2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植被NDVI時(shí)空變化及其對(duì)氣候響應(yīng)

付 翔,劉 昊

(安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

植被是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是連接土壤、水分和大氣等環(huán)境要素的自然紐帶,對(duì)于維持生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)水循環(huán)、促進(jìn)物質(zhì)和能量流動(dòng)具有重要作用[1-2]。在全球氣候多變的背景下,植被變化在很大程度上直接影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境[3]。氣候因素在對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響中起著敏感性指標(biāo)作用,研究植被變化及其響應(yīng)機(jī)制對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)機(jī)制的制定和如何有效開展生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

歸一化植被指數(shù) (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 是植物生長(zhǎng)狀況和植被覆蓋的最佳指示因子,可以有效監(jiān)測(cè)植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化[4-6]。植被NDVI時(shí)空變化特征是衡量城市生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一,秉持“生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展”理念,城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前,城市區(qū)域的植被變化及其對(duì)氣候響應(yīng)的研究也在不斷深入[7-8]。李茜榮等[9]利用一元線性回歸趨勢(shì)分析方法分析了成渝經(jīng)濟(jì)圈植被覆蓋變化,并結(jié)合了氣象數(shù)據(jù)分析了植被NDVI與氣候的響應(yīng)關(guān)系;劉煒等[10]運(yùn)用趨勢(shì)分析與多元回歸殘差分析等方法,對(duì)貴州省生長(zhǎng)季植被NDVI的變化及其驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了定性與定量分析,發(fā)現(xiàn)多數(shù)地區(qū)植被恢復(fù)受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響;張鵬騫等[11]運(yùn)用近20年植被NDVI影像數(shù)據(jù)分析了京津冀不同功能區(qū)和北京市的時(shí)空變化特征及植被狀況改善情況。然而,以上研究通常將區(qū)域作為一個(gè)整體分析,很少考慮從不同城市的發(fā)展模式和植被狀況存在差異的角度分析植被變化,且內(nèi)陸地區(qū)與沿海地區(qū)植被受氣候的影響也存在差異性。

近年來(lái),粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋大幅降低,造成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,引起了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是制約城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素,探討植被變化和對(duì)氣候的響應(yīng)可以反映地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律,從而采取有效的措施加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)。本文研究基于粵港澳大灣區(qū)城市群,利用Sen+MK趨勢(shì)分析、變異系數(shù)和相關(guān)性分析等方法,對(duì)2012—2021年植被NDVI的變化特征及其氣候響應(yīng)進(jìn)行了分析,以期為粵港澳灣區(qū)生態(tài)恢復(fù)和區(qū)域綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)為“9+2”模式,其中包括廣東省廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個(gè)珠三角城市和香港、澳門2個(gè)特別行政區(qū),總面積5.6萬(wàn)km2,2021年總?cè)丝谶_(dá)到8 669.23萬(wàn)人,是中國(guó)開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一。大灣區(qū)地理?xiàng)l件優(yōu)越,東、西、北三面環(huán)山,中部平原廣闊,南部珠江入海口與南海相連,全區(qū)丘陵、山地、臺(tái)地與平原錯(cuò)落,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,具有光照充足、夏季時(shí)間長(zhǎng)、霜凍期短、降水豐富等氣候特征。年平均氣溫21～22 ℃,年降雨量1 600～2 000 mm,雨季主要在4—9月,降水量占全年80%左右。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

MOD13A3 逐月NDVI數(shù)據(jù)主要來(lái)源于NASA (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/) ,空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為每月,影像數(shù)據(jù)跨度2012—2021年。氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)家地球科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2012—2020年中國(guó)氣象站點(diǎn)逐月柵格數(shù)據(jù)集,包括降水量、平均氣溫等。數(shù)據(jù)處理包括影像裁剪、重采樣、去異常值、月數(shù)據(jù)使用最大值合成法得到年數(shù)據(jù)等過(guò)程。

3 研究方法

3.1 Sen趨勢(shì)分析和MK顯著性檢驗(yàn)

Sen趨勢(shì)分析是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的斜率估計(jì)方法,因其受異常值影響小,常用于分析長(zhǎng)時(shí)間序列植被NDVI數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化特征[12]。見式(1):

(1)

式中β——植被NDVI變化趨勢(shì)值;i、j——時(shí)間序列;Xi、Xj——第i、第j年植被的NDVI值。

當(dāng)β>0時(shí),植被NDVI在i—j時(shí)間序列內(nèi)呈上升趨勢(shì);當(dāng)β<0時(shí),植被NDVI在i—j時(shí)間序列內(nèi)呈下降趨勢(shì)。

Mann-Kendall (MK) 非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)合Sen斜率估計(jì)常被用于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析中。MK檢驗(yàn)無(wú)需樣本服從正態(tài)分布,且不受異常值和缺失值的影響,因此常用于分析降雨、氣溫、徑流和植被等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化。對(duì)于時(shí)間序列Xi,MK標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z定義見式(2):

(2)

式中S為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量,計(jì)算見式(3)—(5):

(3)

(4)

(5)

式中n為序列長(zhǎng)度。

MK檢驗(yàn)采用雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn),在給定顯著性水平下,當(dāng)|Z| ≤Z1-α/2時(shí),接受原假設(shè),即趨勢(shì)不顯著;若|Z|>Z1-α/2,則拒絕原假設(shè),即認(rèn)為趨勢(shì)顯著。本文依次選取α=0.05與0.01,當(dāng)|Z|>1.96和|Z|>2.58時(shí),則表示Sen趨勢(shì)分析值分別通過(guò)了信度為95%和99%的MK顯著性檢驗(yàn)。趨勢(shì)顯著性的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分具體如下:β>0時(shí),|Z|≥2.58表示為極顯著增加,2.58>|Z|≥1.96表示顯著增加,1.96>|Z|≥0表示不顯著增加;β<0時(shí),|Z|≥2.58表示為極顯著減少,2.58>|Z|≥1.96表示顯著減少,1.96>|Z|≥0表示不顯著減少。

3.2 變異系數(shù)(CV)穩(wěn)定性分析

本文基于像元尺度計(jì)算植被NDVI的變異系數(shù),用于評(píng)估在時(shí)間序列上的穩(wěn)定性[13]。

其計(jì)算見式(6):

(6)

式中σ——NDVI標(biāo)準(zhǔn)差;μ——NDVI平均值。

當(dāng)CV值越大,表示數(shù)據(jù)波動(dòng)性越大,植被NDVI年際變化越大;反之,數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小,植被NDVI年際變化較為穩(wěn)定。利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將植被NDVI的穩(wěn)定性分成5類:低波動(dòng)變化(CV<0.05)、較低波動(dòng)變化(CV為0.05～0.10)、中度波動(dòng)變化(CV為0.10～0.15)、較高波動(dòng)變化(CV為0.15～0.20)和高波動(dòng)變化(CV>0.20)。

3.3 相關(guān)性分析

為了探究氣候因素對(duì)NDVI的影響,在像元尺度上計(jì)算年時(shí)間序列數(shù)據(jù)NDVI與氣溫、降水變化趨勢(shì)的相關(guān)性,并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),分析粵港澳大灣區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)[14-15]。計(jì)算見式(7):

(7)

4 結(jié)果分析與討論

4.1 粵港澳大灣區(qū)植被NDVI時(shí)間變化分析

基于像元尺度計(jì)算的2012—2021年粵港澳大灣區(qū)年際植被NDVI通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn),其變化趨勢(shì)(圖2a),歸一化植被指數(shù)NDVI時(shí)間變化呈波動(dòng)上升趨勢(shì),上升斜率為0.003 5 /a。2012—2017年植被NDVI處于上升階段,植被的改善持續(xù)性明顯;2017年以后粵港澳大灣區(qū)年平均溫度持續(xù)上升,干旱時(shí)期長(zhǎng),植被NDVI總體穩(wěn)定在0.62上下,其中,由于2019年平均溫度異常偏高,不利于植被的生長(zhǎng),植被 NDVI較往年有明顯的降低。2012—2021年粵港澳大灣區(qū)的多年平均NDVI (圖2b),植被NDVI在0.003～0.860,平均值為0.614,NDVI空間異質(zhì)性明顯,空間分布格局為四周高、中間低的特征。

a)NDVI年際變化

b)NDVI空間分布

為了進(jìn)一步探討不同植被覆蓋尺度下各城市植被NDVI的變化趨勢(shì),將通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的植被NDVI分為NDVI>0.5(圖3a)和NDVI<0.5(圖3b)2種尺度進(jìn)行對(duì)比分析。由圖3a可知,植被NDVI>0.5的城市在10年內(nèi)均呈上升趨勢(shì),其中肇慶市植被覆蓋度最高,NDVI上升趨勢(shì)最快,增長(zhǎng)速率為0.005 6 /a;其次惠州市、香港、江門市和深圳市增長(zhǎng)速率均大于0.002 /a;廣州市植被NDVI上升趨勢(shì)最緩,增長(zhǎng)速率僅為0.001 1 /a。平均NDVI<0.5的城市中,佛山市和珠海市地區(qū)植被NDVI上升趨勢(shì)較快,增長(zhǎng)速率分別為0.003 4、0.003 3 /a,東莞市和中山市的增長(zhǎng)速率低于0.001 /a,澳門地區(qū)植被覆蓋度最低,植被NDVI增長(zhǎng)速率為0.002 7 /a。植被NDVI>0.5的整個(gè)區(qū)域平均增長(zhǎng)速率為0.002 9 /a,NDVI<0.5的整個(gè)區(qū)域平均增長(zhǎng)速率為0.002 2 /a,由此表明植被覆蓋度高的地區(qū)其NDVI增長(zhǎng)速率大于覆蓋度低的地區(qū),植被變化也較為穩(wěn)定。

a)NDVI>0.5

b) NDVI<0.5

4.2 粵港澳大灣區(qū)植被NDVI空間變化分析

2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)(圖4a)和顯著性檢驗(yàn)空間變化特征(圖4b)基本一致。由圖4a可知,NDVI變化斜率為-0.033～0.035 /a,其中正增長(zhǎng)趨勢(shì)主要分布在大灣區(qū)四周的丘陵、山地和平原地帶,負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)主要集中在中部的城市中心地帶。大灣區(qū)植被NDVI平均增長(zhǎng)速率為0.003 3 /a,整體上保持緩慢的正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

a)NDVI變化趨勢(shì)

b)NDVI顯著性檢驗(yàn)

為了對(duì)比粵港澳大灣區(qū)各城市植被NDVI的顯著性變化面積,分別基于柵格像元計(jì)算了其占比面積 (表1)。從表1可知,粵港澳大灣區(qū)植被NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的面積占比為77.81%,其中極顯著增加和顯著增加的面積占比為30.42%,肇慶地區(qū)的植被NDVI極顯著增加面積占總面積比例最大,為42.84%,佛山市次之(22.11%),植被改善態(tài)勢(shì)顯著;而呈極顯著下降趨勢(shì)的面積占其總面積的2.62%,其主要分布在廣州、東莞和中山地區(qū)。珠江兩岸沿線的城市地區(qū),植被NDVI的增加趨勢(shì)相對(duì)緩慢,且局部發(fā)生了退化情況。

表1 2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植被NDVI顯著性變化面積占比統(tǒng)計(jì) %

大灣區(qū)不同地區(qū)的植被NDVI平均變化趨勢(shì)見圖5,肇慶市增長(zhǎng)速率為0.005 8 /a,增長(zhǎng)速率最快,據(jù)肇慶市林業(yè)局統(tǒng)計(jì)資料顯示,肇慶市中低山丘陵占全市土地面積81%,森林覆蓋率由70.34%(2015年)增加到70.73%(2020年),植被覆蓋改善良好;其次為珠海市,增長(zhǎng)速率為0.003 5 /a,高于大灣區(qū)平均增長(zhǎng)速率;江門市和佛山市增長(zhǎng)速率與大灣區(qū)平均增長(zhǎng)速率趨于一致;中山市和東莞市增長(zhǎng)速率最小,增長(zhǎng)速率為0.000 8 /a且主要分布于其中部地區(qū)。

圖5 2012—2021年粵港澳大灣區(qū)不同地區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)

4.3 粵港澳大灣區(qū)植被NDVI變異系數(shù)分析

由圖6可知,2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植物NDVI總體穩(wěn)定性良好,平均變異系數(shù)為0.054 8。低波動(dòng)變化和較低波動(dòng)變化的面積占比為89.94%,其中低波動(dòng)變化主要分布在惠州、廣州、肇慶、香港、江門地區(qū)。中波動(dòng)變化、較高波動(dòng)變化和高波動(dòng)變化面積占比為10.06%,主要分布在佛山、中山、珠海、深圳、東莞、惠州中部和廣州南部。為了比較各城市植被NDVI的穩(wěn)定性,分別計(jì)算了其變異系數(shù)不同波動(dòng)變化的百分比 (圖7),由圖可知,中山、珠海和澳門3個(gè)地區(qū)的植被NDVI波動(dòng)變化,其植被NDVI中等波動(dòng)變化、較高波動(dòng)變化和高波動(dòng)變化的面積分別占其總面積的26.1%、30.4%和48.1%,植被NDVI的穩(wěn)定性偏低,其余城市植被NDVI穩(wěn)定性較好,平均變異系數(shù)為0.057～0.079,其中,廣州、香港和深圳植被NDVI低波動(dòng)變化和較低波動(dòng)變化的區(qū)域面積占其總面積80%以上。

圖6 2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植被NDVI變異系數(shù)

圖7 不同地區(qū)變異系數(shù)等級(jí)百分比

4.4 粵港澳大灣區(qū)植被NDVI與氣候因素

植被NDVI與降水量和平均氣溫相關(guān)性通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(圖8),粵港澳大灣區(qū)2012—2020年植被NDVI與降水量呈正相關(guān)性面積占比為44.36%,其中,江門市、中山市、深圳市和惠州市地區(qū)以正相關(guān)性為主,分別占其自身面積的56.44%、67.32%、59.77%和50.2%,而肇慶市、佛山市北部等北部地區(qū)以負(fù)相關(guān)性為主,面積占比為55.64%,其中肇慶市地區(qū)呈現(xiàn)顯著和極顯著負(fù)相關(guān)性面積占比為49.75%。粵港澳大灣區(qū)北部?jī)?nèi)陸地區(qū)多為丘陵與山脈,雨季時(shí)間長(zhǎng),氣候環(huán)境潮濕,降水量過(guò)高不利于植被的水熱生長(zhǎng),植被NDVI與降水量以負(fù)相關(guān)性為主,南部沿海地區(qū)植被NDVI與降水量以正相關(guān)性為主,這表明植被生長(zhǎng)受降水量的影響存在空間異質(zhì)性。

在圖8b中,植被NDVI與平均氣溫呈正相關(guān)性面積占比為62.74%,其中呈顯著和極顯著正相關(guān)性的區(qū)域面積占比分別為45.06%,其主要分布于肇慶市、惠州市地區(qū)以及廣州市北部地區(qū);NDVI與平均氣溫表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的地區(qū)面積占比為37.26%,集中分布于中部的城市建設(shè)中心地區(qū),城市建設(shè)區(qū)的生態(tài)公園、人造林、人工草地居多,受人為因素?cái)_動(dòng)影響,NDVI與平均溫度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性。

a)年平均NDVI與平均氣溫相關(guān)顯著性

b)年NDVI與降水量相關(guān)顯著性

綜上可知,粵港澳大灣區(qū)植被NDVI與平均氣溫的正相關(guān)性高于植被NDVI與降水量,植被生長(zhǎng)受氣溫的影響較為敏感。植被覆蓋高的地區(qū)NDVI與降水量主要呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān),與平均溫度主要呈極顯著和顯著正相關(guān),因此也表明植被生長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境受降水量和平均溫度的雙重驅(qū)動(dòng)響應(yīng)作用。

5 討論

粵港澳大灣區(qū)受全球氣候變化和城市化進(jìn)程的影響,生態(tài)保護(hù)面臨巨大挑戰(zhàn)。植被NDVI時(shí)空變化特征反映了地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律,揭示大灣區(qū)植被NDVI變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律,有助于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境修復(fù)和植被改善?；浉郯拇鬄硡^(qū)隨著城市化的持續(xù)擴(kuò)張,植被覆蓋率受林地、草地等面積的縮小而降低,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)植被NDVI增長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢,經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)如肇慶、惠州和江門地區(qū),城市擴(kuò)張相對(duì)較慢,植被NDVI增長(zhǎng)速率較快。近10年以來(lái),大灣區(qū)植被NDVI呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的面積占比為77.81%,平均上升速率為0.003 3 /a,整體上保持緩慢的正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),植被改善已有成效,這需歸功于粵港澳大灣區(qū)重點(diǎn)推進(jìn)山水林田湖草的生態(tài)保護(hù)修護(hù)工程。2021年以來(lái),廣東省完成造林和生態(tài)修復(fù)128 000 hm2,實(shí)現(xiàn)礦山復(fù)綠693 hm2,全力打造綠色的生態(tài)防護(hù)屏障,生態(tài)文明建設(shè)成效顯著。廣州市、中山市和東莞市植被NDVI增長(zhǎng)速率較緩,局部出現(xiàn)退化情況,因此需要進(jìn)一步推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)力度,加強(qiáng)珠三角周邊山地、丘陵及森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。大灣區(qū)牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念,堅(jiān)持生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展,有效提高了區(qū)域內(nèi)植被NDVI整體穩(wěn)定性?；浉郯拇鬄硡^(qū)北部?jī)?nèi)陸地區(qū)植被NDVI與降水量以負(fù)相關(guān)性為主,南部沿海地區(qū)植被NDVI與降水量以正相關(guān)性為主,降水量對(duì)植被的生長(zhǎng)作用存在空間異質(zhì)性,內(nèi)陸和沿海地區(qū)植被受氣候的差異性影響較為顯著。就氣象因子而言,氣溫是影響粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋的主要因子[16],這與本文研究結(jié)論“粵港澳大灣區(qū)植被生長(zhǎng)受氣溫的影響較為敏感”相一致;珠三角地區(qū) NDVI 具有高空間集聚特性,受地形和城區(qū)分布影響,低植被覆蓋集聚區(qū)和高植被覆蓋集聚區(qū)分布格局顯著且變化穩(wěn)定[17];粵港澳大灣區(qū)植被改善面積占比77.81%遠(yuǎn)大于植被退化面積22.19%,植被覆蓋持續(xù)改善中,這充分表明了大灣區(qū)實(shí)行嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度,著力提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已有成效,生態(tài)文明建設(shè)向目標(biāo)邁進(jìn)了一小步,未來(lái)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

6 結(jié)論

a)2012—2021年粵港澳大灣區(qū)植被NDVI總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),面積占比77.81%,其中極顯著增加和顯著增加的面積占比為30.42%,植物NDVI總體穩(wěn)定性良好,平均變異系數(shù)為0.054 8,低波動(dòng)變化和較低波動(dòng)變化的地區(qū)面積占比為89.94%,這表明大灣區(qū)近10年來(lái)區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理效果良好,植被改善顯著。

b)近10年以來(lái),植被NDVI與降水量呈正相關(guān)關(guān)系面積占比為44.36%;與平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系面積占比為62.74%,由此可知相對(duì)氣候因素而言,植被生長(zhǎng)受氣溫因子的影響較大,對(duì)于植被生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用,降水量過(guò)多對(duì)植被生長(zhǎng)有一定抑制作用,由此可知?dú)夂蜃兓瘜?duì)大灣區(qū)植被NDVI的影響均具有雙重性。

c)粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋生態(tài)環(huán)境指標(biāo)日益向好,這需歸功于其造林與生態(tài)修復(fù)工程的進(jìn)行,以及礦山復(fù)綠等生態(tài)保護(hù)工作。