1982-2015年西南岩溶区NDVI时空变化及未来变化趋势.pdf
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1、第 43 卷 第 2 期2023 年 6 月桂 林 理 工 大 学 学 报Journal of Guilin University of TechnologyVol.43 No.2June2023文章编号:1674-9057(2023)02-0260-09 doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2023.02.01219822015 年西南岩溶区 NDVI 时空变化及未来变化趋势和彩霞1,靖娟利1,边占新2,窦世卿1,徐 勇1,何宏昌1(1.桂林理工大学 a.测绘地理信息学院;b.广西空间信息与测绘重点实验室,广西 桂林 541006;2.石家庄铁路职业技术学院 测绘工程系
2、,石家庄 050041)摘 要:基于 19822015 年 GIMMS NDVI 3g 数据,运用趋势分析、Mann-Kendall 检验及 R/S 分析方法,探究了西南岩溶区植被覆盖的时空变化及未来趋势,以期为该区生态的治理提供决策依据。结果表明:(1)时间上,19822015 年西南岩溶区年际及季节NDVImean整体呈波动上升趋势,季节变化差异显著。(2)空间上,植被覆盖总体较好;NDVImean季节分布差异明显,NDVImean0.8 的区域随季节变化,呈现出鄂西山地往云南临沧一带转移趋势。(3)年尺度上,从趋势分析来看,占 80.31%的区域 NDVImax呈增加趋势,集中分布在云贵
3、高原附近;NDVImax随季节变化差异明显,植被覆盖退化区表现出沿横断山脉四川盆地、贵州湖南及广东云贵高原的轨迹变化。(4)未来植被覆盖均呈持续性增加或减少变化,年际、季节尺度植被覆盖呈持续改善的区域均大于 73.30%。关键词:西南岩溶区;NDVI;趋势分析;Mann-Kendall 检验;Hurst 指数中图分类号:P931.5;TP79 文献标志码:A0 引 言植被是生态系统的重要组成部分,是联系土壤、大气和水分的重要枢纽1。近年来,由于温室效应,全球气候变暖,对植被造成了一定的影响。植被对调节全球碳平衡、降低温室气体浓度、维护全球气候稳定具有不可替代的作用2。通过研究植被覆盖空间分异及
4、演化趋势,可为揭示区域环境演变机理,深入分析植被变化与气候、人类活动之间响应关系奠定基础,进而为区域生态系统评价及生态文明建设提供科学依据3。归一化植被指数(NDVI)因能较为真实地反映地表植被覆盖状况,被广泛应用于植被变化的研究中4。近年来,国内外学者使用不同 NDVI 数据对不同区域植被进行了时空动态研究;Park 等5研究了 19822006 年东亚地区生长季植被的时间变化特征,发现东亚地区的植被呈增长趋势;Piao 等6分析了 19822006 年欧亚大陆植被生长变化的时空格局,指出研究区生长季 NDVI 呈上升趋势;Myneni 等7和 Tucker 等8分别研究了 19811991
5、年及 19811999 年的植被变化,认为北半球中纬度地区植被覆盖呈现增加趋势;刘洋等9研究了新疆 19822013 年植被覆盖格局的时空变化,得出新疆 NDVI 在空间分布上差异明显并存在阶段性变化;殷刚等10研究了 19822012 年中亚地区植被覆盖在不同时间尺度的时空变化特征,发现中亚地区年 NDVI 总体呈现缓慢增长趋势;赵安周等11研究了 20002014 年黄土高原植被覆盖时空 收稿日期:2020-12-18 基金项目:国家自然科学基金项目(42061059;42161028);广西自然科学基金项目(2020GXNSFBA297160);广西八桂学者专项;广西空间信息与测绘重点实
6、验室项目(191851016;163802508)作者简介:和彩霞(1995),女,硕士,研究方向:环境遥感,1822378366 。通讯作者:靖娟利,硕士,教授,2003080 。引文格式:和彩霞,靖娟利,边占新,等.19822015 年西南岩溶区 NDVI 时空变化及未来变化趋势 J.桂林理工大学学报,2023,43(2):260-268.He C X,Jing J L,Bian Z X,et al.Spatial-temporal variation of NDVI in the southwest karst areas from 1982 to 2015 and future tre
7、nd J.Journal of Guilin University of Technology,2023,43(2):260-268.演变特征,确定近 15 年黄土高原 NDVI 呈显著增加趋势;林日志等12研究了 19982018 年台湾地区NDVI 时空变化特征,表明台湾地区植被年际 NDVI呈现明显的增加趋势;靖娟利等13研究了 19982012 年珠江流域植被覆盖时空分布,发现该流域最大 NDVI 整体呈增长趋势,局部地区恶化;曹云等14研究了 20002017 年西南森林植被变化趋势及其对气候变化的响应;熊巧利等15则研究了西南地区生长季植被覆盖时空变化特征;张凯选等16研究了 20
8、002017 环江喀斯特区的植被覆盖变化;文献17-19分析了贵州沅江、广西桂林漓江流域植被变化特征;靖娟利等20分析了西南岩溶地区的 NDVI 时空变化,均显示西南地区 NDVI呈上升趋势,各类型植被 NDVI 均呈不同程度的增加趋势,西南地区植被得到改善。西南岩溶地区是我国主要岩溶带之一,也是世界岩溶研究的重点地区21。西南岩溶地区地质背景特殊,景观异质性强,岩溶作用强烈,生态环境容量小,然而众多的人口,尖锐的人地矛盾也导致植被破坏和水土流失日益严重,形成了严重的岩溶石漠化22,严重的生态问题制约了区域经济社会的发展23。因此对该区域植被覆盖变化及其影响因子的研究受到学者们的广泛关注,如靖
9、娟利等24采用 19982012 年 SPOT NDVI 研究了西南岩溶地区植被覆盖时空变化;肖建勇等25利用20002016 的 MODIS NDVI 数据研究了西南岩溶地区 NDVI 的时空变化及驱动因子。众多学者多从短时间序列、单一尺度、小范围区域分析西南岩溶区的植被时空变化特征,鉴于此,本文基于 19822015 年 GIMMS NDVI 数据集,从年际和季节尺度分析西南岩溶区植被时空变化特征,并辅以趋势分析、Mann-Kendall 检验及 R/S 分析方法分析其变化趋势及持续性,为准确掌握西南岩溶区生态系统动态演变过程提供科学依据。1 研究区概况研究区位于中国西南部,如图 1 所示
10、,包含 7个省、区和 1 个直辖市(云南、贵州、四川、广东、湖南、湖北、广西壮族自治区及重庆市),地理坐标为东经 972111719,北纬 20133306,东临华东地区,北依西北地区,西与西藏、缅甸接壤,南与老挝、越南毗邻,相临于北部湾和南海。区域范围总面积 195.37 万 km2,占全国总面积的20.35%,土地总面积107.1 万 km2。地势自东向西呈阶梯状逐级升高,地形复杂多样,包含云贵高原、横断山脉、四川盆地、两广丘陵及山地,地处热带、亚热带和高原气候区,气候多变。全国裸露的碳酸盐类岩石分布面积约 130 万 km2,其中西南地区分布面积为 54 万 km2,占西南地区幅员面积的
11、 1/3 以上,是我国岩溶面积分布最广的地区。地层岩性主要为纯、较纯、次纯灰岩和白云岩,碳酸盐岩层分布如图 2 所示。图 1 研究区地形图Fig.1 Topographic map of study area图 2 研究区碳酸盐岩地层分布图(据1 400万 中国可溶岩类型图 简化)Fig.2 Distribution of carbonate strata in study area纯、较纯碳酸盐岩层:1灰岩;2灰岩-白云岩;3白云岩。4次纯碳酸盐岩层。5不纯碳酸盐岩层。6类型不明的碳酸盐岩层2 数据与方法2.1 数据来源及预处理GIMMS NDVI 3g 数据集来源于美国国家航天航空局(NA
12、SA)戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center,GSFC)(https:/ecocastarcnasagov/da-162第 2 期 和彩霞等:19822015 年西南岩溶区 NDVI 时空变化及未来变化趋势ta/pub/gimms/3gv1/)。该数据集时间跨度为 1981年7 月2015 年12 月,空间分辨率为8 km,时间分辨率为 15 d,文件为.nc4 格式,每个.nc4 文件包含半年的 NDVI 数据,每月 NDVI 数据分为上半月及下半月数据。采用最大值合成法(maximum value composites,MVC)得到每月、每季节与每年 N
13、DVI 数据,该方法可进一步消除云、大气、太阳高度、传感器灵敏度等因素的部分干扰。将季节划分为:35月为春季,68 月为夏季,911 月为秋季,12 月至次年 1、2 月为冬季。采用的 SRTM(shuttle radar topography mission)DEM 数据来源于地理空间数据云(http:/ 90 m。可溶岩分布及岩层种类数据来源于中国地质科学院岩溶地质研究所编制的1400万中国可溶岩类型图。2.2 研究方法2.2.1 趋势分析方法 一元线性回归趋势分析能够模拟出栅格中每个像元的时间变化趋势,进而反映研究区 NDVI 时空格局变化特征26S=nni=1i DVmaxi-ni=1
14、ini=1DVmaxinni=1i2-ni=1i()2,式中:S 为 19822015 年 NDVI 时间回归趋势线斜率,n 为研究期总年数,i 为年份,DVmaxi 为第 i 年NDVI 最大值。若S 0,表示在研究期间NDVI值随时间变化呈增长趋势,且 S 值越大,增加趋势越明显;S 0;0,S=0;S+1V(S),S 0;0,NDVIj-NDVIi=0;-1,NDVIj-NDVIi 1.96 时通过 95%显著性检验。2.2.3 R/S 分析 即 Hurst 指数,也称重标极差分析(rescaled range analysis)28,是由英国水文学家Hurst 在研究尼罗河水文时间序列
15、资料时所提出24,被广泛应用于时间序列数据的研究中,其计算过程如下:给定时间序列NDVI(i),i=1,2,n。对于任意正整数 p,定义均值序列NDVI(p)=1ppi=1NDVI(i);定义累积差序列 NDVI(i,p)为NDVI(i,p)=pi=1(NDVI(i)-NDVI(p);定义极差序列 R(p)为R(p)=max1ip NDVI(i,p)-min1ip NDVI(i,p);定义标准差序列 S(p)为S(p)=1ppi=1(NDVIi-NDVI(p)2。Hurst 通过长时间的实践总结,建立了如下关系RpSp=(p)H。式中,H 为 Hurst 指数,利用最小二乘法在双对数坐标系ln
16、(p),ln(R(p)/S(p)拟合求得。H 值在0 1,当0 H 0.5 时,时间序列具有反持续性,即未来植被变化趋势与过去34 a变化趋势相反,H 值越接近,其反持续性越强;当 H=0.5 时,时间序列为随机序列,即无法判断植被变化趋势;当0.5 H 1时,时间序列具有持续性,即未来植被变化趋势与过去 34 a 变化趋势保持一致,H 值越接近 1,其持续性越强。3 结果分析3.1 NDVI 时空变化特征3.1.1 时间变化特征 通过计算 19822015 年最262桂 林 理 工 大 学 学 报 2023 年大 NDVI 均值(NDVImax,后文表示为 NDVImean),得到西南岩溶地
17、区年际及季节 NDVImean时间变化趋势,从图3 可看出,在此期间NDVImean在0.7480.805 波动,呈显著上升趋势(R2=0.509 1,P0.01),增长速率为 0.011/(10 a),表明研究区植被覆盖明显增加。NDVImean在 19901995 年和 19982002 年波动较大,波动最大幅度达到 0.034,对 NDVImean的增长趋势影响较大;2002 年之后,波动幅度减小,呈稳定增长趋势。从表 1 可见,季节 NDVImean均呈增加趋势,春季增长速率最大(0.024/(10 a),夏季增长速率最小(0.009/(10 a),春季、夏季和秋季增长趋势通过 P0.
18、01 显著性检验,冬季增长趋势通过 P0.05显著性检验,表明研究区植被覆盖在逐渐上升。图 3 19822015 年西南岩溶区年 NDVImean变化趋势Fig.3 Annual NDVImean changing trend in the southwest karst area from 1982 to 2015表 1 季节 NDVImean变化趋势Table 1 Variation trend of seasonal NDVImean季节NDVI 变化趋势决定系数 R2春y=0.002 4x-4.207 50.556 7夏y=0.000 9 x-1.044 10.403 3秋y=0.00
19、1x-1.344 10.216 9冬y=0.001x-1.476 60.177 8 注:x 为年份,y 为最大 NDVI 均值。由图 4 可见,研究区 NDVImean季节分布差异明显:夏季及秋季 NDVImean整体较高,波动幅度较小,呈稳定上升趋势;冬季 NDVImean最低,波动幅度相对较大。NDVImean存在阶段性变化,其中较为显著的阶段为 19901993 年、19982000 年,在这两个时间段,季节 NDVImean均呈下降趋势;2000 年之后,季节 NDVImean变化趋于稳定,呈波动上升趋势。3.1.2空间分布特征通过计算 19822015 年NDVImean,得到西南岩
20、溶地区年际及季节 NDVImean空间分布。从图5a 可见,在此期间植被覆盖较好,0.2NDVImean 0.6 的 区 域 仅 占 研 究 区 面 积 的1.98%,要分布于四川甘孜藏族自治州的沙鲁里山图 4 19822015 年西南岩溶区季节 NDVImean变化趋势Fig.4 Seasonal NDVImean changing trend in the southwest karst area from 1982 to 2015图 5 西南岩溶区 19822015 年 NDVImean空间分布Fig.5 Spatial distribution of NDVImean in the s
21、outhwest karst area from 1982 to 2015附近,地层岩性主要成分为纯、较纯的碳酸盐岩层(灰岩),海拔在 2 440 m 以上,坡度在 15 30。0.6NDVImean0.8 的区域占 61.03%,主要分布于四川与云南接壤处的横断山脉、云贵高原、广西丘陵、广东清远大东山及湖南省内,地势较平缓,海拔小于 2 440 m,坡度在 15左右,地层岩性主要以灰岩 及 白 云 岩 为 主。NDVImean 0.8 的 区 域 占36.99%,主要分布于四川盆地周围的岷山、邛崃山及大渡河附近,重庆东南角及大巴山、巫山一带,鄂西山地,贵州遵义、毕节,云南昭通及广西河池环江一
22、带,地势呈西北到东南递减,地层岩性以纯、较纯的碳酸盐层(灰岩、白云岩)为主,混有不纯的碳酸盐岩层。从图5be 可看出,NDVImean季节变化明显,空间分布差异较显著。春季,以 0.6NDVImean0.8 的362第 2 期 和彩霞等:19822015 年西南岩溶区 NDVI 时空变化及未来变化趋势区域为主,占研究区面积的 70.06%,主要分布于云贵高原区的贵州省内,重庆武隆以东南区、大巴山、巫山周围,鄂西山地,湖南武陵山一带及衡阳周围,广西丘陵及广东大东山附近;0.4NDVImean0.6 占23.05%,主要分布在云南昆明、曲靖、红河及文山,四川雀儿山及沙鲁里山一带,其余零星分布在广西
23、来宾、柳州,贵阳毕节、六盘水、黔西南布依族自治州,湖南邵阳、永州,广东广州,地层岩性主要以灰岩为主。夏季,0.6NDVImean0.8 的区域与春季相比基本保持不变,空间上主要分布于四川及云南相接的横断山脉,云贵高原,两广丘陵,湖南娄底以南及湖北鄂东南低山丘陵;NDVImean0.8 的区域有所增加(26.35%),主要分布在四川盆地周围,云南昭通,贵州毕节、遵义,重庆与湖北接壤的巫山附近及鄂西山地一带;NDVImean0.4 的区域则仅占 3.6%,主要分布于横断山脉处的巴塘县、得荣县附近。秋季,0.6NDVImean0.8 的区域有所增加(79.18%),各省均有分布;NDVImean0.
24、8 的区域占 16.89%,空间上主要分布于鄂西山地,广西河池及云南临沧、普洱、西双版纳,其他各省均有零星分布。冬季以 0.4NDVImean0.6 的区域为主(50.90%),主要分布于云贵高原、重庆、鄂西山地及湖南;0.6NDVImean0.8 的区域占 42.89%,主要分布于横断山脉,贵州黔南布依族自治州,广西百色、河池,广东清远、韶关。四季 NDVImean0.8 的区域在空间上存在转移现象,春季分布于鄂西山地,夏季则往西南方向的重庆、贵州、云南昭通及四川盆地周围转移,秋季则呈现往南方的广西河池、百色及云南临沧一带转移趋势,冬季则转移到云南泸水县至勐腊县一带,总体上呈东北往西南转移趋
25、势。3.2 NDVImax变化趋势为了进一步分析研究区植被变化趋势,将趋势分析结果和 M-K 显著性检验结果叠加,得到研究区19822015 年 NDVImax变化趋势,见表 2 和图 6。从年尺度来看(图 6a),研究时段内 NDVImax呈增加趋势的面积占 80.31%,地层岩性主要以连续的纯、较纯碳酸盐岩层(灰岩)为主,混有间夹层型的白云岩,坡度小于 15的居多,部分在 1531,海拔由东往西、由东北往西南呈递增趋势;其中呈显著增加趋势的区域占 51.57%,集中分布于云贵高原、重庆武隆区往东南一带、鄂西山地的恩施土家自治州附近、湖南武陵山及邵阳,以及广西来宾周围;NDVImax呈减少趋
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