2010-2019年曲靖市植被NDVI變化特征分析

陳相標

（云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500）

在自然和人類活動的雙重驅動下，陸地生態系統受到了前所未有的擾動和威脅[1-2]。植被作為陸地生態系統的主體，既是氣候變化的承受者，也對氣候變化產生反饋作用，表征著生態環境的變化[3]，其研究備受廣泛關注。歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)是目前表征植被變化狀況的重要指標[4]，能夠在較大時空尺度上客觀反映研究區植被覆蓋的變化信息[5]。因此，利用NDVI研究植被的演變格局對生態系統服務功能及生態效應具有重要的參考意義[6]。植被NDVI作為生態指示因子的重要組成部分之一，亟待對市域尺度巖溶脆弱區的植被演變特征及演變趨勢進行研究。

1 研究區概況

曲靖市位于云貴高原中部，滇東高原向黔西高原過渡地帶的烏蒙山區（24.19 °-27.03 °N，103.03 °-104.50 °E），國土總面積2.89×104km2。地勢西北高東南低，地貌以高原山地為主，巖溶和石漠化突出，生態環境脆弱。主要的氣候類型為亞熱帶高原季風氣候，年平均氣溫14.3 ℃，年降水量1038mm，植被主要以常綠闊葉林和針葉林為主。曲靖是云南省的產糧大市，有“滇東糧倉”之稱，也是亞洲最大的煙草生產區，城鎮化率為48.45%。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源與處理

選用2010、2015和2019年3期MODIS13Q1作為遙感數據源，該數據是目前研究植被變化最為廣泛的植被指數之一[7]，來源于美國航空航天局的EOS/MODIS數據產品(http://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空間分辨率為250m，時間分辨率為16d。用MRT(MODIS REPROJECTION TOOLS)和AcrGIS10.2 將下載的遙感數據進行格式投影轉換、影像拼接、區域裁剪和質量檢驗等預處理；使用最大值合成法Maximum Value Composites，MVC）、均值法對MODIS NDVI數據進行計算，獲得精度較高的植被NDVI季均和年均時間序列數據集。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法

用最大值合成法(MVC)建立植被NDVI時間序列柵格數據集[8]，分別求出季均和年均的植被NDVI最大值，公式如下：

式中，k為季序號，取值范圍為1～4，NDVIk為第k季NDVI最大值。

式中，y是年序號，取值范圍為1～10，NDVIy為第y年植被NDVI的最大值，yNDVIj為第y年第j季植被NDVI最大值。

2.2.2 均值法

均值處理是反映數據集中趨勢的一項指標，能降低太陽高度角、極端氣候條件造成的植被指數異常值的干擾，提高植被指數精度[6]。

（1）年均NDVI：使用1～12月的NDVI平均值代表該年的年均NDVI值。計算公式如下：

（2）季均NDVI：每年12個月的數據，按氣象季節法，3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月～翌年2月為冬季進行年內季節劃分[9]，采用平均值法計算季均植被NDVI值。公式如下：

2.2.3 趨勢性分析法

一元線性回歸分析能夠模擬每個柵格像元的變化趨勢，該方法是以單個像元時間變化特征來反映整個空間變化規律，用以綜合反映區域植被覆蓋的時空格局演變特征[10]。計算公式為：

式中：Slope為像元NDVI回歸方程的變化斜率；n為研究時序；i代表年序號；NDVIi代表第i年NDVI值；當Slope>0時，表明植被NDVI呈增加趨勢；當Slope<0時，表明植被NDVI呈下降趨勢。

3 結果與分析

3.1 植被NDVI時間變化特征

3.1.1 季節變化特征

依據2008年中國水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》[11]和已有研究成果，將曲靖市植被NDVI值劃分為5個等級：NDVI＜0.1 為極低植被覆蓋度，0.1 ≤NDVI＜0.3 為低植被覆蓋度，0.3 ≤NDVI＜0.5 為中植被覆蓋度，0.5 ≤NDVI＜0.7 為中高植被覆蓋度，NDVI≥0.7 為高植被覆蓋度。研究表明，在整個研究時段，曲靖市植被NDVI具有明顯的季節性差異 表1），表現為：夏季＞秋季＞冬季＞春季。春、夏、秋、冬四個季節植被NDVI集中于中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度，所占研究區總面積的比例分別為58.81 %、98.58 %、95.03 %、68.01 %。在整個研究時段，夏季植被NDVI平均值可高達0.90，高于秋季、冬季、春季的植被NDVI值，這可能與曲靖市的氣候條件有關，亞熱帶高原季風氣候，夏季充足的降水和適宜的溫度條件是植被生長的營養劑，植被生長狀況良好。秋、春、冬三季植被NDVI的最大平均值分別為0.89 、0.86 、0.84 ，可以看出秋季植被NDVI的最大平均值要略高于春季和冬季。但由于曲靖是云南省的產糧大市,耕地面積面235.79 萬hm2截至2018年末），占該區總面積的81.59%，植被NDVI的變化受農作物耕作制度的影響較大，導致曲靖市冬季的NDVI值總體略大于春季。

表1 2010-2019年曲靖市植被DNVI季節變化

3.1.2 年均變化特征

2010-2019年曲靖市植被NDVI呈增加的趨勢，增速為0.02/10a(表2)，曲靖市中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度所占面積比例最大。2010年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占曲靖市總面的33.42 %、58.94 %；2015年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占該區總面的42.06 %、54.11 %；2019年，中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度分別占該區總面的40.50 %、54.31 %。在整個研究時段中，高植被覆蓋度呈現持續增加的趨勢，增加的面積為6037.57 km2；植被覆蓋面積有所減少的是極低植被覆蓋度、低植被覆蓋度、中植被覆蓋度、中高植被覆蓋度，減少的面積分別為2.15 km2、25.76 km2、680.97 km2、5328.72 km2。

表2 2010-2019年曲靖市植被NDVI年際變化

3.2 植被NDVI變化趨勢

為分析曲靖市植被NDVI的變化趨勢，計算了單個像元2010-2019年曲靖市植被NDVI的變化斜率Slope，并采用F檢驗對變化趨勢的顯著性進行檢驗，參照已有研究成果[12]將植被NDVI值劃分為5個等級（表3）。

表3 曲靖市植被NDVI變化斜率表

2010-2019年曲靖市植被年均NDVI變化趨勢（Slope）統計結果表明：曲靖市植被生長狀況呈變差趨勢（Slope<0）的面積為4592.09 km2，占該市總面積的15.89 %；全市植被生長狀況趨于改善Slope>0）的面積為9632.82 km2，占該區總面積的33.32 %。植被NDVI增加的面積遠大于減少的面積，表明曲靖市植被NDVI變化趨勢整體以增加為主。

在整個研究時段，曲靖市植被年均NDVI變化不顯著的面積為24143.99 km2，占總面積的83.22 %；顯著增加的面積為4614.06 km2，占總面積的15.96 %；極顯著增加變化面積為83.48 km2，占總面積的0.29 %，呈散狀零星分布；顯著減少和極顯著減少變化的面積分別為146.67 km2、5.22 km2，分別占總面積的0.51 %、0.20 %。

從2010-2019年曲靖市春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI變化趨勢可以看出 表4），春、夏、秋、冬四季植被NDVI顯著性變化趨勢都以變化不顯著為主，所占面積分別為25592.89 km2、21056.32 km2、16913.53 km2、28372.75 km2，分別占曲靖市總面積的88.54 %、72.84 %、58.51 %、98.16 %。除夏季，春季、秋季和冬季的植被NDVI增加的面積大于減少的面積。四個季節中，春季植被NDVI顯著增加的面積為1894.31 km2；顯著減少的面積為1406.47 km2；夏季植被NDVI減少的面積7555.47 km2）遠大于增加的面積294.28 km2），減少的區域主要分布在耕地較為集中的地區，這可能以水稻、油菜、小麥等農作物的收割有關，受農作物的耕作制度影響較大；秋季植被覆蓋主要是以變化不顯著為主，所占面積高達28372.75 km2，占曲靖市總面積的98.16 %；植被NDVI在冬季顯著增加較為明顯，顯著增加的面積為11734.26 km2，占曲靖市總面積的40.59 %，明顯減少的面積為242.55 km2。

表4 2010-2019年曲靖市植被NDVI顯著性變化

4 結論

4.1 從時間變化來看，2010-2019年曲靖市植被NDVI具有明顯的季節差異性，具體表現為：夏季＞秋季＞冬季＞春季；近10a來，植被覆蓋總體呈現出明顯的上升趨勢，增速為0.02/10a，年內植被NDVI的變化與農作物耕作制度的變化具有高度一致性。

4.2 曲靖市植被覆蓋整體趨于改善，趨于改善的面積分別占曲靖市總面積的33.32%。

植被NDVI顯著增加的區域主要分布在農業活動耕作較為頻繁的耕地區，顯著減少和極顯著的區域主要分布在區受人類活動影響較大的城鎮區。

4.3 近10a來，春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI的變化趨勢均以變化不顯著為主。四季中，植被NDVI極顯著減少和顯著減少在各縣區的主城區均有明顯分布。