基于MODIS-EVI指數(shù)的四川省植被指數(shù)時空演變特征及驅(qū)動力

伍宜丹,馬 悅,吳浩然,肖 逸,李 豪

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院,成都 611130)

植被作為重要的陸地生態(tài)環(huán)境變化的“指示器”，是物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的紐帶[1-3]，具有維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和調(diào)劑氣候的重要功能[4]。植被指數(shù)能反映出研究區(qū)域內(nèi)植被進(jìn)行光合作用的面、植被的茂密程度和地表實(shí)時環(huán)境狀況，是水土保持和生態(tài)系統(tǒng)研究的重要參數(shù)，目前已得到廣泛應(yīng)用[5-7]。

現(xiàn)常用的植被指數(shù)主要是歸一化植被指數(shù)(Normalization Difference Vegetation Index，NDVI)和增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index，EVI)。已有研究表明，NDVI在植被生長旺盛期容易達(dá)到飽和，且處理大氣干擾能力較弱、無法忽略土壤背景干擾，而EVI能根據(jù)紅光和藍(lán)光通過氣溶膠的差別，補(bǔ)償殘留氣溶膠對紅光的吸收，克服NDVI在植被高覆蓋地區(qū)易飽和、植被低覆蓋區(qū)受土壤植被影響較大、對大氣去除不徹底等缺點(diǎn)，更好地揭示植被的季節(jié)性[6]。

近年來，已有大量學(xué)者基于EVI植被指數(shù)研究國內(nèi)不同區(qū)域植被變化情況。馬昊翔等[8]基于2005—2014年EVI植被指數(shù)和氣象數(shù)據(jù)，分析青海省草地植被覆蓋變化及驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)東部黃土高原區(qū)呈顯著增長，而柴達(dá)木盆地等地呈退化趨勢，并認(rèn)為該現(xiàn)象與溫度和降水的相關(guān)性顯著。蘇俊磊等[9]基于MODIS-EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)研究廣西西江流域2007—2016年植被時空變化特征，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)EVI植被指數(shù)除存在兩次可能與重大自然災(zāi)害有關(guān)的驟然下降現(xiàn)象外，其余年份均呈上升趨勢。曹艷萍等[10]基于EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)，指出華北平原2002—2016年呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢，受人類活動和水文要素的雙重影響。

四川省地處長江上游，是重要的水資源和泥沙來源地，也是長江流域生態(tài)屏障的戰(zhàn)略要地，其地形地貌復(fù)雜，具有重要的研究意義。建國以來，由于資源不合理利用以及毀林開墾現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致四川省森林資源破壞、水土流失嚴(yán)重[11]。自2000年成為國家重大生態(tài)工程建設(shè)的首批示范區(qū)以來，四川省積極開展天然林資源保護(hù)、退耕還林還草等水土流失治理、植被恢復(fù)工程。目前，各項工程在植被恢復(fù)、水土保持方面已經(jīng)取得良好的成效。但是，利用MODIS-EVI植被指數(shù)分析四川省植被指數(shù)時空變化特征，并在此基礎(chǔ)上對驅(qū)動力進(jìn)行闡述的研究仍為空白。因此，本文基于MODIS-EVI的遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢線分析等方法，對四川省2001—2018年植被指數(shù)時空變化規(guī)律和驅(qū)動力進(jìn)行分析，旨在為區(qū)域內(nèi)植被監(jiān)測、造林工程和水土保持工程實(shí)施完成度、長江上游生態(tài)環(huán)境治理和生態(tài)屏障修復(fù)等方面提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川省位于我國西南腹地(圖1)，地處長江上游，介于97°21′—108°12′E和26°03′—34°19′N，轄區(qū)面積為48.5萬km2[12]。轄區(qū)以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山一線為界，西部高、東部低的地貌特點(diǎn)顯著。西部為高原、山地，海拔多在3 km以上；東部為盆地、丘陵，海拔多介于0.5～2 km。西北部屬于高寒氣候，海拔高差極大，氣候立體變化顯著，冬寒夏涼，年均溫4～12℃，年降水量500～900 mm[12]；西南部為山地亞熱帶半濕潤氣候，四季區(qū)分度不明顯，年均溫12～20℃，年降水量900～1 200 mm；東部為四川盆地地區(qū)，亞熱帶濕潤、半濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，年均溫16～18℃，年降水量1 000～1 200 mm。四川省植被以高原山地高寒草甸以及亞熱帶灌叢與常綠闊葉林為主[13]，主要分布在川西高原山地地區(qū)。其中，川西高原又以亞高山針葉林和亞高山灌叢草甸為主，川西南山地以常綠闊葉林為主；人工林、常綠闊葉林主要分布在川東四川盆地。

圖1 四川省區(qū)域位置

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究采用的四川省行政邊界來自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http:∥www.webmap.cn/)的1∶25萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。EVI數(shù)據(jù)來自美國NASA LPDAAC EOS數(shù)據(jù)中心(https:∥ladweb.nascom.nasa.gov/data)提供的MOD13A3月植被指數(shù)L3產(chǎn)品，時間跨度為2001—2018年，分辨率為1 km；各年年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)均來源于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km；各年統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于四川省統(tǒng)計年鑒。為提高分析效率，預(yù)處理時將上述各3個數(shù)據(jù)重采樣至5 km。

本研究首先通過四川省行政區(qū)劃矢量圖，掩膜提取得到2001—2018年MODIS-EVI月植被指數(shù)數(shù)據(jù)，然后利用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)合成EVI月植被指數(shù)數(shù)據(jù)后，得到研究區(qū)域2001—2018年的MODIS-EVI年植被指數(shù)的最大值序列影像，代表該年內(nèi)植被生長狀態(tài)。時間演變規(guī)律研究中，基于趨勢線分析法，得到四川省2001—2018年各像元EVI指數(shù)年際變化率；研究空間演變規(guī)律時，基于空間自相關(guān)分析和熱點(diǎn)分析法進(jìn)行相關(guān)性分析，通過莫蘭指數(shù)和z得分的大小反映像元間的聚集程度。最后通過相關(guān)性分析來研究氣象因子以及人為生態(tài)工程對植被指數(shù)的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢線分析法 以時間為自變量，對EVI指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，可以通過反映出整個區(qū)域植被的時間變化規(guī)律。ρslope目前該方法已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域時間序列分析研究[14-15]。計算公式如下：

(1)

式中：ρslope為EVI年際變化率；i為第i年(1≤i≤18)；y表示研究年數(shù)，本文中y=18。以像元(分辨率5 km)為單位，以年份作為自變量、EVI指數(shù)為因變量，使用最小二乘法(Ordinary Least Square；OLS)擬合各像元2001—2018年EVI指數(shù)趨勢線，并將斜率值賦值給該像元，得到四川省范圍像元級EVI指數(shù)的年際變化率。ρslope絕對值越大說明EVI值變化率越大。

2.2.2 基于全局莫蘭指數(shù)的空間自相關(guān)分析 全局莫蘭指數(shù)(Global Moran′sI)分析也稱全局空間自相關(guān)分析，指某空間單元與其相鄰空間單元格的現(xiàn)象就某種特征值在空間上的關(guān)聯(lián)性[16-18]。計算公式如下：

護(hù)理前,兩組SAS、SDS評分比較無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);護(hù)理后,兩組SAS、SDS評分均明顯下降,觀察組下降程度明顯大于參考組(P<0.05)。見表1。

(2)

(3)

式中：xj是要素j的屬性值；wij是要素i和j之間的空間權(quán)重；n為要素總數(shù)，且：

(4)

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)EVI時間變化分析

四川省2001—2018年平均植被覆蓋度以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山為界，表現(xiàn)出東高西低、南高北低的分布規(guī)律，空間異質(zhì)性顯著，但區(qū)域范圍內(nèi)存在部分區(qū)域的植被覆蓋度一直穩(wěn)定在高值或低值，四川省西北部長期處于低值狀態(tài)。達(dá)州、德陽和成都等市首先于2006年出現(xiàn)極高值分布區(qū)，達(dá)州—巴中—廣元—綿陽4個城市逐漸于2012年形成極高值包圍圈，并在2018年，與德陽、成都、雅安、樂山、宜賓五市極高值帶聯(lián)結(jié)成一帶。2001年、2006年、2012年、2018年植被覆蓋度年均值分別為0.255，0.272，0.277，0.295，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.053，0.057，0.063，0.075?？傮w而言，EVI植被指數(shù)隨時間變化顯著(圖2)。

圖2 2001年、2006年、2012年、2018年四川省EVI植被指數(shù)

近18 a研究區(qū)域內(nèi)植被年際EVI均值介于0.255 2～0.294 7，以0.22%/a的速率波動上升(圖3)。2001年出現(xiàn)明顯的偏離值，是研究時段內(nèi)的最低值，分析原因，可能是由于各項工程剛開始實(shí)施，植被增長速度較快。2001年，2006—2008年，2010年，2012—2014年增幅顯著，2008—2010年出現(xiàn)波動下降，并于2012年達(dá)到較低值。2008年前后標(biāo)準(zhǔn)差突變明顯，但2007—2009年EVI植被指數(shù)值基本符合線性方程擬合值，說明2008年的汶川地震給四川植被造成了極大損失的同時，省市州各部門均出臺植被恢復(fù)舉措，使得四川省EVI植被指數(shù)處于正常值，未出現(xiàn)較大波動。

圖3 2001-2018年四川省年均EVI植被指數(shù)

圖4 2001-2018年四川省EVI指數(shù)年際變化率

為進(jìn)一步研究2001—2018年四川省植被改善狀況，本文將2001—2018年EVI年際變化率劃分為6個等級，2001—2018年四川省EVI指數(shù)年際變化率分級及面積占比見表1。

表1 2001-2018年四川省EVI指數(shù)年際變化率分級及面積占比

結(jié)合圖4和表1分析，13.6%研究區(qū)域格網(wǎng)的年際EVI變化率為負(fù)值，集中分布在川西北地區(qū)甘孜州以及成都市境內(nèi)，這些區(qū)域的植被覆蓋呈減少趨勢；86.44%的為正值，區(qū)域植被覆蓋呈增加趨勢。川西北高原地區(qū)極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0，0.32%，22.20%，75.47%，1.95%，0；川西南山地區(qū)域極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0.10%，0.67%，10.93%，47.57%，35.63%，5.01%；川東四川盆地地區(qū)極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0.19%，0.54%，2.38%，17.77%，56.93%，22.19%。

川西北高原范圍內(nèi)的植被變化情況不存在極顯著退化和極顯著改善區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的植被變化以輕度改善和較顯著改善為主，輕度改善面積達(dá)60.12%，較顯著改善面積占11.26%。川西南山地地區(qū)以輕度改善和較顯著改善為主，合計面積占比超83%。與川西北高原相比，川西南山地的總體改善程度更好；川東四川盆地較顯著改善面積占比達(dá)56.93%，極顯著改善的面積占13.40%，遠(yuǎn)大于川西北高原和川西南山地兩個區(qū)域，是四川省植被恢復(fù)程度最好的區(qū)域。整體而言，所劃分的3個區(qū)域年際變化大多介于-0.25～0.50范圍內(nèi)，即以輕度退化、輕度改善、較顯著改善為主，而較顯著退化、極顯著退化和極顯著改善面積占比較小，并且川東四川盆地植被增長速度遠(yuǎn)高于另外兩個區(qū)域。西部EVI指數(shù)變化率基本穩(wěn)定在0%～0.25%范圍，甘孜州極少部分區(qū)域存在變化率在-1～-0.5區(qū)域；東部變化率基本大于0，負(fù)值區(qū)域基本在成都平原范圍，分析該現(xiàn)象出現(xiàn)原因，可能與成都市城市擴(kuò)張速度過快、人口增長迅猛等因素有關(guān)。

3.2 研究區(qū)EVI空間變化分析

由四川省2001—2018年平均EVI指數(shù)(圖5)，可看出四川省范圍內(nèi)植被指數(shù)平均數(shù)出現(xiàn)明顯的空間差異性，東西部差異較大。2001—2018年EVI指數(shù)平均值為0.255，標(biāo)準(zhǔn)差為0.053。最大值為0.410，零星分布在在川南、川東北地區(qū)；最小值為-0.100,分散出現(xiàn)在川西甘孜、阿壩州以及成都市范圍內(nèi)。

圖5 2001-2018年四川省平均EVI指數(shù)

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況將植被覆蓋度分為無植被覆蓋、極低覆蓋、低覆蓋、中覆蓋、高覆蓋5個級別(表2)。2001年基本以植被低覆蓋和中覆蓋為主，2001—2018年，低、中植被指數(shù)面積逐年減少，2018年高植被指數(shù)區(qū)域面積超過區(qū)域總面積的25%，而低植被指數(shù)區(qū)域面積下降近30%，中植被指數(shù)面積減少超過23%。整體情況可反映出：東西部各項造林工程、退耕還林工程以及天然林保護(hù)工程完成情況良好，植被覆蓋呈現(xiàn)良好增長態(tài)勢。

表2 2001年、2006年、2012年、2018年EVI植被指數(shù)分級及各項面積占比

3.3 研究區(qū)EVI空間自相關(guān)分析

對四川省EVI植被指數(shù)進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析，得到2001—2018年四川省EVI植被指數(shù)莫蘭指數(shù)(圖6)。研究區(qū)2001年全局莫蘭指數(shù)最低，說明該年植被覆蓋破碎化程度較大，2001—2018年省內(nèi)植被覆蓋破碎化程度逐漸減小。莫蘭指數(shù)在不同年份表現(xiàn)出一定的波動性：在2004年、2006年、2009年、2017年、2018年略微降低，2010—2016年都呈現(xiàn)良好的增長態(tài)勢但在2017年開始略微減少。2001—2018年莫蘭指數(shù)均大于0且明顯增大，并且z得分都較大(z>0.7)，說明區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度在空間上具有極強(qiáng)正相關(guān)性，整體高聚集效應(yīng)也更為顯著。

圖6 2001-2018年四川省EVI植被指數(shù)莫蘭指數(shù)

對2001年、2009年、2018年EVI植被指數(shù)進(jìn)行熱點(diǎn)分析，深入研究四川省EVI植被指數(shù)的局部相關(guān)性，得到2001年、2006年、2012年、2018年四川省EVI指數(shù)熱點(diǎn)分析以及2001—2018年平均EVI指數(shù)熱點(diǎn)分布圖(附圖1)。結(jié)果表明：(1) 四川省植被覆蓋存在明顯的差異性，植被覆蓋度熱點(diǎn)和冷點(diǎn)分帶明顯，植被覆蓋度高的區(qū)域集中分布在省東部，而西部覆蓋度低；(2) 2001年植被覆蓋度空間分布最為離散，極少出現(xiàn)連片分區(qū)現(xiàn)象，不顯著區(qū)域占比63.0%。至2018年四川省植被覆蓋度的高值點(diǎn)和低值點(diǎn)四川省的植被覆蓋在空間上出現(xiàn)擴(kuò)散效應(yīng)，負(fù)值點(diǎn)和正值點(diǎn)范圍都在擴(kuò)大，不顯著區(qū)域范圍占比縮小至49.6%研究區(qū)域內(nèi)不顯著區(qū)域的范圍顯著減少。

3.4 EVI變化驅(qū)動力分析

氣候條件是影響植被分布的主要環(huán)境因子，其中又以氣溫和降水為主。為探究2001—2018年四川省植被覆蓋時空演變驅(qū)動因素，本文從氣象因子、生態(tài)工程兩方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。2001—2018年，四川省年均降水量以2.48 mm/a的速度呈不顯著波動減少趨勢。全省降雨可以青川—汶川—康定—九龍—鹽源為界，東部川中丘陵、成都平原和川東平行嶺谷地區(qū)年均降水量達(dá)1 000 mm/a以上，水量豐富，為全國突出的多雨區(qū)；雅安—樂山地區(qū)年均降水量高達(dá)1 300 mm/a以上，是全省降水最富集地帶；川西高原山地區(qū)域年降水量較少，基本不足800 mm/a，石渠等縣年均降水量不足600 mm/a，屬于降水量極少區(qū)域。

溫度波動較大，整體以0.01℃/a的速度增加，增溫幅度低于全國平均水平。2001—2018年四川年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢，且最低溫度對增溫貢獻(xiàn)度最大。除2003年，2007年，2014三年外，其余年份溫度與EVI指數(shù)的變化率呈正相關(guān)趨勢(圖7)。

圖7 2001-2015年年降水量和年均溫

四川省總體雖呈“干熱化”發(fā)展趨勢，但通過對四川省EVI植被指數(shù)與降水量、溫度的相關(guān)性驗證得：降水量和溫度的顯著性p值分別為0.296，0.255，均大于0.05，故四川省EVI植素與降水量以及溫度相關(guān)性不顯著，因此在四川省范圍內(nèi)降水量和溫度對EVI植被指數(shù)的影響程度較低。

進(jìn)一步分析生態(tài)工程措施對植被覆蓋度的影響(圖8)，四川自2000年成為“退耕還林工程”和“天保工程”首批示范區(qū)，至今在各市開展了退耕還林、植樹造林、天然林保護(hù)以及封山育林等一系列生態(tài)措施，使2001—2018年四川省森林面積增加56.93%[13]，實(shí)施人工造林和封山育林措施的有林地和丘陵區(qū)植被改善顯著。計算森林面積與EVI年均值的相關(guān)性可知：森林面積與植被指數(shù)變化呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。

圖8 2001-2018年森林面積與EVI植被指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

進(jìn)一步分析川東四川盆地和川西高原山地年際變化率出現(xiàn)較大差異的原因。四川東部盆地屬于典型的丘陵集中分布帶，地處龍門山前緣向盆地的過渡地帶，從北向南地形由深丘向淺丘過渡，海拔介于250～600 m。該區(qū)域人口集中，墾殖率50%～70%，以水稻、棉花、玉米、油菜、甘蔗作為主要的農(nóng)作物，土壤質(zhì)地松軟，極易受到侵蝕和風(fēng)化。2018年四川省森林覆蓋度達(dá)38.1%[13]，但東部地區(qū)不足7%，是四川森林覆蓋度最低區(qū)域。成都作為四川省省會，與其周圍城市的2001—2018年際變化率出現(xiàn)較大差異，即出現(xiàn)明顯的負(fù)增長。分析其原因：成都平原為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，地形以平原為主，耕地利用率達(dá)90.2%。植被以栽培植被為主，且人工種植栽培植被多為糧食作物、果林等人工經(jīng)濟(jì)林，植被覆蓋受人類活動影響大[21]。由于城市擴(kuò)張，城市人口增長(常住人口數(shù)從1 013萬人增至1 604萬人)和城市現(xiàn)代化發(fā)展引起城市建設(shè)用地比例迅速上升，對成都市植被覆蓋產(chǎn)生負(fù)面影響。

而川西高原與山地地區(qū)部分區(qū)域?qū)儆诟珊蛋敫珊祬^(qū)域，年均降水量在400 mm以下。如甘孜州的鄉(xiāng)城縣、得榮縣、巴塘縣以及攀枝花市。這些地區(qū)生態(tài)狀況脆弱，自然條件惡劣，原始林業(yè)資源匱乏，并且濫采、過度放牧等人為干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，致使全省植被退化現(xiàn)象嚴(yán)重。已有學(xué)者研究表明[22]：四川省干旱半干旱區(qū)域生態(tài)環(huán)境的退化是地貌陡峭、地表結(jié)構(gòu)脆弱、水熱分配不均、板塊運(yùn)動活躍等自然因素和過載放牧、毀林開荒、陡坡耕作等人為因素共同作用而成。因此，在此基礎(chǔ)上如何根據(jù)土壤和水分這兩大限制因素提高土壤有效水含量，進(jìn)而促進(jìn)植被覆蓋度是我省未來一段時期發(fā)展的重點(diǎn)。

4.2 結(jié) 論

(1) 2001—2018年，四川省植被覆蓋度空間分布不均，呈明顯的東高西低分布規(guī)律。

(2) 2001—2018年全省EVI指數(shù)以0.22%/a的速率增加，四川省范圍內(nèi)13.6%面積的年際EVI變化率為負(fù)值，86.4%的為正值，以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山為界，東部EVI植被指數(shù)增速明顯，高值集中分布在廣元等市，負(fù)值分布在西部川西高原和山地的甘孜州、阿壩州部分縣以及成都市溫江等區(qū)。

(3) 2001—2018年研究區(qū)域內(nèi)極顯著改善植被面積占比9.4%、較顯著改善27.7%、輕度改善49.3%。整體植被改善程度良好，川東四川盆地改善情況遠(yuǎn)高于西部川西北高原和川西南山地。

(4) 四川省總體呈“干熱化”發(fā)展趨勢，在年均溫增加、年降水量減少的條件下，EVI植被指數(shù)仍顯著增加，說明我省各項生態(tài)工程建設(shè)實(shí)施情況良好，水土保持能力提升顯著。