基于MODIS-EVI的廣西西江流域植被時空變化特征及其影響因素

蘇俊磊, 羅為群, 王廣哲, 楊奇勇, 周永華, 黃 靜, 蔣忠誠

(1.中國地質科學院 巖溶地質研究所/自然資源部巖溶生態系統與石漠化治理重點實驗室, 廣西 桂林 541004;2.中國地質大學(北京), 北京 100083; 3.廣西師范學院, 南寧 530001)

植被作為陸地生態系統的主體[1]，是全球氣候變化的敏感指示器[2-3]，不僅影響著地球—大氣系統之間的能量平衡，還在氣候、水文和生物地球化學循環過程中起著重要橋梁作用[4]。植被覆蓋變化在一定程度上能夠反映區域生態系統的演化狀況，與氣候變化和人類活動密切相關[5-6]。因此，研究某一區域的植被覆蓋時空變化對評價該區域生態環境的演化和過程具有很好的指示意義[7]。植被指數是反映地表植被覆蓋度與植被生長狀況的重要指數，常用于區域乃至全球植被狀態研究[8]。目前，較常見的植被指數主要有比值植被指數(RVI)、調整土壤亮度的植被指數(SAVI)、差值植被指數(DVI)、歸一化植被指數(NDVI)、增強型植被指數(EVI)等，其中NDVI和EVI在多領域研究中得到廣泛應用。然而，NDVI本身存在易飽和、處理大氣干擾能力有限、自動忽略土壤背景干擾、MVC算法不能保證最佳像元等諸多不足[9-10]。因此，有關學者對其進行了改進和優化，即全面的大氣校正和去云處理、以及殘留的氣溶膠和土壤背景干擾校正，從而解決了基于比值的植被指數飽和問題[9,11-13]，由此提出了增強型植被指數EVI。有學者研究發現在濕潤條件下的高植被覆蓋區，EVI指數比NDVI指數更能準確地反映植被的生長變化[9,14-15]。也有學者通過利用EVI指數和NDVI指數對湖南省2005年植被覆蓋月季變化情況進行對比研究發現MODIS-EVI能更好地反映植被覆蓋變化特征[16]。

廣西西江流域作為西南地區重要的水源涵養區，巖溶面積分布廣泛，災害頻繁，是全球氣候變化的敏感區域之一[17]。由于受自然因素和人類活動的共同影響，該流域內生態環境變得十分脆弱，這迫切需要快速且準確地動態監測。近年來，已有大量關于利用MODIS-NDVI數據研究廣西地區植被變化的報道[18-20]。然而，關于利用MODIS-EVI對廣西植被時空變化及演變趨勢的研究較少，特別是對區內巖溶區與非巖溶區植被變化差異的對比研究更為罕見。因此，本文基于廣西西江流域MODIS-EVI數據對比分析該區2007—2016年植被時空變化特征及其與氣候因子和海拔的關系，旨在為該區植被監測和分區、石漠化綜合治理以及生態工程實施效果與評價等提供理論依據。

1 研究區概況

西江作為華南地區最長的河流，是廣西壯族自治區和廣東省的重要水系。西江流域在廣西區內的經緯度范圍分別為21°58′—26°33′ N，104°26′—112°04′ E，區內河長869 km，主要支流有南盤江、紅水河、黔潯江、郁江、柳江、桂江、賀江、漓江等。流域總面積達3.05萬km2，其中廣西區內流域集雨面積2.17萬km2，占總流域集水面積的85.68%。廣西西江流域跨越北回歸線，屬于典型亞熱帶季風氣候，年平均氣溫在16.5～23.1℃，年降雨量為1 080～2 760 mm[21]，日照充足、降雨充沛。地貌以山地、丘陵、峰叢洼地、峰林平原和谷地為主，地勢北高南低(圖1)，植被類型主要為森林、灌木林、灌叢林、草叢等。巖溶面積分布廣泛，約占研究區總面積的31%，集中分布于桂西南、桂西北、桂中、桂東北等，地層巖性以石灰巖和白云巖為主，石漠化問題突出，災害頻發。

圖1 研究區海拔變化和巖溶分布

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本文中MODIS-EVI數據源于美國國家航空航天局NASA(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html/)提供的Terra衛星MOD13A3數據(格式為EOS-HDF)、地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)提供的DEM 數據、中國地質科學院巖溶地質研究所提供的1∶100萬巖溶分布數據以及中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)提供的氣象數據。其中MODIS-EVI數據為三級網格陸地植被數據，屬于30 d合成產品，空間分辨率為1 km；DEM數據為數字高程數據，空間分辨率為30 m；而氣象數據則包括研究區內25個標準站點的月平均氣溫和月累積降雨量。本文首先選擇廣西西江流域行政區劃矢量圖作為掩膜，對2007—2016年內各月的MODIS-EVI數據進行裁剪，從而生成廣西西江流域研究區植被月EVI圖像，然后考慮到廣西地區氣候、水文及自然資源等特征，選擇植被生長旺季(每年4—10月)的平均EVI作為研究區年均EVI值，而選擇各年同1月份的EVI求平均值作為研究區1—12月的月均EVI值[10,22-23]；而區內巖溶區和非巖溶區的EVI圖像則是以研究區1∶100萬巖溶分布矢量圖為掩膜，通過裁剪工具得到的，EVI值與研究區EVI值求法一致。

2.2 研究方法

2.2.1 植被指數動態變化趨勢分析 一元線性回歸分析法可模擬每個像元的變化趨勢，還能反映不同時間段內植被變化的空間特征[24-26]。利用該方法模擬研究區內每個像元的EVI在2007—2016年的空間變化趨勢，本文以年時間單位t為自變量，以年平均EVI和時間序列為因變量建立一元線性回歸方程，計算公式如下[24]：

(1)

2.2.2 植被指數波動分析 標準差是衡量各項數據偏離平均值或中間值的一項統計指標，反映了數據的離散程度。利用標準差分析研究區近10 a來的EVI均值，若標準差越大，則表明研究區在該時間段內植被指數EVI年際波動越大，即植被覆蓋變化越大。標準差的計算，見式(2)[27]：

(2)

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋時間變化特征

3.1.1 周期變化 廣西西江流域植被類型主要為常綠闊葉林，盡管該類型植被變化較小，但同樣遵循物候新陳交替的自然規律，即月EVI指數呈周期變化。由2007—2016年月EVI變化特征(圖2A)可知，EVI指數呈周期性變化，每年7月或8月份EVI指數高，1月或2月份EVI指數低。除2012年1月EVI值為10 a內最低值外，近10 a EVI值呈現緩慢增加的趨勢，且每年的最高值與最低值的差值呈現出逐漸減小的趨勢。從圖2B可看出，近10 a研究區1—12月的平均EVI指數呈“先升高后降低”的態勢：1—3月EVI值較小，4月以后隨著氣溫上升和降雨增加，植被生長茂盛，EVI值也迅速增大，到7月或8月份達到最高值，9月以后植物開始落葉、農作物開始成熟，植被覆蓋逐漸降低，EVI值也減小至次年1月或2月份的最低值。巖溶區和非巖溶區月均EVI變化趨勢與研究區基本保持一致，EVI大小表現為：非巖溶區>研究區>巖溶區。

圖2 研究區2007-2016年內EVI月際變化特征

3.1.2 年際變化 由圖3可知，2007—2016年內研究區年均EVI值均在0.4以上，總體呈上升趨勢(p<0.001)：2011年EVI均值最小(0.45)，2016年EVI均值最大(0.49)。具體來看年均EVI變化趨勢大致可分為2個階段：(1) 2007—2011年波動階段，期間年均EVI整體上呈下降態勢，其原因可能是該時間段內出現多次嚴重自然災害，導致植被與農作物遭到嚴重破壞，進而使得植被覆蓋度降低。(2) 2011—2016年期間年均EVI增加階段，這可能與廣西地區推進綠化造林工程、石漠化治理工程等植被保護措施有著較大的關系。巖溶區和非巖溶區年均EVI變化趨勢、變化速率與研究區基本一致，通過對比發現，除2014年外，非巖溶區年均EVI均高于巖溶區。

3.2 植被覆蓋空間變化特征

3.2.1 植被指數空間差異分析 由表1和圖4可看出，研究區EVI均值主要介于0.4～0.6，空間分布差異顯著。其中EVI>0.5的高值區主要集中在研究區西北部，零星分布于中—東部和西南部等地區；EVI值介于0.4～0.5的區域幾乎覆蓋了整個研究區；EVI值介于0.3～0.4的區域主要沿著南盤江、右江、紅水河、郁江、漓江等水系分布；而EVI<0.3的低值區主要分布于南寧、柳州、桂林等城市中心地帶，受人類活動干擾強度較大。巖溶區與非巖溶區EVI值均以大于0.4為主，對于EVI>0.5的高值區而言，非巖溶區所占比明顯高于巖溶區。總體來看，2007—2016年廣西西江流域植被EVI均值整體較高，植被生長狀況較良好，非巖溶區EVI均值稍高于巖溶區。

圖3 研究區2007-2016年EVI年際變化特征

圖4 研究區2007-2016年EVI均值空間分布特征

3.2.2 植被指數空間分布動態變化趨勢 利用一元回歸模型對近10 a廣西西江流域植被變化趨勢進行分析，參考邱海軍和靖娟利植被變化趨勢劃分標準[28,29]，將研究區植被變化趨勢劃分為嚴重退化、中度退化、基本不變、中度改善以及顯著改善5個等級(圖5)，并在GIS中統計各等級面積比例(表2)。由圖5和表2可知，2007—2016年研究區植被覆蓋總體得到改善，僅局部地區仍在退化。EVI呈中度改善和顯著改善的區域占總面積的50.74%，主要分布于研究區中部及東北部等地區；EVI呈中度退化和嚴重退化的區域較小，零星分布于水系和南寧、百色及桂林等市轄區，明顯受到城市化發展的影響；其他地區植被EVI呈基本不變趨勢，占比47.66%，廣泛分布于研究區西部、北部及東南部等地區。巖溶區與非巖溶區EVI主要以基本不變、中度改善為主，巖溶區呈中度改善和顯著改善的區域占比明顯高于非巖溶區，以上現象表明近10 a來研究區內巖溶石漠化治理、綠化造林等一系列生態保護工程的實施取得了較顯著的成效。

表2 2007-2016年廣西西江流域EVI變化趨勢

圖5 研究區2007-2016年EVI變化的空間分布

3.2.3 植被指數空間分布波動特征 從數理統計分析角度，按照標準差與均值中的最小值作為等級劃分間隔的標準[30-31]，將研究區EVI標準差劃分5個等級，分別為低、較低、中、較高和高(圖6)，并在GIS中統計各個等級所占面積比例(表3)。

2007—2016年研究區EVI標準差介于0.005～0.126之間，空間波動幅度較大，地域分異明顯(圖6)，以較低波動為主，中等、低波動次之，高、較高波動少。空間分布波動特征為：(1) 低波動區零散分布于研究區的西部及東北部，占比約為14.17%，該地區主要為人類活動干擾小且海拔較高的山地、丘陵地帶。(2) 較低波動區廣泛分布于研究區西部、北部及東南部等地區，占比約為74.35%，與EVI呈基本不變的區域基本相吻合。(3) 中等波動區與EVI呈中度退化、中度改善的地區相一致，占比約為10.93%。(4) 較高—高波動區占比小，零星分布于城市化快速發展的地區，人類活動影響大，EVI波動明顯。由此可見，植被覆蓋變化趨勢越明顯，EVI空間波動性越大。

表3 2007-2016年廣西西江流域EVI波動特征

圖6 研究區2007-2016年EVI波動性空間分布

3.3 EVI與氣候因子的關系

由于植被指數對氣候因子的響應往往存在不同程度的滯后效應[32-35]，所以本文對廣西西江流域2007—2016年植被月EVI與月平均氣溫和月累積降雨量進行偏相關分析。

從研究區植被EVI與氣候因子的相關分析可看出(表4)，研究區2007—2016年植被月EVI與月平均氣溫、月累積降雨量均呈顯著正相關關系，且與月平均氣溫的相關性明顯高于月累積降雨量，相關系數值均在前1個月達到最大，結果表明研究區植被生長受氣溫的影響明顯大于降雨，這可能是由于研究區位于熱帶及亞熱帶地區，降雨充沛，水分相對于植被十分充足，利于減少植被對水分的依賴性，因此植被生長對氣溫的需求要高于降雨。就前1個月的相關系數值來看，非巖溶區EVI與月平均氣溫、月累積降雨量的相關性略高于巖溶區。

3.4 EVI與海拔的變化關系

本文參照廣西地區植被類型垂直地帶分布及其與高程的關系[36]，將研究區海拔變化劃分為4個等級：低海拔(<700 m)、中—低海拔(700～1 000 m)、中—高海拔(1 000～1 300 m)和高海拔(>1 300 m)(表5)。其中小于700 m的區域占研究區總面積的36.98%，700～1 000 m的區域占13.42%，1 000～1 300 m和大于1 300 m的區域分別占13.42%，36.18%。通過表5中EVI與海拔之間的變化關系不難發現，隨著海拔的升高，EVI呈中度改善和顯著改善的區域面積均減少，呈基本不變的區域面積明顯增加，而呈中度退化和嚴重退化的區域面積變化不大；在同一海拔變化范圍內，EVI呈改善的區域面積明顯大于呈退化的區域面積。

表4 研究區2007-2016年月EVI與月平均氣溫、

注：**表示在置信度(雙測)為0.01時，相關性是顯著的。

研究區EVI均值與海拔的變化關系顯示(圖7)，EVI隨著海拔上升呈先增大后減小的趨勢，具體表現為：0～600 m，EVI隨著海拔的升高而迅速增大；600～2 200 m，EVI隨著海拔的上升而緩慢減小，但仍然高于低海拔(<200 m)地區的EVI。巖溶區、非巖溶區與全區的EVI隨海拔高度變化而變化的趨勢基本一致。

表5 不同海拔高度下EVI變化程度所占面積比例

圖7 不同海拔高度下EVI均值變化特征

4 討 論

研究區植被時空變化特征受到自然因素與人為因素的共同影響[35]。在時間上，一方面，研究區月EVI呈周期性變化(圖2A)，在每年1—2月份最低，7—8月份最高(圖2B)，明顯受到季節性氣候等自然因素的控制；除2012年1月EVI為10 a內最低值外，相同月份的EVI總體上呈逐年增加的趨勢(圖2A)，這可能與廣西地區實施綠化造林等植被保護措施，導致植被覆蓋增加有關。另一方面，研究區EVI年際變化總體呈上升趨勢，但存在明顯的波動(圖3)，巖溶區和非巖溶區EVI變化趨勢、變化速率與研究區基本一致，這與王永鋒等[37]和楊紹鍔等[38]的研究結果一致。2008年，國家啟動實施巖溶地區石漠化綜合治理試點工程，其主要目標是恢復植被，改善生態環境。10 a來，廣西地區通過封山育林、人工造林、退耕還林、公益林管護、補植補種和發展沼氣能源等舉措取得了顯著成效。然而，在此期間，廣西曾遭遇多次重大自然災害，造成植被受到不同程度的破壞，從而導致年際EVI呈波動變化。2008年初，我國南方發生大范圍的低溫、雨雪、冰凍等自然災害，其中廣西成為受災最為嚴重的地區之一，植被與農作物嚴重受損，因此EVI處于明顯較低水平。伴隨巖溶地區石漠化綜合治理工程的啟動實施，2009年研究區植被EVI緩慢增加。然而，2010年我國西南五省市(云南、貴州、廣西、四川及重慶)地區發生百年一遇的特大旱災，氣溫高、降水少、水資源極其缺乏，導致植被及農作物嚴重受損。2011年我國西南地區又遭遇持續性夏秋連旱災害。因此，研究區2010—2011年植被EVI持續降低。2011年末，我國加大對西南巖溶地區石漠化治理的力度，并擴大石漠化治理的地區范圍，據2012年全國第二次石漠化監測顯示，西南巖溶地區生態狀況改善的面積為408萬hm2，其中廣西石漠化減少面積最多，為45.3萬hm2。同時廣西地區又全力推進“綠滿八桂”造林綠化工程建設，據國家林業局統計，截至到2012年底，廣西區完成城鎮綠化2006萬m2，山上造林26.83萬hm2，義務植樹9 766.2萬株等，全區森林覆蓋率達58%。因此，在短暫的一年內研究區植被EVI迅速上升。2012—2016年植被EVI基本上呈緩慢上升的趨勢，可能原因有兩點：一是導致植被破壞的重大自然災害基本沒有發生；二是廣西區各級政府和部門繼續推進區內巖溶地區石漠化治理工程(2006—2015年)及“綠滿八桂”工程(2011—2016年)等生態保護工程，并取得了顯著成效。

在空間上，近10 a研究區植被覆蓋具有明顯的空間差異。大部分植被EVI介于0.4～0.6(表1和圖4)，以基本不變和中度改善為主(表2和圖5)，這些區域主要分布于相對高海拔或人為活動破壞小的地區，這是由于高海拔地區適合封山育林、人工造林、退耕還林等石漠化治理措施的實施，而相對偏僻的低海拔地區，如峰叢洼(谷)地，以農作物種植為主，在一定程度上增加了植被覆蓋度；巖溶區呈中度改善和顯著改善的區域占比明顯高于非巖溶區(表2和圖5)，這與近10 a來巖溶地區實施石漠化治理工程(一期、二期等)等工程有關。少部分植被EVI小于0.4(表1和圖4)，呈退化或嚴重退化(表2和圖5)，主要分布于水系或城市中心地帶等低海拔地區，受到自然條件的約束和城鎮化發展的明顯影響。

另外，氣候因子(氣溫和降雨)是影響植被覆蓋變化的重要因素之一，研究區植被EVI與月平均氣溫和月累積降雨量均具有顯著的正相關關系，但其對氣溫和降雨的響應存在一定的滯后效應，滯后時間均約為1個月(表4)，這與前人的研究結論稍有不同。楊紹鍔等[38]和王永鋒等[37]認為廣西地區植被NDVI對氣溫的最大響應滯后時間約為1～2個月，而對降水變化的最大響應滯后時間約2～3個月。造成結論不同的原因可能是前人是運用NVDI變化和氣候因子變化的趨勢進行疊加分析，而本文是通過月EVI與月平均氣溫、月累積降雨量的偏相關系數來確定響應時間。

5 結 論

(1) 2007—2016年廣西西江流域月EVI呈周期性變化，每年7—8月最高，1—2月最低，明顯受季節性氣候等自然因素控制。EVI年際變化總體呈波動上升的趨勢，這與廣西發生重大自然災害及實施一系列植被保護措施有關。巖溶區與非巖溶區EVI變化趨勢與全區基本一致。

(2) 近10 a，研究區EVI具有明顯的空間分布差異，大部分地區EVI介于0.4～0.6，非巖溶區EVI高于巖溶區，變化程度以基本不變和中度改善為主，空間波動性較小；少部分地區EVI小于0.4或大于0.6，變化程度分別是退化—嚴重退化或顯著改善，空間波動性較大。EVI高值(>0.4)主要分布于高海拔或人為破壞小的地區，與封山育林、人工造林等治理措施有關；EVI低值(≤0.4)主要分布于水系發達或城市中心地帶等低海拔地區，受自然條件和城鎮化發展的約束。

(3) 研究區EVI與氣溫和降雨呈顯著正相關，且與氣溫的相關性明顯高于降雨，相關系數值均在前1個月達到最大。就前1個月的相關系數值來看，非巖溶區EVI與氣溫、降雨的相關性略高于巖溶區。