陳 浩，董廷旭，馬 麗，林孝先，李 勇

（1.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621000；2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059）

0 引言

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的植被是連接大氣圈、水圈、生物圈等地球外部圈層的紐帶，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、改良土壤、維持生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞等過程中，植被亦起先導(dǎo)作用［1-4］.近年來，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，以植被為主體的陸地生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的擾動(dòng)，研究植被覆蓋空間分異及演化趨勢，可為揭示區(qū)域環(huán)境演變機(jī)理，深入分析植被變化與氣候、人類活動(dòng)之間的響應(yīng)關(guān)系奠定基礎(chǔ)［5-7］.衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠獲取實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的地表植被覆蓋信息，是當(dāng)前植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測和全球變化研究的一個(gè)重要途徑，作為表征植被覆蓋程度和生長狀況重要指示因子的歸一化植被指數(shù)（NDVI）是衛(wèi)星遙感中最具明確意義的指數(shù)之一，是基于植被葉綠素在可見光紅光波段的強(qiáng)吸收及在近紅外波段的強(qiáng)反射特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)植被信息狀態(tài)的表達(dá)［1］，能突出植被特征而弱化其他地物特征［5，8］，能有效反映年度植被生長所達(dá)到的最佳狀況，已在植被時(shí)空尺度變化研究中得到廣泛應(yīng)用［9-15］.近年來，國內(nèi)外學(xué)者使用年度、季度和月度NDVI數(shù)據(jù)對(duì)不同流域以及干旱區(qū)域、極寒地帶的植被覆蓋狀況進(jìn)行了時(shí)空動(dòng)態(tài)研究，并定量探究了該變化與自然因子及人文因子之間的關(guān)系［13，16-21］.總體來看，植被NDVI 值能有效反映年度植被生長所達(dá)到的最佳狀況，且與地表生物量有很好的相關(guān)關(guān)系，分析植被指數(shù)的時(shí)空演化特征，可為減緩不利自然因素對(duì)植被變化的影響、提高植被生態(tài)質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù).處于青藏高原與四川盆地過渡地帶的四川省屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地勢西高東低，多大山、大川，地跨長江、黃河流域，山地丘陵交錯(cuò)，歷來有“天下山水在于蜀”之說，研究區(qū)水熱條件良好，植被資源豐富.在全球氣候變化的背景下，本次研究基于NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析等方法從年際、季節(jié)尺度探討近20年來四川省植被時(shí)空演化特征，旨在為當(dāng)前研究區(qū)植被保護(hù)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供理論參考和技術(shù)支撐.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

四川省地處中國西南腹地，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)97°21'～108°33'與北緯26°03'～34°19'之間，全省轄21個(gè)市（州），轄區(qū)面積48.61萬km2，位于中國大陸地勢三大階梯中第一級(jí)階梯和第二級(jí)階梯的過渡地帶，地形高低懸殊，西高東低的地貌特征明顯，總體來看，其西部屬于高原高山峽谷區(qū)，東部屬于盆地丘陵低山區(qū).因地貌形態(tài)對(duì)氣溫、降水等植物生長條件的影響，四川植被類型以亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶灌叢和高原高寒草甸為主.草甸主要分布于川西高原面上，亞熱帶植被類型分布于盆地內(nèi)部及周緣山地.根據(jù)中國地貌劃分指標(biāo)，利用 DEM 數(shù)據(jù)，對(duì)海拔高程（分別以1 000、3 500、5 000 m 為等級(jí)界線，共4 級(jí)）和地勢起伏度（分別以30、50、200、500、1 000 m 為等級(jí)界線，共 6 級(jí)）進(jìn)行分級(jí)，將上述因子不同等級(jí)組合狀況作為一類地貌形態(tài)，將所提取的地勢起伏度和海拔高程進(jìn)行融合并作空間疊加分析，在四川省劃分出21 種海拔高程與地勢起伏度所組合的地貌形態(tài)（圖1）.

圖1 四川省地貌類型Fig.1 Geomorphic types of Sichuan province

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用SPOT NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來源于自然空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為1 000 m，采用最大值合成法生成的2000—2018 年的年度、季度NDVI 數(shù)據(jù)集.該數(shù)據(jù)集可以充分反映四川省各地區(qū)在時(shí)間、空間上植被覆蓋和分布情況，被廣泛用于植被變化狀況監(jiān)測、植被資源合理利用和凈初級(jí)生產(chǎn)力估算等研究.

2 研究方法

采用一元線性回歸分析，以時(shí)間為自變量、NDVI 為因變量，定量分析2000—2019 年四川省植被覆蓋度隨時(shí)間的變化狀況.計(jì)算公式如下［5］：

式中，S表示多年NDVI 線性擬合斜率值，n為年數(shù)，INDVI代表第i年NDVI 值.當(dāng)S＞0 時(shí)，表明NDVI值逐時(shí)段增加，反之則減少.

線性擬合斜率值結(jié)合判定系數(shù)，將NDVI變化趨勢劃分為極顯著減少、顯著減少、未顯著減少、未顯著增加、顯著增加、極顯著增加等6種類型（表1）.

表1 NDVI變化趨勢劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Dividing standard of NDVI change trend

3 研究結(jié)果

3.1 NDVI隨時(shí)間變化特征

在研究時(shí)段，NDVI數(shù)值呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)上升趨勢（圖2），NDVI最大值和最小值分別出現(xiàn)于統(tǒng)計(jì)起始年（2000 年）和統(tǒng)計(jì)終端年（2019 年），其值分別為0.69 和0.78.分析表明，以NDVI平均值（0.74）為參照，以2013年為時(shí)間界線，可將研究時(shí)段劃分為兩個(gè)期段，2013年之前的13年時(shí)間，除2006年NDVI值剛達(dá)到平均水平之外，其余12年NDVI值均小于0.74；2013年之后所有年份，NDVI值均大于平均值.20年來NDVI變化速率為0.045/10a，表明四川省植被覆蓋狀況趨于逐年上升.由NDVI季節(jié)變化趨勢圖（圖3）可知，隨時(shí)間推移，春、夏、秋、冬四季NDVI數(shù)值均呈波動(dòng)上升趨勢，與研究區(qū)年際變化趨勢基本一致.

圖2 四川省2000—2019年NDVI年際變化趨勢Fig.2 Interannual trend of NDVI in Sichuan province from 2000 to 2019

圖3 四川省2000—2019年NDVI季節(jié)變化趨勢Fig.3 Seasonal variation trend of NDVI in Sichuan province from 2000 to 2019

3.2 NDVI空間變化特征

從NDVI 年變化趨勢上看，四川省NDVI 整體上趨于增長，未顯著增加、顯著增加、極顯著增加三類區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的91.41%（圖4、表2）.其中，未顯著增加區(qū)域面積最大，達(dá)23.07 萬km2；NDVI 顯 著增加區(qū)域面積亦達(dá)到16.97 萬km2；NDVI 極 顯著增加區(qū)域面積相對(duì)較小，僅為4.14萬km2.

表2 各季節(jié)NDVI變化趨勢面積統(tǒng)計(jì)（萬km2）Tab.2 Area statistics of NDVI change trend by season（ten thousand km2）

圖4 四川省2000—2019年NDVI變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of NDVI change trend in Sichuan Province from 2000 to 2019

從NDVI 季節(jié)變化趨勢空間分布上看（圖5，表2），秋、冬兩季顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域之和高于春、夏兩季，其中，秋、冬季節(jié)極顯著增加區(qū)域的分布范圍明顯更為廣闊，其面積統(tǒng)計(jì)值亦更大（表2）.

圖5 四川省2000—2019年NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布Fig.5 Spatial distribution of NDVI seasonal variation trend in Sichuan province from 2000 to 2019

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

從總體看，四個(gè)季節(jié)NDVI 數(shù)值高低與植物生長的物候時(shí)序相吻合，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的研究區(qū)域雨熱同期，夏季氣溫高、降水充沛，植被茂盛，NDVI 達(dá)到最高值；反之，冬季氣溫低、降水稀少，植被凋落，NDVI值最低；秋季濕熱多雨，加上溫室效應(yīng)的影響使植被生長周期延長，因而秋季NDVI 值高于春季，NDVI 的季節(jié)變化趨勢表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季.從NDVI 增加速率上看，可能由于春季氣溫回暖日期提前、秋季降溫時(shí)間滯后等原因，導(dǎo)致春、秋兩季NDVI 上升速率較快，同為0.075/10a，夏、冬兩季上升速率相對(duì)較慢，分別為0.050/10a 和0.045/10a.

從NDVI 空間變化情況看，面積占比達(dá)47.46%的未顯著增加區(qū)域主要分布于四川省不同起伏形態(tài)的各類山地地貌區(qū)，包括川北的大巴山、川南的大涼山、大婁山以及盆山過渡地帶的岷山、邛崍山等.顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域主要位于川西高原和川中丘陵地帶.由NDVI 季節(jié)變化空間趨勢可知（圖5，表2），秋、冬兩季顯著增加區(qū)域和極顯著增加區(qū)域分布較為集中，兩類區(qū)域面積之和高于春、夏兩季，其中，秋、冬季節(jié)極顯著增加區(qū)域的分布范圍明顯更為廣闊，其面積統(tǒng)計(jì)值亦更大（表2）.NDVI顯著減少和極顯著減少區(qū)域主要分布于龍門山和龍泉山所夾持的成都平原一帶，究其原因，主要是成都平原人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，隨著近年來該地區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，不可避免對(duì)植被覆蓋產(chǎn)生影響.

從另一個(gè)角度看，四川省幾個(gè)典型地貌單元（無論是位于青藏高原東緣的川西高原、大涼山，還是地處四川盆地內(nèi)部的成都平原、川中丘陵，亦或是大巴山、岷山、邛崍山、大婁山等盆周山地）冬季NDVI 增加趨勢比其余三個(gè)季節(jié)更為顯著，其原因可能與溫室效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的暖冬氣候有關(guān).另外，隨季節(jié)更替，NDVI 顯著增加、極顯著增加區(qū)域主要集中分布于川西高原、大涼山地區(qū)，表明冬季增溫現(xiàn)象在青藏高原東緣地帶表現(xiàn)得更為明顯.

4.2 結(jié)論

本次研究基于SPOT NDVI 數(shù)據(jù)集，利用線性回歸分析等方法探討了四川省NDVI 時(shí)空演化特征，主要得出以下結(jié)論：

（1）四川省年均NDVI 數(shù)值和四個(gè)季節(jié)NDVI 數(shù)值均呈較為明顯的波動(dòng)上升趨勢，植被覆蓋狀況整體呈現(xiàn)改善趨勢.由于溫室效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的暖冬氣候的影響，在四川省不同地貌單元，均表現(xiàn)出冬季NDVI增加趨勢比其余三個(gè)季節(jié)更為顯著的特征.

（2）不同季節(jié)NDVI 值高低與植物生長物候時(shí)序相吻合，即夏季NDVI 值最高，冬季最低.由于秋季降溫時(shí)間滯后導(dǎo)致植被生長周期延長，秋季NDVI值高于春季，NDVI值總體表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季.

（3）從NDVI 空間變化趨勢上看，NDVI 增加區(qū)域占研究區(qū)總面積的91.41%，其中，顯著增加、極顯著增加區(qū)域主要集中分布于青藏高原東緣地區(qū)；NDVI下降區(qū)域主要位于人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、城鎮(zhèn)化進(jìn)程快的成都平原地帶.