2000—2019年若爾蓋高原植被生長季NDVI時空變化特征研究

李 楠 韓金鋒 陽維宗 馬 驍 王耠熠 張 昆 董李勤

（1.西南林業(yè)大學地理與生態(tài)旅游學院，云南 昆明 650233；2.四川若爾蓋濕地國家級自然保護區(qū)管理局，四川 阿壩 624500；3.西南林業(yè)大學濕地學院，云南 昆明 650233；4.國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650233）

植被因其重要的生態(tài)功能，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動方面起著非常重要的作用[1-2]，在全球氣候變暖的大背景下，植被生態(tài)系統(tǒng)特征會呈現(xiàn)空間和動態(tài)方面的差異性[3-4]。因此，開展植被覆蓋時空變化研究具有重要意義。近年來，伴隨著遙感技術的發(fā)展，植被覆蓋研究成為了分析生態(tài)環(huán)境、氣候演變和水文過程等眾多領域的基礎[5]。因為植被典型光譜特征可以通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）體現(xiàn)[6]，所以國內(nèi)外相關學者基于NDVI數(shù)據(jù)探究了許多地區(qū)植被覆蓋的時空分異格局?；贜DVI數(shù)據(jù)有研究發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)的植被覆蓋呈上升趨勢[7]，與此相應整體上來說青藏高原地區(qū)NDVI呈上升趨勢[8-10]，從青藏高原分區(qū)來看，雅魯藏布江流域植被生長季的NDVI呈上升趨勢[11]，黃河源區(qū)植被生長季NDVI變化趨勢呈整體上升局部退化態(tài)勢[12]。從地形角度研究來說，瑪納斯河流域植被覆蓋與地形高度呈負相關關系，海拔越低、坡度越小則植被覆蓋改善程度越大，高海拔且坡度大的地區(qū)植被覆蓋呈退化趨勢[13]。

若爾蓋高原作為青藏高原東緣最為重要的生態(tài)功能區(qū)，區(qū)內(nèi)分布的沼澤濕地是黃河上游重要的水源補給地[14]。若爾蓋高原地區(qū)的植被生長狀況不僅關系到當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞，而且影響到整個黃河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本研究采用2000—2019年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集，利用最大值合成法、趨勢分析法、變異系數(shù)以及Hurst指數(shù)法揭示若爾蓋高原植被生長季（5—9月）NDVI的時空變化特征，以便掌握若爾蓋高原植被生長季植被覆蓋的演變趨勢，為制定切實可行的生態(tài)環(huán)境保護策略提供參考。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原位于青藏高原東緣，其地域面積約為4.3×104km2。若爾蓋高原行政區(qū)地域范圍包括了四川省的若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣以及甘肅省的碌曲縣和瑪曲縣。若爾蓋高原的平均海拔約為3 700 m，高原四周為山地地形，中部為平緩的丘狀高原地貌，中部區(qū)域地勢起伏和緩，谷地寬廣，其上發(fā)育有大片的沼澤濕地。若爾蓋高原屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候控制區(qū)，高原多年平均氣溫在0.9～2.5 ℃之間，最熱月為7月，最冷月為1月，多年平均降水量在518～800 mm，降水多集中在5—9月[13]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來自于美國國家航天局（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）的MOD-13Q1-NDVI數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)格式為hdf。本研究選取的時間范圍為2000—2019年若爾蓋高原植被生長季（5—9月份）。

采用MRT軟件對NDVI數(shù)據(jù)集進行遙感影像的轉(zhuǎn)投影（統(tǒng)一使用WGS_1984_UTM_ZONE_48°N投影），使用ArcGIS10.2軟件對遙感影像進行研究區(qū)矢量邊界的批量裁剪。為消除云層、大氣以及衛(wèi)星傳感器角度等各方面的不利影響，采用最大值合成法（MVC）[14]合成每月最大NDVI值。保留NDVI值大于0.05的有植被覆蓋區(qū)域，刪除小于0.05的無植被覆蓋區(qū)域。使用ArcGIS 10.2軟件繪制植被生長季平均NDVI的空間分布特征和變化趨勢，使用Sigmaplot軟件繪制曲線圖。

2.2 趨勢分析法

本研究采用一元線性回歸方程的斜率來分析每個像元的變化趨勢[15]。柵格像元值斜率變化的計算公式如下：

式中：Slope表示植被生長季NDVI的變化趨勢，即斜率；n為監(jiān)測年數(shù)；為第i年植被生長季NDVI的平均值。

一般來說，Slope＞0表示NDVI年際變化呈增加的趨勢，反之則說明NDVI年際變化呈減少的趨勢；Slope=0表示NDVI年際變化無改變。

2.3 變異系數(shù)分析

采用變異系數(shù)（CV）來反映柵格像元值的相對波動程度[16-17]。CV的數(shù)值越大則說明植被生長季NDVI像元值波動性越大，NDVI越不穩(wěn)定；CV的數(shù)值越小說明植被生長季NDVI越穩(wěn)定。計算公式如下：

式中：CV為柵格像元值的變異系數(shù)；N DVIi為第i年植被生長季NDVI的平均值；為2000—2019年植被生長季NDVI的平均值。

2.4 未來變化趨勢分析

Hurst指數(shù)是定量描述研究對象在時間序列上長程依賴的方法[11]，其在氣象學、金融學和水文學等領域有著廣泛的應用。本研究基于2000—2019年植被生長季NDVI的可持續(xù)性分析，研究未來若爾蓋高原植被生長季NDVI變化的游走情況，采用R/S分析法計算植被生長季NDVI變化的Hurst指數(shù)。

設有一時間序列{NDVIt}（t=1,2,3,···,n），對于任意正整數(shù)τ，定義均值序列：

累積離差：

極差：

標準差：

計算Hurst指數(shù)：

式中：H即為Hust指數(shù)，可在雙對數(shù)坐標系中用最小二乘法擬合求得。當H=0.5，則說明時間序列為一個隨機序列，不存在長期相關性；當0＜H＜0.5，表明未來的變化狀況與過去趨勢相反，即該過程具有反持續(xù)性；當0.5＜H＜1，則表明未來的變化狀況與過去趨勢一致，即該過程具有持續(xù)性；且H越接近1，持續(xù)性越強。

3 結果與分析

3.1 植被生長季NDVI的年際變化特征

若爾蓋高原2000—2019年NDVI的年際變化趨勢見圖1。研究發(fā)現(xiàn)20年來若爾蓋高原植被生長季平均NDVI的年際增長速率為0.001 9（P＜0.05），決定系數(shù)為0.539 4。根據(jù)變化趨勢可將植被生長季NDVI分為3個階段（2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年）。其中2000—2005年植被生長季NDVI年際變化速率為每年0.006 8；2006—2013年植被生長季NDVI年際變化速率為每年0.002 8；2014—2019年植被生長季NDVI年際變化速率為每年0.005 4。

圖1 20年來若爾蓋高原植被生長季平均NDVI年際變化趨勢Fig.1 Inter-annual variation trend of the average NDVI of the vegetation growth season in the Zoige Plateau in the past 20 years

綜上可知，2000—2005年若爾蓋高原植被生長季NDVI的年際變化速率最快，其次為2014—2019年NDVI的年際變化速率，2006—2013年NDVI的年際變化速率緩慢。整體來說，若爾蓋高原的植被生長季NDVI在20年間呈顯著上升趨勢，表明若爾蓋高原的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在20年來呈上升趨勢。

3.2 植被生長季NDVI的空間分布特征

若爾蓋高原2000—2019年植被生長季多年平均NDVI的空間分布格局見圖2。整體上，若爾蓋高原植被生長季多年平均NDVI值較高，為0.693，若爾蓋高原NDVI分布處于高等級狀態(tài)。表明整體上若爾蓋高原植被生長季的植被覆蓋狀況整體上良好。

將若爾蓋高原植被生長季NDVI劃分為[0.05,0.40]、(0.40,0.60]和 (0.60,0.90] 3個級別，分別代表低植被覆蓋、中等植被覆蓋和高植被覆蓋等級。其中，低植被覆蓋區(qū)域面積比例為1.57%，主要零散分布在瑪曲縣西部、阿壩縣西北部和紅原縣東南部地區(qū)。中等植被覆蓋區(qū)域面積比例為7.28%，零散分布在若爾蓋高原的西部和中部地區(qū)。高植被覆蓋區(qū)域面積的比例為91.15%，集中成片分布在若爾蓋高原的中東部地區(qū)，該等級區(qū)域面積占了若爾蓋高原地區(qū)的絕大部分。

圖2 20年來植被生長季NDVI年均值及其等級分布格局Fig.2 Multi-year mean value of NDVI and its hierarchical distribution pattern in the vegetation growth season in the past 20 years

3.3 植被生長季NDVI時序變化斜率

20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI斜率變化見圖3。根據(jù)植被生長季平均NDVI的年際變化趨勢，將斜率變化時序劃分為3個階段：2000—2005年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為-0.128 0～0.117 8，變化斜率均值為0.003 3；2006—2013年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為-0.065 0～0.065 7，均值為0.001 4；2014—2019年植被生長季NDVI的斜率變化范圍為-0.114 9～0.122 0，均值為0.002 7。由此可知，20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI的變化斜率呈快—慢—較快的變化趨勢。

圖3 20年來植被生長季NDVI變化斜率Fig.3 Slope distribution of NDVI in different growing seasons in different sections of the past 20 years

2000—2019年若爾蓋高原植被生長季平均NDVI變化斜率及其等級分布見圖4。由圖4可知，斜率變化范圍為-0.035 6～0.025 7，均值為0.000 9。根據(jù)植被生長季平均NDVI的變化斜率及其分布規(guī)律，依據(jù)呂洋等[11]的劃分標準，將若爾蓋高原植被生長季平均NDVI變化斜率劃分為(-0.036,-0.004]、(-0.004,-0.001]、(-0.001,0.001]、(0.001,0.004]和 (0.004,0.026) 等5個區(qū)間，分別表示明顯退化、輕度退化、基本不變、輕度改善和明顯改善5個等級。由表1可知，其中，若爾蓋高原22.75%的區(qū)域呈輕度改善狀態(tài)；3.43%的區(qū)域呈基本不變狀態(tài)；8.83%的區(qū)域呈明顯退化等級；64.70%的區(qū)域呈明顯改善狀態(tài)，這一等級所占比重最大；0.38%的區(qū)域呈輕度退化狀態(tài)，這一等級所占比重最小。若爾蓋高原2000—2019年植被生長季NDVI整體上呈改善態(tài)勢。

圖4 2000—2019年生長季平均NDVI變化斜率及其等級分布Fig.4 Slope and grade distribution of NDVI in different growing seasons in different sections from 2000 to 2019

表1 20年來植被生長季NDVI變化斜率等級Table 1 Slope grades of NDVI change in vegetation growth season in the past 20 years

3.4 植被生長季NDVI時序變異系數(shù)

若爾蓋高原2000—2019年植被生長季NDVI的變異系數(shù)見圖5。由圖5可知，若爾蓋高原20年來植被生長季NDVI變異系數(shù)的均值為0.186 5，表明20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI在整體上處于中等波動變化狀態(tài)。高波動變化等級主要零散分布在若爾蓋高原的四周及其中部區(qū)域，低波動變化等級集中連片分布在若爾蓋高原的中東部區(qū)域。

圖5 近20年植被生長季NDVI的變異系數(shù)及其等級Fig.5 Variation coefficient and grade of NDVI in vegetation growth season in the past 20 years

由表2可知，若爾蓋高原植被生長季NDVI變異系數(shù)等級分類中的中等波動變化等級面積的比例最大，為33.70%；低波動變化等級面積的比例最小，為3.90%；相對較低波動變化等級面積的比例為33.14%；相對較高波動變化等級面積的比例為21.67%；高波動變化等級面積的比例為7.69%。

表2 20年來植被生長季NDVI變異系數(shù)等級統(tǒng)計Table 2 Statistics of NDVI coefficient of variation in vegetation growth season in the past 20 years

3.5 植被生長季NDVI未來變化趨勢

對20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI進行Hurst指數(shù)分析，結果見圖6。若爾蓋高原Hurst指數(shù)的均值為0.432 8，表明未來植被生長季NDVI呈弱反持續(xù)性，生態(tài)環(huán)境有退化的趨勢。根據(jù)呂洋等[11]的劃分標準將若爾蓋高原植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)劃分為了4個等級（表3），分別為(0.00,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]和(0.75,1.00)，分別代表Hurst指數(shù)等級的強反持續(xù)、弱反持續(xù)、弱持續(xù)和強持續(xù)。其中強反持續(xù)占比為1.02%，弱反持續(xù)占比為77.43%，弱持續(xù)占比為21.50%，強持續(xù)占比最小，為0.05%。

圖6 植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)及其等級分布Fig.6 Hurst index and its grade distribution of NDVI in vegetation growing season

表3 20年來植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)等級Table 3 Hurst index of NDVI in the vegetation growth season in the past 20 years

4 結論與討論

若爾蓋高原水熱條件的空間分布造就了高原生態(tài)環(huán)境格局的分異特征。有研究顯示，在全球氣候變暖的大趨勢下，若爾蓋高原的氣溫呈上升趨勢。氣溫的增高在一定程度上加快了植被生長，延長了植被活動的時間范圍，提高了植被覆蓋程度[18-19]。在此大背景下，通過研究20年來植被生長季NDVI變化的時間序列，基于趨勢分析法、變異系數(shù)分析和R/S分析法研究若爾蓋高原植被生長季NDVI的時空分布格局。

2000—2019年植被生長季NDVI的年際變化趨勢方面，研究顯示20年來植被生長季NDVI呈顯著上升趨勢，趨勢率為每年0.001 9。以2005年和2013年為間隔劃分植被生長季NDVI3個時間段的增長趨勢，NDVI增長趨勢呈快—慢—較快形態(tài)?？臻g分布特征方面，若爾蓋高原植被生長季NDVI的多年均值為0.693，植被覆蓋程度呈高等級狀態(tài)。

2000—2019年若爾蓋高原植被生長季NDVI斜率變化以改善等級為占比最大部分。其中，2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年植被生長季NDVI斜率變化呈快—慢—較快增長趨勢。若爾蓋高原植被生長季NDVI的變異系數(shù)均值為0.186 5，整體上呈中等波動變化狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)在降水量基本穩(wěn)定的情況下，隨著氣溫的升高若爾蓋高原地區(qū)的蒸散發(fā)量呈逐年增加的趨勢[19]，在此背景下土壤水分的流失減弱了植物光合作用以及植物蒸騰作用的加強在長期持續(xù)發(fā)展的情況下會造成植被活動的減弱[20]。與此對應，研究發(fā)現(xiàn)20年來若爾蓋高原植被生長季NDVI的Hurst指數(shù)均值為0.432 8，整體上若爾蓋高原植被生長季NDVI的未來變化呈弱反持續(xù)狀態(tài)，未來若爾蓋高原植被生長季NDVI呈退化態(tài)勢。