劉明霞, 劉友存, 陳 明, 李 奇,3, 梁 旗, 鄒杰平, 喬麗潘古麗·吐爾洪

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院, 江西 贛州 341000; 2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 贛州 341000; 3.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院, 江西, 贛州 341000)

全球氣候變化與陸地生態(tài)響應(yīng)是國際地圈生物圈計劃(IGBP)的核心研究內(nèi)容[1]，受到了國內(nèi)外學(xué)者和國際社會的高度關(guān)注。而作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被具有保持水土、涵養(yǎng)水源、改善土壤、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣等生態(tài)功能[2]。植被覆蓋度(fractional vegetation coverage, FVC)反應(yīng)了植被的生長態(tài)勢，是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在植被動態(tài)監(jiān)測以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價等方面具有重要意義[3]。植被覆蓋度的測算方法主要有地面實測和遙感估算，遙感適用于大范圍、長時間序列的植被覆蓋度計算，因而被廣泛運(yùn)用[4-6]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度的最佳指示因子，與植被覆蓋度有較好的相關(guān)性，被廣泛運(yùn)用在植被覆蓋度動態(tài)監(jiān)測研究中[7-8]。與此同時，氣候變化又直接影響植被覆蓋度，如氣溫和降水通過影響有效積溫和土壤水分來影響植被生長[9-11]。因此，分析植被覆蓋度時空變化規(guī)律，研究氣候因素對其驅(qū)動作用，對評價區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義[12]。

贛江上游礦產(chǎn)資源豐富，礦產(chǎn)尤其是稀土礦的大量開采，造成了植被破壞、水土流失、泥石流及水污染等生態(tài)環(huán)境問題[13-15]。贛江上游流域為水源涵養(yǎng)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境狀況將直接影響贛江及鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而植被覆蓋度能夠客觀地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的整體狀況。李恒凱等[16]分析了贛州市2008，2011年植被覆蓋空間分布特征及其與地貌因子的關(guān)系。曾廣林[17]分析了贛州市植被覆蓋度和碳儲量的變化特征及兩者之間的關(guān)系。現(xiàn)有的研究沒能分析贛江上游植被覆蓋度對氣候變化的響應(yīng)。因此，本文基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析、變異系數(shù)、Hurst指數(shù)和相關(guān)分析等方法分析了贛江上游2000—2018年植被覆蓋度時空演化及其對氣候變化的響應(yīng)，以期為區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

贛江上游流域在江西省南部，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N，高程98—1990 m, 流域面積36 818 km2[13]。贛江上游山地縱橫，支流眾多，主要有湘水、濂江、梅江、平江、桃江、上猶江等。地貌以山地、丘陵為主，地勢四周高中間低；氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，氣候溫和，雨量豐沛，春季陰雨連綿，夏季先澇后旱少酷暑，秋季晴朗少雨，冬季溫和少雨；土壤類型為紅壤、黃壤和紫色土；因地處中亞熱帶南緣，植物類型多樣。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文中選用的2000—2018年植物生長季(1—12月)的227景MODIS MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品(時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m×250 m)來源于美國國家航空航天局(NASA)戈達(dá)德航天中心LAADS DAAC(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。MODIS NDVI產(chǎn)品經(jīng)過水、云、重氣溶膠等處理，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被覆蓋變化研究。預(yù)處理主要包括：①運(yùn)用MRT(MODIS reprojection tools)將下載的MODIS NDVI進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換；②采用Savitzky-Golay濾波對MODIS NDVI進(jìn)行平滑處理，剔除噪聲影響；③應(yīng)用MVC(maximum value composite)合成年最大NDVI。由于年最大NDVI能很好地反映該年植被長勢最好時期的植被覆蓋情況，消除大氣、云、太陽高度角等因素對遙感影像的影響，因此采用年最大NDVI分析植被覆蓋度的時空變化特征。氣象數(shù)據(jù)采用贛江上游2000—2018年12個氣象站點的年均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)(寧都、龍南、崇義、上猶、大余、信豐、興國、瑞金、于都、會昌、安遠(yuǎn)、贛縣)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度估算 像元二分模型在一定程度上減少了大氣及土壤背景的影響，且操作簡單，因此被廣泛運(yùn)用于植被覆蓋度的遙感估算[18]。像元二分模型的原理為假設(shè)一個像元的信息由植被和非植被組成，像元中植被所占比例即為該像元的植被覆蓋度[19]，計算公式為：

(1)

式中：FVC為植被覆蓋度；S為混合像元遙感信息；Sv為純植被覆蓋時遙感信息；Ss為純非植被覆蓋時遙感信息。植被覆蓋度與NDVI存在很強(qiáng)的相關(guān)性，根據(jù)李苗苗等的研究[20]，建立基于NDVI的植被覆蓋度估算模型，計算公式為：

(2)

式中：FVC為植被覆蓋度； NDVI為混合像元的NDVI值； NDVImax為純植被像元的最大NDVI值,理論上接近1； NDVImin為純非植被像元的最小NDVI值,理論上接近0。

受氣象要素、植被類型、季節(jié)等因素的影響，不同遙感影像的NDVImax和NDVImin存在一定差異。NDVImax和NDVImin通常取一定置信區(qū)間內(nèi)NDVI最大值和最小值。目前，多數(shù)學(xué)者將置信區(qū)間設(shè)置為1%～99%和5%～95%[21-22]，本文根據(jù)實際情況，發(fā)現(xiàn)采用1%～99%的置信區(qū)間估算贛江上游植被覆蓋度更加準(zhǔn)確。參考眾多植被覆蓋劃分的文獻(xiàn)[23-25]，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，將植被覆蓋分為5級：Ⅰ低植被覆蓋(0%～10%)、Ⅱ較低植被覆蓋(10%～30%)、Ⅲ中度植被覆蓋(30%～50%)、Ⅳ較高植被覆蓋(50%～70%)、Ⅴ高植被覆蓋(70%～100%)。

2.2.2 Hurst指數(shù)分析 Hurst指數(shù)是定量描述時間序列信息長期依賴性的有效方法，最早由英國水文學(xué)家Hurst提出，可以用于預(yù)測未來植被覆蓋度的變化情況[26]。本文采用R/S(重標(biāo)極差)分析法計算植被覆蓋度變化的Hurst指數(shù)，基本原理為：

對于時間序列{FVC(t)},t=1,2,…,n，定義均值序列為：

(3)

定義累積離差為：

(4)

定義極差為：

(5)

定義標(biāo)準(zhǔn)差為：

(6)

(7)

式中：H為Hurst指數(shù)；c為常數(shù)；τ為時間序列長度。

Hurst指數(shù)存在如下規(guī)律：①0.5

2.2.3 偏相關(guān)性分析 偏相關(guān)分析是指當(dāng)兩個變量同時與第3個變量相關(guān)時，剔除第3個變量的影響，只分析這兩個變量的相關(guān)程度的過程[27]。計算公式為：

(8)

式中：y為植被覆蓋度；x1為計算相關(guān)性的變量；x2為固定變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時間變化特征

2000—2018年贛江上游平均植被覆蓋度隨時間變化趨勢見圖1。研究區(qū)植被覆蓋度呈顯著上升趨勢(p<0.001)，增速為5.21%/10 a。其中，2000年植被覆蓋度為60.53 %，為近19 a來最低值，而最高值為2018年的71.28%。這主要是因為2000年以來贛州市實施了限制礦產(chǎn)開采、植樹造林以及礦區(qū)復(fù)墾等有利于生態(tài)改善的措施。贛江上游地區(qū)素有八山一水半分田之稱，耕地面積少。贛江上游地區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，勞動人口大多外出務(wù)工，棄耕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因而植被覆蓋度上升。

圖1 2000-2018年贛江上游平均植被覆蓋度時間變化趨勢

3.2 植被覆蓋度空間變化特征

3.2.1 空間分布特征 圖2為贛江上游不同時間段的平均植被覆蓋度空間分布。贛江上游總體植被覆蓋狀況良好，以高植被覆蓋為主，且呈現(xiàn)四周高中間低的分布特征。從圖2可以看出，從2000—2018年植被覆蓋度呈增加趨勢，2000—2006，2007—2012，2013—2018這3個時段的平均植被覆蓋度分別為62.71%，65.67%和69.24%，而2000—2018年的多年平均植被覆蓋度為66.13%。其中，低植被覆蓋區(qū)域占贛江上游總面積的0.87%，較低植被覆蓋區(qū)域占2.65%，中度植被覆蓋區(qū)域占12.93%，較高植被覆蓋區(qū)域占38.48%，高植被覆蓋區(qū)域占45.07%。贛江上游地勢周高中低、南高北低。低植被覆蓋地區(qū)主要位于贛州市區(qū)、贛縣城區(qū)、南康城區(qū)、于都縣城、寧都縣城、信豐縣城、興國縣城、會昌縣城、瑞金市區(qū)、龍南縣城等城鎮(zhèn)人口聚集區(qū)，而高植被覆蓋地區(qū)主要位于人類活動較少的中低山區(qū)。

圖2 2000-2018年贛江上游平均植被覆蓋度等級空間分布

3.2.2 空間趨勢特征 植被覆蓋度呈上升趨勢的占82.56%，主要分布在信豐縣中部、贛縣北部、興國縣南部。信豐縣近年來注重臍橙產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，重視對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，因此植被覆蓋度顯著增加。贛縣北部和興國縣南部植被覆蓋度顯著增加是因為限制礦產(chǎn)資源開采、植樹造林和礦區(qū)土地復(fù)墾政策的實施。植被覆蓋度呈下降趨勢的占17.44%，主要分布在贛州市中部、南康區(qū)中東部、瑞金市中部。贛州市中部、南康區(qū)中東部和瑞金市中部植被覆蓋度顯著減少是由于城市擴(kuò)張。植被覆蓋度呈極顯著增加的占25.59%，呈顯著增加的占39.70%，呈極顯著減少的占1.32%，呈顯著減少的占2.46%，變化不顯著的占57.84%。其中，植被覆蓋度呈顯著增加的主要分布在贛縣北部、萬安縣南部、興國縣南部、信豐縣中部等地勢較低處，植被覆蓋度呈顯著減少的主要分布在贛州市中部、南康區(qū)中東部、瑞金市中部以及各個城市周邊。

3.2.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性 變異系數(shù)表示數(shù)據(jù)分布的離散性、波動性，變異系數(shù)值越大，表示數(shù)據(jù)分布越分散，波動性越大，變化越大，反之亦然。變異系數(shù)低于15%的為穩(wěn)定區(qū)域，變異系數(shù)在15.00%～40.00%之間的為不穩(wěn)定區(qū)域，變異系數(shù)高于40.00%的為極不穩(wěn)定區(qū)域[12]。研究區(qū)植被覆蓋情況總體比較穩(wěn)定，變異系數(shù)介于2.39%～107.75%之間，且平均變異系數(shù)為14.73%。其中，植被覆蓋度穩(wěn)定區(qū)域占研究區(qū)總面積的64.98%，主要分布在四周山區(qū)，說明四周山區(qū)的植被覆蓋度變化最小。山區(qū)的人類活動較少，有利于植被生長，因此山區(qū)的植被覆蓋度變化最小。植被覆蓋度不穩(wěn)定區(qū)域占33.04%，主要分布在南康區(qū)南部、信豐縣中部、于都縣北部、興國縣南部，說明這些地區(qū)的植被覆蓋度變化次之。植被覆蓋度極不穩(wěn)定區(qū)域占1.99%，主要分布在信豐縣中部、南康區(qū)中部、于都縣中部、興國縣南部、瑞金市中部，說明這些地區(qū)的植被覆蓋度變化最劇烈。信豐縣近年來注重臍橙產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，加大對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，因此植被覆蓋度變化劇烈。南康區(qū)中部和瑞金市中部植被覆蓋度變化劇烈是由于城市擴(kuò)張。于都縣中部和興國縣南部植被覆蓋度變化劇烈是因為植樹造林、封山育林以及礦區(qū)土地復(fù)墾政策的實施。

3.2.4 植被覆蓋度Hurst指數(shù)分析 2000—2018年贛江上游植被覆蓋度的Hurst指數(shù)空間分布見圖3。從圖3可以看到，研究區(qū)植被覆蓋度Hurst指數(shù)平均值為0.473 875，Hurst指數(shù)小于0.5的像元數(shù)占62.75%，Hurst指數(shù)大于0.5的像元數(shù)占37.25%。贛江上游植被變化反持續(xù)性要強(qiáng)于持續(xù)性，說明贛江上游植被覆蓋度未來將呈下降趨勢。其中，贛江上游植被覆蓋度呈強(qiáng)反持續(xù)性的像元數(shù)占9.64%，呈弱反持續(xù)性的像元數(shù)占53.11%，呈弱持續(xù)性的像元數(shù)占33.38%，呈強(qiáng)持續(xù)性的像元數(shù)占3.87%(見表1)。贛江上游植被變化總體上以弱反持續(xù)性為主，說明贛江上游植被覆蓋度未來將呈微弱下降趨勢。

表1 2 000-2018贛江上游植被覆蓋度變化可持續(xù)性統(tǒng)計

圖3 2000-2018年贛江上游植被覆蓋度Hurst指數(shù)空間分布

3.3 植被覆蓋度對氣候變化的響應(yīng)

圖4為贛江上游2000—2018年植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的顯著性檢驗結(jié)果。從圖4上可以發(fā)現(xiàn)：植被覆蓋度與年均氣溫的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.19。植被覆蓋度與年均溫呈正相關(guān)的占研究區(qū)總面積的75.83%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、寧都縣中部、會昌縣、于都縣東部、瑞金市西部、安遠(yuǎn)縣北部、信豐縣中部、南康區(qū)西部和北部、萬安縣西南部，說明這些地區(qū)的植被覆蓋度受氣溫的影響較大。植被覆蓋度與年均溫呈負(fù)相關(guān)的占24.17%，主要分布在各城市及周邊地區(qū)。城市地區(qū)因熱島效應(yīng)溫度較高，再加上頻繁的人類活動導(dǎo)致植被覆蓋度較低。植被覆蓋度與年均溫呈顯著正相關(guān)(p<0.05)的占14.18%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣東南部。植被覆蓋度與年均溫呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)的占1.41%，主要分布在贛州市區(qū)、瑞金市區(qū)、寧都縣城、龍南縣城、南康城區(qū)周邊(圖4a)。

植被覆蓋度與年降水量的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.03。植被覆蓋度與年降水量呈正相關(guān)的占54.18%，主要分布在寧都縣中西部、于都縣北部、瑞金市西北部、崇義縣中部、石城縣中部，說明這些地區(qū)的植被覆蓋度受降水量的影響較大。植被覆蓋度與年降水量呈負(fù)相關(guān)的占45.82%，主要分布在河流附近。生長在河流附近的植被水分充足，降水增加匯入河流反而不利于河流附近的植被生長。植被覆蓋度與年降水量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)的占1.92%，主要分布在寧都縣中西部、石城縣中部、崇義縣中部(圖4b)。植被覆蓋度與年降水量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)的占0.96%。整體來看，贛江上游植被生長受氣溫影響要強(qiáng)于降水。氣溫升高往往伴隨晴朗少云天氣，輻射增加，有利于植被的生長。贛江上游流域降水豐沛，因此氣溫成為影響贛江上游植被生長的主要氣候因素。

植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的平均復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.34。贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣南部、安遠(yuǎn)北部的植被覆蓋度與年均溫和年降水量相關(guān)性較高，說明這些地區(qū)的植被覆蓋度受氣溫和降水量的綜合影響較大。植被覆蓋度與年均溫和年降水量呈顯著相關(guān)(p<0.05)的占25.81%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、于都縣東北部、寧都縣中部、石城縣中部、會昌縣、安遠(yuǎn)縣北部、信豐縣東部(圖4c)。

4 討論與結(jié)論

本文基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)、年均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析、變異系數(shù)、Hurst指數(shù)及相關(guān)分析等方法，分析了2000—2018年贛江上游植被覆蓋度時空演化及其對氣候變化的響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

(1) 時間上，2000—2018年贛江上游植被覆蓋度呈顯著(p<0.001)增加趨勢，增速為5.21%/10 a?？臻g上，贛江上游植被覆蓋度呈現(xiàn)四周高中間低的分布特征，以高植被覆蓋為主，多年平均植被覆蓋度為66.13%。其中，空間上呈極顯著增加、顯著增加、極顯著減少和顯著減少分別占25.59%，39.7%，1.32%和2.46%，變化不顯著的占57.84%。

(2) 贛江上游植被覆蓋總體上比較穩(wěn)定，平均變異系數(shù)為14.73%。信豐縣中部、南康區(qū)中部、于都縣中部、興國縣南部和瑞金市中部植被覆蓋變化最大，南康區(qū)南部、信豐縣中部、于都縣北部和興國縣南部次之，四周山區(qū)植被覆蓋變化最小。Hurst分析顯示，植被變化反持續(xù)性要強(qiáng)于持續(xù)性，總體上以弱反持續(xù)性為主，Hurst指數(shù)平均值為0.47。

(3) 贛江上游植被生長總體上受氣溫的影響要強(qiáng)于降水量，贛縣北部、興國縣南部、寧都縣中部、會昌縣、于都縣東部、瑞金市西部、安遠(yuǎn)縣北部、信豐縣中部、南康區(qū)西部和北部、萬安縣西南部的植被覆蓋度主要受氣溫影響，寧都縣中西部、于都縣北部、瑞金市西北部、崇義縣中部、石城縣中部的植被覆蓋度主要受降水量影響，而贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣南部、安遠(yuǎn)縣北部的植被覆蓋度主要受氣溫和降水量的綜合影響。

本文分析了贛江上游植被覆蓋度的時空演化及其對氣候變化的響應(yīng)，然而影響贛江上游植被覆蓋度的因素有很多，如人類活動、海拔、坡度、坡向等。因此定量分析各個因素對植被覆蓋度的影響程度，對比各個因素的影響力大小，找到主要影響因素，針對主要影響因素采取相應(yīng)措施，提高贛江上游的植被覆蓋度，更好地保護(hù)贛江上游的生態(tài)環(huán)境，將是下一步的研究重點。另外，研究中使用了MODIS NDVI數(shù)據(jù)，未使用多源NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗證，不同NDVI數(shù)據(jù)的分辨率和質(zhì)量不同，植被覆蓋度的估算結(jié)果也不同，今后將分析對比不同NDVI數(shù)據(jù)的植被覆蓋度計算結(jié)果，以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。