劉宇，朱源，2

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，中國科學院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101；2.成都理工大學地球科學學院，成都610059）

20世紀80年代以來長江流域植被變化的速度和格局

劉宇1，朱源1，2

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，中國科學院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101；2.成都理工大學地球科學學院，成都610059）

長江流域是我國的經(jīng)濟重心，生態(tài)區(qū)位重要。長期以來開展的生態(tài)建設工程和城鎮(zhèn)擴展等人文驅(qū)動是造成流域植被變化的重要原因。利用長時間序列的GIMMS 3g植被NDVI監(jiān)測數(shù)據(jù)，對長江流域植被變化的速度、空間格局及其時段變異進行分析。結(jié)果顯示：20世紀80年代以來，長江流域植被發(fā)生了顯著的變化，植被覆蓋總體呈上升趨勢；坡度帶、海拔帶、土地利用/覆被變化類型區(qū)和土地利用/覆被類型區(qū)之間存在隨時段而異的鮮明差異，低海拔、坡度小的區(qū)域、長江中游各流域增速高，而長江上游和下游地區(qū)增速較慢；植被覆蓋降低的區(qū)域從農(nóng)林業(yè)影響為主的山區(qū)轉(zhuǎn)向城市群分布區(qū)，城鎮(zhèn)建設成為植被NDVI降低的主要因素。分時段植被變化速度的差異表明，退耕還林工程顯著加快了流域植被的恢復速度。從各個土地利用/覆被類型植被變化速率的分析結(jié)果來看，人為影響較大的土地利用/覆被類型植被NDVI變化速度較快，表明人類影響強度的變化是流域內(nèi)植被變化的主要因素。在流域內(nèi)部，自然地理條件和人文因素分別是長江上游和中下游植被變化的主導因素。

植被變化；長江流域；GIMMS 3gNDVI；土地利用變化

長江是中國第一、全球第三大河，流域總面積達180萬km2[1]。長江流域橫貫我國中部，長期以來一直是我國的經(jīng)濟重心[2]。長江流域生態(tài)區(qū)位重要，自然生境具有明顯的地帶性，生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，植被類型豐富，生物多樣性程度極高[3]。在全國主體功能區(qū)劃中，流域內(nèi)有近200個重點生態(tài)功能區(qū)[4]，各類自然保護區(qū)多達827個，保護區(qū)面積約占流域面積的20%[5]。長江流域水能資源豐富，長江上游是我國水電開發(fā)的重點區(qū)域[6]，長江中下游地區(qū)則是我國水稻等糧食作物的主產(chǎn)區(qū)，養(yǎng)殖業(yè)在全國占有舉足輕重的地位。因此，長江流域的生態(tài)建設長期以來得到區(qū)域和國家層面的重視，先后啟動了長江中上游防護林工程、鄱陽湖流域山江湖治理工程、三江源保護工程等區(qū)域性生態(tài)建設工程；同時，國家層面啟動的退耕還林工程、天然林保護工程、南方豐產(chǎn)速生林建設工程都將長江流域作為重點區(qū)域[7]。這些生態(tài)建設工程和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變加快了流域植被變化。本文基于長時間序列植被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，對長江流域植被變化速度和空間格局展開分析，以闡釋流域植被變化的空間異質(zhì)性及其階段性特征。

1 植被變化監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)來源

歸一化植被指數(shù)（normalized vegetation index，NDVI）與植被葉面積密切相關[8]，是反映植被生長、覆蓋變化的常用指標[9、10]。這里以NDVI的變化來反映植被的變化。NDVI采用近紅外（ρnir）和紅光（ρred）2個波段反射率計算。

采用一元線性回歸獲取逐像元植被NDVI與時間T的線性回歸斜率作為覆蓋度變化趨勢的表征[11、12]。一元線性回歸公式為

式（2）中：β為植被NDVI變化趨勢線斜率；T為監(jiān)測年數(shù)；i為年份，i=1，2，…，T；NDVIi為第i年植被NDVI。若植被NDVI呈增加趨勢則β＞0，NDVI減少則β＜0，β=0表示植被NDVI沒有變化。根據(jù)式（1），基于1982-2013年半月最大值合成的GIMMS 3g NDVI柵格數(shù)據(jù)集，利用Arc/info AML腳本語言編程，求取年最大植被NDVI變化斜率。為揭示植被變化的階段性特點，以全國大規(guī)模退耕還林工程啟動的時間節(jié)點為界，將1982-2013年劃分為1982-1998年、1999-2013年2個時段來分析植被NDVI的變化。同時結(jié)合1980年和2010年的土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，分析長江流域NDVI的變化與土地利用/覆被變化類型間的分異。

2 長江流域植被變化的總體格局

利用上述方法，獲得了1982-1998年、1999-2013年和1982-2013年長江流域植被NDVI變化速率的空間分布圖如圖1所示。結(jié)果顯示，1982-1998年、1999-2013年2個時段長江流域植被變化的空間格局呈現(xiàn)出明顯的不同。1982-1998年，植被指數(shù)呈降低趨勢的區(qū)域主要位于長江上游，烏江中上游、嘉陵江上游、金沙江、雅礱江至通天河沿岸區(qū)域等植被指數(shù)降低區(qū)域呈連片分布。此外長江三角洲地區(qū)也是植被指數(shù)下降的區(qū)域。這一時段，長江中上游植被指數(shù)下降區(qū)主要位于山區(qū)，砍伐、開墾等與林業(yè)、種植業(yè)相關的人類活動是主要影響因素；長江三角洲地區(qū)處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段，工業(yè)、城市建設和交通設施建設對農(nóng)田的占用是植被指數(shù)下降的主要原因。1999-2013年，植被指數(shù)降低的區(qū)域逐步破碎化，成都平原至重慶一帶出現(xiàn)植被指數(shù)降低趨勢的連片區(qū)域，這一時期成渝城市群的快速發(fā)展是其形成原因。隨著長江中上游防護林工程、退耕還林工程以及長江上游水庫群建成后大量植被保護和恢復工程的開展，上游地區(qū)植被指數(shù)降低的趨勢得到緩和。在長江中游一帶，這2個時期植被指數(shù)都呈增加趨勢，尤其是在江西、湖南、湖北和重慶東部，秦巴山地、云貴高原與江南丘陵相鄰地帶，都是植被恢復和重建的主要地區(qū)。

圖120 世紀80年代以來NDVI變化速率的空間分異Fig.1 Different spatial distributions of the NDVI change rates since 1980s

生態(tài)建設工程是流域植被恢復的直接人文驅(qū)動原因。秦巴山地位于南水北調(diào)中線水源區(qū)，是我國乃至世界生物多樣性的熱點區(qū)域，在這里相繼開展了天然林資源保護工程、南水北調(diào)中線水源區(qū)保護和退耕還林等生態(tài)修復和保育工程，植被得到很好恢復。洞庭湖流域、鄱陽湖流域長期是生態(tài)建設的重點區(qū)域。鄱陽湖流域開展了卓有成效的山江湖治理工程[13、14]，森林覆蓋率從26.98%提高到60.05%[14]。

3 NDVI變化的地形分異

坡度、海拔可導致水熱條件、土壤屬性等自然地理環(huán)境因子的分異，同時還決定人類對土地開發(fā)利用的方式和強度，因而是植被變化的控制因素之一。筆者按照坡度和海拔分帶對長江流域植被NDVI變化速度進行統(tǒng)計分析，得到各時段各坡度帶和各海拔帶的NDVI變化速率分別如圖2和圖3所示。

圖2 各坡度帶各時段NDVI變化速率Fig.2 The NDVI change rates of different slopes during 3 temporal periods

圖3 各海拔帶各時段NDVI變化速率Fig.3 The NDVI change rates of different elevations during 3 temporal periods

如圖2和圖3所示，長江流域植被NDVI在各個坡度帶基本上都呈增加趨勢，變化速率有明顯的地形分異，總體上坡度緩和的區(qū)域植被NDVI增速較快，陡峭區(qū)域除大于35°的區(qū)域外，NDVI增速都較慢。1982-1998年，坡度大于35°的區(qū)域NDVI增速最高，達到每10年0.15，其他各坡度帶增速較低，且隨坡度增加增速降低。1999-2013年，長江流域除大于35°的區(qū)域外，植被NDVI增速較1982-1998年大幅度提升，且隨坡度增加增速遞減。但從1982-2013年，各坡度帶植被NDVI都在增加，0～5°及大于35°兩個坡度帶增速較高。1982-1998年、1999-2013年2個時段，植被NDVI變化速率隨海拔都呈遞減趨勢。

1982-1998年NDVI在各個高度帶都低于1999-2013年。從各時段的植被NDVI變化來看，1999年開始實行的退耕還林工程是最大的直接推動原因。在高海拔區(qū)域，農(nóng)業(yè)、工礦等低植被覆蓋土地利用類型較少，自然植被占主導，植被保育是植被建設的主要方式，因而植被NDVI增速較低；在低海拔區(qū)域，耕地等土地利用類型面積大，是退耕還林的主要區(qū)域，且水熱條件較好，因而植被NDVI增速較高。

4 土地利用變化對NDVI變化速率的影響

土地利用/覆被類型的變化是植被NDVI變化的直接影響因素。利用20世紀80年代和21世紀10年代土地利用/覆被數(shù)據(jù)疊加分析，提取出類型不變的各類土地利用/覆被類型區(qū)，分別統(tǒng)計1982-1998年、1999-2013年和1982-2013年的植被NDVI變化速度。從1982-2013年，長江流域全區(qū)、土地利用/覆被類型變化區(qū)和不變區(qū)植被NDVI都呈增加趨勢，2003年以后這種增加趨勢更為突出（圖4）。土地利用/覆被類型不變區(qū)NDVI低于全區(qū)平均水平，更低于土地利用/覆被類型變化區(qū)。區(qū)域NDVI變化速率標準差反映了植被變化速率的空間異質(zhì)性。從1982-2013年，類型變化區(qū)內(nèi)部植被NDVI標準差都低于全流域和類型不變區(qū)，表明類型變化區(qū)內(nèi)部植被NDVI異質(zhì)性降低。

圖4 土地利用/覆被類型變化區(qū)（左）和不變區(qū)（右）NDVI及其標準差時間變化Fig.4 Temporal variations of the annually averaged NDVI change rates（left）and their standard deviations（right）for the regions of changed and unchanged types of land use and vegetation cover

各土地利用/覆被變化類型區(qū)NDVI變化速度在1982-1998年、1999-2013年2個時段差別明顯，1999-2013年土地利用/覆被類型變化區(qū)域NDVI增加速率是未變區(qū)域的2倍以上（圖5）。在前一時段后期，長江中上游防護林工程啟動，而后一時段是退耕還林工程大規(guī)模實施的時間，大量耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，植被建設速度大大加快。因此，2個時段植被NDVI增速的差異可歸因于植被建設工程的實施。但從1982-2013年來看，土地利用/覆被類型未變區(qū)植被NDVI增速遠高于土地利用類型變化區(qū)，表明對流域內(nèi)原有植被的保育有效促進了植被的恢復。

圖5 土地利用/覆被類型變化類型區(qū)（左）和土地利用/覆被類型區(qū)（右）NDVI變化速率圖Fig.5 The decadal NDVI change rates for the regions of changed and unchanged types of land use and vegetation cover(left)and for the different types of land use and vegetation cover(right)

如圖5所示，各類土地利用/覆被在1999-2013年植被NDVI增速高于1982-1998年和1982-2013年；人為影響大的土地利用/覆被類型NDVI變化速度較快。一般而言，人類活動對土地利用/覆被類型的影響強度依次為聚落、農(nóng)田、水域、灌叢、森林、草地[15、16]。在1982-1998年，聚落NDVI下降，而在1999-2013年則高速上升，速度遠高于其他土地利用/覆被類型。除聚落外，在各個時段農(nóng)田是植被NDVI增速最高的土地利用/覆被類型。在長江流域，草地在植被類型中是變化速度最低的類型，遠低于森林、灌叢，水域NDVI的增加反映出濕生植被覆蓋的擴展和水體浮游植物的增加。

5 結(jié)語

植被NDVI變化速度及其空間分布格局的定量分析結(jié)果顯示：20世紀80年代以來，長江流域植被發(fā)生了顯著的變化，植被覆蓋總體呈上升趨勢，但在不同的坡度帶、海拔帶、土地利用/覆被變化類型區(qū)和土地利用/覆被類型區(qū)之間存在時段的變化；在植被NDVI變化速度的空間分布上，低海拔、坡度小的長江中游各流域增速高，而長江上游和下游地區(qū)增速較慢，前者受自然地理條件制約，后者則受人類活動影響。植被覆蓋降低的區(qū)域從農(nóng)林業(yè)影響為主的山區(qū)轉(zhuǎn)向城市群分布區(qū)，城鎮(zhèn)建設成為植被NDVI降低的主要因素。分時段植被變化速率的差異分析表明，1999年開始實施的退耕還林工程顯著加快了流域植被的恢復速度。從各個土地利用/覆被類型植被變化速率的分析結(jié)果來看，人為影響較大的土地利用/覆被類型植被NDVI變化速度較快，表明人類影響強度的變化是流域內(nèi)植被變化的主要因素。

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[責任編輯：肖紅艷]

Vegetation Change of Yangtze River Basin since 1980s:Pattern and Change Rate

LIU Yu1，ZHU Yuan1，2

（1.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;2.College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China）

Yangtze River basin is the engine of China’s economy and the important critical zone for ecological security.Ecological restoration project and expansion of built-up areas are the direct push of vegetation cover shift.Using GIMMS 3g NDVI dataset,this study mapped the vegetation change rate and its spatial pattern of this large river basin,and analyzed the variation of the change rate at different temporal stages.The results demonstrated that the average vegetation cover in the Yangtze River basin increased significantly since 1980s.However, a spatial heterogeneity of the change rate exists:areas with lower elevation and/or gentler slope gradient had greater change rate;vegetation change rate showed higher speed in the middle reaches of the Yangtze River basin compared with that in the upper and lower reaches;mountainous areas previously dominated by agriculture and forestry industries were no longer the regions with decreased NDVI,while the urbanized and urbanizing areas had a decreased NDVI.It is concluded that the anthropogenic activities including the launch of Grain for Green Project and the urbanization are critical factors for vegetation change.However,for areas without a change in type of landuse and land cover,the physiographic conditions shaped the vegetation change rate.

vegetation change;Yangtze River basin;GIMMS 3g NDVI;land use change

X173.7

A

2096-2347（2016）02-0039-05

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.02.06

2016-04-18

國家自然科學基金項目（41301032）；國家自然科學基金國際合作項目（31461143032）。

劉宇（1981—），男，貴州省六盤水人，博士，助理研究員，主要從事景觀生態(tài)學、流域生態(tài)系統(tǒng)管理研究。E-mail：liuyu@igsnrr.ac.cn