2004—2018年云南省国家级公益林植被覆盖时空变化分析

鲜明睿，程文龙，李继品，武 旭，刘燕婕

(国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南 昆明 650216)

国家级公益林是维护我国国土生态安全、生物多样性保护和经济社会可持续发展的重要基础[1]。我国自2004年正式建立中央森林生态效益补偿基金制度以来，逐步完善了国家级公益林区划界定和保护管理相关政策和办法，使其在空间布局上趋于科学合理，保护管理也愈发严格规范。鉴于社会公众对国家级公益林越来越高的关注度，国家林业和草原局自2018年开始逐年开展国家级公益林监测评价工作，以期对国家级公益林资源和生态状况进行动态监测，客观评价其建设成效。

归一化植被指数(NDVI)常用于表征植被覆盖状况，是目前应用最广泛的植被指数[2-5]，国内外众多学者也通过长时间序列的NDVI数据开展植被动态研究。Tucker等[6]通过分析1981—1999年全球NDVI序列发现，北半球中纬度植被覆盖明显增长；董弟文等[7]基于Landsat数据运用NDVI、像元二分模型等方法研究发现，和田绿洲植被覆盖面积和覆盖度均呈升高趋势；刘家琰等[8]基于SPOT-VEGETATION NDVI数据估算了神农架林区植被覆盖度，并分析其空间格局及植被覆盖度变化影响因素。

本文利用2004—2018年的SPOT-VEGETATION NDVI遥感数据，运用一元线性回归趋势分析、相关性分析等数理方法估算了云南省国家级公益林植被覆盖时空变化趋势，以期为国家级公益林遥感宏观监测提供科学依据。

1 概况

云南省地处中国西南边陲，地理坐标为东经97°31′～106°11′，北纬21°08′～29°15′。云南东邻广西、贵州，北连四川，西北紧靠西藏，西部与缅甸接壤，南部与老挝、越南两国毗邻。全省东西横贯865 km，南北纵距990 km，幅员面积39.4万 km2。云南地处低纬高原，东部高原绵延，西部山川纵横，全省地势北高南低，呈明显的阶梯状下降，海拔高差悬殊。全省江河纵横，水系十分复杂，且高原湖泊众多，是我国湖泊最多的省份之一，气候类型丰富多样，夏无酷暑，冬无严寒，干湿分明，垂直变化规律明显。

云南省是中国植物种类最多的省份，素有“植物王国”美誉，几乎集中了从热带、亚热带至温带甚至寒带的所有品种，约占全国高等植物种类的 2/3，在我国生物多样性保护领域具有极其重要地位。全省国家级公益林面积达806万 hm2，位居全国前列，主要分布在滇东北、滇西北以及滇中、滇南等重点生态保护区域。

2 数据来源与处理

采用的遥感数据来自中国科学院资源环境数据云平台提供的中国月度NDVI空间分布数据，空间分辨率为1 km，NDVI有效值在0～1之间。选取了2004—2018年15个年度3月份的NDVI遥感数据进行分析，采用ArcGIS软件进行批量裁剪、投影等操作。所采用的云南省国家级公益林范围来源于国家林业和草原局昆明勘察设计院西南生态监测评估中心，采用ArcGIS软件对2017年国家级公益林区划落界小班进行融合生成全省国家级公益林范围。

3 研究方法

3.1 植被覆盖等级划分

结合云南省国家级公益林植被覆盖的实际情况，并参考学者研究[9-11]，将云南省国家级公益林植被覆盖分为4个等级：低覆盖区(NDVI≤0.4)、中等覆盖区(0.40.6)。选取2004年和2018年的NDVI数据对云南省国家级公益林植被覆盖的空间分布和变化情况进行分析。

3.2 一元线性回归趋势线分析

随着时间的变化，NDVI常表现出随时间序列而上升或下降以及空间分布的变化，利用一元线性回归趋势线分析方法[12]对云南省国家级公益林范围内每个像元的NDVI变化趋势进行分析，基于像元的计算公式为：

式中：Bslope为趋势线斜率，Xi为第i年的NDVI值，t为年份，n=4。当Bslope>0时，表示随着时间的增加，NDVI呈上升趋势，反之NDVI呈下降的趋势，Bslope值的大小反映NDVI上升或下降的速率。

3.3 相关分析检验

相关分析就是研究2个或多个随机变量之间的联系，通过研究每个像元对应的NDVI序列和时间序列的相关系数rxy来检验植被生长状况的变化趋势，如果rxy值通过了0.05的显著性水平(P≤0.05)r0.05=0.482检验，说明NDVI值或NPP值具有显著的变化趋势。rxy计算公式为：

4 结果与分析

4.1 NDVI时空变化特征

通过对2004—2018年间云南省国家级公益林NDVI均值进行统计，结果表明：2004—2018年间云南省国家级公益林NDVI均值为 0.774 6，最大值出现在2017年，达 0.819 3，最小值则在2011年，为 0.732 4。2004—2018年间NDVI均值整体上呈明显增长趋势(图1)，2009—2011年云南省曾遭受较为严重的旱灾，导致这一时间段内NDVI值出现明显下降趋势，其余年度基本保持增长趋势。

图1 2004—2018年云南省国家级公益林NDVI均值年际变化

通过对云南省各州市国家级公益林NDVI均值进行统计，结果表明：2004—2018年间云南省各州市国家级公益林NDVI均值存在差异，其中西双版纳州和德宏州的年均NDVI值最高，曲靖市的年均NDVI值最低。从回归斜率来看，2004—2018年间云南省各州市国家级公益林NDVI值均呈增长趋势，其中文山州增速最快，其次为玉溪市、大理州，迪庆州NDVI值增速最缓(表1)。

4.2 2004—2018年植被覆盖等级比较分析

通过对2004—2018年云南省国家级公益林植被覆盖等级进行统计，结果表明：2004年云南省国家级公益林密集覆盖区面积为774.70万 hm2，占96.04%，2018年密集覆盖区面积为778.73万 hm2，占96.54%，说明云南省国家级公益林在2004—2018年间植被覆盖状况很好，密集覆盖区(绿色区域)面积始终占据绝大多数区域(图2)。

将2018年NDVI影像减去2004年NDVI影像得到 2个年份的植被覆盖差值分布图(图2)，统计出不同差值范围所占面积(表2)。结果表明：2018年NDVI值比2004年NDVI值增长的区域面积为660.88万 hm2，占81.92%，2018年NDVI值比2004年NDVI值下降的区域面积为145.84万 hm2，占18.08%，说明2018年与2004年相比，云南省国家级公益林绝大部分区域NDVI值均在增长，且增长幅度基本为0～0.2。

表1 云南省各州市国家级公益林NDVI均值年际变化

图2 2004—2018年云南省国家级公益林植被覆盖等级与差值空间分布

表2 2004—2018年云南省国家级公益林NDVI差值分布

4.3 NDVI变化趋势分析

通过对2004—2018年间云南省国家级公益林每个像元的NDVI值进行一元线性回归趋势线分析，得到其Bslope分布图(图3)和不同级别Bslope的面积。结果表明，Bslope大于0(呈增长趋势区域)的面积为740.33万 hm2，占91.78%，表明2004—2018年间云南省国家级公益林绝大部分区域植被指数总体呈增长趋势，其中Bslope在0～0.01(增速较缓区域)的占多数，为83.33%；Bslope小于0(呈下降趋势的区域)的面积为66.38万 hm2，占8.23%，其中Bslope在0～-0.05(缓慢下降区域)的占多数，为7.51%。

通过对2004—2018年间云南省国家级公益林每个像元NDVI值与年份进行相关分析(图3)，进一步验证了一元线性回归趋势线分析的结果，经统计，rxy>0的面积为741.30万 hm2，占91.90%，rxy>0.482的面积为500.44万 hm2，占62.04%，表明云南省国家级公益林绝大部分区域NDVI值随时间变化呈增长趋势，且大部分区域增长趋势显著；NDVI值随时间变化呈下降趋势的面积仅为65.42万 hm2，占8.11%。

5 结论与讨论

基于2004—2018年的NDVI遥感数据，采用线性回归分析、相关性分析等数理统计方法，反演了2004—2018年云南省国家级公益林植被覆盖时空变化趋势，得到以下结论：

1)2004—2018年间除受极端气候影响的年度外，云南省国家级公益林植被指数均呈较明显的增长趋势。此外，植被指数在空间分布上并不均匀，各地市间差异较明显。

2)通过对2004与2018年2个年度的植被覆盖等级进行分析，结果表明，云南省国家级公益林植被覆盖状况始终保持在较高水平，且绝大多数区域的植被保持着增长趋势。

3)通过对2004—2018年间云南省国家级公益林NDVI值进行逐像元的一元线性回归趋势分析和相关分析，结果表明，植被覆盖增长的区域面积占总面积的91.78%，其中增速在0～0.01的占83.33%，随时间显著增长的面积占总面积的62.04%。本文采用15个年度的遥感影像分析云南省国家级公益林植被覆盖的变化情况，但并未对其影响因素进行深入分析。影响植被覆盖变化的因素可分为自然因素和人为因素[13]，这2种因素在植被覆盖时空演变过程中的相对贡献还有待进一步探讨。近年来，国家持续加大对生态效益补偿资金和政策的力度，国家级公益林作为其载体也相应得到了社会各界的关注，因此，从生态学角度综合分析国家级公益林植被演变过程以及各影响因素的作用机制，对国家级公益林保护管理具有重要意义。

图3 2004—2018年间云南省国家级公益林NDVI值变化趋 势空间分布