基于MODIS NDVI的西南森林植被時(shí)空變化特征及其氣候響應(yīng)分析

曹云，錢永蘭，孫應(yīng)龍，錢拴，張曄萍，延昊*

1. 國(guó)家氣象中心，北京 100081；2. 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081

陸地生態(tài)系統(tǒng)與氣候變化的關(guān)系，是全球變化研究的重要內(nèi)容之一，其中植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主要組分，與氣候變化的關(guān)系一直是研究熱點(diǎn)之一（李曉兵等，2000；Parmesan et al.，2003）。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植被覆蓋和生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，被廣泛用于氣候背景下植被生態(tài)狀況的演變研究以及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)中（Sun et al.，2013；梁變變等，2017；張珍珍等，2018；何云玲等，2018)。作為監(jiān)測(cè)區(qū)域植被和生態(tài)環(huán)境變化的有效指標(biāo)（Wardlow et al.，2008），植被NDVI在不同時(shí)空尺度下演變特征，以及不同生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)氣候變化響應(yīng)機(jī)制的研究成果較多（Pettorelli et al.，2005；樸世龍等，2001；曹永強(qiáng)等，2018）。中國(guó)在2000—2010年期間有64%—66%區(qū)域DNVI呈增加趨勢(shì)，植被綠度在不斷增加（劉爽等，2012），特別是2000年以來中國(guó)植被面積僅占據(jù)全球的6.6%，卻貢獻(xiàn)了全球25%的植被葉面積的增加量，其中森林就貢獻(xiàn)了42%（Chen et al.，2019），因而開展森林時(shí)空演變規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究對(duì)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)具有重要意義。

作為亞洲主要河流的發(fā)源地，西南地區(qū)生物多樣，地形復(fù)雜，喀斯特地貌分布廣泛，區(qū)域氣候變化敏感（周金霖等，2017；黃秋昊等，2007；王維等，2010），勢(shì)必對(duì)西南自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，制約區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮（王維等，2010；Chakraborty et al.，2013；何敏等，2019）。目前，西南地區(qū)植被覆蓋狀況、生產(chǎn)力及其與氣候因子的關(guān)系已有研究（張永恒等，2009；周金霖等，2017；呂妍等，2018）。然而西南地區(qū)作為中國(guó)第二大天然林區(qū)，在以往的研究中，相對(duì)缺乏對(duì)森林演變規(guī)律及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的細(xì)致分析研究。因此，本研究基于2000—2017年MODIS NDVI數(shù)據(jù)和氣象資料，綜合利用遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)方法，定量分析 2000年以來西南不同類型森林植被變化的趨勢(shì)特征、波動(dòng)特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以期為西南林區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化影響、區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)措施的制定，提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象中心，選取西南四省內(nèi)有完整記錄的390個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1），基于2000—2017年逐日氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等整編氣象資料，利用 IDW 插值方法獲得區(qū)域年氣候要素時(shí)間序列。本研究使用的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，為NASA提供的 MOD13A3級(jí)植被指數(shù)產(chǎn)品（下載網(wǎng)址https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），時(shí)間范圍為2000—2017年逐月，空間分辨率1 km，后期由國(guó)家氣象衛(wèi)星中心進(jìn)行拼接轉(zhuǎn)投影處理。年 NDVI為1—12月NDVI的均值，可代表當(dāng)年植被的平均生長(zhǎng)狀況（李曉兵等，2002）。植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于MODIS土地覆蓋產(chǎn)品（MCD12Q1），選用IGBP全球植被分類方案，選取常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林等森林類型進(jìn)行研究。

圖1 西南地區(qū)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Spatial distribution of meteorological observation stations in Southwest China

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢(shì)分析

對(duì)于 NDVI在時(shí)間尺度的變化趨勢(shì)和強(qiáng)度，一般采用一元線性回歸分析方法，利用一元線性回歸方程的斜率（θslope）來反映每個(gè)柵格像元NDVI的變化趨勢(shì)特征（何月等，2012；羅敏等，2017）。方程斜率采用最小二乘法來估算，其值的大小反映增加或減少的速率。其計(jì)算公式（羅敏等，2017）如下：

式中：n是研究時(shí)間序列的長(zhǎng)度，本研究n=18（2000—2017年總共18年）；i代表第i年；NDVIi表示第i年的NDVI值；θslope代表NDVI隨時(shí)間變化的變化速率。

θslope>0，表示區(qū)域植被狀況改善，且數(shù)值越大說明改善效果越明顯；反之，則表明區(qū)域植被狀況變差。NDVI變化趨勢(shì)的顯著性采用F檢驗(yàn)，顯著性僅代表趨勢(shì)性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關(guān)（李璠等 2017）。根據(jù)顯著性的檢驗(yàn)結(jié)果將NDVI的變化趨勢(shì)分為如下5個(gè)類型：極顯著減少（θslope<0，P<0.01）；顯著減少（θslope<0，0.010，0.010，P<0.01）。

1.2.2 波動(dòng)分析

采用變異系數(shù)（Coefficient of variation，CV）來反映2000—2017年間森林NDVI的相對(duì)波動(dòng)程度（祝聰?shù)龋?019)，并采用幾何間隔法將穩(wěn)定性分為高穩(wěn)定、較高穩(wěn)定、中穩(wěn)定、較低穩(wěn)定、低穩(wěn)定5個(gè)等級(jí)（Cao et al.，2014）。CV計(jì)算公式為：

式中：CV為變異系數(shù)；n是研究時(shí)間序列的長(zhǎng)度；i代表第i年；NDVIi表示第i年的NDVI值；為NDVI的n年平均值。

1.2.3 相關(guān)分析

采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)分析方法，來研究光溫水因子與NDVI之間的關(guān)系，采用t檢驗(yàn)法來檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)的顯著性，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，分為極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）、不顯著（P≥0.05）。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為（何云玲等，2018）：

式中：rxy為相關(guān)系數(shù)，n為年份，i為n年中的某一年，x為自變量（氣溫、降水或日照），y為因變量（NDVI）。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI空間分布特征

2000—2017年西南林區(qū) NDVI分布存在明顯空間異質(zhì)性（圖2），年均NDVI多分布在0.3—0.8之間，區(qū)域NDVI平均為0.65，大部林區(qū)NDVI集中在 0.6—0.7之間，占林區(qū)總面積的 44.1%。NDVI≥0.7的林區(qū)主要分布在云南西部和南部地區(qū)，植被類型多為常綠闊葉樹，占林區(qū)總面積的24.1%；NDIV<0.5的林區(qū)分布面積較少，僅占總面積的8.2%，主要集中在四川西部和云南北部部分林區(qū)，植被類型多為混交林和灌叢。

從NDVI變化趨勢(shì)的空間分布特征來看（圖3），2000—2017年西南大部林區(qū)NDVI呈增加趨勢(shì)，占總林區(qū)面積的86.7%，其中以趨勢(shì)率在0—0.03/(10 a)變化范圍內(nèi)的林區(qū)為主，達(dá)到林區(qū)總面積的46.6%；增加趨勢(shì)>0.05/(10 a)的林區(qū)所占面積比例為13.6%，主要分布在云南南部和東北部部分林區(qū)。大部分林區(qū)NDVI增加趨勢(shì)均達(dá)到顯著水平，占林區(qū)總面積的63.4%；達(dá)到極顯著水平的面積也占林區(qū)總面積的52.0%，主要分布在西南東北部以及云南西南部林區(qū)。西南林區(qū)NDVI呈減少趨勢(shì)的面積較少，僅占總林區(qū)面積 13.3%，減少趨勢(shì)多為 0—0.03/(10 a)（占林區(qū)總面積的 11.3%），主要分散于四川西部等地，其中僅有18.8%林區(qū)NDVI減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。

圖2 2000—2017年西南地區(qū)森林植被年均NDVI的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of annual NDVI from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

2.2 NDVI動(dòng)態(tài)變化特征

圖3 2000—2017年西南地區(qū)森林植被年均NDVI變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)Fig. 3 Spatial distribution of annual NDVI of linear trend and significance test from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

圖4 2000—2017年西南林區(qū)逐年NDVI及其不同等級(jí)面積比例變化Fig. 4 The Change of annual averaged NDVI and proportion of area of different NDVI grade from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

近18年西南林區(qū)NDVI處于波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均每10年增加0.035，且增加趨勢(shì)達(dá)了極顯著水平（P<0.01）。其中2000年西南林區(qū)NDVI最低，平均為0.59；2017年達(dá)到最高（0.67），較2000年增加14.0%。從面積比例逐年變化來看（圖4），DNVI在0.6—0.7間的林區(qū)面積比例每年均最高，變化范圍為36.5%—43.9%，總體呈增加趨勢(shì)。對(duì)于NDVI偏小的林區(qū)，NDVI<0.5和0.5—0.6區(qū)間的林區(qū)面積比例呈顯著減少，平均每年分別減少0.4和1.0個(gè)百分點(diǎn)，到2017年僅占林區(qū)總面積的5.9%、13.5%。對(duì)于NDVI偏大的林區(qū)，NDVI>0.8和0.7—0.8區(qū)間的林區(qū)面積比例均呈顯著增加趨勢(shì)，平均每年分別增加 0.3和 1.1個(gè)百分點(diǎn)，到 2017年分別達(dá)到6.9%、36.5%，表明近18年西南森林總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

從不同省區(qū)NDVI逐年變化來看（圖5），四省林區(qū)NDVI均呈明顯增加的趨勢(shì)，重慶和貴州森林NDVI增加速率最為明顯，平均每 10年分別增加0.06、0.05。在西南四省中，云南林區(qū)平均NDVI最高，為0.68；四川林區(qū)NDVI最低，平均為0.60。云南林區(qū) NDVI年際間波動(dòng)較小，變異系數(shù)僅為0.03；重慶林區(qū)年均NDVI為0.63，年際間變化較大，變異系數(shù)達(dá)到0.05。在不同森林類型間，常綠闊葉林NDVI明顯高于其他森林類型，年均NDVI達(dá)到了0.72，落葉針葉林NDVI最低為0.56；混交林年均NDVI為0.63，波動(dòng)幅度最高，變異系數(shù)達(dá)到0.04。2000年以來，不同森林類型NDVI均呈顯著增加趨勢(shì)，混交林和灌叢變化最為明顯，平均每10年 NDVI增加 0.04，其他森林類型增速大致為0.02—0.03。

2.3 NDVI穩(wěn)定性特征

圖5 2000—2017年西南四省和不同森林類型年均NDVI變化Fig. 5 The change of annual average NDVI of different provinces and forest types in Southwest China from 2000 to 2017

圖6 西南地區(qū)森林NDVI穩(wěn)定性空間分布Fig. 6 Spatial distribution of forest volatility of DNVI in Southwest China

表1 西南地區(qū)森林NDVI穩(wěn)定性面積變化Table 1 Classification of NDVI stability level and corresponding proportions of area in forest of Southwest China

西南林區(qū)NDVI時(shí)空穩(wěn)定性分析見圖6和表1。在西南林區(qū)，中穩(wěn)定等級(jí)的分布面積最大，占總林區(qū)面積45.04%；高穩(wěn)定等級(jí)的面積也相對(duì)較多，達(dá)到33.76%，主要集中分布于四川西部和云南西北部等地，表明2000年以來西南大部林區(qū)NDVI波動(dòng)相對(duì)較小，森林植被生長(zhǎng)穩(wěn)定。較低穩(wěn)定和低穩(wěn)定等級(jí)面積僅占總林區(qū)面積的7.45%，集中分布在四川盆地與川西高原邊界地區(qū)，可能更多受到人為因素的影響，林區(qū)NDVI波動(dòng)較大，穩(wěn)定性偏差。對(duì)于不同森林類型，變異系數(shù)大小排序?yàn)?，落葉針葉林<常綠針葉林<常綠闊葉林<落葉闊葉林<混交林<灌叢，其中落葉針葉林變異系數(shù)最小，為0.023；灌叢波動(dòng)最大，變異系數(shù)較前者增加了65.3%，表明針葉林植被穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，而灌叢易受氣候變化以及人為活動(dòng)影響，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。在西南四省中（表1），中穩(wěn)定等級(jí)的林區(qū)面積在云南、貴州和重慶分布最廣，其中貴州達(dá)到72%；而四川高穩(wěn)定等級(jí)林區(qū)面積最多，達(dá)到47.3%，表明四川林區(qū)波動(dòng)最小，最為穩(wěn)定。

2.4 NDVI對(duì)氣候因子的響應(yīng)

2000年以來，西南大部分林區(qū)氣溫呈增加趨勢(shì)，云南西北部變化最為明顯，每10年增加0.5—1.0，；西南大部分林區(qū)降水、日照呈減少趨勢(shì)，分別占林區(qū)面積的64.2%和53.6%（圖7）。逐像元分別計(jì)算西南林區(qū)2000—2017年期間NDVI與年均氣溫、年降水量和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示空間分布差異較為明顯（圖8）。西南大部分林區(qū)NDVI與氣溫存在正相關(guān)性，占總林區(qū)面積的80.1%，相關(guān)系數(shù)集中分布在0—0.5之間，達(dá)到總林區(qū)面積的57.0%；與氣溫達(dá)到顯著相關(guān)的區(qū)域占總林區(qū)面積30.3%，主要分布在貴州東部、云南西部等地。西南大部分林區(qū)NDVI與降水和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)集中分布在?0.3—0.3，分別達(dá)到總林區(qū)面積的69.7%、71.2%。NDVI與降水呈正相關(guān)分布面積較高，占總林區(qū)面積的59.1%；與日照時(shí)數(shù)主要呈負(fù)相關(guān)性，占總林區(qū)面積的64.6%。從顯著水平來看，NDVI與降水、日照達(dá)到顯著相關(guān)的林區(qū)分布較少，分別占總林區(qū)面積8.7%、9.4%，表明降水和日照對(duì)西南林區(qū) NDVI變化的影響偏小，氣溫是影響西南林區(qū)NDVI變化的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

3 討論

3.1 NDVI變化趨勢(shì)一致性

在不同空間尺度下，大多地區(qū)植被NDVI整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)（劉爽等，2012；Chen et al.，2019）。在全球，有56.3%的陸地區(qū)域植被NDVI呈增加趨勢(shì)，且具有顯著季節(jié)變化趨勢(shì)（Eastman et al.，2013）。在中國(guó)，NDVI呈增加趨勢(shì)的面積大約占53.8%，達(dá)到顯著水平的面積占29.3%（劉憲鋒等，2015）；西南地區(qū) NDVI呈增加趨勢(shì)的面積占比達(dá)到60.2%（肖建勇等，2018），其中云南NDVI呈增加趨勢(shì)的面積占比達(dá)到79.8%（何云玲等，2018）。本研究對(duì)西南林區(qū)NDVI研究結(jié)果與上述研究基本一致，林區(qū)NDVI呈增加趨勢(shì)的面積占林區(qū)總面積的86.7%，其中達(dá)到顯著水平的林區(qū)面積為73.1%，明顯高于整個(gè)西南地區(qū)和中國(guó)整體水平，表明西南林區(qū)植被改善在中國(guó)較為突出。

西南地區(qū)NDVI增加速率大約平均每10年為0.015—0.028（Hou et al.，2015；肖建勇等，2018），其中草甸NDVI趨勢(shì)率平均每10年為0.013，高山植被為0.026，灌叢為0.002（張遠(yuǎn)東等，2011）。本研究對(duì)西南林區(qū)NDVI趨勢(shì)分析顯示，增加趨勢(shì)率為0.035/(10 a)，高于西南區(qū)域整體變化以及草地、灌叢等植被類型變化，說明西南森林改善趨勢(shì)要好于其他植被類型。

3.2 NDVI變化多因素影響分析

植被NDVI對(duì)氣溫和降水等氣象條件的響應(yīng)存在一定差異性，受到研究區(qū)域地形、研究時(shí)段、植被類型等多方面因素影響（杜加強(qiáng)等，2016；馬士彬等，2019；盧喬倩等，2020）。在全球，降水為全球植被變化的主導(dǎo)因子，重要性達(dá)到63.1%，氣溫次之，重要性也達(dá)到15%（Yang et al.，2019）。在中國(guó)，氣候變化與人類活動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)了中國(guó)植被覆蓋度的增加（劉憲鋒等，2015）。中國(guó) NDVI與氣溫、降水等氣候條件相關(guān)系數(shù)，從北到南逐漸降低、從東南到西北逐漸增加（李曉兵等，2000）。在西北內(nèi)陸、相對(duì)干旱地區(qū)，植被NDVI與降水因子通常呈正相關(guān)性，且影響要高于氣溫，說明水分在一定程度上是決定干旱地區(qū)植被變化的主要因素（Pettorelli et al.，2005；Song et al.，2011；羅敏等，2017）。而杜加強(qiáng)等（2015）研究發(fā)現(xiàn)新疆植被生長(zhǎng)受水熱條件、人類活動(dòng)共同控制，春、秋季的氣溫發(fā)揮主導(dǎo)作用，夏季主要受到降水量的影響。在西南地區(qū)，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，生態(tài)環(huán)境脆弱，森林生長(zhǎng)對(duì)氣溫的變化敏感，對(duì)植被變化起主導(dǎo)作用（李曉兵等，2000；張遠(yuǎn)東等，2011）。氣溫對(duì)植被影響要大于降水，成為西南喀斯特地區(qū)植被變化的主要自然因素（Hou et al.，2015；張勃等，2015；周金霖等，2017）。本研究也顯示，西南林區(qū)NDVI與氣溫達(dá)到顯著相關(guān)的面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與降水、日照的面積，氣溫是影響林區(qū)植被的重要?dú)庀笠蛩亍４送猓?000年以來中國(guó)一系列生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目的實(shí)施，人類活動(dòng)影響的逐步增強(qiáng)，也是植被覆蓋變化的重要因素（劉憲鋒等，2015；Tong et al.，2016）。本研究未能對(duì)地形地貌、人為因素等影響因子開展深入分析，今后需加強(qiáng)多因素驅(qū)動(dòng)的植被生長(zhǎng)定量分析，明確各因素影響關(guān)系與程度，進(jìn)一步深入的研究和探討植被生態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

4 結(jié)論

基于MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)，通過趨勢(shì)分析、波動(dòng)分析等統(tǒng)計(jì)方法，定量分析 2000年以來西南林區(qū)植被NDVI時(shí)空變化規(guī)律及其氣候響應(yīng)特征，主要結(jié)論如下：

（1）在空間分布上，近18年西南林區(qū)NDVI平均為0.65，多集中于0.6—0.7之間，占林區(qū)總面積44.1%，其中NDVI≥0.7林區(qū)主要分布在云南西部和南部，多為常綠闊葉林，占林區(qū)總面積的24.1%。

（2）在時(shí)空變化上，近18年西南林區(qū)NDVI呈顯著上升趨勢(shì)，平均每10年增加0.035，總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢(shì)；其中重慶森林NDVI增加速率最高，達(dá)到0.06/(10 a)，云南林區(qū)NDVI年際波動(dòng)較小，森林較為穩(wěn)定。在不同森林類型中，西南常綠闊葉林NDVI明顯高于其他森林類型，但混交林和灌叢增加趨勢(shì)最為明顯，為0.04/(10 a)。

（3）在趨勢(shì)分析中，2000年以來有86.7%的林區(qū)NDVI呈增加趨勢(shì)，其中達(dá)到顯著水平的林區(qū)面積比例為73.1%；NDVI<0.6的林區(qū)面積呈顯著減少趨勢(shì)，NDVI≥0.7林區(qū)面積呈顯著增加趨勢(shì)，表明西南低覆蓋林區(qū)向高覆蓋林區(qū)轉(zhuǎn)變，林區(qū)植被狀況明顯改善。

（4）在波動(dòng)分析中，中穩(wěn)定和高穩(wěn)定等級(jí)的林區(qū)分布面積最大，占總林區(qū)面積78.8%，主要集中分布于四川西部和云南西北部等地，表明 2000年以來西南大部林區(qū)NDVI波動(dòng)相對(duì)較小，森林植被生長(zhǎng)穩(wěn)定，其中四川林區(qū)高穩(wěn)定等級(jí)林區(qū)面積占比最高，達(dá)到47.3%，波動(dòng)最小。

（5）西南大部分林區(qū)NDVI與氣溫、降水呈正相關(guān)性，與日照呈負(fù)相關(guān)性，其中與氣溫達(dá)到顯著相關(guān)的區(qū)域占總林區(qū)面積30.3%，主要分布在貴州東部、云南西部等地；與降水、日照達(dá)到顯著相關(guān)的林區(qū)面積較少，分別占總林區(qū)面積8.7%、9.4%，表明氣溫影響要高于降水和日照，是西南林區(qū)植被變化的重要?dú)庀笠蛩亍?/p>