廣西西江流域石漠化區植被變化及氣候驅動力研究

張 澤，丘海紅，胡寶清

(1.南寧師范大學 地理科學與規劃學院，廣西 南寧 530000；2.北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530000)

1 引言

多年來，許多學者對喀斯特石漠化地區進行了大量的研究，當前我國西南地區石漠化嚴重，具有改善和惡化并存、在時空上面積變化快的特點[1,2]。廣西的自然資源非常豐富，但是石漠化區的分布也非常廣泛。石漠化地區環境惡劣，植被的生長環境差，植被生長困難，同時還受農業生產一些人類活動的影響，人類破壞嚴重，當前，地表植被覆蓋變化對廣西生態系統修復，防止生態環境惡化非常重要[3]，近年來利用NDVI進行區域的植被覆蓋及其對氣候的響應研究日益增多[4～6]，萬洪秀等[7]利用MODIS NDVI數據分析了研究區植被的時空變化趨勢,并結合流域氣象數據分析了植被生長季累積NDVI與氣候因子之間的響應特征；史丹丹等[8]采用一元線性回歸分析、相關分析等方法,分析黃河源區生長季植被時空變化與氣候因子的關系；張含玉和包剛[9，10]等分別利用SPOT VGT NDVI、MODIS NDVI數據，對黃土高原、蒙古高原植被覆蓋與氣溫和降水的關系進行了研究。土地退化加劇石漠化區的水土流失、生態環境惡化，嚴重威脅喀斯特石漠化區生態安全和可持續性經濟發展[11，12]。所以，快速的、準確的監測石漠化時空分異，是治理石漠化的最基本問題，也是改善區域生態環境的關鍵前提[13]。已有的植被與氣候相關性研究中的氣候因子均以氣溫和降水作為代表，氣候因子選擇單一，應綜合考慮研究[14]。本研究利用廣西壯族自治區2001～2016年MODIS數據和氣象數據，在前人研究的基礎上，嘗試對該區域的植被變化及其對氣候驅動力進行分析，為廣西的社會經濟可持續發展、石漠化區的植被保護、生態系統修復等提供科學的理論依據。

2 研究區概況

珠江是中國第三大河流，其上游西江在廣西境內河長869 km，流域面積達到4162 km2。西江流域位于104°～113°E，21°～27°N之間[15]。西江流域氣候為中亞熱帶季風氣候和南亞熱帶季風[3]，年均降水量在1080 mm以上，年平均氣溫在20.5 ℃左右，年夏長冬短。廣西喀斯特地貌的分布廣泛，是全國石漠化問題比較嚴重的區域之一[1]。河池市、百色市、桂林市、崇左市、南寧市等老少邊山窮地區為石漠化區。

3 數據與方法

3.1 數據源及數據預處理

石漠化地區植被變化分析選用了美國地質調查局 (United States Geological Survey，USGS)MODIS陸地產品，根據統一算法開發的MODIS植被指數產品MOD13Q1[16]。對所獲得的MOD13Q1遙感數據集進行提取、圖像鑲嵌、裁剪、數據轉換等預處理處理。

氣象數據來源于廣西統計年鑒(http://tjj.gxzf.gov.cn/tjsj/tjnj/)和中國氣象科學數據共享服務平臺(http://cdc.cma.gov.cn/)，在西江流域境內的18個氣象站點中，選取了2001～2016年的氣溫(最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫)、降水量、日照時數以及相對濕度等數據。利用ArcGIS軟件，將氣象數據處理為柵格數據。

3.2 研究方法

3.2.1 混合像元分解模型

混合像元分解模型是將遙感影像的一個像元分成植被和土壤兩部分的進行計算的方法，而NDVI值即為植被和土壤中植被指數的加權平均求和[1,17]。即：

NDVI=fv·NDVIveg+(1-fv)·NDVIsoil

(1)

式(1)中，NDVI為混合像元的植被指數值；NDVIveg為純植被像元的植被指數值；NDVIsoil為純土壤像元的植被指數值；fv植被覆蓋度[18]。計算公式為

fv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式(2)中，NDVIsoil為純土壤像元的最小值；NDVIveg為純植被像元的最大值[1,17]。

3.2.2 變異系數

變異系數是比較多個不同的變量的變異程度，運用變異系數來對研究區的NDVI來確定變異程度[3]。變異系數計算公式如下：

(3)

式(3)中:Cv為變異系數;SNDVI為2001～2016年每一年的NDVI平均值的標準差;MNDVI為2001～2016年每一年的NDVI平均值的均值[26]。

3.2.3 一元回歸趨勢法

一元回歸趨勢法是一種變量隨時間變化的回歸分析的方法[22]。利用此方法，分析2001～2016年廣西石漠化區植被覆蓋度變化。計算公式為：

(4)

式(4)中，n為累計年數，YNDVIk是第k年生長期NDVI平均值。SLOPE是這條趨勢線的斜率[22,23]。SLOPE<0，表示NDVI在n年間呈退化趨勢。

4 結果分析

4.1 植被(NDVI)年際時空分布

由圖1可以看出，2001～2016年廣西石漠化區植被覆蓋度呈現逐漸增加趨勢，由2001年的0.51增加到2016年的0.55，通過圖1曲線的波峰和波谷進行分析，NDVI為上升趨勢的年份分別為2001～2004年、2007～2008年、2009～2010年、2012～2015年；NDVI為上升趨勢的年份分別為2004～2007年、2008～2009年、2010～2012年、2015～2016年。NDVI最大值在2015年，最低值在2001年。2004～2007年逐年降低，植被覆蓋度比較低，2007年、2009年、2012年呈現低植被覆蓋區域向中、高植被覆蓋區域轉化的特點。

近16年，從植被覆蓋度面積比例來看，各地市石漠化區植被覆蓋狀況以河池市為最好，崇左市次之，柳州市第三，桂林最少。河池市石漠化區植被覆蓋度16年來維持在較高水平，植被覆蓋度均值達到62%。從植被覆蓋度的增加面積趨勢來看，2016年與2001年相比，各個地級市的植被覆蓋度均有不同程度增加，來賓市石漠化區植被覆蓋度增勢最為明顯，由2001年的44%上升至2016年的57%，增加了13%,桂林市次之，河池市第三(表1)。

圖1 2001～2016年廣西西江流域石漠化區DNVI變化趨勢

利用2001～2016年廣西西江流域石漠化區的NDVI值，計算NDVI的距平均率，根據多年的NDVI變幅并結合統計資料，制定廣西西江流域石漠化區的植被NDVI變化趨勢等級表(表2)。

表1 2001～2016年廣西西江流域各地市 石漠化區植被NDVI變化對比

表2 植被NDVI變化趨勢等級劃分標準

結合表2的標準，采用一元回歸模型分析廣西西江流域石漠化區值被NDVI年際變化趨勢。整體分析來看，桂北和桂中石漠化區植被恢復明顯，桂西南的重度石漠化區植被呈現逐漸好轉態勢。其中石漠化區NDVI較高覆蓋區域在西南邊界和河池北部，而較低覆區域在百色南部、崇左北部以及賀州北部為主。

4.2 植被(NDVI)變異程度

由表3可知，廣西西江流域石漠化區NDVI變異程度為非常穩定的面積最多，占總面積的54%，分布在桂西南和桂中區域，包括百色市，崇左市和南寧市；NDVI變異程度為穩定的面積次之，占總面積的41%，分布于桂東北部區域，包括桂林市和賀州市；NDVI變異程度為較少的面積第三，占總面積的2%；NDVI變異程度為劇烈的最少，僅占總面積的1%。總體來看，石漠化區NDVI變異非常穩定的面積大于變異狀態的面積，多年來發展趨勢較好，植被覆蓋增加，生態環境得到明顯改善。

表3 2001～2016年廣西西江流域歸 一化植被指數(NDVI)變異程度

4.3 植被NDVI變化對氣候因子的響應

在氣候因子的影響下，得出植被NDVI與氣候因子相關系數(表4)。氣候因子對廣西西江流域石漠化地區植被NDVI變化影響顯著，氣溫的相關性最大，相關系數均大于0.8，其中最高氣溫的相關性最大，相關系數更是達到了0.85，最低氣溫最小。說明氣溫對植被NDVI影響顯著。日照時數、降水的的相關性相對較弱，但相對系數均在0.5以上。說明植被NDVI與其他氣候因子的相關性一致性較好，除相對濕度相關系數較低以外，植被NDVI與相對濕度一致性較差，相對系數在0.5以下。

表4 2001～2016年植被NDVI均值各氣候 因子相關系數

4.4 植被NDVI對氣候因子的時滯效應

植被生長對氣候因子的響應存在一定的時滯效應[24]。在Excel和SPSS中分別計算廣西西江流域石漠區2001～2016年各年NDVI平均值與對應不同時序的相關系數，得到圖3。前期相關關系系數高于同期則表示滯后[25]。植被NDVI與前1期、前2期、前3期、前4期和同期的各氣候因子均呈正相關關系。整體分析，植被NDVI對降水量和相對濕度響應的滯后期為3期(48d)；與最低溫度和相對濕度明顯的滯后期為2期(32d)；與平均氣溫和最高氣溫滯后期為1期(16d)。不同時序分析，植被NDVI與氣候因子相關系數最高時期均出現在前1期，降水量對植被生長影響的最大，相對濕度次之。植被NDVI對降水的滯后性最為明顯，氣溫也存在一定的滯后性，植被 NDVI對日照時數響應無滯后期。

圖3 2001～2016年NDVI與不同時序氣候因子相關系數

5 結論

本研究以2001～2016年MODIS/16d分辨率影像數據為基礎，系統分析廣西西江流域石漠化區歸一化植被指數的時空變化特征及氣候驅動力。

(1)時空尺度上，2001～2016年廣西西江流域桂中和桂北石漠化區植被恢復明顯，桂西南的重度石漠化區植被呈現逐漸好轉態勢，其中石漠化區NDVI較高覆蓋區域在西南邊界和河池北部，而較低覆區域在百色南部、崇左北部以及賀州北部為主。

(2)廣西西江流域石漠化區NDVI變異非常穩定的面積大于變異狀態的面積。

(3)氣候因子除相對濕度和風速與植被指數一致性較差以外，其他氣候因子與植被指數與的相關性具有較好的一致性。

(4)植被NDVI對降水量有響應的滯后期，對相對濕度和氣溫的響應也存在明顯的滯后性；對日照時數響應無滯后期。

6 討論

廣西西江流域石漠化地區在全球變化的背景下也發生了顯著的變化，近16年廣西西江流域石漠化地區植被覆蓋度顯著增加趨勢。本研究16年的變化，相對來說研究的時間尺度不夠長。影響NDVI的因素有很多，只結合了少部分的氣候因子加以分析，其他因素考慮較少，這些不足在日后的工作中需要深入研究。同時本研究揭示廣西西江流域石漠化地區植被覆蓋度對氣候因素和人為因素的響應機制，從而可更有效地保護廣西西江流域的生態環境。