基于MODIS NDVI的西双版纳植被覆盖变化趋势研究*

许 婧 刘飞鹏 王建雄 边 琳

(1. 云南农业大学水利学院，云南省高校农业遥感与精准农业工程研究中心，云南 昆明 650201；2. 国家林业局昆明勘察设计院，云南 昆明 650216)

近年来，许多学者已经对典型地理区域植被覆盖的时空变化特征进行了深入研究。杜加强等[1]对中国典型干旱区新疆1982—2012年植被动态进行研究，表明生长季植被NDVI呈极显著增加趋势，其变化受到水热条件、人类活动和气温变化的影响；李亚飞等[2]对典型河谷地区澜沧江流域植被覆盖特征进行研究，表明植被覆盖年迹变化呈波动增加趋势，且与气温、降水量、相对湿度和日照时数关系密切；赵安周等[3]对黄土高原陕北地区2000—2010年植被覆盖时空变化特征的研究表明降水和人类活动是影响植被覆盖变化的主要驱动因子。以往的研究多针对整个时空的变化[4]，缺少对时段内变化过程和趋势的持续性研究，忽略了气候条件、经济价值、生态恢复等更为重要的因素对植被动态变化的影响。

西双版纳是中国特有的热带雨林生物多样性保护热点地区。目前，对西双版纳地区的研究主要集中在热带雨林动态监测[5]、土地覆盖变化[6]、单一热带作物时空分布[7]等方面，对该区植被覆盖随时空变化扩展规律的研究尚较少；关注的植被类型多集中于橡胶、茶叶[8]，但多种植被同时被关注且时间跨度较长、空间分布较广的系统性研究较为少见。因此，本研究从时间和空间上分析2001—2015年西双版纳植被覆盖的动态变化趋势，从气候条件、经济价值等方面阐述植被覆盖趋势变化的内因，以深入理解西双版纳植被动态变化及其成因，为西双版纳社会经济可持续发展、生态修复工程规划等提供参考。

1 研究区概况

西双版纳傣族自治州位于云南省西南边陲，总面积1.91万km2，其中山区面积1.82万km2，占95.1%，坝区面积937.1 km2[9]，地处横断山系南部余脉，形成了山地、丘陵、宽谷相间分布的地势。因其北靠横断山地，阻挡冬季来自北方的寒流；南邻中南半岛，受到夏季印度洋西南季风和太平洋东南季风的影响，形成了西双版纳高温高湿的北亚热带高原季风气候和多种生物小气候。西双版纳年平均气温为21.8 ℃，年平均降雨量约为1 490 mm[10]，雨季和旱季交替明显，每年的5月到10月是雨季，降雨量占全年降雨量的80%以上[11]，11月到次年4月是旱季，降雨量稀少。

西双版纳地区热带经济作物主要有橡胶树 (Heveabrasiliensis)、茶叶、甘蔗 (Saccharumofficinarum)，粮经作物以水稻、旱稻、玉米 (Zeamays)、大豆 (Glycinemax) 为主，森林植被以热带雨林植物、热带季风雨林和亚热带季风常绿阔叶林为主[12]。西双版纳地类分布见图1。西双版纳因其独特的气候条件，植被常绿、覆盖率高，但气候的多变和人类活动的影响，使得生态环境脆弱而敏感，植被覆盖变化较为明显。

图1西双版纳地类分布
Fig.1 Land type distribution of Xishuangbanna

2 材料与方法

2.1 数据来源

MODIS NDVI数据集来源于地理空间数据云 (http://www.gscloud.cn)，它是由MODND1M计算得到的，计算方法为取月内每天最大值作为月NDVI值，坐标系为WGS84，空间分辨率为500 m，时间分辨率为月，时间跨度为2001—2015年。此外，此次研究还用到了1∶750 000的西双版纳地类分布图 (图1) 和云南省行政区划图进行区域划分和相关分析，西双版纳植被类型、历史极端天气资料、橡胶和茶树种植面积等社会经济数据来自 《西双版纳年鉴》。

2.2 数据处理

利用ArcGIS软件将全国2001—2015年每月的NDVI遥感图像进行格式和投影转换；叠加云南省行政区划图，划分出云南省境内行政区边界；进行掩膜裁剪提取出研究区NDVI数据集，通过空间分析统计出西双版纳月NDVI值；基于月NDVI值，采用国际通用最大值合成法(MVC)合成年NDVI最大值数据，并消除异常值的影响；根据月NDVI最大值数据得出月、季度均值。

2.3 植被覆盖变化趋势分析方法

西双版纳地区森林繁茂，人口稀少且主要聚居在勐海县中部地区，在地表光谱正常的情况下，植被覆盖率高，植被指数NDVI出现偏差的可能性小，且NDVI是应用较广的植被指数，它与植被覆盖度呈正相关，应用效果较好，因此可用NDVI值的变化来描述植被覆盖的变化趋势。本研究采用了M-K检验和方差评价的方法对NDVI的变化进行了分析。

2.3.1M-K检验

绘制趋势走势图进行趋势分析，并采用M-K检验对变化趋势的显著性进行检验，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于非正态分布数据且计算简便。通过模拟每个栅格变化趋势，得到西双版纳地区年、月、季度NDVI时空变化趋势和变化幅度；进行M-K检验，把结果划分为4个等级 (极显著变化：P< 0.01；显著变化：P< 0.05；弱显著变化：P< 0.1；无显著变化)。

2.3.2方差评价

方差可以反映NDVI数据集的离散程度，方差越大表明该时间段像元的NDVI值距离NDVI平均值越远，即研究时段内植被覆盖波动较大，基于该原理用方差来描述植被覆盖波动性。该方法计算简单，能直观明了的体现出植被覆盖的波动性。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖变化时间序列分析

3.1.1植被覆盖月变化

由图2可知，西双版纳2001—2015年NDVI月平均值整体呈先下降后上升的趋势，呈典型的底部单峰式分布，5月到7月NDVI显著下降 (P< 0.05)，降至最低点NDVI值为0.685，平均变化率为-5.75%；7月到11月NDVI显著上升 (P< 0.05)，升至最高点NDVI值为0.885，平均变化率为5.13%。

图2西双版纳2001—2015年逐月NDVI均值
Fig.2 Monthly mean NDVI of Xishuangbanna from 2001 to 2015

植物生长周期分为萌芽、生长、成熟、结果4个阶段，月NDVI均值变化时间格局与之基本匹配。受降水、气温变化和日照时数的综合影响，植被覆盖量先减少后逐渐增加。植物3月开始萌芽，此时气温相对较低、降雨较少，抑制了植物的萌芽，植被覆盖度略有下降。5月到10月植物进入生长阶段，西双版纳地区进入雨季。气温开始急剧升高，6月达到全年最高气温，降水急剧增加，7月达到年最大降雨量，日照时数逐渐增长。高温灼伤植物叶面影响植物的光合作用，日照时数增长加大植物的蒸腾作用，降水量过大超过了植物生长阈值，植被覆盖明显降低。后随着降水强度减少、温度缓慢降低，日照时数逐渐缩短，植被处于适宜生长的温度和湿度环境，覆盖度明显增长；11月植物进入成熟、结果时期，西双版纳地区进入少雨的旱季，受地理位置和亚热带季风气候影响，旱季干而不旱，11月到次年2月该地区有雾气产生，空气中水份含量可供植物生存，同时雾气形成释放出潜热，能够减轻夜间降温，降低了热带植物受到寒害的可能，这一时期植被覆盖波动不明显。

从植被覆盖月波动性分析可知，表1中月方差变化范围在0.685～0.885，最大值出现在11月，最小值出现在7月。说明11月植被覆盖变化波动明显，西双版纳地区11月是雨季与旱季交替时期，植物生长处于成熟期开始落叶，且每年进入旱季的时间、降雨量和温度会有小幅度的变化，植物覆盖也会受到不同程度的影响。

3.1.2植被覆盖年变化

从图3可知西双版纳2001—2015年NDVI年最大值变化呈上升趋势，平均变化率为2.9%，变化分为4个阶段，2001年至2003年NDVI显著上升 (P< 0.05)，平均变化率为5.9%；2003年至2005年NDVI极显著下降 (P< 0.01)，降至最低点NDVI值为0.760，平均变化率为-2.5%；2005年至2013年NDVI显著上升 (P< 0.05)，升至最高点NDVI值为0.848，平均变化率为8.3%；2013年至2015年NDVI极显著下降 (P< 0.01)，平均变化率为-2.5%。

表1 西双版纳2001—2015年月方差Table 1 Monthly variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

图3西双版纳2001—2015年逐年NDVI最大值
Fig.3 The maximum NDVI value in Xishuangbanna from 2001 to 2015

热带作物经济价值的波动和气候条件的多变是影响人类活动和降雨量的直接因素，其与植被覆盖动态变化密切相关。从经济角度分析，橡胶和茶叶是西双版纳地区主要的经济作物，茶叶价格整体波动不大，其种植面积保持稳定增长。橡胶受经济价值变化种植面积波动明显，2001—2003年，橡胶价格上涨加之国家在云南省实施天然橡胶良种补贴，种植面积较上一年增长了8.7%，期间植被覆盖整体小幅增加。从气候条件分析，西双版纳地处亚热带季风气候，雨季与旱季明显，冬季受到北部冷空气的影响小幅降温。近几年来，受极端天气高温、干旱、霜冻影响，西双版纳地区植被覆盖小幅度减少。特别是2013—2015年1—3月气温与历年同期相比偏高，均突破历史极大值，汛期受到几个台风登陆的影响，强降雨多发；入冬后冷空气影响频繁，尤其是在2014年12月，西双版纳地区出现了自1999年以来的最低气温，导致霜冻灾害，植被受灾严重，覆盖程度减少。从植被覆盖年波动性分析，表2中年方差变化范围为0.001 83～0.024 19，最大值出现在2015年，最小值出现在2001年。分析可知2013年至2015年植物覆盖明显下降，且2015年植被覆盖波动明显，受极端天气影响，春季干旱、夏季强降水、冬季霜冻灾害是造成2015年植被覆盖波动较大的主要原因。

表2 西双版纳2001—2015年年方差Table 2 Annual variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

3.1.3植被覆盖季变化

为反映植被生长随季节变化的特征，采用春季 (3—5月)、夏季 (6—8月)、秋季 (9—11月)、冬季 (12—翌年2月) NDVI合成值来表征植被生长。从图4可知西双版纳2001—2015年春季NDVI弱显著上升 (P< 0.1)，平均变化率为5.7%；夏季NDVI上升趋势不显著，平均变化率为0.04%；春夏季NDVI波动范围为0.607～0.863。秋季NDVI弱显著下降 (P< 0.1)，平均变化率为-1.1%；冬季NDVI显著上升 (P< 0.05)，平均变化率为6.8%；秋冬季NDVI波动范围在0.703～0.897，从NDVI值波动范围来看秋冬季植被覆盖要比春夏季高。

图4西双版纳2001—2015年春、夏、秋、冬NDVI均值
Fig.4 Mean NDVI of spring, summer, autumn and winter in Xishuangbanna from 2001 to 2015

从植物生长角度分析，西双版纳热带作物随着季节变化经历生长期和相对休眠期。生长期为每年的春季到秋季，虽然春季的萌芽受到气温和降水的影响，从月份上表现出植被覆盖度略有下降，但从年份上看植被覆盖度整体缓慢上升；夏季降雨量增加、气温升高，植被生长受到高温和强降水的影响，从月份上表现出植被覆盖度明显降低，从年份上看覆盖度增加不明显；秋季强降水逐渐减少、气温适宜植物生长，植物生长旺盛覆盖增长迅速；冬季植物生长受到特殊地理位置和气候影响，进入休眠期，生长较为缓慢。因可能受到极端天气寒潮的影响，植被覆盖度出现小范围浮动，但独特的气候条件使得植物覆盖度较全年偏高。随着近几年来极端天气的增多，从年份上表现出植被覆盖度缓慢降低。

从植被覆盖季节波动性分析，表3中季度方差变化范围在0.000 01～0.073 38，最大值出现在2015年的秋季，说明该时期植被覆盖波动较大，最小值出现在2007年的秋季。秋季由高温多雨的雨季进入低温干旱的旱季，由于小气候的影响，降雨量的减少没有对植物生长产生显著影响，低温和日照时数成为其主要影响因素。受极端天气影响，2015年云南省秋季多地降雪，西双版纳地区也遭受冻害影响，植被生长受到影响，表现为该时期覆盖波动性较大。

3.2 植被覆盖变化空间分布分析

3.2.1NDVI空间分布变化

西双版纳由3个县市组成，自西向东分别是勐海县、景洪市和勐腊县[12]，区域内多山，多是盆地、丘陵交错分布，地理环境的多样性造成作物区域化生长，空间变化呈现出一定的规律性。2001—2015年西双版纳NDVI空间分布见图5。

表3 西双版纳2001—2015年季方差Table 3 Seasonly variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

图52001—2015年西双版纳NDVI空间分布
Fig.5 Spatial distribution of NDVI in Xishuangbanna from 2001 to 2015

由图5可知，2001年至2015年西双版纳地区NDVI值在0.999左右的区域面积逐渐增大，NDVI最小值区域面积不断减少，但最小值数值在逐渐增大，说明研究区植被覆盖空间分布总体呈增加趋势。2001年至2005年西双版纳各区域NDVI空间变化不明显；到了2010年，西双版纳地区中部和东部地区NDVI较大值所占面积明显增加，西部地区小幅度增长；2015年东部地区NDVI较大值所占面积有所减少，中部变化不明显，西部地区明显增加。从NDVI空间分布分析可知，西双版纳地区2001—2015年东部地区植被覆盖面积明显高于西部地区，中部地区植被覆盖基本保持不变。

3.2.2NDVI方差空间分布变化

利用ArcGIS进行空间分析中的栅格计算，区域方差变化和显著性水平结果见图6～7。

由图6～7可知，2001—2015年西双版纳NDVI方差空间变化较为明显。从空间整体分析，中部地区方差呈极显著变化 (P< 0.01)，东部地区方差呈显著变化 (P< 0.05)，西部地区方差呈弱显著变化 (P< 0.1)。说明中部地区植被覆盖变化波动非常明显，东部地区植被覆盖变化略有明显波动，西部地区植被覆盖变化波动不明显。

由图1可知，植物生长呈区域性分布，茶叶种植主要分布于西双版纳西部的勐海县，受政策和茶叶经济价值影响，勐海县茶叶种植面积逐年增加，中低产田改造政策的施行，提高了土地的利用率，植被覆盖得到了增加；橡胶种植主要分布于西双版纳中部的景洪市和勐腊县西南部，橡胶种植面积受价格和气候变化影响较大，冬季的霜冻是橡胶减产的主要灾害；热带雨林、季雨林主要集中在勐腊县，勐腊县的森林覆盖面积达到86.26%，居云南省之最，植物生长受季节变化影响较大，覆盖波动也较为明显。

图6 西双版纳2001—2015年方差空间分布变化Fig.6 Spatial distribution change of variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

图7西双版纳2001—2015年方差空间变化显著性
Fig.7 Spatial variation significance of variance in Xishuangbanna from 2001 to 2015

4 结论与讨论

通过处理基于时间序列的归一化植被指数影像数据，利用M-K检验和方差评价法进行趋势分析，从时间和空间上对2001—2015年西双版纳植被覆盖变化进行系统性分析，得出以下结论。

1) 时间序列分析表明，15 a间植被覆盖整体呈上升趋势。植物生长季特征与月变化基本匹配，受到温度、降水、日照时数等主导因素影响，NDVI月变化呈现出典型的底部单峰式分布；春夏季植被覆盖度增长平稳，秋季明显增长后冬季缓慢下降，这与植物休眠期和近几年冬季极端天气密切相关；地理环境的特殊让旱季的空气存有水份，可供植物生长，雾气消散释放热量避免植被冻害，因此秋冬季植被覆盖较高。NDVI年迹变化分4个阶段且整体呈波动上升趋势；不同年份和阶段的植被种植面积主要受作物经济价值和气候条件影响，且时间尺度越长影响越显著。

2) 空间分布分析表明，西部茶树、中部橡胶、东部热带雨林的覆盖整体呈上升趋势。东部地区植被覆盖面积明显高于西部地区，中部地区基本保持不变。受经济价值、气候变化影响，中部地区覆盖变化波动明显，东部地区略微明显，西部地区波动较小。

本研究综合分析了2001—2015年西双版纳地区植被覆盖时空变化趋势及其变化原因，通过方差评价植被覆盖的波动性，进一步深入理解西双版纳地区植被覆盖趋势。植被覆盖变化是自然和人类活动交互作用的过程，本研究未定量分析降水量、温度等气候因子和人类活动对西双版纳地区植被覆盖的影响，以及未对未来植被变化趋势进行预测，这是我们今后研究的重点。