2000-2017年福建省植被NDVI变化特征

康 冬，陈传明，王 强

(1.福建师范大学地理研究所，福建 福州 350007；2.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007；3.福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007)

土地利用/土地覆被变化已成为全球环境变化研究的焦点和重点，植被作为土地覆被的主要因素，对全球的物质循环、能量流动及全球变化响应等方面都有重要影响，研究植被覆盖已成为研究全球变化的重点部分[1]；植被作为地表主要活动部分，研究植被NDVI的变化对区域生态变化的研究具有代表性意义[2-3]。利用遥感数据，从时间尺度对植被覆盖进行研究，既可以宏观地了解区域多年总体趋势情况，又可以较快地研究区域短时期(各月份、季节)内的动态变化情况，尤其是能够研究一些极端灾害事件对植被变化的影响[4-6]。RS与GIS技术为研究全球和区域变化提供有效的研究手段和方法，对研究大尺度环境变化与植被覆盖变化有很大的提升作用。MODIS NDVI数据从2000年开始被使用至今，在植被遥感动态监测研究中具有特殊意义。朱明明[7]基于MODIS数据利用趋势分析等方法，指出我国受到城镇化的影响，长三角、珠三角和东北部分地区1982-2006年呈现出显著降低的趋势。刘宪锋[8]通过线性趋势分析方法指出，2000-2011年三江源区NDVI呈增加趋势的面积占64.06%，呈减少趋势的面积占35.94%。因此，在时间尺度和空间变化上分析植被覆盖动态变化具有较高的研究价值[9-11]。

1 研究区概况

福建省简称“闽”，位于北纬23°33′～28°20′、东经115°50′～120°40′，地处我国东南沿海地区，西靠江西省，东北邻浙江省，西南接广东省，东临台湾海峡，与宝岛台湾隔海相望。福建省属于亚热带季风气候，因土壤特点和气候的原因导致容易发生水土流失，自明清时期便有记载，现存天然林较少，植被在建国以后才得以缓慢恢复[12]。自2000年起，福建省实施“生态省”战略和建设生态文明先行示范区，构造清新福建之路等一系列措施，如“四绿”工程及2011年实施进行的福建“生态省”，在政策上注重生态保护，实行植树造林、封山育林、退耕还林等，使得福建省植被覆盖有了很大程度的提高，森林覆盖率持续攀升[13-14]。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源及预处理

植被指数是一种具有时空序列数据，通过分析其时空分布特性研究植被覆盖的变化特征，NDVI是植被遥感中使用最广泛的指数模型之一，其计算公式为：NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中：NIR为近红外波段的反射率值，R为红光波段的反射值，该模型主要适用于大尺度植被覆盖变化动态监测[15-16]。本文主要使用2000-2017年美国国家航空航天局(NASA)发布的中等分辨率MOD13Q1 NDVI数据集，其空间分辨率为0.25～1.00 km，时间分辨率为16 d。由于官方下载的数据需要经过投影变化和格式转换才能更好地利用，故使用NASA提供的MODIS TOOLS软件进行转换。再使用最大值合成法(MVC：maximum value composite)，将各月每旬的NDVI数据选取最大值，其目的主要是为了消除云、大气气溶胶、太阳高度角的部分干扰。另外，使用均值法是将各月数据进行均值处理，以此计算出年、季节和逐月的变化情况，以消除部分变化异常的月份误差。由于2000年1月数据缺失，为保证数据的完整性，故使用2000-2003年1月数据的均值作为当年数据。同时，根据气象学划分：春季为3-5月、夏季为6-8月、秋季为9-11月、冬季为12月至翌年2月。DEM数据来源于地理空间数据云服务(http://www.gscloud.cn)，福建省地形复杂，全省大部分地区地形为山地丘陵，根据福建省海拔的具体特征，将海拔分为5个等级：<200 m、200～500 m、500～800 m、800～1000 m和>1000 m。以2000-2017年福建省多年NDVI平均值和高程分级图为原始数据，利用ArcGIS软件的空间分析功能和属性统计方法与高程数据进行叠加分析，得出福建省不同高程等级的面积比例和植被NDVI均值。植被类型数据源于中国科学院资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn)，包括2000年、2005年、2010年和2015年4期数据，通过重分类选取3种主要的植被类型数据作为研究数据，分别进行叠加分析，为减少误差将得到的四期不同植被类型的趋势和变异系数进行均值合成。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势线分析法 趋势线分析法其原理基于最小二乘法，在时间尺度上对变量进行回归分析，从而模拟变量的变化趋势[17]。趋势分析对研究区内随时间变化的单个栅格像元进行回归分析，能够模拟出研究区内每个像元归一化植被指数的变化趋势特征，从而能够反映出研究区范围内每个像元植被NDVI不同时间变化趋势特点，即通过最小二乘法拟合出植被NDVI的变化趋势斜率，其计算公式为：

(1)

式中，slope值代表植被研究分析时段内的变化趋势斜率，能够反映该时间段内研究区植被NDVI的总体变化特征趋势；若slope>0，植被NDVI变化趋势是增加的，数值越大表明增加的程度越明显；反之，若slope<0，变化趋势为减少。slope的绝对值越高，则代表植被NDVI的变化趋势越显著。根据slope的变化范围和福建省的具体情况，研究定义出5个变化趋势等级[18]：显著退化(slope<-0.009)、轻微退化(-0.0090.009)。

2.2.2 稳定性分析法 为了分析研究区多年相同时期植被NDVI在空间上的波动情况，从像元尺度上计算2000-2017年福建省年均、季均和月均NDVI的变异系数，进而评估植被NDVI在时间序列上变化的稳定性[19]，其计算公式为：

(2)

3 福建省植被NDVI变化特征分析

3.1 福建省植被NDVI年际变化特征分析

为了直观判断福建省植被NDVI的变化情况，对福建省年均NDVI栅格数据进行统计，得出福建省研究区的各年平均NDVI值。由图1可知，2000-2017年福建省植被NDVI值在波动变化中呈较为明显的线性增长趋势，其年均增长速度为0.0032。近18年间，福建省年均NDVI的变化过程可分为3个阶段：2000-2003年的第一次较快增长时期、2003-2009年波动变化期和2010-2017年第二次稳定上升期。其中，植被指数在2000年的0.651增加至2003年的0.674，年均增长速度为0.0070，增长率为3.50%；2004年略有下降后至2009年交替波动，年均增长速度为0.0013，植被NDVI值在0.659～0.678间波动变化；在2010年轻度降低后至2017年持续稳定增加，年均增长速度为0.0075，增长速度为7.08%。综上，近18年福建省年均NDVI呈稳定增长趋势，表明福建省植被覆盖变化的总体态势良好。

图1 2000-2017年福建省年均NDVI变化趋势

由表1可知，在年际尺度上，近18年来福建省年均NDVI呈现出稳定上升的态势。其中，福建省植被轻微改善面积比例为67.49%，其所占面积比例最大，显著改善的面积为3.63%，基本不变的面积占22.57%，退化面积仅占比6.31%，表明福建省植被NDVI在年际变化水平上向较高水平发展。

表1 福建省植被NDVI变化趋势分级统计

3.2 福建省植被NDVI季节变化特征分析

由图2和表1可知，近18年来福建省各季节植被NDVI分别以不同的增长速度呈现出上升的态势，能够看出福建省植被NDVI的状况在逐步提升，福建省植被覆盖的程度逐渐提高。通过对多年各季节NDVI均值计算并统计发现：春季、夏季、秋季和冬季NDVI均值分别为0.637、0.73、0.726、0.627。福建省植被季均NDVI大小排序为：夏季>秋季>春季>冬季。春季，福建省植被NDVI改善的比例为76.6%，基本不变的比例为17.36%，退化的比例为5.01%；夏季，NDVI改善的比例为49.27%，基本不变的比例为36.59%，秋季，植被NDVI改善的比例为66.36%，基本不变的比例为24.67%，冬季，显著改善的比例在所有季节里最高，为11.85%。表明轻微改善和显著改善比例共占总面积的81.01%，表明福建省植被NDVI冬季增加的面积最多。

图2 2000-2017年福建省各季节NDVI变化趋势

3.3 福建省植被NDVI年内变化特征分析

植被的物候变化规律影响着植被各月份NDVI的变化。如图3所示，在年内12个月的NDVI变化中，整体变化趋势为先下降后增长再下降的过程。1-3月份逐渐减少，3月份为全年NDVI最小值；3-9月份植被NDVI逐渐上升，其中在7、8、9三个月份的NDVI值变化较为稳定，上升幅度不明显，9月为全年NDVI值最高的月份，各类植被生长均呈现较高的活动水平，随后NDVI值逐渐下降；9-12月份植被NDVI呈逐渐减少趋势，植被覆盖水平逐渐降低。

图3 福建省年内NDVI变化曲线

3.4 福建省3种土地类型NDVI变化特征分析

土地利用的变化能够直接反映人类因子与生态环境的相互影响，土地类型的改变能够影响下垫面的变化，进而影响植被的分布和面积变化。通过选取近18年来福建省3种主要土地类型数据，并进一步分析可知(表2、图4)，2000-2017年福建省草地、耕地、林地3种土地类型NDVI值在年际变化上均呈现出改善的趋势，各植被类型改善的面积均超过其面积的60.00%，年均增加趋势分别为0.0039、0.0027、0.0033。由图4可以看出，草地和林地增长趋势最快，耕地较慢，表明近年各类型植被NDVI均呈现出高质量发展。其中，林地NDVI逐年增加。据统计年鉴数据统计，2000-2017年共造林面积为7693.6 km2，2017年福建省森林覆盖率为65.95%，表明多年来福建省实施的一系列措施如“四绿”工程(让森林进城、上路、下乡、入村)和2011年实施进行的福建省“生态省”建设起到了积极作用，在政策上注重生态保护，实行植树造林、封山育林等措施，使得林地面积和质量增长显著。

福建省草地资源在南方占重要位置，其草地资源主要分为丘陵草地和山地草地，在2010年之前由于重视程度等原因，草地维护较少，草地NDVI变化呈缓慢型波动增长，2001-2008年没有显著增加。2010年后，国家拨款3亿元对福建省草地资源进行开发与保护，并在“十二五”期间进行“南方草原生态保护与建设项目”等相关规划，使得近几年福建省草地资源得到良好的改善，NDVI增长速度提升较高。

表2 2000-2017年福建省不同植被类型变化趋势百分比情况

图4 2000-2017年福建省不同植被类型年均NDVI变化特征

另外，近年来耕地NDVI主要呈现微弱的波动增长，2011年NDVI较低原因可能是农业气象灾害导致。耕地NDVI整体上升的原因主要是农业用地种植逐渐科学合理、肥料的使用和农业生产方式逐渐转向资源高效利用的生态农业等。

4 福建省植被NDVI稳定性分析

使用变异系数法分别对2000-2017年福建省年均NDVI、季均NDVI计算变异系数，并得出2000-2017年福建省年均、季均植被NDVI的变异系数统计表(表3)。从不同的时间尺度对福建省植被NDVI进行稳定性分析(表3)，在年际尺度上，植被NDVI变异系数大于0.1的面积比例为6.46%，表明在该部分区域植被覆盖变化较大、稳定性较差，受其他因素的影响较大。年际植被NDVI变异系数在0～0.1的面积占研究区总面积的比例为93.53%，表明在过去18年间，福建省大部分地区植被NDVI的稳定性明显较高，呈现出不剧烈变异，植被覆盖呈稳定性增长的趋势。

在季节尺度上(表3)，福建省植被NDVI各季节稳定性差异显著，NDVI变异系数在C1(0～0.05)的面积比例，春季为8.97%，夏季为25.82%，秋季为51.58%，冬季为23.70%。NDVI变异系数在C2(0.05～0.1)的面积比例，春季为66.4%、夏季为56.96%、秋季为39.68%、冬季为53.88%。NDVI变异系数在0.1(C3、C4、C5、C6)以上的面积比例，春季为24.63%、夏季为17.21%、秋季为8.75%、冬季为22.43%。整体上，植被NDVI的稳定性整体上为秋季>夏季>冬季>春季。

表3 2000-2017年福建省NDVI变异系数分级统计

5 植被NDVI与高程的相关性分析

由图5、图6可知，福建省不同海拔高程等级的NDVI值有显著的区别。其中，高程<200 m的面积占全省面积的比例为19.21%，其中，2000-2017年18年的平均NDVI值为0.537，主要是由于该地区人口分布较聚集、经济较发达、城镇化水平较高，对植被的生长活动影响程度较强烈，故植被NDVI值较小。高程在200～500 m的面积比例为36.60%，其范围内18年的年均NDVI为0.691，主要是福建省低海拔地区植被相对平原地区植被较多，导致NDVI均值增加较大。高程在500～800 m的面积比例为28.58%，该地区18年的年均NDVI均值为0.725。高程在800～1000 m的面积比例为9.65%，其范围内18年的年均NDVI为0.731；高程>1000 m的面积比为5.69%，该地区是福建省18年里平均NDVI值最高区域，其值为0.749。从不同高程的NDVI的趋势线可以看出，植被NDVI随高程的增加而同步增加，500 m高程范围内增加较为显著，500 m以上的范围植被NDVI变化较小。

图5 福建省各高程等级的面积比例及年均NDVI值

由表4可知，福建省2000-2017年各高程等级的NDVI均呈现出增加的态势，不同海拔高度内的NDVI变化呈现出不同的差异性。其中，高程小于200 m的地区，植被NDVI上升的趋势最小，NDVI值呈波动上升的态势，从2000年到2017年增幅为9.90%，主要是在低海拔地区，人类活动较大，对植被的干扰较强烈，影响植被的覆盖，导致NDVI值相对较低，且上升趋势较小。高程在200～800 m的地区，植被NDVI上升的趋势最明显，主要是由于植树造林主要在该高程地区，人类的负面影响相对较小。在高程大于800 m的地区植被NDVI值呈现出高数值特点，但增加趋势相对不明显，主要原因是高海拔地区人类影响最小，多为天然森林植被，呈现出自然的生长变化。

6 结论

(1)2000-2017年福建省年均NDVI和各季节NDVI呈稳定增长趋势，植被轻微改善面积与显著改善的面积超过总面积的70.00%，表明福建省植被覆盖变化的总体态势良好。(2)2000-2017年福建省草地、耕地、林地3种土地类型NDVI值在年际变化上均呈现出改善的趋势，仅耕地NDVI增加趋势低于全省NDVI的增长趋势。三种主要植被类型改善的面积均超过其面积的60.00%，其中，林地和草地改善面积超过各自土地类型面积的70.00%，增加趋势明显。说明福建省注重生态保护的措施是正确合理的，植树造林、封山育林、退耕还林等政策的有效实施，使得植被覆盖增长显著。植被的变化在很大程度上受人类因素的影响。(3)2000-2017年福建省植被NDVI变异系数小于5%的比例为59.09%，5%～10%的比例为34.44%，在整体上植被变化稳定性高。各季节NDVI变异系数在10%的面积比例略低于年际NDVI的比例，表明福建省植被的生长变化变异性呈现出季节性特点。(4)对福建省不同高程等级的NDVI值呈现出海拔差异性特点，植被NDVI随高程的增加而同步增加，增长趋势随海拔高度的上升呈现先增加后减少的态势。

表4 福建省各高程等级NDVI均值、变化趋势及稳定性统计情况