2000—2019年若尔盖高原植被生长季NDVI时空变化特征研究

李 楠 韩金锋 阳维宗 马 骁 王耠熠 张 昆 董李勤

（1.西南林业大学地理与生态旅游学院，云南 昆明 650233；2.四川若尔盖湿地国家级自然保护区管理局，四川 阿坝 624500；3.西南林业大学湿地学院，云南 昆明 650233；4.国家高原湿地研究中心，云南 昆明 650233）

植被因其重要的生态功能，在生态系统物质循环和能量流动方面起着非常重要的作用[1-2]，在全球气候变暖的大背景下，植被生态系统特征会呈现空间和动态方面的差异性[3-4]。因此，开展植被覆盖时空变化研究具有重要意义。近年来，伴随着遥感技术的发展，植被覆盖研究成为了分析生态环境、气候演变和水文过程等众多领域的基础[5]。因为植被典型光谱特征可以通过归一化植被指数（NDVI）体现[6]，所以国内外相关学者基于NDVI数据探究了许多地区植被覆盖的时空分异格局。基于NDVI数据有研究发现中国大部分地区的植被覆盖呈上升趋势[7]，与此相应整体上来说青藏高原地区NDVI呈上升趋势[8-10]，从青藏高原分区来看，雅鲁藏布江流域植被生长季的NDVI呈上升趋势[11]，黄河源区植被生长季NDVI变化趋势呈整体上升局部退化态势[12]。从地形角度研究来说，玛纳斯河流域植被覆盖与地形高度呈负相关关系，海拔越低、坡度越小则植被覆盖改善程度越大，高海拔且坡度大的地区植被覆盖呈退化趋势[13]。

若尔盖高原作为青藏高原东缘最为重要的生态功能区，区内分布的沼泽湿地是黄河上游重要的水源补给地[14]。若尔盖高原地区的植被生长状况不仅关系到当地生态环境质量的好坏，而且影响到整个黄河流域的生态环境质量。本研究采用2000—2019年MODIS-NDVI数据集，利用最大值合成法、趋势分析法、变异系数以及Hurst指数法揭示若尔盖高原植被生长季（5—9月）NDVI的时空变化特征，以便掌握若尔盖高原植被生长季植被覆盖的演变趋势，为制定切实可行的生态环境保护策略提供参考。

1 研究区概况

若尔盖高原位于青藏高原东缘，其地域面积约为4.3×104km2。若尔盖高原行政区地域范围包括了四川省的若尔盖县、红原县和阿坝县以及甘肃省的碌曲县和玛曲县。若尔盖高原的平均海拔约为3 700 m，高原四周为山地地形，中部为平缓的丘状高原地貌，中部区域地势起伏和缓，谷地宽广，其上发育有大片的沼泽湿地。若尔盖高原属于大陆性高原寒温带季风气候控制区，高原多年平均气温在0.9～2.5 ℃之间，最热月为7月，最冷月为1月，多年平均降水量在518～800 mm，降水多集中在5—9月[13]。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

研究使用的NDVI数据来自于美国国家航天局（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）的MOD-13Q1-NDVI数据集，该数据集的空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，数据格式为hdf。本研究选取的时间范围为2000—2019年若尔盖高原植被生长季（5—9月份）。

采用MRT软件对NDVI数据集进行遥感影像的转投影（统一使用WGS_1984_UTM_ZONE_48°N投影），使用ArcGIS10.2软件对遥感影像进行研究区矢量边界的批量裁剪。为消除云层、大气以及卫星传感器角度等各方面的不利影响，采用最大值合成法（MVC）[14]合成每月最大NDVI值。保留NDVI值大于0.05的有植被覆盖区域，删除小于0.05的无植被覆盖区域。使用ArcGIS 10.2软件绘制植被生长季平均NDVI的空间分布特征和变化趋势，使用Sigmaplot软件绘制曲线图。

2.2 趋势分析法

本研究采用一元线性回归方程的斜率来分析每个像元的变化趋势[15]。栅格像元值斜率变化的计算公式如下：

式中：Slope表示植被生长季NDVI的变化趋势，即斜率；n为监测年数；为第i年植被生长季NDVI的平均值。

一般来说，Slope＞0表示NDVI年际变化呈增加的趋势，反之则说明NDVI年际变化呈减少的趋势；Slope=0表示NDVI年际变化无改变。

2.3 变异系数分析

采用变异系数（CV）来反映栅格像元值的相对波动程度[16-17]。CV的数值越大则说明植被生长季NDVI像元值波动性越大，NDVI越不稳定；CV的数值越小说明植被生长季NDVI越稳定。计算公式如下：

式中：CV为栅格像元值的变异系数；N DVIi为第i年植被生长季NDVI的平均值；为2000—2019年植被生长季NDVI的平均值。

2.4 未来变化趋势分析

Hurst指数是定量描述研究对象在时间序列上长程依赖的方法[11]，其在气象学、金融学和水文学等领域有着广泛的应用。本研究基于2000—2019年植被生长季NDVI的可持续性分析，研究未来若尔盖高原植被生长季NDVI变化的游走情况，采用R/S分析法计算植被生长季NDVI变化的Hurst指数。

设有一时间序列{NDVIt}（t=1,2,3,···,n），对于任意正整数τ，定义均值序列：

累积离差：

极差：

标准差：

计算Hurst指数：

式中：H即为Hust指数，可在双对数坐标系中用最小二乘法拟合求得。当H=0.5，则说明时间序列为一个随机序列，不存在长期相关性；当0＜H＜0.5，表明未来的变化状况与过去趋势相反，即该过程具有反持续性；当0.5＜H＜1，则表明未来的变化状况与过去趋势一致，即该过程具有持续性；且H越接近1，持续性越强。

3 结果与分析

3.1 植被生长季NDVI的年际变化特征

若尔盖高原2000—2019年NDVI的年际变化趋势见图1。研究发现20年来若尔盖高原植被生长季平均NDVI的年际增长速率为0.001 9（P＜0.05），决定系数为0.539 4。根据变化趋势可将植被生长季NDVI分为3个阶段（2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年）。其中2000—2005年植被生长季NDVI年际变化速率为每年0.006 8；2006—2013年植被生长季NDVI年际变化速率为每年0.002 8；2014—2019年植被生长季NDVI年际变化速率为每年0.005 4。

图1 20年来若尔盖高原植被生长季平均NDVI年际变化趋势Fig.1 Inter-annual variation trend of the average NDVI of the vegetation growth season in the Zoige Plateau in the past 20 years

综上可知，2000—2005年若尔盖高原植被生长季NDVI的年际变化速率最快，其次为2014—2019年NDVI的年际变化速率，2006—2013年NDVI的年际变化速率缓慢。整体来说，若尔盖高原的植被生长季NDVI在20年间呈显著上升趋势，表明若尔盖高原的生态环境质量在20年来呈上升趋势。

3.2 植被生长季NDVI的空间分布特征

若尔盖高原2000—2019年植被生长季多年平均NDVI的空间分布格局见图2。整体上，若尔盖高原植被生长季多年平均NDVI值较高，为0.693，若尔盖高原NDVI分布处于高等级状态。表明整体上若尔盖高原植被生长季的植被覆盖状况整体上良好。

将若尔盖高原植被生长季NDVI划分为[0.05,0.40]、(0.40,0.60]和 (0.60,0.90] 3个级别，分别代表低植被覆盖、中等植被覆盖和高植被覆盖等级。其中，低植被覆盖区域面积比例为1.57%，主要零散分布在玛曲县西部、阿坝县西北部和红原县东南部地区。中等植被覆盖区域面积比例为7.28%，零散分布在若尔盖高原的西部和中部地区。高植被覆盖区域面积的比例为91.15%，集中成片分布在若尔盖高原的中东部地区，该等级区域面积占了若尔盖高原地区的绝大部分。

图2 20年来植被生长季NDVI年均值及其等级分布格局Fig.2 Multi-year mean value of NDVI and its hierarchical distribution pattern in the vegetation growth season in the past 20 years

3.3 植被生长季NDVI时序变化斜率

20年来若尔盖高原植被生长季NDVI斜率变化见图3。根据植被生长季平均NDVI的年际变化趋势，将斜率变化时序划分为3个阶段：2000—2005年植被生长季NDVI的斜率变化范围为-0.128 0～0.117 8，变化斜率均值为0.003 3；2006—2013年植被生长季NDVI的斜率变化范围为-0.065 0～0.065 7，均值为0.001 4；2014—2019年植被生长季NDVI的斜率变化范围为-0.114 9～0.122 0，均值为0.002 7。由此可知，20年来若尔盖高原植被生长季NDVI的变化斜率呈快—慢—较快的变化趋势。

图3 20年来植被生长季NDVI变化斜率Fig.3 Slope distribution of NDVI in different growing seasons in different sections of the past 20 years

2000—2019年若尔盖高原植被生长季平均NDVI变化斜率及其等级分布见图4。由图4可知，斜率变化范围为-0.035 6～0.025 7，均值为0.000 9。根据植被生长季平均NDVI的变化斜率及其分布规律，依据吕洋等[11]的划分标准，将若尔盖高原植被生长季平均NDVI变化斜率划分为(-0.036,-0.004]、(-0.004,-0.001]、(-0.001,0.001]、(0.001,0.004]和 (0.004,0.026) 等5个区间，分别表示明显退化、轻度退化、基本不变、轻度改善和明显改善5个等级。由表1可知，其中，若尔盖高原22.75%的区域呈轻度改善状态；3.43%的区域呈基本不变状态；8.83%的区域呈明显退化等级；64.70%的区域呈明显改善状态，这一等级所占比重最大；0.38%的区域呈轻度退化状态，这一等级所占比重最小。若尔盖高原2000—2019年植被生长季NDVI整体上呈改善态势。

图4 2000—2019年生长季平均NDVI变化斜率及其等级分布Fig.4 Slope and grade distribution of NDVI in different growing seasons in different sections from 2000 to 2019

表1 20年来植被生长季NDVI变化斜率等级Table 1 Slope grades of NDVI change in vegetation growth season in the past 20 years

3.4 植被生长季NDVI时序变异系数

若尔盖高原2000—2019年植被生长季NDVI的变异系数见图5。由图5可知，若尔盖高原20年来植被生长季NDVI变异系数的均值为0.186 5，表明20年来若尔盖高原植被生长季NDVI在整体上处于中等波动变化状态。高波动变化等级主要零散分布在若尔盖高原的四周及其中部区域，低波动变化等级集中连片分布在若尔盖高原的中东部区域。

图5 近20年植被生长季NDVI的变异系数及其等级Fig.5 Variation coefficient and grade of NDVI in vegetation growth season in the past 20 years

由表2可知，若尔盖高原植被生长季NDVI变异系数等级分类中的中等波动变化等级面积的比例最大，为33.70%；低波动变化等级面积的比例最小，为3.90%；相对较低波动变化等级面积的比例为33.14%；相对较高波动变化等级面积的比例为21.67%；高波动变化等级面积的比例为7.69%。

表2 20年来植被生长季NDVI变异系数等级统计Table 2 Statistics of NDVI coefficient of variation in vegetation growth season in the past 20 years

3.5 植被生长季NDVI未来变化趋势

对20年来若尔盖高原植被生长季NDVI进行Hurst指数分析，结果见图6。若尔盖高原Hurst指数的均值为0.432 8，表明未来植被生长季NDVI呈弱反持续性，生态环境有退化的趋势。根据吕洋等[11]的划分标准将若尔盖高原植被生长季NDVI的Hurst指数划分为了4个等级（表3），分别为(0.00,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]和(0.75,1.00)，分别代表Hurst指数等级的强反持续、弱反持续、弱持续和强持续。其中强反持续占比为1.02%，弱反持续占比为77.43%，弱持续占比为21.50%，强持续占比最小，为0.05%。

图6 植被生长季NDVI的Hurst指数及其等级分布Fig.6 Hurst index and its grade distribution of NDVI in vegetation growing season

表3 20年来植被生长季NDVI的Hurst指数等级Table 3 Hurst index of NDVI in the vegetation growth season in the past 20 years

4 结论与讨论

若尔盖高原水热条件的空间分布造就了高原生态环境格局的分异特征。有研究显示，在全球气候变暖的大趋势下，若尔盖高原的气温呈上升趋势。气温的增高在一定程度上加快了植被生长，延长了植被活动的时间范围，提高了植被覆盖程度[18-19]。在此大背景下，通过研究20年来植被生长季NDVI变化的时间序列，基于趋势分析法、变异系数分析和R/S分析法研究若尔盖高原植被生长季NDVI的时空分布格局。

2000—2019年植被生长季NDVI的年际变化趋势方面，研究显示20年来植被生长季NDVI呈显著上升趋势，趋势率为每年0.001 9。以2005年和2013年为间隔划分植被生长季NDVI3个时间段的增长趋势，NDVI增长趋势呈快—慢—较快形态。空间分布特征方面，若尔盖高原植被生长季NDVI的多年均值为0.693，植被覆盖程度呈高等级状态。

2000—2019年若尔盖高原植被生长季NDVI斜率变化以改善等级为占比最大部分。其中，2000—2005年、2006—2013年和2014—2019年植被生长季NDVI斜率变化呈快—慢—较快增长趋势。若尔盖高原植被生长季NDVI的变异系数均值为0.186 5，整体上呈中等波动变化状态。有研究发现在降水量基本稳定的情况下，随着气温的升高若尔盖高原地区的蒸散发量呈逐年增加的趋势[19]，在此背景下土壤水分的流失减弱了植物光合作用以及植物蒸腾作用的加强在长期持续发展的情况下会造成植被活动的减弱[20]。与此对应，研究发现20年来若尔盖高原植被生长季NDVI的Hurst指数均值为0.432 8，整体上若尔盖高原植被生长季NDVI的未来变化呈弱反持续状态，未来若尔盖高原植被生长季NDVI呈退化态势。