2010—2020 年云南省植被覆蓋度時空變化及其地形效應

豐博，董燕

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

植被是覆蓋地球表面的所有植物的總稱，作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在地表生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)交換和能量傳輸過程中起著“紐帶”的作用[1]。植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）是指植被包括葉、莖、枝在內(nèi)的地上部分垂直投影到地面的面積占區(qū)域總面積的百分比，作為度量植被覆蓋的一個重要指標，其克服了在植被覆蓋較高地區(qū)，歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）監(jiān)測植被覆蓋容易出現(xiàn)過飽和的情況，被廣泛應用于區(qū)域植被生長狀況和生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測[2-5]。

云南省作為中國面向南亞和東南亞的輻射中心，省內(nèi)自然資源豐富多樣，素有“動植物王國”之稱，在國家“一帶一路”建設中具有重要地位。在大力推進生態(tài)文明建設和環(huán)境保護的背景下，分析云南省近年來植被覆蓋的時空變化特征和規(guī)律，對探索適宜當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境治理方向，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟的健康發(fā)展等具有現(xiàn)實意義?，F(xiàn)有的相關研究多集中在生態(tài)脆弱地區(qū)，如黃土高原[6-7]、青藏高原[8]等，涉及云南省的研究或從西南地區(qū)整體[9-10]進行分析，或僅對云南省的部分區(qū)域[11-14]進行分析，劉群等[15]從氣象和人類活動的角度分析了云南省植被覆蓋變化的時空差異，但未考慮植被分布的地形差異。因此，本文利用MODIS 數(shù)據(jù)和SRTM DEM 數(shù)據(jù)，結合趨勢分析法和變異系數(shù)，分析云南省2010—2020 年植被覆蓋的時空變化特征和地形效應，以期更深入和全面地了解近年來云南省的植被覆蓋變化，為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護和改善提供參考。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于97°31′～ 106°11′ E 和21°8′～ 29°15′ N 之間，總面積有39.41×104km2，占全國國土總面積的4.1%。地勢西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，以元江谷地和云嶺山脈南段寬谷為界，分為東西兩部。東部為滇東、滇中高原，地形起伏較?。晃鞑繛闄M斷山脈縱谷區(qū)，地勢險峻；西北部最高海拔為6 740 m；南部最低處海拔僅有76.4 m。氣候基本屬于亞熱帶高原季風型，同時具有寒、溫、熱（包括亞熱帶）三帶氣候。全省平均氣溫，最熱月（7 月）月均氣溫在19～ 22℃，最冷月（1 月）月均氣溫在6～ 8℃，年溫差一般只有10～ 12℃。全省降水量在季節(jié)上和地域上的分配極不均勻。干濕季節(jié)分明，濕季（雨季）為5—10 月，集中了全年85%的降水量；干季（旱季）為11 月至次年4 月，降水量只占全年的15%。全省降水量的地域分布差異大，最多的地方年降水量可達2 200～ 2 700 mm，最少的僅有584 mm，大部分地區(qū)年降水量在1 000 mm 以上。全省無霜期長，南部邊境全年無霜，偏南地區(qū)無霜期為300～ 330 d，中部地區(qū)約為250 d，比較寒冷的滇西北和滇東北地區(qū)為210～ 220 d。云南省植物種類復雜多樣，主要以亞熱帶常綠闊葉林為主，其建群種主要是殼斗科Fagaceae、山茶科Theaceae 和樟科Lauraceae 等科的樹種。紅壤是省內(nèi)分布最廣、最重要的土壤資源，其面積占全省土地面積的50%。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

MODIS 數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA）戈達德數(shù)據(jù)中心（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），行政區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心1：100 萬全國基礎地理數(shù)據(jù)庫，DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https://www.gscloud.cn/）的SRTM DEM 90 m 高程數(shù)據(jù)。選擇2010 年1 月—2020 年12 月覆蓋云南省的MOD13A3 月合成植被指數(shù)產(chǎn)品，共264 景，行列號為h26v06、h27v06，空間分辨率為1 km×1 km。MOD13A3屬于MODIS 的三級產(chǎn)品，為經(jīng)過定標及幾何校正處理后的數(shù)據(jù)。MODIS 數(shù)據(jù)的預處理包括：①利用MRT（MODIS Reprojection Tools）軟件完成MODIS 數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換和重投影；②利用云南省行政區(qū)矢量邊界完成圖像的拼接和裁剪；③采用最大值合成法（Maximum Value Composites，MVC）削弱云層等大氣因子的影響[16]，將月NDVI數(shù)據(jù)進行年最大值合成，以便真實地反映植被的覆蓋狀況，并去除無效值和異常值，得到云南省2010—2020 年逐年NDVI數(shù)據(jù)集。覆蓋研究區(qū)的DEM 數(shù)據(jù)行列號為56_07、56_08、57_07、57_08、58_07、58_08，在Arcgis10.2 軟件中完成投影、拼接、裁剪等預處理，并重采樣至1 000 m，在此基礎上完成高程、坡度和坡向分級圖用于后續(xù)分析。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度的計算 本文采用像元二分法計算植被覆蓋度，相較于其他方法，該方法簡單且不依賴于實測數(shù)據(jù)，得到了廣泛應用[17]。利用NDVI計算植被覆蓋度公式為：

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVIv為植被覆蓋部分的NDVI值；NDVIs為無植被覆蓋的裸土部分的NDVI值。應用該方法的關鍵是確定NDVIs和NDVIv的取值，受觀測條件變化和影像噪聲等影響，NDVIs和NDVIv的值不為定值，而是在一定范圍內(nèi)波動。在實際應用中，通常采用一定置信度范圍內(nèi)的最大和最小值確定[18-19]。本文植被覆蓋度的計算在ENVI5.3 軟件中完成，為得到更準確的NDVI值分布統(tǒng)計結果，在計算前利用NDVI＞0 制作逐年非水體掩膜，排除水體覆蓋區(qū)域，取像元數(shù)量累計百分比在0.5%和99.5%附近的NDVI值（即0.5%的置信度）分別作為NDVIs和NDVIv，計算2010—2020 年的逐年植被覆蓋度。

1.3.2 趨勢分析法 采用一元趨勢分析法，在像元尺度上分析云南省2010—2020 年植被覆蓋度的變化趨勢。相較于簡單的差值法，該方法可以擬合整個時序上的植被覆蓋數(shù)據(jù)，降低偶然因素的影響，綜合反映研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的時空變化特征。其計算方法如下：

式中，slope表示變化趨勢的斜率；n表示研究總年數(shù)；FVCi表示第i年的植被覆蓋度；slope＞0，表示植被覆蓋度呈增加趨勢，slope＜0，表示植被覆蓋度呈減少趨勢。

利用F檢驗來檢驗變化趨勢的顯著性，F(xiàn)統(tǒng)計量的計算公式如下：

式中，n為研究總年數(shù)；為誤差平方和；為回歸平方和；為第i年的植被覆蓋度的回歸值；FVCˉˉˉˉˉˉ表示2010—2020 年植被覆蓋度的平均值；FVCi表示第i年的植被覆蓋度。

1.3.3 變異系數(shù) 變異系數(shù)可以分析植被覆蓋度的波動情況，其值的大小反映了植被覆蓋度在研究時序上的穩(wěn)定性[20]。其計算公式如下：

另外，“吃虧是福，想開點，沒有過不去的火焰山”。心寬體健嘛，懂得忍讓和謙和，也是李老先生健康的又一秘訣。在華人社區(qū)，常常可以看到，老爺子身邊圍了一群朋友，中外黑白老幼都有，大家的臉上都喜笑顏開，其樂融融。

式中，Cv表示2010—2020 年植被覆蓋度的變異系數(shù)；σFVC表示2010—2020 年植被覆蓋度的標準差；FVCˉˉˉˉˉˉ表示2010—2020 年植被覆蓋度的平均值；Cv值越大，表示數(shù)據(jù)越離散，波動性越大；Cv值越小，表示數(shù)據(jù)越集中，波動性越小。

2 結果與分析

參考伍良旭等的研究結果[21]，并結合研究區(qū)的實際情況，本文將植被覆蓋度等間距劃分為五類：水域或低植被覆蓋度（0～ 0.2）、中低植被覆蓋度（＞0.2～ 0.4）、中植被覆蓋度（＞0.4～ 0.6）、中高植被覆蓋度（＞0.6～ 0.8）、高植被覆蓋度（＞0.8～ 1.0）。

2.1 云南省植被覆蓋度分布特征

2.1.1 空間分布特征 對2010—2020 年云南省植被覆蓋度求平均得到全省多年年均植被覆蓋度，結果如圖1。由圖1 可以看出，云南省以中高及高植被覆蓋度為主，整體植被覆蓋度較高，呈西南高，西北、東北以及中部低的空間分布格局，植被覆蓋度由北向南、由東向西逐漸增加，其中，以南部的西雙版納植被覆蓋度最高，為0.891。具體來看，低植被覆蓋度地區(qū)占全省總面積的0.93%，主要是城市所在地以及滇池、洱海、撫仙湖、梅里雪山、玉龍雪山等地；中低植被覆蓋度地區(qū)占全省總面積的1.64%，主要是湖泊邊緣地區(qū)以及城市輻射區(qū)；中植被覆蓋度地區(qū)占全省總面積的6.89%，零星分布于中部及西北部地區(qū)；中高植被覆蓋度地區(qū)占全省總面積的41.12%，廣泛分布在東北、西南以及中部地區(qū)；高植被覆蓋度地區(qū)占全省總面積的49.42%，集中分布在西南、西部以及南部地區(qū)。

圖1 2010—2020 年云南省平均植被覆蓋度的空間分布Figure 1 Spatial distribution of average vegetation coverage in Yunnan province from 2010 to 2020

2.1.2 時間分布特征 基于平均植被覆蓋度，分別以月、年為時間尺度，分析2010—2020 年云南省植被覆蓋度的時間分布特征。從年內(nèi)變化看，如圖2A 所示，2010—2020 年，云南省植被覆蓋度月均值分布不均勻，分布曲線整體呈“單峰”分布，月均值在0.614～ 0.756 之間波動。其中，1—4 月，曲線波動不大，月均值分布較均勻，最低值出現(xiàn)在2 月，為0.614；從5 月開始，云南省逐漸進入雨季，降水量增加，氣溫升高，植被進入生長期，植被覆蓋度大幅上升；到7 月，植被覆蓋度達到較高水平，此后緩慢上升；至9 月時，達到一年中的最高值，月均值為0.756；9 月之后，隨著氣溫下降，降雨量減少，植被開始衰退，植被覆蓋度大幅下降；11 月到第二年的2 月，降幅最大，降到一年中的最低值。

從年際變化看，如圖2B 所示，2010—2020 年云南省年平均植被覆蓋度整體上呈小幅上升趨勢，增速為0.003 4·a-1。除在2011 年出現(xiàn)較大下降外，全省植被覆蓋度在其他各年的變化范圍不大，年均值在0.735～ 0.789 之間波動。全省多年平均植被覆蓋度為0.771，2016、2017、2018、2019、2020 年的年均植被覆蓋度高于多年平均水平，2012 年的年均植被覆蓋度略高于多年平均水平，2010、2011、2013、2014、2015 年的年均植被覆蓋度低于多年平均水平。2011 年的年均植被覆蓋度為0.735，為11 年中的最低值，2018 年的年均植被覆蓋度最高，達到0.789。據(jù)相關文獻[22]，2010—2011 年，云南省遭遇了百年一遇的全省性特大旱災，多地降水極端偏少，對植被覆蓋度變化造成了一定的影響。

對不同等級植被覆蓋度的面積變化進行分析，結果如圖2C。從整體上看，2010—2020 年云南省中高及高植被覆蓋度地區(qū)面積變化較大，低植被、中低植被和中植被覆蓋度面積變化較小。高植被覆蓋度面積占比由2010年的46.52%上升到2020 年的54.98%，中高植被覆蓋面積占比由2010 年的40.51%下降到2020 年的34.51%，中植被覆蓋度面積由2010 年的9.76%下降到2020 年的7.35%，中低植被覆蓋度面積占比由2010 年的2.13%下降到2020 年的1.97%，低值被覆蓋度面積占比由2010 年1.08%上升到2020 年的1.20%。其中，受大旱影響，2011 年的高植被覆蓋度面積占比大幅下降，達到最低值，為40.18%，而低植被、中低植被、中植被和中高植被覆蓋度面積占比增加，達到最高值，分別為1.29%、2.96%、12.76%、42.81%。2011 年以后，高植被覆蓋度面積占比逐漸上升，到2018 年達到最高值，為57.76%，低植被、中低植被、中植被和中高植被覆蓋度面積占比則逐漸下降到最低值，分別為1.14%、1.67%、6.20%、33.23%。

圖2 2010—2020 年云南省植被覆蓋度的時間分布Figure 2 Temporal distribution of vegetation coverage in Yunnan province from 2010 to 2020

2.2 云南省植被覆蓋度變化特征

2.2.1 植被覆蓋度的變化趨勢 結合F檢驗結果將植被覆蓋度變化趨勢分為以下五個等級：極顯著減少（slope＜0，P＜0.01）、顯著減少（slope＜0，0.01＜P＜0.05）、變化不顯著（P＞0.05）、顯著增加（slope＞0，0.01＜P＜0.05）、極顯著增加（slope＞0，P＜0.01）。由圖3 顯示，云南省植被覆蓋度極顯著減少地區(qū)占總面積的0.80%，植被覆蓋度顯著減少地區(qū)占總面積的1.49%，植被覆蓋度變化不顯著地區(qū)占總面積的83.42%，植被覆蓋度顯著增加地區(qū)占總面積的9.21%，植被覆蓋度極顯著增加地區(qū)占總面積的5.07%。植被覆蓋度增加地區(qū)的面積和減少地區(qū)的面積分別占全省總面積的14.29%和2.29%，前者是后者的6.24 倍，表明2010—2020 年云南省的植被覆蓋往好的方向發(fā)展。從空間分布上看，北部好于南部，東部好于西部。昭通市、楚雄州、曲靖市北部是植被覆蓋度增加的主要區(qū)域，植被覆蓋度減少的地區(qū)主要集中在植被覆蓋較低的湖泊區(qū)域和受人類活動影響較大的城市區(qū)域。

圖3 2010—2020 年云南省植被覆蓋度的變化趨勢Figure 3 Trend of vegetation coverage in Yunnan province from 2010 to 2020

2.2.2 植被覆蓋度的波動變化 如圖4 所示，2010—2020 年，云南省植被覆蓋度的變異系數(shù)在0.005～ 3.162 之間，均值為0.094，空間差異明顯。整體波動情況表現(xiàn)為，中部和東部大于西北和北部，西北和北部大于西南和南部。具體來看，植被覆蓋度波動明顯的地方集中在滇池、撫仙湖、洱海等湖泊區(qū)域和西北部的高海拔地區(qū)，其次是云南省內(nèi)重要城市的周邊區(qū)域，最后是石漠化較嚴重的曲靖市南部、文山州西部、紅河州北部。植被覆蓋度穩(wěn)定的地方主要是西部和西南地區(qū)。該區(qū)域為熱帶季風氣候，氣候溫暖濕潤，受人類活動影響較小。造成上述差異的主要原因有：①湖泊區(qū)域本身植被覆蓋度很低或為零，較小的變化導致變異系數(shù)異常偏高，該結果并不能反映真實情況，湖泊區(qū)域植被覆蓋度實際上處于穩(wěn)定狀態(tài)；②城市周邊植被受到城市擴張的影響，植被覆蓋度的波動性較大；③曲靖市南部、文山州西部、紅河州北部等地植被以低矮灌木為主，加上嚴重的石漠化，植被稀疏脆弱，波動性較大；④西北部的迪慶州地處青藏高原邊緣，植被生長受氣候變化影響較大，故而波動性較大；⑤西南部和南部地區(qū)原生植被條件較好，植被覆蓋度已是較高水平，且該區(qū)域受人類活動影響較小，因此波動性較小。

圖4 2010—2020 年云南省植被覆蓋度變化的波動性Figure 4 Fluctuation of vegetation coverage change in Yunnan province from 2010 to 2020

2.3 云南省植被覆蓋度的地形效應

2.3.1 不同海拔的植被覆蓋度分布 云南省地勢總體呈現(xiàn)出西北高東南低的空間分布格局，海拔≤1 000 m 的地區(qū)占總面積的8.65%，海拔＞1 000～ 2 000 m 的地區(qū)占總面積的54.56%，海拔＞2 000～ 3 000 m 的地區(qū)占總面積的28.68%，海拔＞3 000～ 4 000 m 的地區(qū)占總面積的6.55%，海拔＞4 000 m 的地區(qū)占總面積的1.57%。如圖5 所示，對不同海拔范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者呈負相關關系，相關系數(shù)為-0.805，總體表現(xiàn)為平均植被覆蓋度隨海拔升高而降低。具體來看，海拔＜1 000 m 時，平均植被覆蓋度最高，為0.811，該地區(qū)主要為開闊的河谷地帶，植被生長條件較好；海拔＞1 000～ 2 000 m 時，平均植被覆蓋度隨著海拔升高而逐漸降低，該地區(qū)為起伏緩和的云貴高原部分，以低山和渾圓山丘為主，是人類活動的主要區(qū)域，植被覆蓋度相對較低；海拔＞ 2 000～ 3 000 m 時，平均植被覆蓋度隨著海拔升高而逐漸升高，海拔升高到2 000 m 以上時，植被覆蓋度的升高與人類活動減弱有關；海拔在＞3 000 m 時，隨著高程升高平均植被覆蓋度逐漸降低；海拔＞4 000 m 時，平均植被覆蓋度急劇降低到最低值，為0.519。綜上所述，海拔3 000 m 以上的地區(qū)位于云南的西北部，這里的高海拔和嚴寒氣候限制了植被的生長，植被覆蓋較差。

圖5 不同海拔的面積占比和平均植被覆蓋度分布Figure 5 Area proportion and average vegetation coverage distribution at different elevations

2.3.2 不同坡度的植被覆蓋度分布 云南省地形復雜，坡度變化較大，在0°～ 42°之間，坡度較大的地區(qū)主要是西北部及河谷地帶，沿東南方向坡度逐漸降低，中部及東部地區(qū)為云貴高原的部分，起伏緩和，坡度最低。依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190—2007），本文將云南省的坡度劃分為以下五級：Ⅰ級（0°～ 8°）、Ⅱ級（＞8°～ 15°）、Ⅲ級（＞15°～ 25°）、Ⅳ級（＞25°～ 35°）、Ⅴ級（＞35°）。如圖6 所示，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級坡度占全省總面積的百分比分別為64.00%、27.19%、8.23%、0.58%和0.01%。對不同坡度范圍內(nèi)的平均植被覆蓋度進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩者呈負相關關系，相關系數(shù)為-0.749，總體表現(xiàn)為平均植被覆蓋度隨坡度上升而降低。具體來看，坡度≤15°時，平均植被覆蓋度隨著坡度上升而逐漸升高，且坡度上升到8°～ 15°時，平均植被覆蓋度達到最高值，為0.799，植被覆蓋度的升高與人類活動減弱相關；坡度＞15°時，平均植被覆蓋度隨著坡度上升而逐漸降低；在坡度上升到35°以上時，平均植被覆蓋度急劇降低到最低值，為0.598，此時植被覆蓋度的降低與高坡度帶來的水土流失相關。

圖6 不同坡度的面積占比和平均植被覆蓋度分布Figure 6 Area proportion and average vegetation coverage distribution at different slopes

2.2.3 不同坡向的植被覆蓋度分布 本文將坡向重分類為以下五類：平地（0°）、陰坡（0°～ 45°、315°～ 360°）、半陰坡（45°～ 135°）、陽坡（135°～ 225°）、半陽坡（225°～ 315°）。

如圖7 所示，平地占全省總面積的0.13%，多為湖泊區(qū)域，其平均植被覆蓋度最低，為0.164，除此之外，云南省各坡向分布較均勻，平均植被覆蓋度在各坡向上的差異不大，最高值的陽坡與最低值的半陽坡相差0.017，表明坡向?qū)υ颇鲜≈脖桓采w度變化影響不顯著。從方向上看，平均植被覆蓋度在陰坡和半陰坡上變化不明顯，由半陰坡到陽坡，平均植被蓋度逐漸上升，由陽坡到半陽坡，平均值被覆蓋度逐漸下降。

圖7 不同坡向的面積占比和平均植被覆蓋度分布Figure 7 Area proportion and average vegetation coverage distribution at different aspects

3 結論與討論

3.1 結論

（1）空間上，2010—2020 年，云南省植被覆蓋度類型以中高及高植被覆蓋度為主，整體植被覆蓋度較高，均值為0.771，呈西南高，西北、東北以及中部低的空間分布格局，植被覆蓋度由北向南、由東向西逐漸增加。

（2）時間上，2010—2020 年，云南省2 月份的月平均植被覆蓋度最低，9 月份的最高，年平均植被覆蓋度呈小幅上升趨勢，增速為0.003 4·a-1，僅在2011 年因極端旱情出現(xiàn)較大下降。全省植被覆蓋度變化范圍不大，年均植被覆蓋度在0.735～ 0.789 之間波動，表現(xiàn)為高植被覆蓋度增加，中高植被覆蓋度減少，中、中低、低植被覆蓋度變化不顯著。

（3）2010—2020 年，云南省植被覆蓋度呈增加、基本不變、減少趨勢的面積分別占全省總面積的14.29%、83.42%和2.29%。云南省中部、北部和東部地區(qū)的植被覆蓋度呈顯著增加趨勢，顯著減少的主要是湖泊區(qū)域和城市所在地。

（4）2010—2020 年，云南省植被覆蓋度的變異系數(shù)在0.005～ 3.162 之間，均值為0.094，空間差異明顯。整體波動情況表現(xiàn)為，中部和東部波動最劇烈，其次為西北和北部，西南和南部最穩(wěn)定。

（5）云南省植被覆蓋的地形效應表現(xiàn)為：平均植被覆蓋度和海拔、坡度呈顯著的負相關關系，坡向影響不顯著。海拔＜1 000 m 或坡度≤15°時，植被覆蓋度最高。

3.2 討論

本文的研究結果與劉群等[15]分析云南省植被的時空分布特征相似，值得注意的是，本文使用MODIS NDVI數(shù)據(jù)與前人使用的GIMMS NDVI3g 數(shù)據(jù)不同，數(shù)據(jù)的時間和空間分辨率也不同，考慮到遙感的尺度效應[23]，不同數(shù)據(jù)源對分析植被覆蓋度變化的影響有待進一步探究。由于數(shù)據(jù)獲取的局限性，本文的分析僅停留在宏觀尺度上，云南省植被覆蓋度分布存在顯著的時空差異，未來結合高時空分辨率的遙感影像可實現(xiàn)對特定時間和重點地區(qū)更精細化研究；其次，本文尚未涉及季節(jié)尺度的分析，植被的季相變化是區(qū)域植被覆蓋度年內(nèi)變化的重要原因之一，不同植被類型的季相變化也存在差異，未來需結合植被類型數(shù)據(jù)深入分析；另外，植被生長受諸多因素的影響，結合氣象、土壤類型、人類活動等因子進行定量分析，可進一步探究植被覆蓋度變化的驅(qū)動機制。