基于MODIS-EVI指數的四川省植被指數時空演變特征及驅動力

伍宜丹,馬 悅,吳浩然,肖 逸,李 豪

(四川農業大學 資源學院,成都 611130)

植被作為重要的陸地生態環境變化的“指示器”，是物質循環和能量傳遞的紐帶[1-3]，具有維持生態系統平衡和調劑氣候的重要功能[4]。植被指數能反映出研究區域內植被進行光合作用的面、植被的茂密程度和地表實時環境狀況，是水土保持和生態系統研究的重要參數，目前已得到廣泛應用[5-7]。

現常用的植被指數主要是歸一化植被指數(Normalization Difference Vegetation Index，NDVI)和增強型植被指數(Enhanced Vegetation Index，EVI)。已有研究表明，NDVI在植被生長旺盛期容易達到飽和，且處理大氣干擾能力較弱、無法忽略土壤背景干擾，而EVI能根據紅光和藍光通過氣溶膠的差別，補償殘留氣溶膠對紅光的吸收，克服NDVI在植被高覆蓋地區易飽和、植被低覆蓋區受土壤植被影響較大、對大氣去除不徹底等缺點，更好地揭示植被的季節性[6]。

近年來，已有大量學者基于EVI植被指數研究國內不同區域植被變化情況。馬昊翔等[8]基于2005—2014年EVI植被指數和氣象數據，分析青海省草地植被覆蓋變化及驅動因素，發現東部黃土高原區呈顯著增長，而柴達木盆地等地呈退化趨勢，并認為該現象與溫度和降水的相關性顯著。蘇俊磊等[9]基于MODIS-EVI植被指數數據研究廣西西江流域2007—2016年植被時空變化特征，發現區域內EVI植被指數除存在兩次可能與重大自然災害有關的驟然下降現象外，其余年份均呈上升趨勢。曹艷萍等[10]基于EVI植被指數數據，指出華北平原2002—2016年呈現好轉的趨勢，受人類活動和水文要素的雙重影響。

四川省地處長江上游，是重要的水資源和泥沙來源地，也是長江流域生態屏障的戰略要地，其地形地貌復雜，具有重要的研究意義。建國以來，由于資源不合理利用以及毀林開墾現象嚴重，導致四川省森林資源破壞、水土流失嚴重[11]。自2000年成為國家重大生態工程建設的首批示范區以來，四川省積極開展天然林資源保護、退耕還林還草等水土流失治理、植被恢復工程。目前，各項工程在植被恢復、水土保持方面已經取得良好的成效。但是，利用MODIS-EVI植被指數分析四川省植被指數時空變化特征，并在此基礎上對驅動力進行闡述的研究仍為空白。因此，本文基于MODIS-EVI的遙感數據，運用趨勢線分析等方法，對四川省2001—2018年植被指數時空變化規律和驅動力進行分析，旨在為區域內植被監測、造林工程和水土保持工程實施完成度、長江上游生態環境治理和生態屏障修復等方面提供參考依據。

1 研究區概況

四川省位于我國西南腹地(圖1)，地處長江上游，介于97°21′—108°12′E和26°03′—34°19′N，轄區面積為48.5萬km2[12]。轄區以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山一線為界，西部高、東部低的地貌特點顯著。西部為高原、山地，海拔多在3 km以上；東部為盆地、丘陵，海拔多介于0.5～2 km。西北部屬于高寒氣候，海拔高差極大，氣候立體變化顯著，冬寒夏涼，年均溫4～12℃，年降水量500～900 mm[12]；西南部為山地亞熱帶半濕潤氣候，四季區分度不明顯，年均溫12～20℃，年降水量900～1 200 mm；東部為四川盆地地區，亞熱帶濕潤、半濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，年均溫16～18℃，年降水量1 000～1 200 mm。四川省植被以高原山地高寒草甸以及亞熱帶灌叢與常綠闊葉林為主[13]，主要分布在川西高原山地地區。其中，川西高原又以亞高山針葉林和亞高山灌叢草甸為主，川西南山地以常綠闊葉林為主；人工林、常綠闊葉林主要分布在川東四川盆地。

圖1 四川省區域位置

2 數據與方法

2.1 數據準備

本研究采用的四川省行政邊界來自全國地理信息資源目錄服務系統(http:∥www.webmap.cn/)的1∶25萬全國基礎地理數據庫。EVI數據來自美國NASA LPDAAC EOS數據中心(https:∥ladweb.nascom.nasa.gov/data)提供的MOD13A3月植被指數L3產品，時間跨度為2001—2018年，分辨率為1 km；各年年平均氣溫和年降水量數據均來源于中科院資源環境數據中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km；各年統計數據來自于四川省統計年鑒。為提高分析效率，預處理時將上述各3個數據重采樣至5 km。

本研究首先通過四川省行政區劃矢量圖，掩膜提取得到2001—2018年MODIS-EVI月植被指數數據，然后利用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)合成EVI月植被指數數據后，得到研究區域2001—2018年的MODIS-EVI年植被指數的最大值序列影像，代表該年內植被生長狀態。時間演變規律研究中，基于趨勢線分析法，得到四川省2001—2018年各像元EVI指數年際變化率；研究空間演變規律時，基于空間自相關分析和熱點分析法進行相關性分析，通過莫蘭指數和z得分的大小反映像元間的聚集程度。最后通過相關性分析來研究氣象因子以及人為生態工程對植被指數的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢線分析法 以時間為自變量，對EVI指數進行線性回歸分析，可以通過反映出整個區域植被的時間變化規律。ρslope目前該方法已廣泛應用于各領域時間序列分析研究[14-15]。計算公式如下：

(1)

式中：ρslope為EVI年際變化率；i為第i年(1≤i≤18)；y表示研究年數，本文中y=18。以像元(分辨率5 km)為單位，以年份作為自變量、EVI指數為因變量，使用最小二乘法(Ordinary Least Square；OLS)擬合各像元2001—2018年EVI指數趨勢線，并將斜率值賦值給該像元，得到四川省范圍像元級EVI指數的年際變化率。ρslope絕對值越大說明EVI值變化率越大。

2.2.2 基于全局莫蘭指數的空間自相關分析 全局莫蘭指數(Global Moran′sI)分析也稱全局空間自相關分析，指某空間單元與其相鄰空間單元格的現象就某種特征值在空間上的關聯性[16-18]。計算公式如下：

護理前,兩組SAS、SDS評分比較無統計學意義(P>0.05);護理后,兩組SAS、SDS評分均明顯下降,觀察組下降程度明顯大于參考組(P<0.05)。見表1。

(2)

(3)

式中：xj是要素j的屬性值；wij是要素i和j之間的空間權重；n為要素總數，且：

(4)

(5)

3 結果與分析

3.1 研究區EVI時間變化分析

四川省2001—2018年平均植被覆蓋度以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山為界，表現出東高西低、南高北低的分布規律，空間異質性顯著，但區域范圍內存在部分區域的植被覆蓋度一直穩定在高值或低值，四川省西北部長期處于低值狀態。達州、德陽和成都等市首先于2006年出現極高值分布區，達州—巴中—廣元—綿陽4個城市逐漸于2012年形成極高值包圍圈，并在2018年，與德陽、成都、雅安、樂山、宜賓五市極高值帶聯結成一帶。2001年、2006年、2012年、2018年植被覆蓋度年均值分別為0.255，0.272，0.277，0.295，標準差分別為0.053，0.057，0.063，0.075。總體而言，EVI植被指數隨時間變化顯著(圖2)。

圖2 2001年、2006年、2012年、2018年四川省EVI植被指數

近18 a研究區域內植被年際EVI均值介于0.255 2～0.294 7，以0.22%/a的速率波動上升(圖3)。2001年出現明顯的偏離值，是研究時段內的最低值，分析原因，可能是由于各項工程剛開始實施，植被增長速度較快。2001年，2006—2008年，2010年，2012—2014年增幅顯著，2008—2010年出現波動下降，并于2012年達到較低值。2008年前后標準差突變明顯，但2007—2009年EVI植被指數值基本符合線性方程擬合值，說明2008年的汶川地震給四川植被造成了極大損失的同時，省市州各部門均出臺植被恢復舉措，使得四川省EVI植被指數處于正常值，未出現較大波動。

圖3 2001-2018年四川省年均EVI植被指數

圖4 2001-2018年四川省EVI指數年際變化率

為進一步研究2001—2018年四川省植被改善狀況，本文將2001—2018年EVI年際變化率劃分為6個等級，2001—2018年四川省EVI指數年際變化率分級及面積占比見表1。

表1 2001-2018年四川省EVI指數年際變化率分級及面積占比

結合圖4和表1分析，13.6%研究區域格網的年際EVI變化率為負值，集中分布在川西北地區甘孜州以及成都市境內，這些區域的植被覆蓋呈減少趨勢；86.44%的為正值，區域植被覆蓋呈增加趨勢。川西北高原地區極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0，0.32%，22.20%，75.47%，1.95%，0；川西南山地區域極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0.10%，0.67%，10.93%，47.57%，35.63%，5.01%；川東四川盆地地區極顯著退化、較顯著退化、輕度退化、輕度改善、較顯著改善和極顯著改善的面積占比分別為0.19%，0.54%，2.38%，17.77%，56.93%，22.19%。

川西北高原范圍內的植被變化情況不存在極顯著退化和極顯著改善區域，區域內的植被變化以輕度改善和較顯著改善為主，輕度改善面積達60.12%，較顯著改善面積占11.26%。川西南山地地區以輕度改善和較顯著改善為主，合計面積占比超83%。與川西北高原相比，川西南山地的總體改善程度更好；川東四川盆地較顯著改善面積占比達56.93%，極顯著改善的面積占13.40%，遠大于川西北高原和川西南山地兩個區域，是四川省植被恢復程度最好的區域。整體而言，所劃分的3個區域年際變化大多介于-0.25～0.50范圍內，即以輕度退化、輕度改善、較顯著改善為主，而較顯著退化、極顯著退化和極顯著改善面積占比較小，并且川東四川盆地植被增長速度遠高于另外兩個區域。西部EVI指數變化率基本穩定在0%～0.25%范圍，甘孜州極少部分區域存在變化率在-1～-0.5區域；東部變化率基本大于0，負值區域基本在成都平原范圍，分析該現象出現原因，可能與成都市城市擴張速度過快、人口增長迅猛等因素有關。

3.2 研究區EVI空間變化分析

由四川省2001—2018年平均EVI指數(圖5)，可看出四川省范圍內植被指數平均數出現明顯的空間差異性，東西部差異較大。2001—2018年EVI指數平均值為0.255，標準差為0.053。最大值為0.410，零星分布在在川南、川東北地區；最小值為-0.100,分散出現在川西甘孜、阿壩州以及成都市范圍內。

圖5 2001-2018年四川省平均EVI指數

結合研究區實際情況將植被覆蓋度分為無植被覆蓋、極低覆蓋、低覆蓋、中覆蓋、高覆蓋5個級別(表2)。2001年基本以植被低覆蓋和中覆蓋為主，2001—2018年，低、中植被指數面積逐年減少，2018年高植被指數區域面積超過區域總面積的25%，而低植被指數區域面積下降近30%，中植被指數面積減少超過23%。整體情況可反映出：東西部各項造林工程、退耕還林工程以及天然林保護工程完成情況良好，植被覆蓋呈現良好增長態勢。

表2 2001年、2006年、2012年、2018年EVI植被指數分級及各項面積占比

3.3 研究區EVI空間自相關分析

對四川省EVI植被指數進行全局空間自相關分析，得到2001—2018年四川省EVI植被指數莫蘭指數(圖6)。研究區2001年全局莫蘭指數最低，說明該年植被覆蓋破碎化程度較大，2001—2018年省內植被覆蓋破碎化程度逐漸減小。莫蘭指數在不同年份表現出一定的波動性：在2004年、2006年、2009年、2017年、2018年略微降低，2010—2016年都呈現良好的增長態勢但在2017年開始略微減少。2001—2018年莫蘭指數均大于0且明顯增大，并且z得分都較大(z>0.7)，說明區域內植被覆蓋度在空間上具有極強正相關性，整體高聚集效應也更為顯著。

圖6 2001-2018年四川省EVI植被指數莫蘭指數

對2001年、2009年、2018年EVI植被指數進行熱點分析，深入研究四川省EVI植被指數的局部相關性，得到2001年、2006年、2012年、2018年四川省EVI指數熱點分析以及2001—2018年平均EVI指數熱點分布圖(附圖1)。結果表明：(1) 四川省植被覆蓋存在明顯的差異性，植被覆蓋度熱點和冷點分帶明顯，植被覆蓋度高的區域集中分布在省東部，而西部覆蓋度低；(2) 2001年植被覆蓋度空間分布最為離散，極少出現連片分區現象，不顯著區域占比63.0%。至2018年四川省植被覆蓋度的高值點和低值點四川省的植被覆蓋在空間上出現擴散效應，負值點和正值點范圍都在擴大，不顯著區域范圍占比縮小至49.6%研究區域內不顯著區域的范圍顯著減少。

3.4 EVI變化驅動力分析

氣候條件是影響植被分布的主要環境因子，其中又以氣溫和降水為主。為探究2001—2018年四川省植被覆蓋時空演變驅動因素，本文從氣象因子、生態工程兩方面進行進一步研究。2001—2018年，四川省年均降水量以2.48 mm/a的速度呈不顯著波動減少趨勢。全省降雨可以青川—汶川—康定—九龍—鹽源為界，東部川中丘陵、成都平原和川東平行嶺谷地區年均降水量達1 000 mm/a以上，水量豐富，為全國突出的多雨區；雅安—樂山地區年均降水量高達1 300 mm/a以上，是全省降水最富集地帶；川西高原山地區域年降水量較少，基本不足800 mm/a，石渠等縣年均降水量不足600 mm/a，屬于降水量極少區域。

溫度波動較大，整體以0.01℃/a的速度增加，增溫幅度低于全國平均水平。2001—2018年四川年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢，且最低溫度對增溫貢獻度最大。除2003年，2007年，2014三年外，其余年份溫度與EVI指數的變化率呈正相關趨勢(圖7)。

圖7 2001-2015年年降水量和年均溫

四川省總體雖呈“干熱化”發展趨勢，但通過對四川省EVI植被指數與降水量、溫度的相關性驗證得：降水量和溫度的顯著性p值分別為0.296，0.255，均大于0.05，故四川省EVI植素與降水量以及溫度相關性不顯著，因此在四川省范圍內降水量和溫度對EVI植被指數的影響程度較低。

進一步分析生態工程措施對植被覆蓋度的影響(圖8)，四川自2000年成為“退耕還林工程”和“天保工程”首批示范區，至今在各市開展了退耕還林、植樹造林、天然林保護以及封山育林等一系列生態措施，使2001—2018年四川省森林面積增加56.93%[13]，實施人工造林和封山育林措施的有林地和丘陵區植被改善顯著。計算森林面積與EVI年均值的相關性可知：森林面積與植被指數變化呈現顯著正相關關系(p<0.05)。

圖8 2001-2018年森林面積與EVI植被指數

4 討論與結論

4.1 討 論

進一步分析川東四川盆地和川西高原山地年際變化率出現較大差異的原因。四川東部盆地屬于典型的丘陵集中分布帶，地處龍門山前緣向盆地的過渡地帶，從北向南地形由深丘向淺丘過渡，海拔介于250～600 m。該區域人口集中，墾殖率50%～70%，以水稻、棉花、玉米、油菜、甘蔗作為主要的農作物，土壤質地松軟，極易受到侵蝕和風化。2018年四川省森林覆蓋度達38.1%[13]，但東部地區不足7%，是四川森林覆蓋度最低區域。成都作為四川省省會，與其周圍城市的2001—2018年際變化率出現較大差異，即出現明顯的負增長。分析其原因：成都平原為亞熱帶季風濕潤氣候，地形以平原為主，耕地利用率達90.2%。植被以栽培植被為主，且人工種植栽培植被多為糧食作物、果林等人工經濟林，植被覆蓋受人類活動影響大[21]。由于城市擴張，城市人口增長(常住人口數從1 013萬人增至1 604萬人)和城市現代化發展引起城市建設用地比例迅速上升，對成都市植被覆蓋產生負面影響。

而川西高原與山地地區部分區域屬于干旱半干旱區域，年均降水量在400 mm以下。如甘孜州的鄉城縣、得榮縣、巴塘縣以及攀枝花市。這些地區生態狀況脆弱，自然條件惡劣，原始林業資源匱乏，并且濫采、過度放牧等人為干擾現象嚴重，致使全省植被退化現象嚴重。已有學者研究表明[22]：四川省干旱半干旱區域生態環境的退化是地貌陡峭、地表結構脆弱、水熱分配不均、板塊運動活躍等自然因素和過載放牧、毀林開荒、陡坡耕作等人為因素共同作用而成。因此，在此基礎上如何根據土壤和水分這兩大限制因素提高土壤有效水含量，進而促進植被覆蓋度是我省未來一段時期發展的重點。

4.2 結 論

(1) 2001—2018年，四川省植被覆蓋度空間分布不均，呈明顯的東高西低分布規律。

(2) 2001—2018年全省EVI指數以0.22%/a的速率增加，四川省范圍內13.6%面積的年際EVI變化率為負值，86.4%的為正值，以岷山—龍門山—邛崍山—大小涼山為界，東部EVI植被指數增速明顯，高值集中分布在廣元等市，負值分布在西部川西高原和山地的甘孜州、阿壩州部分縣以及成都市溫江等區。

(3) 2001—2018年研究區域內極顯著改善植被面積占比9.4%、較顯著改善27.7%、輕度改善49.3%。整體植被改善程度良好，川東四川盆地改善情況遠高于西部川西北高原和川西南山地。

(4) 四川省總體呈“干熱化”發展趨勢，在年均溫增加、年降水量減少的條件下，EVI植被指數仍顯著增加，說明我省各項生態工程建設實施情況良好，水土保持能力提升顯著。