2010-2019年曲靖市植被NDVI变化特征分析

陈相标

（云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500）

在自然和人类活动的双重驱动下，陆地生态系统受到了前所未有的扰动和威胁[1-2]。植被作为陆地生态系统的主体，既是气候变化的承受者，也对气候变化产生反馈作用，表征着生态环境的变化[3]，其研究备受广泛关注。归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)是目前表征植被变化状况的重要指标[4]，能够在较大时空尺度上客观反映研究区植被覆盖的变化信息[5]。因此，利用NDVI研究植被的演变格局对生态系统服务功能及生态效应具有重要的参考意义[6]。植被NDVI作为生态指示因子的重要组成部分之一，亟待对市域尺度岩溶脆弱区的植被演变特征及演变趋势进行研究。

1 研究区概况

曲靖市位于云贵高原中部，滇东高原向黔西高原过渡地带的乌蒙山区（24.19 °-27.03 °N，103.03 °-104.50 °E），国土总面积2.89×104km2。地势西北高东南低，地貌以高原山地为主，岩溶和石漠化突出，生态环境脆弱。主要的气候类型为亚热带高原季风气候，年平均气温14.3 ℃，年降水量1038mm，植被主要以常绿阔叶林和针叶林为主。曲靖是云南省的产粮大市，有“滇东粮仓”之称，也是亚洲最大的烟草生产区，城镇化率为48.45%。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

选用2010、2015和2019年3期MODIS13Q1作为遥感数据源，该数据是目前研究植被变化最为广泛的植被指数之一[7]，来源于美国航空航天局的EOS/MODIS数据产品(http://e4ftl01.cr.usgs.gov)，空间分辨率为250m，时间分辨率为16d。用MRT(MODIS REPROJECTION TOOLS)和AcrGIS10.2 将下载的遥感数据进行格式投影转换、影像拼接、区域裁剪和质量检验等预处理；使用最大值合成法Maximum Value Composites，MVC）、均值法对MODIS NDVI数据进行计算，获得精度较高的植被NDVI季均和年均时间序列数据集。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法

用最大值合成法(MVC)建立植被NDVI时间序列栅格数据集[8]，分别求出季均和年均的植被NDVI最大值，公式如下：

式中，k为季序号，取值范围为1～4，NDVIk为第k季NDVI最大值。

式中，y是年序号，取值范围为1～10，NDVIy为第y年植被NDVI的最大值，yNDVIj为第y年第j季植被NDVI最大值。

2.2.2 均值法

均值处理是反映数据集中趋势的一项指标，能降低太阳高度角、极端气候条件造成的植被指数异常值的干扰，提高植被指数精度[6]。

（1）年均NDVI：使用1～12月的NDVI平均值代表该年的年均NDVI值。计算公式如下：

（2）季均NDVI：每年12个月的数据，按气象季节法，3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季、12月～翌年2月为冬季进行年内季节划分[9]，采用平均值法计算季均植被NDVI值。公式如下：

2.2.3 趋势性分析法

一元线性回归分析能够模拟每个栅格像元的变化趋势，该方法是以单个像元时间变化特征来反映整个空间变化规律，用以综合反映区域植被覆盖的时空格局演变特征[10]。计算公式为：

式中：Slope为像元NDVI回归方程的变化斜率；n为研究时序；i代表年序号；NDVIi代表第i年NDVI值；当Slope>0时，表明植被NDVI呈增加趋势；当Slope<0时，表明植被NDVI呈下降趋势。

3 结果与分析

3.1 植被NDVI时间变化特征

3.1.1 季节变化特征

依据2008年中国水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》[11]和已有研究成果，将曲靖市植被NDVI值划分为5个等级：NDVI＜0.1 为极低植被覆盖度，0.1 ≤NDVI＜0.3 为低植被覆盖度，0.3 ≤NDVI＜0.5 为中植被覆盖度，0.5 ≤NDVI＜0.7 为中高植被覆盖度，NDVI≥0.7 为高植被覆盖度。研究表明，在整个研究时段，曲靖市植被NDVI具有明显的季节性差异 表1），表现为：夏季＞秋季＞冬季＞春季。春、夏、秋、冬四个季节植被NDVI集中于中高植被覆盖度和高植被覆盖度，所占研究区总面积的比例分别为58.81 %、98.58 %、95.03 %、68.01 %。在整个研究时段，夏季植被NDVI平均值可高达0.90，高于秋季、冬季、春季的植被NDVI值，这可能与曲靖市的气候条件有关，亚热带高原季风气候，夏季充足的降水和适宜的温度条件是植被生长的营养剂，植被生长状况良好。秋、春、冬三季植被NDVI的最大平均值分别为0.89 、0.86 、0.84 ，可以看出秋季植被NDVI的最大平均值要略高于春季和冬季。但由于曲靖是云南省的产粮大市,耕地面积面235.79 万hm2截至2018年末），占该区总面积的81.59%，植被NDVI的变化受农作物耕作制度的影响较大，导致曲靖市冬季的NDVI值总体略大于春季。

表1 2010-2019年曲靖市植被DNVI季节变化

3.1.2 年均变化特征

2010-2019年曲靖市植被NDVI呈增加的趋势，增速为0.02/10a(表2)，曲靖市中高植被覆盖度和高植被覆盖度所占面积比例最大。2010年，中高植被覆盖度、高植被覆盖度分别占曲靖市总面的33.42 %、58.94 %；2015年，中高植被覆盖度、高植被覆盖度分别占该区总面的42.06 %、54.11 %；2019年，中高植被覆盖度、高植被覆盖度分别占该区总面的40.50 %、54.31 %。在整个研究时段中，高植被覆盖度呈现持续增加的趋势，增加的面积为6037.57 km2；植被覆盖面积有所减少的是极低植被覆盖度、低植被覆盖度、中植被覆盖度、中高植被覆盖度，减少的面积分别为2.15 km2、25.76 km2、680.97 km2、5328.72 km2。

表2 2010-2019年曲靖市植被NDVI年际变化

3.2 植被NDVI变化趋势

为分析曲靖市植被NDVI的变化趋势，计算了单个像元2010-2019年曲靖市植被NDVI的变化斜率Slope，并采用F检验对变化趋势的显著性进行检验，参照已有研究成果[12]将植被NDVI值划分为5个等级（表3）。

表3 曲靖市植被NDVI变化斜率表

2010-2019年曲靖市植被年均NDVI变化趋势（Slope）统计结果表明：曲靖市植被生长状况呈变差趋势（Slope<0）的面积为4592.09 km2，占该市总面积的15.89 %；全市植被生长状况趋于改善Slope>0）的面积为9632.82 km2，占该区总面积的33.32 %。植被NDVI增加的面积远大于减少的面积，表明曲靖市植被NDVI变化趋势整体以增加为主。

在整个研究时段，曲靖市植被年均NDVI变化不显著的面积为24143.99 km2，占总面积的83.22 %；显著增加的面积为4614.06 km2，占总面积的15.96 %；极显著增加变化面积为83.48 km2，占总面积的0.29 %，呈散状零星分布；显著减少和极显著减少变化的面积分别为146.67 km2、5.22 km2，分别占总面积的0.51 %、0.20 %。

从2010-2019年曲靖市春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI变化趋势可以看出 表4），春、夏、秋、冬四季植被NDVI显著性变化趋势都以变化不显著为主，所占面积分别为25592.89 km2、21056.32 km2、16913.53 km2、28372.75 km2，分别占曲靖市总面积的88.54 %、72.84 %、58.51 %、98.16 %。除夏季，春季、秋季和冬季的植被NDVI增加的面积大于减少的面积。四个季节中，春季植被NDVI显著增加的面积为1894.31 km2；显著减少的面积为1406.47 km2；夏季植被NDVI减少的面积7555.47 km2）远大于增加的面积294.28 km2），减少的区域主要分布在耕地较为集中的地区，这可能以水稻、油菜、小麦等农作物的收割有关，受农作物的耕作制度影响较大；秋季植被覆盖主要是以变化不显著为主，所占面积高达28372.75 km2，占曲靖市总面积的98.16 %；植被NDVI在冬季显著增加较为明显，显著增加的面积为11734.26 km2，占曲靖市总面积的40.59 %，明显减少的面积为242.55 km2。

表4 2010-2019年曲靖市植被NDVI显著性变化

4 结论

4.1 从时间变化来看，2010-2019年曲靖市植被NDVI具有明显的季节差异性，具体表现为：夏季＞秋季＞冬季＞春季；近10a来，植被覆盖总体呈现出明显的上升趋势，增速为0.02/10a，年内植被NDVI的变化与农作物耕作制度的变化具有高度一致性。

4.2 曲靖市植被覆盖整体趋于改善，趋于改善的面积分别占曲靖市总面积的33.32%。

植被NDVI显著增加的区域主要分布在农业活动耕作较为频繁的耕地区，显著减少和极显著的区域主要分布在区受人类活动影响较大的城镇区。

4.3 近10a来，春季、夏季、秋季和冬季植被NDVI的变化趋势均以变化不显著为主。四季中，植被NDVI极显著减少和显著减少在各县区的主城区均有明显分布。