康 冬，陳傳明，王 強

(1.福建師范大學(xué)地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；3.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007)

土地利用/土地覆被變化已成為全球環(huán)境變化研究的焦點和重點，植被作為土地覆被的主要因素，對全球的物質(zhì)循環(huán)、能量流動及全球變化響應(yīng)等方面都有重要影響，研究植被覆蓋已成為研究全球變化的重點部分[1]；植被作為地表主要活動部分，研究植被NDVI的變化對區(qū)域生態(tài)變化的研究具有代表性意義[2-3]。利用遙感數(shù)據(jù)，從時間尺度對植被覆蓋進行研究，既可以宏觀地了解區(qū)域多年總體趨勢情況，又可以較快地研究區(qū)域短時期(各月份、季節(jié))內(nèi)的動態(tài)變化情況，尤其是能夠研究一些極端災(zāi)害事件對植被變化的影響[4-6]。RS與GIS技術(shù)為研究全球和區(qū)域變化提供有效的研究手段和方法，對研究大尺度環(huán)境變化與植被覆蓋變化有很大的提升作用。MODIS NDVI數(shù)據(jù)從2000年開始被使用至今，在植被遙感動態(tài)監(jiān)測研究中具有特殊意義。朱明明[7]基于MODIS數(shù)據(jù)利用趨勢分析等方法，指出我國受到城鎮(zhèn)化的影響，長三角、珠三角和東北部分地區(qū)1982-2006年呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢。劉憲鋒[8]通過線性趨勢分析方法指出，2000-2011年三江源區(qū)NDVI呈增加趨勢的面積占64.06%，呈減少趨勢的面積占35.94%。因此，在時間尺度和空間變化上分析植被覆蓋動態(tài)變化具有較高的研究價值[9-11]。

1 研究區(qū)概況

福建省簡稱“閩”，位于北緯23°33′～28°20′、東經(jīng)115°50′～120°40′，地處我國東南沿海地區(qū)，西靠江西省，東北鄰浙江省，西南接廣東省，東臨臺灣海峽，與寶島臺灣隔海相望。福建省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，因土壤特點和氣候的原因?qū)е氯菀装l(fā)生水土流失，自明清時期便有記載，現(xiàn)存天然林較少，植被在建國以后才得以緩慢恢復(fù)[12]。自2000年起，福建省實施“生態(tài)省”戰(zhàn)略和建設(shè)生態(tài)文明先行示范區(qū)，構(gòu)造清新福建之路等一系列措施，如“四綠”工程及2011年實施進行的福建“生態(tài)省”，在政策上注重生態(tài)保護，實行植樹造林、封山育林、退耕還林等，使得福建省植被覆蓋有了很大程度的提高，森林覆蓋率持續(xù)攀升[13-14]。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

植被指數(shù)是一種具有時空序列數(shù)據(jù)，通過分析其時空分布特性研究植被覆蓋的變化特征，NDVI是植被遙感中使用最廣泛的指數(shù)模型之一，其計算公式為：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中：NIR為近紅外波段的反射率值，R為紅光波段的反射值，該模型主要適用于大尺度植被覆蓋變化動態(tài)監(jiān)測[15-16]。本文主要使用2000-2017年美國國家航空航天局(NASA)發(fā)布的中等分辨率MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為0.25～1.00 km，時間分辨率為16 d。由于官方下載的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過投影變化和格式轉(zhuǎn)換才能更好地利用，故使用NASA提供的MODIS TOOLS軟件進行轉(zhuǎn)換。再使用最大值合成法(MVC：maximum value composite)，將各月每旬的NDVI數(shù)據(jù)選取最大值，其目的主要是為了消除云、大氣氣溶膠、太陽高度角的部分干擾。另外，使用均值法是將各月數(shù)據(jù)進行均值處理，以此計算出年、季節(jié)和逐月的變化情況，以消除部分變化異常的月份誤差。由于2000年1月數(shù)據(jù)缺失，為保證數(shù)據(jù)的完整性，故使用2000-2003年1月數(shù)據(jù)的均值作為當年數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)氣象學(xué)劃分：春季為3-5月、夏季為6-8月、秋季為9-11月、冬季為12月至翌年2月。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云服務(wù)(http://www.gscloud.cn)，福建省地形復(fù)雜，全省大部分地區(qū)地形為山地丘陵，根據(jù)福建省海拔的具體特征，將海拔分為5個等級：<200 m、200～500 m、500～800 m、800～1000 m和>1000 m。以2000-2017年福建省多年NDVI平均值和高程分級圖為原始數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件的空間分析功能和屬性統(tǒng)計方法與高程數(shù)據(jù)進行疊加分析，得出福建省不同高程等級的面積比例和植被NDVI均值。植被類型數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn)，包括2000年、2005年、2010年和2015年4期數(shù)據(jù)，通過重分類選取3種主要的植被類型數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，分別進行疊加分析，為減少誤差將得到的四期不同植被類型的趨勢和變異系數(shù)進行均值合成。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢線分析法 趨勢線分析法其原理基于最小二乘法，在時間尺度上對變量進行回歸分析，從而模擬變量的變化趨勢[17]。趨勢分析對研究區(qū)內(nèi)隨時間變化的單個柵格像元進行回歸分析，能夠模擬出研究區(qū)內(nèi)每個像元歸一化植被指數(shù)的變化趨勢特征，從而能夠反映出研究區(qū)范圍內(nèi)每個像元植被NDVI不同時間變化趨勢特點，即通過最小二乘法擬合出植被NDVI的變化趨勢斜率，其計算公式為：

(1)

式中，slope值代表植被研究分析時段內(nèi)的變化趨勢斜率，能夠反映該時間段內(nèi)研究區(qū)植被NDVI的總體變化特征趨勢；若slope>0，植被NDVI變化趨勢是增加的，數(shù)值越大表明增加的程度越明顯；反之，若slope<0，變化趨勢為減少。slope的絕對值越高，則代表植被NDVI的變化趨勢越顯著。根據(jù)slope的變化范圍和福建省的具體情況，研究定義出5個變化趨勢等級[18]：顯著退化(slope<-0.009)、輕微退化(-0.0090.009)。

2.2.2 穩(wěn)定性分析法 為了分析研究區(qū)多年相同時期植被NDVI在空間上的波動情況，從像元尺度上計算2000-2017年福建省年均、季均和月均NDVI的變異系數(shù)，進而評估植被NDVI在時間序列上變化的穩(wěn)定性[19]，其計算公式為：

(2)

3 福建省植被NDVI變化特征分析

3.1 福建省植被NDVI年際變化特征分析

為了直觀判斷福建省植被NDVI的變化情況，對福建省年均NDVI柵格數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出福建省研究區(qū)的各年平均NDVI值。由圖1可知，2000-2017年福建省植被NDVI值在波動變化中呈較為明顯的線性增長趨勢，其年均增長速度為0.0032。近18年間，福建省年均NDVI的變化過程可分為3個階段：2000-2003年的第一次較快增長時期、2003-2009年波動變化期和2010-2017年第二次穩(wěn)定上升期。其中，植被指數(shù)在2000年的0.651增加至2003年的0.674，年均增長速度為0.0070，增長率為3.50%；2004年略有下降后至2009年交替波動，年均增長速度為0.0013，植被NDVI值在0.659～0.678間波動變化；在2010年輕度降低后至2017年持續(xù)穩(wěn)定增加，年均增長速度為0.0075，增長速度為7.08%。綜上，近18年福建省年均NDVI呈穩(wěn)定增長趨勢，表明福建省植被覆蓋變化的總體態(tài)勢良好。

圖1 2000-2017年福建省年均NDVI變化趨勢

由表1可知，在年際尺度上，近18年來福建省年均NDVI呈現(xiàn)出穩(wěn)定上升的態(tài)勢。其中，福建省植被輕微改善面積比例為67.49%，其所占面積比例最大，顯著改善的面積為3.63%，基本不變的面積占22.57%，退化面積僅占比6.31%，表明福建省植被NDVI在年際變化水平上向較高水平發(fā)展。

表1 福建省植被NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計

3.2 福建省植被NDVI季節(jié)變化特征分析

由圖2和表1可知，近18年來福建省各季節(jié)植被NDVI分別以不同的增長速度呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，能夠看出福建省植被NDVI的狀況在逐步提升，福建省植被覆蓋的程度逐漸提高。通過對多年各季節(jié)NDVI均值計算并統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：春季、夏季、秋季和冬季NDVI均值分別為0.637、0.73、0.726、0.627。福建省植被季均NDVI大小排序為：夏季>秋季>春季>冬季。春季，福建省植被NDVI改善的比例為76.6%，基本不變的比例為17.36%，退化的比例為5.01%；夏季，NDVI改善的比例為49.27%，基本不變的比例為36.59%，秋季，植被NDVI改善的比例為66.36%，基本不變的比例為24.67%，冬季，顯著改善的比例在所有季節(jié)里最高，為11.85%。表明輕微改善和顯著改善比例共占總面積的81.01%，表明福建省植被NDVI冬季增加的面積最多。

圖2 2000-2017年福建省各季節(jié)NDVI變化趨勢

3.3 福建省植被NDVI年內(nèi)變化特征分析

植被的物候變化規(guī)律影響著植被各月份NDVI的變化。如圖3所示，在年內(nèi)12個月的NDVI變化中，整體變化趨勢為先下降后增長再下降的過程。1-3月份逐漸減少，3月份為全年NDVI最小值；3-9月份植被NDVI逐漸上升，其中在7、8、9三個月份的NDVI值變化較為穩(wěn)定，上升幅度不明顯，9月為全年NDVI值最高的月份，各類植被生長均呈現(xiàn)較高的活動水平，隨后NDVI值逐漸下降；9-12月份植被NDVI呈逐漸減少趨勢，植被覆蓋水平逐漸降低。

圖3 福建省年內(nèi)NDVI變化曲線

3.4 福建省3種土地類型NDVI變化特征分析

土地利用的變化能夠直接反映人類因子與生態(tài)環(huán)境的相互影響，土地類型的改變能夠影響下墊面的變化，進而影響植被的分布和面積變化。通過選取近18年來福建省3種主要土地類型數(shù)據(jù)，并進一步分析可知(表2、圖4)，2000-2017年福建省草地、耕地、林地3種土地類型NDVI值在年際變化上均呈現(xiàn)出改善的趨勢，各植被類型改善的面積均超過其面積的60.00%，年均增加趨勢分別為0.0039、0.0027、0.0033。由圖4可以看出，草地和林地增長趨勢最快，耕地較慢，表明近年各類型植被NDVI均呈現(xiàn)出高質(zhì)量發(fā)展。其中，林地NDVI逐年增加。據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2000-2017年共造林面積為7693.6 km2，2017年福建省森林覆蓋率為65.95%，表明多年來福建省實施的一系列措施如“四綠”工程(讓森林進城、上路、下鄉(xiāng)、入村)和2011年實施進行的福建省“生態(tài)省”建設(shè)起到了積極作用，在政策上注重生態(tài)保護，實行植樹造林、封山育林等措施，使得林地面積和質(zhì)量增長顯著。

福建省草地資源在南方占重要位置，其草地資源主要分為丘陵草地和山地草地，在2010年之前由于重視程度等原因，草地維護較少，草地NDVI變化呈緩慢型波動增長，2001-2008年沒有顯著增加。2010年后，國家撥款3億元對福建省草地資源進行開發(fā)與保護，并在“十二五”期間進行“南方草原生態(tài)保護與建設(shè)項目”等相關(guān)規(guī)劃，使得近幾年福建省草地資源得到良好的改善，NDVI增長速度提升較高。

表2 2000-2017年福建省不同植被類型變化趨勢百分比情況

圖4 2000-2017年福建省不同植被類型年均NDVI變化特征

另外，近年來耕地NDVI主要呈現(xiàn)微弱的波動增長，2011年NDVI較低原因可能是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害導(dǎo)致。耕地NDVI整體上升的原因主要是農(nóng)業(yè)用地種植逐漸科學(xué)合理、肥料的使用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐漸轉(zhuǎn)向資源高效利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)等。

4 福建省植被NDVI穩(wěn)定性分析

使用變異系數(shù)法分別對2000-2017年福建省年均NDVI、季均NDVI計算變異系數(shù)，并得出2000-2017年福建省年均、季均植被NDVI的變異系數(shù)統(tǒng)計表(表3)。從不同的時間尺度對福建省植被NDVI進行穩(wěn)定性分析(表3)，在年際尺度上，植被NDVI變異系數(shù)大于0.1的面積比例為6.46%，表明在該部分區(qū)域植被覆蓋變化較大、穩(wěn)定性較差，受其他因素的影響較大。年際植被NDVI變異系數(shù)在0～0.1的面積占研究區(qū)總面積的比例為93.53%，表明在過去18年間，福建省大部分地區(qū)植被NDVI的穩(wěn)定性明顯較高，呈現(xiàn)出不劇烈變異，植被覆蓋呈穩(wěn)定性增長的趨勢。

在季節(jié)尺度上(表3)，福建省植被NDVI各季節(jié)穩(wěn)定性差異顯著，NDVI變異系數(shù)在C1(0～0.05)的面積比例，春季為8.97%，夏季為25.82%，秋季為51.58%，冬季為23.70%。NDVI變異系數(shù)在C2(0.05～0.1)的面積比例，春季為66.4%、夏季為56.96%、秋季為39.68%、冬季為53.88%。NDVI變異系數(shù)在0.1(C3、C4、C5、C6)以上的面積比例，春季為24.63%、夏季為17.21%、秋季為8.75%、冬季為22.43%。整體上，植被NDVI的穩(wěn)定性整體上為秋季>夏季>冬季>春季。

表3 2000-2017年福建省NDVI變異系數(shù)分級統(tǒng)計

5 植被NDVI與高程的相關(guān)性分析

由圖5、圖6可知，福建省不同海拔高程等級的NDVI值有顯著的區(qū)別。其中，高程<200 m的面積占全省面積的比例為19.21%，其中，2000-2017年18年的平均NDVI值為0.537，主要是由于該地區(qū)人口分布較聚集、經(jīng)濟較發(fā)達、城鎮(zhèn)化水平較高，對植被的生長活動影響程度較強烈，故植被NDVI值較小。高程在200～500 m的面積比例為36.60%，其范圍內(nèi)18年的年均NDVI為0.691，主要是福建省低海拔地區(qū)植被相對平原地區(qū)植被較多，導(dǎo)致NDVI均值增加較大。高程在500～800 m的面積比例為28.58%，該地區(qū)18年的年均NDVI均值為0.725。高程在800～1000 m的面積比例為9.65%，其范圍內(nèi)18年的年均NDVI為0.731；高程>1000 m的面積比為5.69%，該地區(qū)是福建省18年里平均NDVI值最高區(qū)域，其值為0.749。從不同高程的NDVI的趨勢線可以看出，植被NDVI隨高程的增加而同步增加，500 m高程范圍內(nèi)增加較為顯著，500 m以上的范圍植被NDVI變化較小。

圖5 福建省各高程等級的面積比例及年均NDVI值

由表4可知，福建省2000-2017年各高程等級的NDVI均呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢，不同海拔高度內(nèi)的NDVI變化呈現(xiàn)出不同的差異性。其中，高程小于200 m的地區(qū)，植被NDVI上升的趨勢最小，NDVI值呈波動上升的態(tài)勢，從2000年到2017年增幅為9.90%，主要是在低海拔地區(qū)，人類活動較大，對植被的干擾較強烈，影響植被的覆蓋，導(dǎo)致NDVI值相對較低，且上升趨勢較小。高程在200～800 m的地區(qū)，植被NDVI上升的趨勢最明顯，主要是由于植樹造林主要在該高程地區(qū)，人類的負面影響相對較小。在高程大于800 m的地區(qū)植被NDVI值呈現(xiàn)出高數(shù)值特點，但增加趨勢相對不明顯，主要原因是高海拔地區(qū)人類影響最小，多為天然森林植被，呈現(xiàn)出自然的生長變化。

6 結(jié)論

(1)2000-2017年福建省年均NDVI和各季節(jié)NDVI呈穩(wěn)定增長趨勢，植被輕微改善面積與顯著改善的面積超過總面積的70.00%，表明福建省植被覆蓋變化的總體態(tài)勢良好。(2)2000-2017年福建省草地、耕地、林地3種土地類型NDVI值在年際變化上均呈現(xiàn)出改善的趨勢，僅耕地NDVI增加趨勢低于全省NDVI的增長趨勢。三種主要植被類型改善的面積均超過其面積的60.00%，其中，林地和草地改善面積超過各自土地類型面積的70.00%，增加趨勢明顯。說明福建省注重生態(tài)保護的措施是正確合理的，植樹造林、封山育林、退耕還林等政策的有效實施，使得植被覆蓋增長顯著。植被的變化在很大程度上受人類因素的影響。(3)2000-2017年福建省植被NDVI變異系數(shù)小于5%的比例為59.09%，5%～10%的比例為34.44%，在整體上植被變化穩(wěn)定性高。各季節(jié)NDVI變異系數(shù)在10%的面積比例略低于年際NDVI的比例，表明福建省植被的生長變化變異性呈現(xiàn)出季節(jié)性特點。(4)對福建省不同高程等級的NDVI值呈現(xiàn)出海拔差異性特點，植被NDVI隨高程的增加而同步增加，增長趨勢隨海拔高度的上升呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢。

表4 福建省各高程等級NDVI均值、變化趨勢及穩(wěn)定性統(tǒng)計情況