滇西南植被覆蓋度動態(tài)變化特征及其驅動力分析

陳 成, 楊棟淏, 王建雄, 李亞強, 辛京達

(云南農業(yè)大學 水利學院 云南省高校農業(yè)遙感與精準農業(yè)工程研究中心, 昆明 650210)

植被在整個地球生態(tài)系統(tǒng)當中占據著一個重要的位置，植被的好壞直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的平衡[1]，在氣候、水文以及地球內生物循環(huán)中發(fā)揮著極為重要的作用[2-3]。植被在生態(tài)因子中是不可或缺的一個重要組成部分[4]，它對于全球的植被生長環(huán)境和氣候變化有著重要的指示作用[5]。由于近年來全球氣候變化不定以及人類活動對植被生長的干擾，植被在人類生存環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和氣候環(huán)境之間的平衡關系中受到了不同程度的影響[6-7]。而植被是我們人類賴以生存環(huán)境必不可缺的要素，為了量化人類活動和氣候變化對植被的生長狀態(tài)產生了何種影響[8]，引發(fā)了眾多國內外學者的研究[9-10]。

在多種植被指數當中，植被歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)為研究植被變化應用最廣泛的一種植被指數[11-12]，由于NDVI對植被的生長狀態(tài)較為敏感，可以通過指數直接反映植被生長的狀況如何[13]。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，是衡量地表植被狀況、評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要指標[14-15]。基于NDVI數據，通過回歸模型法[16]、決策樹分類法[17]、人工神經網絡法[18]、像元二分模型等[19]方法用來估算植被覆蓋度。由于歸一化植被指數存在著低植被覆蓋不容易提取，而高植被覆蓋容易飽和，可以通過像元二分模型法進行植被覆蓋度的估算完善這一不足。馬梓策等[20]發(fā)現2001—2018年中國FVC主要是受到降水量的影響，并且人類活動對于FVC表現為增強的趨勢；熊俊楠等[21]發(fā)現2001—2016年云南FVC主要呈現顯著增加趨勢平均植被覆蓋度隨海拔增加呈先增加再減少、再增加、再減少趨勢;隨坡度的增加呈先增加再減少趨勢;隨坡向的變化呈由北向南逐漸減少趨勢；何云玲等[22]發(fā)現2000—2016年云南喀斯特地貌FVC總體呈波動上升趨勢，人類活動對FVC變化的影響呈持續(xù)加強的趨勢。并且研究區(qū)受人類活動影響持續(xù)增加的面積占總面積80.54%；馬海云等[23]發(fā)現2000—2015年中國西南地區(qū)轉入建設用地的面積占比最多，其中云南省伴隨著林草相互轉換，并且人類活動對植被起到了一定的改善作用。Pang等[24]發(fā)現青藏高原植被主要與溫度呈現正相關，不同的植被類型在季節(jié)與空間分布上與氣候因子存在一定的響應關系；丁文榮[25]發(fā)現2000—2010年滇東南植被覆蓋呈上升趨勢，植被NDVI減少最為突出的區(qū)域主要集中在人口聚集的城鎮(zhèn)周圍及河流沿線，而增加的區(qū)域主要集中在高海拔山區(qū)。

本文以滇西南為研究區(qū)，利用MODIS NDVI數據結合像元二分模型法估算滇西南2000—2020年植被覆蓋度，并運用轉移矩陣、線性趨勢分析、相關分析和殘差分析來研討滇西南近21 a植被動態(tài)變化特征，氣候因子與植被覆蓋度的驅動分區(qū)，以及人類活動對滇西南FVC的影響，為滇西南生態(tài)文明建設、生態(tài)系統(tǒng)的保護和可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

滇西南主要包含普洱市、臨滄市和西雙版納傣族自治州3地，介于北緯21°10′—25°03′，東經98°40′—102°19′。與緬甸、老撾和越南3個國家接壤。普洱市和臨滄市主要為亞熱帶季風氣候，西雙版納州為熱帶季風氣候，三地降水量較為充沛，并且年均溫達到18～21℃。三地植物類型繁多，并且均擁有豐富的植物資源，三地林區(qū)面積可位列云南省靠前位置，生物多樣性也占據云南省前列。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及預處理

本研究所使用MODIS數據(MOD13Q1)的時間跨度為2000—2020年，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，來源于美國航空航天局(NASA)(http:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。將所下載的數據通過MRT軟件對其進行拼接、投影和格式的轉換等預處理。通過MVC最大值合成法減少了云、大氣和太陽高度角等的影響，得到逐月NDVI數據，并且將逐月數據通過均值法獲得逐年NDVI數據。氣象數據為2000—2020年滇西南附近11個氣象站點逐日的氣象數據，數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，并且通過ArcGIS對氣象數據進行投影及重采樣得到與NDVI數據相同分辨率的氣象因子柵格數據,氣象站點分布位置見圖1。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度 基于歸一化植被指數(NDVI)通過像元二分法反演植被覆蓋度，公式如下[19]：

式中:NDVIsoil為裸土區(qū)域或者無任何植被區(qū)域NDVI值；NDVIveg為植被完全覆蓋NDVI值。本研究取給定置信區(qū)間的最大值和最小值代替NDVIsoil和NDVIveg,取累計頻率為5%對應的NDVI值作為NDVIsoil,取累計頻率為95%對應的NDVI值作為NDVIveg。

圖1 滇西南氣象站點分布圖

結合眾多研究，并且根據滇西南實際情況相結合，將植被覆蓋度分為5等級：低植被覆蓋度(FVC<40%)、中低植被覆蓋度(40%≤FVC<50%)、中植被覆蓋度(50%≤FVC<65%)、中高植被覆蓋度(65%≤FVC<80%)、高植被覆蓋度(FVC≥80%)。

2.2.2 FVC轉移矩陣 植被覆蓋度轉移矩陣主要用來定量描述植被覆蓋度類型的狀態(tài)與其轉移特征，監(jiān)測植被覆蓋度類型在初期和末期的相互轉移特征以及轉移面積變化。通過利用像元二分法所得到的植被覆蓋度，制作植被覆蓋度轉移矩陣，分析植被覆蓋度的動態(tài)變化特征。

2.2.3 趨勢分析 基于最小二乘法的線性回歸，估算近21 a植被覆蓋度的變化趨勢，公式如下[26]：

(1)

式中:n為時間序列長度(n=21)；t為時間序列中的某一年；FVCt為第t年的FVC值；θSlope為正表示植被覆蓋度呈現上升趨勢,反之,呈現下降趨勢。

2.2.4 相關分析 為探究FVC與氣候因子的響應關系本文采用相關分析法對2000—2020年滇西南植被覆蓋度與氣溫和降水量逐像元進行分析，公式如下[27]：

(2)

偏相關分析是不考慮第3個變量的影響，分析兩個變量的相關程度。在線性相關的基礎上計算偏相關系數，公式如下[28]：

(3)

結合線性相關和偏相關的結果，采用復相關研究降水量和氣溫對植被覆蓋度的綜合影響，公式如下[29]：

(4)

式中:rx,yz為復相關系數;rxy,z為控制自變量z，后因變量x與自變量y的偏相關系數;rxz,y為控制自變量y后,因變量x與自變量z的偏相關系數。最終通過F檢驗法來檢驗復相關系數的顯著性。

2.2.5 人類活動分析 在采用相關分析法分析降水量和氣溫對植被覆蓋度的相關關系的基礎上，采用殘差分析法來判別人類活動對植被覆蓋度的影響，根據降水量和氣溫數據擬合得到植被覆蓋度的預測值。公式如下[30]：

FVCp=a×T+b×P+c

(5)

ε=FVCs-FVCp

(6)

式中:FVCp為植被覆蓋度預測值；a,b,c為模型參數；T和P分別為平均氣溫和累計降水量；ε為殘差值；FVCs為植被覆蓋度真實值。ε>0,表示人類活動對植被覆蓋度有正面影響,ε<0,表示人類活動對植被覆蓋度有負面影響。

3 結果與分析

3.1 滇西南植被覆蓋度轉移矩陣

從圖2可以看出，近21 a來滇西南的高植被覆蓋度區(qū)域面積一直占據了總面積的大部分。隨著時間變化，低植被覆蓋度區(qū)域逐漸減少，從2000年的占比8.08%到2020年的占比4.66%，年均減少2.59%。高植被覆蓋度區(qū)域逐漸增加，從2000年的占比38.74%到2020年的占比48.16%，年均增加1.04%。中低植被覆蓋度區(qū)域與中植被覆蓋度區(qū)域也逐漸減少，中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度的區(qū)域也在逐漸增加。這與從2002年來云南省開始實施退耕還林還草工作有較為重要的關系，這一結果表明退耕還林還草的生態(tài)文明建設工作有著顯著成效，大幅度推動了滇西南植被覆蓋的增加，植被的生態(tài)環(huán)境也得到了極大程度的改善。

圖2 滇西南2000年、2010年、2020年植被覆蓋度面積

滇西南2000—2010年總共有57 279.59 km2的植被覆蓋度類型發(fā)生了轉變(表1)，以下轉出面積占比均以去除同類型植被覆蓋度相互轉換面積下進行計算。其中轉入中高蓋度的面積最大，面積為21 118.46 km2，主要由高蓋度、中蓋度和中低蓋度轉入，分別占轉入面積的45.22%，35.87%，11.00%。轉入高蓋度的面積為19 262.39 km2，主要由中高蓋度、中蓋度和中低蓋度轉入，分別占轉入面積的67.78%，23.56%，5.18%。2010—2020年總共有51 740.24 km2的植被覆蓋度類型發(fā)生了轉變(表2)，其中轉入中高蓋度的面積最大，面積為21 118.46 km2，主要有高蓋度、中蓋度和中低蓋度，分別占轉入面積59.59%，30.37%，6.42%。總轉入高蓋度的面積為19 262.39 km2，主要由中高蓋度、中蓋度和中低蓋度轉入，分別占轉入面積的73.36%，20.14%，3.83%。2000—2020年總共有58 723.78 km2的植被覆蓋度類型發(fā)生了轉變(表3)，其中轉入高蓋度的面積最大，面積為22 110.79 km2，主要有中高蓋度、中蓋度和中低蓋度，分別占轉入面積63.19%，25.63%，6.38%。總轉入中高蓋度的面積為21 698.60 km2，主要由高蓋度、中高蓋度和中蓋度轉入，分別占轉入面積的44.70%，34.81%，11.52%。整體來看，雖然低植被覆蓋度整體轉出面積較大，但仍然有城市周圍的植被受到侵占和擠壓，并且從高等級植被覆蓋度轉入低植被覆蓋度，這也在一定程度上表現出人類與植被的矛盾。近21 a中高和高植被蓋度區(qū)域不斷擴大，轉入中高蓋度和高蓋度的面積要大于兩者轉出的面積，退耕還林還草政策的實施得到了充分的體現，這也說明了滇西南整體植被情況改善明顯，更多的低植被覆蓋度區(qū)域轉變?yōu)樯鷳B(tài)林區(qū)和旅游林區(qū)。其次也存在中高蓋度與高蓋度相互轉換，但轉入高蓋度的面積占比要更高一些，這一特征并不代表植被減少可能與季相節(jié)律在不同的植物類型間存在著一定的差異所導致。

表1 2000-2010年滇西南FVC變化轉移矩陣 km2

表2 2010-2020年滇西南FVC變化轉移矩陣 km2

3.2 滇西南植被覆蓋度時間變化趨勢分析

通過基于最小二乘法的線性回歸趨勢分析的方法逐像元對21 a間滇西南植被覆蓋度的變化趨勢進行線性擬合，得到2000—2010年、2010—2020年以及2000—2020年的FVC變化趨勢圖(圖3)和FVC變化趨勢統(tǒng)計表(表4)，并且根據變化趨勢將其分為5個等級。

2000—2010年(圖3A)，滇西南植被覆蓋度主要呈現改善趨勢，其中改善區(qū)域面積占比46.55%，顯著改善區(qū)域占比5.31%，零星分布在研究區(qū)中，不顯著改善區(qū)域占比41.24%，主要分布在臨滄市與普洱市邊界相交處，以及普洱市的東部地區(qū)。退化區(qū)域面積占比41.12%，顯著退化區(qū)域面積占比4.00%，主要分布在西雙版納州的東部區(qū)域，不顯著退化區(qū)域面積占比37.12%，主要分布在西雙版納州和普洱市南部區(qū)域。基本穩(wěn)定區(qū)域占比12.33%，主要零星分布在滇西南各縣中。

2010—2020年(圖3B)，主要呈現改善趨勢，其中改善區(qū)域面積占比47.06%，退化區(qū)域面積占比38.66%，基本穩(wěn)定區(qū)域面積占比14.28%。相比起2000—2010年，改善區(qū)域面積變化不大，但顯著退化以及不顯著退化區(qū)域在減小。

表3 2000-2020年滇西南FVC變化轉移矩陣 km2

2000—2020年(圖3C)，整體主要呈現明顯的改善趨勢，改善區(qū)域面積占比53.40%，其中顯著改善區(qū)域面積占比17.53%，主要分布在西雙版納州南部區(qū)域、臨滄市東北區(qū)域、普洱市東部和西部區(qū)域。不顯著改善區(qū)域面積占比35.78%，滇西南各縣整體均有改善區(qū)域。退化區(qū)域面積占比21.54%，主要分布在西雙版納西部區(qū)域，另外兩個州市零星分布。基本穩(wěn)定區(qū)域面積25.06%。其中顯著改善區(qū)域面積占比遠大于前面兩個階段，并且退化區(qū)域面積也遠小于前面兩個階段。這也說明當地的生態(tài)文明建設得到了顯著成果，通過控制人類活動的區(qū)域范圍并大力保護生態(tài)林，為植被的生長創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境。

圖3 2000-2010年、2010-2020年和2000-2020年滇西南FVC趨勢

表4 2000-2020年滇西南FVC變化趨勢統(tǒng)計表

3.3 氣象因子對植被覆蓋度的變化影響

滇西南2000—2020年年累計降水量總體呈現以94.18 mm/10 a的趨勢減少(圖4A)，其中降水量有著較大的波動，年平均降水量為1 341.76 mm，最大值為1 652.15 mm，最小值為876.145 mm，整體趨勢呈現“W”型。年均氣溫以0.78℃/10 a的趨勢上升(圖4B)，年平均溫度20.06℃，在2019年出現最高氣溫23.91℃，同年降水量也為近21 a來最低，植被覆蓋度也受到了一定的影響。

圖4 滇西南2000-2020年年降水量、年均氣溫變化特征

3.4 植被覆蓋度與氣候因子相關性分析

基于植被覆蓋度與氣溫和降水量簡單相關系數的結果(圖5A，C)，對植被覆蓋度與氣溫和降水量進行偏相關分析，并且采用JENKS自然斷點法對相關系數進行分級(圖5B，D)，并通過t檢驗法對偏相關系數進行顯著性檢驗。

圖5 滇西南2000-2020年FVC與氣溫和降水量相關分析及驅動力分區(qū)

滇西南植被覆蓋度與降水量主要呈現負相關，相關系數在-0.86～0.81，其中負、正相關面積占整個研究區(qū)域比例分別為58.78%，41.22%；其中顯著負相關(p<0.05)占3.53%，主要分布在滇西南東北區(qū)域；不顯著負相關占55.26%，主要分布在滇西南北部和東部區(qū)域；顯著正相關(p<0.05)占1.34%，零星分布在研究區(qū)域內；不顯著正相關占39.88%，主要分布在滇西南南部區(qū)域。滇西南植被覆蓋度與氣溫主要呈現正相關，相關系數為-0.90～0.98，其中正、負相關面積占整個研究區(qū)比例分別為58.47%，41.53%；其中顯著正相關(p<0.05)占3.68%，顯著負相關(p<0.05)占2.01%，均零星分布在研究區(qū)域內；不顯著正相關占54.79%，主要分布在滇西南西北部和西雙版納州南部區(qū)域，不顯著負相關占39.52%，主要臨滄市東南部、普洱市西部以及西雙版納州東部區(qū)域。

滇西南植被覆蓋度與氣溫和降水復相關系數為0～0.98(圖5E)，其中高值區(qū)域在臨滄市東北部和普洱市北部區(qū)域，西雙版納州以及普洱市中部局部區(qū)域整體復相關系數較低。由于氣候因子為植被生長主要影響因素，其中主要的氣候因子為氣溫與降水量，滇西南地區(qū)主要受到氣溫的變化所影響，氣溫與滇西南植被呈現正相關，降水的影響力相對于氣溫要更低一些。但是為了進一步揭示滇西南植被與氣候因子的響應關系，本文選取氣溫和降水量作為FVC的主要驅動因子，并參考國內外研究學者對植被的生長變化受氣候因子的驅動力分區(qū)準則[25,31-32]，對滇西南植被覆蓋度變化進行驅動力分區(qū)研究(表5)。

表5 滇西南FVC變化驅動力分區(qū)準則

結合驅動力分區(qū)準則得到滇西南植被覆蓋度驅動力分區(qū)圖(圖5F)，由圖可知，滇西南整體區(qū)域主要受非氣候因子驅動。其中滇西南植被覆蓋度受氣候因子驅動的區(qū)域占整個區(qū)域面積7.56%。氣溫驅動為滇西南植被覆蓋度的主要驅動因素，占研究區(qū)域面積的2.94%，主要分布在臨滄市和普洱市西南區(qū)域；降水量驅動區(qū)域所占1.76%，主要分布在滇西南北部區(qū)域；受氣溫和降水量共同驅動區(qū)域所占2.66%，其中受氣候和降水量共同強驅動區(qū)域所占1.23%，主要分布在滇西南西部區(qū)域以及臨滄市云縣區(qū)域。

3.5 人類活動對植被覆蓋度的影響

在采用相關分析法分析了降水量和氣溫對植被覆蓋度的相關關系的基礎上，進一步采用殘差分析法來判別人類活動對植被覆蓋度的影響，得到2000—2020年滇西南殘差值時間尺度變化圖(圖6)和殘差趨勢分布(圖7)。通過滇西南殘差時間尺度變化圖(圖6)可知，近21 a來滇西南殘差值以0.021/10 a的速率波動上升。2000—2020年滇西南人類活動對植被的影響由負到正，其中2000—2009年滇西南殘差值均為負值，表明人類活動對植被的生長存在著一定的負面影響，但2010年開始，殘差值變?yōu)檎担祟惢顒诱蛴绊懼饾u增大，在2012年、2019年時出現一定的降低，但均在0值附近。這也說明近21 a來，滇西南人類活動在一定的控制下表現出正干擾，為植被創(chuàng)造了較好的生態(tài)環(huán)境。

圖6 滇西南2000-2020年殘差值時間尺度變化

通過近21 a的殘差值序列數據進行趨勢分析，得到滇西南殘差變化趨勢圖(圖7)。其中正值為人類活動對植被的影響程度不斷增強，負值為人類活動對植被的面影響減弱，由圖可知，研究區(qū)殘差趨勢為正的區(qū)域面積占比為62.60%，主要分布在研究區(qū)中部區(qū)域以及東部區(qū)域；殘差趨勢為負的區(qū)域面積占比為37.40%，主要分布在研究區(qū)的西北部和南部區(qū)域，主要集中在西雙版納州內。滇西南整體殘差趨勢為正，并遠大于趨勢為負的區(qū)域，說明滇西南近21 a來人類活動對植被覆蓋度的影響是積極的，在一定程度上促進了植被的發(fā)展。

圖7 滇西南2000-2020年FVC殘差趨勢分布

4 討論與結論

(1) 近21 a來滇西南低植被覆蓋度區(qū)域年均減少2.59%；高植被覆蓋度區(qū)域年均增加1.04%。期間存在于中高蓋度和高蓋度互轉，總體上轉入高蓋度的區(qū)域面積更多。

(2) 滇西南近21 a以來，2000—2010年、2010—2020年以及2000—2020年3個時段中改善區(qū)域大致集中于臨滄市與普洱市邊界相交處以及西雙版納州南部區(qū)域，退化區(qū)域大致在西雙版納州西部區(qū)域，這一結論與李同艷[33]和熊俊楠等[21]研究結果一致。

(3) 滇西南近21 a年累計降水量總體呈現以94.18 mm/10 a的趨勢減少；年均氣溫總體呈現0.78℃/10 a的趨勢上升。通過進行偏相關分析，表明滇西南植被覆蓋度主要與氣溫變化關系更加密切，與降水量變化關系要更弱一些。這一結論與劉群等[34]一致。

(4) 在驅動力分區(qū)分析中，滇西南整體區(qū)域主要受非氣候因子驅動，其中氣溫驅動為滇西南植被覆蓋度的主要氣候驅動因素，其次為受氣溫和降水量共同驅動，最后為降水量驅動。

(5) 近21 a來滇西南殘差值以0.021/10 a的增長速率呈現波動上升的趨勢；滇西南FVC殘差趨勢主要呈現為正，主要分布在普洱市，殘差趨勢為負的區(qū)域主要分布在西雙版納州。

由于滇西南有著獨特的地理特性，以及滇西南的眾多山脈中依然保存著天然的植物，對于當地的生態(tài)恢復有著強大的推動力，隨著當地政府對于退耕還林還草政策的推動，以及滇西南生態(tài)紅線的劃定，有效地保護了滇西南植被的生長以及生物多樣性的生態(tài)價值，使得滇西南近21 a植被覆蓋度得到顯著改善。但應該繼續(xù)建立并不斷完善紅線常態(tài)化執(zhí)法機制，并且定期對生態(tài)紅線區(qū)域內開展行政執(zhí)法督察，才能夠繼續(xù)有效地保護滇西南植被的生長環(huán)境。但本文僅通過氣候因子和人類活動來分析對滇西南植被覆蓋度的影響，并沒有將其他因素放入進行考慮，可能植被覆蓋度還受到不同植被類型、地形因子、海拔、坡度、土地利用以及自然災害等因素的影響，后續(xù)研究應當加入更多的影響因素進行綜合性研究。