湖南省植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及影響因素分析

彭晶晶 閆如柳

摘要 利用MODIS NDVI月平均數(shù)據(jù)及湖南省標(biāo)準(zhǔn)氣象站的氣象數(shù)據(jù)，采用像元二分模型對(duì)湖南省的植被覆蓋度進(jìn)行估算，并對(duì)其時(shí)空變化及影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，湖南省植被每年3月進(jìn)入生長(zhǎng)季，9月結(jié)束。植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)率為0.59%/a;湖南省89.16%的區(qū)域植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，僅1.29%的區(qū)域呈下降趨勢(shì)。植被覆蓋度減少最為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)等城市的周邊地區(qū);氣溫是影響植被覆蓋度的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

關(guān)鍵詞 植被覆蓋度;時(shí)空變化;遙感;影響因素

中圖分類號(hào) X835? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）07-0051-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.013

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Monitoring and Influencing Factors Analysis for Vegetation Coverage Dynamic Change in Hunan Province

PENG Jing-jing1，YAN Ru-liu2

（1.Changsha Meteorological Bureau，Changsha，Hunan 410205;2.Key Laboratory of Preventing and Reducing Meteorological Disaster，Hunan Institute of Meteorological Science，Changsha，Hunan 410118）

Abstract Using the monthly average data of MODIS NDVI and the meteorological data of the standard meteorological station in Hunan Province：the vegetation fractional coverage （VFC） in Hunan Province was estimated by the pixel dichotomy model and its temporal and spatial changes and influencing factors were analyzed.The results showed that vegetation began growing in March，and ended in September.The VFC showed an upward trend with rising rate of 0.59%.The area with increasing trend of VFC accounted for 89.16%，while the area with reduction trend accounted for 1.29%.The areas with the most serious VFC reduction were mainly concentrated in the surrounding areas such as Changsha and Yueyang;temperature was the main climatic factor affecting the VFC.

Key words Vegetation fractional coverage （VFC）;Temporal and spatial change：Remote sensing;Influencing factor

陸地植被與大氣圈、水圈和生態(tài)圈關(guān)系密切，是連接大氣、土壤和水體的自然紐帶，它連接著陸地生態(tài)系統(tǒng)間的能量循環(huán)[1]，是調(diào)節(jié)區(qū)域氣候和全球氣候的重要因子[2]。同時(shí)，陸表植被與地表的水源涵養(yǎng)和水土保持能力密切相關(guān)，在防止水土流失、減緩徑流、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和自然環(huán)境等方面起著關(guān)鍵作用[3-4]。植被改變了陸表的覆蓋屬性，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被覆蓋的時(shí)空變化狀況對(duì)研究山區(qū)地理格局和區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況有重要意義[5-7]。

衛(wèi)星遙感具有覆蓋廣、周期短的特點(diǎn)，在大范圍監(jiān)測(cè)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、葉面積指數(shù)等植被參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況已成為生態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段[8-9]。這些參數(shù)中，歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）與植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)等密切相關(guān)，常被用于監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)狀況[10-12]。如王一富等[13]對(duì)大理蒼山保護(hù)區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);廖春貴等[14]對(duì)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)植被覆蓋變化的特征及驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了研究。植被覆蓋的變化與氣候因子存在內(nèi)在聯(lián)系[15-17]，在氣候變化背景下，近年來(lái)北半球的植被覆蓋發(fā)生了顯著變化，其中我國(guó)除局部地區(qū)略有下降外，總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[18]。然而，植被覆蓋在空間上表現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異性，其與氣候因子的相關(guān)性也存在明顯的空間異質(zhì)性。因此，探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被覆蓋度時(shí)空分布特征及對(duì)氣候變化的響應(yīng)，對(duì)保護(hù)區(qū)域生物多樣性與生態(tài)安全具有重要意義。

考慮到植被覆蓋度時(shí)空變化的區(qū)域性差異及其與氣候因子之間的關(guān)系，筆者選取湖南省為研究區(qū)域，探討2000—2020年湖南植被覆蓋度的空間變化特征和變化趨勢(shì)及其對(duì)氣溫、降水的時(shí)空響應(yīng)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖南地處云貴高原向江南丘陵、南嶺山脈向江漢平原過(guò)渡的地帶，地勢(shì)呈三面環(huán)上、朝北開(kāi)口的馬蹄形。全省海拔西高中低，西部和南部多山區(qū)，中部多丘陵，北部為平原。湖南氣候?yàn)榇箨懶蛠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨熱同期，降雨年際變化大，夏季高溫多雨，冬季干燥少雨。在地形和季風(fēng)氣候共同影響下，湖南的森林植被以常綠闊葉林喬木和溫帶闊葉林為主。20世紀(jì)50—80年代，由于人為的過(guò)度砍伐，水土流失、石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。從2000年以后，全省在國(guó)家政策號(hào)召下進(jìn)行了退耕還林、封山育林等一系列森林修復(fù)工作，近20年來(lái)生態(tài)植被狀況呈改善趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理 該研究中使用的MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天局（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），空間分辨率為1 km×1 km，時(shí)間跨度為2000—2020年。對(duì)應(yīng)的同期氣象數(shù)據(jù)由湖南省信息中心提供，湖南省氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

使用MRT批處理軟件對(duì)MODIS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、拼接及投影轉(zhuǎn)換，采用最大值合成法（maximum value composites，MVC）[19]將旬NDVI數(shù)據(jù)合成得到月平均NDVI，進(jìn)而采用像元二分模型[20]計(jì)算得到同期植被覆蓋度（vegetation fractional coverage，VFC）。根據(jù)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度，采用Kriging空間插值法，獲得1 km×1 km空間分辨率的氣溫、降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.3 植被覆蓋度估算 植被覆蓋度（VFC）指的是植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。采用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度可以表示為：

VFC=（NDVI-NDVI soil）/（NDVI veg-NDVI soil）（1）

NDVI soil=（VFC max×NDVI min-VFC min×NDVI max）/（VFC max-VFC min）（2）

NDVI veg=（1-VFC min）×NDVI max-（1-VFC max）×NDVI minVFC max-VFC min（3）

當(dāng)區(qū)域內(nèi)可以近似取VFC max=100%、VFC min=0時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為：

VFC=（NDVI-NDVI min）/（NDVI max-NDVI min）（4）

當(dāng)區(qū)域內(nèi)不能近似取VFC max=100%、VFC min=0時(shí)，則

VFC max、VFC min取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。若沒(méi)有實(shí)

測(cè)數(shù)據(jù)，則取一定置信度范圍內(nèi)的NDVI max、NDVI min。

1.4 趨勢(shì)系數(shù)

趨勢(shì)系數(shù)指的是像元的VFC隨時(shí)間的變化率（K）。當(dāng)K>0時(shí)，表示VFC隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，數(shù)值越大，則趨勢(shì)越大;當(dāng)K<0時(shí)，代表VFC隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。

K=n×ni=1（i×VFC i）-ni=1ini=1VFC in×ni=1i2-（ni=1i）2（5）

式中，i代表年份;n為總年數(shù)，即21年;VFC i為第i年的VFC值。根據(jù)VFC像元趨勢(shì)系數(shù)和顯著水平，可將植被覆蓋度變化趨勢(shì)劃分為7個(gè)等級(jí)：極顯著改善（K>0.75%）、顯著改善（0.50%<K≤0.75%）、改善（0.25%<K≤0.50%）、基本不變（-0.25%≤K≤0.25%）、退化（-0.50%≤K<-0.25%）、顯著退化（-0.75%≤K<-0.50%）、極顯著退化（K<-0.75%）。

1.5 相關(guān)分析

為了更進(jìn)一步研究VFC與氣溫和降水之間的響應(yīng)關(guān)系，采用常用的Pearson相關(guān)對(duì)VFC值、標(biāo)準(zhǔn)化后的年降水量和年平均氣溫進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

r=ni=1[（x i-）（y i-）]

ni=1（x i-）ni=1（y i-）（6）

式中，y i為氣候因子第i年的值，為氣候因子多年平均值;x i為第i年VFC平均值;為2000—2020年VFC的年平均值。當(dāng)r達(dá)到顯著性水平（P<0.05）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即代表VFC與氣候因子之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南地區(qū)植被覆蓋度時(shí)間變化特征

經(jīng)計(jì)算，2000—2020年湖南省的VFC平均值為62%。從圖2a可以看出，湖南省月平均VFC值變化明顯，在56%～80%波動(dòng)。其中9—12月呈下降趨勢(shì)，1月份為全年最低，僅為56%，3月份之后VFC呈顯著上升趨勢(shì)，7月份達(dá)到一年中的最高值，為80%。這表明研究時(shí)段內(nèi)湖南植被3月進(jìn)入生長(zhǎng)季，生長(zhǎng)緩慢，4—6月生長(zhǎng)最快，7月達(dá)到峰值。

從2000—2020年湖南省植被覆蓋度年際變化（圖2b）可以看出，2000—2009年湖南省植被覆蓋度總體呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì);2010—2020年呈穩(wěn)定增長(zhǎng)，2020年達(dá)到68%，為最高值。近21年總體增長(zhǎng)速率約為0.59%/a，表明研究時(shí)段內(nèi)湖南省生態(tài)環(huán)境顯著改善。

為探討湖南省21年來(lái)VFC的年際變化特征，結(jié)合月平均VFC結(jié)果（圖2a），將湖南省VFC分為3級(jí)：VFC<55%為低植被覆蓋度，55%≤VFC<70%為中植被覆蓋度，VFC≥70%為高植被覆蓋度。從2000和2020年各級(jí)別VFC統(tǒng)計(jì)情況（表1）可以看出，2000年湖南省VFC主要以中、低植被覆蓋度為主;2020年，VFC以中、高植被覆蓋度為主，高植被覆蓋度占湖南省土地面積的49.82%，中植被覆蓋度和高植被覆蓋度總和占全省土地面積的85.39%。

2.2 湖南地區(qū)植被覆蓋度空間變化特征

合成年VFC影像后，采用公式（5）計(jì)算了湖南省內(nèi)各個(gè)像元2000—2020年VFC的變化情況（K值），并與湖南省行政邊界疊加，如圖3所示。從圖3可以看出，VFC明顯增加的區(qū)域主要集中在湘西和湘南;VFC明顯減少的區(qū)域主要集中在湘中區(qū)域，大部分分布在長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)等城市的周邊地區(qū)。VFC總體上呈西南部向東北部遞減。

從2000—2020年湖南省VFC變化情況統(tǒng)計(jì)（表2）可以看出，近21年來(lái)VFC急劇減少，即減少趨勢(shì)率大于0.75%以上的極顯著退化區(qū)域面積占研究區(qū)域總面積的0.23%，約為441 km2;VFC增加趨勢(shì)率大于0.75%的極顯著改善區(qū)域面積占研究區(qū)域總面積的22.67%，約為43 911 km2。湖南植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)的面積約占研究面積的89.16%，減少趨勢(shì)的面積占總面積的1.29%。

2.3 植被變化驅(qū)動(dòng)因子

2.3.1 氣候因子與VFC變化的關(guān)系。從圖4可以看出，2000—2020年湖南省氣溫和降水量總體均呈上升趨勢(shì)，其中溫度增速為0.03 ℃/a，降水量增速為5.74 mm/a。此時(shí)段內(nèi)VFC的年際變化趨勢(shì)（圖2b）與氣溫和降水量的年際變化波動(dòng)相似。

為進(jìn)一步探究氣溫和降水量與VFC年內(nèi)變化關(guān)系，采用公式（6）計(jì)算了氣溫和降水量與VFC年內(nèi)變化的相關(guān)系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，VFC與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.618（P=0.002），與年降水量的相關(guān)系數(shù)為0.340（P=0.130），表明在研究時(shí)段內(nèi)氣溫對(duì)VFC的影響更為顯著。

2.3.2 人類活動(dòng)與VFC變化的關(guān)系。人類活動(dòng)對(duì)植被的影響體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面通過(guò)生態(tài)工程（如退耕還林還草等）的實(shí)施改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，增加植被覆蓋;另一方面隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市工業(yè)、交通及住宅用地等的擴(kuò)張，城市化進(jìn)程的加快會(huì)使植被覆蓋減少，如20世紀(jì)50—80年代亂砍濫伐造成湖南省水土流失嚴(yán)重，石漠化嚴(yán)重，城市及周邊人口的聚集，交通、住宅、工業(yè)用地等緊張，導(dǎo)致植被顯著減少（圖3）。自1999年以來(lái)，國(guó)家正式啟動(dòng)退耕護(hù)岸林工程，湖南省也積極實(shí)施以天然林保護(hù)、禁止亂砍濫伐、退耕還林為主的生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策和建設(shè)工程，極大增加了湖南省植被覆蓋。

3 結(jié)論與討論

該研究以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于像元二分模型，探索了湖南省2000—2020年植被覆蓋度時(shí)空變化規(guī)律及發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，湖南省2000—2020年植被覆蓋度整體呈上升趨勢(shì)，增速為0.59%/a。其中，植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)的面積占研究區(qū)總面積的89.16%，增加較為明顯的區(qū)域主要集中在湘西和湘南;減少趨勢(shì)區(qū)域的面積占研究區(qū)域總面積的1.29%，主要集中在長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)等城市的周邊地區(qū)。氣候因子中氣溫和降水量與植被覆蓋度的年變化相關(guān)，且相關(guān)性較強(qiáng)，研究時(shí)段內(nèi)氣溫是影響植被覆蓋度變化的主要因素。湖南省在1999年啟動(dòng)實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，通過(guò)退耕還林、封山育林和人工造林等措施，極大地改善了湖南的植被生態(tài)狀況，提升了植被覆蓋度面積。

植被覆蓋度變化受眾多因素的綜合影響，該研究主要從氣候因子、人類活動(dòng)2個(gè)方面分析了湖南省2000—2020年植被覆蓋度變化情況。需指出的是，氣候因子包括氣壓、濕度、氣溫、降水量、風(fēng)速和日照等，該研究中只是討論了氣溫和降水量與VFC的關(guān)系，在以后的工作可進(jìn)一步加強(qiáng)其他氣候因子與VFC響應(yīng)方面的研究。此外，地形地貌對(duì)植被的時(shí)空分布具有一定的影響，湖南省多丘陵，海拔差異明顯，水-土-植被具有高度的相互依賴性，故在今后的研究中可加強(qiáng)地形地貌因子與不同植被類型植被覆蓋的研究，從而為湖南省植被生態(tài)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

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