云南中部地區植被覆蓋時空變化特征及其影響因素研究

李同艷,何云玲,熊巧利

云南大學資源環境與地球科學學院,昆明 650091

0 前言

土地利用/土地覆被變化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)是全球變化研究的核心內容之一[1],而植被覆蓋是土地利用/土地覆被變化的主要表現形式,是反映地表植被群落生長態勢的重要指標,對區域生態環境變化有著重要指示作用[2],也是陸地生態系統中對氣候變化最敏感的組分[3]。在植被覆蓋變化研究中,歸一化植被指數(Normalized Differnce Vegetation Index,NDVI)是遙感影像近紅外波段反射值(Near Infrared,NIR)和紅外光波段反射值率(Red,R)之差與近紅外(NIR)和紅外(R)之和的比值參數[4-6],能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態系統參數的變化,是植被生長狀況及植被覆蓋的最佳指示因子[7-8]。近年來,國內外學者基于NDVI 在全球、大洲、國家和地區等不同尺度上對植被覆蓋的時空變化特征做了大量研究,方法相對成熟,研究結果也很多[9-11]。例如Myneni 等指出氣候變暖使得北半球中高緯度的植被覆蓋有增加的趨勢[12];同時在我國的東北、華北、西北、黑河流域中游和青藏高原等地也得出相同的結論[13-17]。植被覆蓋的時空分布與地形、氣候因子和人類活動因素的影響緊密聯系[18-19]。我國的大多數植被覆蓋變化研究集中在生態環境相對脆弱的黃土高原地區、北方農牧交錯地帶等[20-22]。

云南中部地區處于云南省的核心區域,是云南省最主要的經濟開發區,一直以來作為云南省高密度人口分布地區和生態脆弱區域,人類活動與氣候變化對該區的影響超過了云南省其他區域。一方面,氣候變化勢必引起區域水熱條件的變化,從而影響生態系統結構和功能,包括植被覆蓋特征;另外一方面,云南中部地區又位于云南省產業聚集的核心區域,處于西南優先開發區與重點開發區,社會經濟的快速發展以及城市化進程加快,農業活動、生態建設等人類活動不斷加強,導致人為因素對植被的影響也越來越顯著。由于過去一直未得到足夠重視,目前針對云南地區植被覆蓋的研究相對較少,僅有少數學者進行了局部地區的研究[23-25]。因此,本研究定位于全球變化下區域陸地生態系統響應的熱點問題,基于NDVI 研究云南中部地區植被覆蓋時空變化特征,從氣候因子、人類活動、地形地貌等方面分析植被覆蓋變化的驅動因子。以期對近幾年云南中部地區植被生長情況及其影響因素有更深入的了解,進而為該地區植被恢復重建和生態環境保護提供理論依據;以及對該區在全球變化背景下采取積極應對措施,實現高速、和諧的可持續發展提供參考。

1 研究區概況

云南中部地區地處101.23°—104.3°E,24.07°—26.42°N 之間,包括昆明市、曲靖市、楚雄彝族自治州和玉溪市(圖1),總面積94558 平方公里,占全省土地面積的24%。該區域位于全國“兩橫三縱” 城市化戰略格局中包昆通道縱軸的南端。屬于滇東高原盆地,地形以山地和山間盆地地形為主,地勢起伏較和緩,集中了云南全省近一半的山間平地(壩子);位于長江、珠江和紅河上游,有滇池、撫仙湖等高原湖泊,水資源保障程度較高,但缺水問題較為嚴重;整個區域屬亞熱帶氣候,日照充足,四季如春,氣候宜人,干濕季分明;土壤類型以紅壤為主;植被類型多樣,多為次生植被和人工植被。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

圖1 研究區概況圖 Figure1 General situation of central Yunnan

本文所用的遙感數據分為兩類:第一類由地理 空間數據云(http://www.gscloud.cn/search)提供的MODIS 植被指數產品數據(MOD13Q1),是美國NASA正式發布的基于Terra和 Aqua衛星數據全球數據集,空間分辨率250 m,16 天合成,時間從2000—2016年。MOD13Q1 數據為MODIS 的三級產品數據,該數據是通過輻射定標、畸變校正、大氣、氣溶膠、臭氧吸收訂正及去云等預處理后得到的產品數據。第二類是美國國防部國家測繪局公布的SRTM DEM 數據(http://www.cgiar-csi.org),該數據的分辨率為90 m。將遙感數據進行空間相同空間分辨率重采樣為250 m,借助ENVI5.1、ArcGIS 等軟件進行空間裁剪、掩膜,得到時間序列遙感數據集。

氣象數據來源于國家科學院氣象數據網(http:// data.cma.cn/)提供的從2000—2016年的“中國地面氣候資料數據集”包含的云南省126 個基準、基本、一般氣象站自1951年1月以來的氣溫、降雨量要素等的數據。根據各氣象站點的經緯度信息,采用ArcGIS 的空間分析模塊對收集的氣象數據進行Kriging 空間插值,獲取與NDVI 具有相同時空分辨率的氣象數據柵格數據集。通過空間掩膜,剪切出研究區氣溫、降雨柵格圖像。

造林面積數據來源于2000—2016年的《云南省統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度的計算

采用最大值合成法(MVC)建立植被覆蓋時間序列柵格數據集,分別求出月、季、年NDVI最大值,公式如下:

式中i為月序號,取值范圍1—12月,NDVIi為月最大值,NDVIk為月上下旬NDVI值,k取值為1—24。

式中j為季序號,取值范圍為1—4,NDVIj為第j季NDVI 最大值。

式中y為年序號,取值范圍為1—17,NDVIy為第y年NDVI最大值,yNDVIj為第y年第j季NDVI最大值。

然后利用像元二分模型提取植被覆蓋,像元二分模型是最常見的光合植被覆蓋遙感估算模型,假定植被區的混合像元僅由植被和土壤兩部分組成,它的遙感信息是由植被和土壤的光譜信號以其所占像元面積比例為權重系數的線性組合。

式中S、SPV和SBS分別代表混合像元、光合植被端元和裸土的遙感信息,fPV表示像元中有植被覆蓋的面積比例。

式中R表示植被覆蓋實際面積,Rsoil表示沒有植被覆蓋的面積,Rmax表示植被覆蓋最大面積,通過估算植被覆蓋面積所占的比例來計算植被覆蓋,公式如下:

式中F表示植被覆蓋度,NDVI表示植被指數實際值,NDVImin表示在一定時間段內植被指數最小值,NDVImax表示在同一時間段內植被指數最大值。

2.2.2 分析方法

通過一元趨勢分析方法與ArcGIS 空間分析模塊分析云南中部地區植被覆蓋時空分布特征與變化趨勢。

在已有的研究成果基礎之上[24-26],結合云南中部地區實際情況將云南中部地區植被覆蓋分為劣等植被區(0—20%)、低等植被區(20%—40%)、較低植被區(40%—60%)、較高植被區(60%—80%)、高植被區(＞80%);以2000年覆蓋面積為初態,2000—2016作為轉變模態,以此定量研究云南中部地區近年來植被覆蓋面積的轉變情況。

采用相關分析來研究植被覆蓋與氣溫、降雨、相對濕度之間的關系;通過 ArcGIS 空間分析工具提取云南中部地區不同坡度、坡向、坡角,同時提取相應地形因子下的植被覆蓋區,用于分析地形因子與植被覆蓋的關系;將云南中部地區的市域建立30 km 的Buffer 區域,以及結合造林面積進行人類活動與植被覆蓋間的關系分析[27]。

3 研究結果與分析

3.1 云南中部地區植被覆蓋的變化特征

3.1.1 植被覆蓋的時空分布特征

云南中部地區植被覆蓋最小值出現在3月份(57.76%),隨著降雨的增加以及氣溫的升高,植被覆蓋也逐漸增大,其中較高的月份是9—11月,10月份研究區植被覆蓋值達到最高(68.12%),之后開始下降。圖2為研究區植被覆蓋在不同季節的空間分布圖,從圖中可以看出,春季研究區植被覆蓋度最低(平均58.75%),秋季最高(平均66.30%)。研究區大部分地區年植被覆蓋度的平均值在50%—70%之間;楚雄以西、玉溪與曲靖以南部分區域各個季節都處于高植被覆蓋(＞80%)與較高植被覆蓋區(60%—80%);楚雄北部,昆明、曲靖以北大部分區域植被覆蓋有明顯的季節分布差異特征:春、冬兩季植被覆蓋較低,夏、秋兩季植被覆蓋較高。總的來說,植被覆蓋最低值區位于昆明市的滇池周邊,常年低于20%,該區也是云南省人口密度較大的區域;植被覆蓋最高值區分布在楚雄、玉溪境內,曲靖以南區域高達80%以上,說明植被狀況較好。

通過對全年不同等級植被覆蓋面積進行統計可知(圖2),2000年和2016年研究區均表現為較高植被區所占比例最大,劣等植被區所占面積比例最小。其中,2016年植被覆蓋大于60% 的區域達到總面積的84%,植被覆蓋小于20%的區域面積幾乎為零。從其內部轉移特征來說,2000—2016年研究區主要從較高植被區轉為較低植被區為主。

3.1.2 植被覆蓋的變化趨勢

圖3為研究區植被覆蓋從2000年到2016年的變化趨勢,從圖中可以看出,除了夏季外,其他季節和全年的植被覆蓋均呈顯著的增加趨勢(P＜0.05)。據統計,研究區四季植被覆蓋平均增加速度由快到慢依次為秋季(0.42%)＞春季(0.26%)＞夏季(0.24%)＞冬季(0.21%)。可見,云南地區植被覆蓋增加主要發生在秋季。此外,年植被覆蓋最低值出現在2000年(58.85%),最高值出現在2016年(67.44%),變化速度為0.30%·a-1。整體上來看,從2000年開始云南中部地區植被覆蓋呈增加趨勢。

圖2 云南中部地區各季節植被覆蓋的空間分布 Figure2 The distribution of vegetation coverage in different season in central Yunnan

表1 云南中部地區2000年與2016年植被覆蓋各等級所占面積與比例 Table1 The area and proportion of each grade of vegetation coverage in central Yunnan

圖3 云南中部地區2000—2016年植被覆蓋的時間變化 Figure3 Variations of vegetation coverage in different season and year in central Yunnan from 2000 to 2016

再從2000—2016年云南中部地區植被覆蓋變化趨勢的空間分布來看(圖4),研究區植被覆蓋基本保持不變的區域所占面積比例較大(57.56%),呈增加和減少趨勢的面積所占比例分別為39.91%和2.53%。植被覆蓋增加40%以上的區域主要分布在東北部和北部曲靖地區,而植被覆蓋減少40%以上的 區域主要分布在昆明南部地區。

3.3 基層中醫師醫患關系緊張 高達39.21%的基層中醫師認為醫患關系緊張，12.75%的人員曾發生過醫療糾紛。分析原因：(1)由于基層中醫師診療水平不高，導致對自己診療技術信心不足；(2)居民對基層醫療機構信任度不夠，由于衛生服務的信息不對稱性以及易受負面影響，容易產生醫患矛盾，引發醫患關系緊張[12-13]。

3.2 云南中部地區不同因子對植被覆蓋的影響

3.2.1 地形因子對植被覆蓋的影響

通過分析不同海拔、坡度、坡向區域的植被覆蓋情況(圖5),結果表明:研究區海拔2000 m以下植被覆蓋高值區主要分布在西部和東南部,海拔2000 m 以上植被覆蓋高值區則主要分布在東北部。植被覆蓋受坡向影響表現不明顯,而坡度對研究區植被覆蓋的影響較大,主要表現為坡度≤8°區域的植被覆蓋明顯低于坡度＞8°區域,地形因素是研究區植被覆蓋空間分布特征的重要影響因素之一。

圖4 云南中部地區2000—2016年植被覆蓋變化各等級空間分布 Figure4 The grade distribution of vegetation coverage change in central Yunnan

圖5 云南中部地區不同地形因子下植被覆蓋的空間分布 Figure5 Spatial distribution of vegetation coverage in different topographic factors in central Yunnan

表2 云南中部地區各季節和年的氣候因子與植被覆蓋的相關性 Table2 The correlation coefficient between vegetation coverage and precipitation and temperature in central Yunnan

3.2.2 氣候因子對植被覆蓋的影響

以往研究多表明氣溫、降水是植被生長的重要因子[23,28],表2為研究區氣候因子與植被覆蓋之間的關系,結果表明:植被覆蓋與降水量之間除了在冬季呈現顯著正相關關系外,其他季節多呈負相關關系,未達顯著性水平;植被覆蓋與氣溫多呈正相關關系,且與氣溫的相關系數大于降水,相對來說研究區植被季節的生長變化受氣溫的影響較大,尤其是在秋季。

再從圖6研究區植被覆蓋變化與氣溫和降水變化在空間上的相關關系可以看出,植被覆蓋與氣溫正負相關并存,整體上呈正相關關系,呈正相關的區域面積占總面積83%,置信度超過0.05 水平的區域占總面積的50.43%,主要分布昆明地區;植被覆蓋與降水之間也是是正負相關并存,呈負相關的區域面積較正相關的區域稍大,空間相關沒有達到0.05 顯著性水平;云南中部地區植被覆蓋主要受溫度影響。

3.2.3 人類活動對植被覆蓋的影響

人類活動對植被的影響分為正面效應(如退耕還林還草、植樹造林等生態工程)和負面效應(如城市擴展、人為森林破壞等)。一方面,由圖7可見,云南中部地區的主要城市昆明、玉溪、楚雄、曲靖累計造林面積呈現逐年上升的趨勢,尤其是曲靖和楚 雄地區,這與研究區總體植被覆蓋空間分布特征上這兩個地區呈現植被覆蓋高值區存在相似的變化趨勢,在一定程度上也可反映出隨著退耕還林還草等生態工程的不斷推進,云南中部地區植被覆蓋呈現逐漸上升的趨勢,說明生態工程的實施在一定程度上有效改善了區域生態環境。

另一方面,城市擴張將導致城市周邊植被遭到破壞,導致植被覆蓋下降。圖8為2000—2016年云南中部四個市區緩沖區(30 km)分析的植被覆蓋,結果顯示城鎮范圍內植被覆蓋空間差異較大,表現為經濟發展相對較好的昆明市區植被覆蓋長年處于四個市區植被覆蓋的最低值,昆明市滇池周邊與呈貢新區是幾個市區植被覆蓋最低值區,說明人類活動較為頻繁的地區植被覆蓋相對較低,人類活動與城鎮用地的變化是導致植被覆蓋下降的另一驅動因素。

4 結論與討論

4.1 結論

圖6 云南中部地區植被覆蓋和氣溫、降水的相關關系 Figure6 Correlation relationship of temperature,precipitation with vegetation coverage in central Yunnan

圖7 云南中部地區主要城市造林面積變化圖 Figure7 Afforestation area in main cities of central Yunnan

(1)空間分布上,云南中部地區植被覆蓋春季最低(平均58.75%),秋季最高(平均66.30%),大部分地區年植被覆蓋度的平均值在50%—70%之間,較高植被區所占比例最大;植被覆蓋高值區主要分布在曲靖境內(＞80%);滇池周邊人口高密度區植被覆蓋為常年最低(＜20%)。

(2)時間變化上,2000—2016年云南中部地區植被覆蓋總體呈現增加趨勢,年平均增速0.3%·a-1,其中秋季增速最大(0.42%·a-1);呈增加趨勢的面積占總面積比例39.91%,植被覆蓋增加40%以上的區域主要分布在東北部和北部曲靖地區,而植被覆蓋減少40%以上的區域主要分布在昆明南部地區。

(3)在地形上云南中部地區植被覆蓋受坡度影響 較大,主要表現在坡度≤8°區域植被覆蓋較低,坡度＞8°區域植被覆蓋相對較高。

(4)氣候因子中除了冬季降水量與植被覆蓋呈現顯著正相關關系外,大多數季節則是氣溫與植被覆蓋多呈現正相關關系,在空間變化上植被覆蓋也主要與氣溫呈現正相關關系,表明研究區植被覆蓋主要受到氣溫的影響。

(5)人類活動對植被造成了雙重影響,一方面植樹造林等生態工程有效改善了區域生態環境,使植被覆蓋增加,尤其在曲靖地區表現最為明顯;另一方面,隨著城市化的推進,城市的擴展導致植被覆蓋較少,導致滇池周邊植被覆蓋減少顯著。

4.2 討論

氣候要素、土地利用變化等均會對全球不同地區的陸地植被產生不同的影響,其中以氣溫和降水對植被生長的影響最為直接和重要[29-30]。李立科在對云南瀾滄江流域植被時空動態研究中指出:春、夏、冬三個季節的植被NDVI 與同期均溫都呈正相關[23];孔次芬對金沙江流域(云南段)植被覆蓋變化與氣候因子相關性進行研究結果表明氣溫和NDVI的變化趨勢具有相對較好吻合性[24]。本研究表明云南中部地區近17年來的植被覆蓋狀況良好,整體上以高植被覆蓋為主,這是因為云南中部地區得天獨厚的氣候條件,冬無嚴寒、水熱資源豐富,為該地區的植被生長提供良好條件,植被生長狀況總體較好;大多數季節的氣溫與植被覆蓋多呈現正相關關系,與上述以往的研究結論相一致。云南中部地區氣候四季如春,干濕季節(干季為11月至次年4月,雨季為5月至10月)分明也是該地區氣候的重要特點,降水主要集中在每年5—10月,冬季降水量較少,植被覆蓋對降水的依賴性大于其他季節,所以導致研究區的冬季降水量與植被覆蓋呈現顯著正相關關系。

圖8 云南中部地區主要城市植被覆蓋空間分布 Figure8 Spatial distribution of vegetation coverage in main cities of central Yunnan

另外一方面,國內外現有研究已經表明,人為因素已經能夠在全球和區域尺度,及較長時間序列上對地表過程產生明顯影響[30],在短期內,植被的動態演變主要是受到人類活動的直接和間接影響。地形坡度是制約一個區域經濟發展的重要因素,坡度較小的地區成為城鎮用地與農業用地的主要來源,云南省中部地區壩子分布較廣,屬于城鎮化發展較快的較集中的地區,由此導致植被覆蓋在坡度≤8°區域明顯低于坡度＞8°區域[31]。但是云南中部地區植被覆蓋也與該地區退耕還林、植樹造林等一系列生態建設工程的實施關系密切。作為《全國主體功能區規劃》中的重點開發地區之一,該地區承擔著加快工業化和城市化進程、壯大經濟規模和集聚人口的重任,城市化進程的提速所帶來的環境壓力將持續增大。2011年,云南省人民政府提出“城鎮上山”實現土地高效利用的云南特色城鎮化發展道路,采取坡度分層梯度開發模式:8°以下重點保護區域,禁止新增壩區建設用地;8—15°之間重點開發區域;15—25°以上調整優化區域,積極發展山地農業和林業;25°以上生態屏障區,退耕還林、天然林保護。并且相繼出臺了一系列的細化指導意見,今后一段時間人類活動對云南中部地區植被覆蓋的影響還將持續增強,植被覆蓋與地形地貌因子的空間分布可能出現新的變化。因此,定量研究人類活動強度對植被覆蓋動態變化的影響將是今后研究的重要內容。

本研究關注的氣候因子主要限于降水量、氣溫的統計資料,目前極端事件對植被造成的影響受到了國內外學者的廣泛關注與研究[32],今后需要采用格點數據以及其他資料,進一步開展云南地區不同區域極端氣候變化對植被覆蓋的影響。