牛劍龍，陳國坤,2?，黃義忠,2，趙晶晶，陳 雪，邵筱琳

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，650093，昆明； 2.云南省高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，650093，昆明)

植被是自然生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的因子，作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶，在全球能量平衡、生物化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)等過程中具有不可替代的作用[1]。自然因素和人為因素共同決定區(qū)域土壤侵蝕的狀況。然而，在土壤侵蝕的發(fā)生、發(fā)展過程中，由于降水、土壤、地形等環(huán)境因素很大程度上由區(qū)域的自然地理條件決定，在短時期內(nèi)水土保持活動通常不會改變這些因素。所以通過增加地表植被覆蓋，可以快速達(dá)到減少水土流失量的效果[2]。

植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是指單位面積內(nèi)植被冠層(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例，是量化區(qū)域植被長勢的綜合指標(biāo)，也是監(jiān)測水土流失、衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要輸入因子[3-4]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)和FVC可以很好地反映某一區(qū)域的植被覆蓋狀況[5]，而植被的變化也可以間接反映生態(tài)[6-7]和氣候的變化[8-9]；因此，利用NDVI和FVC分析研究時間序列植被覆蓋度動態(tài)變化，一定程度上可以反映人類活動對區(qū)域自然環(huán)境的影響，同時對區(qū)域資源環(huán)境保護(hù)、防治水土流失、評價水土流失治理成效及國土空間規(guī)劃等工作也意義重大。

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者利用多源遙感數(shù)據(jù)、從不同尺度和方法對植被覆蓋度做了大量的研究，并取得了一系列成果。穆少杰等[3]和齊亞霄等[4]利用MODIS數(shù)據(jù)時間序列完整、覆蓋面積寬廣的特點，分別研究了內(nèi)蒙古、天山北坡長時序植被覆蓋的時空變化特征與影響因素。與MODIS數(shù)據(jù)相比，Landsat數(shù)據(jù)的空間分辨率(30 m)更高，計算獲取的植被覆蓋度更加精確[5]，但其時序性與完整性卻差一些。在植被覆蓋監(jiān)測方面，高分系列影像應(yīng)用目前主要集中在局部地區(qū)短時序、高精度的植被覆蓋監(jiān)測中，且數(shù)據(jù)難獲取[10-11]。此外，針對植被覆蓋度的計算方法，李苗苗[12]從研究區(qū)位置、遙感數(shù)據(jù)時相與空間分辨率等角度，提出3種計算方案，也做了詳細(xì)分析和驗證。

總體而言，在分析植被覆蓋方面，MODIS數(shù)據(jù)因其時間序列完整、易獲取、空間分辨率較好、覆蓋面積寬廣、時間分辨率較高等優(yōu)點受到眾多學(xué)者[8-9，13]青睞。然而，在我國的長時間序列植被覆蓋動態(tài)研究報道中，當(dāng)前相關(guān)研究主要集中于黃土高原、東北黑土區(qū)以及南方紅壤地區(qū)，西南石漠化較為嚴(yán)重的地區(qū)卻很少受到關(guān)注。基于此，筆者利用MODIS數(shù)據(jù)，采用像元二分、線性回歸、變異系數(shù)分析等方法，對云南省文山州的植被覆蓋特征進(jìn)行分析研究，旨在為文山州的生態(tài)保護(hù)、環(huán)境治理、國土空間規(guī)劃等工作提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

文山壯族苗族自治州位于我國云南省東南部，地理坐標(biāo)為E 103°35′～106°11′、N 22°24′～24°48′，行政區(qū)劃面積約為3.14萬km2，人口約為350萬(圖1)。

文山州地處滇東巖溶高原南部邊緣，全區(qū)地形以山地高原為主，中、西部地勢較高，向北、東、南部邊緣逐級降低。氣候方面，文山州多為亞熱帶氣候，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑、雨量充沛，多年平均降雨量約為1 100 mm(文山州氣象局)。受氣候、地形等因素的多重影響，林地(45.39%)和耕地(32.60%)是該區(qū)最主要的土地利用類型。文山州同時也是云南省石漠化最嚴(yán)重的地區(qū)，石漠化面積達(dá)8 153 km2，約占整個巖溶區(qū)土地面積的60.26%。

圖1 文山州DEM及地理位置示意圖Fig.1 DEM (digital elevation model) and geographical location of Wenshan

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究中采用的MOD13Q1 (MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid)數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局網(wǎng)站(https://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空間分辨率250 m，時間分辨率為16 d。土地利用數(shù)據(jù)來源于GlobeLand30(http://www.globeland30.com)。GlobeLand30土地利用分類系統(tǒng)共包括10個一級類型，分別是：耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度計算 NDVI是反映植物生長狀態(tài)的重要參數(shù)，被定義為近紅外波段反射值(植被強(qiáng)烈反射)與紅光波段反射值(植被吸收)的差與和的比值[4]。

利用中位數(shù)合成法，將1年約23景NDVI影像合成一景NDVIa影像，其目的是為了進(jìn)一步減弱云霧、大氣、異常值等的干擾。然后通過像元二分法模型來計算植被覆蓋度[13]

FVC=(NDVIa-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)。

(1)

式中：NDVIsoil為純裸地像元的NDVI值，約等于NDVImin；NDVIveg為純植被像元的NDVI值，約等于NDVImax。為了直觀地反映文山州的植被覆蓋分布以及時空變化特征，結(jié)合研究區(qū)實際情況，采用等間距分級法，將計算的植被覆蓋度劃分為5個等級[14]：≤20%(低覆蓋度)、>20%～40%(中低覆蓋度)、>40%～60%(中覆蓋度)、>60%～80%(高覆蓋度)和>80%～100%(極高覆蓋度)。

2.2.2 植被覆蓋度年際變化趨勢 采用一元線性回歸方程，按像元統(tǒng)計分析20 a文山州植被覆蓋度年際變化趨勢，計算公式[8]如下：

(2)

式中：i為年序號，從2001年到2020年，依次取1～20；n為研究總時段跨度，n=20；FVCi為第i年的FVC像元值；S為一元線性回歸方程的線性擬合斜率，當(dāng)S>0時，表示FVC處于增長趨勢；當(dāng)S<0時，表示FVC處于減少趨勢。根據(jù)相關(guān)研究，可以把變化趨勢劃分為5個等級[8]，S≤-0.006，顯著退化；>-0.006～-0.001，退化；>-0.001～0.001，基本穩(wěn)定；>0.001～0.006，改善；S>0.006，顯著改善。

2.2.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性 變異系數(shù)可以反映一組數(shù)據(jù)的波動程度[4]，定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。通過逐像元分析20 a植被覆蓋度的變異系數(shù)，可以很好地反映植被覆蓋度的穩(wěn)定性，其計算式為：

(3)

式中：Cv為變異系數(shù)，量綱為1；σ為植被覆蓋度總體標(biāo)準(zhǔn)差；μ為植被覆蓋度20 a的平均值。

(4)

2.2.4 Hurst指數(shù) Hurst指數(shù)的R/S分析法是非線性時間序列分析的一種基本方法。R/S分析就是重新標(biāo)度的極差分析，簡稱“重標(biāo)極差分析”[15]。R/S分析法被廣泛應(yīng)用于定量描述長時間序列變化趨勢的可持續(xù)性，也被應(yīng)用于植被覆蓋度的可持續(xù)性預(yù)測分析。

考慮一個時間序列增量{FVC(t)}，t=1，2，3，…，n。采用標(biāo)準(zhǔn)離差除極差，相當(dāng)于將極差“標(biāo)準(zhǔn)化”，消除量綱的影響，利用經(jīng)驗標(biāo)度關(guān)系計算出Hurst指數(shù)[15]。根據(jù)經(jīng)驗標(biāo)度關(guān)系，最后利用最小二乘法擬合即可得到最后修正后的H(Hurst)值。其中，H值必為0≤H≤1，如果計算的H>1，說明計算過程出現(xiàn)了某種失誤[15]。由于Hurst指數(shù)越接近0或1，持續(xù)性越強(qiáng)；越接近0.5，持續(xù)性越弱；根據(jù)其特性和研究區(qū)特征，將不同范圍的H值定義為5種持續(xù)性[6]：0≤H<0.3,顯著反向持續(xù)性；0.3≤H<0.5,反向持續(xù)性；H=0.5，無后效性；0.5

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時空演變特征

對研究區(qū)2001—2020年全年的平均植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖2)。近20 a文山州年平均植被覆蓋度大約在60%～80%之間變化，其中2005年平均植被覆蓋度最低，約為64%；2020年平均植被覆蓋度最高，約為78%。2015—2020年，文山州植被覆蓋度呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢。整體上，文山州近20 a平均植被覆蓋度呈現(xiàn)波動上升趨勢。

對研究區(qū)不同植被覆蓋度分級后，統(tǒng)計各等級像元數(shù)。過去20 a間，文山州低植被覆蓋度區(qū)域面積較小，且分布較為穩(wěn)定。中低植被覆蓋度和高植被覆蓋度區(qū)域面積均有一定程度減??；中植被覆蓋度區(qū)域面積呈現(xiàn)急劇減少趨勢；極高植被覆蓋度區(qū)呈現(xiàn)出快速增長趨勢。此外，低、中低植被覆蓋度區(qū)域比例最少；中植被覆蓋度區(qū)域占比逐漸下降，2015年極高植被覆蓋度區(qū)域占比超過中植被覆蓋度且逐年上升，在2020年甚至超過高植被覆蓋度區(qū)域比例；文山州地處云南，降水充足、植被繁盛，高植被覆蓋度區(qū)域持續(xù)占有較大的比例(表1)。

對文山州不同等級的植被覆蓋度空間分布進(jìn)行研究，從2001—2020年，每5 a為1個時間節(jié)點進(jìn)行研究分析,發(fā)現(xiàn)不同等級的植被覆蓋度在時間、空間上呈現(xiàn)規(guī)律性的變化(圖3)。2001—2020年期間，文山州極高植被覆蓋度區(qū)域向北、東和南3個方向逐漸擴(kuò)張，從3 997.22 km2增長到1萬5 313.78 km2；文山州中西部的中低植被覆蓋度、中植被覆蓋度逐漸減少；2001—2015年期間，文山州以中和高植被覆蓋度為主，2015年后，文山州以高、極高植被覆蓋度為主。全區(qū)的高植被覆蓋度區(qū)域在減少，但絕大部分的區(qū)域都轉(zhuǎn)化成了極高植被覆蓋區(qū)域?？傮w而言，文山州的植被覆蓋正在逐步變好，這得益于退耕還林、封山育林等政策的有效實施。

圖2 2001—2020文山州年平均植被覆蓋度年際變化Fig.2 Inter-annual variation of average fractional vegetation coverage (FVC) in Wenshan from 2001 to 2020

表1 文山州各等級植被覆蓋度年際變化

圖3 文山州不同等級植被覆蓋度時空變化Fig.3 Spatial-temporal change of FVC at different levels in Wenshan

3.2 植被覆蓋變化趨勢與穩(wěn)定性

對文山州植被覆蓋的變化趨勢進(jìn)行分析可知，過去20 a間，植被覆蓋呈現(xiàn)顯著退化和退化區(qū)的面積比例分別為0.88%和5.59%；植被覆蓋基本穩(wěn)定區(qū)面積占比為9.02%；植被覆蓋改善區(qū)面積比例最多，約占文山州總面積的55.96%，且空間分布相對分散；顯著改善區(qū)的面積比例排在第2位，約占總面積的28.55%，且多分布于文山的中東部(圖4)。

圖4 2001—2020文山州植被覆蓋變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of vegetation cover change trend in Wenshan from 2001 to 2020

變異系數(shù)可以很好地反映多年植被覆蓋度的穩(wěn)定性。由圖5可知，近20 a文山州有69.31%的區(qū)域FVC處于穩(wěn)定狀態(tài)，且分布比較均勻；11.67%的區(qū)域處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，主要分布在文山州的東部、南部、北部3個區(qū)域；只有18.52%的區(qū)域變異系數(shù)波動范圍為0.1到0.2之間，表現(xiàn)為弱變異，主要分布在研究區(qū)的西部、中東部、東南部這3個區(qū)域；強(qiáng)變異的面積占比最少，只占全域總面積的0.50%?？傮w上看，全域約80.98%的區(qū)域處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這反映文山州絕大部分區(qū)域的植被呈現(xiàn)相對穩(wěn)定性增長的態(tài)勢。

圖5 文山州20年植被覆蓋變異系數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of coefficient of variation of vegetation coverage in Wenshan in the past 20 years

3.3 植被覆蓋度變化趨勢的持續(xù)性

基于R/S分析法，筆者計算文山州2001—2020年植被覆蓋度的Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)的大小表示文山州植被覆蓋度時間序列的未來趨勢預(yù)測(圖6)。結(jié)果表明：文山州Hurst指數(shù)的最大值為0.95，最小值為0.10，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10，證明計算結(jié)果正確。研究區(qū)的Hurst指數(shù)的平均值為0.45，其中Hurst指數(shù) >0.50的像元數(shù)約占28.86%，<0.50的像元數(shù)約占71.14%，等于0.50的像元數(shù)為0，說明文山州植被覆蓋的反向持續(xù)性強(qiáng)于正向持續(xù)性。將Hurst指數(shù)與變化趨勢進(jìn)行疊加分析和統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2所示。文山州的顯著改善區(qū)、改善區(qū)和退化區(qū)的反向持續(xù)性比例較多，顯著退化區(qū)的正向持續(xù)性比例較多。因此，相對于2020年，文山州未來一段時間內(nèi)的植被覆蓋會有一定程度的減少。圖2中，研究區(qū)2001—2017年，平均FVC緩慢波動上升，波動明顯；2018—2020卻明顯不同，平均FVC呈現(xiàn)快速上升趨勢，且不波動。由于近3年增加的量超過了預(yù)期，并在2020年達(dá)到峰值，而且Hurst指數(shù)的持續(xù)性預(yù)測是用最后一年的值(2020)為未來一段時間內(nèi)趨勢的起點，所以預(yù)測結(jié)果才會出現(xiàn)反向持續(xù)性的區(qū)域多于正向持續(xù)性的區(qū)域。

3.4 植被覆蓋度驅(qū)動因素

土地利用動態(tài)變化是人類活動對生態(tài)環(huán)境、植被覆蓋綜合影響的集中體現(xiàn)，也是人口、城鎮(zhèn)化、政策(退耕還林)的綜合作用結(jié)果。結(jié)合3期Globeland30土地利用數(shù)據(jù)，對文山州植被覆蓋時空演變的土地利用背景進(jìn)行分析。結(jié)果表明：過去20a文山州耕地總體動態(tài)變化率為38.14%，為所有地類之最。其中，除植被顯著退化區(qū)耕地減少9.83%外，植被退化區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、改善區(qū)和顯著改善區(qū)的耕地均在增加，增幅分別為5.79%、8.62%、5.40%和8.50%。林地總體動態(tài)變化率為35.01%，過去20 a間上述5個區(qū)域林地面積比例均在減少，且多轉(zhuǎn)化為耕地；減幅分別為6.21%、6.23%、8.13%、6.01%和8.43%。此外，5個區(qū)域中人造地表面積比例均在增加，動態(tài)變化率為27.67%，變幅排在第3。草地、灌木林地的總動態(tài)變化率分別為10.16%和3.10%，相對較低。

圖6 基于FVC的文山州2001—2020年Hurst指數(shù)分布Fig.6 Hurst index distribution based on FVC in Wenshan from 2001 to 2020

表2 文山州2001—2020年不同變化趨勢的Hurst指數(shù)Tab.2 Hurst index of different trends in Wenshan from 2001 to 2020 %

在植被覆蓋顯著退化區(qū)和退化區(qū)，人造地表的動態(tài)變化率為25.87%，為所有地類之最，是引起該區(qū)植被覆蓋變化的主要原因；而改善區(qū)和顯著改善區(qū)中的耕地、林地的總動態(tài)變化率分別為13.9%、和14.44%，遠(yuǎn)高于其他地類，是引起該區(qū)域植被覆蓋變化的主要原因。

總體上，還林還草、封山育林等政策的落實保護(hù)了原有林地，這是文山州林地總量雖然減少(表3)但是植被覆蓋度增加的主要原因。同時，過去20 a間，耕地的增加(常綠農(nóng)作物增加)也是引起全區(qū)植被覆蓋度增加的最主要原因。在各類型植被覆蓋度年際變化趨勢中，耕地變化的貢獻(xiàn)最大，林地和人造地表變化次之。 綜合而言，土地利用變化是文山州植被覆蓋變化的重要驅(qū)動因素。

表3 文山州2000—2020年不同土地利用類型面積Tab.3 Areas of different land use types in Wenshan from 2000 to 2020 km2

圖7 2000—2020文山州逐年累積降水、平均氣溫變化圖Fig.7 Changes of annual cumulative precipitation and average temperature in Wenshan from 2000 to 2020

降水和氣溫是影響一個區(qū)域整體植被覆蓋變化最主要的氣候因素。結(jié)合文山州7個氣象站點的數(shù)據(jù)，合成年累積降水量(mm)與年平均氣溫(℃)。圖7可知，2000—2020年文山州的年累積降水量和年平均氣溫均呈現(xiàn)波動增長的趨勢，年均增長率分別為6.692 0和0.039 0；研究區(qū)的年平均植被覆蓋度同樣呈現(xiàn)波動增長的趨勢，年均增長率為0.004 2(圖2)。研究表明，文山州長期的植被覆蓋變化與氣候變化表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，短期的植被覆蓋變化與氣候變化之間無明顯的關(guān)系。

4 討論

植被覆蓋變化是引起區(qū)域水土流失變化、反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的重要參數(shù)。因植被破壞引起的地表土壤損失、基巖裸露、土地資源喪失也是產(chǎn)生石漠化的主要原因。本研究結(jié)果表明，從2001—2020年間，研究區(qū)的植被覆蓋整體呈現(xiàn)波動上升的趨勢，且穩(wěn)定性較好?；贖urst指數(shù)計算的未來植被覆蓋退化區(qū)比例較高，其主要原因是研究區(qū)近年來整體植被覆蓋度漲幅太大，且波動性較差。

植被覆蓋變化的驅(qū)動因素大體可分為2類(自然因素和人為因素)，其中，土地利用變化是人類活動結(jié)果的集中體現(xiàn)，因此可以用來反映植被覆蓋變化的人為驅(qū)動因素。自然因素主要分為氣候和地形2類，筆者僅考慮了氣候因素，有一定局限性。此外，MODIS數(shù)據(jù)時序性雖完整，但空間分辨率較低，難以反映植被覆蓋變化的微觀過程。

5 結(jié)論

1)時間上，文山州近20 a植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)上升趨勢，其年平均植被覆蓋度在60%～80%之間波動上升，在2020年年平均植被覆蓋度達(dá)到峰值，約為78%。各等級植被覆蓋度變化中，中低、中、高植被覆蓋度面積比例逐年減少，極高植被覆蓋度面積逐年增加，低植被覆蓋度面積占比變化不明顯。

2)空間上，文山州近20 a的植被覆蓋主要向北、東和南3個方向逐漸擴(kuò)張。絕大部分區(qū)域(84.51%)的植被覆蓋度處于改善和顯著改善的趨勢；僅有6.47%區(qū)域為顯著退化和退化區(qū)且分布相對分散。80.98%的區(qū)域植被覆蓋處于穩(wěn)定和非常穩(wěn)定狀態(tài)，僅有0.5%的區(qū)域為強(qiáng)變異狀態(tài)。全區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)相對穩(wěn)定增長的趨勢。

3)69.90%的改善區(qū)、71.39%的顯著改善區(qū)和40.67%的顯著退化區(qū)未來FVC呈退化趨勢；57.94%的退化區(qū)未來FVC有一定改善趨勢；全區(qū)未來一段時間內(nèi)的FVC總體上會有一定程度的減少。耕地、林地和人造地表的變化是引起文山州植被覆蓋變化的主要原因，其中耕地的影響最大，林地、人造地表次之。研究區(qū)植被覆蓋變化總體上與年降水量和溫度變化具有一致性。