基于MODIS-歸一化植被指數(shù)的廣東省植被覆蓋與土地利用變化研究

王 思,張路路,林偉彪,黃秋森,宋亦心,葉 脈,*

1 廣東省環(huán)境科學(xué)研究院, 廣州 510045

2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030

隨著粵港澳大灣區(qū)國(guó)家戰(zhàn)略的提出及“一核一帶一區(qū)”區(qū)域發(fā)展新格局的構(gòu)建,廣東省的生態(tài)問(wèn)題得到廣泛關(guān)注。在粵港澳大灣區(qū)國(guó)家戰(zhàn)略中,廣東省承擔(dān)著大灣區(qū)生態(tài)保護(hù)屏障功能,其森林覆蓋率達(dá)59.08%[1],植被作為區(qū)域重要的生態(tài)屏障,對(duì)區(qū)域的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展起著不可替代的作用。植被覆蓋度(Fractional Vegetation Coverage, FVC)作為重要的生態(tài)氣候參數(shù)[2],區(qū)域地表植被覆蓋度的提取及變化分析,對(duì)揭示生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化、植被恢復(fù)和重建布局具有重要意義[3]。近年來(lái),遙感數(shù)據(jù)因其區(qū)域性及時(shí)效性等優(yōu)勢(shì)日漸成為區(qū)域植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)[4],由遙感數(shù)據(jù)反演的植被指數(shù)(VI)可以定量表達(dá)植被的生長(zhǎng)狀況,已被廣泛用于植被動(dòng)態(tài)的參數(shù)化表達(dá)[5]。歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)和增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)是目前反映植被生長(zhǎng)狀況常用的兩個(gè)植被指數(shù)[6—7]。其中,NDVI與植被分布密度呈顯著線性相關(guān),是研究植被覆蓋度的重要參數(shù)[8],也是應(yīng)用最為普遍的植被定量監(jiān)測(cè)指標(biāo)[9]。何全軍等[10]選取RVI、NDVI和EVI構(gòu)建廣東省植被指數(shù)序列并進(jìn)行相關(guān)植被指數(shù)的應(yīng)用分析,結(jié)果表明RVI和NDVI的相關(guān)性高且結(jié)果穩(wěn)定,是廣東省植被指數(shù)序列構(gòu)建的最佳選擇,而EVI具有數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象。

目前,基于遙感信息估算植被覆蓋度可歸納為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê椭脖恢笖?shù)轉(zhuǎn)換法。像元二分法是利用NDVI對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行提取的一種方法,很大程度上削弱了大氣、土壤背景和植被類(lèi)型的影響,普適性較好[11—12],是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)法。前人基于此已取得了大量成果:穆少杰等[13]探索了2001—2010年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度的空間格局和變化規(guī)律；李林葉等[14]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù),利用像元二分模型從區(qū)域和像元尺度分析了呼倫貝爾草原2000—2016年植被覆蓋度時(shí)空變化和驅(qū)動(dòng)機(jī)制；齊亞霄等[15]利用天山北坡2001—2015年MODIS-NDVI數(shù)據(jù),結(jié)合像元二分法進(jìn)行植被覆蓋度提取,并對(duì)其空間分布特征、隨時(shí)間及地形的動(dòng)態(tài)變化和面積加權(quán)重心進(jìn)行分析。

近年來(lái),廣東省作為沿海開(kāi)放省份,隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程快速推進(jìn),土地利用類(lèi)型發(fā)生較大變化,對(duì)廣東省植被覆蓋的空間格局也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。地學(xué)信息圖譜分析法通過(guò)圖譜單元來(lái)記錄時(shí)空復(fù)合信息[16],常用于土地利用變化的研究[17—18],然而,將土地利用變化圖譜與植被覆蓋變化相結(jié)合的研究鮮有報(bào)道。“一核一帶一區(qū)”區(qū)域發(fā)展新格局要求全省區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展,因此研究廣東省植被覆蓋變化及其與土地利用變化的相互驅(qū)動(dòng)關(guān)系對(duì)于地區(qū)植被覆蓋保持、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義?；诖?本文利用GIS技術(shù),結(jié)合NDVI數(shù)據(jù),采用像元二分模型對(duì)2000—2020年間廣東省植被覆蓋時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,并結(jié)合土地利用變化圖譜特征,探究土地利用與植被覆蓋之間的相互影響驅(qū)動(dòng)關(guān)系,以期為廣東省生態(tài)安全格局構(gòu)建及可持續(xù)發(fā)展決策提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

廣東省地處中國(guó)大陸的南端,位于109°45′—117°20′E和20°09′—25°31′N(xiāo)之間,現(xiàn)轄21個(gè)地市,地勢(shì)北高南低,地貌以山地、丘陵占優(yōu)勢(shì)[1,19](圖1)。廣東屬于東亞季風(fēng)區(qū),具有熱帶、亞熱帶季風(fēng)和海洋等氣候特點(diǎn),常年植被覆蓋較為豐富,地帶性植被以北熱帶季雨林、南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、中亞熱帶典型常綠闊葉林和沿海的紅樹(shù)林等為主[20]。作為改革開(kāi)放的排頭兵、先行地、實(shí)驗(yàn)區(qū),廣東省承擔(dān)著先行先試、敢為人先,率先建設(shè)生態(tài)文明、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生現(xiàn)代化的歷史使命[21]。

圖1 廣東省行政區(qū)劃

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天局NASA提供的MOD13Q1級(jí)產(chǎn)品(http://lpdaac.usgs.gov),為更準(zhǔn)確反映植被覆蓋狀況,選取植被生長(zhǎng)季(4—10月份)作為研究時(shí)段。時(shí)間范圍為2000(4月—10月)—2020(4月—10月),數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF,空間分辨率和時(shí)間分辨率分別為250 m和16 d。NDVI數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法如下:首先使用MRT(MODIS Reprojection Tools)工具進(jìn)行格式、投影轉(zhuǎn)換和波段提取,然后利用廣東省行政邊界進(jìn)行研究區(qū)提取,最后采用最大值合成法[10, 22—24]排除云和大氣等干擾得到年NDVI影像。

此外,文中使用的廣東省土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率1 km,選取2000年和2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)。本文旨在揭示廣東省植被覆蓋規(guī)律和與土地利用之間的響應(yīng)關(guān)系,植被覆蓋與土地利用數(shù)據(jù)之間分辨率的差異不會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響,因此未對(duì)兩者的分辨率進(jìn)行統(tǒng)一。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計(jì)算

植被覆蓋度和NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,通過(guò)建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可直接提取植被覆蓋度信息。像元二分模型[12—14]的原理:假設(shè)遙感傳感器所觀測(cè)到的每個(gè)像元的信息S可表達(dá)為由綠色植被部分所貢獻(xiàn)的信息Sv與由裸土部分所貢獻(xiàn)的信息兩部分組成,將S分解為Sv和Ss兩部分:

S=Sv+Ss

(1)

假設(shè)有植被覆蓋面積比例即為植被覆蓋度Ci,則裸土面積比例為1-Ci。如果全由植被所覆蓋的純像元所得的遙感信息為Sveg,則Sv=Ci×Sveg,同理得Ss=(1-Ci)×Ssoil,則:

S=Ci×Sveg+(1-Ci)×Ssoil

(2)

(3)

NDVI是反映地表植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)因子,利用植被覆蓋度和NDVI之間極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,在像元二分模型的基礎(chǔ)上對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行提取[15]?；谏鲜?2)、(3)反演得到21年植被覆蓋度的時(shí)間序列如下:

(4)

式中,NDVIV為植被覆蓋部分的NDVI值,NDVIS為土壤部分的NDVI值,Ci為植被覆蓋度。NDVIV和NDVIS的取值是像元二分模型應(yīng)用的關(guān)鍵,由于大氣云層、地表濕度和光照等條件的影響,NDVIS不再是一個(gè)接近于0的定值,其變化范圍通常在-0.1—0.2之間[13]。對(duì)于純植被像元來(lái)說(shuō),植被類(lèi)型及其構(gòu)成、植被的空間分布和植被生長(zhǎng)的季相變化都會(huì)造成NDVIV值的時(shí)空變異。結(jié)合實(shí)際情況,根據(jù)整幅影像上NDVI的灰度分布,選取累計(jì)頻率為0.5%的NDVI值為NDVIS,頻率為99.5%的NDVI值為NDVIV,最后得到2000—2020年的植被覆蓋度分布圖。

根據(jù)水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究[3,15],將植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí):<30%(低覆蓋度)、30%—45%(中低覆蓋度)、45%—60%(中等覆蓋度)、60%—75%(中高覆蓋度)、>75%(高覆蓋度)。

2.2 植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)

2.2.1趨勢(shì)分析

趨勢(shì)性分析是以單個(gè)像元的時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)反映整體空間變化規(guī)律,基于像元的一元線性回歸分析可模擬區(qū)域時(shí)空格局變化趨勢(shì)。利用ENVI的Layer Stacking工具對(duì)21年植被覆蓋度波段進(jìn)行合成,然后利用趨勢(shì)分析功能對(duì)21年植被覆蓋度進(jìn)行一元線性回歸,生成的多波段影像包含斜率、截距和R2。其計(jì)算公式為[25]:

(5)

式中,θslope為單個(gè)像元植被覆蓋度回歸方程的斜率；Ci為第i年的植被覆蓋度；n為檢測(cè)時(shí)段的年數(shù)；變量i從1到n,為研究時(shí)段年份的序號(hào)?；貧w方程的斜率(θslope)代表植被覆蓋度各柵格單元的變化趨勢(shì),當(dāng)θslope>0時(shí),表明該柵格單元所代表的植被覆蓋度隨時(shí)間變化而增大,反之當(dāng)θslope<0時(shí),表明該柵格單元所代表的植被覆蓋度隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)。

2.2.2顯著性檢驗(yàn)

采用F檢驗(yàn)對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),P<0.01為極顯著變化,0.010.05為不顯著變化[26, 27]。統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如下:

(6)

2.3 土地利用變化圖譜分析

2.3.1建立土地利用變化圖譜

目前主要是通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加,以反映一定時(shí)期內(nèi)的土地利用格局變化,而圖譜就是“空間與過(guò)程”研究的時(shí)空復(fù)合體。因此,借鑒已有的圖譜融合方法[28—29],對(duì)前后兩期土地利用類(lèi)型的圖譜單元代碼按照地圖代數(shù)疊加運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)圖譜融合,從而記錄圖譜單元的演化過(guò)程。具體操作為:

C=10×A+B

(7)

式中,C為表征研究時(shí)段內(nèi)土地利用方式演化特征的圖譜單元柵格圖；A為前一時(shí)期即2000年廣東省土地利用類(lèi)型的圖譜單元柵格屬性值；B為后一時(shí)期即2020年廣東省土地利用類(lèi)型的圖譜單元柵格屬性值。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本文基于耕地,林地,草地,水域,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用地6個(gè)一級(jí)土地利用類(lèi)型對(duì)2000年、2010年和2020年三期圖譜單元進(jìn)行融合,由此得到廣東省2000—2020年的土地利用變化圖譜和2000—2010—2020年土地利用變化模式圖譜特征。

2.3.2土地利用變化圖譜特征分析

為了更明顯表現(xiàn)土地利用類(lèi)型圖譜單元的變化特征,引入土地利用變化的變化比率和空間分離度指標(biāo)。變化比率表示某種土地利用變化類(lèi)型的圖譜單元面積占研究區(qū)內(nèi)所有土地利用變化類(lèi)型圖譜單元總面積的比率；空間分離度描述圖譜單元在空間分布上的分散程度,分離度越大,圖譜單元在空間上分布越離散。計(jì)算公式如下[30]:

(8)

(9)

式中,Cij、Fij分別表示變化比率和空間分離度；Nij、Aij分別表示初期(t)第i種土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)槟┢?t+Δt)第j種土地利用類(lèi)型的圖譜單元數(shù)和面積；n是土地利用類(lèi)型的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋空間分異及年際變化

3.1.1植被覆蓋度的空間分布特征

利用廣東省2000—2020年的植被覆蓋度圖,計(jì)算得到多年平均植被覆蓋度圖(圖2)?？梢钥闯?廣東省85%以上的區(qū)域處于中高植被覆蓋度及以上,中等植被覆蓋度、中低植被覆蓋度和低植被覆蓋度分別占研究區(qū)總面積的6.27%、3.66%和4.37%。從空間分布來(lái)看,廣東省植被覆蓋空間集聚性顯著,高植被覆蓋區(qū)主要分布在粵北地區(qū)(梅州、清遠(yuǎn)、河源、韶關(guān)、云浮5市),因粵北地區(qū)以丘陵、山地為主,是原生型亞熱帶常綠闊葉林、天然針葉林的集中分布區(qū),植被覆蓋度遠(yuǎn)高于全省其他地區(qū)；粵西地區(qū)(湛江、茂名、陽(yáng)江3市)是全省熱量資源最豐富的區(qū)域,植被種類(lèi)豐富,植被覆蓋度僅次于粵北地區(qū)；粵東地區(qū)(潮州、揭陽(yáng)、汕頭、汕尾4市)是廣東省人口密度較大的地區(qū),頻繁的人類(lèi)活動(dòng)使得區(qū)域原生植被保存受到影響,植被覆蓋度低于粵北、粵西地區(qū)[31]；而低植被覆蓋區(qū)則主要集中在珠三角地區(qū),這與廣東省的地勢(shì)特征、城市化進(jìn)程以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的區(qū)域差異密切相關(guān)[32]。

圖2 廣東省年平均植被覆蓋度空間分布圖

3.1.2植被覆蓋度的年際變化特征

對(duì)研究區(qū)2000—2020年4—10月的平均植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(圖3),2000—2020年廣東省平均植被覆蓋度在0.7和0.76之間變化,整體以0.23%/a的變化率呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)研究區(qū)不同等級(jí)的植被覆蓋度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖4),結(jié)果發(fā)現(xiàn):2000—2020年間,研究區(qū)的高植被覆蓋度面積大致呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),中高植被覆蓋度面積呈減少趨勢(shì),中等、中低和低植被覆蓋度面積呈波動(dòng)狀態(tài)。其中:(1)高植被覆蓋度所占比例在46%—67%,2000年占比最低,2020年達(dá)最高；(2)中高植被覆蓋度所占比例在18%—36%,2000年占比最高,2020年達(dá)最低；(3)中等、中低和低植被覆蓋度所占比例在14%—18%之間波動(dòng),其中2000年為最高,占17.83%；2016年達(dá)最低,為13.93%?？傮w來(lái)看,高植被覆蓋度所占比例呈逐漸增加的趨勢(shì),這與廣東省2000—2018年NDVI的時(shí)空變化趨勢(shì)一致[1]。

圖3 2000—2020年研究區(qū)平均植被覆蓋度變化趨勢(shì)

圖4 不同等級(jí)植被覆蓋度年際變化圖

由于年際變化是所有像元進(jìn)行平均的結(jié)果,為深入分析植被覆蓋變化趨勢(shì)的空間差異,對(duì)2000—2020年植被覆蓋度進(jìn)行逐像元線性擬合。結(jié)果發(fā)現(xiàn):植被覆蓋極顯著退化的區(qū)域主要集中分布在珠三角、粵東沿海和粵西沿海等地,增幅較大的區(qū)域則零散分布在各個(gè)地市。F檢驗(yàn)表明,絕大部分像元植被覆蓋度不存在顯著的增減趨勢(shì)(圖5),呈極顯著和顯著改善的像元占比36.92%,呈極顯著和顯著退化的像元占比5.84%(表1)。

表1 植被覆蓋度變化的顯著性統(tǒng)計(jì)

圖5 廣東省植被動(dòng)態(tài)變化

為了進(jìn)一步比較各地市植被覆蓋度的年際變化差異,對(duì)廣東省、珠三角、粵東、粵西和粵北地區(qū)植被覆蓋顯著變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。結(jié)果表明:廣東省極顯著或顯著改善面積大于退化面積,整體呈改善狀態(tài)；從各地區(qū)來(lái)看,極顯著和顯著改善區(qū)主要集中在粵北地區(qū),極顯著和顯著退化區(qū)則主要集中在珠三角地區(qū)；從面積差來(lái)看,粵北地區(qū)極顯著變化面積差最大,占廣東省的44.9%,顯著變化面積差占比52.8%。這表明廣東省近21年的植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)取得了一定成果,主要集中分布在粵北地區(qū)。

表2 2000—2020年廣東省各地區(qū)植被覆蓋面積變化/km2

3.2 土地利用變化圖譜特征

3.2.1圖譜單元的數(shù)量變化特征

2000—2020年,廣東省土地利用變化的總面積達(dá)57341 km2,存在30類(lèi)土地利用變化圖譜(表3、圖6)。從變化比率看,耕地和林地的相互轉(zhuǎn)化(編碼12和21)占土地利用變化總量的45.6%,是該時(shí)段廣東省最主要的土地利用變化類(lèi)型。被占用與補(bǔ)充比率相差最大的為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地,被占用比率(7.83%)小于補(bǔ)充比率(16.49%),相差8.7%,呈現(xiàn)以城鄉(xiāng)、工礦、居民用地?cái)U(kuò)張為主要特征；其次為耕地:耕地累計(jì)被占用比率為(38.84%)大于補(bǔ)充比率(33.33%),相差5.5%,這說(shuō)明耕地轉(zhuǎn)換過(guò)程被占用大于補(bǔ)充,耕地?cái)?shù)量?jī)魷p少；林地被占用規(guī)模也較明顯:林地被占用比率(35.76%)大于補(bǔ)充比率(33.1%),相差2.7%；草地、水域和未利用地被占用和補(bǔ)充比率差較小,整體變化不大。廣東省整體呈現(xiàn)耕地和林地被占用,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地補(bǔ)充的土地利用變化特征。

表3 2000—2020年各土地利用類(lèi)型累計(jì)變化情況

從圖譜單元的變化比率和空間分離度來(lái)看(圖6),耕地與林地(編碼12、21)、耕地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼15、51)和林地與草地(編碼23、32)互換的分離度最低且相近；未利用地與林地,草地,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地,水域之間的相互轉(zhuǎn)化較少,變化比率均小于0.1%,而空間分離度較大,說(shuō)明相關(guān)變化圖譜單元在區(qū)域上占比較小,分布較分散。

圖6 廣東省土地利用變化圖譜單元的變化比率和空間分離度

基于表3的分析,用補(bǔ)充比率減去被占用比率得到補(bǔ)充和占用比率差,對(duì)廣東省21個(gè)地市耕地和林地,草地,水域,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的比率差逐個(gè)進(jìn)行分析(圖7),發(fā)現(xiàn):(1)各地市耕地和林地面積補(bǔ)充和占用比率差均小于0,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比率差均大于0,草地和水域的比率差在0上下浮動(dòng),說(shuō)明廣東省整體耕地和林地整體面積減少,城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增加,草地和水域面積變化不大,與之前結(jié)論相符；(2)除去肇慶、珠海、佛山等地,耕地和林地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化曲線基本以x軸為軸對(duì)稱(chēng),說(shuō)明被占用的耕地和林地面積用于補(bǔ)充城鄉(xiāng)、工礦、居民用地；(3)相比其他地區(qū),珠三角地區(qū)占用大量的耕地和林地用于發(fā)展城鄉(xiāng)、工礦、居民用地,以廣州、東莞最為顯著。總的來(lái)說(shuō),廣東省呈現(xiàn)占用耕地和林地轉(zhuǎn)換成城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的顯著特征,以珠三角地區(qū)最為顯著。

圖7 廣東省各地市不同土地利用類(lèi)型面積補(bǔ)充與占用比率差

3.2.2耕地和林地變化模式的圖譜特征

為了進(jìn)一步研究耕地和林地利用變化模式,通過(guò)融合2000、2010和2020年3期土地利用數(shù)據(jù),構(gòu)建耕地和林地利用變化模式圖譜。由表4可知,全省耕地利用變化模式以后期變化和前期變化為主,反復(fù)變化次之,持續(xù)變化所占比例較小；林地利用變化模式則有所不同,以后期變化為主要變化類(lèi)型,反復(fù)變化次之,前期變化和持續(xù)變化所占比例較小。

表4 耕地和林地利用變化模式圖譜特征

(1)前期變化型。前期變化型模式指土地僅在2000—2010年間出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的類(lèi)型。在耕地的前期變化模式中,“耕地→林地→林地(編碼122)”(75.1%)和“耕地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼155)”(16.5%)占本階段轉(zhuǎn)移總面積的91.6%,其中以“耕地→林地→林地(編碼122)”為主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型,面積達(dá)7269.8 km2；在林地的前期變化模式中,“林地→耕地→耕地(編碼211)”(70.8%)為主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型,面積約為3534.8 km2,遠(yuǎn)小于“耕地→林地→林地(編碼122)”,其次為“林地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼255)”(12.8%)。

(2)后期變化型。后期變化型模式指土地僅在2010—2020年間出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的類(lèi)型。耕地的后期變化型模式中“耕地→耕地→林地(編碼112)”(52%)和“耕地→耕地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼115)”(29%)占本階段轉(zhuǎn)移總面積的81%,林地則以“林地→林地→耕地(編碼221)”(63.8%)和“林地→林地→草地(編碼223)”(19.7%)為主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型。

(3)反復(fù)變化型和持續(xù)變化型。反復(fù)變化型是指土地僅在2010年發(fā)生轉(zhuǎn)移,2000和2020年土地利用類(lèi)型保持一致；持續(xù)變化型指土地在2000—2010年間持續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)移。耕地和林地的反復(fù)變化模式分別以“耕地→林地→耕地(編碼121)”(61.4%)和“林地→耕地→林地(編碼212)”(67.3%)為主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型；持續(xù)變化型模式則分別以“耕地→林地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼125)”(23.4%)和“林地→耕地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼215)”(24.1%)為主要轉(zhuǎn)移類(lèi)型。

結(jié)合耕地和林地的四種土地利用類(lèi)型變化模式,可見(jiàn)城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在耕地和林地的占用和補(bǔ)充過(guò)程中起了重要的作用,反映出城鄉(xiāng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)耕地和林地的大量占用。

3.3 植被動(dòng)態(tài)與土地利用變化響應(yīng)

結(jié)合2000—2020年廣東省植被動(dòng)態(tài)變化及土地利用變化特征來(lái)看(圖5、圖8),改善是最主要的植被動(dòng)態(tài)變化形式,占比高達(dá)78%。植被改善區(qū)以耕地和林地、林地和草地的相互轉(zhuǎn)化為主,說(shuō)明土地利用類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)化會(huì)使得植被覆蓋發(fā)生變化。土地利用變化圖譜中變化最為顯著的是“耕地→林地(編碼12)”圖譜單元類(lèi)型,分布相對(duì)分散；其次圖譜變化比較明顯的是“耕地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼15)”、“林地→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼25)”、“耕地→水域(編碼14)”、“水域→耕地(編碼41)”和“水域→城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(編碼45)”,主要集中分布在珠三角、粵東沿海和粵西沿海等地,與植被覆蓋顯著和極顯著退化區(qū)的分布相似(圖5),說(shuō)明向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化是造成植被覆蓋退化的主要原因。

圖8 2000—2020年廣東省土地利用變化圖譜

通過(guò)2000年、2010年和2020年不同土地利用類(lèi)型的植被覆蓋度變化分析可知(圖9)不同土地利用類(lèi)型面積占比發(fā)生明顯變化,耕地面積先減后增,整體呈減少趨勢(shì),這與耕地的前期變化型模式保持一致,主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)化為林地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地；林地面積先增后減,總面積有所減少,這與耕地和林地前后期的互相轉(zhuǎn)化有關(guān)；草地和水域面積變化不大；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì),總面積明顯增加。各土地利用類(lèi)型的植被覆蓋度存在明顯差異,其中耕地、林地和草地以中高植被覆蓋度及以上為主。2000—2020年間,耕地、林地和草地高植被覆蓋占比持續(xù)增加,中高和中等植被覆蓋占比持續(xù)減少,其中林地以高覆蓋為主,高植被覆蓋面積顯著增加；水域和城鄉(xiāng)用地都以低覆蓋為主。結(jié)合植被覆蓋度明顯的上升趨勢(shì)分析,各土地利用類(lèi)型對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)各異,以林地的貢獻(xiàn)最大。

綜合圖5、圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn):(1)城市化進(jìn)程導(dǎo)致耕地、林地等向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化,使得植被覆蓋發(fā)生退化；(2)在生態(tài)城市指引下帶來(lái)的林地面積的恢復(fù)令城市綠化度增加,進(jìn)而改善植被覆蓋。

圖9 2000和2020年廣東省不同土地利用類(lèi)型的植被覆蓋度面積占比

4 討論與結(jié)論

作為衡量地區(qū)生態(tài)的重要因子,由于不同研究采取的置信度水平存在差異可能造成結(jié)果的差異,但基本都是利用NDVI和植被覆蓋度的正相關(guān)關(guān)系進(jìn)行提取[15]。過(guò)去已有大量研究運(yùn)用不同數(shù)據(jù)源從不同時(shí)間和空間尺度對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究[1,33],得出我國(guó)和廣東省總體植被覆蓋逐漸綠化的趨勢(shì)。

4.1 討論

近年來(lái),廣東深入落實(shí)自然資源“兩統(tǒng)一”職責(zé),推動(dòng)新時(shí)代廣東生態(tài)保護(hù)修復(fù)取得良好成效[21],植被覆蓋整體呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。圍繞廣東省“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控方案和“一核一帶一區(qū)”區(qū)域發(fā)展新格局,結(jié)合本文研究結(jié)果,對(duì)珠三角核心區(qū)、沿海經(jīng)濟(jì)帶和北部生態(tài)發(fā)展區(qū)實(shí)施差異性生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略。

(1)珠三角核心區(qū)對(duì)標(biāo)國(guó)際一流灣區(qū),強(qiáng)化創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和綠色引領(lǐng),實(shí)施更嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求。珠三角地區(qū)植被覆蓋較低,呈現(xiàn)“總體改善、部分退化”的顯著變化趨勢(shì)。植被退化區(qū)主要表現(xiàn)為大量的耕地和林地向城鄉(xiāng)、工況、居民用地轉(zhuǎn)化,說(shuō)明想要推進(jìn)珠三角地區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作,必須重點(diǎn)加強(qiáng)城市空間與綠地系統(tǒng)、生態(tài)空間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào),以“逆城鎮(zhèn)化”的發(fā)展趨勢(shì),推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高端化發(fā)展和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量協(xié)調(diào)化提升。生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域主要集中在珠三角核心區(qū),實(shí)施生態(tài)建設(shè)和生態(tài)修復(fù),在保護(hù)生態(tài)空間的基礎(chǔ)上合理開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)[36]。

(2)沿海經(jīng)濟(jì)帶主要包含珠三角沿海7市和粵東、粵西地區(qū)。粵東、粵西地區(qū)植被覆蓋較高,沿海少部分區(qū)域呈現(xiàn)植被退化趨勢(shì)。沿海經(jīng)濟(jì)帶東西兩翼地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展介于珠三角核心區(qū)和北部生態(tài)發(fā)展區(qū)之間,發(fā)展不平衡不充分的問(wèn)題較為突出,遠(yuǎn)未達(dá)到珠三角沿海地區(qū)發(fā)展水平。對(duì)于沿海經(jīng)濟(jì)帶而言,堅(jiān)持新型城鎮(zhèn)化的建設(shè)道路,在推進(jìn)環(huán)境治理項(xiàng)目、應(yīng)用綠色科技的基礎(chǔ)上,充分利用珠三角中心的輻射作用,發(fā)揮地區(qū)特色和資源稟賦,最大化減少產(chǎn)業(yè)同質(zhì)化,打造生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū),實(shí)現(xiàn)生態(tài)價(jià)值提升和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的匹配。

(3)北部生態(tài)發(fā)展區(qū)即粵北地區(qū),其大部分區(qū)域?yàn)閮?yōu)先保護(hù)單元,以維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)功能為主,禁止或限制大規(guī)模、高強(qiáng)度的工業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)。北部生態(tài)發(fā)展區(qū),作為廣東省的重點(diǎn)生態(tài)屏障,以中高和高植被覆蓋為主,整體呈現(xiàn)為植被改善。隨著生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控方案的落實(shí),北部生態(tài)發(fā)展區(qū)將保持植被改善的發(fā)展態(tài)勢(shì),打造廣東生態(tài)安全屏障。然而,如何在高生態(tài)保護(hù)水平的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展,是北部生態(tài)發(fā)展區(qū)面臨的重大課題。立足北部生態(tài)發(fā)展區(qū)的生態(tài)功能定位,堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化和生態(tài)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí),健全生態(tài)補(bǔ)償體制機(jī)制,實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。

習(xí)近平總書(shū)記的重要論述表明,新時(shí)代我們要協(xié)調(diào)好新型城鎮(zhèn)化、逆城鎮(zhèn)化和鄉(xiāng)村振興的關(guān)系[37],以差異性生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略和產(chǎn)業(yè)化、高端化和綠色化的發(fā)展思路,實(shí)現(xiàn)廣東省生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)水平的協(xié)同發(fā)展。

4.2 結(jié)論

本文基于2000—2020年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分析了廣東省近21年植被覆蓋變化特征,并結(jié)合土地利用變化圖譜,探究土地利用與植被覆蓋度之間的相互影響驅(qū)動(dòng)關(guān)系,得出以下結(jié)論:

(1)廣東省多年平均植被覆蓋度介于0.7—0.76,85%以上的區(qū)域處于中高植被覆蓋度及以上,植被空間集聚性特征顯著,高植被覆蓋區(qū)主要分布在粵北地區(qū),低植被覆蓋區(qū)則主要集中在珠三角區(qū)域,這與廣東省的地勢(shì)特征、土地利用類(lèi)型、城市化進(jìn)程以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的區(qū)域差異密切相關(guān)。廣東省植被覆蓋度整體以0.23%/a的變化率呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì),高植被覆蓋區(qū)面積逐年增加,全省植被呈正增長(zhǎng)的區(qū)域面積占比達(dá)78.18%；近5.84%的區(qū)域發(fā)生顯著或極顯著退化,主要集中于佛山、中山、廣州、東莞等珠三角核心城市。隨著廣東省沿海地區(qū)低端產(chǎn)業(yè)向中部、北部轉(zhuǎn)移以及經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加速,導(dǎo)致廣東省中等植被覆蓋度區(qū)域向中部的肇慶、清遠(yuǎn)、惠州、云浮擴(kuò)散,較高、高植被覆蓋區(qū)域逐漸向北部和東部方向轉(zhuǎn)移,其中高植被覆蓋區(qū)域退縮到經(jīng)濟(jì)較為落后但森林資源豐富的粵北部,如韶關(guān)、河源、梅州一帶[33]。

(2)廣東省的土地利用類(lèi)型變化主要呈現(xiàn)以下3個(gè)特征:①耕地和林地的相互轉(zhuǎn)化是2000—2020年廣東省主要的土地利用變化類(lèi)型；②珠三角、粵東和粵西沿海地區(qū)的土地利用變化類(lèi)型以占用耕地和林地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化為主；③城鄉(xiāng)、工礦、居民用地在耕地和林地的占用和補(bǔ)充過(guò)程中起了重要的作用,反映出城鄉(xiāng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)耕地和林地的大量占用。

(3)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明,人為活動(dòng)主導(dǎo)下的土地利用變化與自然環(huán)境因子的時(shí)空分異構(gòu)成了區(qū)域植被覆蓋變化的重要驅(qū)動(dòng)力來(lái)源[34]。土地利用變化對(duì)于植被覆蓋變化的影響主要源于土地轉(zhuǎn)移過(guò)程中短時(shí)限的人為干擾和轉(zhuǎn)移完成后較長(zhǎng)時(shí)限的用地功能變化,往往表現(xiàn)為群落物種組成、生物生產(chǎn)能力、生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型等方面的綜合變化[35],并在較大尺度上表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異特征。研究結(jié)果也表明,研究區(qū)植被覆蓋度的變化與土地利用變化存在響應(yīng)聯(lián)系,土地利用變化是研究區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的重要影響因素之一。各土地利用類(lèi)型對(duì)植被覆蓋度的貢獻(xiàn)各異,以林地的貢獻(xiàn)最大；向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化的圖譜與植被顯著和極顯著退化區(qū)高度重合,說(shuō)明耕地和林地向城鄉(xiāng)、工礦、居民用地轉(zhuǎn)化是造成植被覆蓋退化的主要原因。