溫分別與植被NDVI進(jìn)行回歸分析和相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，年降水量和年均氣溫與年值NDVI的確定系數(shù)R2分別為0.18和0.11，而相關(guān)系數(shù)則分別為-0.43和0.33。可見，從整個(gè)研究區(qū)域來看，降水的減少并沒有影響植被覆蓋度的增加，說明短期內(nèi)（2001年-2010年）降水的減少對植被覆蓋變化并沒有明顯的作用，而植被NDVI受氣溫變化的影響較降水量更為突出，這與我國重慶市、陜北地區(qū)的研究結(jié)果基本一致[4，16]。

4.2 人類活動(dòng)與植被NDVI變化

人類活動(dòng)對植被的影響分為正面效應(yīng)（如退耕還林還草等生態(tài)工程）和負(fù)面效應(yīng)（如城市擴(kuò)展、人為森林破壞等）[17]。其中，退耕還林還草工程對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和改善有重要影響。研究區(qū)所屬的四川省1999年開始退耕還林試點(diǎn)，為我國最早開始退耕還林試點(diǎn)的三個(gè)省份之一。云南省也自2000年開始試點(diǎn)，并于2002年全面啟動(dòng)了退耕還林工程。由于這些工程的實(shí)施，使金沙江下段總退耕還林面積達(dá)189 268.6 hm2，荒山荒地造林及封山育林面積分別達(dá)296 865.9 hm2和39 467.1 hm2（表1）。

有研究顯示，在山區(qū)7°、15°及25°是較為明顯的土壤侵蝕臨界坡度值[17]，而根據(jù)我國退耕還林政策，規(guī)定大于25°的陡坡耕地必須無條件地退耕，15°～25°的陡坡耕地有選擇的退耕。由此，本研究計(jì)算了金沙江下段不同坡度范圍植被NDVI的趨勢斜率，結(jié)果見圖7。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對于金沙江下段而言，0°～7°度坡度約占總面積的12.87%，是區(qū)內(nèi)人居和糧食生產(chǎn)的重要區(qū)域，盡管植被覆蓋有上升趨勢，但斜率最低（圖7）。隨著坡度的升高，平均斜率值也越來也大，7°～35°坡度之間斜率平均值都維持在一個(gè)較高的水平，其中25°～35°坡度時(shí)斜率平均值最大，為0.005。這緣于退耕還林主要集中在有坡度及坡度比較大的區(qū)域，而坡度25°以上正是金沙江下段退耕還林的重點(diǎn)區(qū)域。充分說明了坡耕地退耕還林取得了明顯的植被恢復(fù)效果，印證了金沙江下段從1989年“長治”工程、1998年“天?！惫こ桃约?999年“退耕還林”工程開始試點(diǎn)并實(shí)施后，大面積的植被恢復(fù)使2000年以后NDVI穩(wěn)定增加，是金沙江下段植被覆蓋變化的主要因素。

5 結(jié)論

本文意在揭示1989年開始的“長治”工程、1998年開始的“天?！惫こ毯?999年的“退耕還林”工程實(shí)施后，金沙江下段植被NDVI時(shí)空變化規(guī)律及其成因。結(jié)果如下。

（1） 年內(nèi)金沙江下段NDVI年內(nèi)變化呈單峰型，植被NDVI值變化于0.55～0.73之間，2001年來金沙江下段植被覆蓋總體呈現(xiàn)出增長趨勢，增速為0.05%/（10a）。

（2） 從年際來看，金沙江下段植被覆蓋存在顯著的空間差異，嵩明縣-西昌市一線以東地區(qū)增加最為明顯，減少的區(qū)域主要集中在云南省昆明市滇池周圍，云南省桑園河、魚泡江流域和四川省的雅礱江干流沿線?？傮w來看，金沙江下段植被覆蓋呈增加和減少趨勢的面積分別占總面積的78.33%和21.67%。

（3） 就影響因素而言，年內(nèi)時(shí)間尺度上金沙江下段植被NDVI受降水量的影響較氣溫更為明顯，相對于兩者有2個(gè)月的滯后時(shí)間。從年際時(shí)間尺度來看，植被NDVI受氣溫變化的影響較降水量更為突出，且大面積的植被恢復(fù)工程是金沙江下段植被覆蓋增加的重要因素。

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