2012—2021年粵港澳大灣區植被NDVI時空變化及其對氣候響應

付 翔,劉 昊

(安徽理工大學空間信息與測繪工程學院,安徽 淮南 232001)

植被是構成陸地生態系統的主體,是連接土壤、水分和大氣等環境要素的自然紐帶,對于維持生態平衡、調節水循環、促進物質和能量流動具有重要作用[1-2]。在全球氣候多變的背景下,植被變化在很大程度上直接影響區域的生態環境[3]。氣候因素在對生態環境的影響中起著敏感性指標作用,研究植被變化及其響應機制對區域生態環境保護機制的制定和如何有效開展生態恢復具有重要意義。

歸一化植被指數 (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 是植物生長狀況和植被覆蓋的最佳指示因子,可以有效監測植被覆蓋的動態變化[4-6]。植被NDVI時空變化特征是衡量城市生態環境的重要指標之一,秉持“生態優先,綠色發展”理念,城市生態環境問題已成為當前的研究熱點。目前,城市區域的植被變化及其對氣候響應的研究也在不斷深入[7-8]。李茜榮等[9]利用一元線性回歸趨勢分析方法分析了成渝經濟圈植被覆蓋變化,并結合了氣象數據分析了植被NDVI與氣候的響應關系;劉煒等[10]運用趨勢分析與多元回歸殘差分析等方法,對貴州省生長季植被NDVI的變化及其驅動因素進行了定性與定量分析,發現多數地區植被恢復受氣候變化和人類活動的共同影響;張鵬騫等[11]運用近20年植被NDVI影像數據分析了京津冀不同功能區和北京市的時空變化特征及植被狀況改善情況。然而,以上研究通常將區域作為一個整體分析,很少考慮從不同城市的發展模式和植被狀況存在差異的角度分析植被變化,且內陸地區與沿海地區植被受氣候的影響也存在差異性。

近年來,粵港澳大灣區植被覆蓋大幅降低,造成生態系統穩定性較差,引起了一系列生態環境問題,生態環境問題是制約城市可持續發展的瓶頸因素,探討植被變化和對氣候的響應可以反映地區自然生態系統的演變規律,從而采取有效的措施加大生態環境保護。本文研究基于粵港澳大灣區城市群,利用Sen+MK趨勢分析、變異系數和相關性分析等方法,對2012—2021年植被NDVI的變化特征及其氣候響應進行了分析,以期為粵港澳灣區生態恢復和區域綠色可持續發展提供理論參考和科學依據。

1 研究區概況

粵港澳大灣區為“9+2”模式,其中包括廣東省廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個珠三角城市和香港、澳門2個特別行政區,總面積5.6萬km2,2021年總人口達到8 669.23萬人,是中國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一。大灣區地理條件優越,東、西、北三面環山,中部平原廣闊,南部珠江入海口與南海相連,全區丘陵、山地、臺地與平原錯落,屬亞熱帶季風氣候,具有光照充足、夏季時間長、霜凍期短、降水豐富等氣候特征。年平均氣溫21～22 ℃,年降雨量1 600～2 000 mm,雨季主要在4—9月,降水量占全年80%左右。

圖1 研究區概況

2 數據來源及處理

MOD13A3 逐月NDVI數據主要來源于NASA (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/) ,空間分辨率為1 km,時間分辨率為每月,影像數據跨度2012—2021年。氣象數據主要來源于國家地球科學數據中心提供的2012—2020年中國氣象站點逐月柵格數據集,包括降水量、平均氣溫等。數據處理包括影像裁剪、重采樣、去異常值、月數據使用最大值合成法得到年數據等過程。

3 研究方法

3.1 Sen趨勢分析和MK顯著性檢驗

Sen趨勢分析是一種非參數統計的斜率估計方法,因其受異常值影響小,常用于分析長時間序列植被NDVI數據的趨勢變化特征[12]。見式(1):

(1)

式中β——植被NDVI變化趨勢值;i、j——時間序列;Xi、Xj——第i、第j年植被的NDVI值。

當β>0時,植被NDVI在i—j時間序列內呈上升趨勢;當β<0時,植被NDVI在i—j時間序列內呈下降趨勢。

Mann-Kendall (MK) 非參數檢驗結合Sen斜率估計常被用于長時間序列數據的趨勢分析中。MK檢驗無需樣本服從正態分布,且不受異常值和缺失值的影響,因此常用于分析降雨、氣溫、徑流和植被等要素時間序列的趨勢變化。對于時間序列Xi,MK標準化檢驗統計量Z定義見式(2):

(2)

式中S為檢驗的統計變量,計算見式(3)—(5):

(3)

(4)

(5)

式中n為序列長度。

MK檢驗采用雙邊趨勢檢驗,在給定顯著性水平下,當|Z| ≤Z1-α/2時,接受原假設,即趨勢不顯著;若|Z|>Z1-α/2,則拒絕原假設,即認為趨勢顯著。本文依次選取α=0.05與0.01,當|Z|>1.96和|Z|>2.58時,則表示Sen趨勢分析值分別通過了信度為95%和99%的MK顯著性檢驗。趨勢顯著性的標準等級劃分具體如下:β>0時,|Z|≥2.58表示為極顯著增加,2.58>|Z|≥1.96表示顯著增加,1.96>|Z|≥0表示不顯著增加;β<0時,|Z|≥2.58表示為極顯著減少,2.58>|Z|≥1.96表示顯著減少,1.96>|Z|≥0表示不顯著減少。

3.2 變異系數(CV)穩定性分析

本文基于像元尺度計算植被NDVI的變異系數,用于評估在時間序列上的穩定性[13]。

其計算見式(6):

(6)

式中σ——NDVI標準差;μ——NDVI平均值。

當CV值越大,表示數據波動性越大,植被NDVI年際變化越大;反之,數據波動性較小,植被NDVI年際變化較為穩定。利用自然間斷點分級法將植被NDVI的穩定性分成5類:低波動變化(CV<0.05)、較低波動變化(CV為0.05～0.10)、中度波動變化(CV為0.10～0.15)、較高波動變化(CV為0.15～0.20)和高波動變化(CV>0.20)。

3.3 相關性分析

為了探究氣候因素對NDVI的影響,在像元尺度上計算年時間序列數據NDVI與氣溫、降水變化趨勢的相關性,并進行顯著性檢驗,分析粵港澳大灣區植被生長對氣候變化的響應[14-15]。計算見式(7):

(7)

4 結果分析與討論

4.1 粵港澳大灣區植被NDVI時間變化分析

基于像元尺度計算的2012—2021年粵港澳大灣區年際植被NDVI通過了95%顯著性檢驗,其變化趨勢(圖2a),歸一化植被指數NDVI時間變化呈波動上升趨勢,上升斜率為0.003 5 /a。2012—2017年植被NDVI處于上升階段,植被的改善持續性明顯;2017年以后粵港澳大灣區年平均溫度持續上升,干旱時期長,植被NDVI總體穩定在0.62上下,其中,由于2019年平均溫度異常偏高,不利于植被的生長,植被 NDVI較往年有明顯的降低。2012—2021年粵港澳大灣區的多年平均NDVI (圖2b),植被NDVI在0.003～0.860,平均值為0.614,NDVI空間異質性明顯,空間分布格局為四周高、中間低的特征。

a)NDVI年際變化

b)NDVI空間分布

為了進一步探討不同植被覆蓋尺度下各城市植被NDVI的變化趨勢,將通過95%顯著性檢驗的植被NDVI分為NDVI>0.5(圖3a)和NDVI<0.5(圖3b)2種尺度進行對比分析。由圖3a可知,植被NDVI>0.5的城市在10年內均呈上升趨勢,其中肇慶市植被覆蓋度最高,NDVI上升趨勢最快,增長速率為0.005 6 /a;其次惠州市、香港、江門市和深圳市增長速率均大于0.002 /a;廣州市植被NDVI上升趨勢最緩,增長速率僅為0.001 1 /a。平均NDVI<0.5的城市中,佛山市和珠海市地區植被NDVI上升趨勢較快,增長速率分別為0.003 4、0.003 3 /a,東莞市和中山市的增長速率低于0.001 /a,澳門地區植被覆蓋度最低,植被NDVI增長速率為0.002 7 /a。植被NDVI>0.5的整個區域平均增長速率為0.002 9 /a,NDVI<0.5的整個區域平均增長速率為0.002 2 /a,由此表明植被覆蓋度高的地區其NDVI增長速率大于覆蓋度低的地區,植被變化也較為穩定。

a)NDVI>0.5

b) NDVI<0.5

4.2 粵港澳大灣區植被NDVI空間變化分析

2012—2021年粵港澳大灣區植被NDVI變化趨勢(圖4a)和顯著性檢驗空間變化特征(圖4b)基本一致。由圖4a可知,NDVI變化斜率為-0.033～0.035 /a,其中正增長趨勢主要分布在大灣區四周的丘陵、山地和平原地帶,負增長趨勢主要集中在中部的城市中心地帶。大灣區植被NDVI平均增長速率為0.003 3 /a,整體上保持緩慢的正增長態勢。

a)NDVI變化趨勢

b)NDVI顯著性檢驗

為了對比粵港澳大灣區各城市植被NDVI的顯著性變化面積,分別基于柵格像元計算了其占比面積 (表1)。從表1可知,粵港澳大灣區植被NDVI呈增長趨勢的面積占比為77.81%,其中極顯著增加和顯著增加的面積占比為30.42%,肇慶地區的植被NDVI極顯著增加面積占總面積比例最大,為42.84%,佛山市次之(22.11%),植被改善態勢顯著;而呈極顯著下降趨勢的面積占其總面積的2.62%,其主要分布在廣州、東莞和中山地區。珠江兩岸沿線的城市地區,植被NDVI的增加趨勢相對緩慢,且局部發生了退化情況。

表1 2012—2021年粵港澳大灣區植被NDVI顯著性變化面積占比統計 %

大灣區不同地區的植被NDVI平均變化趨勢見圖5,肇慶市增長速率為0.005 8 /a,增長速率最快,據肇慶市林業局統計資料顯示,肇慶市中低山丘陵占全市土地面積81%,森林覆蓋率由70.34%(2015年)增加到70.73%(2020年),植被覆蓋改善良好;其次為珠海市,增長速率為0.003 5 /a,高于大灣區平均增長速率;江門市和佛山市增長速率與大灣區平均增長速率趨于一致;中山市和東莞市增長速率最小,增長速率為0.000 8 /a且主要分布于其中部地區。

圖5 2012—2021年粵港澳大灣區不同地區植被NDVI變化趨勢

4.3 粵港澳大灣區植被NDVI變異系數分析

由圖6可知,2012—2021年粵港澳大灣區植物NDVI總體穩定性良好,平均變異系數為0.054 8。低波動變化和較低波動變化的面積占比為89.94%,其中低波動變化主要分布在惠州、廣州、肇慶、香港、江門地區。中波動變化、較高波動變化和高波動變化面積占比為10.06%,主要分布在佛山、中山、珠海、深圳、東莞、惠州中部和廣州南部。為了比較各城市植被NDVI的穩定性,分別計算了其變異系數不同波動變化的百分比 (圖7),由圖可知,中山、珠海和澳門3個地區的植被NDVI波動變化,其植被NDVI中等波動變化、較高波動變化和高波動變化的面積分別占其總面積的26.1%、30.4%和48.1%,植被NDVI的穩定性偏低,其余城市植被NDVI穩定性較好,平均變異系數為0.057～0.079,其中,廣州、香港和深圳植被NDVI低波動變化和較低波動變化的區域面積占其總面積80%以上。

圖6 2012—2021年粵港澳大灣區植被NDVI變異系數

圖7 不同地區變異系數等級百分比

4.4 粵港澳大灣區植被NDVI與氣候因素

植被NDVI與降水量和平均氣溫相關性通過95%顯著性檢驗(圖8),粵港澳大灣區2012—2020年植被NDVI與降水量呈正相關性面積占比為44.36%,其中,江門市、中山市、深圳市和惠州市地區以正相關性為主,分別占其自身面積的56.44%、67.32%、59.77%和50.2%,而肇慶市、佛山市北部等北部地區以負相關性為主,面積占比為55.64%,其中肇慶市地區呈現顯著和極顯著負相關性面積占比為49.75%。粵港澳大灣區北部內陸地區多為丘陵與山脈,雨季時間長,氣候環境潮濕,降水量過高不利于植被的水熱生長,植被NDVI與降水量以負相關性為主,南部沿海地區植被NDVI與降水量以正相關性為主,這表明植被生長受降水量的影響存在空間異質性。

在圖8b中,植被NDVI與平均氣溫呈正相關性面積占比為62.74%,其中呈顯著和極顯著正相關性的區域面積占比分別為45.06%,其主要分布于肇慶市、惠州市地區以及廣州市北部地區;NDVI與平均氣溫表現為負相關的地區面積占比為37.26%,集中分布于中部的城市建設中心地區,城市建設區的生態公園、人造林、人工草地居多,受人為因素擾動影響,NDVI與平均溫度表現為負相關性。

a)年平均NDVI與平均氣溫相關顯著性

b)年NDVI與降水量相關顯著性

綜上可知,粵港澳大灣區植被NDVI與平均氣溫的正相關性高于植被NDVI與降水量,植被生長受氣溫的影響較為敏感。植被覆蓋高的地區NDVI與降水量主要呈極顯著和顯著負相關,與平均溫度主要呈極顯著和顯著正相關,因此也表明植被生長與生態環境受降水量和平均溫度的雙重驅動響應作用。

5 討論

粵港澳大灣區受全球氣候變化和城市化進程的影響,生態保護面臨巨大挑戰。植被NDVI時空變化特征反映了地區自然生態系統的演變規律,揭示大灣區植被NDVI變化及其對氣候變化的響應規律,有助于區域的生態環境修復和植被改善。粵港澳大灣區隨著城市化的持續擴張,植被覆蓋率受林地、草地等面積的縮小而降低,城市經濟發達地區植被NDVI增長速率相對緩慢,經濟欠發達如肇慶、惠州和江門地區,城市擴張相對較慢,植被NDVI增長速率較快。近10年以來,大灣區植被NDVI呈增長趨勢的面積占比為77.81%,平均上升速率為0.003 3 /a,整體上保持緩慢的正增長態勢,植被改善已有成效,這需歸功于粵港澳大灣區重點推進山水林田湖草的生態保護修護工程。2021年以來,廣東省完成造林和生態修復128 000 hm2,實現礦山復綠693 hm2,全力打造綠色的生態防護屏障,生態文明建設成效顯著。廣州市、中山市和東莞市植被NDVI增長速率較緩,局部出現退化情況,因此需要進一步推進生態環境保護和修復力度,加強珠三角周邊山地、丘陵及森林生態系統保護。大灣區牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念,堅持生態環境保護和綠色轉型發展,有效提高了區域內植被NDVI整體穩定性。粵港澳大灣區北部內陸地區植被NDVI與降水量以負相關性為主,南部沿海地區植被NDVI與降水量以正相關性為主,降水量對植被的生長作用存在空間異質性,內陸和沿海地區植被受氣候的差異性影響較為顯著。就氣象因子而言,氣溫是影響粵港澳大灣區植被覆蓋的主要因子[16],這與本文研究結論“粵港澳大灣區植被生長受氣溫的影響較為敏感”相一致;珠三角地區 NDVI 具有高空間集聚特性,受地形和城區分布影響,低植被覆蓋集聚區和高植被覆蓋集聚區分布格局顯著且變化穩定[17];粵港澳大灣區植被改善面積占比77.81%遠大于植被退化面積22.19%,植被覆蓋持續改善中,這充分表明了大灣區實行嚴格的生態環境保護制度,著力提升生態環境質量已有成效,生態文明建設向目標邁進了一小步,未來生態環境保護工作形勢依然嚴峻。

6 結論

a)2012—2021年粵港澳大灣區植被NDVI總體呈現增長趨勢,面積占比77.81%,其中極顯著增加和顯著增加的面積占比為30.42%,植物NDVI總體穩定性良好,平均變異系數為0.054 8,低波動變化和較低波動變化的地區面積占比為89.94%,這表明大灣區近10年來區域生態環境治理效果良好,植被改善顯著。

b)近10年以來,植被NDVI與降水量呈正相關關系面積占比為44.36%;與平均氣溫呈正相關關系面積占比為62.74%,由此可知相對氣候因素而言,植被生長受氣溫因子的影響較大,對于植被生長具有一定的促進作用,降水量過多對植被生長有一定抑制作用,由此可知氣候變化對大灣區植被NDVI的影響均具有雙重性。

c)粵港澳大灣區植被覆蓋生態環境指標日益向好,這需歸功于其造林與生態修復工程的進行,以及礦山復綠等生態保護工作。