新安江流域安徽段NDVI時空分布特征研究

摘要：新安江流域生態補償機制起始于2012年。在十年的時間里，皖浙兩省為此做出了大量的資金投入。為了探究新安江補償機制實施以來上游流域的生態變化情況，本文以歸一化植被指數（NDVI）數據為單一指標，基于2011年、2016年和2020年的MOD13Q1數據，利用一元線性回歸趨勢法分析補償機制實施之前、實施中以及實施末三個期次的新安江流域NDVI的時空變化特征。結果表明，新安江流域3個時間斷面的NDVI均值分布在0.78～0.81，第一輪補償機制實施后NDVI輕微上升，之后保持穩定；NDVI在空間上的分布特征為中部低、周邊高，NDVI低值區域與城鎮的分布相吻合，補償機制實施后，NDVI低值區相對減少；城鎮的擴張是NDVI輕微變差的主要原因，原有城鎮的NDVI總體呈增長趨勢。從NDVI數值上看，新安江流域安徽段生態質量較好。

關鍵詞：新安江流域；NDVI；時空分布

中圖分類號：Q948 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.040

Study on the spatiotemporal distribution characteristics of NDVI in the Anhui section of the Xin'an River Basin

SHU Zhiwen1，2

（1. School of Resources and Environmental Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2. No.332 Geological Team， Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Huangshan 245000， China）

Abstract： The ecological compensation mechanism in the Xin'an River Basin began in 2012. Over the past decade， Anhui Province and Zhejiang Province have made significant financial investments for this. In order to explore the ecological changes in the upstream basin since the implementation of the Xin'an River compensation mechanism， using the normalized difference vegetation index （NDVI） data as a single indicator and based on MOD13Q1 data from 2011， 2016， and 2020， this paper uses the univariate linear regression trend method to analyze the spatiotemporal changes of NDVI in the Xin'an River Basin before， during， and after the implementation of the compensation mechanism. The results show that the average distribution of NDVI in the three time sections of the Xin'an River Basin is 0.78～0.81， after the implementation of the first round of compensation mechanism， NDVI slightly increases and remains stable thereafter; the spatial distribution characteristics of NDVI are low in the middle and high in the surrounding areas， the low value areas of NDVI are consistent with the distribution of towns， after the implementation of compensation mechanisms， the low value areas of NDVI are relatively reduced; the expansion of towns is the main reason for the slight deterioration of NDVI， and the overall NDVI of existing towns is showing an increasing trend. From the perspective of NDVI values， the ecological quality of the Anhui section of the Xin'an River Basin is relatively good.

Keywords： Xin'an River Basin; NDVI; spatiotemporal distribution

運用遙感圖像反映地表植被覆蓋信息的歸一化植被指數（NDVI）能夠精確地反映植被綠度、光合作用強度、植被代謝強度及其季節和年際變化[1]，因而NDVI的應用備受國內外學者的青睞。袁麗華等[2]運用MOD13Q1數據，采用Theil-Sen Median趨勢分析和Mann-Kendall檢驗來研究黃河流域2000—2010年NDVI的變化趨勢和可持續特征；宋怡等[3]運用SPOT VEGETATION數據進行1998—2004年西北地區植被覆蓋變化分析，發現不同植被的年最大化NDVI數據在相同的年份表現出相似的變化特點和趨勢；周兆葉等[4]則利用專題制圖儀（TM）影像提取1987年、2006年2期張掖市植被覆蓋等級圖，分析該地區植被覆蓋度的變化情況，但是TM影像提取的NDVI往往反映的是某一時刻的植被狀態，無法代表整年的植被情況。除此以外，植被的長勢情況往往被人們用來評價一個地區的生態環境情況。《生態環境狀況評價技術規范》（HJ 192—2015）以及徐涵秋[5]提出的遙感評價指數都將NDVI作為生態狀況評價的重要指標。

新安江流域是我國首個跨省生態補償試點區，自2012年生態補償機制實施以來，已經過去10年左右。皖浙兩省以3年為一個周期，共實施三輪補償工作。為了探究補償機制實施以來的生態變化情況，本文采用NDVI作為單一評價指標，以補償機制實施前（2011年）、第二輪補償機制實施階段（2016年）以及第三輪補償機制實施末（2020年）為時間斷面，利用一元回歸趨勢分析，研究補償機制實施前后新安江流域的NDVI時空分布特征。

1 研究區概況

新安江流域（安徽段）位于安徽省南部，區域面積約為6 736 km2，其中包括黃山市大部分區縣及宣城市績溪縣。區內地形地貌類型多樣，以中、低山地和丘陵為主，地貌在區域內表現為中間低、四周高。氣候條件為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為17.1 ℃，年平均降水量為1 670 mm。區內水資源豐富，多年平均地表水資源量為133.89億m3，它是千島湖水的主要來源。新安江流域植被資源豐富，森林覆蓋率在80%以上。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

NDVI數據通過美國國家航空航天局的Earthdata數據庫（https：//earthdata.nasa.gov/）獲取，產品為MOD13Q1數據。MOD13Q1數據為經過定標、定位后生產形成的陸地2級標準數據產品，空間分辨率為250 m。研究區跨度較大，需要兩景數據才能完全覆蓋，所以先利用美國國家航空航天局提供的MRT軟件對同時相的影像進行鑲嵌及投影操作，再利用ArcGIS軟件的柵格計算功能剔除無效值并將16 d的NDVI數據合成為NDVI月最大值數據，最后利用軟件按研究區范圍裁剪。數字高程模型（DEM）數據采用空間分辨率為30 m的ASTER GDEM數據，數據來自Earthdata數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1 最大合成法

為了充分反映新安江流域內植被生長情況，利用最大合成法將研究區內植被的最好長勢反映出來。由于數據量較大，采用Python工具逐像元分別提取并合成2011年、2016年和2020年的NDVI最大值。

2.2.2 均值法

利用Python工具逐像元計算2011年、2016年和2020年的NDVI年平均值，其計算公式為

" " "（1）

式中：NDVIave為NDVI年平均值；NDVIi為第i年的NDVI值；n為研究時間序列，本文取3。

2.2.3 一元線性回歸趨勢分析法

采用基于最小二乘的一元線性回歸趨勢分析法，分析每個柵格點NDVI的變化特征。回歸方程的斜率計算公式為

（2）

式中：k為回歸方程的斜率；pi為第i年NDVI均值；n為研究年限。

3 結果與分析

3.1 NDVI時間變化特征

運用ArcGIS軟件，統計2011年、2016年和2020年NDVI的高值、平均值以及低值，如表1所示。2011年、2016年和2020年，新安江流域的NDVI基本保持穩定，最高值出現在2016年。從三年的NDVI均值可見，第一輪生態補償機制實施后，新安江流域安徽段的NDVI呈上升趨勢，三輪補償機制實施后，新安江流域安徽段的NDVI基本保持穩定；三年NDVI的低值則呈上升趨勢。

3.2 NDVI空間變化特征

通過ArcGIS軟件，分析新安江流域2011年、2016年和2020年的NDVI空間分布特征。結果發現，新安江流域NDVI呈現明顯的分布差異，流域中部的城鎮聚集區NDVI處于0.11～0.41，城鎮周邊處于0.41～0.61。城鎮以外主要為丘陵、山地地貌，NDVI處于0.61以上。由此可見，新安江流域NDVI的空間分布與地形地貌的分布具有一定關聯性：區域中部地勢相對平緩，城鎮聚集于此造成植被覆蓋度低；城鎮周邊的土地利用類型以水旱輪作的耕地為主，NDVI要高于城區但是低于森林。第一輪生態補償實施后，新安江流域NDVI的低值區域明顯減少，可見生態補償的實施對區域內植被的恢復起到促進作用。

3.3 NDVI變化趨勢分布特征

為了配合新安江補償機制，黃山市在生態保護方面投入大量工作，包括植樹造林、退耕還林。運用一元線性回歸趨勢法得出新安江流域安徽段的NDVI變化趨勢，再運用手動分類將結果分為顯著增加、中度增加、輕度增加、基本不變、輕度減少、中度減少以及顯著減少7個等級。新安江流域的NDVI變化趨勢為總體保持不變，變化明顯區域主要分布在中部城鎮聚集區。一方面，由于城鎮的擴張，城鎮周邊區域NDVI輕度減少；另一方面，由于城鎮在生態治理及綠化建設上投入的工作頗具成效，原有城鎮區域NDVI呈輕度增加的趨勢。縣域部分區域出現NDVI顯著減少的趨勢，通過查詢相關的重大工程建設情況，調查發現，NDVI顯著減少區域與工程建設的分布情況相吻合，新安江流域安徽段新建了月潭湖水庫、伏嶺鎮水庫以及多條高速鐵路。

4 結論

2011年、2016年和2020年，新安江流域的NDVI總體呈上升趨勢，2016年均值最高。第一輪生態補償機制實施后，新安江流域安徽段的NDVI呈上升趨勢；三輪補償機制實施后，新安江流域安徽段的NDVI基本保持穩定。新安江流域的NDVI低值區域與城鎮分布相吻合，NDVI分布特征表現為中間低、周邊高，NDVI從中部向四周逐漸增高。第一輪生態補償實施后，新安江流域NDVI的低值區域明顯減少，可見生態補償對區域內植被恢復起到促進作用。新安江流域NDVI總體保持不變，區內的城鎮化是造成NDVI變化的主要因素。同時，區內的重大工程建設是造成局部地區NDVI顯著變差的主要原因。從植被覆蓋情況來看，新安江流域安徽段生態環境較好。

參考文獻

1 宋富強，邢開雄，劉 陽，等.基于MODIS/NDVI的陜北地區植被動態監測與評價[J].生態學報，2011（2）：354-363.

2 袁麗華，蔣衛國，申文明，等.2000—2010年黃河流域植被覆蓋的時空變化[J].生態學報，2013（24）：7798-7806.

3 宋 怡，馬明國.基于SPOT VEGETATION數據的中國西北植被覆蓋變化分析[J].中國沙漠，2007（1）：89-93.

4 周兆葉，儲少林，王志偉，等.基于NDVI的植被覆蓋度的變化分析：以甘肅省張掖市甘州區為例[J].草業科學，2008（12）：23-29.

5 徐涵秋.區域生態環境變化的遙感評價指數[J].中國環境科學，2013（5）：889-897.