滇中地區植被NDVI時空演變特征及其驅動因素

丁 文 榮

(云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500)

滇中地區植被NDVI時空演變特征及其驅動因素

丁 文 榮

(云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500)

[目的] 揭示滇中地區植被NDVI時空變化特征及其與氣候因子、人類活動的關系，為該地區的社會經濟可持續提供科學依據。 [方法] 以MODIS NDVI數據資料集、標準氣象站點的氣候數據及社會經濟統計數據為素材，采用疊置分析、空間統計分析和相關分析為主要方法。 [結果] (1) 滇中地區植被5月上旬進入生長季而10月下旬結束，2001—2010年植被NDVI呈現出上升的趨勢，速率為0.03/10 a，植被蓋度整體朝增加的方向發展。 (2) 2001—2010年滇中地區植被覆蓋呈增加和減少趨勢的面積分別占總面積的70.24%和29.76%，減少最為突出的區域主要集中在人口聚集的城鎮周圍，增加的區域主要集中在高海拔地區。 (3) 氣候影響因素中的水分類因素即平均相對濕度、最小相對濕度和降水是滇中地區植被NDVI年內變化主要的影響因素。 (4) 退耕還林工程極大地提升了滇中地區的植被覆蓋度，而城鎮化過程則使得滇中地區城鎮周邊的極低、低植被覆蓋度區面積增加。 [結論] 滇中地區年內植被NDVI變化由氣候因子所控制，而長期變化則受人類活動的制約。

植被NDVI; 時空變化; 氣候因子; 退耕還林; 滇中地區

植被是地理環境的重要組成部分，歸一化植被指數(normal difference vegetation index, NDVI)是目前最為常用的表征植被狀況的指標，與葉面積指數、土地利用、植被覆蓋度、生物量等密切相關。國內外學者對NDVI的驅動因子尤其是氣候要素與植被NDVI之間的關系進行了系統研究，發現氣溫、降水與植被NDVI變化最為密切，它們之間的關系具有顯著的空間差異[1]。國外對植被NDVI變化的研究表明，北半球中高緯地區植被活動顯著增加，氣候變暖導致全球部分地區植被覆蓋發生顯著變化[2]，這在我國東北、華北、青藏高原等地區的研究中也得到了體現[3-5]。此外，現有的研究[6]結果表明，農業生產與植被恢復會導致植被NDVI增加，而植被分布及變化與人口密度、單位GDP等呈顯著負相關。

滇中地區是云南省的政治、經濟和文化中心與交通樞紐。2015年的統計結果表明，該區域人口1 702.8萬人，占該省總人口的37.4%；城鎮化水平為40%左右，該區的城鎮化決定了云南省城鎮化水平的總體進程；GDP占該省的57.8%，人均GDP約為19 400元，是全省人均GDP的1.55倍，已成為云南省的名副其實經濟核心區。近年來，研究者開始關注滇中地區植被覆蓋的變化狀況，如趙文君等[7]通過Modis 1B數據計算了2009—2013年滇中地區NDVI月時間序列數據，并利用相關性分析和差值分析定量描述了農田、森林、灌叢和草地4種綠色覆被NDVI年內變化曲線在年際時間尺度上的協同性和差異性。王金亮等[8]利用1982—2001年近20 a的AVHRR 8 km的NDVI數據集，研究了云南省的植被指數變化特征，結果表明滇中地區植被有明顯的季節差異和空間差異，植被NDVI變化幅度介于滇東北和全省植被NDVI變化之間。可見，目前針對滇中地區植被的研究已取得了一些有意義的成果，但這些研究成果仍然無法清晰揭示區內植被的演變特征及其主要驅動因素?；诖?，本研究以滇中地區Modis NDVI植被數據集為基礎，對滇中地區近年來植被覆蓋的時空特征進行系統分析，探討滇中地區植被NDVI的時空變化規律及驅動因素，及時為滇中地區的社會經濟可持續提供科學依據。

1 研究區概況

滇中地區包括昆明市、玉溪市、曲靖市和楚雄彝族自治州4個州市，地理位置位于100°45′—104°48′E和23°20′—27°02′N之間，面積約1.10×105km2，占云南省國土面積的27.92%。地勢北高南低，起伏和緩，大部分地區海拔在1 500～2 800 m之間，以山地和山間盆地地形為主，集中了云南全省近1/2的山間平地(壩子)。多年平均氣溫15.1 ℃，年日照時數平均為2 448.7 h，無霜期227 d，年降雨量1 035 mm，屬典型的亞熱帶季風氣候，干濕季分明。土壤類型以山原紅壤為主，北部金沙江一帶發育有干旱河谷特有的燥紅土。植被類型多樣，以次生植被和人工植被。由于滇中地區位于長江、珠江和紅河的上游或源區，并有滇池、撫仙湖、星云湖和陽宗海等高原湖泊，水資源保障程度較高，但水質性缺水問題較為嚴重。

2 數據與方法

本研究所用數據主要包括Modis NDVI植被數據、氣象數據和社會經濟數據等。NDVI數據為NASA MODIS陸地產品組根據統計算法開發的MODIS植被指數產品MOD13Q1，其時間跨度為2001年1月1日至2010年12月31日，時間分辨率為1日，空間分辨率為1 000 m，是在已有的植被指數的基礎上改進設計的。對所獲得的MOD13Q1遙感數據集進行子集提取、圖像鑲嵌、數據格式轉換、投影轉換及質量檢驗等預處理后，采用最大值合成MVC(maximum value composites)法[9]和均值法對Modis NDVI數據進行計算，獲得質量可靠的植被NDVI旬和年時間尺度數據集。其中，MVC法可以進一步消除云、大氣、太陽高度角等的干擾，計算公式為：

NDVImi=max(NDVIij)

(1)

式中：NDVImi——第i個10d周期的NDVI最大化合成值；NDVIij——第i個10d周期內第j天的NDVI值。

在統計整個區域的NDVI值時，采用均值法進行計算，計算公式為：

NDVIa=∑NDVIx,y/n

(2)

式中：NDVIa——區域的NDVI平均值；x——統計區域像元行數；y——統計區域內像元列數；n——統計區域內像元總數。

氣象數據為2001年1月1日至2010年12月31日滇中地區內41個站點資料(圖1)，該數據源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)和云南省氣象局資料中心，經過嚴格的質量控制，包括連續性檢驗、極值檢驗和時間一致性檢驗。對收集到氣候資料，首先處理為每個站點的旬值數據，然后采用泰森多邊形法[10]將不同站點的氣象數據轉化為滇中地區的面值氣象數據。

社會經濟數據主要來源于2000—2010年的云南省統計年鑒。

3 滇中地區植被NDVI變化特征

3.1 植被NDVI時間變化

植被覆蓋度可由遙感影像反演的NDVI充分反映，與NDVI呈正相關，即植被覆蓋度愈好，NDVI值愈大[11]。統計結果表明，2001—2010年滇中地區NDVI的旬平均值為0.56。從圖1可以看出，就逐旬來看，滇中地區NDVI值變化非常明顯，呈單峰型，波動于0.49～0.68之間，4月下旬為一年中的最低值0.49，而9月下旬達最高值0.68。4月下旬達到最低值后，逐步開始回升，5月上旬進入生長季后6月緩慢上升，7，8月升速最快，9月下旬達到峰值，10月下旬生長季結束后開始下降，并一直持續到翌年5月份。從年際來看，最大化年值NDVI數據散點圖中(圖1)，能清晰看出在研究時段內年均植被NDVI波動于0.53～0.59之間，2001年0.53為最低值，而2006年0.59則為最高值。2001—2010年植被NDVI呈現出波動上升的趨勢，速率為0.03/10a，表明滇中地區植被得到恢復，總體來看覆蓋度呈現增加的態勢。

圖1 滇中地區植被NDVI年內和年際變化

為探討滇中地區植被NDVI年際變化特征，根據中國水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》[12]，將滇中地區NDVI值劃分為5級，分級標準為：NDVI<0.10時為極低植被覆蓋度，0.10≤NDVI<0.30時為低植被覆蓋度，0.30≤NDVI<0.50時為中植被覆蓋度，0.50≤NDVI<0.70時為中高植被覆蓋度和NDVI≥0.70時為高植被覆蓋度。起止年份2001和2010年各級別植被NDVI變化狀況詳見表1。從表1可以看出，滇中地區植被覆蓋面積最大的分別是中植被覆蓋度區和中高植被覆蓋度區，2001年兩者分別占滇中地區總面積的32.62%和64.67%，而2010年兩者則分別占23.97%和70.61%。此外，從表1也可以看出，自2001—2010年，滇中地區各級別植被NDVI變化存在很大差異。除了中植被覆蓋度區面積呈現出減少趨勢外，其它等級植被覆蓋度區面積都呈現出增加的趨勢。其中極低植被覆蓋度區面積增加了27.86 km2，低植被覆蓋度區面積增加了174.57 km2，中植被覆蓋度區面積增加了6 526.79 km2，而高植被覆蓋度區面積則增加了2 780.55 km2。

表1 滇中地區2001—2010年NDVI變化序列

注：植被覆蓋度面積單位為km2，各占當年滇中地區總面積的比例單位為%。

3.2 植被NDVI空間變化

采用空間疊置分析方法，統計了滇中地區2001—2010年的植被NDVI變化情況，結果如圖2所示。從統計結果來看，自2001—2010年：NDVI值減少0.2以上的區域為134.64 km2，約占滇中總面積的0.12%；NDVI值減少0.2～0.1的區域為1 022.80 km2，約占滇中面積的0.93%；面積減少了0.1～0.0的區域為31 578.20 km2，約占滇中面積的28.71%；NDVI值增加0.0～0.1的區域為73 258.58 km2，約占滇中面積的66.60%；NDVI值增加0.1～0.2的區域為3 986.27 km2，約占滇中面積的3.62%；NDVI值增加0.2以上的區域為19.50 km2，約占滇中面積的0.02%。整體而言，滇中地區植被覆蓋呈增加和減少趨勢的面積分別占總面積的70.24%和29.76%。可見，經過多年持續不斷的植被恢復和保護后，當地的植被覆蓋整體上得到了有效提升。從圖2中還可以看出，植被NDVI減少最為突出的區域主要集中在人口聚集的城鎮周圍，如環滇池一帶的昆明市區、玉溪市首府所在地的紅塔區、曲靖市首府所在地的麒麟區和楚雄彝族自治州首府所在地楚雄市的外圍。此外，區內一些重要的經濟開發區、基礎設施建設區也減少突出，如嵩明縣楊林工業園區、陸良縣工業園區和昆明長水國際機場等區域植被NDVI均降低突出。再者，植被NDVI有微弱減少的區域還集中在南盤江、元江和普渡河干流沿線一帶。此外，滇中地區植被主要為增加為主，增加最為顯著的區域主要集中在高海拔山區，如昆明市與曲靖市交界的梁王山一帶、玉溪市的哀牢山山區、曲靖市的烏蒙山山區、昆明市與楚雄市交界的三臺山山區等。

圖2 滇中地區植被NDVI空間變化

4 滇中地區植被NDVI變化的驅動因素

植被NDVI的時空變化影響要素是多方面的，可以概括為自然方面和人為影響方面。短時間尺度上自然因素特別是降水與氣溫變化往往是導致植被NDVI變化的主控因子，長時間尺度上人類活動尤其是土地開發利用影響突出[13]。故此，本研究分別從氣候要素和人類活動的主要方面展開研究。

4.1 氣候因子與植被NDVI變化

已有研究[3]表明，氣候對植被覆蓋的影響主要表現為對植被生長期年內韻律的控制方面。本研究采用相關分析法計算了2001—2010年滇中地區NDVI旬值序列與同旬降水量、平均氣溫、日照時數、平均風速和平均氣壓等10個氣候因子的相關系數(表2)。結果表明，滇中地區植被NDVI與各氣候因子的同期相關性從大到小排序為：平均相對濕度>最小相對濕度>降水>最高氣溫>日照時數>平均水汽壓>平均氣壓>平均氣溫>最低氣溫和風速。可以看出，從旬時間尺度來看，植被NDVI是各氣候要素綜合作用的結果，但與單個氣候要素的相關系數都很小，均未超過0.25。植被生長對氣候因子的響應存在一定的滯后效應，為分析這種滯后效應，本研究計算了滇中地區植被NDVI旬值與前1—15旬氣候因子的相關系數，相關系數最大值代表相關性最強(表2)。其中，若相關系數最大值所對應的當前旬，表明無滯后，反之即表示為滯后，相關系數最大值對應旬即為滯后的旬數。從表2可以看出，就水分類氣候因子，對于NDVI而言，除了平均水汽壓滯后為7旬外，降水量、平均相對濕度和最小相對濕度的滯后期為4旬和5旬，即有2個月左右的滯后期。對于溫度類氣候因子，平均氣溫和最低氣溫滯后期均為8旬，最高氣溫滯后期為10旬，即有3個月左右的滯后期。對應其它類型的氣候因子而言，NDVI對平均氣壓僅有1旬的滯后時間，而風速和日照時數的滯后期分別的為4旬和5旬，即2個月左右。

4.2 人類活動與植被NDVI變化

人類活動對植被的影響分為正面效應(如退耕還林還草等生態工程)和負面效應(如城市擴展、人為森林破壞等)[14]，退耕還林還草工程對區域生態環境的恢復和改善起到了巨大作用[15-16]。云南省退耕還林工程自2000年開始試點、2002年全面啟動以來，工程建設進展順利。其中，滇中地區內的昆明市、曲靖市和楚雄州均于2000年啟動實施國家退耕還林工程，玉溪市也自2002年啟動實施退耕還林工程。由于這些工程的實施，使滇中地區總退耕還林面積達854.05 km2，荒山荒地造林及封山育林面積分別達1 514.74和241.49 km2(表3)，植被覆蓋呈現逐漸上升的趨勢，表明生態工程的實施有效改善了區域生態環境，極大地提升了滇中地區的植被整體覆蓋程度。這是滇中地區中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度區面積增加的主要因素。此外，城市擴展往往導致城市周邊植被遭到破壞，引起植被覆蓋下降。如昆明市區1992年以來，以老城區為核心并以年平均增長率3.9%的速度迅速向東南、西南和東北方向擴張[17]，導致城市周邊地區植被覆蓋表現出下降趨勢(圖2)，說明城市擴張是導致植被覆蓋下降的重要驅動因素。這在玉溪市、曲靖市和楚雄市首府所在地也有明顯的體現，揭示了滇中地區極低植被覆蓋度和低植被覆蓋度區面積增加的主要原因。

表2 植被NDVI旬序列與氣候因子相關系數

注：**指通過0.01顯著性檢驗; *為通過0.05顯著性檢驗。P為20～20時降水量，Rmean為平均相對濕度，Rmin為最小相對濕度，V為平均水汽壓，Tmean為平均氣溫，Tmin為日最低氣溫，Tmax為日最高氣溫，S為日照時數，W為平均風速，Pv為平均氣壓。

表3 滇中地區退耕還林現狀 km2

5 結 論

(1) 滇中地區年內植被NDVI旬值變動于0.49～0.68之間，2001—2010年植被NDVI呈現出上升的趨勢，速率為0.03/10 a。整體而言，滇中地區植被覆蓋呈增加和減少趨勢的面積分別占總面積的70.24%和29.76%，減少最為突出的區域主要集中在人口聚集的城鎮周圍，增加的區域主要集中在高海拔山區。

(2) 氣候影響因素中的水分類因素即平均相對濕度、最小相對濕度和降水是滇中地區植被NDVI年內變化主要的影響因素。植被NDVI對水分類因子有2個月左右的滯后期，對溫度類氣候因子有3個月左右的滯后期。

(3) 滇中地區退耕還林工程的實施，極大地提升了滇中地區的植被整體覆蓋程度，使滇中地區中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度區面積增加，而城鎮化過程則使得滇中地區極低植被覆蓋度和低植被覆蓋度區面積增加。

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Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Vegetation NDVI and Its Driving Factors in Central Yunnan Province

DING Wenrong

(CollegeofTourismandGeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming，Yunnan650500,China)

[Objective] The relationships between NDVI and the impacting variables of climatic factors and human activity in central Yunnan Province were demonstrated to provide scientific basis for the sustainable social and economic development of the Province. [Methods] MODIS NDVI(normal difference vegetation index, NDVI) data sets, climate data from standard meteorological stations and socio-economic statistical source were dealt with overlay method, spatial statistical analysis and correlation analysis to study the characteristics of temporal and spatial variation of vegetation NDVI. [Results] Vegetation growing season in Central Yunnan Province starts from early May and ends around late October. From 2001 On 2010, vegetation NDVI showed a rising trend and a rate of 0.03/10 a. Though vegetation coverage area showed an increasing trend overall, there still existed decreases region for vegetation coverage in Central Yunnan Province. The increased and decreased area covered 70.24% and 29.76% of the total area of central Yunnan Province. The most prominent areas with decreased vegetation NDVI were found mainly around the people-centered cities and towns; and the increased areas were mainly in the high-altitude. The average relative humidity, minimum relative humidity and precipitation were the main factors affecting the annual change of vegetation NDVI . The implementation of returning farm land to forestry played a key role for the enhancement of vegetation coverage in Central Yunnan Province; On the contrary, the process of urbanization led to vegetation degradation. [Conclusion] The short term change of vegetation NDVI in central Yunnan Province, for example, the annual change was determined by climatic factors; While long-term change was mainly affected by human activities.

vegetation NDVI; temporal and spatial variation; climatic factors; returning land for farming to forestry; central Yunnan Province

2015-10-13

2016-06-06

云南省教育廳重點項目“金沙江下游龍川江流域水沙輸移過程及機制研究”(2015Z056); 國家自然科學基金項目(41101099； 41261044)

丁文榮(1979—),男(彝族),云南省昆明市人,博士,副教授,主要從事水文水資源方面的研究工作。E-mail:dingwenrong@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.042

A

1000-288X(2016)06-0252-06

Q948.11

文獻參數： 丁文榮.滇中地區植被NDVI時空演變特征及其驅動因素[J].水土保持通報，2016,36(6)：252-257.