贵州武陵山区植被NDVI 时空演变及其未来持续性特征

吴路华*，陈 丹，杨东妮

（1.铜仁学院 经济管理学院，贵州 铜仁;2.铜仁学院 乡村振兴研究中心，贵州 铜仁）

引言

定期开展生态环境调查与评估是国家做好生态保护工作的一项重要举措。2000 年以来，生态环境部（原环境保护部、环境保护总局）联合中国科学院等相关部门完成了三次全国生态状况调查评估，分别是2000 年全国生态环境调查、全国生态环境十年变化（2000-2010 年） 调查与评估和全国生态状况变化（2010-2015 年）调查评估，为我国新时期生态保护红线划定、中央环境保护督察等生态保护管理工作提供了重要支撑。

为落实《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》有关要求，按照部门职责，生态环境部和中国科学院决定联合开展2015-2020 年全国生态状况变化调查评估工作。贵州按照《全国生态状况定期遥感调查评估方案》（环办生态〔2019〕45 号）和《关于＜印发2015-2020 年全国生态状况变化遥感调查评估实施方案＞的通知》（环办生态函〔2020〕179 号）有关要求，明确要求开展全省生态环境状况遥感调查与保护成效评估。现阶段，已在全省各个地区展开了相关研究，识别出了十三五期间及之前的植被变化特征[1-2]、及其气候变化和人类活动响应过程[3-5]、敏感性[6-7]、影响因素[8-9]及生态地质环境限制机理[10-12]，提出了重要植被恢复技术和理论。本研究基于前期研究，重点围绕贵州武陵山区发展战略和生态保护监管需求，耦合过去-未来两种情景，开展了植被NDVI 时空动态演变与空间耦合模式研究，以期为贵州武陵山区新时期生态保护对策建议的提出提供依据，同时也为支持贵州武陵山区“十四五”期间社会经济发展宏观决策和生态保护规划，加快生态文明建设提供有力支撑。

1 研究区概况

贵州武陵山区位于位于贵州东北部，地处107°4'E～109°30'N，27°07'N～29°13'N，辖铜仁市2 区8 县及遵义市6 个县，总面积3.09 km2，其中喀斯特区域面积为2.29 万km2，占研究区总面积的74%，非喀斯特区域仅为0.80 万km2，占研究区总面积的26%。东邻湖南，北与重庆市接壤，西北高，东南低，以山地为主，属中亚热带季风湿润气候区，海拔范围179～2 557 m（图1）。以梵净山至佛顶山山脉为分水岭，分属沅江水系和乌江水系两大一级支流水系，属于典型喀斯特区。地表及地下岩溶系统极为发育，碳酸盐岩含水层和变质岩交替分布，岩溶地貌发育，区域内地质、地形和地貌类型多样，喀斯特与非喀斯特地貌交错分布，水文地质复杂，“二元三维”水文地质结构突出，岩溶作用强烈，由碳酸岩、白云岩及碎屑岩控制的地质背景导致区域石多土少，阻碍了养分循环，严重制约着植被恢复提升。

图1 研究区地理位置与海拔特征

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

NDVI 数据采用生态环境部卫星环境应用中心的MODIS13A1 数据集（https://search.earthdata.nasa.gov/）[13-14]。MODIS13A1 数据时间分辨率为16 d，时间范围2000-2020 年，比例系数为0.000 1，空间分辨率为500 m，投影为Albers 等积圆锥投影，共包括2001-2020 年共40 期。该数据集通过精确云检测、NDVI 植被生长基准合成、并保持不同类型生长轨迹的插值，然后基于MODIS 观测生成的NDVI 数据集。经使用MRT 工具对数据进行拼接和重投影，并对无效值和背景值进行处理，换算为真实的NDVI 值，最后经年度最大值合成法得到2000-2020 年贵州武陵山区各年NDVI 数据集。

2.2 研究方法

本研究基于Theil-Sen 趋势法和Mann-Kendall显著性检验法耦合揭示了贵州武陵山区NDVI 变化趋势及其显著性特征[15-17]，精确识别了贵州武陵山区植被变化恢复和退化关键区域。其次，采用Hurst 指数阐明了NDVI 未来持续性状态[18-19]，基于提出的Hurst 系数的分级强度表，定量评估了未来持续性等级特征[20]。为了定量阐明未来持续性强度大小与过去变化趋势特征的关联性，本研究将过去变化趋势显著性与未来持续性特征进行空间耦合叠加，识别了空间上NDVI变化的过去-未来空间耦合演变模式，揭示了长时间序列时空动态演变特征。

3 结果与分析

3.1 NDVI 时空演变特征

2000-2020 年，贵州武陵山区NDVI 总体上呈现波动上升趋势，增速为0.03/a（图2），变化范围为0.73～0.81，平均值为0.78，最大值出现在2015 年和2016 年，达到0.81，最小值出现在2000 年，为0.73。

图2 2000-2020 年NDVI 变化速率

为了揭示贵州武陵山区NDVI 在过去21 年的变化趋势及其变化过程，本研究基于Theil-Sen 趋势以及Mann-Kendall 显著性检验法，使用ArcGIS10.2 软件对各年的NDVI 象元值进行提取，并且用Matlab 2017对21 年的NDVI 进行趋势分析，将趋势分析结果与MK 检验结果进行叠加，得到NDVI 增加与减少的空间分布情况，依据该方法可依次将NDVI 划分为显著减少、轻微减少、轻微增加和显著增加4 种类别。由表1 可知，贵州武陵山区在空间上总体上呈现出增加的趋势（增加区域的面积），其中NDVI 显著增加的区域所占比最大，达到68.82%，轻微增加占24.93%，轻微减少的区域为4.48%，显著减少的区域占比最小，仅为1.41%。由图3 可知，NDVI 的Sen 趋势值介于-0.04～0.01 之间，平均增长率为0.003。NDVI 显著增加区域主要集中在贵州武陵山区的中部、北部以及西部地区；轻微增加区域则主要分布在南部、西南部以及东南部地区；轻微减少的地区则主要分布在江口县、松桃县、石阡县以及余庆县等地区；显著减少则主要集中在凤冈、余庆、碧江及松桃县等地区。

表1 各类型NDVI 时空演变趋势特征

图3 NDVI 空间变化趋势及显著性特征

3.2 NDVI 未来持续性特征

由图4 可知，贵州武陵山区NDVI 的Hurst 指数范围为0.14～0.91，平均值为0.45。从NDVI 的Hurst 指数空间分布状况可以看出，贵州武陵山区NDVI 未来将呈现大面积的反持续性分布状态，出现正持续性（Hurst 指数超过0.5）的面积仅为24.87%，而71.25%的区域中Hurst 指数未超过0.5，这些区域未来将可能出现反持续特征。

图4 NDVI 演变Hurst 指数空间分布特征

为了更进一步明晰贵州武陵山区NDVI 的变化趋势及其未来的可持续性特征，本研究将NDVI Sen 趋势的显著性检验值（图3）与Hurst 指数的计算结果（图4）在ArcGIS10.2 中进行叠加分析，得到贵州武陵山区NDVI 增加、减少与未来可持续性的时空耦合分布图（图5）。结果发现，贵州武陵山区未来NDVI 持续性增加的序列所占的百分比（22.34%）高于持续性减少的百分比（2.53%）（表2）。其中，强持续性减少的组合所占的面积比重最小，仅为0.05%，主要分布于思南、松桃、碧江以及万山等地区。弱持续减少的比例为2.48%，在贵州武陵山区大部分地区都有少量分布；在弱持续增加的组合所占的比例为22.27%，在江口和碧江的过渡带、正安县和思南县的北部及石阡都有分布；未来变化无法确定所占的百分比最大，其值为75.12%，主要分布于沿河、印江及德江三县的交界地带。另外，正安、道真以及务川等地区也有大范围分布。强持续性增加的组合所占的百分比为0.07%。NDVI 的Hurst 指数在该类区域呈现出持续性增加的区域，预示着NDVI 将有持续性增加趋势。

表2 植被归一化指数变化趋势及未来持续性

图5 Hurst 指数与Sen 变化趋势空间耦合演变特征

4 讨论

本研究检测到NDVI 未来75.12%的区域可能出现较大的退化风险，这些区域也是NDVI 增速较快的地区，出现这种现象的主要原因可能是这些区域植被经过长时间的恢复建设已经处于比较好的状态，未来可能会因为缺少适当干扰而出现退化现象。因此，对于现今一些NDVI 增速较快或趋于稳定的地区应建议通过加强生态系统管理以应对未来可能出现的退化现象。此外，尽管本研究揭示了贵州武陵山区NDVI 过去-未来时空耦合演变过程与机制，但是对于演变驱动机制并未进行定量评估，后续将基于系统耦合理论解析各驱动因素贡献机制。

5 结论

（1） 2000-2020 年间，贵州武陵山区NDVI 总体呈现波动上升趋势，平均增速为0.03/a，93.75%的区域呈现增长趋势，仅6.26%的区域表现为降低现象。

（2） 中北部及西部区域是NDVI 增长的关键区域，而凤冈、余庆、碧江及松桃等地区NDVI 退化明显。

（3） 在未来，贵州武陵山区NDVI 将呈现大面积反持续状态，仅24.87%的区域表现出弱的正持续性，而75.12%的区域将可能出现反持续性特征，仅有22.34%的区域NDVI 将表现为持续性增加，而2.53%的区域将表现为持续性降低趋势。整体上看，贵州武陵山区NDVI 未来可能有较大的退化风险。