贵州省黔南州植被覆盖时空变化分析

许玉凤，向 清，潘网生，张永雷，孙连群

（1.黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州 都匀 558000）

植被是覆盖地表的植物群落的总称，因为生长环境的不同分为高山植被、草原植被、海岛植被等[1]。植被是陆地生态系统的重要组成部分，在全球变化中起着“指示器”的作用[2]。在全球气候变化加剧和人类活动日益频繁的背景下，研究植被的时空变化特征，对于研究生态环境的变化及其变化趋势和规律，探讨变化驱动因子和驱动力，评估地区环境有重要现实意义[3-4]。

目前遥感技术是监测全球和区域尺度植被动态的有效工具[5]。遥感结合地理信息系统技术，并运用相关的数学方式进行协助研究的方式可以随时随地对植被覆盖进行监测，被广泛应用。研究表明，NDVI在植被监测、土地覆盖变化等方面均可应用，主要有最大值法、一元线性回归趋势等计算法[6]，用于分析植被的分布状况，对于植被变化的监测意义更大[7]。

植被变化对全球能量循环及物质的生物地球化学循环具有重要的影响[8]。因此，有关植被变化的研究是国内外的热点问题，引起了诸多学者的研究和关注。全球变化与陆地生态系统响应（GCTE）是当前全球变化研究的重要内容，而有关地表植被覆盖与环境演变关系的研究是其中最复杂和最具活力的研究内容[9]。国外学者利用NDVI数据对北半球植被覆盖进行研究，发现北半球中纬度以及高纬度地区的植被活动在过去的20 多年中表现为增强趋势，且趋势明显[10]。国内学者基于中国地区长时间序列采用最大值合成、一元线性回归变化斜率法和Mann-Kendall非参数检验法对中国各大自然区划的植被覆盖状况做了时空变化分析[11]。

1 研究区概况

黔南布依族苗族自治州位于24°37′～29°13′N、103°36′～109°35′E之间，贵州省中南部地区，东侧与黔东南州接壤，南部和广西相邻，西侧与黔西南州、安顺市接壤，北侧紧邻贵阳市（图1）。黔南州成立于1956年，辖都匀市、福泉市、贵定县、龙里县、惠水县、长顺县、罗甸县、平塘县、独山县、荔波县以及三都水族自治县等12个县级行政区划，首府所在地为都匀市，是全州的经济文化中心。

全州总面积26 197 km2；地形以山地、高原为主，平均海拔在1 000 m左右，其中山地面积占72.53%、丘陵面积占21.3%、平坝面积占6.17%。全州人口中少数民族比例为55.92%，少数民族中以布依族和苗族所占比例为大。

图1 黔南布依族苗族自治州位置示意图

黔南州地处亚热带季风气候区，受海洋暖湿气流影响大，全年多阴雨天气，日照率在30%左右。年均气温在16 ℃左右。降水主要集中在4～10月，年均降水量在1 300 mm左右，夏季雨热同期，多年平均相对湿度在80%。

黔南州处于贵州高原向广西丘陵过渡地带，喀斯特地形区，多地下溶洞，地势西北高东南低，贵定、都匀之间的斗篷山海拔1 961 m，是全州最高点；罗甸红水河出境处海拔242 m，为全州最低点；相对高差达1 719 m。该区域代表性植被为亚热带常绿阔叶林，植物生长茂盛。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

本文采用美国NASA提供的MODIS-NDVI数据产品开展植被覆盖变化研究。影像的空间分辨率是250 m，数据投影格式是正弦曲线投影。该数据已经进行了大气校正，并通过双向反射去除水、云、气溶胶以及阴影，可以直接应用于植被覆盖情况的研究。利用MRT软件进行图像拼接和投影转换，然后利用黔南州行政边界矢量数据对图像进行统一裁剪。

利用MODIS土地覆盖类型数据（MCD12Q1）分析近期的黔南州土地覆盖和植被覆盖状况。选取黔南州4个地面气象站点2000年以来的逐年气温和降水量数据。根据黔南州统计年鉴得到2000年以来黔南州建成区面积数据。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI 阈值设定

根据方精云等的研究，采用NDVI=0.1作为常年植被区的阈值[12]；选取NDVI大于0.1的像元作为植被进行统计；统计NDVI 大于0.42的栅格来计算绿色植被面积[13]。

2.2.2 趋势分析

一元线性回归分析被用来模拟每个栅格点植被的绿度变化率（greenness rate of change，GRC）[14]。计算公式为：

式中，变量i为影像按时间排列的序号；i取值为1, 2, …,23；n为研究期限，n=15；NDVI为第i景影像的NDVI值；slope 是研究期间NDVI 的线性回归斜率，若slope> 0，说明在这一时段的NDVI值增加，植被覆盖度上升，植被覆盖面积增加，反之则减少[15]。

2.2.3 稳定性分析

植被NDVI年际波动值可以用来监测植被受外界因素的影响[16]。波动值大说明植被群落受外界因素影响大，不稳定；波动值小说明植被群落状态稳定。用2000～2014年NDVI 的变异系数来反映研究区域内不同像元上15 a来的植被相对波动程度[17]。

式中，Cv为变异系数；s为标准差；NDVI为多年NDVI平均值。

3 结果与分析

3.1 黔南州土地利用和植被NDVI空间格局

黔南州的土地利用以林地和草地为主，其中林地主要集中分布于东南部的荔波、三都、独山和西部的龙里县。农作物主要分布在西部、北部和西南部地区，以长顺县的西北部地区分布最广。建设用地所占面积较小，主要在各个行政单位所在地，其中，都匀市建设用地所占面积在全州行政单位中最大。水体在各县市均有分布（图2）。

图2 2010年黔南州土地覆被状况

图3 2000年以来黔南州植被NDVI多年均值空间格局

黔南州NDVI多年平均值0.5以下地区占1/2以上。2000年以来的NDVI多年均值最高的区域主要在黔南州东南部的荔波县、三都水族自治县以及西南部的罗甸县，NDVI 多年平均值在0.5以上；而在长顺、惠水以及独山、瓮安、福泉等县的NDVI值较低，长顺县的NDVI低值区所占面积较大（图3）。

3.2 植被覆盖时间变化特征

3.2.1 植被年内变化特征

将研究期间的年内数据取平均值研究黔南州植被覆盖面积的年内变化（图4a）。从第33天到第81天植被覆盖面积处于上升阶段；在第81天到第321天处于基本稳定阶段，且绿色植被覆盖面积达到一年中最大值；NDVI值在第17天到第241天是波动上升阶段，在第241天达到最大值，之后开始下降，最低值出现在第16天。从第321天到第353天植被面积处于下降阶段，第1天到第16天下降达到最低值。NDVI值较大的阶段，绿色植被面积也较大（图4b）。

绿色植被面积出现大幅度下降，是由于在第321～365天和第1～16天是一年中的冬季，植被生长期结束，部分落叶阔叶林植被落叶，导致绿色植被覆盖面积减少。在夏秋季节，光热水条件配合好，适合植被的生长，是植被迅速生长和繁茂时期，植被覆盖面积达到一年中最大值。

黔南州位于我国三大林区之一的西南部林区，且为高原山地地形，森林、草地所占面积大，夏季绿色植被面积大，冬季绿色植被覆盖面积缩小。

图4 多年平均植被面积和植被NDVI的年内变化

3.2.2 植被年际变化趋势

根据均温划分四季的标准及植被变化趋势[18]，把第86～145天作为春季，第146～248天作为夏季，第249～309天作为秋季，第310天到次年的第85天作为冬季，研究了自2000年以来15 a间的NDVI值的年际和年内变化趋势（图5）。

春季NDVI呈波动降低趋势，年均降低0.000 7；夏季NDVI围绕0.68～0.7之间缓慢下降，2000年和2010年处于最低值；秋冬季呈波动上升趋势，其中秋季每年平均上升幅度为0.006 1，冬季每年平均上升幅度为0.005 1，年际变化大，2011年冬季的NDVI达到最低值0.2左右，全年平均变化呈上升趋势。

研究期间黔南州的绿色植被面积呈迅速下降趋势，2006年之后波动相对显著，2009～2010年间下降较快（图6）。

图5 2000年以来黔南州植被不同季节及全年NDVI变化趋势

图6 2000年以来黔南州生长季绿色植被面积变化趋势

3.3 植被空间变化特征

3.3.1 植被变化趋势的空间格局

黔南州NDVI 的变化趋势存在较大的空间差异（图7、8）。植被覆盖改善的区域主要分布在黔南州的西部、西南和西北地区，且大部分区域斜率大于0.01，NDVI趋势级别在提高，植被覆盖面积在增加；植被覆盖退化的区域主要分布在黔南州东部的都匀市、独山县、荔波县以及三都水族自治县，NDVI下降趋势明显；在瓮安中部、惠水县西北部边缘植被覆盖大幅度降低。

图7 2000年以来黔南州植被绿度时空变化

3.3.2 植被稳定性的空间格局

植被的稳定性格局与NDVI的变异系数相关。整个黔南州的CV值在0.285以下，植被稳定性高（图9），植被变化率总体较小。

图8 2000年以来黔南州植被绿度变化

黔南州北部的瓮安、福泉县和西部的长顺、惠水县以及罗甸县的北部区域，多为耕地和草地，植被生长期短，植被NDVI季节变化大，NDVI变异系数在0.22以上（图9）。农作物种植区，因过度开垦和放牧导致人地矛盾激化，植被破坏，水土流失。

东部地区降水丰富，海拔较低，其植被生长茂盛；多是林地，植被的四季变化比较稳定，植被覆盖变化较小。

3.4 植被变化的原因分析

3.4.1 植被绿度时空变化的原因

降水量距平与NDVI距平值的变化波动幅度大（图10），波动趋势比较一致，说明NDVI的年际变化与降水量的年际变化相关联。NDVI值围绕平均值在正负0.08之间上下波动，而降水量的过分增加和减少都会对NDVI造成一定的影响。

图10 2000年以来黔南州年均降水距平与年均NDVI值距平变化

3.4.2 绿色植被面积变化的原因

近年来都匀市城市建设用地的变化表明，城镇化进程加快是导致黔南州植被覆盖减少的一个重要原因。黔南州地区城市建设用地不断扩大（图11），植被覆盖区域转变为建设用地，导致植被覆盖面积有所下降。

图11 都匀市建城区面积变化趋势

4 结 语

1）黔南州土地利用类型主要以森林和草地为主，占总面积的1/2以上。全州NDVI多年平均值在0.5以上，NDVI高值区在东南部地区，以林地为主；NDVI低值区在西部、西北部地区，农作物种植区面积较大；与土地利用类型变化相关。

2）近15 a来黔南州植被年内变化特征明显。在一年中的第1～16天、第321～365天植被NDVI值处下降阶段，气温低、降水少，大部分植被生长停滞，绿色植被面积出现大幅度下降；NDVI指数在第17～第241天是波动上升阶段，光热水充足，适合植被的生长，是植被迅速生长的繁茂时期。

3）近15 a黔南州植被年际变化NDVI值稳定缓慢上升，但植被覆盖面积呈减少状态。春夏季呈下降趋势，秋冬季呈上升趋势，秋季上升趋势较快。近15 a黔南州绿色植被覆盖面积呈下降趋势，2006年以后植被覆盖面积波动性趋势增大，2009～2011年间减少显著。

4）黔南州植被稳定性总体状况较好，但空间差异较大。黔南州北部、西部以及西南部地区大部分是耕地，植被稳定性差，植被覆盖的季节变化大，但是其NDVI趋势级别在提高，植被覆盖状况在不断改善；黔南州的东部和东南部地区植被稳定，植被的NDVI值在下降，植被覆盖变化在下降。

5）绿色植被覆盖面积与降水的波动趋势基本一致，说明植被绿度的时空变化受降水的影响较大。建设用地的扩大是导致植被覆盖面积减少的重要原因。