許 婧 劉飛鵬 王建雄 邊 琳

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學水利學院，云南省高校農(nóng)業(yè)遙感與精準農(nóng)業(yè)工程研究中心，云南 昆明 650201；2. 國家林業(yè)局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216)

近年來，許多學者已經(jīng)對典型地理區(qū)域植被覆蓋的時空變化特征進行了深入研究。杜加強等[1]對中國典型干旱區(qū)新疆1982—2012年植被動態(tài)進行研究，表明生長季植被NDVI呈極顯著增加趨勢，其變化受到水熱條件、人類活動和氣溫變化的影響；李亞飛等[2]對典型河谷地區(qū)瀾滄江流域植被覆蓋特征進行研究，表明植被覆蓋年跡變化呈波動增加趨勢，且與氣溫、降水量、相對濕度和日照時數(shù)關(guān)系密切；趙安周等[3]對黃土高原陜北地區(qū)2000—2010年植被覆蓋時空變化特征的研究表明降水和人類活動是影響植被覆蓋變化的主要驅(qū)動因子。以往的研究多針對整個時空的變化[4]，缺少對時段內(nèi)變化過程和趨勢的持續(xù)性研究，忽略了氣候條件、經(jīng)濟價值、生態(tài)恢復等更為重要的因素對植被動態(tài)變化的影響。

西雙版納是中國特有的熱帶雨林生物多樣性保護熱點地區(qū)。目前，對西雙版納地區(qū)的研究主要集中在熱帶雨林動態(tài)監(jiān)測[5]、土地覆蓋變化[6]、單一熱帶作物時空分布[7]等方面，對該區(qū)植被覆蓋隨時空變化擴展規(guī)律的研究尚較少；關(guān)注的植被類型多集中于橡膠、茶葉[8]，但多種植被同時被關(guān)注且時間跨度較長、空間分布較廣的系統(tǒng)性研究較為少見。因此，本研究從時間和空間上分析2001—2015年西雙版納植被覆蓋的動態(tài)變化趨勢，從氣候條件、經(jīng)濟價值等方面闡述植被覆蓋趨勢變化的內(nèi)因，以深入理解西雙版納植被動態(tài)變化及其成因，為西雙版納社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)修復工程規(guī)劃等提供參考。

1 研究區(qū)概況

西雙版納傣族自治州位于云南省西南邊陲，總面積1.91萬km2，其中山區(qū)面積1.82萬km2，占95.1%，壩區(qū)面積937.1 km2[9]，地處橫斷山系南部余脈，形成了山地、丘陵、寬谷相間分布的地勢。因其北靠橫斷山地，阻擋冬季來自北方的寒流；南鄰中南半島，受到夏季印度洋西南季風和太平洋東南季風的影響，形成了西雙版納高溫高濕的北亞熱帶高原季風氣候和多種生物小氣候。西雙版納年平均氣溫為21.8 ℃，年平均降雨量約為1 490 mm[10]，雨季和旱季交替明顯，每年的5月到10月是雨季，降雨量占全年降雨量的80%以上[11]，11月到次年4月是旱季，降雨量稀少。

西雙版納地區(qū)熱帶經(jīng)濟作物主要有橡膠樹 (Heveabrasiliensis)、茶葉、甘蔗 (Saccharumofficinarum)，糧經(jīng)作物以水稻、旱稻、玉米 (Zeamays)、大豆 (Glycinemax) 為主，森林植被以熱帶雨林植物、熱帶季風雨林和亞熱帶季風常綠闊葉林為主[12]。西雙版納地類分布見圖1。西雙版納因其獨特的氣候條件，植被常綠、覆蓋率高，但氣候的多變和人類活動的影響，使得生態(tài)環(huán)境脆弱而敏感，植被覆蓋變化較為明顯。

圖1西雙版納地類分布
Fig.1 Land type distribution of Xishuangbanna

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

MODIS NDVI數(shù)據(jù)集來源于地理空間數(shù)據(jù)云 (http://www.gscloud.cn)，它是由MODND1M計算得到的，計算方法為取月內(nèi)每天最大值作為月NDVI值，坐標系為WGS84，空間分辨率為500 m，時間分辨率為月，時間跨度為2001—2015年。此外，此次研究還用到了1∶750 000的西雙版納地類分布圖 (圖1) 和云南省行政區(qū)劃圖進行區(qū)域劃分和相關(guān)分析，西雙版納植被類型、歷史極端天氣資料、橡膠和茶樹種植面積等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自 《西雙版納年鑒》。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS軟件將全國2001—2015年每月的NDVI遙感圖像進行格式和投影轉(zhuǎn)換；疊加云南省行政區(qū)劃圖，劃分出云南省境內(nèi)行政區(qū)邊界；進行掩膜裁剪提取出研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集，通過空間分析統(tǒng)計出西雙版納月NDVI值；基于月NDVI值，采用國際通用最大值合成法(MVC)合成年NDVI最大值數(shù)據(jù)，并消除異常值的影響；根據(jù)月NDVI最大值數(shù)據(jù)得出月、季度均值。

2.3 植被覆蓋變化趨勢分析方法

西雙版納地區(qū)森林繁茂，人口稀少且主要聚居在勐?？h中部地區(qū)，在地表光譜正常的情況下，植被覆蓋率高，植被指數(shù)NDVI出現(xiàn)偏差的可能性小，且NDVI是應用較廣的植被指數(shù)，它與植被覆蓋度呈正相關(guān)，應用效果較好，因此可用NDVI值的變化來描述植被覆蓋的變化趨勢。本研究采用了M-K檢驗和方差評價的方法對NDVI的變化進行了分析。

2.3.1M-K檢驗

繪制趨勢走勢圖進行趨勢分析，并采用M-K檢驗對變化趨勢的顯著性進行檢驗，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)且計算簡便。通過模擬每個柵格變化趨勢，得到西雙版納地區(qū)年、月、季度NDVI時空變化趨勢和變化幅度；進行M-K檢驗，把結(jié)果劃分為4個等級 (極顯著變化：P< 0.01；顯著變化：P< 0.05；弱顯著變化：P< 0.1；無顯著變化)。

2.3.2方差評價

方差可以反映NDVI數(shù)據(jù)集的離散程度，方差越大表明該時間段像元的NDVI值距離NDVI平均值越遠，即研究時段內(nèi)植被覆蓋波動較大，基于該原理用方差來描述植被覆蓋波動性。該方法計算簡單，能直觀明了的體現(xiàn)出植被覆蓋的波動性。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋變化時間序列分析

3.1.1植被覆蓋月變化

由圖2可知，西雙版納2001—2015年NDVI月平均值整體呈先下降后上升的趨勢，呈典型的底部單峰式分布，5月到7月NDVI顯著下降 (P< 0.05)，降至最低點NDVI值為0.685，平均變化率為-5.75%；7月到11月NDVI顯著上升 (P< 0.05)，升至最高點NDVI值為0.885，平均變化率為5.13%。

圖2西雙版納2001—2015年逐月NDVI均值
Fig.2 Monthly mean NDVI of Xishuangbanna from 2001 to 2015

植物生長周期分為萌芽、生長、成熟、結(jié)果4個階段，月NDVI均值變化時間格局與之基本匹配。受降水、氣溫變化和日照時數(shù)的綜合影響，植被覆蓋量先減少后逐漸增加。植物3月開始萌芽，此時氣溫相對較低、降雨較少，抑制了植物的萌芽，植被覆蓋度略有下降。5月到10月植物進入生長階段，西雙版納地區(qū)進入雨季。氣溫開始急劇升高，6月達到全年最高氣溫，降水急劇增加，7月達到年最大降雨量，日照時數(shù)逐漸增長。高溫灼傷植物葉面影響植物的光合作用，日照時數(shù)增長加大植物的蒸騰作用，降水量過大超過了植物生長閾值，植被覆蓋明顯降低。后隨著降水強度減少、溫度緩慢降低，日照時數(shù)逐漸縮短，植被處于適宜生長的溫度和濕度環(huán)境，覆蓋度明顯增長；11月植物進入成熟、結(jié)果時期，西雙版納地區(qū)進入少雨的旱季，受地理位置和亞熱帶季風氣候影響，旱季干而不旱，11月到次年2月該地區(qū)有霧氣產(chǎn)生，空氣中水份含量可供植物生存，同時霧氣形成釋放出潛熱，能夠減輕夜間降溫，降低了熱帶植物受到寒害的可能，這一時期植被覆蓋波動不明顯。

從植被覆蓋月波動性分析可知，表1中月方差變化范圍在0.685～0.885，最大值出現(xiàn)在11月，最小值出現(xiàn)在7月。說明11月植被覆蓋變化波動明顯，西雙版納地區(qū)11月是雨季與旱季交替時期，植物生長處于成熟期開始落葉，且每年進入旱季的時間、降雨量和溫度會有小幅度的變化，植物覆蓋也會受到不同程度的影響。

3.1.2植被覆蓋年變化

從圖3可知西雙版納2001—2015年NDVI年最大值變化呈上升趨勢，平均變化率為2.9%，變化分為4個階段，2001年至2003年NDVI顯著上升 (P< 0.05)，平均變化率為5.9%；2003年至2005年NDVI極顯著下降 (P< 0.01)，降至最低點NDVI值為0.760，平均變化率為-2.5%；2005年至2013年NDVI顯著上升 (P< 0.05)，升至最高點NDVI值為0.848，平均變化率為8.3%；2013年至2015年NDVI極顯著下降 (P< 0.01)，平均變化率為-2.5%。

表1 西雙版納2001—2015年月方差Table 1 Monthly variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

圖3西雙版納2001—2015年逐年NDVI最大值
Fig.3 The maximum NDVI value in Xishuangbanna from 2001 to 2015

熱帶作物經(jīng)濟價值的波動和氣候條件的多變是影響人類活動和降雨量的直接因素，其與植被覆蓋動態(tài)變化密切相關(guān)。從經(jīng)濟角度分析，橡膠和茶葉是西雙版納地區(qū)主要的經(jīng)濟作物，茶葉價格整體波動不大，其種植面積保持穩(wěn)定增長。橡膠受經(jīng)濟價值變化種植面積波動明顯，2001—2003年，橡膠價格上漲加之國家在云南省實施天然橡膠良種補貼，種植面積較上一年增長了8.7%，期間植被覆蓋整體小幅增加。從氣候條件分析，西雙版納地處亞熱帶季風氣候，雨季與旱季明顯，冬季受到北部冷空氣的影響小幅降溫。近幾年來，受極端天氣高溫、干旱、霜凍影響，西雙版納地區(qū)植被覆蓋小幅度減少。特別是2013—2015年1—3月氣溫與歷年同期相比偏高，均突破歷史極大值，汛期受到幾個臺風登陸的影響，強降雨多發(fā)；入冬后冷空氣影響頻繁，尤其是在2014年12月，西雙版納地區(qū)出現(xiàn)了自1999年以來的最低氣溫，導致霜凍災害，植被受災嚴重，覆蓋程度減少。從植被覆蓋年波動性分析，表2中年方差變化范圍為0.001 83～0.024 19，最大值出現(xiàn)在2015年，最小值出現(xiàn)在2001年。分析可知2013年至2015年植物覆蓋明顯下降，且2015年植被覆蓋波動明顯，受極端天氣影響，春季干旱、夏季強降水、冬季霜凍災害是造成2015年植被覆蓋波動較大的主要原因。

表2 西雙版納2001—2015年年方差Table 2 Annual variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

3.1.3植被覆蓋季變化

為反映植被生長隨季節(jié)變化的特征，采用春季 (3—5月)、夏季 (6—8月)、秋季 (9—11月)、冬季 (12—翌年2月) NDVI合成值來表征植被生長。從圖4可知西雙版納2001—2015年春季NDVI弱顯著上升 (P< 0.1)，平均變化率為5.7%；夏季NDVI上升趨勢不顯著，平均變化率為0.04%；春夏季NDVI波動范圍為0.607～0.863。秋季NDVI弱顯著下降 (P< 0.1)，平均變化率為-1.1%；冬季NDVI顯著上升 (P< 0.05)，平均變化率為6.8%；秋冬季NDVI波動范圍在0.703～0.897，從NDVI值波動范圍來看秋冬季植被覆蓋要比春夏季高。

圖4西雙版納2001—2015年春、夏、秋、冬NDVI均值
Fig.4 Mean NDVI of spring, summer, autumn and winter in Xishuangbanna from 2001 to 2015

從植物生長角度分析，西雙版納熱帶作物隨著季節(jié)變化經(jīng)歷生長期和相對休眠期。生長期為每年的春季到秋季，雖然春季的萌芽受到氣溫和降水的影響，從月份上表現(xiàn)出植被覆蓋度略有下降，但從年份上看植被覆蓋度整體緩慢上升；夏季降雨量增加、氣溫升高，植被生長受到高溫和強降水的影響，從月份上表現(xiàn)出植被覆蓋度明顯降低，從年份上看覆蓋度增加不明顯；秋季強降水逐漸減少、氣溫適宜植物生長，植物生長旺盛覆蓋增長迅速；冬季植物生長受到特殊地理位置和氣候影響，進入休眠期，生長較為緩慢。因可能受到極端天氣寒潮的影響，植被覆蓋度出現(xiàn)小范圍浮動，但獨特的氣候條件使得植物覆蓋度較全年偏高。隨著近幾年來極端天氣的增多，從年份上表現(xiàn)出植被覆蓋度緩慢降低。

從植被覆蓋季節(jié)波動性分析，表3中季度方差變化范圍在0.000 01～0.073 38，最大值出現(xiàn)在2015年的秋季，說明該時期植被覆蓋波動較大，最小值出現(xiàn)在2007年的秋季。秋季由高溫多雨的雨季進入低溫干旱的旱季，由于小氣候的影響，降雨量的減少沒有對植物生長產(chǎn)生顯著影響，低溫和日照時數(shù)成為其主要影響因素。受極端天氣影響，2015年云南省秋季多地降雪，西雙版納地區(qū)也遭受凍害影響，植被生長受到影響，表現(xiàn)為該時期覆蓋波動性較大。

3.2 植被覆蓋變化空間分布分析

3.2.1NDVI空間分布變化

西雙版納由3個縣市組成，自西向東分別是勐海縣、景洪市和勐臘縣[12]，區(qū)域內(nèi)多山，多是盆地、丘陵交錯分布，地理環(huán)境的多樣性造成作物區(qū)域化生長，空間變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。2001—2015年西雙版納NDVI空間分布見圖5。

表3 西雙版納2001—2015年季方差Table 3 Seasonly variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

圖52001—2015年西雙版納NDVI空間分布
Fig.5 Spatial distribution of NDVI in Xishuangbanna from 2001 to 2015

由圖5可知，2001年至2015年西雙版納地區(qū)NDVI值在0.999左右的區(qū)域面積逐漸增大，NDVI最小值區(qū)域面積不斷減少，但最小值數(shù)值在逐漸增大，說明研究區(qū)植被覆蓋空間分布總體呈增加趨勢。2001年至2005年西雙版納各區(qū)域NDVI空間變化不明顯；到了2010年，西雙版納地區(qū)中部和東部地區(qū)NDVI較大值所占面積明顯增加，西部地區(qū)小幅度增長；2015年東部地區(qū)NDVI較大值所占面積有所減少，中部變化不明顯，西部地區(qū)明顯增加。從NDVI空間分布分析可知，西雙版納地區(qū)2001—2015年東部地區(qū)植被覆蓋面積明顯高于西部地區(qū)，中部地區(qū)植被覆蓋基本保持不變。

3.2.2NDVI方差空間分布變化

利用ArcGIS進行空間分析中的柵格計算，區(qū)域方差變化和顯著性水平結(jié)果見圖6～7。

由圖6～7可知，2001—2015年西雙版納NDVI方差空間變化較為明顯。從空間整體分析，中部地區(qū)方差呈極顯著變化 (P< 0.01)，東部地區(qū)方差呈顯著變化 (P< 0.05)，西部地區(qū)方差呈弱顯著變化 (P< 0.1)。說明中部地區(qū)植被覆蓋變化波動非常明顯，東部地區(qū)植被覆蓋變化略有明顯波動，西部地區(qū)植被覆蓋變化波動不明顯。

由圖1可知，植物生長呈區(qū)域性分布，茶葉種植主要分布于西雙版納西部的勐?？h，受政策和茶葉經(jīng)濟價值影響，勐?？h茶葉種植面積逐年增加，中低產(chǎn)田改造政策的施行，提高了土地的利用率，植被覆蓋得到了增加；橡膠種植主要分布于西雙版納中部的景洪市和勐臘縣西南部，橡膠種植面積受價格和氣候變化影響較大，冬季的霜凍是橡膠減產(chǎn)的主要災害；熱帶雨林、季雨林主要集中在勐臘縣，勐臘縣的森林覆蓋面積達到86.26%，居云南省之最，植物生長受季節(jié)變化影響較大，覆蓋波動也較為明顯。

圖6 西雙版納2001—2015年方差空間分布變化Fig.6 Spatial distribution change of variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

圖7西雙版納2001—2015年方差空間變化顯著性
Fig.7 Spatial variation significance of variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

4 結(jié)論與討論

通過處理基于時間序列的歸一化植被指數(shù)影像數(shù)據(jù)，利用M-K檢驗和方差評價法進行趨勢分析，從時間和空間上對2001—2015年西雙版納植被覆蓋變化進行系統(tǒng)性分析，得出以下結(jié)論。

1) 時間序列分析表明，15 a間植被覆蓋整體呈上升趨勢。植物生長季特征與月變化基本匹配，受到溫度、降水、日照時數(shù)等主導因素影響，NDVI月變化呈現(xiàn)出典型的底部單峰式分布；春夏季植被覆蓋度增長平穩(wěn)，秋季明顯增長后冬季緩慢下降，這與植物休眠期和近幾年冬季極端天氣密切相關(guān)；地理環(huán)境的特殊讓旱季的空氣存有水份，可供植物生長，霧氣消散釋放熱量避免植被凍害，因此秋冬季植被覆蓋較高。NDVI年跡變化分4個階段且整體呈波動上升趨勢；不同年份和階段的植被種植面積主要受作物經(jīng)濟價值和氣候條件影響，且時間尺度越長影響越顯著。

2) 空間分布分析表明，西部茶樹、中部橡膠、東部熱帶雨林的覆蓋整體呈上升趨勢。東部地區(qū)植被覆蓋面積明顯高于西部地區(qū)，中部地區(qū)基本保持不變。受經(jīng)濟價值、氣候變化影響，中部地區(qū)覆蓋變化波動明顯，東部地區(qū)略微明顯，西部地區(qū)波動較小。

本研究綜合分析了2001—2015年西雙版納地區(qū)植被覆蓋時空變化趨勢及其變化原因，通過方差評價植被覆蓋的波動性，進一步深入理解西雙版納地區(qū)植被覆蓋趨勢。植被覆蓋變化是自然和人類活動交互作用的過程，本研究未定量分析降水量、溫度等氣候因子和人類活動對西雙版納地區(qū)植被覆蓋的影響，以及未對未來植被變化趨勢進行預測，這是我們今后研究的重點。