2012～2018年黑龍江省植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化分析

王亭月

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連116029）

引言

綠水青山就是金山銀山，建設(shè)生態(tài)文明，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)的重要戰(zhàn)略任務(wù)，關(guān)乎人民福祉和民族未來(lái)。黑龍江省作為生態(tài)大省，具有推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性優(yōu)勢(shì)，是中國(guó)北方重要的生態(tài)屏障[1]。因此，對(duì)黑龍江省的植被覆蓋格局演化開(kāi)展研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。區(qū)域覆蓋植物群落統(tǒng)稱為植被（Vegetation），是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。遙感是獲取區(qū)域及全球植被覆蓋度參數(shù)的一個(gè)重要手段，可以反映不同空間尺度的植被覆蓋情況及變化趨勢(shì)[3]。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）對(duì)植被的生物物理特征十分敏感，通常被用來(lái)進(jìn)行區(qū)域尺度的植被分類和植被覆蓋度研究[4]。植被覆蓋度是刻畫(huà)地表植被覆蓋的重要參數(shù)[3]，常被應(yīng)用在植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地表過(guò)程模擬及區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。對(duì)植被覆蓋度的時(shí)空變化進(jìn)行研究，既能評(píng)估植被長(zhǎng)勢(shì)，還為可持續(xù)發(fā)展提供決策參考[5]。

許多學(xué)者通過(guò)對(duì)植被覆蓋度的計(jì)算分析不同區(qū)域的植被覆蓋情況，從而進(jìn)行時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、總結(jié)規(guī)律以及評(píng)估預(yù)測(cè)。J Q i等人基于LandsatTM等數(shù)據(jù)，使用像元二分模型計(jì)算了圣佩德羅河河岸走廊和美國(guó)西南部的綠色植被覆蓋率并繪制時(shí)空分布圖[6]。趙明偉等人基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)計(jì)算了我國(guó)2001～2015年植被覆蓋度的空間格局，討論了植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律[7]。何航等人基于中國(guó)北方N D VI數(shù)據(jù)及氣象站點(diǎn)逐日氣象資料，分析了1982～2015年中國(guó)北方15個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）植被覆蓋時(shí)空演變特征及其對(duì)氣候變化和極端氣候的響應(yīng)[8]。賈路等人根據(jù)重心轉(zhuǎn)移模型和相對(duì)發(fā)展率分析了2000～2013年來(lái)西安市植被覆蓋度變化特征和空間變化差異[9]。裴志方等人利用像元二分模型估算寧夏地區(qū)2000～2016年的植被覆蓋度，并定量分析其植被覆蓋景觀格局變化及發(fā)展趨勢(shì)[10]。穆少杰等人探索了2001～2010年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度的空間格局和變化規(guī)律[11]。劉漢生等人采取像元二分模型，對(duì)黃岡市2000、2005和2010年進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算并分析其時(shí)空特征[12]。蘇慧敏等人基于MO DISNDVI分析了北京市2014～2016年植被覆蓋度及其變化情況[13]。而對(duì)于黑龍江，目前有劉成新等人對(duì)黑龍江省2017年植被生長(zhǎng)季進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，分析植被生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)NDVI的月際時(shí)空分布變化規(guī)律[14]；趙博文使用2000～2017年作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期內(nèi)的MODIS反射率產(chǎn)品，綜合氣象、地理因子等相關(guān)因素，分析了黑龍江省農(nóng)業(yè)災(zāi)害的時(shí)空分布特征[15]。

黑龍江省是中國(guó)最大的林業(yè)省份之一，而目前國(guó)內(nèi)根據(jù)黑龍江省植被覆蓋度的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行的相關(guān)性研究相對(duì)較少?；诖?，本研究選取2012、2014、2016和2018年為研究時(shí)相，利用中國(guó)月度植被指數(shù)（N D VI）空間分布數(shù)據(jù)開(kāi)展黑龍江省的植被覆蓋度分析研究，使用像元二分模型估算植被覆蓋度，并采用一元線性回歸分析方法，定量分析其植被覆蓋度的時(shí)空分布和變化特征，為黑龍江省生態(tài)環(huán)境建設(shè)及城市發(fā)展提供合理科學(xué)的決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省是中國(guó)最北端以及陸地最東端的省級(jí)行政區(qū)?？偯娣e47.3萬(wàn)平方千米（含加格達(dá)奇和松嶺區(qū)），排在全國(guó)第6位。西鄰內(nèi)蒙古，南鄰吉林省，東部近日本海。

黑龍江省地勢(shì)大致呈西北、北部和東南部高，東北、西南部低。其地貌特征為“五山一水一草三分田”。山地面積占黑龍江省土地面積53.2%，包括大興安嶺、小興安嶺山地、張廣才嶺、老爺嶺和完達(dá)山脈。黑龍江省是中國(guó)最大的林業(yè)省份之一，占全省土地面積的2/3。森林覆蓋率達(dá)43.6%，是國(guó)家最重要的國(guó)有林區(qū)和最大的木材生產(chǎn)基地。擁有全國(guó)十大草原之一，主要集中在松嫩平原和三江平原。黑龍江省屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風(fēng)氣候。春季低溫干旱，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季易澇早霜，冬季寒冷漫長(zhǎng)。降水表現(xiàn)出明顯的季風(fēng)性特征。夏季受東南季風(fēng)的影響，降水充沛，冬季在干冷西北風(fēng)控制下，干燥少雨（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

目前，基于SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等衛(wèi)星遙感影像得到的NDVI 時(shí)序數(shù)據(jù)已經(jīng)在各尺度區(qū)域的植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、土地利用/ 覆被變化檢測(cè)等研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究所用的數(shù)據(jù)是從資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)（Resource and Environment Data Cloud Platform）下載的中國(guó)月度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集[16]。該數(shù)據(jù)集基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATION NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成1998 年以來(lái)的月度（1～12 月）植被指數(shù)，能夠有效反映全國(guó)各地區(qū)在空間和時(shí)間尺度上的植被覆蓋分布和變化狀況。

根據(jù)研究區(qū)情況，考慮到黑龍江省每年的八月份植被覆蓋最為茂盛[5]，且云量較少，數(shù)據(jù)參考價(jià)值更大，因此選取了2012、2014、2016和2018年的八月份的數(shù)據(jù)，用作主要研究時(shí)間點(diǎn)，另外也下載了2013、2015和2017年的八月份數(shù)據(jù)用于后面的回歸分析。

本研究的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)自資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)中的2015年中國(guó)地市行政邊界數(shù)據(jù)和2015年中國(guó)省級(jí)行政邊界數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)完備的情況下，使用A rc M ap工具將行政區(qū)劃數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行融合，得到黑龍江省省界、黑龍江省地市邊界和中國(guó)省級(jí)邊界用于制圖。對(duì)月度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取，選取黑龍江省范圍，并進(jìn)行重分類。

圖1 黑龍江省地理位置示意圖

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計(jì)算方法（像元二分模型）

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover, FVC）是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[17]，與N D VI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系[18]。像元二分模型[19]的主要思想為：假設(shè)像元由植被Sv和非植被Ss組成，其中植被所占比例就是該像元的植被覆蓋度（用 Fc表示），非植被比例為（1-Fc），進(jìn)而推出植被覆蓋度模型：

式中：Fc表示植被覆蓋度；S表示混合像元遙感信息；Sv表示純植被覆蓋時(shí)遙感信息；Ss表示純非植被覆蓋時(shí)遙感信息。

結(jié)合肖驍?shù)热薣5]的研究，建立如下植被覆蓋度計(jì)算模型：

上式中，F(xiàn)v表示植被覆蓋度，N D VI為像元的歸一化植被指數(shù)值，N D VIs為無(wú)植被覆蓋像元的N D VI值，即純裸土像元的歸一化植被指數(shù)值。N D VIv為完全由植被覆蓋的像元的N D VI值，即純植被像元的歸一化植被指數(shù)值。

2.2 植被覆蓋變化趨勢(shì)計(jì)算（一元線性回歸方法）

一元線性回歸分析能夠滿足在若干時(shí)間節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)模擬變化趨勢(shì)要求，還可以提供空間演變規(guī)律的指示信息，常用在植被覆蓋度變化趨勢(shì)的估算研究中[5]，因此本文采用此方法來(lái)反映變化規(guī)律，其計(jì)算方式如下：

上式中，n是研究時(shí)段的年數(shù)（本文n=7）；Fvk是第k年植被覆蓋度；N D VIk是第k年的植被指數(shù)；α是植被覆蓋度在研究年段期間的變化斜率，用于反映其變化趨勢(shì)。當(dāng)α＞0，即代表植被覆蓋情況呈增加趨勢(shì)；當(dāng)α=0，即代表植被覆蓋度沒(méi)有變化，維持穩(wěn)定；當(dāng)α＜0，即代表植被覆蓋情況呈減少趨勢(shì)。并且，當(dāng)α絕對(duì)值越大，植被覆蓋度增加的速度越快，即植被情況改善越迅速，反之則退化越迅速。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋空間格局分布特征

結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋分布情況，在《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（S L190-1996）中低[0,20%]、中低[20%,40%]、中等 [40%,60%]、中高[60%,80%]和 高[80%,100%]的基礎(chǔ)上加少許改動(dòng)，使變化最大可視化，并分別命名為稀疏、較稀疏、中度、較茂盛、茂盛。

根據(jù)圖2可以看出，黑龍江省的植被覆蓋情況總體分布基本一致，均呈現(xiàn)西南部植被覆蓋最為稀疏，西北、東南部相對(duì)稀疏的特征。中部地區(qū)始終保持較為茂密的植被覆蓋，地理位置與東北平原區(qū)域基本吻合，但在西南部地區(qū)，尤其省會(huì)哈爾濱、大慶、齊齊哈爾以及綏化地區(qū)，植被覆蓋區(qū)面積較少，且位置相對(duì)穩(wěn)定，集中于城市群及周邊；另外還有黑龍江省東南部的雞西市，因?yàn)榕d凱湖的存在，植被覆蓋少；其余中度和較茂密植被覆蓋區(qū)分散分布在黑龍江省全域，只在大、小興安嶺以及部分長(zhǎng)白山脈等山地區(qū)域（圖3），受海拔和氣候影響，植被覆蓋茂密程度稍遜于平原區(qū)域。

2012～2018年黑龍江省的植被覆蓋茂盛地區(qū)面積明顯增加（圖4），共約11.8萬(wàn)平方千米，而較茂盛區(qū)域卻呈下降趨勢(shì)，結(jié)合圖2看，絕大部分減少的較茂盛區(qū)域轉(zhuǎn)為茂盛區(qū)域；而中度、較稀疏和稀疏植被覆蓋區(qū)域面積始終保持平穩(wěn)波動(dòng)。

圖2 2012年8月至2018年8月黑龍江省植被覆蓋分布圖

續(xù)圖2 2012年8月至2018年8月黑龍江省植被覆蓋分布圖

經(jīng)過(guò)對(duì)各年不同等級(jí)植被覆蓋度面積所占比例的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算（表1），2012年較茂盛和茂盛植被區(qū)域面積相當(dāng)，稀疏植被面積占比很小，不到1%（0.53%），植被覆蓋程度更多的集中在較茂盛區(qū)域。而到了2014年之后，植被覆蓋茂密區(qū)域面積明顯增大，較2012年增加約18.11%，達(dá)到了全域植被覆蓋面積的一半以上（64.79%），同時(shí)，城市建設(shè)漸漸發(fā)達(dá)，因此植被稀疏和較稀疏區(qū)域面積也比2012年共增加了約1.44%。隨著時(shí)間變化，茂盛區(qū)域面積占比不斷增加，在2018年達(dá)到了72.78%，但與此同時(shí)，稀疏、較稀疏和中等區(qū)域總面積占比也并沒(méi)有因此而減少，始終維持在7%～8%左右，由此可見(jiàn)黑龍江省在加快建設(shè)城市群和加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)起步并進(jìn)的同時(shí)，也沒(méi)有忽略其協(xié)同性。計(jì)算各級(jí)植被覆蓋度的平均面積得到圖5，充分反映了黑龍江省的平均植被覆蓋基本以植被覆蓋茂密為主。

3.2 植被覆蓋時(shí)空變化趨勢(shì)分析

根據(jù)2012年至2018年的植被覆蓋程度變化面積進(jìn)行分級(jí)制圖，得到黑龍江省植被覆蓋變化程度分布圖（圖6），可以看到絕大多數(shù)區(qū)域的植被覆蓋是維持穩(wěn)定和有所增加的，少數(shù)有退化情況。植被增加的區(qū)域主要是黑龍江省的北部和東部部分區(qū)域，對(duì)應(yīng)大、小興安嶺地區(qū)，以及東部松花江流域周邊區(qū)域，具體涉及到的地市有大興安嶺地區(qū)、黑河市、佳木斯市等。而植被覆蓋退化的區(qū)域相對(duì)較少，從圖6可以看出基本沿道路及水系線路分布，另外東北部邊界和西鄰內(nèi)蒙古區(qū)域也有分布。而在黑龍江中部東北平原區(qū)域的植被覆蓋基本維持穩(wěn)定（圖7和表2）。

圖3 黑龍江省地貌類型空間分布圖

圖4 不同植被覆蓋度面積隨時(shí)間變化折線圖

表1 各年不同等級(jí)植被覆蓋度面積占比統(tǒng)計(jì)單位：%

圖5 多年平均植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

總體來(lái)說(shuō)，2012年至2018年的植被覆蓋變化情況中，維持穩(wěn)定面積為27.56萬(wàn)平方千米，占比超過(guò)一半（60.95%），其次就是植被覆蓋有所增加的面積為14.15萬(wàn)平方千米，占比31.29%，剩下有6.39%的區(qū)域面積植被輕微退化，重度退化和顯著增加面積極少，一共僅占總面積的0.62%。

圖6 2012～2018年黑龍江省植被覆蓋變化圖

為了更好的研究黑龍江省的植被覆蓋情況變化趨勢(shì)，本次研究將2013、2015、2017年的8月份的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，單獨(dú)提取了植被覆蓋茂盛的區(qū)域并分別計(jì)算面積，繪制成折線圖（圖8），可以看到，從2012年至2018年植被茂密區(qū)域面積整體呈上升趨勢(shì)，至于2013年的急劇減少是由于2013年8月，松花江流域出現(xiàn)1998年來(lái)最大洪水，此次災(zāi)害除了影響人民安全、社會(huì)財(cái)產(chǎn)、農(nóng)作物產(chǎn)量，植被覆蓋也受洪災(zāi)影響急劇減少。好在經(jīng)過(guò)迅速的調(diào)整和治理，在2014年就恢復(fù)了原樣甚至超過(guò)2012年約8.2萬(wàn)平方千米，并且在之后逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)。根據(jù)2012年至2018年逐年的植被覆蓋茂密區(qū)域面積的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一元線性回歸方法的計(jì)算分析（圖9），結(jié)果表明，2012～2018年黑龍江省的植被覆蓋茂盛面積整體呈增加趨勢(shì)，增速為2.9625/a。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

空間上，黑龍江省的整體植被覆蓋情況呈現(xiàn)西南部城市群區(qū)域的植被覆蓋最為稀疏，西北、東南部地區(qū)相對(duì)稀疏的特征，尤其在大、小興安嶺和長(zhǎng)白山脈的山地影響下，植被覆蓋很難達(dá)到像東北平原區(qū)域（黑龍江中部）覆蓋著基本均勻的茂密植被。

時(shí)間上，黑龍江省在2012年至2018年的植被覆蓋茂密等級(jí)面積一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到2015年之前，除了2013年受洪災(zāi)影響植被覆蓋急劇減少，一直保持極可觀的增加速度，在2015年之后速度略有放慢，但也保持著穩(wěn)步上升的態(tài)勢(shì)。

2012～2018年六年間，植被覆蓋情況一直有所改善，但各地有所不同。改善最明顯的是西北部大興安嶺地區(qū)，植被覆蓋面積顯著增加，還有東部尤其是東北部的佳木斯市，植被覆蓋情況改善明顯。植被退化主要發(fā)生在黑龍江省西部與內(nèi)蒙古接壤邊界附近，還有西南部以哈爾濱市、齊齊哈爾市和綏化市為代表的城市群區(qū)域植被有所退化，以及東北部松花江流域、東南部牡丹江市長(zhǎng)白山脈區(qū)域有少許退化。而在黑龍江省的中部絕大部分和東部部分區(qū)域始終維持穩(wěn)定。

圖7 2012～2018年各級(jí)植被變化面積統(tǒng)計(jì)

表2 2012～2018年各級(jí)植被變化程度面積及占比

圖8 2012～2018年逐年茂盛面積折線圖

圖9 2012～2018年茂盛面積隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4.2 討論

本文對(duì)黑龍江省植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，采用GIS制圖、一元線性回歸分析、繪制圖表等方法觀察、計(jì)算并分析了黑龍江省植被的時(shí)空變化特征，最終得到了黑龍江省植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，變化幅度以西北部最為顯著，北部和東部次之，中部基本保持不變，城市群小區(qū)域退化為特征。本文旨在通過(guò)植被指數(shù)（N D VI）空間分布數(shù)據(jù)，分析并通過(guò)多種模型方法再現(xiàn)2012年至2018年黑龍江省植被覆蓋度時(shí)空分布規(guī)律。在現(xiàn)實(shí)中，植被生長(zhǎng)與生態(tài)環(huán)境之間有著密切的關(guān)系，要更好地開(kāi)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)、更科學(xué)地部署城市建設(shè)、更深層次的呈現(xiàn)植被覆蓋度的空間格局、時(shí)空變化規(guī)律，是需要繼續(xù)探索的下一步工作；其次，本文沒(méi)有對(duì)變化原因進(jìn)行分析，如定量分析自然和人文因素并進(jìn)行對(duì)比，找到主要因素或是影響規(guī)律，并針對(duì)主要影響因素提出有利于黑龍江省生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市建設(shè)的發(fā)展方向和有效措施，這也是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。