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云南省植被覆蓋時空變化特征及影響因素研究


一、引言

植被作為陸地生態系統的一個重要組成部分,在保護生物多樣性、維護生態系統功能、改變陸地水循環、調節區域氣候及維持地表平衡能量等方面發揮著關鍵作用。植被生長易受到地形、氣候波動和人類活動等因素干擾,長期動態監測和評估植被變化對加強生態環境建設和生態管理具有重要意義 。利用遙感數據計算植被指數可對植被生長狀況、季節性變化、植被空間格局特征、生態保護修復等方面開展定性和定量以及不同時間和空間尺度的動態監測,其中歸一化植被指數(NDVI)是使用最廣泛的指數之一;通過各種數理統計分析方法探討植被覆蓋與氣候、地形、土地覆被類型、人類活動等因素間的聯系,可為生態環境保護修復提供有效依據。云南省是中國生物多樣性和資源的重要基地之一,植被多樣性豐富,以亞熱帶植被為主,在中國發展戰略中被定位為“努力成為生態文明建設排頭兵”、“筑牢西南生態安全屏障”。因此,準確掌握云南省植被覆蓋變化對云南生物多樣性保護、生態文明建設等國家戰略部署和動態監管至關重要。

研究利用 MODIS NDVI 數據并結合 Theil-Sen 中位數趨勢分析、Mann-Kendall 顯著性檢驗方法及相關性分析法對云南省植被覆蓋的時空分布格局、變化特征及影響因素進行研究,旨在為加強云南省生態環境建設和生態管理提供科學依據。

二、研究區概況及數據源

2.1 研究區概況

云南省(簡稱滇),全省地勢西北高、東南低,自北向南呈階梯狀逐級下降,可按地形地貌特征分為 5 個區域: 滇西北、滇西南、滇中、滇東北與滇東南(圖 1(a))。全省氣候呈亞熱帶高原季風型,氣溫年較差小、日較差大,且氣溫的空間分布與海拔和緯度密切相關。省內海拔高差大,各區域氣候差異明顯,滇西南緯度低氣溫高,而滇西北海拔高氣溫低 ( 圖 1(d));同時存在明顯的干雨季,夏秋季降水多于冬春季,降水量在空間分布上存在異質性,滇西南降水量高于其他地區(圖 1(e))。氣溫和降水量總體上自南向北隨海拔升高而下降,多變的氣候類型和地理環境使省內植被分布具有明顯的緯向和垂直分帶特征。

2.2 數據源與預處理

1. 2. 1 NDVI 數據

研究的遙感數據來源于美國航空航天局提供的 2000 年 2 月至 2022 年中分辨率成像光譜儀植被指數。為降低云層、大氣散射及太陽高度角等對植被覆蓋的影響,采用最大值合成法(MVC)合成年度最大NDVI 影像數據,得到云南省最佳植被覆蓋。此外,結合研究區的實際情況,將植被指數 NDVI 值劃分為 5 類: ①<0. 3(水域或低植被覆蓋);②0. 3 ~ 0. 6(中低植被覆蓋);③0. 6 ~ 0. 75(中植被覆蓋);④0. 75~ 0. 85(中高植被覆蓋);⑤>0. 85(高植被覆蓋)。

1. 2. 2 氣象數據

因植被生長發育受氣溫和降水影響較大,本文研究氣候驅動因素僅考慮降水和氣溫。降水數據采用氣候危害組紅外降水與站點數據(CHIRPS)。

1. 2. 3 DEM 數據

利用軟件計算坡度(圖 1( b))、坡向(圖 1( c)),將高程、坡度及坡向作為主要地形因子,并進行分級,以便分析地形因子與植被的聯系,將高程從 900 m 到 4 800 m 以 300 m 間隔劃分為 15個等級,坡度從 3°到 42°以 3°間隔劃分為 15 個等級區間,坡向劃分為 9 類(平面、北、東北、東、東南、南、西南、西和西北)。

圖 1 高程、坡度、坡向、氣溫、降水量及土地覆被圖

1. 2. 4土地覆被類型

植被覆蓋的空間分布與土地覆被類型密切相關。研究使用的土地覆被數據集的總體準確率達到 74. 4%。研究以 2020 年的土地覆被資料(圖 1(f))為基準,探討不同土地覆被類型下植被的變化。

1. 2. 5造林面積數據

造林面積數據來源于云南省統計局中的統計年鑒。為便于后續基于像素尺度的相關性分析,研究對分辨率不等于 250 m 的數據進行重采樣,以匹配MODIS 數據的分辨率。

三、研究方法

國內外學者通常將 Theil - Sen 中位數趨勢分析、Mann-Kendall 及一元線性回歸等方法應用于 NDVI 長時間序列趨勢分析。此外,探究植被覆蓋變化的影響因素對保護植被資源、防治植被退化等生態決策具有重要意義。在以往的研究中多元回歸殘差分析、地理探測器、相關性分析等都可用于探究植被覆蓋變化影響因素,其中皮爾遜相關性分析法因計算效率高、適用性好等特點得到廣泛應用。

四、研究方法

4.1 植被覆蓋的時空變化特征

2000-2022 年云南省植被覆蓋的年際變化情況和平均植被覆蓋的空間分布如圖 2 和圖 3 所示。

圖 2 2000—2022 年云南省 NDVI 年際變化

綜合圖 2 和圖 3 分析可知,2000—2022 年云南省大部分區域屬于中高和高植被覆蓋,其生態環境質量較好,平均 NDVI 值在 0. 74 ~ 0. 90 間呈波動上升的趨勢,在2003、2010及2020年,部分區域的NDVI 值出現顯著下降,其原因可能與發生中度或極度干旱有關。2000—2022 年 23 a 以來,植被覆蓋格局及 NDVI 的年際增速存在區域差異,整體覆蓋格局呈現出南向北、西向東減少;全區、滇西南、滇東南、滇中、滇東北和滇西北的 NDVI 的年際增速分別約為 0. 25% /a, 0. 24% /a, 0. 30% /a,0. 23%/a,0. 35%/a和 0. 20%/a,滇東北增速最快,其次是滇東南。其中,滇西南的植被覆蓋最好,分布大量常綠闊葉林,NDVI 均值最高,滇東南植被覆蓋較好因部分區域(文山、紅河)是巖溶地貌而次之。

圖 3 云南省植被覆蓋的空間分布

此外,在滇東北、滇中與滇西北三者中滇東北的 NDVI 年際增速波動最大;2000—2003 年期間,滇東北的 NDVI 均值處于最低;2003—2010 年期間,滇東北 NDVI 年際增速達到 0. 55% /a;2012 年后滇東北的 NDVI 均值穩定高于其他 2 個區域,原因可能是滇東北、滇西北造林面積顯著增加,但滇西北地處青藏高原南緣,海拔高氣溫低,而滇中是城市建設的中心地帶,且分布滇池、撫仙湖和星云湖等高原湖泊,大面積的植被生長受限。滇東北的地理環境、氣候條件較滇西北和滇中,植被更適宜生長。云南省植被覆蓋面積占比如表 1 所示。

表 1 云南省植被覆蓋等級面積占比

從表 1 中可以看出,水域或低植被覆蓋地區占總面積最低,水域(高原湖泊、河流等) 和滇西北高海拔冰雪區域的植被覆蓋較低。中低植被覆蓋主要分布在滇西北高海拔的凍土區、坡度較緩的滇中城市區、河流、湖泊、農田及其周邊。中植被覆蓋地區對應的土地覆蓋類型主要是農田,大致分布在滇東北中部、滇東南西北部、滇西北東部和滇中地區,而滇西南分布最少。中高植被覆蓋面積占比最高,廣泛分布在各區域,對應的土地覆被類型主要有農田、草地、常綠針葉林、落葉闊葉林、常綠闊葉林等。高植被覆蓋面積占比僅次于中高植被覆蓋地區,大致分布在滇西南、滇東南的南部、滇東北的北部及滇西北的西部,對應的土地覆被類型主要有常綠闊葉林、灌木叢等。

4.2 植被覆蓋空間變化特征

基于 Theil-Sen 中位數趨勢分析法,分析云南省 2000—2022 年 23 a 間植被覆蓋的時空變化格局(圖 4(a)),其結果表明各地區的變化趨勢存在空間異質性。

圖 4 云南省 Theil-Sen 中位數趨勢變化圖和植被覆蓋變化圖

根據 Theil-Sen 趨勢變化和 Mann-Kendall 顯著性檢驗后得到的變化趨勢大小劃分為 9 個等級,如表 2 所示。

表 2 2000—2022 年云南省植被變化趨勢統計

由表 2 和圖 4(b)可看出,植被呈現增加趨勢的區域占總面積的 91. 17%,其中極顯著增加面積占49. 99%,而局部地區的植被覆蓋呈減少趨勢。結合研究區的實際情況分析,植被呈現減少趨勢的原因可能有: ①云南省重要城市向外擴張,建筑設施增加;②礦產資源開采導致周邊植被減少;③氣候變暖導致冰川凍土快速退化等。總體而言,2000—2022 年 23 a 來云南省植被覆蓋分布格局變化特征為: 植被覆蓋增加的區域大于減少的區域。

4.3 NDVI 與地形因子的相關分析

地形因子對土壤類型和水熱條件起影響作用,從而影響植被的生長發育。云南省是典型的高原山區地貌,山高坡陡,不同地形因子對植被生長的影響存在差異。

圖 5 NDVI 對海拔、坡度、坡向的響應

如圖5(a)所示,云南省近20%的土地面積處于[1800.2100)m的海拔區間。海拔1200m以下的區域主要分布在滇西南、滇東南的東部及滇東北的北部,此海拔內植被覆蓋高,NDVI值隨海拔升高而升高。海拔為[1200.2100)m的區域分布眾多河流、湖泊、農田、草地等,且該海拔范圍適宜居住,人類活動頻繁,在該海拔區間NDVI值呈下降趨勢。海拔為[2100.2700)m左右的區域,隨著河流湖泊以及人類活動減少,植被覆蓋逐漸增加。海拔為[2700.3600)m的大部分區域在滇西北。海拔≥3900m是滇西北的北部區域,分布冰川凍土,NDVI值急劇下降。云南省坡度西北高、東部低,坡度主要分布在0°~42°間(圖5(b))。坡度<3°的區域主要是湖泊、農田等類型,其NDVI值最小;在[3°,21°)坡度范圍,NDVI值隨坡度增加而增加,在[18°,24°)間NDVI值達到最大;坡度≥24°時,坡度越陡,地形愈復雜,水土流失加劇,隨坡度增加NDVI值降低,其中坡度[33°,42°)間的NDVI下降速率快于[24°,33°)。此外,研究分析不同坡向上的植被覆蓋情況(如圖5(c))后發現,平面坡向上多為湖泊區域,NDVI值最低;其余坡向NDVI值約為0.81左右,對植被生長影響不大。

4.4 NDVI 與氣候因子的相關分析

綜合2000—2022年云南省的年平均氣溫和年降水量(圖6)分析知,降水量呈下降趨勢,而溫度呈上升趨勢,總體呈“變干和變暖”的趨勢。23a來,云南省全區年平均降水量約在954~1319mm間,年降水量以-2.82mm/a的速率下降,其中2011年最低。此外,全區23a來年均氣溫在14.21℃~15.73℃間,年平均氣溫約以0.03℃/a的速率上升。2009—2010年和2019年氣溫明顯升高,2019年氣溫達到最高。

圖 6 云南各區域的年平均氣溫、年均降水量變化圖

研究基于像元尺度計算NDVI與氣候因子(氣溫、降水量)的相關性系數得,云南省NDVI與氣溫、降水量的相關系數分別在-0.87~0.92.-0.91~0.85間,其平均相關系數分別為0.16和-0.01.其中,滇中、滇東南、滇東北、滇西南和滇西北各區域植被覆蓋與氣溫的平均相干系數分別為0.13.0.08.0.25.0.19和0.16.與降水量的平均相干系數分別為0.06.0.09.0.25.-0.11和-0.13.

圖 7 NDVI 與年均氣溫、年降水量的相關系數

計算可知,云南省76.58%的區域的植被覆蓋與氣溫呈正相關(圖7(a)),表明大部分區域氣溫對植被生長有利;47.87%的區域植被覆蓋與降水量呈負相關(圖7(b)),表明接近一半區域的植被生長受到降水的驅動。從空間分布上看,植被覆蓋與降水量的相關關系從東向西方向逐漸降低。

4.5 土地覆被與因子的相關分析

本次使用2020年土地覆被類型的數據,劃分為草地、灌木叢、落葉闊葉林、常綠闊葉林、常綠針葉林、農田及其他(水體、城區、裸地、永久冰雪等)共7種類型,其面積占比如表3所示。

表 3 土地覆被類型面積占比及與其他因子關系

從表 3 可看出,林地(落葉闊葉林、常綠闊葉林、常綠針葉林)面積占比最高;其次是灌木叢。由此得出,云南省森林資源豐富。此外,不同土地覆被類型的平均 NDVI 值與環境條件、植被的生長特征、人類活動等方面密切相關,常綠闊葉林的年平均NDVI 值最高,其次是常綠針葉林,其他土地覆被類型(城市、雪山、水體等)的年平均 NDVI 值最低。一般來說,常綠闊葉林、常綠針葉林終年常綠,闊葉林較針葉林,葉面積更大。草地生長的平均海拔最高,其次是常綠針葉林,農田分布的平均海拔最低。常綠針葉林生長的平均坡度最陡,其次是常綠闊葉林;其他土地覆被類型(城市、雪山、水體等) 區域最平緩。常綠闊葉林、灌木叢的平均降水量和平均氣溫高于其余的土地覆被,草地的平均降水量和平均氣溫最低;農田和其他土地覆被類型存在地形差異較大,而平均降雨量及氣溫差異不明顯,可能的原因是該土地覆被類型受到明顯的人類活動,從而影響局部地區的降水和氣溫。上述結果表明,植被類型空間分布差異源于其對地形地貌、氣候條件以及人類活動的適應性差異。

五、研究方法

1)適宜的氣候可為植被的生長提供良好的生存條件,而部分人類活動(城市擴張、工程建設、砍伐林地等)則會引發許多生態環境問題(水土流失、土地荒漠化、森林資源銳減等)。受地形因子、氣候條件、人類活動等影響,云南省植被覆蓋存在區域差異性,呈現南部高于北部、西部高于東部的空間格局。高植被覆蓋地區主要分布在滇西南、滇西北怒江、滇東北的北部等地,滇西北有高黎貢山自然保護區;滇西南地區的水熱條件、地形條件等因素良好,適宜植被生長;滇東北的北部森林資源豐富。而滇中分布眾多高原湖泊,并且城市擴張、礦產開采、人類活動強度加劇等負向擾動破壞植被生長環境。此外,滇西南、滇東南的植被覆蓋高于其他區域,滇東北的 NDVI 值年際增長速率最快,其原因與昭通、曲靖造林面積增加有關。

2)通過對云南省 2000—2022年 23 a 間 NDVI的空間格局分布特征及變化趨勢分析,發現研究期內植被在時間及空間上呈現不斷改善的趨勢。一方面云南高原山區的地形地貌、氣候條件給植被生長提供有利的環境;另一方面加強草地、濕地、生物多樣性的保護和修復,推進退耕還林還草、防護林建設、石漠化治理和水土流失監測等生態治理工程,使云南省生態環境質量得到明顯改善,植被覆蓋得到顯著提升(圖 8)。

圖 8 2000—2021 年云南省各州市造林面積

3) NDVI 的時空變化是自然因素(地形地貌、氣候條件、土壤條件等)和人為因素(土地覆被類型、人類活動、畜牧業發展、生態修復等)共同作用的結果。

六、結論

1)2000—2022 年,云南省整體植被覆蓋度較高,年均植被覆蓋 NDVI 值在 0. 74 ~ 0. 90 間波動;且各區域的植被覆蓋呈波動上升趨勢,增加趨勢占比 91. 17%,其中滇東北增長速率最快。

2)植被覆蓋在區域上存在差異。滇中位于城市建設區,且分布眾多湖泊;滇西北海拔高,冰川凍土分布;滇東北分布大量農田;滇東南、滇西南分布大量的常綠闊葉林及灌木叢,這是滇東南、滇西南的植被覆蓋高于其他區域的原因。

3)在海拔 3 900 m 以下,云南省 NDVI 值較穩定,3 900 m 以上隨海拔升高而 NDVI 值呈減少的趨勢;坡度<3°時,NDVI 值最低,隨坡度增加,NDVI 值呈先增加后降低的趨勢;平面坡向的 NDVI 值最低,其余坡向的 NDVI 值大致一致。除平面坡向外,其余坡向對植被生長影響小。

4)2000—2022 年,云南省氣候呈現“ 變干、變暖”。滇中、滇東南和滇東北與降水呈正相關,表明降水有利于植被生長;而滇西南和滇西北與降水呈負相關。全區的植被覆蓋與氣溫呈正相關,表明合適的氣溫有利于植被生長。


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