2000-2018年贛江上游植被覆蓋度時空演化及其對氣候變化的響應

劉明霞, 劉友存, 陳 明, 李 奇,3, 梁 旗, 鄒杰平, 喬麗潘古麗·吐爾洪

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院, 江西 贛州 341000; 2.江西理工大學資源與環境工程學院, 江西 贛州 341000; 3.江西環境工程職業學院 生態建設與環境保護學院, 江西, 贛州 341000)

全球氣候變化與陸地生態響應是國際地圈生物圈計劃(IGBP)的核心研究內容[1]，受到了國內外學者和國際社會的高度關注。而作為陸地生態系統的重要組成部分，植被具有保持水土、涵養水源、改善土壤、調節氣候、凈化空氣等生態功能[2]。植被覆蓋度(fractional vegetation coverage, FVC)反應了植被的生長態勢，是描述生態系統的重要基礎數據，在植被動態監測以及區域生態環境評價等方面具有重要意義[3]。植被覆蓋度的測算方法主要有地面實測和遙感估算，遙感適用于大范圍、長時間序列的植被覆蓋度計算，因而被廣泛運用[4-6]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)是檢測植被生長狀態、植被覆蓋度的最佳指示因子，與植被覆蓋度有較好的相關性，被廣泛運用在植被覆蓋度動態監測研究中[7-8]。與此同時，氣候變化又直接影響植被覆蓋度，如氣溫和降水通過影響有效積溫和土壤水分來影響植被生長[9-11]。因此，分析植被覆蓋度時空變化規律，研究氣候因素對其驅動作用，對評價區域環境質量和維護區域生態系統平衡具有重要意義[12]。

贛江上游礦產資源豐富，礦產尤其是稀土礦的大量開采，造成了植被破壞、水土流失、泥石流及水污染等生態環境問題[13-15]。贛江上游流域為水源涵養區，其生態環境狀況將直接影響贛江及鄱陽湖流域的生態環境質量及經濟發展。而植被覆蓋度能夠客觀地反映區域生態環境的整體狀況。李恒凱等[16]分析了贛州市2008，2011年植被覆蓋空間分布特征及其與地貌因子的關系。曾廣林[17]分析了贛州市植被覆蓋度和碳儲量的變化特征及兩者之間的關系。現有的研究沒能分析贛江上游植被覆蓋度對氣候變化的響應。因此，本文基于MODIS NDVI數據，結合年平均氣溫和年降水量數據，運用趨勢分析、變異系數、Hurst指數和相關分析等方法分析了贛江上游2000—2018年植被覆蓋度時空演化及其對氣候變化的響應，以期為區域的生態環境保護提供科學依據和數據支撐。

1 研究區概況

贛江上游流域在江西省南部，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N，高程98—1990 m, 流域面積36 818 km2[13]。贛江上游山地縱橫，支流眾多，主要有湘水、濂江、梅江、平江、桃江、上猶江等。地貌以山地、丘陵為主，地勢四周高中間低；氣候屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和，雨量豐沛，春季陰雨連綿，夏季先澇后旱少酷暑，秋季晴朗少雨，冬季溫和少雨；土壤類型為紅壤、黃壤和紫色土；因地處中亞熱帶南緣，植物類型多樣。

2 數據與方法

2.1 數據來源與預處理

本文中選用的2000—2018年植物生長季(1—12月)的227景MODIS MOD13Q1數據產品(時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m×250 m)來源于美國國家航空航天局(NASA)戈達德航天中心LAADS DAAC(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。MODIS NDVI產品經過水、云、重氣溶膠等處理，數據質量較高，被廣泛應用于區域植被覆蓋變化研究。預處理主要包括：①運用MRT(MODIS reprojection tools)將下載的MODIS NDVI進行格式和投影轉換；②采用Savitzky-Golay濾波對MODIS NDVI進行平滑處理，剔除噪聲影響；③應用MVC(maximum value composite)合成年最大NDVI。由于年最大NDVI能很好地反映該年植被長勢最好時期的植被覆蓋情況，消除大氣、云、太陽高度角等因素對遙感影像的影響，因此采用年最大NDVI分析植被覆蓋度的時空變化特征。氣象數據采用贛江上游2000—2018年12個氣象站點的年均氣溫和年降水量數據(寧都、龍南、崇義、上猶、大余、信豐、興國、瑞金、于都、會昌、安遠、贛縣)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度估算 像元二分模型在一定程度上減少了大氣及土壤背景的影響，且操作簡單，因此被廣泛運用于植被覆蓋度的遙感估算[18]。像元二分模型的原理為假設一個像元的信息由植被和非植被組成，像元中植被所占比例即為該像元的植被覆蓋度[19]，計算公式為：

(1)

式中：FVC為植被覆蓋度；S為混合像元遙感信息；Sv為純植被覆蓋時遙感信息；Ss為純非植被覆蓋時遙感信息。植被覆蓋度與NDVI存在很強的相關性，根據李苗苗等的研究[20]，建立基于NDVI的植被覆蓋度估算模型，計算公式為：

(2)

式中：FVC為植被覆蓋度； NDVI為混合像元的NDVI值； NDVImax為純植被像元的最大NDVI值,理論上接近1； NDVImin為純非植被像元的最小NDVI值,理論上接近0。

受氣象要素、植被類型、季節等因素的影響，不同遙感影像的NDVImax和NDVImin存在一定差異。NDVImax和NDVImin通常取一定置信區間內NDVI最大值和最小值。目前，多數學者將置信區間設置為1%～99%和5%～95%[21-22]，本文根據實際情況，發現采用1%～99%的置信區間估算贛江上游植被覆蓋度更加準確。參考眾多植被覆蓋劃分的文獻[23-25]，結合研究區的實際情況，將植被覆蓋分為5級：Ⅰ低植被覆蓋(0%～10%)、Ⅱ較低植被覆蓋(10%～30%)、Ⅲ中度植被覆蓋(30%～50%)、Ⅳ較高植被覆蓋(50%～70%)、Ⅴ高植被覆蓋(70%～100%)。

2.2.2 Hurst指數分析 Hurst指數是定量描述時間序列信息長期依賴性的有效方法，最早由英國水文學家Hurst提出，可以用于預測未來植被覆蓋度的變化情況[26]。本文采用R/S(重標極差)分析法計算植被覆蓋度變化的Hurst指數，基本原理為：

對于時間序列{FVC(t)},t=1,2,…,n，定義均值序列為：

(3)

定義累積離差為：

(4)

定義極差為：

(5)

定義標準差為：

(6)

(7)

式中：H為Hurst指數；c為常數；τ為時間序列長度。

Hurst指數存在如下規律：①0.5

2.2.3 偏相關性分析 偏相關分析是指當兩個變量同時與第3個變量相關時，剔除第3個變量的影響，只分析這兩個變量的相關程度的過程[27]。計算公式為：

(8)

式中：y為植被覆蓋度；x1為計算相關性的變量；x2為固定變量。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時間變化特征

2000—2018年贛江上游平均植被覆蓋度隨時間變化趨勢見圖1。研究區植被覆蓋度呈顯著上升趨勢(p<0.001)，增速為5.21%/10 a。其中，2000年植被覆蓋度為60.53 %，為近19 a來最低值，而最高值為2018年的71.28%。這主要是因為2000年以來贛州市實施了限制礦產開采、植樹造林以及礦區復墾等有利于生態改善的措施。贛江上游地區素有八山一水半分田之稱，耕地面積少。贛江上游地區經濟不發達，勞動人口大多外出務工，棄耕現象較為嚴重，因而植被覆蓋度上升。

圖1 2000-2018年贛江上游平均植被覆蓋度時間變化趨勢

3.2 植被覆蓋度空間變化特征

3.2.1 空間分布特征 圖2為贛江上游不同時間段的平均植被覆蓋度空間分布。贛江上游總體植被覆蓋狀況良好，以高植被覆蓋為主，且呈現四周高中間低的分布特征。從圖2可以看出，從2000—2018年植被覆蓋度呈增加趨勢，2000—2006，2007—2012，2013—2018這3個時段的平均植被覆蓋度分別為62.71%，65.67%和69.24%，而2000—2018年的多年平均植被覆蓋度為66.13%。其中，低植被覆蓋區域占贛江上游總面積的0.87%，較低植被覆蓋區域占2.65%，中度植被覆蓋區域占12.93%，較高植被覆蓋區域占38.48%，高植被覆蓋區域占45.07%。贛江上游地勢周高中低、南高北低。低植被覆蓋地區主要位于贛州市區、贛縣城區、南康城區、于都縣城、寧都縣城、信豐縣城、興國縣城、會昌縣城、瑞金市區、龍南縣城等城鎮人口聚集區，而高植被覆蓋地區主要位于人類活動較少的中低山區。

圖2 2000-2018年贛江上游平均植被覆蓋度等級空間分布

3.2.2 空間趨勢特征 植被覆蓋度呈上升趨勢的占82.56%，主要分布在信豐縣中部、贛縣北部、興國縣南部。信豐縣近年來注重臍橙產業與生態環境的協調發展，重視對生態環境的保護，因此植被覆蓋度顯著增加。贛縣北部和興國縣南部植被覆蓋度顯著增加是因為限制礦產資源開采、植樹造林和礦區土地復墾政策的實施。植被覆蓋度呈下降趨勢的占17.44%，主要分布在贛州市中部、南康區中東部、瑞金市中部。贛州市中部、南康區中東部和瑞金市中部植被覆蓋度顯著減少是由于城市擴張。植被覆蓋度呈極顯著增加的占25.59%，呈顯著增加的占39.70%，呈極顯著減少的占1.32%，呈顯著減少的占2.46%，變化不顯著的占57.84%。其中，植被覆蓋度呈顯著增加的主要分布在贛縣北部、萬安縣南部、興國縣南部、信豐縣中部等地勢較低處，植被覆蓋度呈顯著減少的主要分布在贛州市中部、南康區中東部、瑞金市中部以及各個城市周邊。

3.2.3 植被覆蓋度穩定性 變異系數表示數據分布的離散性、波動性，變異系數值越大，表示數據分布越分散，波動性越大，變化越大，反之亦然。變異系數低于15%的為穩定區域，變異系數在15.00%～40.00%之間的為不穩定區域，變異系數高于40.00%的為極不穩定區域[12]。研究區植被覆蓋情況總體比較穩定，變異系數介于2.39%～107.75%之間，且平均變異系數為14.73%。其中，植被覆蓋度穩定區域占研究區總面積的64.98%，主要分布在四周山區，說明四周山區的植被覆蓋度變化最小。山區的人類活動較少，有利于植被生長，因此山區的植被覆蓋度變化最小。植被覆蓋度不穩定區域占33.04%，主要分布在南康區南部、信豐縣中部、于都縣北部、興國縣南部，說明這些地區的植被覆蓋度變化次之。植被覆蓋度極不穩定區域占1.99%，主要分布在信豐縣中部、南康區中部、于都縣中部、興國縣南部、瑞金市中部，說明這些地區的植被覆蓋度變化最劇烈。信豐縣近年來注重臍橙產業與生態環境的協調發展，加大對生態環境的保護，因此植被覆蓋度變化劇烈。南康區中部和瑞金市中部植被覆蓋度變化劇烈是由于城市擴張。于都縣中部和興國縣南部植被覆蓋度變化劇烈是因為植樹造林、封山育林以及礦區土地復墾政策的實施。

3.2.4 植被覆蓋度Hurst指數分析 2000—2018年贛江上游植被覆蓋度的Hurst指數空間分布見圖3。從圖3可以看到，研究區植被覆蓋度Hurst指數平均值為0.473 875，Hurst指數小于0.5的像元數占62.75%，Hurst指數大于0.5的像元數占37.25%。贛江上游植被變化反持續性要強于持續性，說明贛江上游植被覆蓋度未來將呈下降趨勢。其中，贛江上游植被覆蓋度呈強反持續性的像元數占9.64%，呈弱反持續性的像元數占53.11%，呈弱持續性的像元數占33.38%，呈強持續性的像元數占3.87%(見表1)。贛江上游植被變化總體上以弱反持續性為主，說明贛江上游植被覆蓋度未來將呈微弱下降趨勢。

表1 2 000-2018贛江上游植被覆蓋度變化可持續性統計

圖3 2000-2018年贛江上游植被覆蓋度Hurst指數空間分布

3.3 植被覆蓋度對氣候變化的響應

圖4為贛江上游2000—2018年植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的顯著性檢驗結果。從圖4上可以發現：植被覆蓋度與年均氣溫的平均偏相關系數為0.19。植被覆蓋度與年均溫呈正相關的占研究區總面積的75.83%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、寧都縣中部、會昌縣、于都縣東部、瑞金市西部、安遠縣北部、信豐縣中部、南康區西部和北部、萬安縣西南部，說明這些地區的植被覆蓋度受氣溫的影響較大。植被覆蓋度與年均溫呈負相關的占24.17%，主要分布在各城市及周邊地區。城市地區因熱島效應溫度較高，再加上頻繁的人類活動導致植被覆蓋度較低。植被覆蓋度與年均溫呈顯著正相關(p<0.05)的占14.18%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣東南部。植被覆蓋度與年均溫呈顯著負相關(p<0.05)的占1.41%，主要分布在贛州市區、瑞金市區、寧都縣城、龍南縣城、南康城區周邊(圖4a)。

植被覆蓋度與年降水量的平均偏相關系數為0.03。植被覆蓋度與年降水量呈正相關的占54.18%，主要分布在寧都縣中西部、于都縣北部、瑞金市西北部、崇義縣中部、石城縣中部，說明這些地區的植被覆蓋度受降水量的影響較大。植被覆蓋度與年降水量呈負相關的占45.82%，主要分布在河流附近。生長在河流附近的植被水分充足，降水增加匯入河流反而不利于河流附近的植被生長。植被覆蓋度與年降水量呈顯著正相關(p<0.05)的占1.92%，主要分布在寧都縣中西部、石城縣中部、崇義縣中部(圖4b)。植被覆蓋度與年降水量呈顯著負相關(p<0.05)的占0.96%。整體來看，贛江上游植被生長受氣溫影響要強于降水。氣溫升高往往伴隨晴朗少云天氣，輻射增加，有利于植被的生長。贛江上游流域降水豐沛，因此氣溫成為影響贛江上游植被生長的主要氣候因素。

植被覆蓋度與年均氣溫和年降水量的平均復相關系數為0.34。贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣南部、安遠北部的植被覆蓋度與年均溫和年降水量相關性較高，說明這些地區的植被覆蓋度受氣溫和降水量的綜合影響較大。植被覆蓋度與年均溫和年降水量呈顯著相關(p<0.05)的占25.81%，主要分布在贛縣北部、興國縣南部、于都縣東北部、寧都縣中部、石城縣中部、會昌縣、安遠縣北部、信豐縣東部(圖4c)。

4 討論與結論

本文基于MODIS NDVI數據、年均氣溫、年降水量數據，運用趨勢分析、變異系數、Hurst指數及相關分析等方法，分析了2000—2018年贛江上游植被覆蓋度時空演化及其對氣候變化的響應，主要結論如下：

(1) 時間上，2000—2018年贛江上游植被覆蓋度呈顯著(p<0.001)增加趨勢，增速為5.21%/10 a。空間上，贛江上游植被覆蓋度呈現四周高中間低的分布特征，以高植被覆蓋為主，多年平均植被覆蓋度為66.13%。其中，空間上呈極顯著增加、顯著增加、極顯著減少和顯著減少分別占25.59%，39.7%，1.32%和2.46%，變化不顯著的占57.84%。

(2) 贛江上游植被覆蓋總體上比較穩定，平均變異系數為14.73%。信豐縣中部、南康區中部、于都縣中部、興國縣南部和瑞金市中部植被覆蓋變化最大，南康區南部、信豐縣中部、于都縣北部和興國縣南部次之，四周山區植被覆蓋變化最小。Hurst分析顯示，植被變化反持續性要強于持續性，總體上以弱反持續性為主，Hurst指數平均值為0.47。

(3) 贛江上游植被生長總體上受氣溫的影響要強于降水量，贛縣北部、興國縣南部、寧都縣中部、會昌縣、于都縣東部、瑞金市西部、安遠縣北部、信豐縣中部、南康區西部和北部、萬安縣西南部的植被覆蓋度主要受氣溫影響，寧都縣中西部、于都縣北部、瑞金市西北部、崇義縣中部、石城縣中部的植被覆蓋度主要受降水量影響，而贛縣北部、興國縣南部、于都縣東部、會昌縣南部、安遠縣北部的植被覆蓋度主要受氣溫和降水量的綜合影響。

本文分析了贛江上游植被覆蓋度的時空演化及其對氣候變化的響應，然而影響贛江上游植被覆蓋度的因素有很多，如人類活動、海拔、坡度、坡向等。因此定量分析各個因素對植被覆蓋度的影響程度，對比各個因素的影響力大小，找到主要影響因素，針對主要影響因素采取相應措施，提高贛江上游的植被覆蓋度，更好地保護贛江上游的生態環境，將是下一步的研究重點。另外，研究中使用了MODIS NDVI數據，未使用多源NDVI數據進行相互驗證，不同NDVI數據的分辨率和質量不同，植被覆蓋度的估算結果也不同，今后將分析對比不同NDVI數據的植被覆蓋度計算結果，以得到更加準確的結果。