2012—2021年粤港澳大湾区植被NDVI时空变化及其对气候响应

付 翔,刘 昊

(安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南 232001)

植被是构成陆地生态系统的主体,是连接土壤、水分和大气等环境要素的自然纽带,对于维持生态平衡、调节水循环、促进物质和能量流动具有重要作用[1-2]。在全球气候多变的背景下,植被变化在很大程度上直接影响区域的生态环境[3]。气候因素在对生态环境的影响中起着敏感性指标作用,研究植被变化及其响应机制对区域生态环境保护机制的制定和如何有效开展生态恢复具有重要意义。

归一化植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI) 是植物生长状况和植被覆盖的最佳指示因子,可以有效监测植被覆盖的动态变化[4-6]。植被NDVI时空变化特征是衡量城市生态环境的重要指标之一,秉持“生态优先,绿色发展”理念,城市生态环境问题已成为当前的研究热点。目前,城市区域的植被变化及其对气候响应的研究也在不断深入[7-8]。李茜荣等[9]利用一元线性回归趋势分析方法分析了成渝经济圈植被覆盖变化,并结合了气象数据分析了植被NDVI与气候的响应关系;刘炜等[10]运用趋势分析与多元回归残差分析等方法,对贵州省生长季植被NDVI的变化及其驱动因素进行了定性与定量分析,发现多数地区植被恢复受气候变化和人类活动的共同影响;张鹏骞等[11]运用近20年植被NDVI影像数据分析了京津冀不同功能区和北京市的时空变化特征及植被状况改善情况。然而,以上研究通常将区域作为一个整体分析,很少考虑从不同城市的发展模式和植被状况存在差异的角度分析植被变化,且内陆地区与沿海地区植被受气候的影响也存在差异性。

近年来,粤港澳大湾区植被覆盖大幅降低,造成生态系统稳定性较差,引起了一系列生态环境问题,生态环境问题是制约城市可持续发展的瓶颈因素,探讨植被变化和对气候的响应可以反映地区自然生态系统的演变规律,从而采取有效的措施加大生态环境保护。本文研究基于粤港澳大湾区城市群,利用Sen+MK趋势分析、变异系数和相关性分析等方法,对2012—2021年植被NDVI的变化特征及其气候响应进行了分析,以期为粤港澳湾区生态恢复和区域绿色可持续发展提供理论参考和科学依据。

1 研究区概况

粤港澳大湾区为“9+2”模式,其中包括广东省广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9个珠三角城市和香港、澳门2个特别行政区,总面积5.6万km2,2021年总人口达到8 669.23万人,是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一。大湾区地理条件优越,东、西、北三面环山,中部平原广阔,南部珠江入海口与南海相连,全区丘陵、山地、台地与平原错落,属亚热带季风气候,具有光照充足、夏季时间长、霜冻期短、降水丰富等气候特征。年平均气温21～22 ℃,年降雨量1 600～2 000 mm,雨季主要在4—9月,降水量占全年80%左右。

图1 研究区概况

2 数据来源及处理

MOD13A3 逐月NDVI数据主要来源于NASA (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/) ,空间分辨率为1 km,时间分辨率为每月,影像数据跨度2012—2021年。气象数据主要来源于国家地球科学数据中心提供的2012—2020年中国气象站点逐月栅格数据集,包括降水量、平均气温等。数据处理包括影像裁剪、重采样、去异常值、月数据使用最大值合成法得到年数据等过程。

3 研究方法

3.1 Sen趋势分析和MK显著性检验

Sen趋势分析是一种非参数统计的斜率估计方法,因其受异常值影响小,常用于分析长时间序列植被NDVI数据的趋势变化特征[12]。见式(1):

(1)

式中β——植被NDVI变化趋势值;i、j——时间序列;Xi、Xj——第i、第j年植被的NDVI值。

当β>0时,植被NDVI在i—j时间序列内呈上升趋势;当β<0时,植被NDVI在i—j时间序列内呈下降趋势。

Mann-Kendall (MK) 非参数检验结合Sen斜率估计常被用于长时间序列数据的趋势分析中。MK检验无需样本服从正态分布,且不受异常值和缺失值的影响,因此常用于分析降雨、气温、径流和植被等要素时间序列的趋势变化。对于时间序列Xi,MK标准化检验统计量Z定义见式(2):

(2)

式中S为检验的统计变量,计算见式(3)—(5):

(3)

(4)

(5)

式中n为序列长度。

MK检验采用双边趋势检验,在给定显著性水平下,当|Z| ≤Z1-α/2时,接受原假设,即趋势不显著;若|Z|>Z1-α/2,则拒绝原假设,即认为趋势显著。本文依次选取α=0.05与0.01,当|Z|>1.96和|Z|>2.58时,则表示Sen趋势分析值分别通过了信度为95%和99%的MK显著性检验。趋势显著性的标准等级划分具体如下:β>0时,|Z|≥2.58表示为极显著增加,2.58>|Z|≥1.96表示显著增加,1.96>|Z|≥0表示不显著增加;β<0时,|Z|≥2.58表示为极显著减少,2.58>|Z|≥1.96表示显著减少,1.96>|Z|≥0表示不显著减少。

3.2 变异系数(CV)稳定性分析

本文基于像元尺度计算植被NDVI的变异系数,用于评估在时间序列上的稳定性[13]。

其计算见式(6):

(6)

式中σ——NDVI标准差;μ——NDVI平均值。

当CV值越大,表示数据波动性越大,植被NDVI年际变化越大;反之,数据波动性较小,植被NDVI年际变化较为稳定。利用自然间断点分级法将植被NDVI的稳定性分成5类:低波动变化(CV<0.05)、较低波动变化(CV为0.05～0.10)、中度波动变化(CV为0.10～0.15)、较高波动变化(CV为0.15～0.20)和高波动变化(CV>0.20)。

3.3 相关性分析

为了探究气候因素对NDVI的影响,在像元尺度上计算年时间序列数据NDVI与气温、降水变化趋势的相关性,并进行显著性检验,分析粤港澳大湾区植被生长对气候变化的响应[14-15]。计算见式(7):

(7)

4 结果分析与讨论

4.1 粤港澳大湾区植被NDVI时间变化分析

基于像元尺度计算的2012—2021年粤港澳大湾区年际植被NDVI通过了95%显著性检验,其变化趋势(图2a),归一化植被指数NDVI时间变化呈波动上升趋势,上升斜率为0.003 5 /a。2012—2017年植被NDVI处于上升阶段,植被的改善持续性明显;2017年以后粤港澳大湾区年平均温度持续上升,干旱时期长,植被NDVI总体稳定在0.62上下,其中,由于2019年平均温度异常偏高,不利于植被的生长,植被 NDVI较往年有明显的降低。2012—2021年粤港澳大湾区的多年平均NDVI (图2b),植被NDVI在0.003～0.860,平均值为0.614,NDVI空间异质性明显,空间分布格局为四周高、中间低的特征。

a)NDVI年际变化

b)NDVI空间分布

为了进一步探讨不同植被覆盖尺度下各城市植被NDVI的变化趋势,将通过95%显著性检验的植被NDVI分为NDVI>0.5(图3a)和NDVI<0.5(图3b)2种尺度进行对比分析。由图3a可知,植被NDVI>0.5的城市在10年内均呈上升趋势,其中肇庆市植被覆盖度最高,NDVI上升趋势最快,增长速率为0.005 6 /a;其次惠州市、香港、江门市和深圳市增长速率均大于0.002 /a;广州市植被NDVI上升趋势最缓,增长速率仅为0.001 1 /a。平均NDVI<0.5的城市中,佛山市和珠海市地区植被NDVI上升趋势较快,增长速率分别为0.003 4、0.003 3 /a,东莞市和中山市的增长速率低于0.001 /a,澳门地区植被覆盖度最低,植被NDVI增长速率为0.002 7 /a。植被NDVI>0.5的整个区域平均增长速率为0.002 9 /a,NDVI<0.5的整个区域平均增长速率为0.002 2 /a,由此表明植被覆盖度高的地区其NDVI增长速率大于覆盖度低的地区,植被变化也较为稳定。

a)NDVI>0.5

b) NDVI<0.5

4.2 粤港澳大湾区植被NDVI空间变化分析

2012—2021年粤港澳大湾区植被NDVI变化趋势(图4a)和显著性检验空间变化特征(图4b)基本一致。由图4a可知,NDVI变化斜率为-0.033～0.035 /a,其中正增长趋势主要分布在大湾区四周的丘陵、山地和平原地带,负增长趋势主要集中在中部的城市中心地带。大湾区植被NDVI平均增长速率为0.003 3 /a,整体上保持缓慢的正增长态势。

a)NDVI变化趋势

b)NDVI显著性检验

为了对比粤港澳大湾区各城市植被NDVI的显著性变化面积,分别基于栅格像元计算了其占比面积 (表1)。从表1可知,粤港澳大湾区植被NDVI呈增长趋势的面积占比为77.81%,其中极显著增加和显著增加的面积占比为30.42%,肇庆地区的植被NDVI极显著增加面积占总面积比例最大,为42.84%,佛山市次之(22.11%),植被改善态势显著;而呈极显著下降趋势的面积占其总面积的2.62%,其主要分布在广州、东莞和中山地区。珠江两岸沿线的城市地区,植被NDVI的增加趋势相对缓慢,且局部发生了退化情况。

表1 2012—2021年粤港澳大湾区植被NDVI显著性变化面积占比统计 %

大湾区不同地区的植被NDVI平均变化趋势见图5,肇庆市增长速率为0.005 8 /a,增长速率最快,据肇庆市林业局统计资料显示,肇庆市中低山丘陵占全市土地面积81%,森林覆盖率由70.34%(2015年)增加到70.73%(2020年),植被覆盖改善良好;其次为珠海市,增长速率为0.003 5 /a,高于大湾区平均增长速率;江门市和佛山市增长速率与大湾区平均增长速率趋于一致;中山市和东莞市增长速率最小,增长速率为0.000 8 /a且主要分布于其中部地区。

图5 2012—2021年粤港澳大湾区不同地区植被NDVI变化趋势

4.3 粤港澳大湾区植被NDVI变异系数分析

由图6可知,2012—2021年粤港澳大湾区植物NDVI总体稳定性良好,平均变异系数为0.054 8。低波动变化和较低波动变化的面积占比为89.94%,其中低波动变化主要分布在惠州、广州、肇庆、香港、江门地区。中波动变化、较高波动变化和高波动变化面积占比为10.06%,主要分布在佛山、中山、珠海、深圳、东莞、惠州中部和广州南部。为了比较各城市植被NDVI的稳定性,分别计算了其变异系数不同波动变化的百分比 (图7),由图可知,中山、珠海和澳门3个地区的植被NDVI波动变化,其植被NDVI中等波动变化、较高波动变化和高波动变化的面积分别占其总面积的26.1%、30.4%和48.1%,植被NDVI的稳定性偏低,其余城市植被NDVI稳定性较好,平均变异系数为0.057～0.079,其中,广州、香港和深圳植被NDVI低波动变化和较低波动变化的区域面积占其总面积80%以上。

图6 2012—2021年粤港澳大湾区植被NDVI变异系数

图7 不同地区变异系数等级百分比

4.4 粤港澳大湾区植被NDVI与气候因素

植被NDVI与降水量和平均气温相关性通过95%显著性检验(图8),粤港澳大湾区2012—2020年植被NDVI与降水量呈正相关性面积占比为44.36%,其中,江门市、中山市、深圳市和惠州市地区以正相关性为主,分别占其自身面积的56.44%、67.32%、59.77%和50.2%,而肇庆市、佛山市北部等北部地区以负相关性为主,面积占比为55.64%,其中肇庆市地区呈现显著和极显著负相关性面积占比为49.75%。粤港澳大湾区北部内陆地区多为丘陵与山脉,雨季时间长,气候环境潮湿,降水量过高不利于植被的水热生长,植被NDVI与降水量以负相关性为主,南部沿海地区植被NDVI与降水量以正相关性为主,这表明植被生长受降水量的影响存在空间异质性。

在图8b中,植被NDVI与平均气温呈正相关性面积占比为62.74%,其中呈显著和极显著正相关性的区域面积占比分别为45.06%,其主要分布于肇庆市、惠州市地区以及广州市北部地区;NDVI与平均气温表现为负相关的地区面积占比为37.26%,集中分布于中部的城市建设中心地区,城市建设区的生态公园、人造林、人工草地居多,受人为因素扰动影响,NDVI与平均温度表现为负相关性。

a)年平均NDVI与平均气温相关显著性

b)年NDVI与降水量相关显著性

综上可知,粤港澳大湾区植被NDVI与平均气温的正相关性高于植被NDVI与降水量,植被生长受气温的影响较为敏感。植被覆盖高的地区NDVI与降水量主要呈极显著和显著负相关,与平均温度主要呈极显著和显著正相关,因此也表明植被生长与生态环境受降水量和平均温度的双重驱动响应作用。

5 讨论

粤港澳大湾区受全球气候变化和城市化进程的影响,生态保护面临巨大挑战。植被NDVI时空变化特征反映了地区自然生态系统的演变规律,揭示大湾区植被NDVI变化及其对气候变化的响应规律,有助于区域的生态环境修复和植被改善。粤港澳大湾区随着城市化的持续扩张,植被覆盖率受林地、草地等面积的缩小而降低,城市经济发达地区植被NDVI增长速率相对缓慢,经济欠发达如肇庆、惠州和江门地区,城市扩张相对较慢,植被NDVI增长速率较快。近10年以来,大湾区植被NDVI呈增长趋势的面积占比为77.81%,平均上升速率为0.003 3 /a,整体上保持缓慢的正增长态势,植被改善已有成效,这需归功于粤港澳大湾区重点推进山水林田湖草的生态保护修护工程。2021年以来,广东省完成造林和生态修复128 000 hm2,实现矿山复绿693 hm2,全力打造绿色的生态防护屏障,生态文明建设成效显著。广州市、中山市和东莞市植被NDVI增长速率较缓,局部出现退化情况,因此需要进一步推进生态环境保护和修复力度,加强珠三角周边山地、丘陵及森林生态系统保护。大湾区牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,坚持生态环境保护和绿色转型发展,有效提高了区域内植被NDVI整体稳定性。粤港澳大湾区北部内陆地区植被NDVI与降水量以负相关性为主,南部沿海地区植被NDVI与降水量以正相关性为主,降水量对植被的生长作用存在空间异质性,内陆和沿海地区植被受气候的差异性影响较为显著。就气象因子而言,气温是影响粤港澳大湾区植被覆盖的主要因子[16],这与本文研究结论“粤港澳大湾区植被生长受气温的影响较为敏感”相一致;珠三角地区 NDVI 具有高空间集聚特性,受地形和城区分布影响,低植被覆盖集聚区和高植被覆盖集聚区分布格局显著且变化稳定[17];粤港澳大湾区植被改善面积占比77.81%远大于植被退化面积22.19%,植被覆盖持续改善中,这充分表明了大湾区实行严格的生态环境保护制度,着力提升生态环境质量已有成效,生态文明建设向目标迈进了一小步,未来生态环境保护工作形势依然严峻。

6 结论

a)2012—2021年粤港澳大湾区植被NDVI总体呈现增长趋势,面积占比77.81%,其中极显著增加和显著增加的面积占比为30.42%,植物NDVI总体稳定性良好,平均变异系数为0.054 8,低波动变化和较低波动变化的地区面积占比为89.94%,这表明大湾区近10年来区域生态环境治理效果良好,植被改善显著。

b)近10年以来,植被NDVI与降水量呈正相关关系面积占比为44.36%;与平均气温呈正相关关系面积占比为62.74%,由此可知相对气候因素而言,植被生长受气温因子的影响较大,对于植被生长具有一定的促进作用,降水量过多对植被生长有一定抑制作用,由此可知气候变化对大湾区植被NDVI的影响均具有双重性。

c)粤港澳大湾区植被覆盖生态环境指标日益向好,这需归功于其造林与生态修复工程的进行,以及矿山复绿等生态保护工作。