徐 虹, 劉 琴

(云南省氣候中心, 昆明 650034)

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植被是極重要的構(gòu)成部分[1]。植被覆蓋度是衡量植被生長、生態(tài)環(huán)境的重要指標[2]。而歸一化植被指數(shù)NDVI可以直觀表征植被覆蓋度的狀況，常被作為植被覆蓋程度、生長狀況、生物量及凈初級生產(chǎn)力等植被參數(shù)的評價指標[3-4]。云南是中國甚至世界上最為重要的生物多樣性和資源基地之一。由于其生態(tài)系統(tǒng)的多樣、豐富，以及不可替代的獨特性，使得云南生態(tài)文明建設(shè)意義重大。但復雜的地形與氣候條件也讓云南植被一旦遭受被破壞，就難以恢復，特別是滇西北和滇西南地區(qū)植被恢復和演替過程更是十分緩慢。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市不斷擴張、林木遭到采伐、農(nóng)田耕地不斷擴張等，人類活動對植被的影響越來越迅猛。準確掌握云南省植被動態(tài)變化特征以及影響因子，對加強生態(tài)環(huán)境建設(shè)和生態(tài)管理具有重要意義。

近年來，學者們采用SPOT VEGETATION，MODIS和Landsat NDVI數(shù)據(jù)對云南在植被的時空分布以及變化趨勢方面進行深入的研究[5-11]。如丁文榮[12]、李同艷[13]、張景華[14]等采用MODIS NDVI數(shù)據(jù)研究了滇中以及怒江、瀾滄江等流域植被覆蓋的變化，以及氣候、地形、人類活動等驅(qū)動因子對植被的影響。趙桔超等[15]分析2001—2015年西雙版納植被變化特征，其對水熱因子的響應(yīng)。何云玲等[16]研究了云南植被與氣候因子之間的關(guān)系。這些研究均表明近年來云南植被覆蓋狀況總體水平較好，植被與氣候因子的變化較敏感，不同時間尺度和地域有著明顯的差異。但對于云南省植被覆蓋變化的持續(xù)性以及未來變化趨勢，植被與氣候滯后效應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)格局這些相關(guān)研究尚比較欠缺。鑒于此，本文以2001—2019年NDVI時序數(shù)據(jù)為主要研究對象，通過趨勢分析方法，分析云南省NDVI時空的分布、變化及未來趨勢預(yù)測。并對研究區(qū)的氣溫和降水與植被NDVI進行逐像元相關(guān)性的分析，研究植被與當?shù)貧夂蛑g相互關(guān)系的時空格局，以期為云南省植被的科學管理和保護提供科學客觀的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省地處青藏高原東南側(cè)，北緯21°8′32″—29°15′8″和東經(jīng)97°31′39″—106°11′47″之間，是云貴高原主體。全省94%的國土面積是山地，盆地、山區(qū)、平壩交錯，河川湖泊縱橫。海拔高、低差高達6 663.6 m。云南氣候同時兼具低緯氣候、季風氣候和立體垂直氣候的特征，四季不分明、干濕季分明、立體氣候獨特，從山谷向山頂隨海拔升高，常常會出現(xiàn)不同的氣候類型、植被和自然地貌景觀[17]。云南氣候資源極其豐富，且分布廣、地域分布特征明顯。云南的植物種類繁多，據(jù)統(tǒng)計，2019年云南省森林覆蓋率為62.4%，以暖溫性灌草及灌叢、暖溫性針葉林、季風常綠闊葉林等分布面積較大[18](圖1)。

圖1 云南省2010年土地覆蓋分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)，來源于美國國家航天局NASA的MOD13Q1數(shù)據(jù)(https：∥neo.scigsfc.nasa.gov)，研究時段為2001—2019年。首先對MOD13Q1數(shù)據(jù)預(yù)處理，完成拼接、投影轉(zhuǎn)換和研究范圍裁剪后，基于時間序列諧波分析法(Savitzky-Golay濾波)進行對時序數(shù)據(jù)進行噪聲平滑[19]。再采用最大值合成法[20]構(gòu)建逐月數(shù)據(jù)。最后求取平均值，獲得逐年NDVI時序數(shù)據(jù)。采用Savitzky-Golay濾波和最大值合成法能較好消除云和大氣干擾。

土地覆蓋數(shù)據(jù)，來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心GlobeLand30數(shù)據(jù)集，時間為2010年，空間分辨率為30 m(http：∥www.globallandcover.com/GLC30 Download)。

氣象數(shù)據(jù)，來源于云南省氣象局。采用反距離權(quán)重法(IDW)插值，得到空間分辨率為250 m云南省2001—2019年平均氣溫和降水的格點數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析法 植被年際NDVI變化趨勢k，計算公式如下：

(1)

式中:n為研究時間序列的長度；i為年份；NDVIi為第i年的NDVI值。k>0時,NDVI變化趨勢為增加,植被覆蓋的表現(xiàn)為改善趨勢;反之,植被覆蓋表現(xiàn)為退化趨勢。

采用t檢驗法進行顯著性檢驗，結(jié)合變化趨勢k與顯著性水平p值，將NDVI變化趨勢劃分：顯著退化(k<0,p<0.05)、不顯著退化(k<0,p>0.05)、顯著改善(k>0,p<0.05)和不顯著改善(k>0,p<0.05)。

2.2.2 Hurst指數(shù)分析 本文采用了R/S分析的Hurst指數(shù)來對研究區(qū)植被NDVI未來的變化進行趨勢預(yù)測[21]。計算方法如下：時間序列{NDVI(t)}，t=1，2，…，n，對于任一正整數(shù)τ≥1：

均值序列：

(2)

累積離差：

(3)

極差：

(4)

標準差：

τ=1，2，…，n

(5)

若R/S∝τH，則表明{NDVI(t)}存在Hurst現(xiàn)象，H值為Hurst指數(shù)。通過最小二乘法雙對數(shù)坐標系(lnτ,lnR/S)擬合計算得到。(1)H=0.5，時間序列與過去變化趨勢不相關(guān)；(2)0

2.2.3 NDVI與氣候因子的相關(guān)分析 本文選用氣溫和降水來探討NDVI與氣候因子之間的關(guān)系。相關(guān)系數(shù)rxy計算公式如下：

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI時空分布特征

3.1.1 NDVI時間變化特征 云南2001—2019年NDVI均值介于0.66～0.73，變化率0.37%/a(p<0.001)。2001—2008年和2014—2019年兩個時段呈增加趨勢，變化率為0.41%/a和0.89%/a。而2008—2014年呈減少趨勢，變化率-0.27%/a，主要原因與2009—2014年云南出現(xiàn)的嚴重干旱有關(guān)。年內(nèi)各月NDVI均值在3月最小，8月、9月最大。在1—3月和9—12月NDVI值出現(xiàn)下降，下降率分別為1.31%和4.31%。3—8月為增長增長率為3.43%(圖2)。

圖2 云南省2001-2019年植被NDVI變化趨勢

根據(jù)氣候統(tǒng)計方法劃分：3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季。秋、夏季NDVI值大于冬、春季，秋季NDVI值最大，冬季最??；近19 a四季植被NDVI變化均表現(xiàn)為顯著增加，冬、秋季變化趨勢大于春、夏季，冬季變化最大，秋季則最小。

3.1.2 空間變化特征 云南省NDVI均值為0.68，NDVI>0.7區(qū)域主要位于西南部和西部。NDVI>0.5的主要位于中東部和西北部，空間上總體呈西高東低、南高北低。NDVI值隨海拔升高而增加，在海拔800 m和2 600 m區(qū)域出現(xiàn)兩個峰值。

云南的耕地和人口集中分布在海拔800～2 000 m的地區(qū)，人類活動的影響導致植被覆蓋的下降。進入高海拔地區(qū)，特別是4 000 m以后，受自然環(huán)境因素和氣候條件的限制，使得植物數(shù)量驟減，NDVI急劇下降(圖3)。

圖3 云南省NDVI空間分布

3.2 NDVI動態(tài)變化特征

3.2.1 NDVI變化趨勢 整體上，2001—2019年云南植被NDVI呈改善趨勢。顯著改善面積占比為45.7%，主要位于中東部。顯著退化為2.4%，主要位于城鎮(zhèn)等地。不同土地覆蓋類型，除居民地植被NDVI變化為退化趨勢外，其余為改善趨勢。植被NDVI年際變化率從大到小的排序依次為：草地、灌木林、耕地、林地(圖4)。

圖4 2001-2019年云南省植被NDVI變化趨勢

3.2.2 未來趨勢預(yù)測 云南Hurst指數(shù)H均值為0.52。整體上，未來植被NDVI變化趨勢將持續(xù)改善。持續(xù)改善和持續(xù)退化的面積占比分別為58.4%和9.9%，變化趨勢發(fā)生反轉(zhuǎn)的為31.7%，其中未來退化的為27.5%。不同土地覆蓋類型，林地、耕地和居民地的H>0.5，表明未來變化趨勢繼續(xù)的可能性強，即林地、耕地將持續(xù)改善，居民地將持續(xù)退化；草地和灌木林的H<0.5，表明未來變化趨勢可能由改善轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶?圖5)。需要對于這些區(qū)域的變化持續(xù)關(guān)注。

圖5 NDVI未來變化趨勢預(yù)測

3.3 植被NDVI與氣候因子的響應(yīng)

3.3.1 氣候因子年際變化特征 近19年云南氣溫變化率為0.03℃/a(p=0.01)，降水為-2.67 mm/a(p=0.6)。4個季節(jié)的氣溫均表現(xiàn)為升高的變化趨勢，春、秋季的變化率大于夏、冬季，春季氣溫升高趨勢最大，冬季則最?。淮?、夏季的降水為減少趨勢，秋、冬季為增加趨勢，春、冬季的變化趨勢大于夏、秋季，春季降水變化最大，秋季最小(圖6)。

圖6 云南省2001-2019年平均氣溫和降水量變化趨勢

3.3.2 NDVI與氣候因子相關(guān)分析 NDVI與年平均氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)分別記作Rt和Rr。|Rt|均值為0.26。Rt>0的面積占比為64.22%，Rt>0.3的占26.3%，Rt<-0.3占11.9%，顯著相關(guān)為14.24%。其中，顯著正相關(guān)為9.06%，主要位于西部、西南部和東南部的濕潤、半濕潤地區(qū)，這些地區(qū)降水充沛，氣溫升高對植被生長有利；顯著負相關(guān)為9.06%，主要位于西部和東部，這些地區(qū)多為云南干旱頻發(fā)區(qū)，熱量好，氣候干燥。溫度過高易加劇水分蒸發(fā)，引起土壤缺墑，植被受旱。|Rr|均值為0.21，Rr>0的面積占比為61.51%，Rr>0.3占20.30%，Rr<-0.3占7.39%，顯著相關(guān)的面積占比為8.65%。顯著正相關(guān)為7.07%，主要位于金沙江、元江、怒江和紅河等干熱河谷地區(qū)，這些地區(qū)往往極干燥，降水對對植被生長雨十分有利；顯著負相關(guān)為1.63%，主要位于西北部，降水過多，會影響光熱條件，抑制植被生長。特別是對于地質(zhì)災(zāi)害風險區(qū)，易引發(fā)山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。整體上，云南植被NDVI與年平均氣溫和年降水量呈正相關(guān)關(guān)系，氣溫對植被的影響大于降水(圖7)。

圖7 NDVI與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)分布

3.3.3 植被與氣候的滯后響應(yīng) 本文分別計算植被NDVI與當前月、前推1—3月的氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)。將相關(guān)系數(shù)絕對值最大值對應(yīng)時間作為NDVI對氣溫和降水響應(yīng)的滯后時間，從而分析植被對氣候滯后響應(yīng)的空間差異[14]。植被與氣溫和降水響應(yīng)的滯后時間平均值分別是1.9個月和1.5個月。短期內(nèi)，植被對降水變化的響應(yīng)時間更短、更敏感。植被對氣候的響應(yīng)有著明顯的地域差異，西南部地區(qū)滯后期長于東北部，氣溫和降水滯后期0個月的地區(qū)面積占比為5.4%和8.4%，主要位于陰冷多雨的東北部和寒冷的西北部，對氣候變化較為敏感。滯后期3個月的為27.6%和18.2%，主要位于西南部，森林覆蓋率較高，高溫多雨，較為濕潤，對氣候響應(yīng)時間較遲。不同植被類型的滯后時間存在明顯差異。林地和灌木林的滯后時間長于耕地和草地，森林植被最不易受短期氣候變化的影響(圖8)。

圖8 NDVI與氣溫和降水響應(yīng)的滯后時間分布

4 結(jié)論和討論

4.1 討 論

已有關(guān)于云南植被覆蓋時空分布的研究與本文的研究結(jié)果基本一致[5,8-9,22]。但有研究[23]認為云南植被NDVI值3月最小，11月最大；四季的植被均呈增加趨勢，秋季變化趨勢最顯著。部分結(jié)論不一致的原因主要在于研究時段以及植被NDVI時序數(shù)據(jù)處理方法的不同。

總體上，近19 a云南省氣溫顯著增加、降水不顯著減少的“暖干化”的變化趨勢，植被NDVI表現(xiàn)為改善趨勢。其在中2009—2014年云南出現(xiàn)的嚴重干旱，這一時期植被NDVI出現(xiàn)明顯下降，可見植被與氣候具有較好的相關(guān)性。云南大部地區(qū)年平均氣溫升高和降水增多有利植被生長，氣溫對植被的影響大于降水。另一方面，植被對氣候變化存在1～2個月“時滯效應(yīng)”，時間響應(yīng)有著明顯的地域差異。中部的干旱、半干旱地區(qū)干濕季分明、熱量條件充足，冬春干旱頻發(fā)，溫度升高會增加地表蒸發(fā)，加劇土壤缺墑，抑制植被生長。西部較為濕潤的地區(qū)，降水充沛，但光照條件一般，特別是西北部高海拔地區(qū)，降水的增加使得光熱條件變差，不利于植被生長。在一些高山峽谷地區(qū)，降水增多還會提升地質(zhì)災(zāi)害的風險，對生態(tài)植被有一定破壞作用。從氣候變化響應(yīng)時間上看，陰冷潮濕東北部和寒冷干燥的西北部地區(qū)比溫暖濕潤且森林覆蓋率較高的西南部更為敏感。

本文僅分析了氣候?qū)υ颇鲜≈脖坏挠绊?，沒有考慮人為活動、社會經(jīng)濟等因素以及干旱、低溫等極端氣候事件與植被之間的關(guān)系。同時現(xiàn)有云南植被覆蓋的研究中，定量評估人類活動影響、以及植被變化對氣候的影響等方面研究尚比較缺乏，因此有必要借鑒新方法和新理論進行更深一步的研究。

4.2 結(jié) 論

(1)2001—2019年云南植被NDVI均值為0.68，西高東低、南高北低的空間分布。NDVI值隨海拔升高增加，在海拔800 m和2 600 m區(qū)域出現(xiàn)兩個峰值。年內(nèi)3月NDVI值最小，8月、9月則最大。4個季節(jié)的NDVI值，秋、夏季大于冬、春季，秋季最大，春季最小。

(2)2001—2019年NDVI均值介于0.66～0.73，變化率0.37%/a(p<0.001)，顯著改善面積占比為45.7%。不同土地覆蓋類型，除居民地植被NDVI變化為退化趨勢外，其余為改善趨勢。

(3)全省Hurst指數(shù)H均值為0.52，未來植被NDVI變化趨勢將持續(xù)改善。持續(xù)改善和持續(xù)退化的面積占比分別為58.4%和9.9%，變化趨勢發(fā)生反轉(zhuǎn)的為31.7%，其中未來退化的為27.5%。不同土地覆蓋類型，林地、耕地和居民地的H>0.5，未來變化趨勢繼續(xù)的可能性強，即林地、耕地將持續(xù)改善，居民地將持續(xù)退化；草地和灌木林的H<0.5，表明未來變化趨勢可能由改善轉(zhuǎn)變?yōu)橥嘶?/p>

(4)年NDVI值與氣溫和降水的相關(guān)程度均值分別是0.26和0.21，大部分地區(qū)表現(xiàn)為正相關(guān)。顯著相關(guān)面積占比分別為14.24%和8.65%?？傮w上，氣溫對植被的影響大于降水。氣溫和降水的植被滯后響應(yīng)時間的均值分別是1.9月和1.5月。月尺度上植被對降水的響應(yīng)更敏感。滯后期在空間上有著明顯的地域差異，西南部大于東北部。相對其他植被類型，森林植被受氣候變化的影響更小。