李 楠 韓金鋒 陽維宗 馬 驍 王耠熠 張 昆 董李勤

（1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650233；2.四川若爾蓋濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，四川 阿壩 624500；3.西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，云南 昆明 650233；4.國(guó)家高原濕地研究中心，云南 昆明 650233）

植被因其重要的生態(tài)功能，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方面起著非常重要的作用[1-2]，在全球氣候變暖的大背景下，植被生態(tài)系統(tǒng)特征會(huì)呈現(xiàn)空間和動(dòng)態(tài)方面的差異性[3-4]。因此，開展植被覆蓋時(shí)空變化研究具有重要意義。近年來，伴隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被覆蓋研究成為了分析生態(tài)環(huán)境、氣候演變和水文過程等眾多領(lǐng)域的基礎(chǔ)[5]。因?yàn)橹脖坏湫凸庾V特征可以通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）體現(xiàn)[6]，所以國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者基于NDVI數(shù)據(jù)探究了許多地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空分異格局?；贜DVI數(shù)據(jù)有研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)大部分地區(qū)的植被覆蓋呈上升趨勢(shì)[7]，與此相應(yīng)整體上來說青藏高原地區(qū)NDVI呈上升趨勢(shì)[8-10]，從青藏高原分區(qū)來看，雅魯藏布江流域植被生長(zhǎng)季的NDVI呈上升趨勢(shì)[11]，黃河源區(qū)植被生長(zhǎng)季NDVI變化趨勢(shì)呈整體上升局部退化態(tài)勢(shì)[12]。從地形角度研究來說，瑪納斯河流域植被覆蓋與地形高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，海拔越低、坡度越小則植被覆蓋改善程度越大，高海拔且坡度大的地區(qū)植被覆蓋呈退化趨勢(shì)[13]。

若爾蓋高原作為青藏高原東緣最為重要的生態(tài)功能區(qū)，區(qū)內(nèi)分布的沼澤濕地是黃河上游重要的水源補(bǔ)給地[14]。若爾蓋高原地區(qū)的植被生長(zhǎng)狀況不僅關(guān)系到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞，而且影響到整個(gè)黃河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本研究采用2000—2019年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)集，利用最大值合成法、趨勢(shì)分析法、變異系數(shù)以及Hurst指數(shù)法揭示若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季（5—9月）NDVI的時(shí)空變化特征，以便掌握若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季植被覆蓋的演變趨勢(shì)，為制定切實(shí)可行的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略提供參考。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原位于青藏高原東緣，其地域面積約為4.3×104km2。若爾蓋高原行政區(qū)地域范圍包括了四川省的若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣以及甘肅省的碌曲縣和瑪曲縣。若爾蓋高原的平均海拔約為3 700 m，高原四周為山地地形，中部為平緩的丘狀高原地貌，中部區(qū)域地勢(shì)起伏和緩，谷地寬廣，其上發(fā)育有大片的沼澤濕地。若爾蓋高原屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候控制區(qū)，高原多年平均氣溫在0.9～2.5 ℃之間，最熱月為7月，最冷月為1月，多年平均降水量在518～800 mm，降水多集中在5—9月[13]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來自于美國(guó)國(guó)家航天局（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）的MOD-13Q1-NDVI數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)格式為hdf。本研究選取的時(shí)間范圍為2000—2019年若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季（5—9月份）。

采用MRT軟件對(duì)NDVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行遙感影像的轉(zhuǎn)投影（統(tǒng)一使用WGS_1984_UTM_ZONE_48°N投影），使用ArcGIS10.2軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行研究區(qū)矢量邊界的批量裁剪。為消除云層、大氣以及衛(wèi)星傳感器角度等各方面的不利影響，采用最大值合成法（MVC）[14]合成每月最大NDVI值。保留NDVI值大于0.05的有植被覆蓋區(qū)域，刪除小于0.05的無植被覆蓋區(qū)域。使用ArcGIS 10.2軟件繪制植被生長(zhǎng)季平均NDVI的空間分布特征和變化趨勢(shì)，使用Sigmaplot軟件繪制曲線圖。

2.2 趨勢(shì)分析法

本研究采用一元線性回歸方程的斜率來分析每個(gè)像元的變化趨勢(shì)[15]。柵格像元值斜率變化的計(jì)算公式如下：

式中：Slope表示植被生長(zhǎng)季NDVI的變化趨勢(shì)，即斜率；n為監(jiān)測(cè)年數(shù)；為第i年植被生長(zhǎng)季NDVI的平均值。

一般來說，Slope＞0表示NDVI年際變化呈增加的趨勢(shì)，反之則說明NDVI年際變化呈減少的趨勢(shì)；Slope=0表示NDVI年際變化無改變。

2.3 變異系數(shù)分析

采用變異系數(shù)（CV）來反映柵格像元值的相對(duì)波動(dòng)程度[16-17]。CV的數(shù)值越大則說明植被生長(zhǎng)季NDVI像元值波動(dòng)性越大，NDVI越不穩(wěn)定；CV的數(shù)值越小說明植被生長(zhǎng)季NDVI越穩(wěn)定。計(jì)算公式如下：

式中：CV為柵格像元值的變異系數(shù)；N DVIi為第i年植被生長(zhǎng)季NDVI的平均值；為2000—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI的平均值。

2.4 未來變化趨勢(shì)分析

Hurst指數(shù)是定量描述研究對(duì)象在時(shí)間序列上長(zhǎng)程依賴的方法[11]，其在氣象學(xué)、金融學(xué)和水文學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本研究基于2000—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI的可持續(xù)性分析，研究未來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI變化的游走情況，采用R/S分析法計(jì)算植被生長(zhǎng)季NDVI變化的Hurst指數(shù)。

設(shè)有一時(shí)間序列{NDVIt}（t=1,2,3,···,n），對(duì)于任意正整數(shù)τ，定義均值序列：

累積離差：

極差：

標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算Hurst指數(shù)：

式中：H即為Hust指數(shù)，可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中用最小二乘法擬合求得。當(dāng)H=0.5，則說明時(shí)間序列為一個(gè)隨機(jī)序列，不存在長(zhǎng)期相關(guān)性；當(dāng)0＜H＜0.5，表明未來的變化狀況與過去趨勢(shì)相反，即該過程具有反持續(xù)性；當(dāng)0.5＜H＜1，則表明未來的變化狀況與過去趨勢(shì)一致，即該過程具有持續(xù)性；且H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被生長(zhǎng)季NDVI的年際變化特征

若爾蓋高原2000—2019年NDVI的年際變化趨勢(shì)見圖1。研究發(fā)現(xiàn)20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季平均NDVI的年際增長(zhǎng)速率為0.001 9（P＜0.05），決定系數(shù)為0.539 4。根據(jù)變化趨勢(shì)可將植被生長(zhǎng)季NDVI分為3個(gè)階段（2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年）。其中2000—2005年植被生長(zhǎng)季NDVI年際變化速率為每年0.006 8；2006—2013年植被生長(zhǎng)季NDVI年際變化速率為每年0.002 8；2014—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI年際變化速率為每年0.005 4。

圖1 20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季平均NDVI年際變化趨勢(shì)Fig.1 Inter-annual variation trend of the average NDVI of the vegetation growth season in the Zoige Plateau in the past 20 years

綜上可知，2000—2005年若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的年際變化速率最快，其次為2014—2019年NDVI的年際變化速率，2006—2013年NDVI的年際變化速率緩慢。整體來說，若爾蓋高原的植被生長(zhǎng)季NDVI在20年間呈顯著上升趨勢(shì)，表明若爾蓋高原的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在20年來呈上升趨勢(shì)。

3.2 植被生長(zhǎng)季NDVI的空間分布特征

若爾蓋高原2000—2019年植被生長(zhǎng)季多年平均NDVI的空間分布格局見圖2。整體上，若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季多年平均NDVI值較高，為0.693，若爾蓋高原NDVI分布處于高等級(jí)狀態(tài)。表明整體上若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季的植被覆蓋狀況整體上良好。

將若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI劃分為[0.05,0.40]、(0.40,0.60]和 (0.60,0.90] 3個(gè)級(jí)別，分別代表低植被覆蓋、中等植被覆蓋和高植被覆蓋等級(jí)。其中，低植被覆蓋區(qū)域面積比例為1.57%，主要零散分布在瑪曲縣西部、阿壩縣西北部和紅原縣東南部地區(qū)。中等植被覆蓋區(qū)域面積比例為7.28%，零散分布在若爾蓋高原的西部和中部地區(qū)。高植被覆蓋區(qū)域面積的比例為91.15%，集中成片分布在若爾蓋高原的中東部地區(qū)，該等級(jí)區(qū)域面積占了若爾蓋高原地區(qū)的絕大部分。

圖2 20年來植被生長(zhǎng)季NDVI年均值及其等級(jí)分布格局Fig.2 Multi-year mean value of NDVI and its hierarchical distribution pattern in the vegetation growth season in the past 20 years

3.3 植被生長(zhǎng)季NDVI時(shí)序變化斜率

20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI斜率變化見圖3。根據(jù)植被生長(zhǎng)季平均NDVI的年際變化趨勢(shì)，將斜率變化時(shí)序劃分為3個(gè)階段：2000—2005年植被生長(zhǎng)季NDVI的斜率變化范圍為-0.128 0～0.117 8，變化斜率均值為0.003 3；2006—2013年植被生長(zhǎng)季NDVI的斜率變化范圍為-0.065 0～0.065 7，均值為0.001 4；2014—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI的斜率變化范圍為-0.114 9～0.122 0，均值為0.002 7。由此可知，20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的變化斜率呈快—慢—較快的變化趨勢(shì)。

圖3 20年來植被生長(zhǎng)季NDVI變化斜率Fig.3 Slope distribution of NDVI in different growing seasons in different sections of the past 20 years

2000—2019年若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季平均NDVI變化斜率及其等級(jí)分布見圖4。由圖4可知，斜率變化范圍為-0.035 6～0.025 7，均值為0.000 9。根據(jù)植被生長(zhǎng)季平均NDVI的變化斜率及其分布規(guī)律，依據(jù)呂洋等[11]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季平均NDVI變化斜率劃分為(-0.036,-0.004]、(-0.004,-0.001]、(-0.001,0.001]、(0.001,0.004]和 (0.004,0.026) 等5個(gè)區(qū)間，分別表示明顯退化、輕度退化、基本不變、輕度改善和明顯改善5個(gè)等級(jí)。由表1可知，其中，若爾蓋高原22.75%的區(qū)域呈輕度改善狀態(tài)；3.43%的區(qū)域呈基本不變狀態(tài)；8.83%的區(qū)域呈明顯退化等級(jí)；64.70%的區(qū)域呈明顯改善狀態(tài)，這一等級(jí)所占比重最大；0.38%的區(qū)域呈輕度退化狀態(tài)，這一等級(jí)所占比重最小。若爾蓋高原2000—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI整體上呈改善態(tài)勢(shì)。

圖4 2000—2019年生長(zhǎng)季平均NDVI變化斜率及其等級(jí)分布Fig.4 Slope and grade distribution of NDVI in different growing seasons in different sections from 2000 to 2019

表1 20年來植被生長(zhǎng)季NDVI變化斜率等級(jí)Table 1 Slope grades of NDVI change in vegetation growth season in the past 20 years

3.4 植被生長(zhǎng)季NDVI時(shí)序變異系數(shù)

若爾蓋高原2000—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI的變異系數(shù)見圖5。由圖5可知，若爾蓋高原20年來植被生長(zhǎng)季NDVI變異系數(shù)的均值為0.186 5，表明20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI在整體上處于中等波動(dòng)變化狀態(tài)。高波動(dòng)變化等級(jí)主要零散分布在若爾蓋高原的四周及其中部區(qū)域，低波動(dòng)變化等級(jí)集中連片分布在若爾蓋高原的中東部區(qū)域。

圖5 近20年植被生長(zhǎng)季NDVI的變異系數(shù)及其等級(jí)Fig.5 Variation coefficient and grade of NDVI in vegetation growth season in the past 20 years

由表2可知，若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI變異系數(shù)等級(jí)分類中的中等波動(dòng)變化等級(jí)面積的比例最大，為33.70%；低波動(dòng)變化等級(jí)面積的比例最小，為3.90%；相對(duì)較低波動(dòng)變化等級(jí)面積的比例為33.14%；相對(duì)較高波動(dòng)變化等級(jí)面積的比例為21.67%；高波動(dòng)變化等級(jí)面積的比例為7.69%。

表2 20年來植被生長(zhǎng)季NDVI變異系數(shù)等級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of NDVI coefficient of variation in vegetation growth season in the past 20 years

3.5 植被生長(zhǎng)季NDVI未來變化趨勢(shì)

對(duì)20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI進(jìn)行Hurst指數(shù)分析，結(jié)果見圖6。若爾蓋高原Hurst指數(shù)的均值為0.432 8，表明未來植被生長(zhǎng)季NDVI呈弱反持續(xù)性，生態(tài)環(huán)境有退化的趨勢(shì)。根據(jù)呂洋等[11]的劃分標(biāo)準(zhǔn)將若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的Hurst指數(shù)劃分為了4個(gè)等級(jí)（表3），分別為(0.00,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]和(0.75,1.00)，分別代表Hurst指數(shù)等級(jí)的強(qiáng)反持續(xù)、弱反持續(xù)、弱持續(xù)和強(qiáng)持續(xù)。其中強(qiáng)反持續(xù)占比為1.02%，弱反持續(xù)占比為77.43%，弱持續(xù)占比為21.50%，強(qiáng)持續(xù)占比最小，為0.05%。

圖6 植被生長(zhǎng)季NDVI的Hurst指數(shù)及其等級(jí)分布Fig.6 Hurst index and its grade distribution of NDVI in vegetation growing season

表3 20年來植被生長(zhǎng)季NDVI的Hurst指數(shù)等級(jí)Table 3 Hurst index of NDVI in the vegetation growth season in the past 20 years

4 結(jié)論與討論

若爾蓋高原水熱條件的空間分布造就了高原生態(tài)環(huán)境格局的分異特征。有研究顯示，在全球氣候變暖的大趨勢(shì)下，若爾蓋高原的氣溫呈上升趨勢(shì)。氣溫的增高在一定程度上加快了植被生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了植被活動(dòng)的時(shí)間范圍，提高了植被覆蓋程度[18-19]。在此大背景下，通過研究20年來植被生長(zhǎng)季NDVI變化的時(shí)間序列，基于趨勢(shì)分析法、變異系數(shù)分析和R/S分析法研究若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的時(shí)空分布格局。

2000—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI的年際變化趨勢(shì)方面，研究顯示20年來植被生長(zhǎng)季NDVI呈顯著上升趨勢(shì)，趨勢(shì)率為每年0.001 9。以2005年和2013年為間隔劃分植被生長(zhǎng)季NDVI3個(gè)時(shí)間段的增長(zhǎng)趨勢(shì)，NDVI增長(zhǎng)趨勢(shì)呈快—慢—較快形態(tài)?？臻g分布特征方面，若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的多年均值為0.693，植被覆蓋程度呈高等級(jí)狀態(tài)。

2000—2019年若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI斜率變化以改善等級(jí)為占比最大部分。其中，2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年植被生長(zhǎng)季NDVI斜率變化呈快—慢—較快增長(zhǎng)趨勢(shì)。若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的變異系數(shù)均值為0.186 5，整體上呈中等波動(dòng)變化狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)在降水量基本穩(wěn)定的情況下，隨著氣溫的升高若爾蓋高原地區(qū)的蒸散發(fā)量呈逐年增加的趨勢(shì)[19]，在此背景下土壤水分的流失減弱了植物光合作用以及植物蒸騰作用的加強(qiáng)在長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)展的情況下會(huì)造成植被活動(dòng)的減弱[20]。與此對(duì)應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)20年來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的Hurst指數(shù)均值為0.432 8，整體上若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI的未來變化呈弱反持續(xù)狀態(tài)，未來若爾蓋高原植被生長(zhǎng)季NDVI呈退化態(tài)勢(shì)。