河南省近10年植被覆蓋變化特征研究

吳姍薇　郭大勇

【摘 要】本文利用遙感數(shù)據(jù)，通過一元線性回歸分析法，對(duì)河南省2006-2015年歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）的時(shí)空變化及變化規(guī)律進(jìn)行分析，探討了近十年河南省植被覆蓋的變化情況。結(jié)果表明：通過退耕還林還草政策的實(shí)施，促進(jìn)了河南省植被覆蓋度的增加，2006-2015年NDVI整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且冬季上升趨勢(shì)最為明顯;由于河南省東西部地形差異較大，NDVI在空間分布上在整體上呈現(xiàn)出西部、東部較高，中部較低的分布特征，且夏秋季節(jié)西部山區(qū)NDVI值較高，冬春兩季東部平原地區(qū)較高。

【關(guān)鍵詞】河南省;植被覆蓋;NDVI;時(shí)空變化

中圖分類號(hào)： X17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）28-0008-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.003

【Abstract】In this paper，a linear regression analysis method and remote sensing data were used to analyze the change in vegetation cover in Henan Province from 2006 to 2015.The change of vegetation cover in recent 10 years was discussed.The results showed that the area of improved vegetation tended to be much large than the area of degradation from 2006 to 2015.On the whole，NDVI presented an upward trend，and the upward trend was most obvious in winter;the spatial distribution of NDVI in Henan Province had high value in the west and east，and low value in the middle，due to the large topographic difference between east and west;the NDVI value is higher in the western mountains in summer and autumn， and higher in the eastern plains in winter and spring.

【Key words】Henan Province;Vegetation coverage;NDVI;Spatio-temporal variations

隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，人類活動(dòng)的不斷加強(qiáng)，使陸地生態(tài)系統(tǒng)受到了越來越多的干擾[1]。因此獲取土壤表面植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被變化情況對(duì)于分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化以及對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是基于植物所表現(xiàn)出來的光譜特征，在一定程度上代表地表植被覆蓋度變化，由于其計(jì)算的簡(jiǎn)便性和檢測(cè)的靈敏性等，成了土地覆蓋中用來顯示土壤表面植被生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被變化情況的一個(gè)重要參數(shù)[3-5]。王雪等[6]、羅文瑋等[7]、Tucker等[8]、TIAN等[9]通過中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）傳感器作為數(shù)據(jù)源，提取NDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)性分析，主成分變換、小波分析等處理得到地區(qū)的植被覆蓋情況，對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，為生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。奚硯濤等[10]、杜子璇等[11]、華維等[12]、羅敏等[13]、劉世梁等[14]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)分析了不同地區(qū)植被覆蓋變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

本文主要研究河南省近年來植被覆蓋的時(shí)間、空間變化特征，為河南省生態(tài)環(huán)境變化變化、評(píng)估以及生態(tài)治理工作提供了一些可行的建議，對(duì)現(xiàn)階段河南省生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)也提供了一定的幫助。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河南省位于我國(guó)中東部地區(qū)，境內(nèi)除了高原，五種基本地貌類型均有分布，總體地勢(shì)西高東低，北部平坦南部則相對(duì)盆地較多。丘陵在豫西的北部，東部，豫南山地的北部邊緣集中分布，中部和東部是因?yàn)樗鳑_積形成的平原。全省平均降水量800mm-1200mm，年降水分布不均，夏季降水量占全年降水量的50%左右。全省年均氣溫為14.5℃，氣溫波動(dòng)幅度較小。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所用的NDVI數(shù)據(jù)為MODIS中國(guó)區(qū)域NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品（https：//neo.sci.gsfc.nasa.gov），產(chǎn)品的空間和時(shí)間分辨率為1km和16d，數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2006-2015年。數(shù)據(jù)經(jīng)過了幾何校正、輻射校正、大氣校正等預(yù)處理[15]，并采用最大合成法（maximun value composite，MVC）獲取2006-2015年逐月的NDVI數(shù)據(jù)，有效去除云、大氣和太陽(yáng)高度角等產(chǎn)生的影響[16]，利用均值法獲取逐年平均NDVI值，可以有效地消除極端年份對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

1.3 研究方法

1.3.1 均值法

年均NDVI，各季節(jié)平均NDVI是對(duì)2006-2015年間每年12個(gè)月，不同季節(jié)的NDVI進(jìn)行平均，通過這些數(shù)據(jù)來反映河南省植被覆蓋的變化特征。公式為[17]：

公式1的計(jì)算結(jié)果表示平均NDVI;j代表相應(yīng)的年份;i代表所求平均值的月份;K表示求平均值月份之和，取值分別為12和3。

1.3.2 一元線性回歸分析

一元線性回歸分析得到的趨勢(shì)線可以預(yù)測(cè)變量的變化趨勢(shì)。其計(jì)算公式[18]為：

公式2中i：年份序號(hào);n：研究時(shí)間段的長(zhǎng)度;slope：一元線性回歸分析得到的趨勢(shì)線的斜率，也就是NDVI的變化趨勢(shì)。slope>0時(shí)，表明n年間植被增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，slope<0則表明n年間植被增長(zhǎng)為減少趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度的年、季節(jié)變化特征

對(duì)河南省2006-2015年植被NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，得到河南省近10年年均NDVI在時(shí)間上和空間上的年際變化特征（圖1）。從圖1看出河南省近10年年際NDVI數(shù)值在0.48-0.52之間波動(dòng)，總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)（P<0.1），年增加率為0.3%/a。其中2007，2015年都達(dá)到了這10年的峰值，為0.52，植被覆蓋最好。植被覆蓋較差表現(xiàn)在2006年，NDVI值僅為0.48。部分研究認(rèn)為隨著河南省環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施，對(duì)植被具有一定的恢復(fù)和保護(hù)作用[19]，因此2007年后河南省植被覆蓋度呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，在2015年達(dá)到最高值，說明政策實(shí)施效果較好。

2006-2015年河南省各季節(jié)NDVI總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖2）。春季NDVI變化范圍在0.51-0.57之間，平均為0.54，2015年出現(xiàn)最大值0.57，2006出現(xiàn)最小值0.51，增長(zhǎng)率為0.04%/a;夏季NDVI是四季中NDVI最高的季節(jié)，其變化范圍為0.64-0.68，平均為0.66，2006年出現(xiàn)最小值0.64，2009年出現(xiàn)最大值0.68，夏季NDVI增長(zhǎng)速率低于春季，為0.05%/a;秋季NDVI變化范圍在0.37-0.49之間，平均為0.43，2011年出現(xiàn)最大值0.49，2009出現(xiàn)最小值0.37，增長(zhǎng)率與春季相同;冬季是四季中NDVI變化最為穩(wěn)定的時(shí)期，變化范圍在0.30-0.41之間，平均為0.37，2007年出現(xiàn)最大值0.41，2008出現(xiàn)最小值0.30，這主要是由于2008年河南省大部分地區(qū)出現(xiàn)大到暴雪，全省積雪面積覆蓋較高，植被覆蓋最差。四季NDVI的變化趨勢(shì)系數(shù)均通過了P<0.1的顯著性水平檢驗(yàn)。由此可見，河南省2006-2015年四個(gè)季節(jié)的植被覆蓋NDVI均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。

2.2 植被覆蓋度的時(shí)空變化特征

從植被覆蓋度空間變化特征來看（圖3），2006-2015年河南省整體植被覆蓋程度較好，其中西部大部分地區(qū)以及西南部少部分地區(qū)植被覆蓋最好，占河南省總面積的15.35%，主要分布在三門峽、洛陽(yáng)、南陽(yáng)以及信陽(yáng)北部，NDVI值達(dá)到0.58-0.69;但北部以及中西部覆蓋程度就最差，占河南省總面積的11.19%，主要分布在平頂山、鄭州、焦作以及南陽(yáng)局部地區(qū)，NDVI僅為0.22-0.42;其中60.63%的區(qū)域植被覆蓋狀況良好，主要分布在周口、漯河和駐馬店等北部地區(qū)，NDVI值為0.48-0.58。這與余玉洋[20]的研究結(jié)果相近。這主要是由于西部地區(qū)為山地丘陵區(qū)，其主要植被覆蓋類型為森林和草地，并且通過退耕還林還草的生態(tài)工程的實(shí)施，加快森林、濕地、流域、農(nóng)田、城市五大生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)等國(guó)家政策的實(shí)施也會(huì)使植被覆蓋狀況變化，具有較高的NDVI;中西部地區(qū)河流，水庫(kù)，湖泊分布較多，因此植被覆蓋較差;東部和南部地區(qū)氣候土壤適宜，農(nóng)作物種植面積廣泛，因此NDVI值也較好。

河南省2006-2015年各季節(jié)NDVI空間分布如圖4所示，可以看出季均NDVI值和年均NDVI值得空間分布范圍大致相同，都是西部、東部、東南部較高，中部和北部較低的特征。18個(gè)地級(jí)市中心由于城市化進(jìn)程加快NDVI值都比較低，其中鄭州最為明顯。春季全省植被覆蓋變化較均勻，植被NDVI集中在0.58-0.64和0.51-0.57，分別占總像元數(shù)的39.8%和45.3%，植被NDVI低值區(qū)主要集中在新鄉(xiāng)，安陽(yáng)、鄭州以及信陽(yáng)等地，因?yàn)榇藭r(shí)農(nóng)作物都處于剛剛種植期，NDVI值還較低，NDVI較高值集中在伏牛山、大別山等區(qū)域。夏季的植被指數(shù)是最高的，這反映了夏季植被覆蓋程度較好，NDVI值大于0.64的區(qū)域占86.3%。除此之外，夏季NDVI在空間分布上差異并不明顯，高值區(qū)主要集中在西部地區(qū)，這是因?yàn)槲鞑渴谴竺娣e山區(qū)，分布著闊葉林、灌叢等植被類型，山區(qū)植被保護(hù)較完善，呈現(xiàn)出較高的NDVI值，總體來講，夏季高值分布范圍較廣。秋季全省東西部植被覆蓋差異較大，西部的三門峽，洛陽(yáng)以及南陽(yáng)的部分地區(qū)NDVI值較高，但是中東部的開封、許昌、漯河以及周口等地區(qū)植被覆蓋情況較差，這主要是由于東部地區(qū)處于豫東平原，秋季大面積的農(nóng)作物進(jìn)入收割季節(jié)，因此植被指數(shù)較低。冬季NDVI值相對(duì)于其他三個(gè)季節(jié)較低，小于0.4的區(qū)域占65.3%，東西部差異也較為明顯。總體來看四個(gè)季節(jié)的NDVI值由高到低依次是夏季>春季>秋季>冬季。

3 結(jié)論

隨著生態(tài)環(huán)境政策的實(shí)施，政府通過大力提倡農(nóng)林生態(tài)建設(shè)，擴(kuò)大退耕還林，完善天然林保護(hù)制度，實(shí)施生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，加快森林、濕地、流域、農(nóng)田、城市5大生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)，使植被狀況得到很好的恢復(fù)[21]。本文基于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，利用多種計(jì)算方法對(duì)河南省2006-2015年植被覆蓋變化進(jìn)行了詳盡分析，為河南省現(xiàn)階段生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供了一定的幫助，對(duì)植被生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也有一定的意義。具體結(jié)論如下：

1）近10年來，河南省的植被覆蓋顯示出明顯的上升趨勢(shì)，年均NDVI在0.48-0.52之間浮動(dòng)，年均NDVI增長(zhǎng)率為0.3%/a。植被覆蓋較好的區(qū)域主要集中在河南省的南部和中東部。而北部和中部地區(qū)在植被覆蓋較差。

2）從季節(jié)植被NDVI變化情況來看，河南省2006-2015年四個(gè)季節(jié)的植被NDVI呈現(xiàn)為不同程度的增長(zhǎng)。顯著性最高的是冬季，增長(zhǎng)速率為0.72%/a，其次為夏季0.05%/a，最后為春季和秋季，為0.04%/a，整體覆蓋情況夏季>春季>秋季>冬季。從空間分布來看，河南省東西部植被覆蓋差異明顯，夏秋季節(jié)，NDVI高值區(qū)主要集中在西部山區(qū)，而冬春兩季NDVI高值區(qū)則主要集中在東部平原地區(qū)。

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