2010-2019年曲靖市植被NDVI變化特征分析

陳相標(biāo)

（云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南 昆明 650500）

在自然和人類活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)下，陸地生態(tài)系統(tǒng)受到了前所未有的擾動(dòng)和威脅[1-2]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，既是氣候變化的承受者，也對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，表征著生態(tài)環(huán)境的變化[3]，其研究備受廣泛關(guān)注。歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)是目前表征植被變化狀況的重要指標(biāo)[4]，能夠在較大時(shí)空尺度上客觀反映研究區(qū)植被覆蓋的變化信息[5]。因此，利用NDVI研究植被的演變格局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及生態(tài)效應(yīng)具有重要的參考意義[6]。植被NDVI作為生態(tài)指示因子的重要組成部分之一，亟待對(duì)市域尺度巖溶脆弱區(qū)的植被演變特征及演變趨勢(shì)進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

曲靖市位于云貴高原中部，滇東高原向黔西高原過渡地帶的烏蒙山區(qū)（24.19 °-27.03 °N，103.03 °-104.50 °E），國(guó)土總面積2.89×104km2。地勢(shì)西北高東南低，地貌以高原山地為主，巖溶和石漠化突出，生態(tài)環(huán)境脆弱。主要的氣候類型為亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.3 ℃，年降水量1038mm，植被主要以常綠闊葉林和針葉林為主。曲靖是云南省的產(chǎn)糧大市，有“滇東糧倉(cāng)”之稱，也是亞洲最大的煙草生產(chǎn)區(qū)，城鎮(zhèn)化率為48.45%。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選用2010、2015和2019年3期MODIS13Q1作為遙感數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)是目前研究植被變化最為廣泛的植被指數(shù)之一[7]，來源于美國(guó)航空航天局的EOS/MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率為16d。用MRT(MODIS REPROJECTION TOOLS)和AcrGIS10.2 將下載的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行格式投影轉(zhuǎn)換、影像拼接、區(qū)域裁剪和質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理；使用最大值合成法Maximum Value Composites，MVC）、均值法對(duì)MODIS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得精度較高的植被NDVI季均和年均時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法

用最大值合成法(MVC)建立植被NDVI時(shí)間序列柵格數(shù)據(jù)集[8]，分別求出季均和年均的植被NDVI最大值，公式如下：

式中，k為季序號(hào)，取值范圍為1～4，NDVIk為第k季NDVI最大值。

式中，y是年序號(hào)，取值范圍為1～10，NDVIy為第y年植被NDVI的最大值，yNDVIj為第y年第j季植被NDVI最大值。

2.2.2 均值法

均值處理是反映數(shù)據(jù)集中趨勢(shì)的一項(xiàng)指標(biāo)，能降低太陽(yáng)高度角、極端氣候條件造成的植被指數(shù)異常值的干擾，提高植被指數(shù)精度[6]。

（1）年均NDVI：使用1～12月的NDVI平均值代表該年的年均NDVI值。計(jì)算公式如下：

（2）季均NDVI：每年12個(gè)月的數(shù)據(jù)，按氣象季節(jié)法，3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月～翌年2月為冬季進(jìn)行年內(nèi)季節(jié)劃分[9]，采用平均值法計(jì)算季均植被NDVI值。公式如下：

2.2.3 趨勢(shì)性分析法

一元線性回歸分析能夠模擬每個(gè)柵格像元的變化趨勢(shì)，該方法是以單個(gè)像元時(shí)間變化特征來反映整個(gè)空間變化規(guī)律，用以綜合反映區(qū)域植被覆蓋的時(shí)空格局演變特征[10]。計(jì)算公式為：

式中：Slope為像元NDVI回歸方程的變化斜率；n為研究時(shí)序；i代表年序號(hào)；NDVIi代表第i年NDVI值；當(dāng)Slope>0時(shí)，表明植被NDVI呈增加趨勢(shì)；當(dāng)Slope<0時(shí)，表明植被NDVI呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI時(shí)間變化特征

3.1.1 季節(jié)變化特征

依據(jù)2008年中國(guó)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]和已有研究成果，將曲靖市植被NDVI值劃分為5個(gè)等級(jí)：NDVI＜0.1 為極低植被覆蓋度，0.1 ≤NDVI＜0.3 為低植被覆蓋度，0.3 ≤NDVI＜0.5 為中植被覆蓋度，0.5 ≤NDVI＜0.7 為中高植被覆蓋度，NDVI≥0.7 為高植被覆蓋度。研究表明，在整個(gè)研究時(shí)段，曲靖市植被NDVI具有明顯的季節(jié)性差異 表1），表現(xiàn)為：夏季＞秋季＞冬季＞春季。春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)植被NDVI集中于中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，所占研究區(qū)總面積的比例分別為58.81 %、98.58 %、95.03 %、68.01 %。在整個(gè)研究時(shí)段，夏季植被NDVI平均值可高達(dá)0.90，高于秋季、冬季、春季的植被NDVI值，這可能與曲靖市的氣候條件有關(guān)，亞熱帶高原季風(fēng)氣候，夏季充足的降水和適宜的溫度條件是植被生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)劑，植被生長(zhǎng)狀況良好。秋、春、冬三季植被NDVI的最大平均值分別為0.89 、0.86 、0.84 ，可以看出秋季植被NDVI的最大平均值要略高于春季和冬季。但由于曲靖是云南省的產(chǎn)糧大市,耕地面積面235.79 萬hm2截至2018年末），占該區(qū)總面積的81.59%，植被NDVI的變化受農(nóng)作物耕作制度的影響較大，導(dǎo)致曲靖市冬季的NDVI值總體略大于春季。

表1 2010-2019年曲靖市植被DNVI季節(jié)變化

3.1.2 年均變化特征

2010-2019年曲靖市植被NDVI呈增加的趨勢(shì)，增速為0.02/10a(表2)，曲靖市中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度所占面積比例最大。2010年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占曲靖市總面的33.42 %、58.94 %；2015年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占該區(qū)總面的42.06 %、54.11 %；2019年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占該區(qū)總面的40.50 %、54.31 %。在整個(gè)研究時(shí)段中，高植被覆蓋度呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，增加的面積為6037.57 km2；植被覆蓋面積有所減少的是極低植被覆蓋度、低植被覆蓋度、中植被覆蓋度、中高植被覆蓋度，減少的面積分別為2.15 km2、25.76 km2、680.97 km2、5328.72 km2。

表2 2010-2019年曲靖市植被NDVI年際變化

3.2 植被NDVI變化趨勢(shì)

為分析曲靖市植被NDVI的變化趨勢(shì)，計(jì)算了單個(gè)像元2010-2019年曲靖市植被NDVI的變化斜率Slope，并采用F檢驗(yàn)對(duì)變化趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，參照已有研究成果[12]將植被NDVI值劃分為5個(gè)等級(jí)（表3）。

表3 曲靖市植被NDVI變化斜率表

2010-2019年曲靖市植被年均NDVI變化趨勢(shì)（Slope）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：曲靖市植被生長(zhǎng)狀況呈變差趨勢(shì)（Slope<0）的面積為4592.09 km2，占該市總面積的15.89 %；全市植被生長(zhǎng)狀況趨于改善Slope>0）的面積為9632.82 km2，占該區(qū)總面積的33.32 %。植被NDVI增加的面積遠(yuǎn)大于減少的面積，表明曲靖市植被NDVI變化趨勢(shì)整體以增加為主。

在整個(gè)研究時(shí)段，曲靖市植被年均NDVI變化不顯著的面積為24143.99 km2，占總面積的83.22 %；顯著增加的面積為4614.06 km2，占總面積的15.96 %；極顯著增加變化面積為83.48 km2，占總面積的0.29 %，呈散狀零星分布；顯著減少和極顯著減少變化的面積分別為146.67 km2、5.22 km2，分別占總面積的0.51 %、0.20 %。

從2010-2019年曲靖市春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI變化趨勢(shì)可以看出 表4），春、夏、秋、冬四季植被NDVI顯著性變化趨勢(shì)都以變化不顯著為主，所占面積分別為25592.89 km2、21056.32 km2、16913.53 km2、28372.75 km2，分別占曲靖市總面積的88.54 %、72.84 %、58.51 %、98.16 %。除夏季，春季、秋季和冬季的植被NDVI增加的面積大于減少的面積。四個(gè)季節(jié)中，春季植被NDVI顯著增加的面積為1894.31 km2；顯著減少的面積為1406.47 km2；夏季植被NDVI減少的面積7555.47 km2）遠(yuǎn)大于增加的面積294.28 km2），減少的區(qū)域主要分布在耕地較為集中的地區(qū)，這可能以水稻、油菜、小麥等農(nóng)作物的收割有關(guān)，受農(nóng)作物的耕作制度影響較大；秋季植被覆蓋主要是以變化不顯著為主，所占面積高達(dá)28372.75 km2，占曲靖市總面積的98.16 %；植被NDVI在冬季顯著增加較為明顯，顯著增加的面積為11734.26 km2，占曲靖市總面積的40.59 %，明顯減少的面積為242.55 km2。

表4 2010-2019年曲靖市植被NDVI顯著性變化

4 結(jié)論

4.1 從時(shí)間變化來看，2010-2019年曲靖市植被NDVI具有明顯的季節(jié)差異性，具體表現(xiàn)為：夏季＞秋季＞冬季＞春季；近10a來，植被覆蓋總體呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，增速為0.02/10a，年內(nèi)植被NDVI的變化與農(nóng)作物耕作制度的變化具有高度一致性。

4.2 曲靖市植被覆蓋整體趨于改善，趨于改善的面積分別占曲靖市總面積的33.32%。

植被NDVI顯著增加的區(qū)域主要分布在農(nóng)業(yè)活動(dòng)耕作較為頻繁的耕地區(qū)，顯著減少和極顯著的區(qū)域主要分布在區(qū)受人類活動(dòng)影響較大的城鎮(zhèn)區(qū)。

4.3 近10a來，春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI的變化趨勢(shì)均以變化不顯著為主。四季中，植被NDVI極顯著減少和顯著減少在各縣區(qū)的主城區(qū)均有明顯分布。