貴州省黔南州植被覆蓋時空變化分析

許玉鳳，向 清，潘網生，張永雷，孫連群

（1.黔南民族師范學院旅游與資源環境學院，貴州 都勻 558000）

植被是覆蓋地表的植物群落的總稱，因為生長環境的不同分為高山植被、草原植被、海島植被等[1]。植被是陸地生態系統的重要組成部分，在全球變化中起著“指示器”的作用[2]。在全球氣候變化加劇和人類活動日益頻繁的背景下，研究植被的時空變化特征，對于研究生態環境的變化及其變化趨勢和規律，探討變化驅動因子和驅動力，評估地區環境有重要現實意義[3-4]。

目前遙感技術是監測全球和區域尺度植被動態的有效工具[5]。遙感結合地理信息系統技術，并運用相關的數學方式進行協助研究的方式可以隨時隨地對植被覆蓋進行監測，被廣泛應用。研究表明，NDVI在植被監測、土地覆蓋變化等方面均可應用，主要有最大值法、一元線性回歸趨勢等計算法[6]，用于分析植被的分布狀況，對于植被變化的監測意義更大[7]。

植被變化對全球能量循環及物質的生物地球化學循環具有重要的影響[8]。因此，有關植被變化的研究是國內外的熱點問題，引起了諸多學者的研究和關注。全球變化與陸地生態系統響應（GCTE）是當前全球變化研究的重要內容，而有關地表植被覆蓋與環境演變關系的研究是其中最復雜和最具活力的研究內容[9]。國外學者利用NDVI數據對北半球植被覆蓋進行研究，發現北半球中緯度以及高緯度地區的植被活動在過去的20 多年中表現為增強趨勢，且趨勢明顯[10]。國內學者基于中國地區長時間序列采用最大值合成、一元線性回歸變化斜率法和Mann-Kendall非參數檢驗法對中國各大自然區劃的植被覆蓋狀況做了時空變化分析[11]。

1 研究區概況

黔南布依族苗族自治州位于24°37′～29°13′N、103°36′～109°35′E之間，貴州省中南部地區，東側與黔東南州接壤，南部和廣西相鄰，西側與黔西南州、安順市接壤，北側緊鄰貴陽市（圖1）。黔南州成立于1956年，轄都勻市、福泉市、貴定縣、龍里縣、惠水縣、長順縣、羅甸縣、平塘縣、獨山縣、荔波縣以及三都水族自治縣等12個縣級行政區劃，首府所在地為都勻市，是全州的經濟文化中心。

全州總面積26 197 km2；地形以山地、高原為主，平均海拔在1 000 m左右，其中山地面積占72.53%、丘陵面積占21.3%、平壩面積占6.17%。全州人口中少數民族比例為55.92%，少數民族中以布依族和苗族所占比例為大。

圖1 黔南布依族苗族自治州位置示意圖

黔南州地處亞熱帶季風氣候區，受海洋暖濕氣流影響大，全年多陰雨天氣，日照率在30%左右。年均氣溫在16 ℃左右。降水主要集中在4～10月，年均降水量在1 300 mm左右，夏季雨熱同期，多年平均相對濕度在80%。

黔南州處于貴州高原向廣西丘陵過渡地帶，喀斯特地形區，多地下溶洞，地勢西北高東南低，貴定、都勻之間的斗篷山海拔1 961 m，是全州最高點；羅甸紅水河出境處海拔242 m，為全州最低點；相對高差達1 719 m。該區域代表性植被為亞熱帶常綠闊葉林，植物生長茂盛。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及預處理

本文采用美國NASA提供的MODIS-NDVI數據產品開展植被覆蓋變化研究。影像的空間分辨率是250 m，數據投影格式是正弦曲線投影。該數據已經進行了大氣校正，并通過雙向反射去除水、云、氣溶膠以及陰影，可以直接應用于植被覆蓋情況的研究。利用MRT軟件進行圖像拼接和投影轉換，然后利用黔南州行政邊界矢量數據對圖像進行統一裁剪。

利用MODIS土地覆蓋類型數據（MCD12Q1）分析近期的黔南州土地覆蓋和植被覆蓋狀況。選取黔南州4個地面氣象站點2000年以來的逐年氣溫和降水量數據。根據黔南州統計年鑒得到2000年以來黔南州建成區面積數據。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI 閾值設定

根據方精云等的研究，采用NDVI=0.1作為常年植被區的閾值[12]；選取NDVI大于0.1的像元作為植被進行統計；統計NDVI 大于0.42的柵格來計算綠色植被面積[13]。

2.2.2 趨勢分析

一元線性回歸分析被用來模擬每個柵格點植被的綠度變化率（greenness rate of change，GRC）[14]。計算公式為：

式中，變量i為影像按時間排列的序號；i取值為1, 2, …,23；n為研究期限，n=15；NDVI為第i景影像的NDVI值；slope 是研究期間NDVI 的線性回歸斜率，若slope> 0，說明在這一時段的NDVI值增加，植被覆蓋度上升，植被覆蓋面積增加，反之則減少[15]。

2.2.3 穩定性分析

植被NDVI年際波動值可以用來監測植被受外界因素的影響[16]。波動值大說明植被群落受外界因素影響大，不穩定；波動值小說明植被群落狀態穩定。用2000～2014年NDVI 的變異系數來反映研究區域內不同像元上15 a來的植被相對波動程度[17]。

式中，Cv為變異系數；s為標準差；NDVI為多年NDVI平均值。

3 結果與分析

3.1 黔南州土地利用和植被NDVI空間格局

黔南州的土地利用以林地和草地為主，其中林地主要集中分布于東南部的荔波、三都、獨山和西部的龍里縣。農作物主要分布在西部、北部和西南部地區，以長順縣的西北部地區分布最廣。建設用地所占面積較小，主要在各個行政單位所在地，其中，都勻市建設用地所占面積在全州行政單位中最大。水體在各縣市均有分布（圖2）。

圖2 2010年黔南州土地覆被狀況

圖3 2000年以來黔南州植被NDVI多年均值空間格局

黔南州NDVI多年平均值0.5以下地區占1/2以上。2000年以來的NDVI多年均值最高的區域主要在黔南州東南部的荔波縣、三都水族自治縣以及西南部的羅甸縣，NDVI 多年平均值在0.5以上；而在長順、惠水以及獨山、甕安、福泉等縣的NDVI值較低，長順縣的NDVI低值區所占面積較大（圖3）。

3.2 植被覆蓋時間變化特征

3.2.1 植被年內變化特征

將研究期間的年內數據取平均值研究黔南州植被覆蓋面積的年內變化（圖4a）。從第33天到第81天植被覆蓋面積處于上升階段；在第81天到第321天處于基本穩定階段，且綠色植被覆蓋面積達到一年中最大值；NDVI值在第17天到第241天是波動上升階段，在第241天達到最大值，之后開始下降，最低值出現在第16天。從第321天到第353天植被面積處于下降階段，第1天到第16天下降達到最低值。NDVI值較大的階段，綠色植被面積也較大（圖4b）。

綠色植被面積出現大幅度下降，是由于在第321～365天和第1～16天是一年中的冬季，植被生長期結束，部分落葉闊葉林植被落葉，導致綠色植被覆蓋面積減少。在夏秋季節，光熱水條件配合好，適合植被的生長，是植被迅速生長和繁茂時期，植被覆蓋面積達到一年中最大值。

黔南州位于我國三大林區之一的西南部林區，且為高原山地地形，森林、草地所占面積大，夏季綠色植被面積大，冬季綠色植被覆蓋面積縮小。

圖4 多年平均植被面積和植被NDVI的年內變化

3.2.2 植被年際變化趨勢

根據均溫劃分四季的標準及植被變化趨勢[18]，把第86～145天作為春季，第146～248天作為夏季，第249～309天作為秋季，第310天到次年的第85天作為冬季，研究了自2000年以來15 a間的NDVI值的年際和年內變化趨勢（圖5）。

春季NDVI呈波動降低趨勢，年均降低0.000 7；夏季NDVI圍繞0.68～0.7之間緩慢下降，2000年和2010年處于最低值；秋冬季呈波動上升趨勢，其中秋季每年平均上升幅度為0.006 1，冬季每年平均上升幅度為0.005 1，年際變化大，2011年冬季的NDVI達到最低值0.2左右，全年平均變化呈上升趨勢。

研究期間黔南州的綠色植被面積呈迅速下降趨勢，2006年之后波動相對顯著，2009～2010年間下降較快（圖6）。

圖5 2000年以來黔南州植被不同季節及全年NDVI變化趨勢

圖6 2000年以來黔南州生長季綠色植被面積變化趨勢

3.3 植被空間變化特征

3.3.1 植被變化趨勢的空間格局

黔南州NDVI 的變化趨勢存在較大的空間差異（圖7、8）。植被覆蓋改善的區域主要分布在黔南州的西部、西南和西北地區，且大部分區域斜率大于0.01，NDVI趨勢級別在提高，植被覆蓋面積在增加；植被覆蓋退化的區域主要分布在黔南州東部的都勻市、獨山縣、荔波縣以及三都水族自治縣，NDVI下降趨勢明顯；在甕安中部、惠水縣西北部邊緣植被覆蓋大幅度降低。

圖7 2000年以來黔南州植被綠度時空變化

3.3.2 植被穩定性的空間格局

植被的穩定性格局與NDVI的變異系數相關。整個黔南州的CV值在0.285以下，植被穩定性高（圖9），植被變化率總體較小。

圖8 2000年以來黔南州植被綠度變化

黔南州北部的甕安、福泉縣和西部的長順、惠水縣以及羅甸縣的北部區域，多為耕地和草地，植被生長期短，植被NDVI季節變化大，NDVI變異系數在0.22以上（圖9）。農作物種植區，因過度開墾和放牧導致人地矛盾激化，植被破壞，水土流失。

東部地區降水豐富，海拔較低，其植被生長茂盛；多是林地，植被的四季變化比較穩定，植被覆蓋變化較小。

3.4 植被變化的原因分析

3.4.1 植被綠度時空變化的原因

降水量距平與NDVI距平值的變化波動幅度大（圖10），波動趨勢比較一致，說明NDVI的年際變化與降水量的年際變化相關聯。NDVI值圍繞平均值在正負0.08之間上下波動，而降水量的過分增加和減少都會對NDVI造成一定的影響。

圖10 2000年以來黔南州年均降水距平與年均NDVI值距平變化

3.4.2 綠色植被面積變化的原因

近年來都勻市城市建設用地的變化表明，城鎮化進程加快是導致黔南州植被覆蓋減少的一個重要原因。黔南州地區城市建設用地不斷擴大（圖11），植被覆蓋區域轉變為建設用地，導致植被覆蓋面積有所下降。

圖11 都勻市建城區面積變化趨勢

4 結 語

1）黔南州土地利用類型主要以森林和草地為主，占總面積的1/2以上。全州NDVI多年平均值在0.5以上，NDVI高值區在東南部地區，以林地為主；NDVI低值區在西部、西北部地區，農作物種植區面積較大；與土地利用類型變化相關。

2）近15 a來黔南州植被年內變化特征明顯。在一年中的第1～16天、第321～365天植被NDVI值處下降階段，氣溫低、降水少，大部分植被生長停滯，綠色植被面積出現大幅度下降；NDVI指數在第17～第241天是波動上升階段，光熱水充足，適合植被的生長，是植被迅速生長的繁茂時期。

3）近15 a黔南州植被年際變化NDVI值穩定緩慢上升，但植被覆蓋面積呈減少狀態。春夏季呈下降趨勢，秋冬季呈上升趨勢，秋季上升趨勢較快。近15 a黔南州綠色植被覆蓋面積呈下降趨勢，2006年以后植被覆蓋面積波動性趨勢增大，2009～2011年間減少顯著。

4）黔南州植被穩定性總體狀況較好，但空間差異較大。黔南州北部、西部以及西南部地區大部分是耕地，植被穩定性差，植被覆蓋的季節變化大，但是其NDVI趨勢級別在提高，植被覆蓋狀況在不斷改善；黔南州的東部和東南部地區植被穩定，植被的NDVI值在下降，植被覆蓋變化在下降。

5）綠色植被覆蓋面積與降水的波動趨勢基本一致，說明植被綠度的時空變化受降水的影響較大。建設用地的擴大是導致植被覆蓋面積減少的重要原因。