20世纪80年代以来长江流域植被变化的速度和格局

刘宇，朱源，2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京100101；2.成都理工大学地球科学学院，成都610059）

20世纪80年代以来长江流域植被变化的速度和格局

刘宇1，朱源1，2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京100101；2.成都理工大学地球科学学院，成都610059）

长江流域是我国的经济重心，生态区位重要。长期以来开展的生态建设工程和城镇扩展等人文驱动是造成流域植被变化的重要原因。利用长时间序列的GIMMS 3g植被NDVI监测数据，对长江流域植被变化的速度、空间格局及其时段变异进行分析。结果显示：20世纪80年代以来，长江流域植被发生了显著的变化，植被覆盖总体呈上升趋势；坡度带、海拔带、土地利用/覆被变化类型区和土地利用/覆被类型区之间存在随时段而异的鲜明差异，低海拔、坡度小的区域、长江中游各流域增速高，而长江上游和下游地区增速较慢；植被覆盖降低的区域从农林业影响为主的山区转向城市群分布区，城镇建设成为植被NDVI降低的主要因素。分时段植被变化速度的差异表明，退耕还林工程显著加快了流域植被的恢复速度。从各个土地利用/覆被类型植被变化速率的分析结果来看，人为影响较大的土地利用/覆被类型植被NDVI变化速度较快，表明人类影响强度的变化是流域内植被变化的主要因素。在流域内部，自然地理条件和人文因素分别是长江上游和中下游植被变化的主导因素。

植被变化；长江流域；GIMMS 3gNDVI；土地利用变化

长江是中国第一、全球第三大河，流域总面积达180万km2[1]。长江流域横贯我国中部，长期以来一直是我国的经济重心[2]。长江流域生态区位重要，自然生境具有明显的地带性，生态系统类型多样，植被类型丰富，生物多样性程度极高[3]。在全国主体功能区划中，流域内有近200个重点生态功能区[4]，各类自然保护区多达827个，保护区面积约占流域面积的20%[5]。长江流域水能资源丰富，长江上游是我国水电开发的重点区域[6]，长江中下游地区则是我国水稻等粮食作物的主产区，养殖业在全国占有举足轻重的地位。因此，长江流域的生态建设长期以来得到区域和国家层面的重视，先后启动了长江中上游防护林工程、鄱阳湖流域山江湖治理工程、三江源保护工程等区域性生态建设工程；同时，国家层面启动的退耕还林工程、天然林保护工程、南方丰产速生林建设工程都将长江流域作为重点区域[7]。这些生态建设工程和经济产业结构的转变加快了流域植被变化。本文基于长时间序列植被遥感监测数据，对长江流域植被变化速度和空间格局展开分析，以阐释流域植被变化的空间异质性及其阶段性特征。

1 植被变化监测方法和数据来源

归一化植被指数（normalized vegetation index，NDVI）与植被叶面积密切相关[8]，是反映植被生长、覆盖变化的常用指标[9、10]。这里以NDVI的变化来反映植被的变化。NDVI采用近红外（ρnir）和红光（ρred）2个波段反射率计算。

采用一元线性回归获取逐像元植被NDVI与时间T的线性回归斜率作为覆盖度变化趋势的表征[11、12]。一元线性回归公式为

式（2）中：β为植被NDVI变化趋势线斜率；T为监测年数；i为年份，i=1，2，…，T；NDVIi为第i年植被NDVI。若植被NDVI呈增加趋势则β＞0，NDVI减少则β＜0，β=0表示植被NDVI没有变化。根据式（1），基于1982-2013年半月最大值合成的GIMMS 3g NDVI栅格数据集，利用Arc/info AML脚本语言编程，求取年最大植被NDVI变化斜率。为揭示植被变化的阶段性特点，以全国大规模退耕还林工程启动的时间节点为界，将1982-2013年划分为1982-1998年、1999-2013年2个时段来分析植被NDVI的变化。同时结合1980年和2010年的土地利用/覆被类型数据，分析长江流域NDVI的变化与土地利用/覆被变化类型间的分异。

2 长江流域植被变化的总体格局

利用上述方法，获得了1982-1998年、1999-2013年和1982-2013年长江流域植被NDVI变化速率的空间分布图如图1所示。结果显示，1982-1998年、1999-2013年2个时段长江流域植被变化的空间格局呈现出明显的不同。1982-1998年，植被指数呈降低趋势的区域主要位于长江上游，乌江中上游、嘉陵江上游、金沙江、雅砻江至通天河沿岸区域等植被指数降低区域呈连片分布。此外长江三角洲地区也是植被指数下降的区域。这一时段，长江中上游植被指数下降区主要位于山区，砍伐、开垦等与林业、种植业相关的人类活动是主要影响因素；长江三角洲地区处于城镇化快速发展的阶段，工业、城市建设和交通设施建设对农田的占用是植被指数下降的主要原因。1999-2013年，植被指数降低的区域逐步破碎化，成都平原至重庆一带出现植被指数降低趋势的连片区域，这一时期成渝城市群的快速发展是其形成原因。随着长江中上游防护林工程、退耕还林工程以及长江上游水库群建成后大量植被保护和恢复工程的开展，上游地区植被指数降低的趋势得到缓和。在长江中游一带，这2个时期植被指数都呈增加趋势，尤其是在江西、湖南、湖北和重庆东部，秦巴山地、云贵高原与江南丘陵相邻地带，都是植被恢复和重建的主要地区。

图120 世纪80年代以来NDVI变化速率的空间分异Fig.1 Different spatial distributions of the NDVI change rates since 1980s

生态建设工程是流域植被恢复的直接人文驱动原因。秦巴山地位于南水北调中线水源区，是我国乃至世界生物多样性的热点区域，在这里相继开展了天然林资源保护工程、南水北调中线水源区保护和退耕还林等生态修复和保育工程，植被得到很好恢复。洞庭湖流域、鄱阳湖流域长期是生态建设的重点区域。鄱阳湖流域开展了卓有成效的山江湖治理工程[13、14]，森林覆盖率从26.98%提高到60.05%[14]。

3 NDVI变化的地形分异

坡度、海拔可导致水热条件、土壤属性等自然地理环境因子的分异，同时还决定人类对土地开发利用的方式和强度，因而是植被变化的控制因素之一。笔者按照坡度和海拔分带对长江流域植被NDVI变化速度进行统计分析，得到各时段各坡度带和各海拔带的NDVI变化速率分别如图2和图3所示。

图2 各坡度带各时段NDVI变化速率Fig.2 The NDVI change rates of different slopes during 3 temporal periods

图3 各海拔带各时段NDVI变化速率Fig.3 The NDVI change rates of different elevations during 3 temporal periods

如图2和图3所示，长江流域植被NDVI在各个坡度带基本上都呈增加趋势，变化速率有明显的地形分异，总体上坡度缓和的区域植被NDVI增速较快，陡峭区域除大于35°的区域外，NDVI增速都较慢。1982-1998年，坡度大于35°的区域NDVI增速最高，达到每10年0.15，其他各坡度带增速较低，且随坡度增加增速降低。1999-2013年，长江流域除大于35°的区域外，植被NDVI增速较1982-1998年大幅度提升，且随坡度增加增速递减。但从1982-2013年，各坡度带植被NDVI都在增加，0～5°及大于35°两个坡度带增速较高。1982-1998年、1999-2013年2个时段，植被NDVI变化速率随海拔都呈递减趋势。

1982-1998年NDVI在各个高度带都低于1999-2013年。从各时段的植被NDVI变化来看，1999年开始实行的退耕还林工程是最大的直接推动原因。在高海拔区域，农业、工矿等低植被覆盖土地利用类型较少，自然植被占主导，植被保育是植被建设的主要方式，因而植被NDVI增速较低；在低海拔区域，耕地等土地利用类型面积大，是退耕还林的主要区域，且水热条件较好，因而植被NDVI增速较高。

4 土地利用变化对NDVI变化速率的影响

土地利用/覆被类型的变化是植被NDVI变化的直接影响因素。利用20世纪80年代和21世纪10年代土地利用/覆被数据叠加分析，提取出类型不变的各类土地利用/覆被类型区，分别统计1982-1998年、1999-2013年和1982-2013年的植被NDVI变化速度。从1982-2013年，长江流域全区、土地利用/覆被类型变化区和不变区植被NDVI都呈增加趋势，2003年以后这种增加趋势更为突出（图4）。土地利用/覆被类型不变区NDVI低于全区平均水平，更低于土地利用/覆被类型变化区。区域NDVI变化速率标准差反映了植被变化速率的空间异质性。从1982-2013年，类型变化区内部植被NDVI标准差都低于全流域和类型不变区，表明类型变化区内部植被NDVI异质性降低。

图4 土地利用/覆被类型变化区（左）和不变区（右）NDVI及其标准差时间变化Fig.4 Temporal variations of the annually averaged NDVI change rates（left）and their standard deviations（right）for the regions of changed and unchanged types of land use and vegetation cover

各土地利用/覆被变化类型区NDVI变化速度在1982-1998年、1999-2013年2个时段差别明显，1999-2013年土地利用/覆被类型变化区域NDVI增加速率是未变区域的2倍以上（图5）。在前一时段后期，长江中上游防护林工程启动，而后一时段是退耕还林工程大规模实施的时间，大量耕地转变为林地，植被建设速度大大加快。因此，2个时段植被NDVI增速的差异可归因于植被建设工程的实施。但从1982-2013年来看，土地利用/覆被类型未变区植被NDVI增速远高于土地利用类型变化区，表明对流域内原有植被的保育有效促进了植被的恢复。

图5 土地利用/覆被类型变化类型区（左）和土地利用/覆被类型区（右）NDVI变化速率图Fig.5 The decadal NDVI change rates for the regions of changed and unchanged types of land use and vegetation cover(left)and for the different types of land use and vegetation cover(right)

如图5所示，各类土地利用/覆被在1999-2013年植被NDVI增速高于1982-1998年和1982-2013年；人为影响大的土地利用/覆被类型NDVI变化速度较快。一般而言，人类活动对土地利用/覆被类型的影响强度依次为聚落、农田、水域、灌丛、森林、草地[15、16]。在1982-1998年，聚落NDVI下降，而在1999-2013年则高速上升，速度远高于其他土地利用/覆被类型。除聚落外，在各个时段农田是植被NDVI增速最高的土地利用/覆被类型。在长江流域，草地在植被类型中是变化速度最低的类型，远低于森林、灌丛，水域NDVI的增加反映出湿生植被覆盖的扩展和水体浮游植物的增加。

5 结语

植被NDVI变化速度及其空间分布格局的定量分析结果显示：20世纪80年代以来，长江流域植被发生了显著的变化，植被覆盖总体呈上升趋势，但在不同的坡度带、海拔带、土地利用/覆被变化类型区和土地利用/覆被类型区之间存在时段的变化；在植被NDVI变化速度的空间分布上，低海拔、坡度小的长江中游各流域增速高，而长江上游和下游地区增速较慢，前者受自然地理条件制约，后者则受人类活动影响。植被覆盖降低的区域从农林业影响为主的山区转向城市群分布区，城镇建设成为植被NDVI降低的主要因素。分时段植被变化速率的差异分析表明，1999年开始实施的退耕还林工程显著加快了流域植被的恢复速度。从各个土地利用/覆被类型植被变化速率的分析结果来看，人为影响较大的土地利用/覆被类型植被NDVI变化速度较快，表明人类影响强度的变化是流域内植被变化的主要因素。

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[责任编辑：肖红艳]

Vegetation Change of Yangtze River Basin since 1980s:Pattern and Change Rate

LIU Yu1，ZHU Yuan1，2

（1.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;2.College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China）

Yangtze River basin is the engine of China’s economy and the important critical zone for ecological security.Ecological restoration project and expansion of built-up areas are the direct push of vegetation cover shift.Using GIMMS 3g NDVI dataset,this study mapped the vegetation change rate and its spatial pattern of this large river basin,and analyzed the variation of the change rate at different temporal stages.The results demonstrated that the average vegetation cover in the Yangtze River basin increased significantly since 1980s.However, a spatial heterogeneity of the change rate exists:areas with lower elevation and/or gentler slope gradient had greater change rate;vegetation change rate showed higher speed in the middle reaches of the Yangtze River basin compared with that in the upper and lower reaches;mountainous areas previously dominated by agriculture and forestry industries were no longer the regions with decreased NDVI,while the urbanized and urbanizing areas had a decreased NDVI.It is concluded that the anthropogenic activities including the launch of Grain for Green Project and the urbanization are critical factors for vegetation change.However,for areas without a change in type of landuse and land cover,the physiographic conditions shaped the vegetation change rate.

vegetation change;Yangtze River basin;GIMMS 3g NDVI;land use change

X173.7

A

2096-2347（2016）02-0039-05

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.02.06

2016-04-18

国家自然科学基金项目（41301032）；国家自然科学基金国际合作项目（31461143032）。

刘宇（1981—），男，贵州省六盘水人，博士，助理研究员，主要从事景观生态学、流域生态系统管理研究。E-mail：liuyu@igsnrr.ac.cn