邕江流域植被時空分布及演變研究

曾秀俐，朱霞，王維，王文杰，張哲

1.湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，湖南 湘潭 411201 2.青海省環境監測中心站，青海 西寧 810007 3.中國環境科學研究院環境信息研究所，北京 100012

植被是氣候和人文因素對環境影響的敏感指標，也是聯結土壤、大氣和水文的自然紐帶[1]。植被指數是表征地表植被覆蓋、生長狀況的有效度量參數，其時空變化反映了生物量的動態演化信息，植被指數狀況越好，代表生態環境質量狀況就越好。將植被指數應用于區域生態環境監測評估中具有重要的現實意義[2-3]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)是區域地表植被覆蓋度與植物長勢的函數，NDVI是反映植物生長狀況的最有效指標之一，該數值越高，表明地表葉面積指數越大，植被覆蓋度越高[4]。

遙感與GIS技術的發展為大區域、長時間序列的生態環境監測提供了條件。目前利用NDVI進行植被監測和評估的傳感器主要有NOAA AVHRR、SPOTVGT、MODIS、Landsat TM等[5-10]，比較而言，MODIS NDVI數據具有成像周期短、時間和空間分辨率較高，數據記錄完整等特點，對植被覆蓋狀況敏感區域的生態環境監測具有明顯優勢[11-12]，近年來被廣泛應用于中長期植被變化趨勢研究。國內外學者利用一元線性回歸[13-14]，Theil-Sen median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗[15-17]，小波分析[18-19]和傅里葉變換[20-21]等方法研究植被覆蓋的時空變化特征，或利用相關分析等方法研究NDVI年內年際變化與氣候、降水及人類活動間的關系[1-2,22-23]。由于一元線性回歸可以在像元尺度上表征一定時間序列植被覆蓋的變化趨勢，在國內應用相對成熟[24-28]，筆者擬采用該方法來分析研究區的植被變化趨勢。

邕江流域是我國典型的喀斯特地區之一，生態系統十分脆弱，在外部條件作用下很容易發生逆向演替。邕江流域植被狀況及其變化反映了該流域生態退化與恢復過程，并在一定程度上影響南寧市的經濟社會和生態環境可持續發展，決定著南寧市的生態安全。目前研究主要以邕江水質及其變化、邕江濱水區環境演變等為切入點，鮮有針對該流域長時間序列的植被定量評估和趨勢預測方面的研究。為此，筆者基于MODIS NDVI數據分析邕江流域2000—2010的植被時空特征及變化趨勢，評估了該流域的生態環境質量狀況，以期為邕江流域植被的定量、動態監測提供技術與理論支持，為該流域生態建設決策和區域生態環境演變研究提供科學依據，為喀斯特山區生態環境與經濟社會可持續發展戰略研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

邕江流域位于南寧市南部，上起邕江上游左江的上中、右江的白馬至下游邕寧區與橫縣交界的六景鄉道莊村之間的水域以及地面水依自然地勢直接流入該水域的集水陸域(圖1)。邕江全長113.8 km，控制流域面積5 688.52 km2。邕江流域地處亞熱帶北側內部邊緣，距北部灣海洋較近，受海洋季風影響，雨量充沛，霜少無雪，年均氣溫21.7 ℃，年均降雨量1 304.2 mm；區域內地形起伏多變，地貌類型復雜多樣，包括平地、低山、石山、丘陵和臺地等；土壤類型以赤紅壤和紫色土為主，還分布有水稻土、石灰土等；植被資源十分豐富，植被類型包括闊葉林、針葉林、栽培植被、灌木和草叢等，流域所處的南寧市素有“綠都”的美譽。

圖1 邕江流域示意Fig.1 Location of Yongjiang Basin

邕江流域共涉及南寧市10個行政區縣(興寧區、江南區、青秀區、西鄉塘區、邕寧區、良慶區、隆安縣、武鳴縣、賓陽縣和橫縣)，總人口約280萬。近年來經濟發展迅速，截至2010年底，邕江流域生產總值達893億元，為2005的4.5倍；三大產業所占比例為6.91∶34.80∶58.29，其中，工業產值在第二產業中所占比例不斷增加。

1.2 遙感數據處理

研究所用的遙感數據源自NASA提供的2000—2010年16 d最大合成的MODIS產品數據植被指數MODQ1，該數據空間分辨率為250 m。用MRT(MODIS ReProjection Tools)軟件對數據進行格式和地圖投影轉換，把HDF格式轉化為Geotiff格式，把Sinusoidal地圖投影轉換為WGS84Albers Equal Area Conic投影，采用最鄰近法進行重采樣；為了有效去除云、大氣和太陽高度角等產生的影響，進一步去除噪聲點并提高數據的可靠性，研究區的逐月NDVI通過對同屬一個月的2期NDVI影像進行最大值合成得到，對同年度的逐月NDVI影像進行加權平均得出該年度的NDVI[29]。

1.3 研究方法

1.3.1 回歸分析

對一組時間自變量(t)與NDVI因變量(NDVIt)數據，可以利用最小二乘法，計算出數據集上所有像元的NDVI與時間的回歸系數(k)：

式中，t為時間，a；NDVIt為t年的NDVI；n為樣本量。若k>0，說明該單元格的植被狀況趨好；若k<0，則說明該單元格的植被狀況趨于惡化。

對t與NDVIt間的線性關系進行了顯著性檢驗(F檢驗)[30-31]：

1.3.2 相關系數分析

采用Pearson相關系數建立NDVI與t的相關關系，分析NDVI隨t的長時間序列變化特征和趨勢，其公式為：

1.3.3 變異系數

變異系數可集中反映NDVI數據的離散程度，體現植被的年際波動性，其公式為：

CVNDVI=σNDVI

2 結果與分析

2.1 植被指數空間分布特征

2000—2010年邕江流域土地利用與年均NDVI空間分布的相互關系見圖2和圖3。邕江流域NDVI總體呈現四周高，中部低的空間分布特征，其與邕江流域地形及土地利用植被覆蓋分布格局相吻合；森林分布區NDVI普遍較高，草本濕地和耕地、草地分布區次之，建設用地、水域等其他類型NDVI相對較低。邕江流域中部為南寧中心城市區，由于市中心人口密集，人為干擾因素不斷加劇，NDVI明顯低于周邊區域；北部地區主要植被類型為森林和耕地，高峰嶺—白花山—三狀嶺水源涵養林建設與保護區NDVI明顯較高；流域東南部地貌主要為丘陵，林地和農作物分布廣泛，尤其是大王灘—鳳亭河水庫飲用水源地保護區森林覆蓋率較高，NDVI集中在0.4～0.6，其他區域主要植被類型為耕地和草地，建設用地零星分布，年均NDVI為0.3～0.5。

圖2 邕江流域土地利用現狀Fig.2 Land use status in Yongjiang Basin

分級統計結果表明，邕江流域植被狀況總體較好，植被覆蓋區域占流域總面積的98%以上。其中NDVI小于0.3的僅占流域總面積的1.16%；NDVI為0.3～0.6的占流域總面積的80.32%；大于0.6的占流域總面積的18.52%。

2.2 植被指數時間變化特征

圖4 2000—2010年邕江流域年際NDVI變化Fig.4 Inter-annual change of NDVI in Yongjiang Basin from 2000-2010

以年均NDVI影像中植被覆蓋區域的像元NDVI平均值代表當年植被的整體狀態，研究邕江流域2000—2010年植被年際變化特征(圖4)。由圖4可知，邕江流域年均NDVI為0.42～0.54，2002年達到最大值，為0.54，2004年最小，為0.42；2000—2004年期間，NDVI變化沒有明顯規律，2004年以后NDVI表現出波動性緩慢增長趨勢。

分析邕江流域氣候因素與人為因素對植被的影響，結果表明，2000—2005年，邕江流域年均氣溫、土地利用類型及數量變化不大，年均降雨量是影響該流域植被狀況的主要因素。邕江流域降水量常年均值為1 328.2 mm，2002年邕江流域年平均降雨量達1 412 mm，約為常年均值的1.1倍；2003—2004年降水明顯減少；2004年平均年降水量1 193 mm，較常年均值偏少135 mm。2005年以來，溫度和降水變化幅度不大，人為干擾對植被的影響遠超過氣候因素，植樹造林、創建自然生態保護區等生態治理措施是植被狀況恢復的主要動因。

2.3 植被指數年際波動特征

年度NDVI的波動是植被受到干擾后在生產力和植被覆蓋度上的年際波動的重要體現,是植被群落健康狀況的重要標志[24]。波動值越大說明植被群落越不穩定，波動值越小說明植被群落狀態越穩定。用CVNDVI分析邕江流域內NDVI的波動特征，根據計算結果，借鑒前人的劃分經驗[32]，將CVNDVI劃分為5個等級：高波動(CVNDVI≥0.20)，較高波動(0.15≤CVNDVI<0.20)，中波動(0.10≤CVNDVI<0.15)，較低波動(0.05≤CVNDVI<0.10)和低波動(CVNDVI<0.05)。分級統計結果如表1所示。由表1可知，92.87%的植被覆蓋區域NDVI呈中低波動，高度波動的區域僅占7.13%，說明邕江流域植被覆蓋波動性較小，總體穩定性較好。

表1 邕江流域NDVI波動特征

邕江流域NDVI的變異系數分析結果表明(圖5)，NDVI波動性大小與植被類型密切相關。高波動區域主要分布在流域中部和西北部，尤其是位于流域中部的南寧中心城市區NDVI波動明顯，該區域人口密集，建設用地所占比例大，人為干擾劇烈，植被群落穩定性較差；低波動地區主要分布在流域東北部的高峰嶺—白花山—三狀嶺水源涵養林建設與保護區和西南部的大王灘—鳳亭河水庫飲用水源地保護區，是由于該區域主要植被覆蓋類型為林地，穩定性好，受干擾程度低，植被群落穩定性較好；中度波動地區呈零散分布，主要植被類型為耕地和草地。

圖5 邕江流域NDVI變異系數分布Fig.5 Spatial distribution of variation coefficient of NDVI in Yongjiang Basin

2.4 植被指數變化趨勢分析

利用一元線性回歸分析邕江流域2000年以來的NDVI變化，并借鑒前人植被指數退化的劃分標準[27-28]，結合研究區實際情況，對邕江流域2000—2010年的植被覆蓋變化程度進行劃分，回歸分析結果如表2和圖6所示。

圖6 邕江流域趨勢分析結果Fig.6 Trends of inter-annul NDVI change in Yongjiang Basin

k變化趨勢面積∕km2所占比例∕%<-0.009嚴重退化234.064.13-0.009～-0.003中度退化522.319.23-0.003～0.003基本不變1 734.9430.620.003～0.009中度改善2 450.1943.24≥0.009明顯改善724.3812.78

由表2可知，邕江流域植被狀況有所改善的區域占流域總面積的56.02%，主要分布在邕江流域東南部的良鳳江及八尺江周邊；30.62%的區域植被覆蓋基本不變，僅有13.36%的區域生態環境退化，主要分布在南寧中心城區周邊及流域上游的左江、右江匯入口等區域，尤其是南寧中心城市區植被退化嚴重，與近年來該區域城鎮化加快推進密切相關。總體而言，植被處于增加趨勢的地區面積遠遠大于處于減少趨勢的地區面積。

回歸顯著性檢驗(F檢驗)結果表明，邕江流域有63.28%的區域通過了a=0.25的顯著性檢驗(可信度為75%以上)，其中有25.33%的區域通過了a=0.05的顯著性檢驗(可信度為95%以上)。

邕江流域2000—2010年NDVI與t的Pearson相關系數表明，邕江流域75%以上的區域NDVI與時間呈正相關關系，說明邕江流域大部分區域的植被覆蓋狀況在逐年增強，區域生態環境逐步改善。正相關區域主要集中在邕江流域下游的大王灘—鳳亭河水庫飲用水源地保護區和八尺江周邊，而南寧中心城市區NDVI與時間呈明顯的負相關關系，這與近年來南寧市城鎮化步伐加快導致城區周邊植被覆蓋度降低密切相關。Pearson相關系數分析結果與回歸分析結果保持一致。造成流域內整體植被增加、生態環境改善的主要動因是近年來，南寧市積極創建國家級生態示范區，大規模植樹造林，強化城市生態屏障，打造“中國綠城”。

3 結論

(1)從空間分布上分析，邕江流域植被呈四周高，中部低的分布特征，這種格局與邕江流域的地形特點和土地利用方式相吻合。流域生態環境總體較好，植被覆蓋區域占流域總面積的98%以上。

(2)從時間變化上分析，2000—2010年邕江流域植被覆蓋區域年均NDVI為0.42～0.54，其中2000—2004年植被覆蓋區域NDVI波動較大，無明顯的趨勢特征，這與2002—2004年流域降水變化異常有關；2004年以后，植被覆蓋區域NDVI呈波動性緩慢增長趨勢，主要是由于南寧市近年來生態治理取得生態調節效應在NDVI變化特征中得以顯現。

(3)從NDVI波動特性上分析，邕江流域植被覆蓋總體穩定性較好，其中92.87%的植被覆蓋區域NDVI呈中低波動；而高波動區域僅占植被覆蓋區域總面積的7.13%。植被狀況的穩定性與植被類型及數量密切相關。

(4)從NDVI變化趨勢上分析，2000—2010年邕江流域地表植被覆蓋改善的區域遠遠大于植被退化的區域，其中，改善的區域占植被覆蓋區域總面積的56.02%，退化的區域占13.36%，30.62%的區域呈穩定不變的狀態。

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