貴州武陵山區(qū)植被NDVI 時空演變及其未來持續(xù)性特征

吳路華*，陳 丹，楊東妮

（1.銅仁學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，貴州 銅仁;2.銅仁學(xué)院 鄉(xiāng)村振興研究中心，貴州 銅仁）

引言

定期開展生態(tài)環(huán)境調(diào)查與評估是國家做好生態(tài)保護(hù)工作的一項(xiàng)重要舉措。2000 年以來，生態(tài)環(huán)境部（原環(huán)境保護(hù)部、環(huán)境保護(hù)總局）聯(lián)合中國科學(xué)院等相關(guān)部門完成了三次全國生態(tài)狀況調(diào)查評估，分別是2000 年全國生態(tài)環(huán)境調(diào)查、全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010 年） 調(diào)查與評估和全國生態(tài)狀況變化（2010-2015 年）調(diào)查評估，為我國新時期生態(tài)保護(hù)紅線劃定、中央環(huán)境保護(hù)督察等生態(tài)保護(hù)管理工作提供了重要支撐。

為落實(shí)《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》有關(guān)要求，按照部門職責(zé)，生態(tài)環(huán)境部和中國科學(xué)院決定聯(lián)合開展2015-2020 年全國生態(tài)狀況變化調(diào)查評估工作。貴州按照《全國生態(tài)狀況定期遙感調(diào)查評估方案》（環(huán)辦生態(tài)〔2019〕45 號）和《關(guān)于＜印發(fā)2015-2020 年全國生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評估實(shí)施方案＞的通知》（環(huán)辦生態(tài)函〔2020〕179 號）有關(guān)要求，明確要求開展全省生態(tài)環(huán)境狀況遙感調(diào)查與保護(hù)成效評估?，F(xiàn)階段，已在全省各個地區(qū)展開了相關(guān)研究，識別出了十三五期間及之前的植被變化特征[1-2]、及其氣候變化和人類活動響應(yīng)過程[3-5]、敏感性[6-7]、影響因素[8-9]及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境限制機(jī)理[10-12]，提出了重要植被恢復(fù)技術(shù)和理論。本研究基于前期研究，重點(diǎn)圍繞貴州武陵山區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)保護(hù)監(jiān)管需求，耦合過去-未來兩種情景，開展了植被NDVI 時空動態(tài)演變與空間耦合模式研究，以期為貴州武陵山區(qū)新時期生態(tài)保護(hù)對策建議的提出提供依據(jù)，同時也為支持貴州武陵山區(qū)“十四五”期間社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展宏觀決策和生態(tài)保護(hù)規(guī)劃，加快生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。

1 研究區(qū)概況

貴州武陵山區(qū)位于位于貴州東北部，地處107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N，轄銅仁市2 區(qū)8 縣及遵義市6 個縣，總面積3.09 km2，其中喀斯特區(qū)域面積為2.29 萬km2，占研究區(qū)總面積的74%，非喀斯特區(qū)域僅為0.80 萬km2，占研究區(qū)總面積的26%。東鄰湖南，北與重慶市接壤，西北高，東南低，以山地為主，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，海拔范圍179～2 557 m（圖1）。以梵凈山至佛頂山山脈為分水嶺，分屬沅江水系和烏江水系兩大一級支流水系，屬于典型喀斯特區(qū)。地表及地下巖溶系統(tǒng)極為發(fā)育，碳酸鹽巖含水層和變質(zhì)巖交替分布，巖溶地貌發(fā)育，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、地形和地貌類型多樣，喀斯特與非喀斯特地貌交錯分布，水文地質(zhì)復(fù)雜，“二元三維”水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)突出，巖溶作用強(qiáng)烈，由碳酸巖、白云巖及碎屑巖控制的地質(zhì)背景導(dǎo)致區(qū)域石多土少，阻礙了養(yǎng)分循環(huán)，嚴(yán)重制約著植被恢復(fù)提升。

圖1 研究區(qū)地理位置與海拔特征

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI 數(shù)據(jù)采用生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心的MODIS13A1 數(shù)據(jù)集（https://search.earthdata.nasa.gov/）[13-14]。MODIS13A1 數(shù)據(jù)時間分辨率為16 d，時間范圍2000-2020 年，比例系數(shù)為0.000 1，空間分辨率為500 m，投影為Albers 等積圓錐投影，共包括2001-2020 年共40 期。該數(shù)據(jù)集通過精確云檢測、NDVI 植被生長基準(zhǔn)合成、并保持不同類型生長軌跡的插值，然后基于MODIS 觀測生成的NDVI 數(shù)據(jù)集。經(jīng)使用MRT 工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和重投影，并對無效值和背景值進(jìn)行處理，換算為真實(shí)的NDVI 值，最后經(jīng)年度最大值合成法得到2000-2020 年貴州武陵山區(qū)各年NDVI 數(shù)據(jù)集。

2.2 研究方法

本研究基于Theil-Sen 趨勢法和Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)法耦合揭示了貴州武陵山區(qū)NDVI 變化趨勢及其顯著性特征[15-17]，精確識別了貴州武陵山區(qū)植被變化恢復(fù)和退化關(guān)鍵區(qū)域。其次，采用Hurst 指數(shù)闡明了NDVI 未來持續(xù)性狀態(tài)[18-19]，基于提出的Hurst 系數(shù)的分級強(qiáng)度表，定量評估了未來持續(xù)性等級特征[20]。為了定量闡明未來持續(xù)性強(qiáng)度大小與過去變化趨勢特征的關(guān)聯(lián)性，本研究將過去變化趨勢顯著性與未來持續(xù)性特征進(jìn)行空間耦合疊加，識別了空間上NDVI變化的過去-未來空間耦合演變模式，揭示了長時間序列時空動態(tài)演變特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI 時空演變特征

2000-2020 年，貴州武陵山區(qū)NDVI 總體上呈現(xiàn)波動上升趨勢，增速為0.03/a（圖2），變化范圍為0.73～0.81，平均值為0.78，最大值出現(xiàn)在2015 年和2016 年，達(dá)到0.81，最小值出現(xiàn)在2000 年，為0.73。

圖2 2000-2020 年NDVI 變化速率

為了揭示貴州武陵山區(qū)NDVI 在過去21 年的變化趨勢及其變化過程，本研究基于Theil-Sen 趨勢以及Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)法，使用ArcGIS10.2 軟件對各年的NDVI 象元值進(jìn)行提取，并且用Matlab 2017對21 年的NDVI 進(jìn)行趨勢分析，將趨勢分析結(jié)果與MK 檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行疊加，得到NDVI 增加與減少的空間分布情況，依據(jù)該方法可依次將NDVI 劃分為顯著減少、輕微減少、輕微增加和顯著增加4 種類別。由表1 可知，貴州武陵山區(qū)在空間上總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢（增加區(qū)域的面積），其中NDVI 顯著增加的區(qū)域所占比最大，達(dá)到68.82%，輕微增加占24.93%，輕微減少的區(qū)域?yàn)?.48%，顯著減少的區(qū)域占比最小，僅為1.41%。由圖3 可知，NDVI 的Sen 趨勢值介于-0.04～0.01 之間，平均增長率為0.003。NDVI 顯著增加區(qū)域主要集中在貴州武陵山區(qū)的中部、北部以及西部地區(qū)；輕微增加區(qū)域則主要分布在南部、西南部以及東南部地區(qū)；輕微減少的地區(qū)則主要分布在江口縣、松桃縣、石阡縣以及余慶縣等地區(qū)；顯著減少則主要集中在鳳岡、余慶、碧江及松桃縣等地區(qū)。

表1 各類型NDVI 時空演變趨勢特征

圖3 NDVI 空間變化趨勢及顯著性特征

3.2 NDVI 未來持續(xù)性特征

由圖4 可知，貴州武陵山區(qū)NDVI 的Hurst 指數(shù)范圍為0.14～0.91，平均值為0.45。從NDVI 的Hurst 指數(shù)空間分布狀況可以看出，貴州武陵山區(qū)NDVI 未來將呈現(xiàn)大面積的反持續(xù)性分布狀態(tài)，出現(xiàn)正持續(xù)性（Hurst 指數(shù)超過0.5）的面積僅為24.87%，而71.25%的區(qū)域中Hurst 指數(shù)未超過0.5，這些區(qū)域未來將可能出現(xiàn)反持續(xù)特征。

圖4 NDVI 演變Hurst 指數(shù)空間分布特征

為了更進(jìn)一步明晰貴州武陵山區(qū)NDVI 的變化趨勢及其未來的可持續(xù)性特征，本研究將NDVI Sen 趨勢的顯著性檢驗(yàn)值（圖3）與Hurst 指數(shù)的計(jì)算結(jié)果（圖4）在ArcGIS10.2 中進(jìn)行疊加分析，得到貴州武陵山區(qū)NDVI 增加、減少與未來可持續(xù)性的時空耦合分布圖（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貴州武陵山區(qū)未來NDVI 持續(xù)性增加的序列所占的百分比（22.34%）高于持續(xù)性減少的百分比（2.53%）（表2）。其中，強(qiáng)持續(xù)性減少的組合所占的面積比重最小，僅為0.05%，主要分布于思南、松桃、碧江以及萬山等地區(qū)。弱持續(xù)減少的比例為2.48%，在貴州武陵山區(qū)大部分地區(qū)都有少量分布；在弱持續(xù)增加的組合所占的比例為22.27%，在江口和碧江的過渡帶、正安縣和思南縣的北部及石阡都有分布；未來變化無法確定所占的百分比最大，其值為75.12%，主要分布于沿河、印江及德江三縣的交界地帶。另外，正安、道真以及務(wù)川等地區(qū)也有大范圍分布。強(qiáng)持續(xù)性增加的組合所占的百分比為0.07%。NDVI 的Hurst 指數(shù)在該類區(qū)域呈現(xiàn)出持續(xù)性增加的區(qū)域，預(yù)示著NDVI 將有持續(xù)性增加趨勢。

表2 植被歸一化指數(shù)變化趨勢及未來持續(xù)性

圖5 Hurst 指數(shù)與Sen 變化趨勢空間耦合演變特征

4 討論

本研究檢測到NDVI 未來75.12%的區(qū)域可能出現(xiàn)較大的退化風(fēng)險，這些區(qū)域也是NDVI 增速較快的地區(qū)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是這些區(qū)域植被經(jīng)過長時間的恢復(fù)建設(shè)已經(jīng)處于比較好的狀態(tài)，未來可能會因?yàn)槿鄙龠m當(dāng)干擾而出現(xiàn)退化現(xiàn)象。因此，對于現(xiàn)今一些NDVI 增速較快或趨于穩(wěn)定的地區(qū)應(yīng)建議通過加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理以應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的退化現(xiàn)象。此外，盡管本研究揭示了貴州武陵山區(qū)NDVI 過去-未來時空耦合演變過程與機(jī)制，但是對于演變驅(qū)動機(jī)制并未進(jìn)行定量評估，后續(xù)將基于系統(tǒng)耦合理論解析各驅(qū)動因素貢獻(xiàn)機(jī)制。

5 結(jié)論

（1） 2000-2020 年間，貴州武陵山區(qū)NDVI 總體呈現(xiàn)波動上升趨勢，平均增速為0.03/a，93.75%的區(qū)域呈現(xiàn)增長趨勢，僅6.26%的區(qū)域表現(xiàn)為降低現(xiàn)象。

（2） 中北部及西部區(qū)域是NDVI 增長的關(guān)鍵區(qū)域，而鳳岡、余慶、碧江及松桃等地區(qū)NDVI 退化明顯。

（3） 在未來，貴州武陵山區(qū)NDVI 將呈現(xiàn)大面積反持續(xù)狀態(tài)，僅24.87%的區(qū)域表現(xiàn)出弱的正持續(xù)性，而75.12%的區(qū)域?qū)⒖赡艹霈F(xiàn)反持續(xù)性特征，僅有22.34%的區(qū)域NDVI 將表現(xiàn)為持續(xù)性增加，而2.53%的區(qū)域?qū)⒈憩F(xiàn)為持續(xù)性降低趨勢。整體上看，貴州武陵山區(qū)NDVI 未來可能有較大的退化風(fēng)險。