基于MODIS的眉山市植被指数变化及其原因分析∗

李晓婷 贾宝全

1 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091

2 国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091

3 国家林业局城市林业研究中心 北京 100091

植被在生态系统中扮演着重要的角色，其空间分布和变化是研究城市生态环境质量变化的重要标志[1－2]。研究表明，归一化植被指数 (简称NDVI)对植被的生长势和生长量非常敏感[3]，已被广泛用来定性和定量分析植被覆盖及其生长活力[4]，是指示大区域尺度和全球尺度植被分布和时相变化的良好指标。植被盖度 (简称VC)能够直观地反映地表植被的丰富度，是控制土壤侵蚀的关键因素和指示生态系统变化的重要指标[5－6]，是最直接可用且便于区域之间数量对比的植被因子。城市植被是城市生态环境的重要组成因子，对于城市化过程中生态环境的变化具有重要的指示意义[7－8]。

1 研究区概况

眉山市位于四川盆地成都平原西南部 (102°49′—104°30′E， 29°30′—30°16′N)， 全市土地总面积7 186.7 km2。2000年撤地建市，辖东坡区、彭山县、仁寿县、青神县、丹棱县、洪雅县一区五县。整体地势西高东低，全境有山地、丘陵和平原3个地形单元，其中以山地和丘陵为主，约占土地总面积的79.89%。四川盆地亚热带湿润季风气候，平均气温25.4℃，全年无霜期302～314 d，年平均降雨量1 000 mm，年均相对湿度80%左右，闽江、青衣江干流纵贯市境。截止到2016年，年常住人口达300.13万人，城镇化水平41.87%。

2 研究材料与研究方法

2.1 研究材料

本研究使用2000—2015年每年8月份 (植被达到最大生长量)MODIS/Terra卫星上500 m月度合成的NDVI数据。该数据采用最大合成法，在一定程度上减少云、大气、太阳高度角和传感器等带来的影响，提高了数据的精度[9]。

2.2 研究方法

2.2.1 植被盖度的计算与分级

目前植被盖度的计算与分级主要有2种方法、5级分类法:0≤fc＜20%，20%≤fc＜40%，40%≤fc＜60%， 60%≤fc＜80%和80%≤fc＜100%(fc是基于像元的植被覆盖度)[10]；4级分类法[11]:fc≥75%，60%≤fc＜75%，45%≤fc＜60%和 fc＜45%。本文研究区域属于南方城市植被盖度受农田耕种、水域植被等影响较大，固采用4级分类法。

2.2.2 NDVI差值指数与分级

利用NDVI差值指数分级方法，可以有效揭示大尺度区域植被的宏观变化趋势特征，避免因直接使用NDVI指数，而过分关注一些微小的数值波动给宏观规律性研究带来的噪声影响。本文借鉴李一静等[12]对深圳植被变化分类方法，结合研究区植被变化现状，将DNVI变化程度分为3个等级:ΔNDVI≤1为无显著变化，ΔNDVI＞1为正向变化，ΔNDVI＜1为负向变化。

基于 2000、2014年 NDVI指数分布图，在ArcGIS 10.0系统支持下，利用式 (1)可得到2000—2014年研究区NDVI指数变化分布图。

其中，ΔNDVI为植被差值指数，NDVI2000和NDVI2014分别为2000年和2014年眉山市NDVI图上的像元值。

将上式的结果进行标准化分级，分为无显著变化、退化变化和改善变化。

无显著变化:

退化变化:

3 结果与分析

3.1 植被NDVI年际变化

3.1.1 全市域植被NDVI年际变化

以每年平均NDVI数据代表当年的植被状况，分析2000—2015年眉山市植被覆盖年际变化。从图1可知，眉山市植被覆盖在2000—2015年大致分为 3个阶段:2000—2006年，全市NDVI均值在0.768 4～0.856 9波动，平均值为 0.825 6；2006—2008年 NDVI均值从0.856 9急速下降到 0.644 3；2008—2015年NDVI均值呈现上升趋势，其中2008—2009年增幅最快。线性回归方程斜率slope＞0说明眉山市NDVI整体呈增加趋势，并且以每10年0.021的增速递增。

图1 眉山市域2000—2015年NDVI均值变化

3.1.2 不同区县NDVI年际变化

从不同区县植被覆盖的年际变化值来看，彭山县、仁寿县和青神县3个县区NDVI均值较高，在0.728 0～0.919 6波动；东坡区和丹棱县NDVI均值在0.632 1～0.876 2波动；洪雅县NDVI均值波动最大，在0.350 3～0.876 2。从不同区县植被覆盖的年际变化趋势来看，彭山县、仁寿县、丹棱县、青神县和洪雅县5个县区线性回归方程斜率slope＞0，且从高到低依次为仁寿县、青神县、彭山县、洪雅县和丹棱县。东坡区线性回归方程斜率 slope＜0(图 2)。

图2 眉山市域各个县区2000—2015年NDVI均值变化

3.2 植被盖度的变化

3.2.1 全市域植被盖度的总体变化

从眉山市2000年和2014年植被盖度研究结果可以看出 (表1)，低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度植被区域面积占全市土地总面积的比例从2000—2014年分别降低了7%、3%和14.44%；高覆盖度植被土地面积增加17.53%。相关研究表明，极低覆盖度等级面积的减少，既可能意味着区域植被覆盖面积的绝对数量的减少，也可能意味着非植被土地面积的增大，而其他类型的变化则主要体现在植被功能强弱的变化上[13－14]。此变化情况说明眉山市现有植被质量得到了很好的改善，植被功能有所增强。

3.2.2 不同区县植被盖度变化

从不同区县植被覆盖度的分级情况看 (表1)，变化最剧烈的主要集中在中高覆盖度和高覆盖度这两个等级。其中仁寿县、青神县、彭山县、东坡区和丹棱县表现为中高覆盖度植被分别减少27.23%、20.42%、18.34%、10.74%和 9.97%，高覆盖度植被分别增加 35.10%、20.87%、28.63%、10.86%和9.92%；洪雅县则表现为中高覆盖度植被增加1.63%，高覆盖度植被减少3.59%。

表1 眉山市各区县2000年和2014年植被盖度分级统计及变化情况

3.3 基于NDVI差值结果的植被空间变化分析

3.3.1 全市域差值植被指数分级变化

2000—2014年，眉山市域植被呈现出以无显著变化为主导的变化特征 (图3)，无显著变化区域面积、改善区域面积和退化区域面积分别为569 150 hm2， 76 950 hm2和 70 425 hm2。 其中退化区域主要集中在山地区、水域区以及道路沿线，具体分布在岷江和青衣江沿线、仁寿县的黑龙滩水域地带、洪雅县的瓦屋山省级自然保护区以及穿市区的遂洪高速的岷江以西段位、岷东大道和眉州大道穿越四川城市职业学院眉山校区周围段位。

3.3.2 各区县差值植被指数分级变化

眉山市域不同区县内部的植被指数差值分级统计结果见表2。由表2可以看出，彭山县、仁寿县和青神县3县区植被改善面积比例大于退化面积比例，其中仁寿县表现最为突出，植被改善区域面积超出退化面积11.01%，彭山县和青神县植被改善区域面积分别超出植被退化区域面积7.66%和4.05%；东坡区、丹棱县和洪雅县3县区则表现出植被退化区域面积高于植被改善区域面积，其中洪雅县植被退化最为严重，植被退化面积高出植被改善面积11.58%，东坡区和丹棱县植被退化区域面积分别高出植被改善区域面积3.33%和0.77%。

图3 眉山市域差值植被指数分级分布图

表2 眉山市各区县差值植被指数变化统计

4 眉山市植被变化的原因分析

4.1 气候因素对植被的影响

从图4可见，2000—2015年15年来，眉山市年均降水量和年均气温均呈现出缓慢升高的变化趋势。这种变化非常有利于植被的良好发育和演替。利用眉山市2000—2015年的年降水、年平均气温数据分别与NDVI均值数据所做的线性回归方程分别为:y＝3E－05x＋ 0.779 2(R2＝0.006 2) 和y＝0.024 5x＋0.380 6(R2＝0.042 8)， 这说明眉山市植被变化与气候变化呈正相关性。

图4 眉山2000—2015年均降水量和年均气温变化

4.2 生态工程对植被变化的影响

人工绿化建设对城市植被覆盖水平有较显著的改善作用。眉山市最主要的生态工程有天然林保护工程、退耕还林工程和荒山荒地绿化工程。这些大型工程的实施，对于眉山市生态环境质量的改善起到了极大的积极作用。从图5可以看出，自2000年以来，眉山市年累计造林面积从2001年的13 874 hm2增加到了2015年的124 134 hm2，为2000年的9倍。

4.3 农业种植业结构调整对植被变化的影响

从图6眉山市2008—2015年的统计数据可以看出，眉山市经济林果面积增长非常迅速，2008年，全市拥有经济林果面积51 771 hm2，2015年增加到了639 147 hm2是2008年的12倍。农业种植业结构调整对眉山市植被状况的改善有重要作用。

图5 眉山市2000—2015年累计造林面积

图6 眉山市2008—2015年年末经济林果面积

4.4 中心城区绿化对植被变化的影响

眉山市中心城区东坡区NDVI均值呈减少变化趋势，且植被退化区域面积超出植被改善区域3.33%。究其原因，眉山市实施的城市 “绿化、亮化、净化、美化”工程、“绿海明珠”“千湖之城” “百园之市”3大工程以及争创 “省级园林城市”“国家级园林城市”使得中心城区的绿地面积大幅增加，由于这些工程主要是通过植树造林的手段来增加绿地面积，因此可以间接用中心城区林地面积变化来指示绿化工程所取得的成果，中心城区林地面积从2000年的112 161 hm2增加到了2015年的43 150 hm2，累计增加了31 884.79 hm2。林地中植被改善区域面积高于退化区域面积，高出200 hm2，为东坡区植被改善做出了重要贡献，但同时建设用地增加了12 658.39 hm2，水域面积增加了4 933.15 hm2，且建设用地中大部分植被发生退化，退化面积远超出改善区域面积1 775 hm2。近年来，随着城市化水平的提高，大量林地被砍伐，土地被平整或者硬化为道路，这些行为都对生态环境造成很大的威胁，建设用地的扩张以及对生态用地的挤压、占用以及破坏是导致中心城区植被出现严重退化的重要原因。

5 结论

1)全市NDVI均值总体以每10年0.021的增速递增，植被生长状况得到改善；6县区除东坡区植被覆盖呈减少趋势以外其他均呈现缓慢升高趋势，升高速率从高到低依次为仁寿县、青神县、彭山县、洪雅县和丹棱县。

2)从植被盖度分级变化情况来看，2014年与2000年相比，眉山市低覆盖度、中覆盖度、中高覆盖度植被区域面积均占全市土地总面积的比例从2000年到2014年分别降低了 7%、3%和14.44%，高覆盖度植被区域面积增加了125 107 hm2，占全市土地总面积的17.53%。

不同区县植被覆盖度变化最剧烈的主要集中在中高覆盖度和高覆盖度2个等级，5区县环境质量均朝改善方向发展，其中仁寿县最优，彭山县、青神县和东坡区次之，丹棱县和洪雅县较差，洪雅县排位最末。

3)从差值植被指数分级变化来看，在2000—2015年，全市有79.43%的区域植被覆盖情况处于无变化状态，改善区域面积为76 950 hm2，占总面积的10.74%，退化区域面积为70 425 hm2，占总面积的9.83%。退化区域主要为山地区、水域区以及道路沿线，分布在岷江和青衣江沿线、仁寿县的黑龙滩水域地带、洪雅县的瓦屋山省级自然保护区以及穿市区的遂洪高速的岷江以西段位、岷东大道和眉州大道穿越四川城市职业学院眉山校区周围段位。

4)从植被状况变化的驱动力来看，除气候因素之外，人为因素也不可小觑，主要包括区域性的大环境绿化生态工程建设，城市市政绿化工程建设、农业产业结构调整，以及由于中心城区快速城市化进程生态用地被严重挤压等。

6 讨论

本研究结论是基于对500 m×500 m分辨率的MODIS卫星影像数据的统计分析所得，对于较大尺度的研究区域范围来说，本研究结论具有较明显的现实意义，但是由于低分辨率的限制，也可能造成对所研究区域植被特征的更多细节动态有所忽视，有待今后开展更深入的研究；其次在讨论农业产业结构调整对植被变化的影响时，由于部分数据无法获取，只能对2008—2015年时间段的经果林面积变化做统计分析，但由于现有数据属于近期8年连续性数据，因此仍然具有一定的代表意义。

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