甘肅省植被覆蓋時空變化趨勢研究

毛轉(zhuǎn)梅，陳勁松，彭爾瑞*，劉 青

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

植被是指地球表面各種植物群落的總稱，是全球生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的部分，維持著全球能量平衡、生物化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)3個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。植被覆蓋度[1]可以反映某一地區(qū)植被生長的好壞，是全球變化與陸表生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點[2]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是被用來研究植被的覆蓋與生長狀況的一種遙感因子[3]，其與植被覆蓋度呈正相關(guān)關(guān)系。

近年來，學(xué)者們采用了M-K檢驗、方差評價[4]、偏相關(guān)、復(fù)相關(guān)分析、趨勢分析、殘差分析及驅(qū)動分區(qū)法[5]和像元二分模型[6]等方法對SPOT VEGETATION數(shù)據(jù)[7]、MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)[8]和Landsat數(shù)據(jù)[9]進(jìn)行了人類活動對植被的影響[10]、植被指數(shù)(NDVI)和氣候因素(CFs)在多個時間尺度和時空模式的相關(guān)性[11]、植被覆蓋度與地形因子的關(guān)系[12]、植被覆蓋度的驅(qū)動因子[13]、降水、氣溫等環(huán)境因子與植被覆蓋度之間的關(guān)系[14]等方面的研究。筆者在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)者對植被覆蓋的研究時間段集中在2015年前后，并且對甘肅省整體長時序植被覆蓋時空變化的研究較少。因此論文采用時相較新的NDVI數(shù)據(jù)對1999～2018年甘肅省近20年的植被覆蓋進(jìn)行研究，在一定程度上掌握該地區(qū)植被的變化趨勢，以期對甘肅省改善土地沙化和生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于我國西部地區(qū)，地處黃河中上游，地域遼闊，位于北緯32°11′～42°57′、東經(jīng)92°13′～108°46′之間，大部分在中國地勢二級階梯上，國土面積45.37萬km2，占中國總面積的4.72%。甘肅省地處內(nèi)陸，不易受海洋暖濕氣流影響，干燥少雨，形成溫帶大陸性氣候。省內(nèi)年平均氣溫在0～16 ℃之間，各地年降水量在36.6～734.9 mm，大致從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西地區(qū)的降水明顯減少，隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

中國月度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成的1998年以來的月度(1～12月)植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(中國月度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集，中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)，http://www.resdc.cn/DOI),2018.DOI:10.12078/2018060602)。該數(shù)據(jù)集有效反映了全國各地區(qū)在空間和時間尺度上的植被覆蓋分布和變化狀況。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于1998年的數(shù)據(jù)不完整，所以本論文利用ArcGIS軟件將全國1999～2018年每月的NDVI遙感圖像進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換；疊加甘肅省行政區(qū)劃圖，劃分出甘肅省境內(nèi)行政區(qū)邊界；進(jìn)行掩膜裁剪提取出研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)集，通過空間分析統(tǒng)計出甘肅省月NDVI值。

2.3 研究方法

2.3.1 方差評價 方差可以反映NDVI數(shù)據(jù)集的離散程度，方差越大表明該時間段像元的NDVI值距離NDVI平均值越遠(yuǎn)，即研究時段內(nèi)植被覆蓋波動較大，基于該原理用方差來描述植被覆蓋波動性。

2.3.2 NDVI變化穩(wěn)定性分析 變異系數(shù)(Coefficient of Variation,CV)是離散程度歸一化量度，可以消除多種植被指數(shù)和平均數(shù)不同對評價離散程度比較的影響，可以用變異系數(shù)來表達(dá)NDVI變化的穩(wěn)定性。利用公式(1)和公式(2)分別計算了1999～2018年植被指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)[15]。

(1)

(2)

其中，CV為變異系數(shù)，S為標(biāo)準(zhǔn)差，x為多年植被指數(shù)平均值，n為總年數(shù)。變異系數(shù)值越大，植被覆蓋波動性越大，敏感程度越高。

2.3.3 回歸分析法 將1999～2018年20年數(shù)據(jù)分為4個時期，采用最小二乘法擬合得到對應(yīng)線性方程(y=kxi+b+i),通過K值來反映植被覆蓋趨勢，其表達(dá)式為：

(3)

其中：y為植被指數(shù)時序數(shù)據(jù)，x為時間序列，K>0表示植被活動增高，K<0表示植被活動降低。

2.3.4 植被覆蓋度水平計算 像元二分模型[16]是一種基于線性像元分解模型的植被覆蓋度計算方法，它由于計算簡單并且對影像輻射校正影響較弱而被廣泛應(yīng)用。利用像元二分模型對植被覆蓋度進(jìn)行估算，計算公式如下：

(4)

其中，NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。區(qū)域內(nèi)可以近似取VFCmax=100%，VFCmin=0。公式(4)可變?yōu)椋?/p>

(5)

基于理論研究，純土壤部分的值應(yīng)接近于0，純植被覆蓋部分的值應(yīng)接近于1。但在實際情況中因為受到大氣中各種因素的影響，純土壤值往往在-0.1～0.2之間來回波動[17]。目前已經(jīng)存在的研究對NDVIv和NDVIs的取值方法也不盡相同[18]，在計算植被覆蓋度的過程中，取累積百分比0.5%作為純土壤像元值，99.5%為純植被像元值[19]，也有部分研究根據(jù)實地情況取圖像中的最大值為純植被像元值NDVIv，取圖像最小值為純土壤像元值NDVIv。通過ENVI軟件對植被覆蓋度VFC計算后，發(fā)現(xiàn)累計概率的最小值大于5%，所以根據(jù)遙感影像的實際計算情況，本次研究中選取以圖像的最大和最小值為純植被像元值和純土壤像元值。

2.3.5 坡度與坡向地形因子 坡度和坡向是基于DEM數(shù)據(jù)提取的最基本地形因子，它們相互關(guān)聯(lián)。坡度反映的是斜坡的傾斜程度，坡向反映的是斜坡面對的方向。由于植被覆蓋度與水土流失的強(qiáng)度呈反比，在高坡度地區(qū)，植被的覆蓋度低，水土流失發(fā)生的幾率大，因此可以通過分析植被覆蓋度和坡度來研究某地區(qū)的水土保持情況。

2.3.6 土地利用類型 土地利用類型主要分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地五大類型。有學(xué)者研究認(rèn)為歸一化植被指數(shù)NDVI與土地利用之間存在著較高的相關(guān)關(guān)系[20]，基于此，本文利用2018年NDVI空間分布圖和2018年土地利用類型圖來分析居民的土地利用方式對植被的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時間變化序列分析

將1999～2018年分為1999～2003、2004～2008、2009～2013、2014～2018年4個時間段，通過ArcGIS對4個時期的NDVI圖像進(jìn)行歸一化植被指數(shù)再合成。通過計算回歸方程、R2、回歸方程系數(shù)K、方差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來分析4個時間段的植被指數(shù)的變化趨勢，其計算結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明：2014～2018年方差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)值最大，植被覆蓋的波動性最大。回歸方程系數(shù)K>0表明甘肅省整體植被活動增高，植被覆蓋度月變化為增加趨勢。

表1 不同時期評價指標(biāo)

由圖1可知，2014～2018年這個階段較4個時間段的植被指數(shù)而言起伏程度更大，整體波動情況更好地反映植被覆蓋度的季節(jié)性變化，存在明顯的波峰和波谷，且5～7月出現(xiàn)了較大的升高，體現(xiàn)出植被生長旺盛的特點。同時，甘肅省冬季變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)，春夏季整體為增加趨勢，秋季為下降趨勢，一年中植被覆蓋先增后減，符合植被一年內(nèi)的生長規(guī)律。受光照、降水和氣溫等外界自然條件的綜合影響，植被在3月開始萌發(fā)，因降水少、溫度低植被生長受到抑制，植被覆蓋增加緩慢；5～7月降水增加、溫度升高，植被生長條件適宜，植被覆蓋度趨勢明顯增加；8～11月逐漸進(jìn)入秋季植被停止生長，進(jìn)入成熟期；12月降水減少，溫度降低，植被覆蓋度下降。

3.2 植被覆蓋度的空間分布

甘肅有12個地級市、2個自治州、86個縣(市、區(qū))，從區(qū)域分布上來看，甘肅中部地區(qū)包括武威市、白銀市、定西市、蘭州市；甘肅西部地區(qū)包括嘉峪關(guān)市、酒泉市、張掖市、金昌市；甘肅東部地區(qū)包括慶陽市、天水市、平?jīng)鍪校桓拭C南部地區(qū)為隴南、臨夏和甘南。甘肅省地形復(fù)雜、地貌繁多，地形以山地、高原為主，平川、沙漠和戈壁等地貌交錯分布，屬于典型的山地型高原地貌，海拔大多在1000 m以上，四周為群山峻嶺所環(huán)抱。由于其地理環(huán)境的多樣性造成的作物區(qū)域化生長，使得空間分布有一定的規(guī)律性。

圖1 4個時期的植被指數(shù)隨月份的變化

根據(jù)1999～2018年甘肅省年平均植被覆蓋度繪制出植被覆蓋度空間分布圖(圖2)。由圖2可知，甘肅省的NDVI空間分布為東高西低、南高北低的分布趨勢。東部和南部地區(qū)是植被指數(shù)最大的主要區(qū)域，中部狹長地帶的植被指數(shù)在持續(xù)變大，且該地區(qū)的植被覆蓋面積在不斷增加，西部的植被指數(shù)一直比較低，從地域的自然特性可知產(chǎn)生空間差異的原因可能是西部部分地區(qū)為河西走廊的主要地帶，地處沙漠和戈壁并且西部主要發(fā)展工業(yè)導(dǎo)致20年間的植被指數(shù)低；中部地區(qū)屬于地少人多且經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)并且以糧食作物為主，對糧食作物的需求越來越大可能是導(dǎo)致20年間植被指數(shù)增長的原因；東部和南部地區(qū)的植被指數(shù)持續(xù)性高主要是由于慶陽有著名的旱作農(nóng)業(yè)，臨夏州是一個傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)，隴南是甘肅省唯一屬于長江水系并擁有亞熱帶氣候的地區(qū)，所以對該地區(qū)的特色農(nóng)產(chǎn)品發(fā)展具有特別好的優(yōu)勢，如武都花椒、成縣核桃、宕昌中藥材、文縣茶葉、康縣木耳、武都油橄欖等農(nóng)業(yè)類型繁多。

圖2 植被覆蓋度空間分布圖

3.3 植被覆蓋度與地形因子的疊加分析

3.3.1 不同坡度下植被覆蓋分布 甘肅省的坡度范圍為0～89.999°，為了圖像分布明顯，將坡度圖按照手動分類分為9個等級(表2)。

表2 不同坡度下植被覆蓋度分布

坡度在很大程度上能表示植被的分布態(tài)勢。通過對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究區(qū)植被隨著坡度增大呈先增后減的趨勢。植被覆蓋度最大值是74.726%，最小值是2.386%。在坡度0～10°范圍內(nèi)，植被覆蓋度最高，是植被集中覆蓋的范圍，在坡度比較高的地方也有一定的植被面積，并且比較穩(wěn)定，植被分布隨著坡度的變化不太大。具體來說，隨著坡度的增加，植被覆蓋度為先增加后減少的變化趨勢，當(dāng)坡度<10°時，植被覆蓋度增加，低坡度區(qū)為人類活動頻繁區(qū)域，受人類的影響特別多，所以隨著坡度的增加植被覆蓋度為顯著的上升趨勢。當(dāng)坡度>10°時，隨著坡度的增大植被覆蓋度逐漸增大，由于整體植被覆蓋度占比小，所以在高坡度趨于發(fā)生水土流失的概率較大。

3.3.2 不同坡向下植被覆蓋分布 不同坡度所接受的太陽輻射和土壤水分的不同，進(jìn)而影響植被的生長狀態(tài)。用ArcGIS軟件對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡向操作后得到平面、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北、北10個坡向，然后將北坡和東北坡合并名為陰坡，把西北坡和東坡合并名為半陰坡，把南坡和西南坡合并名為陽坡，把東南坡和西坡合并名為半陽坡。以ArcGIS軟件中的坡向為源數(shù)據(jù)，按照陰陽坡的分類方法進(jìn)行重分類操作得到陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡和平面5個坡向數(shù)據(jù)(表3)。

表3 不同坡向下植被覆蓋度分布

坡向能夠影響到最大的生物就是植物，向光坡(陽坡或南坡)和背光坡(陰坡或北坡)之間溫度或植被的差異常常是很大的。南坡或西南坡最暖和，北坡或東北坡最寒冷，同一高度的極端溫差竟達(dá)3～4 ℃。在南坡森林上界比北坡高100～200 m。永久雪線的下限因地而異，在南坡可抬高150～500 m左右。東坡與西坡的溫度差異在南坡與北坡之間。由于光照、溫度、雨量、風(fēng)速、土壤質(zhì)地等因子的綜合作用，坡向能夠?qū)χ参锇l(fā)生影響，從而引起植物和環(huán)境的生態(tài)關(guān)系發(fā)生變化。

通過對植被覆蓋度和坡向的計算，得出5個不同坡向下植被覆蓋度的分布數(shù)據(jù)。比較分析5個坡向下植被覆蓋度的數(shù)據(jù)可知甘肅省的植被覆蓋度在平面處的占比最大，在其他坡向走勢相對平穩(wěn)，各個坡向的植被覆蓋度大小依次為平面>北>南>東北>西南>西北>東南>東>西。總體來看，平面區(qū)域的植被覆蓋度顯著與人類活動的影響較大有關(guān)(表4)。

表4 5個坡向下的植被覆蓋度分布

3.4 植被覆蓋度與土地利用類型的分析

通過ArcGIS軟件對2018年NDVI影像圖和土地利用類型影像進(jìn)行影像預(yù)處理，按照土地利用類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)將2018年土地利用類型影像進(jìn)行耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地與未利用土地5個類型劃分。2018年NDVI空間分布圖和2018年土地利用類型劃分如圖3、圖4所示。NDVI的高植被覆蓋區(qū)主要為林地和耕地，分布在隴南、天水甘肅南部區(qū)域；NDVI較高植被覆蓋區(qū)和中等植被覆蓋區(qū)主要土地利用類型為水域和草地，分布在甘肅省寧夏、蘭州區(qū)域這部分區(qū)域主要以；NDVI中低植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)主要土地利用類型是城鎮(zhèn)工礦居民用地和未利用土地，分布在甘肅省酒泉、嘉峪關(guān)、金昌區(qū)域，這3個區(qū)域為河西走廊的部分線路，以丹霞地貌為主要特色。通過分析，可以看出當(dāng)?shù)厝丝趯ν恋乩玫念愋蜁谝欢ǔ潭壬嫌绊懼脖桓采w，進(jìn)一步影響到生態(tài)環(huán)境。

圖3 2018年甘肅省NDVI空間分布

圖4 2018年甘肅省土地利用類型空間分布

4 結(jié)論

(1)時間尺度上1999～2018甘肅省植被覆蓋度呈波動增長趨勢，其中1999～2003、2004～2008、2009～2013、2014～2018年4個時間段的回歸系數(shù)K>0，月方差、月標(biāo)準(zhǔn)差、月變異系數(shù)在逐漸變大，表明植被覆蓋度的月變化呈增長趨勢，對月變化曲線的分析可知甘肅省植被20年的月變化特征與植物的季節(jié)變化基本一致。

(2)空間尺度上甘肅省植被空間分布上總體呈現(xiàn)東高西低，南高北低的分布趨勢，并且由于每個地域的自然條件和人為因素存在著明顯的地域性差異。高坡度地區(qū)且植被覆蓋度低的區(qū)域易發(fā)生水土流失現(xiàn)象，人類的活動影響著植被覆蓋狀況，如在適宜人口居住的平面區(qū)域和人們對土地的利用方式等多個方面。

(3)甘肅省植被整體為增長趨勢，且其空間分布的地域性差異明顯，對甘肅省的各區(qū)域進(jìn)行適宜的植被種植、減少人類活動對土地造成的壓力和更加適宜的土地利用類型對改善甘肅荒漠化現(xiàn)象具有重要作用。