四川省NDVI時空演化特征研究

陳 浩，董廷旭，馬 麗，林孝先，李 勇

（1.綿陽師范學院資源環(huán)境工程學院，四川綿陽 621000；2.成都理工大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610059）

0 引言

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的植被是連接大氣圈、水圈、生物圈等地球外部圈層的紐帶，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、改良土壤、維持生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞等過程中，植被亦起先導作用［1-4］.近年來，在氣候變化和人類活動的雙重影響下，以植被為主體的陸地生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的擾動，研究植被覆蓋空間分異及演化趨勢，可為揭示區(qū)域環(huán)境演變機理，深入分析植被變化與氣候、人類活動之間的響應關(guān)系奠定基礎［5-7］.衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠獲取實時、動態(tài)、連續(xù)的地表植被覆蓋信息，是當前植被動態(tài)變化監(jiān)測和全球變化研究的一個重要途徑，作為表征植被覆蓋程度和生長狀況重要指示因子的歸一化植被指數(shù)（NDVI）是衛(wèi)星遙感中最具明確意義的指數(shù)之一，是基于植被葉綠素在可見光紅光波段的強吸收及在近紅外波段的強反射特性來實現(xiàn)對植被信息狀態(tài)的表達［1］，能突出植被特征而弱化其他地物特征［5，8］，能有效反映年度植被生長所達到的最佳狀況，已在植被時空尺度變化研究中得到廣泛應用［9-15］.近年來，國內(nèi)外學者使用年度、季度和月度NDVI數(shù)據(jù)對不同流域以及干旱區(qū)域、極寒地帶的植被覆蓋狀況進行了時空動態(tài)研究，并定量探究了該變化與自然因子及人文因子之間的關(guān)系［13，16-21］.總體來看，植被NDVI 值能有效反映年度植被生長所達到的最佳狀況，且與地表生物量有很好的相關(guān)關(guān)系，分析植被指數(shù)的時空演化特征，可為減緩不利自然因素對植被變化的影響、提高植被生態(tài)質(zhì)量提供科學依據(jù).處于青藏高原與四川盆地過渡地帶的四川省屬亞熱帶季風氣候區(qū)，地勢西高東低，多大山、大川，地跨長江、黃河流域，山地丘陵交錯，歷來有“天下山水在于蜀”之說，研究區(qū)水熱條件良好，植被資源豐富.在全球氣候變化的背景下，本次研究基于NDVI時間序列數(shù)據(jù)，運用趨勢分析等方法從年際、季節(jié)尺度探討近20年來四川省植被時空演化特征，旨在為當前研究區(qū)植被保護和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供理論參考和技術(shù)支撐.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

四川省地處中國西南腹地，地理坐標介于東經(jīng)97°21'～108°33'與北緯26°03'～34°19'之間，全省轄21個市（州），轄區(qū)面積48.61萬km2，位于中國大陸地勢三大階梯中第一級階梯和第二級階梯的過渡地帶，地形高低懸殊，西高東低的地貌特征明顯，總體來看，其西部屬于高原高山峽谷區(qū)，東部屬于盆地丘陵低山區(qū).因地貌形態(tài)對氣溫、降水等植物生長條件的影響，四川植被類型以亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶灌叢和高原高寒草甸為主.草甸主要分布于川西高原面上，亞熱帶植被類型分布于盆地內(nèi)部及周緣山地.根據(jù)中國地貌劃分指標，利用 DEM 數(shù)據(jù)，對海拔高程（分別以1 000、3 500、5 000 m 為等級界線，共4 級）和地勢起伏度（分別以30、50、200、500、1 000 m 為等級界線，共 6 級）進行分級，將上述因子不同等級組合狀況作為一類地貌形態(tài)，將所提取的地勢起伏度和海拔高程進行融合并作空間疊加分析，在四川省劃分出21 種海拔高程與地勢起伏度所組合的地貌形態(tài)（圖1）.

圖1 四川省地貌類型Fig.1 Geomorphic types of Sichuan province

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用SPOT NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源于自然空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為1 000 m，采用最大值合成法生成的2000—2018 年的年度、季度NDVI 數(shù)據(jù)集.該數(shù)據(jù)集可以充分反映四川省各地區(qū)在時間、空間上植被覆蓋和分布情況，被廣泛用于植被變化狀況監(jiān)測、植被資源合理利用和凈初級生產(chǎn)力估算等研究.

2 研究方法

采用一元線性回歸分析，以時間為自變量、NDVI 為因變量，定量分析2000—2019 年四川省植被覆蓋度隨時間的變化狀況.計算公式如下［5］：

式中，S表示多年NDVI 線性擬合斜率值，n為年數(shù)，INDVI代表第i年NDVI 值.當S＞0 時，表明NDVI值逐時段增加，反之則減少.

線性擬合斜率值結(jié)合判定系數(shù)，將NDVI變化趨勢劃分為極顯著減少、顯著減少、未顯著減少、未顯著增加、顯著增加、極顯著增加等6種類型（表1）.

表1 NDVI變化趨勢劃分標準Tab.1 Dividing standard of NDVI change trend

3 研究結(jié)果

3.1 NDVI隨時間變化特征

在研究時段，NDVI數(shù)值呈現(xiàn)出較為明顯的波動上升趨勢（圖2），NDVI最大值和最小值分別出現(xiàn)于統(tǒng)計起始年（2000 年）和統(tǒng)計終端年（2019 年），其值分別為0.69 和0.78.分析表明，以NDVI平均值（0.74）為參照，以2013年為時間界線，可將研究時段劃分為兩個期段，2013年之前的13年時間，除2006年NDVI值剛達到平均水平之外，其余12年NDVI值均小于0.74；2013年之后所有年份，NDVI值均大于平均值.20年來NDVI變化速率為0.045/10a，表明四川省植被覆蓋狀況趨于逐年上升.由NDVI季節(jié)變化趨勢圖（圖3）可知，隨時間推移，春、夏、秋、冬四季NDVI數(shù)值均呈波動上升趨勢，與研究區(qū)年際變化趨勢基本一致.

圖2 四川省2000—2019年NDVI年際變化趨勢Fig.2 Interannual trend of NDVI in Sichuan province from 2000 to 2019

圖3 四川省2000—2019年NDVI季節(jié)變化趨勢Fig.3 Seasonal variation trend of NDVI in Sichuan province from 2000 to 2019

3.2 NDVI空間變化特征

從NDVI 年變化趨勢上看，四川省NDVI 整體上趨于增長，未顯著增加、顯著增加、極顯著增加三類區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的91.41%（圖4、表2）.其中，未顯著增加區(qū)域面積最大，達23.07 萬km2；NDVI 顯 著增加區(qū)域面積亦達到16.97 萬km2；NDVI 極 顯著增加區(qū)域面積相對較小，僅為4.14萬km2.

表2 各季節(jié)NDVI變化趨勢面積統(tǒng)計（萬km2）Tab.2 Area statistics of NDVI change trend by season（ten thousand km2）

圖4 四川省2000—2019年NDVI變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of NDVI change trend in Sichuan Province from 2000 to 2019

從NDVI 季節(jié)變化趨勢空間分布上看（圖5，表2），秋、冬兩季顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域之和高于春、夏兩季，其中，秋、冬季節(jié)極顯著增加區(qū)域的分布范圍明顯更為廣闊，其面積統(tǒng)計值亦更大（表2）.

圖5 四川省2000—2019年NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI seasonal variation trend in Sichuan province from 2000 to 2019

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

從總體看，四個季節(jié)NDVI 數(shù)值高低與植物生長的物候時序相吻合，地處亞熱帶季風氣候區(qū)的研究區(qū)域雨熱同期，夏季氣溫高、降水充沛，植被茂盛，NDVI 達到最高值；反之，冬季氣溫低、降水稀少，植被凋落，NDVI值最低；秋季濕熱多雨，加上溫室效應的影響使植被生長周期延長，因而秋季NDVI 值高于春季，NDVI 的季節(jié)變化趨勢表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季.從NDVI 增加速率上看，可能由于春季氣溫回暖日期提前、秋季降溫時間滯后等原因，導致春、秋兩季NDVI 上升速率較快，同為0.075/10a，夏、冬兩季上升速率相對較慢，分別為0.050/10a 和0.045/10a.

從NDVI 空間變化情況看，面積占比達47.46%的未顯著增加區(qū)域主要分布于四川省不同起伏形態(tài)的各類山地地貌區(qū)，包括川北的大巴山、川南的大涼山、大婁山以及盆山過渡地帶的岷山、邛崍山等.顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域主要位于川西高原和川中丘陵地帶.由NDVI 季節(jié)變化空間趨勢可知（圖5，表2），秋、冬兩季顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域分布較為集中，兩類區(qū)域面積之和高于春、夏兩季，其中，秋、冬季節(jié)極顯著增加區(qū)域的分布范圍明顯更為廣闊，其面積統(tǒng)計值亦更大（表2）.NDVI顯著減少和極顯著減少區(qū)域主要分布于龍門山和龍泉山所夾持的成都平原一帶，究其原因，主要是成都平原人口密集、經(jīng)濟發(fā)展水平高，隨著近年來該地區(qū)城鎮(zhèn)化進程加快，不可避免對植被覆蓋產(chǎn)生影響.

從另一個角度看，四川省幾個典型地貌單元（無論是位于青藏高原東緣的川西高原、大涼山，還是地處四川盆地內(nèi)部的成都平原、川中丘陵，亦或是大巴山、岷山、邛崍山、大婁山等盆周山地）冬季NDVI 增加趨勢比其余三個季節(jié)更為顯著，其原因可能與溫室效應驅(qū)動的暖冬氣候有關(guān).另外，隨季節(jié)更替，NDVI 顯著增加、極顯著增加區(qū)域主要集中分布于川西高原、大涼山地區(qū)，表明冬季增溫現(xiàn)象在青藏高原東緣地帶表現(xiàn)得更為明顯.

4.2 結(jié)論

本次研究基于SPOT NDVI 數(shù)據(jù)集，利用線性回歸分析等方法探討了四川省NDVI 時空演化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）四川省年均NDVI 數(shù)值和四個季節(jié)NDVI 數(shù)值均呈較為明顯的波動上升趨勢，植被覆蓋狀況整體呈現(xiàn)改善趨勢.由于溫室效應驅(qū)動的暖冬氣候的影響，在四川省不同地貌單元，均表現(xiàn)出冬季NDVI增加趨勢比其余三個季節(jié)更為顯著的特征.

（2）不同季節(jié)NDVI 值高低與植物生長物候時序相吻合，即夏季NDVI 值最高，冬季最低.由于秋季降溫時間滯后導致植被生長周期延長，秋季NDVI值高于春季，NDVI值總體表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季.

（3）從NDVI 空間變化趨勢上看，NDVI 增加區(qū)域占研究區(qū)總面積的91.41%，其中，顯著增加、極顯著增加區(qū)域主要集中分布于青藏高原東緣地區(qū)；NDVI下降區(qū)域主要位于人口稠密、經(jīng)濟發(fā)展水平高、城鎮(zhèn)化進程快的成都平原地帶.