牟禹恒，黃義忠，梁 睿，魏成國

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650021)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，也是生物圈中最活躍的一層，對生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)、氣候變化起到相互協(xié)調(diào)的作用[1]。植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比。植被覆蓋度是衡量植被生長情況的標準，很大程度反映了生態(tài)環(huán)境的總體情況[2]。對于植被覆蓋度的測算，早期包括目估法、調(diào)查采樣法、儀器觀測法等。目估法較為直接，但是這種方法具有極強的主觀性；調(diào)查采樣法的優(yōu)勢在于結(jié)果較為精確，但存在耗時長、效率低的問題；儀器觀測法相對經(jīng)濟，測量結(jié)果有較高精度[3]。但隨著技術的發(fā)展，遙感應用的普及，引入遙感技術作為植被覆蓋度的一種測算媒介，是目前較為廣泛的應用方法[4]，并且在數(shù)據(jù)獲取方面，遙感技術具有一定的時效性，數(shù)據(jù)類型也較為豐富[5]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)即遙感影像中，近紅外波段與紅光波段的反射值之差比上兩者之和，是目前較好地反映植被生長情況的一種指數(shù)[6]。近年來，在應用NDVI進行不同時空尺度的植被變化和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面，已經(jīng)開展了大量的研究[7]。欒金凱等[8]基于MODIS/Terra NDVI遙感影像數(shù)據(jù)，對陜西榆林近17 a的植被指數(shù)進行時空變化及影響因素分析，研究表明其植被覆蓋度和氣象有著正向關系。阮勝全等[9]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)，反演出靜海區(qū)2001-2013年植被覆蓋度,并對其分等定級，進而計算景觀格局指數(shù)，分析13 a間的景觀格局空間變化。植被覆蓋度影響著生態(tài)環(huán)境安全、社會經(jīng)濟的發(fā)展。本研究利用NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合像元二分模型、一元線性回歸方法，確定文山州2001-2020年的植被覆蓋度變化趨勢。再通過計算變異系數(shù)，觀察其20 a間的變化波動，最后結(jié)合全州景觀格局進行綜合分析，判斷其景觀破碎度變化，從而為文山州生態(tài)保護及修復、國土空間格局優(yōu)化提出一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

文山壯族苗族自治州(以下簡稱文山州)地處云南省東南部(103°35＇-106°11′E，22°24′-24°48′N)。全州轄1市7縣，即文山市、硯山縣、西疇縣、麻栗坡縣、馬關縣、丘北縣、廣南縣、富寧縣。文山州屬低緯高原季風氣候，大部分地區(qū)光熱資源豐富，地勢起伏較大，海拔1 000～1 800 m，高低懸殊。受河流切割形成中、低山地。全州兼有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、溫帶6種氣候類型。土壤類型主要分為暗棕壤、棕壤、黃棕壤、黃壤、紅壤、赤紅壤、磚紅壤、石灰?guī)r土、紫色土。其中紅壤分布最廣，約占全州土地總面積的75%。全州森林面積132.67萬hm2，森林覆蓋率42.24%。

1.2 研究方法

1.2.1 像元二分法 假設一個像元的信息由土壤和植被組成。通過遙感傳感器所觀測到的信息NDVI，就可以表示為：由植被提供的數(shù)據(jù)表示為NDVIveg，由土壤提供的數(shù)據(jù)表示為NDVIsoil[10]。

(1)

式中:FVC代表像元的植被覆蓋度，NDVIsoil代表的像元信息包含了土壤類型、顏色、濕度等信息，NDVIveg代表的像元信息包含了植被的類型、結(jié)構(gòu)等信息。

本研究將基于像元二分法所計算出來的研究區(qū)植被覆蓋度劃分為5個等級(表1)。

表1 植被覆蓋度等級劃分

1.2.2 一元線性回歸分析 一元線性回歸趨勢線分析是對一組隨時間而變化的變量進行回歸分析的方法[11]。該方法根據(jù)每個像元的變化趨勢，來計算植被的綠度變化率[12]。其計算公式如下：

(2)

式中：n為研究時間序列長度；i為第i年；NDVIi為第i年的NDVI值；Slope為斜率。本研究植被覆蓋度趨勢變化的5個等級分別為明顯減小(Slope≤-0.005)、輕度減小(-0.0050.005)。

1.2.3 變異系數(shù)相關性分析 通過建立變異系數(shù)模型，分析研究區(qū)植被覆蓋度隨時間變化的穩(wěn)定程度(CV)。其計算公式如下：

(3)

變異系數(shù)反映了數(shù)據(jù)分布的離散和波動程度，值越大，說明數(shù)據(jù)的波動較大；反之則說明數(shù)據(jù)波動較小[14]。本研究將植被覆蓋度波動分為4個等級(表2)。

表2 植被覆蓋度波動分級

1.2.4 景觀格局分析 景觀格局特征指標是反映景觀組成結(jié)構(gòu)與空間特征的定量指標，可以有效表達景觀格局信息以及分布情況[15]。影響景觀空間格局的因素有景觀單元的數(shù)量、種類、形狀及其分布特點等，并隨著這些因素的變化而有不同程度的變化[16]。由于景觀格局指標較多，對于景觀格局指標的劃分還未形成統(tǒng)一標準。在不同的景觀類型中，斑塊類型有著不同的劃分方法，劃分依據(jù)包括斑塊面積、群落類型、地形特征、斑塊外貌特征、景觀類型等。選取表3中9個指標，對文山州不同植被覆蓋度等級的景觀格局進行分析，從而揭示不同等級植被覆蓋度的空間變異特征。

1.3 數(shù)據(jù)處理

下載2001-2020年共20 a的MOD13Q1(MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源：美國國家航空航天局https://e4ftl01.cr.usgs.gov//DP107/MOLA/，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d)，共460期影像。運用Arcgis軟件，將原始HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式，依據(jù)文山州行政界線對影像進行掩膜、歸一化處理后得到值域在[-1,1]之間的NDVI值。按最大值合成法(MVC)合成數(shù)據(jù)年最大值數(shù)據(jù)，得到2001-2020年共20期年最大值NDVI影像，最后進行提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度動態(tài)變化分析

2.1.1 植被覆蓋度時間變化特征 由圖1可見，文山州20 a間植被覆蓋度整體呈上升趨勢。2007年相對降幅較大，為2.9%；增幅最大在2002年，為5.0%；2011年出現(xiàn)相對明顯的下降，降幅為2.3%，主要是因為文山州正處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的加速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)用地進一步擴張所致。2013年后，植被覆蓋度相對穩(wěn)定增加。

2.1.2 植被覆蓋度空間變化特征 由表4可見，2001-2006年文山州植被低覆蓋度區(qū)呈先減少后增加再減少的趨勢，2020年總體增長率達176%；植被較低覆蓋度區(qū)總體增長率達44.2%；中覆蓋度區(qū)整體呈減小趨勢，降幅達59.2%；較高覆蓋區(qū)整體呈下降趨勢，降幅46.2%；對比2001年，2020年植被高覆蓋度區(qū)呈大幅度上升，增幅達103.6%。由圖2看出，全區(qū)植被覆蓋水平整體較高，但東西差異明顯，西部的硯山縣、丘北縣、文山市植被覆蓋度相對其他區(qū)縣較低。隨著城市化的進展，文山州的城鎮(zhèn)化水平明顯擴張，導致了低植被覆蓋度區(qū)面積的增長。

圖1 2001-2020年文山州年均植被覆蓋度變化

2.2 植被覆蓋度變化趨勢及穩(wěn)定性分析

2.2.1 植被覆蓋度時空變化趨勢分析 表5為文山州2001-2020年NDVI值隨著時間的推移不斷變化的一元線性回歸分析表。文山州植被覆蓋減小的面積為872.96 km2，全州7 989.14 km2的地區(qū)植被覆蓋度呈基本不變趨勢；植被覆蓋度增加的地區(qū)面積為22 549.53 km2?；貧w直線變化率Slope值較為集中在0.002～0.005，由圖3可見，文山州植被覆蓋度平穩(wěn)增加。

2.2.2 植被覆蓋度時空變化穩(wěn)定性分析 由圖4、表6可以看出，文山州20 a間植被覆蓋度CV值平均為0.07，<0.1，整體呈平穩(wěn)型。全州有26 660.91 km2地區(qū)呈平穩(wěn)趨勢，占比84.88%；劇烈波動型69.93 km2，其中波動較為嚴重的是城鎮(zhèn)化率較高的地區(qū)，受人類活動影響較大，如文山市開化鎮(zhèn)、硯山縣周那鎮(zhèn)、丘北縣錦屏鎮(zhèn)、丘北縣天星鄉(xiāng)、廣南縣蓮城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)。

表3 反映景觀格局的指標及意義

表4 2001-2020年文山州植被覆蓋度變化

2.2.2 植被覆蓋度時空變化穩(wěn)定性分析 由圖4、表6可以看出，文山州20 a間植被覆蓋度CV值平均為0.07，<0.1，整體呈平穩(wěn)型。全州有26 660.91 km2地區(qū)呈平穩(wěn)趨勢，占比84.88%；劇烈波動型69.93 km2，其中波動較為嚴重的是城鎮(zhèn)化率較高的地區(qū)，受人類活動影響較大，如文山市開化鎮(zhèn)、硯山縣周那鎮(zhèn)、丘北縣錦屏鎮(zhèn)、丘北縣天星鄉(xiāng)、廣南縣蓮城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū)。

2.3 植被覆蓋度景觀格局分析

2.3.1 總體景觀格局分析 由表7可見，文山州2001-2020年整體景觀破碎度呈先減少后增加再減少的趨勢。斑塊數(shù)量(NP)在2011年有較明顯的增加，大斑塊被分割，小斑塊數(shù)量不斷增多，景觀破碎化程度增大。2016-2020年，斑塊數(shù)量趨于穩(wěn)定；最大斑塊面積指數(shù)(LPI)與斑塊數(shù)量(NP)呈相同變化趨勢，但仍可以看出較高、高植被覆蓋度為整個區(qū)域的優(yōu)勢區(qū)域類型；蔓延度指數(shù)(CONTAG)在2006年有所增大，說明各級植被覆蓋度區(qū)間連接性良好，2011年下降，則反映了景觀破碎度較高，各級間的連通性較差，2016年又繼續(xù)增大，到2020年繼續(xù)下降；香農(nóng)均勻性指數(shù)(SHEI)與香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)發(fā)展趨勢相同，均在2011年達到峰值，說明此間景觀類型分布最為均勻；聚集指數(shù)(AI)在2001-2020年呈先增大再減小又增大的趨勢，2020年達到最大值，說明景觀類型由復雜到簡單再到復雜的過程。

圖2 文山州2001、2006、2011、2016、2020年 文山州植被覆蓋度分級

圖3 2001-2020年文山州植被覆蓋度變化趨勢

圖4 2001-2020年文山州植被覆蓋度CV變異系數(shù) 空間分布圖

表5 2001-2020年文山州NDVI一元線性回歸變化分析

表6 2001-2020年文山州植被覆蓋度CV系數(shù)統(tǒng)計

表7 2001-2020文山州植被覆蓋度景觀指標變化統(tǒng)計

2.3.2 不同等級景觀類型變化分析 對比各年份的不同等級景觀特征指標(圖5，表8)，低覆蓋度區(qū)和較低覆蓋度區(qū)的NP值較小，說明這2種等級下的景觀破碎度較小，分布也較為集中；2020年的中覆蓋度區(qū)和高覆蓋度區(qū)整體呈下降趨勢，說明景觀破碎度隨時間而減??；而較高覆蓋度區(qū)的NP值增大，說明20 a間中覆蓋度區(qū)的景觀破碎度隨時間而增大。對比不同等級植被覆蓋度的邊緣密度，較高覆蓋度區(qū)的景觀邊緣密度最大，其次是高覆蓋度區(qū)，景觀邊緣密度越大，景觀邊界越復雜。較高覆蓋度區(qū)的ED值在2020年達到最小，ED指數(shù)趨于穩(wěn)定，說明在環(huán)境保護上采取了一定的措施，使邊緣密度得到了有效控制。2001-2020年最大斑塊指數(shù)(LPI)變化較大，最為明顯的高覆蓋度區(qū)，其次是較高覆蓋度區(qū)。高覆蓋度區(qū)LPI值減小，較高覆蓋度區(qū)LPI值增大，說明該區(qū)域的植被優(yōu)勢類型由較高覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒采w度。低覆蓋度區(qū)的聚合度指數(shù)(AI)先減小后增大，說明了低覆蓋度區(qū)的景觀由復雜到你簡單再到復雜的過程。AI值在2006年達到最低，說明該年的景觀離散度最大，連通性較差。高覆蓋度區(qū)在2011年小幅度下降，但整體呈上升趨勢，說明高覆蓋度區(qū)的連通性隨時間而增大，景觀也隨之變得復雜。較高覆蓋度區(qū)整體呈下降趨勢，其余覆蓋度區(qū)變化不大。

圖5 不同等級植被覆蓋度的景觀指數(shù)變化

3 結(jié)論

1)2001-2020年文山州植被覆蓋度呈增長趨勢，全州的植被生長狀況有所改善。從空間上看，全區(qū)植被覆蓋水平整體較高，但東西差異明顯，低植被覆蓋區(qū)和中覆蓋度區(qū)多集中在西部的硯山縣、丘北縣、文山市，高覆蓋度區(qū)多分布在東部的富寧縣。

2)根據(jù)一元線性回歸趨勢分析法得出，到2020年，全州71.78%的像元植被處于改善模式，25.43%的像元植被狀態(tài)處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅有2.78%的面積處于退化模式，其中退化較明顯的是城鎮(zhèn)化率較高的地區(qū)，受人類活動影響較大。通過對2001-2020年文山州植被覆蓋度計算變異系數(shù)(CV)，獲得文山州20 a間植被覆蓋度變異程度，有84.88%的像元處于穩(wěn)定模式，整體呈平穩(wěn)型。

表8 2001-2020年文山州不同植被覆蓋類型的景觀斑塊特征

3)文山州20 a間整體景觀格局水平呈先減小再增大后減小再到基本穩(wěn)定，斑塊數(shù)量在2016-2020年間趨于穩(wěn)定。從最大斑塊面積可以看出較高、高植被覆蓋度為整個區(qū)域的優(yōu)勢區(qū)域類型，但植被主要覆蓋類型逐漸由較高覆蓋度區(qū)轉(zhuǎn)向高覆蓋度區(qū)，2個區(qū)域同樣是植被類型較為復雜、連通性較好的區(qū)域。