2000—2022年湖南省与湘北地区植被覆盖变化对比分析

摘 要：归一化植被指数（NDVI）数据集可以反映区域的植被覆盖变化情况。1999年以来，湖南省响应国家号召，在全省范围内推行退耕还林还草工程项目，全省植被覆盖得到改善，但是省域尺度上的植被覆盖变化在一定程度上掩盖了市、县尺度的植被覆盖变化。研究以250 m分辨率的Modis三级网格植被数据集为数据源，采用一元线性回归方法，对湖南省和湘北地区的植被覆盖变化展开对比分析，从省、市两个尺度揭示不同区域的植被覆盖变化情况，为不同尺度上宏观生态政策制定提供参考。研究结果表明：2000—2022年湖南省64.03%的区域植被覆盖得到显著改善，7.50%的区域植被覆盖出现褐变的情况；对比湖南省植被覆盖增长率的变化，湘北地区3个地级市年增长率均低于湖南省年增长率。

关键词：归一化植被指数；多尺度分析；时空变化

中图分类号：Q948 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）2-111-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.026

0 引言

植被是地表物质能量循环的重要载体［1］，是构成和维护区域生态平衡的重要组成成分，研究其变化趋势，对环境保护政策的制定具有重要的指导意义。以前，受限于传统的技术方法，研究者无法对大尺度、长时间序列的植被覆盖动态变化展开归因性分析。20世纪以来，随着卫星遥感技术的快速发展，卫星可以快速获取实时、动态连续的地表植被覆盖数据。研究者开始借助卫星遥感技术探究植被覆盖的变化。Weiss等［2］利用AVHRR的1 km分辨率卫星数据分析阿拉伯地区植被覆盖的变化；Rees等［3］基于全球尺度，对不同区域植被覆盖变化情况展开评估。遥感参数的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），是反映植被对光合作用有效辐射吸收能力的一个间接指标［4］，研究者广泛使用该指标计算叶面积指数和生产力格局［5-6］。目前，研究人员开始使用该指数数据集，从世界到局部尺度探究植被覆盖的动态变化，并展开归因性分析［7］。

中国使用NDVI数据集对植被覆盖动态变化的研究始于1980年，该方向的研究发展速度较快。符淙斌等［7］在全国尺度上研究中国植被覆盖变化情况，探究1980—1990年植被覆盖的变化情况，并分析其原因；孙根年等［8］基于归一化植被指数数据集，对内蒙古地区的植被覆盖变化展开分析，并探究该地区土地利用变化、气候对该区域植被覆盖变化的影响；陈效逑等［9］综合Modis和AVHRR的数据，对1982—2003年内蒙古植被带和植被覆盖度展开归因性分析；刘湘南等［10］以统计数据和Landsat数据为基础，采用定性定量结合的方法对松嫩沙地的植被覆盖变化展开归因性分析；毛德华等［11］基于1982—2006年的归一化植被指数产品数据，分析东北冻土地区归一化植被指数的年际变化，并在空间尺度上探究气候和土地利用对植被覆盖变化的影响；刘洋等［12］基于1982—2013年新疆地区归一化植被指数数据，研究新疆地区的植被覆盖变化，发现当地植被覆盖变化呈现地理空间的分异现象；李运刚等［13］探究红河流域的植被覆盖变化，并分析其与气候之间的关系。综上，NDVI数据集作为常见监测区域植被覆盖变化的遥感数据，研究者利用其从不同的角度探究植被覆盖变化，并展开归因性分析。

1999年以来，湖南省开始在全省范围内推行退耕还林等各项抚林育林政策，并取得了一定成效。国内已有研究者对湖南省植被覆盖变化进行了研究，并进行了归因性分析。黄春晓等［14］依据湖南省NDVI数据集，采用逐像元回归分析和相关性分析的方法探究湖南省植被覆盖时空变化及其影响因素，研究发现秋季降水主导了NDVI值的空间分布，冬季温度是植被生长的主要影响因子；郭庆斌等［15］基于2005—2015年湖南省植被覆盖的数据，通过线性趋势变化，探究植被覆盖的变化趋势；王震等［16］研究计算湖南省植被的hurts指数，并对湖南省植被覆盖未来的变化趋势展开预测。然而，以上研究工作都是从全省尺度上对湖南省植被覆盖变化展开评估的，缺少在市尺度上对植被覆盖变化展开分析评估，无法精确地分析市尺度上的植被覆盖变化情况。鉴于以往研究缺少对湖南省市尺度上植被覆盖变化的细化分析，笔者从全省到市尺度上展开对比分析，细化研究尺度，探究不同尺度上湖南省湘北地区主要城市群植被覆盖变化速率的差异，为环境保护政策的制定提供数据参考。

1 研究区概况

湖南省东临江西省，西接重庆市、贵州省，南毗广东省、广西壮族自治区，北与湖北省相连，是三面环山、朝北开口的马蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵、山地、河湖构成，地跨长江、珠江两大水系，属亚热带季风气候区。1999年以来，湖南省在全省范围内实施退耕还林还草工程项目，植被覆盖率显著提升。细化湖南省植被覆盖变化研究、对比湖南省和湘北地区城市植被覆盖变化速率的差异性，可以了解该地区自退耕还林还草工程项目实施以来区域植被覆盖和森林变化情况，进而为湖南省未来发展提供重要的数据参考。

2 研究方法

2.1 数据源与数据处理

研究基于2000—2022年的湖南省归一化植被指数数据进行分析，该数据来自美国宇航中心提供的三级格网数据。使用MRT软件完成相关数据的批处理工作，将质量控制文件应用到该产品数据进行掩膜裁剪；归一化植被指数数据的有效值为［-1，1］，一般NDVI小于0的值代表非植被区域［3］。为探究湖南省湘北地区城市群植被覆盖变化情况，在数据预处理过程中，将NDVI小于0的值进行筛选剔除，对预处理后的归一化植被指数数据进行整理，然后从数据集合中取4—11月的平均值，得到湖南省和湘北地区2000—2022年各年植物生长季NDVI［4］。

笔者对整理过的2000—2022年的NDVI数据在GIS软件平台上展开分析，在省域和市域两个尺度上对湖南省和湘北地区城市群的植被覆盖变化展开对比分析，为不同尺度下的生态环境政策制定提供数据参考。

2.2 一元线性回归趋势线分析

采用趋势回归的方法对湖南省植被覆盖变化趋势展开分析，计算公式见式（1）［5］ 。

[Slope =n i=1ni NDVIi - i=1nii=1nNDVIini=1ni2 - i=1ni2]              （1）

式（1）中：Slope代表斜率，i代表2000—2022年中的第i年，NDVIi代表第i年的NDVI值。Slope>0说明植被覆盖在2000—2022年呈现增长趋势，Slope= 0说明植被覆盖在2000—2022年没有变化，Slope < 0 说明植被覆盖在2000—2022年呈现减少趋势。为了在像元尺度上对湖南省植被覆盖变化进行显著性检验，此研究使用公式（2）进行核算。

[Rxy=i=1nxi-Xyi- Yi=1n（xi-X）2i=1n（yi- Y）2 ]                   （2）

式（2）中：Rxy代表自变量和因变量的相关系数，n代表2000—2022年各变量的样本个数，xi代表年数，yi代表每年NDVI的值，[X]代表自变量年数的平均值，[Y]代表因变量NDVI的平均值。如果相关系数大于零，表明植被覆盖呈现改善的趋势，反之表明该区域植被覆盖状况恶化。计算结果表明，Rxy通过0.05的显著性检验（P<0.05），植被覆盖呈现显著变化，因此通过一元线性回归方程分析2000—2022年湖南省地域植被覆盖变化情况。

3 结果分析

3.1 湖南省植被覆盖NDVI时空变化

2000—2022年湖南省的年均NDVI变化情况如图1所示。通过一元线性趋势回归分析并结合相关系数得到湖南省植被覆盖变化趋势等级分布，见表1。由表1可知，植被覆盖减少的区域占总面积的7.50%，改善面积占92.50%，湖南省大部分区域植被覆盖得到改善，少部分区域植被覆盖出现了退化情况。2000—2022年湖南省超过90%的区域植被覆盖得到改善，少部分区域出现褐变的情况，说明2000年以来，湖南省在全省推行的相关林业措施取得了一定成效，少部分区域出现植被覆盖减少的情况可能与城市化有关。

由图1可知，2000年湖南省NDVI值最小（0.511），而后NDVI值呈逐年上升趋势，增长速率为0.005 38/a，在2014年取得最大值（0.683）；2000—2022年湖南省植被覆盖呈显著增长趋势。综合图1及表1可知，2000—2022年湖南省植被覆盖整体向好，说明人为活动对该地区的植被覆盖变化产生了积极影响，但少部分区域出现植被覆盖减少的情况。

3.2 湘北地区市尺度上NDVI时空变化

为了解湘北地区地级市植被覆盖变化情况，笔者统计湘北地区2000—2022年常德市、益阳市、岳阳市归一化植被指数的变化情况（如图2至图4所示），对这3个地级市植被覆盖变化的趋势进行对比分析。

2000—2022年，常德市NDVI的均值为0.589，最大值（0.648）出现在2014年，最小值（0.506）出现在2000年；益阳市NDVI的均值为0.593，最大值（0.660）出现在2014年，最小值（0.496）出现在2000年；岳阳市NDVI的均值为0.579，最大值（0.641）出现在2014年，最小值（0.499）出现在2000年。2000—2022年，湘北地区3个地级市植被覆盖呈显著增长趋势。湘北地区3个地级市与湖南省植被覆盖的变化趋势基本一致，均呈显著增长趋势。

3.3 不同尺度下植被覆盖变化趋势的对比分析

湖南省、湘北地区3个地级市NDVI变化情况见表2。由表2可知，湖南省、湘北地区3个地级市植被覆盖在2000—2022年均呈现增长趋势，这说明湖南省采取的林业政策对于该地区植被覆盖变化起到积极作用，在一定程度上对湖南省植被覆盖的修复起到正向作用。对比发现，湘北地区3个地级市的归一化植被指数年增长率均低于湖南省的年增长率，3个地级市中益阳市年增长率最大（0.004 53）。

4 结论与讨论

1999年以后，湖南省在全省推行各项林业恢复政策，湘北地区积极推行该政策。根据2000—2022年该地区植被覆盖变化情况，从省、市角度分析归一化植被指数的差异性变化，对该地区植被的保护和环境保护相关政策的制定都具有重要意义。此研究基于2000—2022年湖南省、湘北地区的归一化植被指数数据，经过对比分析，得到如下结论。

①2000—2022年，湖南省64.03%的区域植被覆盖呈显著增加的趋势；植被覆盖未显著增加的区域占比为28.47%；植被覆盖减少的区域占比为7.50%，主要集中在湖南省城市群的交界区域。

②2000—2022年，湘北地区3个地级市归一化植被指数均呈显著增长趋势，岳阳市归一化植被指数变化速率最慢（0.003 36/a），益阳市变化速率最快（0.004 53/a）。

③2000—2022年，湘北地区3个地级市植被覆盖年增长率均低于湖南省的年增长率，说明湘北地区3个地级市在植被恢复方面还需要加强投入。

笔者对比分析了湖南省、湘北地区3个地级市植被覆盖变化的年增长率，细化了研究尺度，量化了不同空间尺度上归一化植被指数的差异性变化。但是该分析方法有局限性：一是没有对比分析湖南省全部地级市植被覆盖变化趋势，没有建立对比分析的尺度标准；二是没有考虑造成这种差异的原因，同时在研究中没有考虑多种因素对植被覆盖变化的影响；三是在以后的研究中，需要进一步细化研究尺度，探究政策方面因素对区域植被覆盖变化的影响。