2000-2017年福建省植被NDVI變化特征

康 冬，陳傳明，王 強

(1.福建師范大學地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007；3.福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007)

土地利用/土地覆被變化已成為全球環境變化研究的焦點和重點，植被作為土地覆被的主要因素，對全球的物質循環、能量流動及全球變化響應等方面都有重要影響，研究植被覆蓋已成為研究全球變化的重點部分[1]；植被作為地表主要活動部分，研究植被NDVI的變化對區域生態變化的研究具有代表性意義[2-3]。利用遙感數據，從時間尺度對植被覆蓋進行研究，既可以宏觀地了解區域多年總體趨勢情況，又可以較快地研究區域短時期(各月份、季節)內的動態變化情況，尤其是能夠研究一些極端災害事件對植被變化的影響[4-6]。RS與GIS技術為研究全球和區域變化提供有效的研究手段和方法，對研究大尺度環境變化與植被覆蓋變化有很大的提升作用。MODIS NDVI數據從2000年開始被使用至今，在植被遙感動態監測研究中具有特殊意義。朱明明[7]基于MODIS數據利用趨勢分析等方法，指出我國受到城鎮化的影響，長三角、珠三角和東北部分地區1982-2006年呈現出顯著降低的趨勢。劉憲鋒[8]通過線性趨勢分析方法指出，2000-2011年三江源區NDVI呈增加趨勢的面積占64.06%，呈減少趨勢的面積占35.94%。因此，在時間尺度和空間變化上分析植被覆蓋動態變化具有較高的研究價值[9-11]。

1 研究區概況

福建省簡稱“閩”，位于北緯23°33′～28°20′、東經115°50′～120°40′，地處我國東南沿海地區，西靠江西省，東北鄰浙江省，西南接廣東省，東臨臺灣海峽，與寶島臺灣隔海相望。福建省屬于亞熱帶季風氣候，因土壤特點和氣候的原因導致容易發生水土流失，自明清時期便有記載，現存天然林較少，植被在建國以后才得以緩慢恢復[12]。自2000年起，福建省實施“生態省”戰略和建設生態文明先行示范區，構造清新福建之路等一系列措施，如“四綠”工程及2011年實施進行的福建“生態省”，在政策上注重生態保護，實行植樹造林、封山育林、退耕還林等，使得福建省植被覆蓋有了很大程度的提高，森林覆蓋率持續攀升[13-14]。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源及預處理

植被指數是一種具有時空序列數據，通過分析其時空分布特性研究植被覆蓋的變化特征，NDVI是植被遙感中使用最廣泛的指數模型之一，其計算公式為：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中：NIR為近紅外波段的反射率值，R為紅光波段的反射值，該模型主要適用于大尺度植被覆蓋變化動態監測[15-16]。本文主要使用2000-2017年美國國家航空航天局(NASA)發布的中等分辨率MOD13Q1 NDVI數據集，其空間分辨率為0.25～1.00 km，時間分辨率為16 d。由于官方下載的數據需要經過投影變化和格式轉換才能更好地利用，故使用NASA提供的MODIS TOOLS軟件進行轉換。再使用最大值合成法(MVC：maximum value composite)，將各月每旬的NDVI數據選取最大值，其目的主要是為了消除云、大氣氣溶膠、太陽高度角的部分干擾。另外，使用均值法是將各月數據進行均值處理，以此計算出年、季節和逐月的變化情況，以消除部分變化異常的月份誤差。由于2000年1月數據缺失，為保證數據的完整性，故使用2000-2003年1月數據的均值作為當年數據。同時，根據氣象學劃分：春季為3-5月、夏季為6-8月、秋季為9-11月、冬季為12月至翌年2月。DEM數據來源于地理空間數據云服務(http://www.gscloud.cn)，福建省地形復雜，全省大部分地區地形為山地丘陵，根據福建省海拔的具體特征，將海拔分為5個等級：<200 m、200～500 m、500～800 m、800～1000 m和>1000 m。以2000-2017年福建省多年NDVI平均值和高程分級圖為原始數據，利用ArcGIS軟件的空間分析功能和屬性統計方法與高程數據進行疊加分析，得出福建省不同高程等級的面積比例和植被NDVI均值。植被類型數據源于中國科學院資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn)，包括2000年、2005年、2010年和2015年4期數據，通過重分類選取3種主要的植被類型數據作為研究數據，分別進行疊加分析，為減少誤差將得到的四期不同植被類型的趨勢和變異系數進行均值合成。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢線分析法 趨勢線分析法其原理基于最小二乘法，在時間尺度上對變量進行回歸分析，從而模擬變量的變化趨勢[17]。趨勢分析對研究區內隨時間變化的單個柵格像元進行回歸分析，能夠模擬出研究區內每個像元歸一化植被指數的變化趨勢特征，從而能夠反映出研究區范圍內每個像元植被NDVI不同時間變化趨勢特點，即通過最小二乘法擬合出植被NDVI的變化趨勢斜率，其計算公式為：

(1)

式中，slope值代表植被研究分析時段內的變化趨勢斜率，能夠反映該時間段內研究區植被NDVI的總體變化特征趨勢；若slope>0，植被NDVI變化趨勢是增加的，數值越大表明增加的程度越明顯；反之，若slope<0，變化趨勢為減少。slope的絕對值越高，則代表植被NDVI的變化趨勢越顯著。根據slope的變化范圍和福建省的具體情況，研究定義出5個變化趨勢等級[18]：顯著退化(slope<-0.009)、輕微退化(-0.0090.009)。

2.2.2 穩定性分析法 為了分析研究區多年相同時期植被NDVI在空間上的波動情況，從像元尺度上計算2000-2017年福建省年均、季均和月均NDVI的變異系數，進而評估植被NDVI在時間序列上變化的穩定性[19]，其計算公式為：

(2)

3 福建省植被NDVI變化特征分析

3.1 福建省植被NDVI年際變化特征分析

為了直觀判斷福建省植被NDVI的變化情況，對福建省年均NDVI柵格數據進行統計，得出福建省研究區的各年平均NDVI值。由圖1可知，2000-2017年福建省植被NDVI值在波動變化中呈較為明顯的線性增長趨勢，其年均增長速度為0.0032。近18年間，福建省年均NDVI的變化過程可分為3個階段：2000-2003年的第一次較快增長時期、2003-2009年波動變化期和2010-2017年第二次穩定上升期。其中，植被指數在2000年的0.651增加至2003年的0.674，年均增長速度為0.0070，增長率為3.50%；2004年略有下降后至2009年交替波動，年均增長速度為0.0013，植被NDVI值在0.659～0.678間波動變化；在2010年輕度降低后至2017年持續穩定增加，年均增長速度為0.0075，增長速度為7.08%。綜上，近18年福建省年均NDVI呈穩定增長趨勢，表明福建省植被覆蓋變化的總體態勢良好。

圖1 2000-2017年福建省年均NDVI變化趨勢

由表1可知，在年際尺度上，近18年來福建省年均NDVI呈現出穩定上升的態勢。其中，福建省植被輕微改善面積比例為67.49%，其所占面積比例最大，顯著改善的面積為3.63%，基本不變的面積占22.57%，退化面積僅占比6.31%，表明福建省植被NDVI在年際變化水平上向較高水平發展。

表1 福建省植被NDVI變化趨勢分級統計

3.2 福建省植被NDVI季節變化特征分析

由圖2和表1可知，近18年來福建省各季節植被NDVI分別以不同的增長速度呈現出上升的態勢，能夠看出福建省植被NDVI的狀況在逐步提升，福建省植被覆蓋的程度逐漸提高。通過對多年各季節NDVI均值計算并統計發現：春季、夏季、秋季和冬季NDVI均值分別為0.637、0.73、0.726、0.627。福建省植被季均NDVI大小排序為：夏季>秋季>春季>冬季。春季，福建省植被NDVI改善的比例為76.6%，基本不變的比例為17.36%，退化的比例為5.01%；夏季，NDVI改善的比例為49.27%，基本不變的比例為36.59%，秋季，植被NDVI改善的比例為66.36%，基本不變的比例為24.67%，冬季，顯著改善的比例在所有季節里最高，為11.85%。表明輕微改善和顯著改善比例共占總面積的81.01%，表明福建省植被NDVI冬季增加的面積最多。

圖2 2000-2017年福建省各季節NDVI變化趨勢

3.3 福建省植被NDVI年內變化特征分析

植被的物候變化規律影響著植被各月份NDVI的變化。如圖3所示，在年內12個月的NDVI變化中，整體變化趨勢為先下降后增長再下降的過程。1-3月份逐漸減少，3月份為全年NDVI最小值；3-9月份植被NDVI逐漸上升，其中在7、8、9三個月份的NDVI值變化較為穩定，上升幅度不明顯，9月為全年NDVI值最高的月份，各類植被生長均呈現較高的活動水平，隨后NDVI值逐漸下降；9-12月份植被NDVI呈逐漸減少趨勢，植被覆蓋水平逐漸降低。

圖3 福建省年內NDVI變化曲線

3.4 福建省3種土地類型NDVI變化特征分析

土地利用的變化能夠直接反映人類因子與生態環境的相互影響，土地類型的改變能夠影響下墊面的變化，進而影響植被的分布和面積變化。通過選取近18年來福建省3種主要土地類型數據，并進一步分析可知(表2、圖4)，2000-2017年福建省草地、耕地、林地3種土地類型NDVI值在年際變化上均呈現出改善的趨勢，各植被類型改善的面積均超過其面積的60.00%，年均增加趨勢分別為0.0039、0.0027、0.0033。由圖4可以看出，草地和林地增長趨勢最快，耕地較慢，表明近年各類型植被NDVI均呈現出高質量發展。其中，林地NDVI逐年增加。據統計年鑒數據統計，2000-2017年共造林面積為7693.6 km2，2017年福建省森林覆蓋率為65.95%，表明多年來福建省實施的一系列措施如“四綠”工程(讓森林進城、上路、下鄉、入村)和2011年實施進行的福建省“生態省”建設起到了積極作用，在政策上注重生態保護，實行植樹造林、封山育林等措施，使得林地面積和質量增長顯著。

福建省草地資源在南方占重要位置，其草地資源主要分為丘陵草地和山地草地，在2010年之前由于重視程度等原因，草地維護較少，草地NDVI變化呈緩慢型波動增長，2001-2008年沒有顯著增加。2010年后，國家撥款3億元對福建省草地資源進行開發與保護，并在“十二五”期間進行“南方草原生態保護與建設項目”等相關規劃，使得近幾年福建省草地資源得到良好的改善，NDVI增長速度提升較高。

表2 2000-2017年福建省不同植被類型變化趨勢百分比情況

圖4 2000-2017年福建省不同植被類型年均NDVI變化特征

另外，近年來耕地NDVI主要呈現微弱的波動增長，2011年NDVI較低原因可能是農業氣象災害導致。耕地NDVI整體上升的原因主要是農業用地種植逐漸科學合理、肥料的使用和農業生產方式逐漸轉向資源高效利用的生態農業等。

4 福建省植被NDVI穩定性分析

使用變異系數法分別對2000-2017年福建省年均NDVI、季均NDVI計算變異系數，并得出2000-2017年福建省年均、季均植被NDVI的變異系數統計表(表3)。從不同的時間尺度對福建省植被NDVI進行穩定性分析(表3)，在年際尺度上，植被NDVI變異系數大于0.1的面積比例為6.46%，表明在該部分區域植被覆蓋變化較大、穩定性較差，受其他因素的影響較大。年際植被NDVI變異系數在0～0.1的面積占研究區總面積的比例為93.53%，表明在過去18年間，福建省大部分地區植被NDVI的穩定性明顯較高，呈現出不劇烈變異，植被覆蓋呈穩定性增長的趨勢。

在季節尺度上(表3)，福建省植被NDVI各季節穩定性差異顯著，NDVI變異系數在C1(0～0.05)的面積比例，春季為8.97%，夏季為25.82%，秋季為51.58%，冬季為23.70%。NDVI變異系數在C2(0.05～0.1)的面積比例，春季為66.4%、夏季為56.96%、秋季為39.68%、冬季為53.88%。NDVI變異系數在0.1(C3、C4、C5、C6)以上的面積比例，春季為24.63%、夏季為17.21%、秋季為8.75%、冬季為22.43%。整體上，植被NDVI的穩定性整體上為秋季>夏季>冬季>春季。

表3 2000-2017年福建省NDVI變異系數分級統計

5 植被NDVI與高程的相關性分析

由圖5、圖6可知，福建省不同海拔高程等級的NDVI值有顯著的區別。其中，高程<200 m的面積占全省面積的比例為19.21%，其中，2000-2017年18年的平均NDVI值為0.537，主要是由于該地區人口分布較聚集、經濟較發達、城鎮化水平較高，對植被的生長活動影響程度較強烈，故植被NDVI值較小。高程在200～500 m的面積比例為36.60%，其范圍內18年的年均NDVI為0.691，主要是福建省低海拔地區植被相對平原地區植被較多，導致NDVI均值增加較大。高程在500～800 m的面積比例為28.58%，該地區18年的年均NDVI均值為0.725。高程在800～1000 m的面積比例為9.65%，其范圍內18年的年均NDVI為0.731；高程>1000 m的面積比為5.69%，該地區是福建省18年里平均NDVI值最高區域，其值為0.749。從不同高程的NDVI的趨勢線可以看出，植被NDVI隨高程的增加而同步增加，500 m高程范圍內增加較為顯著，500 m以上的范圍植被NDVI變化較小。

圖5 福建省各高程等級的面積比例及年均NDVI值

由表4可知，福建省2000-2017年各高程等級的NDVI均呈現出增加的態勢，不同海拔高度內的NDVI變化呈現出不同的差異性。其中，高程小于200 m的地區，植被NDVI上升的趨勢最小，NDVI值呈波動上升的態勢，從2000年到2017年增幅為9.90%，主要是在低海拔地區，人類活動較大，對植被的干擾較強烈，影響植被的覆蓋，導致NDVI值相對較低，且上升趨勢較小。高程在200～800 m的地區，植被NDVI上升的趨勢最明顯，主要是由于植樹造林主要在該高程地區，人類的負面影響相對較小。在高程大于800 m的地區植被NDVI值呈現出高數值特點，但增加趨勢相對不明顯，主要原因是高海拔地區人類影響最小，多為天然森林植被，呈現出自然的生長變化。

6 結論

(1)2000-2017年福建省年均NDVI和各季節NDVI呈穩定增長趨勢，植被輕微改善面積與顯著改善的面積超過總面積的70.00%，表明福建省植被覆蓋變化的總體態勢良好。(2)2000-2017年福建省草地、耕地、林地3種土地類型NDVI值在年際變化上均呈現出改善的趨勢，僅耕地NDVI增加趨勢低于全省NDVI的增長趨勢。三種主要植被類型改善的面積均超過其面積的60.00%，其中，林地和草地改善面積超過各自土地類型面積的70.00%，增加趨勢明顯。說明福建省注重生態保護的措施是正確合理的，植樹造林、封山育林、退耕還林等政策的有效實施，使得植被覆蓋增長顯著。植被的變化在很大程度上受人類因素的影響。(3)2000-2017年福建省植被NDVI變異系數小于5%的比例為59.09%，5%～10%的比例為34.44%，在整體上植被變化穩定性高。各季節NDVI變異系數在10%的面積比例略低于年際NDVI的比例，表明福建省植被的生長變化變異性呈現出季節性特點。(4)對福建省不同高程等級的NDVI值呈現出海拔差異性特點，植被NDVI隨高程的增加而同步增加，增長趨勢隨海拔高度的上升呈現先增加后減少的態勢。

表4 福建省各高程等級NDVI均值、變化趨勢及穩定性統計情況