焦世文 梁靓 陶维新 冯兰君

摘要 [目的]分析甘肃省植被覆盖时空变化特征，为区域生态环境规划提供理论基础。[方法]基于2010—2019年MODIS NDVI产品，结合土地利用、生态功能区划分等数据，采用一元线性回归趋势分析方法和变异系数等分析方法对2010—2019年甘肃省植被覆盖时空分布特征进行阐述，对植被指数变化趋势及变化稳定性进行定量分析。[结果]甘肃省植被指数在年均月尺度上呈现单峰分布，在夏季处于高位，年均NDVI呈现稳步增长的趋势，增速平均为0.003 2/a;植被指数空间分布具有明显的地域差异性，西部地区NDVI值小，可认为基本无植被生长，中东部平原和祁连山地区植被长势较好，NDVI明显较高，南部地区NDVI最高;农业耕作区的植被指数变化波动性比较大，其他地区植被覆盖变化趋于稳定。[结论]基于MODIS NDVI时间序列分析方法可为了解甘肃省土地覆盖状况、开展具有区域差异性的生态保护与修复工程等提供一定的理论依据。

关键词 植被覆盖;NDVI;时空分布;变化特征;遥感

中图分类号 Q948 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）09-0070-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.019

Abstract [Objective]To analyze the spatial and temporal variation characteristics of vegetation cover in Gansu Province and provide a theoretical basis for regional ecological environment planning.[Method]Based on MODIS NDVI products during 2010-2019，combined with data of land use and ecological function zone division，the spatial and temporal distribution characteristics of vegetation cover in Gansu Province during 2010-2019 were elaborated by using the analysis methods such as one-dimensional linear regression trend analysis and coefficient of variation，and vegetation index change trends and change stability were quantitatively analyzed.[Result]The vegetation index in Gansu Province showed a single-peaked distribution on the annual average monthly scale，which was at a high level in summer，and the annual average NDVI showed a trend of steady growth with an average growth rate of 0.003 2/a.The spatial distribution of multiple annual average vegetation indices had obvious geographical variability，with small NDVI values in the western region，which could be considered as basically no vegetation growth，and better vegetation growth in the central-eastern plains and Qilian Mountains.NDVI was obviously higher in the central-eastern plains and Qilian Mountains，and NDVI was the highest in the south.The vegetation index changes in agricultural cultivation areas were more volatile，and the vegetation cover changes in other areas tended to be stable.[Conclusion]The MODIS NDVI time-series analysis method can provide some theoretical basis for understanding the land cover status and carrying out ecological protection and restoration projects with regional differences in Gansu Province.

Key words Vegetation cover;NDVI;Spatial and temporal distribution;Variation characteristics;Remote sensing

植被作為土地覆盖最重要的一部分，在全球及区域生态系统环境变化中起着“指示器”的作用[1]。近年来，随着城市发展及人类活动的加剧，植被退化造成的环境问题越来越严重，植被退化及恢复问题受到了各国政府及学术界的关注。及时准确地获取地表植被特征和植被覆盖变化信息，对于揭示地表植被时空变化规律和评价区域生态环境变化具有重要的指导意义;同时，开展植被覆盖变化与气象因子变化之间关系的研究，有助于了解气候变化对生态环境变化的影响，对于加强生态文明建设具有很大的帮助。

植被指数可以作为一个重要的指标，直观地反映地表植被特征和植被覆盖信息变化。卫星遥感技术可以大范围获取地表植被覆盖及其变化信息，为研究地表覆盖时空变化规律提供了便捷的途径。20世纪90年代以来，国内外学者针对植被指数的时空变化特征及其与气候因子之间的相互关系开展了广泛的研究[2]。综合国内外研究结果可以看出，气候变化导致北半球大部分地区植被覆盖程度显著增加，并且植被出现了明显的提前回绿和生长季节延长的现象[3-4]。甘肃省位于黄河上游，属于典型的山地型高原地貌，植被种类众多，并且其特殊的地理位置、地形条件以及气候等因素的差异，使得植被分布存在明显的纬度地带性差异和海拔垂直性差异[5]。该地区突出的土地荒漠化和沙化问题使得生态治理工作变得尤为重要，在全省人民的努力下，甘肃省生态状况整体呈改善趋势，生态空间格局进一步优化。目前，针对甘肃省生态环境的研究多集中在部分地区，如宋伟宏等[6]利用多期土地覆被数据、植被指数和气象资料，分析了祁连山自然保护区内不同地表覆盖类型下NDVI空间变化特征及趋势，并从季节尺度分析了草地演变对气温和降水的响应特征;赵鸿雁等[7-8]选择甘肃省中部为研究区，探讨了多种生态保护与修复工程对地表植被覆盖的影响，分析了地表植被覆盖变化信息对气候因子及地形坡度信息的响应;陆荫等[9]利用黄河流域甘肃段不同时间的植被覆盖变化及其与气候因子的关系研究了植被覆盖变化对气候因子的时空响应规律，为区域生态环境规划建设提供了依据。

为了实现对全省区域生态保护及修复工程治理成效的分析，并进一步指导生态环境恢复工程，有必要对全域生态环境变化状况进行分析。该研究基于甘肃省2010—2019年MODIS NDVI数据，分析全省植被覆盖信息的时空变化规律，以期为评价甘肃省植被覆盖信息时空变化及生态环境变化提供依据。

1 资料与方法

1.1 数据源 MODIS NDVI数据来源于美国国家航空航天局（NASA）的MOD13A3级月合成植被指数产品，空间分辨率为1 km×1 km，时间跨度为2010—2019年。通过甘肃省行政区划掩膜，得到2010—2019年覆盖甘肃省全省的逐月NDVI数据;采用均值法计算得到年均及季度NDVI数据集。该研究过程中，将每年的3—5月划分为春季，6—8月划分为夏季，9—11月划分为秋季，12月—次年2月划分为冬季。

DEM数据来源于美国地质调查局ASTER GDEM V3空间分辨率30 m的数字高程。生态功能区划数据和土地利用类型数据来源于中国生态系统评估与生态安全数据库。

1.2 统计分析

1.2.1 NDVI变化趋势分析。

采用一元线性回归趋势分析方法[10]定量分析NDVI每个栅格点的时空变化及空间差异特征。該方法基于最小二乘原理模拟每个栅格像元点植被指数的变化趋势，以NDVI的时间变化特性反映其空间变化特性，综合反映研究区域植被指数的时空格局演变情况[4]。计算公式如下：

式中，n为研究时间段的时间序列长度;变量i从1到n，代表各年份的序号;Ni表示像元第i年的NDVI值;Slope为趋势线的斜率，代表2010—2019年甘肃省NDVI的变化速率，Slope>0表明研究时间段内像元植被覆盖呈增加的趋势，并且值越大表示增加趋势越明显，Slope<0表明研究时间段内像元植被覆盖呈减少的趋势，并且值越小表示减少趋势越明显，Slope=0表明研究时间段内像元植被覆盖没有发生明显的变化趋势;为了更好地分析植被变化趋势情况，将变化趋势划分为5个等级，分别是明显减小（Slope≤-0.005）、轻度减小（-0.0050.005）[11]。

1.2.2 NDVI变化稳定性。

植被覆盖状况的变化受人为和自然双重干扰的影响，是植被健康状况的重要表示特征。波动大表明植被群落变化不稳定，波动小表明植被群落变化相对稳定。变异系数[12-13]可以一定程度上反映植被指数年际变化稳定性的空间分布特征，为样本标准差与均值的比值，计算公式如下：

式中，CV表示变异系数，SDNDVI为研究区逐年NDVI标准差，NDVI为研究时间段内NDVI多年平均值，Ni表示第i年的NDVI值，n为研究时间段的时间序列长度。该研究将植被变异程度划分为4个等级：非常稳定（CV≤0.04）、稳定（0.040.12）[11]。

2 结果与分析

2.1 NDVI时间变化特征

从2010—2019年甘肃省NDVI变化特征（图1）可以看出，月均NDVI变化曲线呈现单峰分布，3—5月份增长速度最快，7—8月份达到NDVI最大值，随后开始衰减;季节分布上，4个季度的NDVI整体呈现增长的趋势，夏季最高，秋季和春季次之，冬季最低;根据年度NDVI变化趋势可以看出，甘肃省10年间NDVI呈现增长的趋势，增速为0.003 2/a;2006年后，增长趋势变大。

2.2 NDVI空间变化特征

从2010—2019年甘肃省年均NDVI的空间分布（图2）可以看出，甘肃省植被分布具有明显的空间地域性差异，表现为南高北低的分布规律。结合甘肃省生态功能区划方案可知，NDVI较高的区域主要分布在甘肃省南部的秦巴山地落叶月常绿阔叶林生态区、藏东—川西寒温性针叶林生态区，其次为黄土高原农业与草原生态区、江河源区—甘南高寒草甸草原生态区，植被覆盖度较低的区域主要集中在荒漠生态区。植被覆盖度空间地域性差异与甘肃省土地利用类型分布（图3）一致。甘肃省西部地区多为裸岩石砾地、盐碱地、沙地、戈壁等土壤水源涵养能力低，土壤干燥度大，不利于植被生长，导致该类地区生态承载能力低下，其NDVI较小，甚至无植被生长;甘肃省中东部平原地区植被以种植型农作物为主，植被长势相对较好;祁连山地区地表植被覆盖类型比较丰富，多以草原、草甸等分布，该地区的植被指数明显较高;甘肃省南部地区地势相对较低，地表水源涵养量相对较高，土壤干燥度低，生态承载能力相对较高，植被覆盖以草原、阔叶林和针叶林为主，NDVI明显高于其他地区[6-8，14]。

计算甘肃省逐像元的NDVI变化率，得到植被指数变化趋势空间分布图（图4），甘肃省年均NDVI变化趋势在-0.096 7～0.094 4，绝大部分地区植被分布呈现增加的趋势，荒漠生态区植被基本不变。统计2010—2019年甘肃省NDVI变化趋势等级划分及面积所占百分比（表1）发现，NDVI减少的面积比例为3.18%，其中，明显减小面积比例为1.16%，轻度减小面积比例为2.02%;增加的面积比例为49.88%，其中，輕度增加面积比例为20.78%，显著增加面积比例为29.10%;NDVI基本不变的面积比例占46.94%;增加的面积比例远大于减少的面积比例。近年来，随着一系列生态保护与修复工程的推进，甘肃省全省生态系统格局整体趋于稳定，生态空间格局得到优化，植被增长进入良性循环。

从2010—2019年甘肃省NDVI变异系数分布（图5）可以看出，在内蒙古高原中部—陇中荒漠草原生态区、黄土高原农业与草原生态区、祁连山森林与高寒草原生态区和柴达木盆地荒漠生态区植被生态环境变化比较剧烈，其他地区植被生态环境变化相对较小。兰州市及白银市地表多以种植农作物为主，该类地区的植被覆盖变化大多是农业耕作的结果。

3 结论

该研究基于甘肃省2010—2019年的 MODIS NDVI产品，结合土地利用、生态功能区划分等数据，开展了植被覆盖时间及空间变化特征的研究，采用一元线性回归趋势分析方法、增长率和变异系数等分析方法定量地对NDVI时空分布特征进行了阐述，主要得到以下结论：

（1）甘肃省多年月均NDVI呈现单峰分布，植被指数在夏季处于高位;2010—2019年植被覆盖呈现稳步增长的趋势，2006年后，增长趋势变大。

（2）甘肃省NDVI的空间分布具有明显的空间地域性差异，表现为南高北低的分布规律。植被覆盖的空间地域性差异与甘肃省土地利用类型分布一致。

（3）除荒漠生态区外，其他绝大部分地区植被分布呈现增加的趋势;除兰州市、白银市及酒泉市南部植被变化波动比较大外，其他地区植被生态环境变化趋于稳定。

参考文献

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