基于NDVI時(shí)間序列的近12年中國(guó)植被覆蓋的單調(diào)趨勢(shì)分析

李 強(qiáng)，張 翀

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062；2.陜西學(xué)前師范學(xué)院 環(huán)境與資源管理系，陜西 西安710100）

植被作為陸地生態(tài)圈的重要組成，是氣候系統(tǒng)的重要元素［1］。眾所周知，全球氣候正處于一個(gè)持續(xù)變暖的階段，強(qiáng)烈影響陸地生物圈［2］，在這樣的背景下，掌握陸地植被覆蓋度年際間的變化規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程具有重要的理論和實(shí)際意義［3］。歸一化植被指數(shù)（normalized differ－ence vegetation index，NDVI）由紅波段與近紅外波段的反射率計(jì)算而來(lái)［4］，和植物的生產(chǎn)力密切相關(guān)［5］，并且NDVI趨勢(shì)可以用來(lái)衡量植被覆蓋的改善與退化［6］。NDVI趨勢(shì)被用在很多測(cè)算中，包括全球變暖的生態(tài)響應(yīng)［7］、物候變化［8］、作物狀況［9］、土地覆蓋變化［10］以及沙漠化［11］。植被覆蓋的趨勢(shì)及年際變化會(huì)影響植被與大氣之間能量的交換［12］。一系列研究表明，在全球，特別是北半球，存在生長(zhǎng)季的開(kāi)始時(shí)刻提前以及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增大的趨勢(shì)［13］，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增大與氣溫的上升會(huì)加快地表水分蒸發(fā)，增大干旱脅迫與林火發(fā)生的可能［14］，并增加了固碳強(qiáng)度［15］。因此，生長(zhǎng)季內(nèi)植被覆蓋相對(duì)于全年更能作為反映諸如土壤退化等的指示器。利用NDVI序列進(jìn)行趨勢(shì)分析時(shí)，由于數(shù)據(jù)集存在自相關(guān)會(huì)影響模型假設(shè)，線(xiàn)性模型應(yīng)慎重使用。所以既要剔除序列的季節(jié)性，也需要進(jìn)行非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)［16］。本文基于時(shí)間序列諧波分析法、線(xiàn)性趨勢(shì)和Kendall’sτ趨勢(shì)等方法對(duì)中國(guó)植被生長(zhǎng)季起止時(shí)刻進(jìn)行了確定，并計(jì)算得到中國(guó)生長(zhǎng)季植被覆蓋的單調(diào)性趨勢(shì)以及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度趨勢(shì)，并進(jìn)一步解釋不同植被類(lèi)型植被覆蓋趨勢(shì)的差異以及生長(zhǎng)季變化規(guī)律，以期為中國(guó)當(dāng)前的生態(tài)建設(shè)、修復(fù)提供有用的空間信息和理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的資料包括黃土高原1999—2010年SPOT VEGETATION旬值NDVI數(shù)據(jù)、131個(gè)臺(tái)站12a（1999—2010年）的年降水資料和年平均氣溫資料。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)（http：∥free.vgt.vito.be／home.php），空間分辨率為1 000m。植被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。本文對(duì)旬值NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)時(shí)間序列諧波分析重構(gòu)其旬值序列，并得到旬值異常值序列，進(jìn)而對(duì)逐年異常值序列求均值得到年際異常值序列；利用NDVI旬值重構(gòu)序列提取植被物候特征，確定植被生長(zhǎng)季始末期，從而計(jì)算得到逐年生長(zhǎng)季內(nèi)NDVI的均值時(shí)間序列。

1.2 NDVI時(shí)間序列的諧波分析

時(shí)間序列諧波分析法（harmonic analysis of time series，HANTS）是平滑和濾波兩種方法的綜合，它能夠充分利用遙感圖像存在時(shí)間性和空間性的特點(diǎn)，將其空間上的分布規(guī)律和時(shí)間上的變化規(guī)律聯(lián)系起來(lái)。時(shí)間序列諧波分解法進(jìn)行影像重構(gòu)時(shí)充分考慮了植被生長(zhǎng)周期性和數(shù)據(jù)本身的雙重特點(diǎn)，能夠用代表不同生長(zhǎng)周期的植被頻率曲線(xiàn)重新構(gòu)建時(shí)序NDVI影像，真實(shí)反映植被的周期性變化規(guī)律。剔除季節(jié)影響幾乎可以完全消除數(shù)據(jù)的季節(jié)性特征。剔除季節(jié)影響后，一期與另一期的對(duì)比將更有意義，而且可以幫助確定是否存在趨勢(shì)。HANTS分析中單獨(dú)年份的諧波分析與整個(gè)時(shí)間段的諧波分析之間的差異即為異常值序列，異常值序列剔除了數(shù)據(jù)的季節(jié)性特征［17］。

1.3 物候特征提取

多種處理方法被用來(lái)描述NDVI時(shí)間序列的生長(zhǎng)季的起始時(shí)刻（start of growing season，SOS），如半極大值［18］、10% 閾 值 法［19］、拐 點(diǎn) 法［20］、最 大 曲 率法［21］、滑動(dòng) 平 均 法［22］。 本 文 按 照 Whitetffu 等［8］的方法，采用HANTS平滑NDVI的一階導(dǎo)數(shù)，一階導(dǎo)數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)時(shí)刻為SOS（最大NDVI增長(zhǎng)），生長(zhǎng)季的結(jié)束時(shí)刻（end of growing season，EOS）為SOS過(guò)后首次NDVI下降到與SOS相等的時(shí)刻。該方法與其他方法比較相對(duì)可靠。本文主要采用各年NDVI年內(nèi)變化的三階導(dǎo)數(shù)，但是這種方法只適合于一年一熟作物區(qū)［17］，所以對(duì)于農(nóng)耕區(qū)的一年多熟區(qū)域采用10%閾值法進(jìn)行計(jì)算［19］。求得中國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)每個(gè)柵格的每年的SOS（一階導(dǎo)數(shù)的極大值）與EOS（一階導(dǎo)數(shù)的極小值），SOS至EOS即為生長(zhǎng)季，兩者之間的時(shí)間長(zhǎng)度即為生長(zhǎng)季長(zhǎng)度（length of growing season，LOS）。

1.4 趨勢(shì)分析

1.4.1 線(xiàn)性趨勢(shì) 運(yùn)用線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)分析植被覆蓋的變化趨勢(shì)，即以時(shí)間為自變量，NDVI為因變最，利用最小二乘法計(jì)算斜率值K。K值的符號(hào)反映上升或下降的變化趨勢(shì)，K＜0表示在計(jì)算時(shí)段內(nèi)呈下降趨勢(shì)，K＞0表示呈上升趨勢(shì)。K值絕對(duì)值的大小可以度量其演變趨勢(shì)上升、下降的程度［23］。

1.4.2 Kendall’sτ趨勢(shì) Mann等［24］首次建議用Mann—Kendall法來(lái)檢驗(yàn)時(shí)間趨勢(shì)Kendall’sτ的顯著性，該方法已經(jīng)被應(yīng)用在季節(jié)數(shù)據(jù)上，主要是水文分析方面，近年應(yīng)用在 NDVI數(shù)據(jù)上［6，25］。為了更好顯示出Kendall’sτ的空間分布，本文將其分為8個(gè)等級(jí)：極顯著持續(xù)退化（－1～－0.75）、較顯著持續(xù)退化（－0.75～－0.5）、顯著持續(xù)退化（－0.5～－0.25）、不顯著持續(xù)退化（－0.25～0）、不顯著持續(xù)改善（0～0.25）、顯著持續(xù)改善（0.25～0.5）、較顯著持續(xù)改善（0.5～0.75）、極顯著持續(xù)改善（0.75～1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 剔除季節(jié)性的NDVI趨勢(shì)

圖1為中國(guó)范圍內(nèi)內(nèi)剔除季節(jié)性NDVI數(shù)據(jù)年際變化曲線(xiàn)，植被覆蓋呈明顯增加趨勢(shì)（0.03／10a），低于中國(guó) 1998—2007年 植 被 覆 蓋 速 度 0.048／10a［26］。（1）1999—2000年中國(guó)植被覆蓋減小，2000—2004年植被覆蓋增加，2000年植被覆蓋最低，2001年開(kāi)始上升，主要是由于2000和2001年屬特大干旱年，且2000年干旱程度較2001年嚴(yán)重，該時(shí)間中國(guó)大范圍降水 偏 少，發(fā) 生 了 建 國(guó) 以 來(lái) 最 嚴(yán) 重 的 旱 災(zāi)［27－28］；（2）2004年植被覆蓋達(dá)到峰值，隨之在2005年下降，2005年以后植被覆蓋呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。

圖1 中國(guó)1999－2010年剔除季節(jié)性NDVI數(shù)據(jù)的年際變化

1999—2010年剔除季節(jié)性旬NDVI數(shù)據(jù)小波變化系數(shù)如圖2所示，根據(jù)其規(guī)則交替，顯示出在80～110頻率尺度上存在5～7a（180～252旬）的周期，在1～30頻率尺度上存在1～2a（36～72旬）的周期。圖1也顯示出中國(guó)植被覆蓋變化呈現(xiàn)出一定的周期性特點(diǎn)：4a的穩(wěn)定增長(zhǎng)期（2000—2004與2005—2009年）、1a的突然下降期（1999—2000，2004—2005與2009—2010年），即存在5a的周期。

圖2 中國(guó)1999－2010年剔除季節(jié)性NDVI旬?dāng)?shù)據(jù)的小波變換系數(shù)

利用線(xiàn)性趨勢(shì)原理，得到中國(guó)剔除季節(jié)性NDVI的線(xiàn)性趨勢(shì)空間分布（如附圖8所示）。植被明顯改善區(qū)集中在黃土高原—壩上高原以南，橫斷山脈—黃土高原西緣以東的大面積區(qū)域，另外新疆綠洲區(qū)也呈改善趨勢(shì)；明顯退化區(qū)，在中國(guó)東部及東南部，主要分布于黃河三角洲平原、長(zhǎng)江三角洲平原、珠江三角洲平原與騰格里沙漠以南—隴中高原以北的區(qū)域，其中黃三角植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生態(tài)系統(tǒng)年輕化的特點(diǎn)，并且是國(guó)內(nèi)外少有的資源富集區(qū)，開(kāi)發(fā)潛力大，脆弱的生態(tài)環(huán)境在近12a來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中呈退化趨勢(shì)，而長(zhǎng)江三角與珠江三角以及騰格里沙漠—隴中高原之間的區(qū)域，主要是由于快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、開(kāi)發(fā)利用以及城市化等要素導(dǎo)致植被覆蓋的下降，樸世龍等［29］發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)三角與珠三角在過(guò)去18a間也呈下降趨勢(shì)。另外在烏蘭察布高原—渾善達(dá)克沙地南緣—錫林郭勒高原東南部一線(xiàn)的條帶地區(qū)退化較為明顯，與穆少杰等［3］研究結(jié)果一致。

圖3反映出，中國(guó)各種植被類(lèi)型均呈改善趨勢(shì)。（1）常綠針葉林、常綠闊葉林、稀疏灌叢、低山草原、耕地為明顯改善區(qū)，趨勢(shì)值在0.004～0.007，年際波動(dòng)性最強(qiáng)。常綠針葉林與常綠闊葉林主要分布在中國(guó)華東南部、華南和西南地區(qū)的山地丘陵區(qū)，尤以橫斷山脈、大巴山改善明顯；稀疏灌叢分布在兩廣南部的地勢(shì)平坦區(qū)；低山草原主要分布在黃土高原及其周邊低山地區(qū)；耕地分布較為廣泛，但陜北、河南—安徽的黃淮平原的植被改善趨勢(shì)明顯高于其他地區(qū)，其中陜北自1999年退耕還林還草開(kāi)始以來(lái)，林草替換原有耕地，植被覆蓋明顯增加［30］，黃淮平原近50a來(lái)氣溫變化不明顯，降水呈增加趨勢(shì)［31］，降水量的增加促使該地區(qū)植被覆蓋的增加。（2）落葉針葉林、落葉闊葉林、密集灌叢、高山亞高山牧場(chǎng)草地、典型草原、牧場(chǎng)草地和沼澤濕地的改善趨勢(shì)次之，趨勢(shì)值在0.001～0.004，波動(dòng)性相對(duì)較弱。落葉針葉林集中分布在大小興安嶺以及新疆的阿爾泰山與天山山脈；落葉闊葉林分布于秦嶺北麓、小興安嶺以及長(zhǎng)白山脈與壩上高原；密集灌叢分布于青藏高原東部、云貴高原、羅霄山等山地區(qū)。（3）海岸濕地、荒漠草原與溫帶高山—亞高山高寒草原改善趨勢(shì)不明顯，趨勢(shì)值在0～0.001，波動(dòng)性最小，為生態(tài)脆弱區(qū)。

綜上所述，對(duì)于趨勢(shì)及波動(dòng)性：常綠林＞落葉林、稀疏灌叢＞密集灌叢、低山草原＞高山亞高山牧場(chǎng)草地、典型草原與牧場(chǎng)草地＞荒漠草原與溫帶高山—亞高山高寒草原、耕地＞沼澤濕地＞海岸濕地。反映出中國(guó)植被覆蓋受緯度地帶性影響較為明顯。緯度較低，生物多樣性程度較高，則植被覆蓋改善趨勢(shì)明顯，相反則生物多樣性程度下降，改善趨勢(shì)次之。輕微改善的地區(qū)多為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，其生物多樣性很低，易受人類(lèi)活動(dòng)等因素的影響，趨勢(shì)值處于0值附近。

2.2 生長(zhǎng)季NDVI的單調(diào)趨勢(shì)

附圖8b為中國(guó)1999—2010年生長(zhǎng)季植被覆蓋的Kendall’sτ趨勢(shì)空間分布。Kendall’sτ趨勢(shì)平均值為0.2873，持續(xù)改善的面積比重為85.85%，持續(xù)退化的比重占14.15%，說(shuō)明中國(guó)生長(zhǎng)季植被覆蓋總體上呈持續(xù)改善趨勢(shì)。

空間分布上（附圖8b）：（1）中國(guó)生長(zhǎng)季植被覆蓋顯著、較顯著與極顯著持續(xù)退化區(qū)比重為3.91%，主要分布于長(zhǎng)江三角、珠江三角、騰格里沙漠—隴中高原之間的區(qū)域、柴達(dá)木盆地東南部與烏蘭察布高原—渾善達(dá)克沙地南緣—錫林郭勒高原東南部一線(xiàn)的條帶地區(qū)［3］，植被覆蓋退化區(qū)還零散分布在青藏高原整個(gè)地區(qū)，尤以南部為主的區(qū)域。（2）不顯著持續(xù)性變化區(qū)為易變化區(qū)域，比重為38.25%，集中分布與新疆—內(nèi)蒙古的沙漠區(qū)，該地區(qū)NDVI小于0.1，變化可能與到達(dá)傳感器的能量的微小差異引起，這種微小差異與傳感器本身以及大氣的影響有關(guān)；四川盆地、東南丘陵以及退化區(qū)周邊地區(qū)為不顯著持續(xù)性變化區(qū)。（3）持續(xù)改善區(qū)分布范圍遍及全國(guó)，持續(xù)性較高的區(qū)域（極顯著與較顯著區(qū)域）主要分布在105°E以東，30°—40°N 的區(qū)域，比重為23.52%，該區(qū)域北界大致為中溫帶與暖溫帶過(guò)渡處，南界大致為中亞熱帶與北亞熱帶的過(guò)渡處，西界至高原溫帶邊緣；另外在河西走廊、橫斷山區(qū)、新疆綠洲區(qū)以及青藏高原東北部也有分布。

由圖3b發(fā)現(xiàn)，各種植被類(lèi)型的Kendall’sτ趨勢(shì)與線(xiàn)性趨勢(shì)規(guī)律具有很強(qiáng)的相似性，即緯度地帶性明顯，低緯度地區(qū)植被多樣性程度高，持續(xù)性強(qiáng)，反之持續(xù)性弱，從而也可以表明趨勢(shì)的持續(xù)性與趨勢(shì)的大小存在很強(qiáng)的相關(guān)性，即趨勢(shì)高則持續(xù)性大，反之持續(xù)性弱。

圖3 中國(guó)不同植被類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)值注：1.落葉針葉林；2.常綠針葉林；3.常綠闊葉林；4.落葉闊葉林；5.密集灌叢；6.稀疏灌叢；7.海岸濕地；8.高山—亞高山牧場(chǎng)草地；9.低山草原；10.典型草原；11.荒漠草原；12.牧場(chǎng)草地；13：沼澤濕地；14.耕地；15.溫帶高山—亞高山高寒草原

2.3 生長(zhǎng)季長(zhǎng)度趨勢(shì)

受物候變化影響的生長(zhǎng)季Kendall’sτ趨勢(shì)由SOS與LOS的變化決定。如果植物生長(zhǎng)季穩(wěn)定，則年際SOS與EOS基本不變。附圖8c表明LOS的線(xiàn)性趨勢(shì)與其變異系數(shù)的空間變化，中國(guó)植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度平均趨勢(shì)為0.763 6，總體上呈增加趨勢(shì)。

附圖8c—d顯示出，LOS趨勢(shì)值主要集中在－1～3.5，減小與增加趨勢(shì)的比重相當(dāng)，生長(zhǎng)季長(zhǎng)度減小的區(qū)域比重占49.88%。（1）連片減小區(qū)域主要分布在青海東部及南部與天山山脈，波動(dòng)性較小（圖3d）；陜北高原—呂梁山—太行山以及壩上高原大興安嶺兩側(cè)、小興安嶺、長(zhǎng)白山周?chē)牡蜕絽^(qū)，波動(dòng)性很?。▓D3d）；內(nèi)蒙古的呼倫貝爾高原波動(dòng)性較?。▓D3d），以及山東丘陵，主要分布著耕地，波動(dòng)性較高（圖3d），其生長(zhǎng)季長(zhǎng)度也呈減小趨勢(shì)。（2）生長(zhǎng)季長(zhǎng)度增加的比重為50.12%，連片增加區(qū)域主要分布在高度較高的山地區(qū)，包括阿爾泰山脈、秦巴山區(qū)、大小興安嶺與長(zhǎng)白山脈，該地區(qū)除常綠林以外的其他植被類(lèi)型的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，波動(dòng)性很高，值大于1.5（圖3d）。

SOS與EOS的年際變化以及線(xiàn)性趨勢(shì)顯示，SOS呈減小趨勢(shì)，而EOS成增加趨勢(shì)，并且EOS趨勢(shì)的增大程度大于SOS減小程度（0.589 6＞0.021 1），SOS與EOS的年際變化特征基本相反，峰值對(duì)應(yīng)谷值，即SOS提前—EOS推遲或SOS推遲—EOS提前，并且后者情況只有在2007年表現(xiàn)明顯，所以中國(guó)LOS總體上的增長(zhǎng)趨勢(shì)由SOS提前和EOS推遲造成，主要是因?yàn)樵跉夂蛟鰷兀?0］的趨勢(shì)下，春季氣溫會(huì)提前達(dá)到植被生長(zhǎng)所需的適宜溫度，而在秋季，氣溫的下降趨勢(shì)得到延緩。

3 結(jié)論

（1）中國(guó)植被覆蓋呈明顯增加趨勢(shì)，各種植被類(lèi)型年際變化規(guī)律基本相同。中國(guó)植被覆蓋變化呈現(xiàn)出一定的周期性特點(diǎn)：4a的穩(wěn)定增長(zhǎng)期，1a的突然下降期。

（2）中國(guó)生長(zhǎng)季植被覆蓋Kendall’sτ趨勢(shì)平均值為0.287 3，總體上呈持續(xù)改善趨勢(shì)，持續(xù)改善的面積比重為85.85%，持續(xù)退化的比重占14.15%，持續(xù)性較高的改善區(qū)主要分布在105°E以東，30°—40°N之間的區(qū)域，比重為23.52%，該區(qū)域北界大致為中溫帶與暖溫帶過(guò)渡處，南界大致為中亞熱帶與北亞熱帶的過(guò)渡處，西界至高原溫帶邊緣。

（3）中國(guó)植被覆蓋受緯度地帶性影響較為明顯，緯度低，生物多樣性程度較高，則植被覆蓋改善趨勢(shì)明顯，持續(xù)性強(qiáng)，反之改善趨勢(shì)及持續(xù)性較低；黃三角和風(fēng)沙區(qū)等生態(tài)脆弱區(qū)，長(zhǎng)江三角、珠江三角與蘭州市周邊地區(qū)等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)，植被覆蓋退化嚴(yán)重。

（4）中國(guó)植被生長(zhǎng)季長(zhǎng)度平均趨勢(shì)為0.763 6，總體上呈增加趨勢(shì)，主要由EOS的增大趨勢(shì)引起。本文之所以采用2000年土地覆蓋數(shù)據(jù)，就是因?yàn)橥烁€林從1999年開(kāi)始，而1999—2010年耕地的植被覆蓋增大趨勢(shì)明顯，而且呈持續(xù)性相對(duì)較高，這意味著在此期間有很大面積的耕地轉(zhuǎn)化為了林地［30］；從1978年“三北防護(hù)林”建設(shè)以來(lái)，西北、華北北部、東北西部植被覆蓋的改善趨勢(shì)及持續(xù)性較弱，且退化區(qū)面積仍然較大，但是總體上是改善的，與王強(qiáng)等［32］的結(jié)論非常接近，并且沙漠以及荒漠草原均呈持續(xù)改善趨勢(shì)，表明1999—2010年沙漠與荒漠草原均有轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度較高的林草地的區(qū)域，植樹(shù)種草、禁牧輪牧和防沙治沙生態(tài)恢復(fù)措施的廣泛實(shí)施起到了重要作用［3］。

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