湖南省植被覆盖度动态变化监测及影响因素分析

彭晶晶 闫如柳

摘要 利用MODIS NDVI月平均数据及湖南省标准气象站的气象数据，采用像元二分模型对湖南省的植被覆盖度进行估算，并对其时空变化及影响因素进行分析。结果表明，湖南省植被每年3月进入生长季，9月结束。植被覆盖度总体呈上升趋势，上升趋势率为0.59%/a;湖南省89.16%的区域植被覆盖度呈上升趋势，仅1.29%的区域呈下降趋势。植被覆盖度减少最为严重的区域主要集中在长沙、岳阳等城市的周边地区;气温是影响植被覆盖度的主要气候因子。

关键词 植被覆盖度;时空变化;遥感;影响因素

中图分类号 X835  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）07-0051-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Monitoring and Influencing Factors Analysis for Vegetation Coverage Dynamic Change in Hunan Province

PENG Jing-jing1，YAN Ru-liu2

（1.Changsha Meteorological Bureau，Changsha，Hunan 410205;2.Key Laboratory of Preventing and Reducing Meteorological Disaster，Hunan Institute of Meteorological Science，Changsha，Hunan 410118）

Abstract Using the monthly average data of MODIS NDVI and the meteorological data of the standard meteorological station in Hunan Province：the vegetation fractional coverage （VFC） in Hunan Province was estimated by the pixel dichotomy model and its temporal and spatial changes and influencing factors were analyzed.The results showed that vegetation began growing in March，and ended in September.The VFC showed an upward trend with rising rate of 0.59%.The area with increasing trend of VFC accounted for 89.16%，while the area with reduction trend accounted for 1.29%.The areas with the most serious VFC reduction were mainly concentrated in the surrounding areas such as Changsha and Yueyang;temperature was the main climatic factor affecting the VFC.

Key words Vegetation fractional coverage （VFC）;Temporal and spatial change：Remote sensing;Influencing factor

陆地植被与大气圈、水圈和生态圈关系密切，是连接大气、土壤和水体的自然纽带，它连接着陆地生态系统间的能量循环[1]，是调节区域气候和全球气候的重要因子[2]。同时，陆表植被与地表的水源涵养和水土保持能力密切相关，在防止水土流失、减缓径流、保护生态系统和自然环境等方面起着关键作用[3-4]。植被改变了陆表的覆盖属性，动态监测植被覆盖的时空变化状况对研究山区地理格局和区域生态环境状况有重要意义[5-7]。

卫星遥感具有覆盖广、周期短的特点，在大范围监测方面具有天然的优势。近年来，通过卫星数据反演植被净初级生产力、叶面积指数等植被参数来监测植被生长状况已成为生态监测的重要手段[8-9]。这些参数中，归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）与植被覆盖度、生物量、叶面积指数等密切相关，常被用于监测植被的生长状况[10-12]。如王一富等[13]对大理苍山保护区的植被覆盖度进行了动态监测;廖春贵等[14]对北部湾经济区植被覆盖变化的特征及驱动因素进行了研究。植被覆盖的变化与气候因子存在内在联系[15-17]，在气候变化背景下，近年来北半球的植被覆盖发生了显著变化，其中我国除局部地区略有下降外，总体上呈现上升趋势[18]。然而，植被覆蓋在空间上表现出显著的区域差异性，其与气候因子的相关性也存在明显的空间异质性。因此，探讨区域生态系统内植被覆盖度时空分布特征及对气候变化的响应，对保护区域生物多样性与生态安全具有重要意义。

考虑到植被覆盖度时空变化的区域性差异及其与气候因子之间的关系，笔者选取湖南省为研究区域，探讨2000—2020年湖南植被覆盖度的空间变化特征和变化趋势及其对气温、降水的时空响应。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

湖南地处云贵高原向江南丘陵、南岭山脉向江汉平原过渡的地带，地势呈三面环上、朝北开口的马蹄形。全省海拔西高中低，西部和南部多山区，中部多丘陵，北部为平原。湖南气候为大陆型亚热带季风气候，雨热同期，降雨年际变化大，夏季高温多雨，冬季干燥少雨。在地形和季风气候共同影响下，湖南的森林植被以常绿阔叶林乔木和温带阔叶林为主。20世纪50—80年代，由于人为的过度砍伐，水土流失、石漠化现象严重。从2000年以后，全省在国家政策号召下进行了退耕还林、封山育林等一系列森林修复工作，近20年来生态植被状况呈改善趋势。

1.2 数据源及预处理 该研究中使用的MODIS NDVI遥感数据来源于美国国家航天局（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），空间分辨率为1 km×1 km，时间跨度为2000—2020年。对应的同期气象数据由湖南省信息中心提供，湖南省气象站点分布如图1所示。

使用MRT批处理软件对MODIS NDVI数据进行裁剪、拼接及投影转换，采用最大值合成法（maximum value composites，MVC）[19]将旬NDVI数据合成得到月平均NDVI，进而采用像元二分模型[20]计算得到同期植被覆盖度（vegetation fractional coverage，VFC）。根据气象站点的经纬度，采用Kriging空间插值法，获得1 km×1 km空间分辨率的气温、降水格点数据。

1.3 植被覆盖度估算 植被覆盖度（VFC）指的是植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。采用像元二分模型计算植被覆盖度可以表示为：

VFC=（NDVI-NDVI soil）/（NDVI veg-NDVI soil）（1）

NDVI soil=（VFC max×NDVI min-VFC min×NDVI max）/（VFC max-VFC min）（2）

NDVI veg=（1-VFC min）×NDVI max-（1-VFC max）×NDVI minVFC max-VFC min（3）

当区域内可以近似取VFC max=100%、VFC min=0时，式（1）可简化为：

VFC=（NDVI-NDVI min）/（NDVI max-NDVI min）（4）

当区域内不能近似取VFC max=100%、VFC min=0时，则

VFC max、VFC min取实测数据中的最大值和最小值。若没有实

测数据，则取一定置信度范围内的NDVI max、NDVI min。

1.4 趋势系数

趋势系数指的是像元的VFC随时间的变化率（K）。当K>0时，表示VFC随时间呈增加趋势，数值越大，则趋势越大;当K<0时，代表VFC随时间呈下降趋势。

K=n×ni=1（i×VFC i）-ni=1ini=1VFC in×ni=1i2-（ni=1i）2（5）

式中，i代表年份;n为总年数，即21年;VFC i为第i年的VFC值。根据VFC像元趋势系数和显著水平，可将植被覆盖度变化趋势划分为7个等级：极显著改善（K>0.75%）、显著改善（0.50%<K≤0.75%）、改善（0.25%<K≤0.50%）、基本不变（-0.25%≤K≤0.25%）、退化（-0.50%≤K<-0.25%）、显著退化（-0.75%≤K<-0.50%）、极显著退化（K<-0.75%）。

1.5 相关分析

为了更进一步研究VFC与气温和降水之间的响应关系，采用常用的Pearson相关对VFC值、标准化后的年降水量和年平均气温进行计算，公式如下：

r=ni=1[（x i-）（y i-）]

ni=1（x i-）ni=1（y i-）（6）

式中，y i为气候因子第i年的值，为气候因子多年平均值;x i为第i年VFC平均值;为2000—2020年VFC的年平均值。当r达到显著性水平（P<0.05）标准时，即代表VFC与气候因子之间具有显著的线性相关关系。

2 结果与分析

2.1 湖南地区植被覆盖度时间变化特征

经计算，2000—2020年湖南省的VFC平均值为62%。从图2a可以看出，湖南省月平均VFC值变化明显，在56%～80%波动。其中9—12月呈下降趋势，1月份为全年最低，仅为56%，3月份之后VFC呈显著上升趋势，7月份达到一年中的最高值，为80%。这表明研究时段内湖南植被3月进入生长季，生长缓慢，4—6月生长最快，7月达到峰值。

从2000—2020年湖南省植被覆盖度年际变化（图2b）可以看出，2000—2009年湖南省植被覆盖度总体呈现波动增长趋势;2010—2020年呈稳定增长，2020年达到68%，为最高值。近21年总体增长速率约为0.59%/a，表明研究时段内湖南省生态环境显著改善。

为探讨湖南省21年来VFC的年际变化特征，结合月平均VFC结果（图2a），将湖南省VFC分为3级：VFC<55%为低植被覆盖度，55%≤VFC<70%为中植被覆盖度，VFC≥70%为高植被覆盖度。从2000和2020年各级别VFC统计情况（表1）可以看出，2000年湖南省VFC主要以中、低植被覆盖度为主;2020年，VFC以中、高植被覆盖度为主，高植被覆盖度占湖南省土地面积的49.82%，中植被覆盖度和高植被覆盖度总和占全省土地面积的85.39%。

2.2 湖南地区植被覆盖度空间变化特征

合成年VFC影像后，采用公式（5）计算了湖南省内各个像元2000—2020年VFC的变化情况（K值），并与湖南省行政边界叠加，如图3所示。从图3可以看出，VFC明显增加的区域主要集中在湘西和湘南;VFC明显减少的区域主要集中在湘中区域，大部分分布在长沙、岳阳等城市的周边地区。VFC总体上呈西南部向东北部递减。

从2000—2020年湖南省VFC变化情况统计（表2）可以看出，近21年来VFC急剧减少，即减少趋势率大于0.75%以上的极显著退化区域面积占研究区域总面积的0.23%，约为441 km2;VFC增加趋势率大于0.75%的极显著改善区域面积占研究区域总面积的22.67%，约为43 911 km2。湖南植被覆蓋度呈增加趋势的面积约占研究面积的89.16%，减少趋势的面积占总面积的1.29%。

2.3 植被變化驱动因子

2.3.1 气候因子与VFC变化的关系。从图4可以看出，2000—2020年湖南省气温和降水量总体均呈上升趋势，其中温度增速为0.03 ℃/a，降水量增速为5.74 mm/a。此时段内VFC的年际变化趋势（图2b）与气温和降水量的年际变化波动相似。

为进一步探究气温和降水量与VFC年内变化关系，采用公式（6）计算了气温和降水量与VFC年内变化的相关系数。计算结果表明，VFC与气温的相关系数为0.618（P=0.002），与年降水量的相关系数为0.340（P=0.130），表明在研究时段内气温对VFC的影响更为显著。

2.3.2 人类活动与VFC变化的关系。人类活动对植被的影响体现在2个方面：一方面通过生态工程（如退耕还林还草等）的实施改善区域生态环境，增加植被覆盖;另一方面随着经济的发展，城市工业、交通及住宅用地等的扩张，城市化进程的加快会使植被覆盖减少，如20世纪50—80年代乱砍滥伐造成湖南省水土流失严重，石漠化严重，城市及周边人口的聚集，交通、住宅、工业用地等紧张，导致植被显著减少（图3）。自1999年以来，国家正式启动退耕护岸林工程，湖南省也积极实施以天然林保护、禁止乱砍滥伐、退耕还林为主的生态环境保护政策和建设工程，极大增加了湖南省植被覆盖。

3 结论与讨论

该研究以MODIS NDVI数据为基础，基于像元二分模型，探索了湖南省2000—2020年植被覆盖度时空变化规律及发生变化的驱动因素，结果发现，湖南省2000—2020年植被覆盖度整体呈上升趋势，增速为0.59%/a。其中，植被覆盖度呈增加趋势的面积占研究区总面积的89.16%，增加较为明显的区域主要集中在湘西和湘南;减少趋势区域的面积占研究区域总面积的1.29%，主要集中在长沙、岳阳等城市的周边地区。气候因子中气温和降水量与植被覆盖度的年变化相关，且相关性较强，研究时段内气温是影响植被覆盖度变化的主要因素。湖南省在1999年启动实施退耕还林工程以来，通过退耕还林、封山育林和人工造林等措施，极大地改善了湖南的植被生态状况，提升了植被覆盖度面积。

植被覆盖度变化受众多因素的综合影响，该研究主要从气候因子、人类活动2个方面分析了湖南省2000—2020年植被覆盖度变化情况。需指出的是，气候因子包括气压、湿度、气温、降水量、风速和日照等，该研究中只是讨论了气温和降水量与VFC的关系，在以后的工作可进一步加强其他气候因子与VFC响应方面的研究。此外，地形地貌对植被的时空分布具有一定的影响，湖南省多丘陵，海拔差异明显，水-土-植被具有高度的相互依赖性，故在今后的研究中可加强地形地貌因子与不同植被类型植被覆盖的研究，从而为湖南省植被生态监测提供科学依据。

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