基于MODIS NDVI的西南森林植被時空變化特征及其氣候響應分析

曹云，錢永蘭，孫應龍，錢拴，張曄萍，延昊*

1. 國家氣象中心，北京 100081；2. 國家衛星氣象中心，北京 100081

陸地生態系統與氣候變化的關系，是全球變化研究的重要內容之一，其中植被作為陸地生態系統主要組分，與氣候變化的關系一直是研究熱點之一（李曉兵等，2000；Parmesan et al.，2003）。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是表征植被覆蓋和生長狀況的重要指標，被廣泛用于氣候背景下植被生態狀況的演變研究以及生態系統質量評價中（Sun et al.，2013；梁變變等，2017；張珍珍等，2018；何云玲等，2018)。作為監測區域植被和生態環境變化的有效指標（Wardlow et al.，2008），植被NDVI在不同時空尺度下演變特征，以及不同生態系統類型對氣候變化響應機制的研究成果較多（Pettorelli et al.，2005；樸世龍等，2001；曹永強等，2018）。中國在2000—2010年期間有64%—66%區域DNVI呈增加趨勢，植被綠度在不斷增加（劉爽等，2012），特別是2000年以來中國植被面積僅占據全球的6.6%，卻貢獻了全球25%的植被葉面積的增加量，其中森林就貢獻了42%（Chen et al.，2019），因而開展森林時空演變規律及其對氣候變化的響應研究對區域生態保護與恢復具有重要意義。

作為亞洲主要河流的發源地，西南地區生物多樣，地形復雜，喀斯特地貌分布廣泛，區域氣候變化敏感（周金霖等，2017；黃秋昊等，2007；王維等，2010），勢必對西南自然生態系統的結構和功能產生影響，制約區域生態服務功能的發揮（王維等，2010；Chakraborty et al.，2013；何敏等，2019）。目前，西南地區植被覆蓋狀況、生產力及其與氣候因子的關系已有研究（張永恒等，2009；周金霖等，2017；呂妍等，2018）。然而西南地區作為中國第二大天然林區，在以往的研究中，相對缺乏對森林演變規律及其對氣候變化響應的細致分析研究。因此，本研究基于2000—2017年MODIS NDVI數據和氣象資料，綜合利用遙感與地理信息系統技術，結合多種統計方法，定量分析 2000年以來西南不同類型森林植被變化的趨勢特征、波動特征及其對氣候變化的響應，以期為西南林區應對氣候變化影響、區域生態環境建設與保護措施的制定，提供科學參考依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

氣象數據來自國家氣象中心，選取西南四省內有完整記錄的390個氣象站點（圖1），基于2000—2017年逐日氣溫、降水量、日照時數等整編氣象資料，利用 IDW 插值方法獲得區域年氣候要素時間序列。本研究使用的MODIS NDVI數據，為NASA提供的 MOD13A3級植被指數產品（下載網址https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），時間范圍為2000—2017年逐月，空間分辨率1 km，后期由國家氣象衛星中心進行拼接轉投影處理。年 NDVI為1—12月NDVI的均值，可代表當年植被的平均生長狀況（李曉兵等，2002）。植被覆蓋數據來源于MODIS土地覆蓋產品（MCD12Q1），選用IGBP全球植被分類方案，選取常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林等森林類型進行研究。

圖1 西南地區氣象監測站點分布示意圖Fig. 1 Spatial distribution of meteorological observation stations in Southwest China

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢分析

對于 NDVI在時間尺度的變化趨勢和強度，一般采用一元線性回歸分析方法，利用一元線性回歸方程的斜率（θslope）來反映每個柵格像元NDVI的變化趨勢特征（何月等，2012；羅敏等，2017）。方程斜率采用最小二乘法來估算，其值的大小反映增加或減少的速率。其計算公式（羅敏等，2017）如下：

式中：n是研究時間序列的長度，本研究n=18（2000—2017年總共18年）；i代表第i年；NDVIi表示第i年的NDVI值；θslope代表NDVI隨時間變化的變化速率。

θslope>0，表示區域植被狀況改善，且數值越大說明改善效果越明顯；反之，則表明區域植被狀況變差。NDVI變化趨勢的顯著性采用F檢驗，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關（李璠等 2017）。根據顯著性的檢驗結果將NDVI的變化趨勢分為如下5個類型：極顯著減少（θslope<0，P<0.01）；顯著減少（θslope<0，0.010，0.010，P<0.01）。

1.2.2 波動分析

采用變異系數（Coefficient of variation，CV）來反映2000—2017年間森林NDVI的相對波動程度（祝聰等，2019)，并采用幾何間隔法將穩定性分為高穩定、較高穩定、中穩定、較低穩定、低穩定5個等級（Cao et al.，2014）。CV計算公式為：

式中：CV為變異系數；n是研究時間序列的長度；i代表第i年；NDVIi表示第i年的NDVI值；為NDVI的n年平均值。

1.2.3 相關分析

采用皮爾遜（Pearson）相關分析方法，來研究光溫水因子與NDVI之間的關系，采用t檢驗法來檢驗相關系數的顯著性，并根據檢驗結果，分為極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）、不顯著（P≥0.05）。相關系數計算公式為（何云玲等，2018）：

式中：rxy為相關系數，n為年份，i為n年中的某一年，x為自變量（氣溫、降水或日照），y為因變量（NDVI）。

2 結果與分析

2.1 NDVI空間分布特征

2000—2017年西南林區 NDVI分布存在明顯空間異質性（圖2），年均NDVI多分布在0.3—0.8之間，區域NDVI平均為0.65，大部林區NDVI集中在 0.6—0.7之間，占林區總面積的 44.1%。NDVI≥0.7的林區主要分布在云南西部和南部地區，植被類型多為常綠闊葉樹，占林區總面積的24.1%；NDIV<0.5的林區分布面積較少，僅占總面積的8.2%，主要集中在四川西部和云南北部部分林區，植被類型多為混交林和灌叢。

從NDVI變化趨勢的空間分布特征來看（圖3），2000—2017年西南大部林區NDVI呈增加趨勢，占總林區面積的86.7%，其中以趨勢率在0—0.03/(10 a)變化范圍內的林區為主，達到林區總面積的46.6%；增加趨勢>0.05/(10 a)的林區所占面積比例為13.6%，主要分布在云南南部和東北部部分林區。大部分林區NDVI增加趨勢均達到顯著水平，占林區總面積的63.4%；達到極顯著水平的面積也占林區總面積的52.0%，主要分布在西南東北部以及云南西南部林區。西南林區NDVI呈減少趨勢的面積較少，僅占總林區面積 13.3%，減少趨勢多為 0—0.03/(10 a)（占林區總面積的 11.3%），主要分散于四川西部等地，其中僅有18.8%林區NDVI減少趨勢達到顯著水平。

圖2 2000—2017年西南地區森林植被年均NDVI的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of annual NDVI from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

2.2 NDVI動態變化特征

圖3 2000—2017年西南地區森林植被年均NDVI變化趨勢和顯著性檢驗Fig. 3 Spatial distribution of annual NDVI of linear trend and significance test from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

圖4 2000—2017年西南林區逐年NDVI及其不同等級面積比例變化Fig. 4 The Change of annual averaged NDVI and proportion of area of different NDVI grade from 2000 to 2017 in forest of Southwest China

近18年西南林區NDVI處于波動上升趨勢，平均每10年增加0.035，且增加趨勢達了極顯著水平（P<0.01）。其中2000年西南林區NDVI最低，平均為0.59；2017年達到最高（0.67），較2000年增加14.0%。從面積比例逐年變化來看（圖4），DNVI在0.6—0.7間的林區面積比例每年均最高，變化范圍為36.5%—43.9%，總體呈增加趨勢。對于NDVI偏小的林區，NDVI<0.5和0.5—0.6區間的林區面積比例呈顯著減少，平均每年分別減少0.4和1.0個百分點，到2017年僅占林區總面積的5.9%、13.5%。對于NDVI偏大的林區，NDVI>0.8和0.7—0.8區間的林區面積比例均呈顯著增加趨勢，平均每年分別增加 0.3和 1.1個百分點，到 2017年分別達到6.9%、36.5%，表明近18年西南森林總體呈現好轉趨勢。

從不同省區NDVI逐年變化來看（圖5），四省林區NDVI均呈明顯增加的趨勢，重慶和貴州森林NDVI增加速率最為明顯，平均每 10年分別增加0.06、0.05。在西南四省中，云南林區平均NDVI最高，為0.68；四川林區NDVI最低，平均為0.60。云南林區 NDVI年際間波動較小，變異系數僅為0.03；重慶林區年均NDVI為0.63，年際間變化較大，變異系數達到0.05。在不同森林類型間，常綠闊葉林NDVI明顯高于其他森林類型，年均NDVI達到了0.72，落葉針葉林NDVI最低為0.56；混交林年均NDVI為0.63，波動幅度最高，變異系數達到0.04。2000年以來，不同森林類型NDVI均呈顯著增加趨勢，混交林和灌叢變化最為明顯，平均每10年 NDVI增加 0.04，其他森林類型增速大致為0.02—0.03。

2.3 NDVI穩定性特征

圖5 2000—2017年西南四省和不同森林類型年均NDVI變化Fig. 5 The change of annual average NDVI of different provinces and forest types in Southwest China from 2000 to 2017

圖6 西南地區森林NDVI穩定性空間分布Fig. 6 Spatial distribution of forest volatility of DNVI in Southwest China

表1 西南地區森林NDVI穩定性面積變化Table 1 Classification of NDVI stability level and corresponding proportions of area in forest of Southwest China

西南林區NDVI時空穩定性分析見圖6和表1。在西南林區，中穩定等級的分布面積最大，占總林區面積45.04%；高穩定等級的面積也相對較多，達到33.76%，主要集中分布于四川西部和云南西北部等地，表明2000年以來西南大部林區NDVI波動相對較小，森林植被生長穩定。較低穩定和低穩定等級面積僅占總林區面積的7.45%，集中分布在四川盆地與川西高原邊界地區，可能更多受到人為因素的影響，林區NDVI波動較大，穩定性偏差。對于不同森林類型，變異系數大小排序為，落葉針葉林<常綠針葉林<常綠闊葉林<落葉闊葉林<混交林<灌叢，其中落葉針葉林變異系數最小，為0.023；灌叢波動最大，變異系數較前者增加了65.3%，表明針葉林植被穩定性好，抗干擾能力強，而灌叢易受氣候變化以及人為活動影響，生態系統穩定性最差。在西南四省中（表1），中穩定等級的林區面積在云南、貴州和重慶分布最廣，其中貴州達到72%；而四川高穩定等級林區面積最多，達到47.3%，表明四川林區波動最小，最為穩定。

2.4 NDVI對氣候因子的響應

2000年以來，西南大部分林區氣溫呈增加趨勢，云南西北部變化最為明顯，每10年增加0.5—1.0，；西南大部分林區降水、日照呈減少趨勢，分別占林區面積的64.2%和53.6%（圖7）。逐像元分別計算西南林區2000—2017年期間NDVI與年均氣溫、年降水量和日照時數的相關系數，結果顯示空間分布差異較為明顯（圖8）。西南大部分林區NDVI與氣溫存在正相關性，占總林區面積的80.1%，相關系數集中分布在0—0.5之間，達到總林區面積的57.0%；與氣溫達到顯著相關的區域占總林區面積30.3%，主要分布在貴州東部、云南西部等地。西南大部分林區NDVI與降水和日照時數的相關系數集中分布在?0.3—0.3，分別達到總林區面積的69.7%、71.2%。NDVI與降水呈正相關分布面積較高，占總林區面積的59.1%；與日照時數主要呈負相關性，占總林區面積的64.6%。從顯著水平來看，NDVI與降水、日照達到顯著相關的林區分布較少，分別占總林區面積8.7%、9.4%，表明降水和日照對西南林區 NDVI變化的影響偏小，氣溫是影響西南林區NDVI變化的主要氣象因子。

3 討論

3.1 NDVI變化趨勢一致性

在不同空間尺度下，大多地區植被NDVI整體呈現增加趨勢（劉爽等，2012；Chen et al.，2019）。在全球，有56.3%的陸地區域植被NDVI呈增加趨勢，且具有顯著季節變化趨勢（Eastman et al.，2013）。在中國，NDVI呈增加趨勢的面積大約占53.8%，達到顯著水平的面積占29.3%（劉憲鋒等，2015）；西南地區 NDVI呈增加趨勢的面積占比達到60.2%（肖建勇等，2018），其中云南NDVI呈增加趨勢的面積占比達到79.8%（何云玲等，2018）。本研究對西南林區NDVI研究結果與上述研究基本一致，林區NDVI呈增加趨勢的面積占林區總面積的86.7%，其中達到顯著水平的林區面積為73.1%，明顯高于整個西南地區和中國整體水平，表明西南林區植被改善在中國較為突出。

西南地區NDVI增加速率大約平均每10年為0.015—0.028（Hou et al.，2015；肖建勇等，2018），其中草甸NDVI趨勢率平均每10年為0.013，高山植被為0.026，灌叢為0.002（張遠東等，2011）。本研究對西南林區NDVI趨勢分析顯示，增加趨勢率為0.035/(10 a)，高于西南區域整體變化以及草地、灌叢等植被類型變化，說明西南森林改善趨勢要好于其他植被類型。

3.2 NDVI變化多因素影響分析

植被NDVI對氣溫和降水等氣象條件的響應存在一定差異性，受到研究區域地形、研究時段、植被類型等多方面因素影響（杜加強等，2016；馬士彬等，2019；盧喬倩等，2020）。在全球，降水為全球植被變化的主導因子，重要性達到63.1%，氣溫次之，重要性也達到15%（Yang et al.，2019）。在中國，氣候變化與人類活動共同驅動了中國植被覆蓋度的增加（劉憲鋒等，2015）。中國 NDVI與氣溫、降水等氣候條件相關系數，從北到南逐漸降低、從東南到西北逐漸增加（李曉兵等，2000）。在西北內陸、相對干旱地區，植被NDVI與降水因子通常呈正相關性，且影響要高于氣溫，說明水分在一定程度上是決定干旱地區植被變化的主要因素（Pettorelli et al.，2005；Song et al.，2011；羅敏等，2017）。而杜加強等（2015）研究發現新疆植被生長受水熱條件、人類活動共同控制，春、秋季的氣溫發揮主導作用，夏季主要受到降水量的影響。在西南地區，氣候相對濕潤，生態環境脆弱，森林生長對氣溫的變化敏感，對植被變化起主導作用（李曉兵等，2000；張遠東等，2011）。氣溫對植被影響要大于降水，成為西南喀斯特地區植被變化的主要自然因素（Hou et al.，2015；張勃等，2015；周金霖等，2017）。本研究也顯示，西南林區NDVI與氣溫達到顯著相關的面積要遠遠高于與降水、日照的面積，氣溫是影響林區植被的重要氣象因素。此外，2000年以來中國一系列生態恢復項目的實施，人類活動影響的逐步增強，也是植被覆蓋變化的重要因素（劉憲鋒等，2015；Tong et al.，2016）。本研究未能對地形地貌、人為因素等影響因子開展深入分析，今后需加強多因素驅動的植被生長定量分析，明確各因素影響關系與程度，進一步深入的研究和探討植被生態變化的驅動機制。

4 結論

基于MODIS NDVI遙感數據，通過趨勢分析、波動分析等統計方法，定量分析 2000年以來西南林區植被NDVI時空變化規律及其氣候響應特征，主要結論如下：

（1）在空間分布上，近18年西南林區NDVI平均為0.65，多集中于0.6—0.7之間，占林區總面積44.1%，其中NDVI≥0.7林區主要分布在云南西部和南部，多為常綠闊葉林，占林區總面積的24.1%。

（2）在時空變化上，近18年西南林區NDVI呈顯著上升趨勢，平均每10年增加0.035，總體呈現好轉趨勢；其中重慶森林NDVI增加速率最高，達到0.06/(10 a)，云南林區NDVI年際波動較小，森林較為穩定。在不同森林類型中，西南常綠闊葉林NDVI明顯高于其他森林類型，但混交林和灌叢增加趨勢最為明顯，為0.04/(10 a)。

（3）在趨勢分析中，2000年以來有86.7%的林區NDVI呈增加趨勢，其中達到顯著水平的林區面積比例為73.1%；NDVI<0.6的林區面積呈顯著減少趨勢，NDVI≥0.7林區面積呈顯著增加趨勢，表明西南低覆蓋林區向高覆蓋林區轉變，林區植被狀況明顯改善。

（4）在波動分析中，中穩定和高穩定等級的林區分布面積最大，占總林區面積78.8%，主要集中分布于四川西部和云南西北部等地，表明 2000年以來西南大部林區NDVI波動相對較小，森林植被生長穩定，其中四川林區高穩定等級林區面積占比最高，達到47.3%，波動最小。

（5）西南大部分林區NDVI與氣溫、降水呈正相關性，與日照呈負相關性，其中與氣溫達到顯著相關的區域占總林區面積30.3%，主要分布在貴州東部、云南西部等地；與降水、日照達到顯著相關的林區面積較少，分別占總林區面積8.7%、9.4%，表明氣溫影響要高于降水和日照，是西南林區植被變化的重要氣象因素。