貴州武陵山區植被NDVI 時空演變及其未來持續性特征

吳路華*，陳 丹，楊東妮

（1.銅仁學院 經濟管理學院，貴州 銅仁;2.銅仁學院 鄉村振興研究中心，貴州 銅仁）

引言

定期開展生態環境調查與評估是國家做好生態保護工作的一項重要舉措。2000 年以來，生態環境部（原環境保護部、環境保護總局）聯合中國科學院等相關部門完成了三次全國生態狀況調查評估，分別是2000 年全國生態環境調查、全國生態環境十年變化（2000-2010 年） 調查與評估和全國生態狀況變化（2010-2015 年）調查評估，為我國新時期生態保護紅線劃定、中央環境保護督察等生態保護管理工作提供了重要支撐。

為落實《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》有關要求，按照部門職責，生態環境部和中國科學院決定聯合開展2015-2020 年全國生態狀況變化調查評估工作。貴州按照《全國生態狀況定期遙感調查評估方案》（環辦生態〔2019〕45 號）和《關于＜印發2015-2020 年全國生態狀況變化遙感調查評估實施方案＞的通知》（環辦生態函〔2020〕179 號）有關要求，明確要求開展全省生態環境狀況遙感調查與保護成效評估?，F階段，已在全省各個地區展開了相關研究，識別出了十三五期間及之前的植被變化特征[1-2]、及其氣候變化和人類活動響應過程[3-5]、敏感性[6-7]、影響因素[8-9]及生態地質環境限制機理[10-12]，提出了重要植被恢復技術和理論。本研究基于前期研究，重點圍繞貴州武陵山區發展戰略和生態保護監管需求，耦合過去-未來兩種情景，開展了植被NDVI 時空動態演變與空間耦合模式研究，以期為貴州武陵山區新時期生態保護對策建議的提出提供依據，同時也為支持貴州武陵山區“十四五”期間社會經濟發展宏觀決策和生態保護規劃，加快生態文明建設提供有力支撐。

1 研究區概況

貴州武陵山區位于位于貴州東北部，地處107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N，轄銅仁市2 區8 縣及遵義市6 個縣，總面積3.09 km2，其中喀斯特區域面積為2.29 萬km2，占研究區總面積的74%，非喀斯特區域僅為0.80 萬km2，占研究區總面積的26%。東鄰湖南，北與重慶市接壤，西北高，東南低，以山地為主，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，海拔范圍179～2 557 m（圖1）。以梵凈山至佛頂山山脈為分水嶺，分屬沅江水系和烏江水系兩大一級支流水系，屬于典型喀斯特區。地表及地下巖溶系統極為發育，碳酸鹽巖含水層和變質巖交替分布，巖溶地貌發育，區域內地質、地形和地貌類型多樣，喀斯特與非喀斯特地貌交錯分布，水文地質復雜，“二元三維”水文地質結構突出，巖溶作用強烈，由碳酸巖、白云巖及碎屑巖控制的地質背景導致區域石多土少，阻礙了養分循環，嚴重制約著植被恢復提升。

圖1 研究區地理位置與海拔特征

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

NDVI 數據采用生態環境部衛星環境應用中心的MODIS13A1 數據集（https://search.earthdata.nasa.gov/）[13-14]。MODIS13A1 數據時間分辨率為16 d，時間范圍2000-2020 年，比例系數為0.000 1，空間分辨率為500 m，投影為Albers 等積圓錐投影，共包括2001-2020 年共40 期。該數據集通過精確云檢測、NDVI 植被生長基準合成、并保持不同類型生長軌跡的插值，然后基于MODIS 觀測生成的NDVI 數據集。經使用MRT 工具對數據進行拼接和重投影，并對無效值和背景值進行處理，換算為真實的NDVI 值，最后經年度最大值合成法得到2000-2020 年貴州武陵山區各年NDVI 數據集。

2.2 研究方法

本研究基于Theil-Sen 趨勢法和Mann-Kendall顯著性檢驗法耦合揭示了貴州武陵山區NDVI 變化趨勢及其顯著性特征[15-17]，精確識別了貴州武陵山區植被變化恢復和退化關鍵區域。其次，采用Hurst 指數闡明了NDVI 未來持續性狀態[18-19]，基于提出的Hurst 系數的分級強度表，定量評估了未來持續性等級特征[20]。為了定量闡明未來持續性強度大小與過去變化趨勢特征的關聯性，本研究將過去變化趨勢顯著性與未來持續性特征進行空間耦合疊加，識別了空間上NDVI變化的過去-未來空間耦合演變模式，揭示了長時間序列時空動態演變特征。

3 結果與分析

3.1 NDVI 時空演變特征

2000-2020 年，貴州武陵山區NDVI 總體上呈現波動上升趨勢，增速為0.03/a（圖2），變化范圍為0.73～0.81，平均值為0.78，最大值出現在2015 年和2016 年，達到0.81，最小值出現在2000 年，為0.73。

圖2 2000-2020 年NDVI 變化速率

為了揭示貴州武陵山區NDVI 在過去21 年的變化趨勢及其變化過程，本研究基于Theil-Sen 趨勢以及Mann-Kendall 顯著性檢驗法，使用ArcGIS10.2 軟件對各年的NDVI 象元值進行提取，并且用Matlab 2017對21 年的NDVI 進行趨勢分析，將趨勢分析結果與MK 檢驗結果進行疊加，得到NDVI 增加與減少的空間分布情況，依據該方法可依次將NDVI 劃分為顯著減少、輕微減少、輕微增加和顯著增加4 種類別。由表1 可知，貴州武陵山區在空間上總體上呈現出增加的趨勢（增加區域的面積），其中NDVI 顯著增加的區域所占比最大，達到68.82%，輕微增加占24.93%，輕微減少的區域為4.48%，顯著減少的區域占比最小，僅為1.41%。由圖3 可知，NDVI 的Sen 趨勢值介于-0.04～0.01 之間，平均增長率為0.003。NDVI 顯著增加區域主要集中在貴州武陵山區的中部、北部以及西部地區；輕微增加區域則主要分布在南部、西南部以及東南部地區；輕微減少的地區則主要分布在江口縣、松桃縣、石阡縣以及余慶縣等地區；顯著減少則主要集中在鳳岡、余慶、碧江及松桃縣等地區。

表1 各類型NDVI 時空演變趨勢特征

圖3 NDVI 空間變化趨勢及顯著性特征

3.2 NDVI 未來持續性特征

由圖4 可知，貴州武陵山區NDVI 的Hurst 指數范圍為0.14～0.91，平均值為0.45。從NDVI 的Hurst 指數空間分布狀況可以看出，貴州武陵山區NDVI 未來將呈現大面積的反持續性分布狀態，出現正持續性（Hurst 指數超過0.5）的面積僅為24.87%，而71.25%的區域中Hurst 指數未超過0.5，這些區域未來將可能出現反持續特征。

圖4 NDVI 演變Hurst 指數空間分布特征

為了更進一步明晰貴州武陵山區NDVI 的變化趨勢及其未來的可持續性特征，本研究將NDVI Sen 趨勢的顯著性檢驗值（圖3）與Hurst 指數的計算結果（圖4）在ArcGIS10.2 中進行疊加分析，得到貴州武陵山區NDVI 增加、減少與未來可持續性的時空耦合分布圖（圖5）。結果發現，貴州武陵山區未來NDVI 持續性增加的序列所占的百分比（22.34%）高于持續性減少的百分比（2.53%）（表2）。其中，強持續性減少的組合所占的面積比重最小，僅為0.05%，主要分布于思南、松桃、碧江以及萬山等地區。弱持續減少的比例為2.48%，在貴州武陵山區大部分地區都有少量分布；在弱持續增加的組合所占的比例為22.27%，在江口和碧江的過渡帶、正安縣和思南縣的北部及石阡都有分布；未來變化無法確定所占的百分比最大，其值為75.12%，主要分布于沿河、印江及德江三縣的交界地帶。另外，正安、道真以及務川等地區也有大范圍分布。強持續性增加的組合所占的百分比為0.07%。NDVI 的Hurst 指數在該類區域呈現出持續性增加的區域，預示著NDVI 將有持續性增加趨勢。

表2 植被歸一化指數變化趨勢及未來持續性

圖5 Hurst 指數與Sen 變化趨勢空間耦合演變特征

4 討論

本研究檢測到NDVI 未來75.12%的區域可能出現較大的退化風險，這些區域也是NDVI 增速較快的地區，出現這種現象的主要原因可能是這些區域植被經過長時間的恢復建設已經處于比較好的狀態，未來可能會因為缺少適當干擾而出現退化現象。因此，對于現今一些NDVI 增速較快或趨于穩定的地區應建議通過加強生態系統管理以應對未來可能出現的退化現象。此外，盡管本研究揭示了貴州武陵山區NDVI 過去-未來時空耦合演變過程與機制，但是對于演變驅動機制并未進行定量評估，后續將基于系統耦合理論解析各驅動因素貢獻機制。

5 結論

（1） 2000-2020 年間，貴州武陵山區NDVI 總體呈現波動上升趨勢，平均增速為0.03/a，93.75%的區域呈現增長趨勢，僅6.26%的區域表現為降低現象。

（2） 中北部及西部區域是NDVI 增長的關鍵區域，而鳳岡、余慶、碧江及松桃等地區NDVI 退化明顯。

（3） 在未來，貴州武陵山區NDVI 將呈現大面積反持續狀態，僅24.87%的區域表現出弱的正持續性，而75.12%的區域將可能出現反持續性特征，僅有22.34%的區域NDVI 將表現為持續性增加，而2.53%的區域將表現為持續性降低趨勢。整體上看，貴州武陵山區NDVI 未來可能有較大的退化風險。