許玉鳳，向 清，潘網(wǎng)生，張永雷，孫連群

（1.黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州 都勻 558000）

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱，因?yàn)樯L(zhǎng)環(huán)境的不同分為高山植被、草原植被、海島植被等[1]。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球變化中起著“指示器”的作用[2]。在全球氣候變化加劇和人類活動(dòng)日益頻繁的背景下，研究植被的時(shí)空變化特征，對(duì)于研究生態(tài)環(huán)境的變化及其變化趨勢(shì)和規(guī)律，探討變化驅(qū)動(dòng)因子和驅(qū)動(dòng)力，評(píng)估地區(qū)環(huán)境有重要現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

目前遙感技術(shù)是監(jiān)測(cè)全球和區(qū)域尺度植被動(dòng)態(tài)的有效工具[5]。遙感結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，并運(yùn)用相關(guān)的數(shù)學(xué)方式進(jìn)行協(xié)助研究的方式可以隨時(shí)隨地對(duì)植被覆蓋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，被廣泛應(yīng)用。研究表明，NDVI在植被監(jiān)測(cè)、土地覆蓋變化等方面均可應(yīng)用，主要有最大值法、一元線性回歸趨勢(shì)等計(jì)算法[6]，用于分析植被的分布狀況，對(duì)于植被變化的監(jiān)測(cè)意義更大[7]。

植被變化對(duì)全球能量循環(huán)及物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要的影響[8]。因此，有關(guān)植被變化的研究是國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)問題，引起了諸多學(xué)者的研究和關(guān)注。全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)（GCTE）是當(dāng)前全球變化研究的重要內(nèi)容，而有關(guān)地表植被覆蓋與環(huán)境演變關(guān)系的研究是其中最復(fù)雜和最具活力的研究?jī)?nèi)容[9]。國(guó)外學(xué)者利用NDVI數(shù)據(jù)對(duì)北半球植被覆蓋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)北半球中緯度以及高緯度地區(qū)的植被活動(dòng)在過去的20 多年中表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢(shì)，且趨勢(shì)明顯[10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于中國(guó)地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列采用最大值合成、一元線性回歸變化斜率法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)中國(guó)各大自然區(qū)劃的植被覆蓋狀況做了時(shí)空變化分析[11]。

1 研究區(qū)概況

黔南布依族苗族自治州位于24°37′～29°13′N、103°36′～109°35′E之間，貴州省中南部地區(qū)，東側(cè)與黔東南州接壤，南部和廣西相鄰，西側(cè)與黔西南州、安順市接壤，北側(cè)緊鄰貴陽(yáng)市（圖1）。黔南州成立于1956年，轄都勻市、福泉市、貴定縣、龍里縣、惠水縣、長(zhǎng)順縣、羅甸縣、平塘縣、獨(dú)山縣、荔波縣以及三都水族自治縣等12個(gè)縣級(jí)行政區(qū)劃，首府所在地為都勻市，是全州的經(jīng)濟(jì)文化中心。

全州總面積26 197 km2；地形以山地、高原為主，平均海拔在1 000 m左右，其中山地面積占72.53%、丘陵面積占21.3%、平壩面積占6.17%。全州人口中少數(shù)民族比例為55.92%，少數(shù)民族中以布依族和苗族所占比例為大。

圖1 黔南布依族苗族自治州位置示意圖

黔南州地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受海洋暖濕氣流影響大，全年多陰雨天氣，日照率在30%左右。年均氣溫在16 ℃左右。降水主要集中在4～10月，年均降水量在1 300 mm左右，夏季雨熱同期，多年平均相對(duì)濕度在80%。

黔南州處于貴州高原向廣西丘陵過渡地帶，喀斯特地形區(qū)，多地下溶洞，地勢(shì)西北高東南低，貴定、都勻之間的斗篷山海拔1 961 m，是全州最高點(diǎn)；羅甸紅水河出境處海拔242 m，為全州最低點(diǎn)；相對(duì)高差達(dá)1 719 m。該區(qū)域代表性植被為亞熱帶常綠闊葉林，植物生長(zhǎng)茂盛。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文采用美國(guó)NASA提供的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品開展植被覆蓋變化研究。影像的空間分辨率是250 m，數(shù)據(jù)投影格式是正弦曲線投影。該數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了大氣校正，并通過雙向反射去除水、云、氣溶膠以及陰影，可以直接應(yīng)用于植被覆蓋情況的研究。利用MRT軟件進(jìn)行圖像拼接和投影轉(zhuǎn)換，然后利用黔南州行政邊界矢量數(shù)據(jù)對(duì)圖像進(jìn)行統(tǒng)一裁剪。

利用MODIS土地覆蓋類型數(shù)據(jù)（MCD12Q1）分析近期的黔南州土地覆蓋和植被覆蓋狀況。選取黔南州4個(gè)地面氣象站點(diǎn)2000年以來的逐年氣溫和降水量數(shù)據(jù)。根據(jù)黔南州統(tǒng)計(jì)年鑒得到2000年以來黔南州建成區(qū)面積數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI 閾值設(shè)定

根據(jù)方精云等的研究，采用NDVI=0.1作為常年植被區(qū)的閾值[12]；選取NDVI大于0.1的像元作為植被進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；統(tǒng)計(jì)NDVI 大于0.42的柵格來計(jì)算綠色植被面積[13]。

2.2.2 趨勢(shì)分析

一元線性回歸分析被用來模擬每個(gè)柵格點(diǎn)植被的綠度變化率（greenness rate of change，GRC）[14]。計(jì)算公式為：

式中，變量i為影像按時(shí)間排列的序號(hào)；i取值為1, 2, …,23；n為研究期限，n=15；NDVI為第i景影像的NDVI值；slope 是研究期間NDVI 的線性回歸斜率，若slope> 0，說明在這一時(shí)段的NDVI值增加，植被覆蓋度上升，植被覆蓋面積增加，反之則減少[15]。

2.2.3 穩(wěn)定性分析

植被NDVI年際波動(dòng)值可以用來監(jiān)測(cè)植被受外界因素的影響[16]。波動(dòng)值大說明植被群落受外界因素影響大，不穩(wěn)定；波動(dòng)值小說明植被群落狀態(tài)穩(wěn)定。用2000～2014年NDVI 的變異系數(shù)來反映研究區(qū)域內(nèi)不同像元上15 a來的植被相對(duì)波動(dòng)程度[17]。

式中，Cv為變異系數(shù)；s為標(biāo)準(zhǔn)差；NDVI為多年NDVI平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 黔南州土地利用和植被NDVI空間格局

黔南州的土地利用以林地和草地為主，其中林地主要集中分布于東南部的荔波、三都、獨(dú)山和西部的龍里縣。農(nóng)作物主要分布在西部、北部和西南部地區(qū)，以長(zhǎng)順縣的西北部地區(qū)分布最廣。建設(shè)用地所占面積較小，主要在各個(gè)行政單位所在地，其中，都勻市建設(shè)用地所占面積在全州行政單位中最大。水體在各縣市均有分布（圖2）。

圖2 2010年黔南州土地覆被狀況

圖3 2000年以來黔南州植被NDVI多年均值空間格局

黔南州NDVI多年平均值0.5以下地區(qū)占1/2以上。2000年以來的NDVI多年均值最高的區(qū)域主要在黔南州東南部的荔波縣、三都水族自治縣以及西南部的羅甸縣，NDVI 多年平均值在0.5以上；而在長(zhǎng)順、惠水以及獨(dú)山、甕安、福泉等縣的NDVI值較低，長(zhǎng)順縣的NDVI低值區(qū)所占面積較大（圖3）。

3.2 植被覆蓋時(shí)間變化特征

3.2.1 植被年內(nèi)變化特征

將研究期間的年內(nèi)數(shù)據(jù)取平均值研究黔南州植被覆蓋面積的年內(nèi)變化（圖4a）。從第33天到第81天植被覆蓋面積處于上升階段；在第81天到第321天處于基本穩(wěn)定階段，且綠色植被覆蓋面積達(dá)到一年中最大值；NDVI值在第17天到第241天是波動(dòng)上升階段，在第241天達(dá)到最大值，之后開始下降，最低值出現(xiàn)在第16天。從第321天到第353天植被面積處于下降階段，第1天到第16天下降達(dá)到最低值。NDVI值較大的階段，綠色植被面積也較大（圖4b）。

綠色植被面積出現(xiàn)大幅度下降，是由于在第321～365天和第1～16天是一年中的冬季，植被生長(zhǎng)期結(jié)束，部分落葉闊葉林植被落葉，導(dǎo)致綠色植被覆蓋面積減少。在夏秋季節(jié)，光熱水條件配合好，適合植被的生長(zhǎng)，是植被迅速生長(zhǎng)和繁茂時(shí)期，植被覆蓋面積達(dá)到一年中最大值。

黔南州位于我國(guó)三大林區(qū)之一的西南部林區(qū)，且為高原山地地形，森林、草地所占面積大，夏季綠色植被面積大，冬季綠色植被覆蓋面積縮小。

圖4 多年平均植被面積和植被NDVI的年內(nèi)變化

3.2.2 植被年際變化趨勢(shì)

根據(jù)均溫劃分四季的標(biāo)準(zhǔn)及植被變化趨勢(shì)[18]，把第86～145天作為春季，第146～248天作為夏季，第249～309天作為秋季，第310天到次年的第85天作為冬季，研究了自2000年以來15 a間的NDVI值的年際和年內(nèi)變化趨勢(shì)（圖5）。

春季NDVI呈波動(dòng)降低趨勢(shì)，年均降低0.000 7；夏季NDVI圍繞0.68～0.7之間緩慢下降，2000年和2010年處于最低值；秋冬季呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中秋季每年平均上升幅度為0.006 1，冬季每年平均上升幅度為0.005 1，年際變化大，2011年冬季的NDVI達(dá)到最低值0.2左右，全年平均變化呈上升趨勢(shì)。

研究期間黔南州的綠色植被面積呈迅速下降趨勢(shì)，2006年之后波動(dòng)相對(duì)顯著，2009～2010年間下降較快（圖6）。

圖5 2000年以來黔南州植被不同季節(jié)及全年NDVI變化趨勢(shì)

圖6 2000年以來黔南州生長(zhǎng)季綠色植被面積變化趨勢(shì)

3.3 植被空間變化特征

3.3.1 植被變化趨勢(shì)的空間格局

黔南州NDVI 的變化趨勢(shì)存在較大的空間差異（圖7、8）。植被覆蓋改善的區(qū)域主要分布在黔南州的西部、西南和西北地區(qū)，且大部分區(qū)域斜率大于0.01，NDVI趨勢(shì)級(jí)別在提高，植被覆蓋面積在增加；植被覆蓋退化的區(qū)域主要分布在黔南州東部的都勻市、獨(dú)山縣、荔波縣以及三都水族自治縣，NDVI下降趨勢(shì)明顯；在甕安中部、惠水縣西北部邊緣植被覆蓋大幅度降低。

圖7 2000年以來黔南州植被綠度時(shí)空變化

3.3.2 植被穩(wěn)定性的空間格局

植被的穩(wěn)定性格局與NDVI的變異系數(shù)相關(guān)。整個(gè)黔南州的CV值在0.285以下，植被穩(wěn)定性高（圖9），植被變化率總體較小。

圖8 2000年以來黔南州植被綠度變化

黔南州北部的甕安、福泉縣和西部的長(zhǎng)順、惠水縣以及羅甸縣的北部區(qū)域，多為耕地和草地，植被生長(zhǎng)期短，植被NDVI季節(jié)變化大，NDVI變異系數(shù)在0.22以上（圖9）。農(nóng)作物種植區(qū)，因過度開墾和放牧導(dǎo)致人地矛盾激化，植被破壞，水土流失。

東部地區(qū)降水豐富，海拔較低，其植被生長(zhǎng)茂盛；多是林地，植被的四季變化比較穩(wěn)定，植被覆蓋變化較小。

3.4 植被變化的原因分析

3.4.1 植被綠度時(shí)空變化的原因

降水量距平與NDVI距平值的變化波動(dòng)幅度大（圖10），波動(dòng)趨勢(shì)比較一致，說明NDVI的年際變化與降水量的年際變化相關(guān)聯(lián)。NDVI值圍繞平均值在正負(fù)0.08之間上下波動(dòng)，而降水量的過分增加和減少都會(huì)對(duì)NDVI造成一定的影響。

圖10 2000年以來黔南州年均降水距平與年均NDVI值距平變化

3.4.2 綠色植被面積變化的原因

近年來都勻市城市建設(shè)用地的變化表明，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快是導(dǎo)致黔南州植被覆蓋減少的一個(gè)重要原因。黔南州地區(qū)城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)大（圖11），植被覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，導(dǎo)致植被覆蓋面積有所下降。

圖11 都勻市建城區(qū)面積變化趨勢(shì)

4 結(jié) 語

1）黔南州土地利用類型主要以森林和草地為主，占總面積的1/2以上。全州NDVI多年平均值在0.5以上，NDVI高值區(qū)在東南部地區(qū)，以林地為主；NDVI低值區(qū)在西部、西北部地區(qū)，農(nóng)作物種植區(qū)面積較大；與土地利用類型變化相關(guān)。

2）近15 a來黔南州植被年內(nèi)變化特征明顯。在一年中的第1～16天、第321～365天植被NDVI值處下降階段，氣溫低、降水少，大部分植被生長(zhǎng)停滯，綠色植被面積出現(xiàn)大幅度下降；NDVI指數(shù)在第17～第241天是波動(dòng)上升階段，光熱水充足，適合植被的生長(zhǎng)，是植被迅速生長(zhǎng)的繁茂時(shí)期。

3）近15 a黔南州植被年際變化NDVI值穩(wěn)定緩慢上升，但植被覆蓋面積呈減少狀態(tài)。春夏季呈下降趨勢(shì)，秋冬季呈上升趨勢(shì)，秋季上升趨勢(shì)較快。近15 a黔南州綠色植被覆蓋面積呈下降趨勢(shì)，2006年以后植被覆蓋面積波動(dòng)性趨勢(shì)增大，2009～2011年間減少顯著。

4）黔南州植被穩(wěn)定性總體狀況較好，但空間差異較大。黔南州北部、西部以及西南部地區(qū)大部分是耕地，植被穩(wěn)定性差，植被覆蓋的季節(jié)變化大，但是其NDVI趨勢(shì)級(jí)別在提高，植被覆蓋狀況在不斷改善；黔南州的東部和東南部地區(qū)植被穩(wěn)定，植被的NDVI值在下降，植被覆蓋變化在下降。

5）綠色植被覆蓋面積與降水的波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，說明植被綠度的時(shí)空變化受降水的影響較大。建設(shè)用地的擴(kuò)大是導(dǎo)致植被覆蓋面積減少的重要原因。