2005-2014年重慶石漠化地區NDVI的時空變化及其與氣候因子相關性分析

王家錄, 李維杰, 王 勇, 任 娟, 高 敏

(1.安順學院 資源與環境工程學院, 貴州 安順 561000;2.西南大學 地理科學學院/巖溶環境重慶市重點實驗室, 重慶 400715)

石漠化是指在亞熱帶濕潤與半濕潤氣候條件下，受自然以及人為因素的干擾，地表植被逐漸破壞，土壤受到嚴重侵蝕，大量的碳酸鹽巖裸露于地表，呈現出類似于荒漠化的土地退化現象[1]。石漠化的形成主要受自然和人為因素的影響，其中人為因素的影響占主導。我國石漠化地區主要分布于南方的巖溶山區，集中分布于西南地區，其中貴州、云南以及廣西地區為重度石漠化連片區域，同時也是貧困主要的發生地，其次為重慶、四川以及湖南等地區，石漠化面積占國土面積的23%，嚴重影響了當地人民的生活水平以及經濟發展。石漠化地區地表植被覆蓋相對較少，保水能力相對下降，水土流失逐漸加劇導致居民生產與生活用水嚴重短缺，已成為石漠化地區貧困加劇的主要原因[2-3]。

依據《重慶市巖溶地區石漠化綜合治理工程規劃》(2006—2020年)，重慶石漠化地區達9 256 km2，占全市國土面積的11.23%。其主要分布于渝東北、渝東南低山丘陵地區，渝中以及渝西地區分布相對較少。不同地區石漠化發生率以及程度存在一定差異，其中三峽庫區是重慶石漠化主要集中區，面積達5 285 km2，占全市石漠化土地的57.11%，生態環境相對脆弱，水土流失較為嚴重[4-6]。總的趨勢為渝東北、渝東南地區石漠化相對嚴重，渝中以及渝西地區石漠化相對較輕?；诖?，重慶市自2005—2014年開展了一系列石漠化地區綜合治理工作，不同地區石漠化治理技術以及方法存在一定差異，其主要包括生物技術、工程技術、農業技術以及退化地開發技術等治理方法，旨在解決石漠化地區生態環境惡劣問題，并逐步提高石漠化發生地及其周邊居民的生活水平[7-9]。

2014年重慶市石漠化治理工作全面結束，為了較為科學以及準確地分析石漠化地區治理以來的植被恢復情況，本文主要采用2005—2014年植被歸一化指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)分析重慶石漠化地區植被的變化趨勢以及生態環境狀況，同時采用重慶及其周邊地區氣象監測站點的氣溫和降水數據分析不同地區植被變化成因。因此本文通過MODIS NDVI產品和氣象監測站點的監測數據，采用趨勢分析、變異系數分析以及與氣象因子之間的相關性等分析方法對重慶石漠化地區植被時空變化情況進行深入研究，分析植被恢復情況，為下一步石漠化地區治理工作提出合理意見以及相關依據，逐步提升地區的生態環境質量[5-6]。

1 研究概況

重慶市位于四川盆地東部邊緣，南部與云貴高原相連，北部依靠大巴山，東部與武陵山相依，位于28°10′—32°13′N，105°17′—110°11′E(圖1)。長江與嘉陵江貫穿而過，地區為亞熱帶季風性濕潤性氣候，年均降水量約1 154 mm，主要集中于4—10月，其雨季的降水量占全年降水量的75%，年均溫度為17.2℃，夏季溫度最高達40℃，素有“火爐”之稱。重慶地質構造為褶皺山系，地形相對復雜，渝東南與渝東北為中高山地區，海拔為1 000～2 500 m，渝西主要為中低山丘陵，海拔為200～600 m，渝中為平行嶺谷地區，海拔約1 200 m。渝東北與渝東南地區生態環境較好，其中武陵山區為我國重點生態功能區，動植物種類多樣；同時水力資源也相對豐富，三峽庫區作為我國水土保持重點生態功能區對于維護地區生物多樣性以及提升長江下游地區水環境質量均起著至關重要的作用，而這些地區同時也是石漠化的主要發生地，生態環境敏感性較強，如何合理保護以及動態監測地區植被變化情況已成為石漠化治理的關鍵因素[7-8]。

2 數據與方法

2.1 數據來源及其處理

本文遙感數據來自于美國國家航天局NASA的EOS/MODIS數據(http:∥edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)，選取2005—2014年的MODIS/MODNDIM的月合成數據產品，空間分別率為500 m×500 m。下載的NDVI-月合成數據已經過輻射校正、大氣校正以及幾何校正等預處理，同時通過MRT(MODIS Reprojection Tools)軟件對NDVI數據進行分析之前的重投影、拼接以及格式的轉換等預處理，將原始的HDF格式轉化為ArcGIS可以編輯的tiff格式，并定義其坐標系以及投影，利用最大合成法(MVC)得到重慶地區的年NDVI數據[9-10]。NDVI數據分析主要通過ArcGIS軟件進行，氣象數據插值采用統計學Kriging插值法，同時分析前已將各年、月NDVI產品以及氣象數據的空間分辨率保持一致，并利用重慶《重慶市巖溶地區石漠化綜合治理工程規劃》(2006—2020年)中提供的石漠化邊界裁剪得到2005—2014年重慶石漠化地區NDVI逐年、月柵格圖像[11-12]。根據重慶石漠化發生的面積以及程度將其劃分為3個研究區域，分別為渝東南、渝東北以及渝中和渝西地區(圖1)。

本文的氣象數據來自于“中國氣象數據網”(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，包括2005—2014年重慶市及其周邊地區29個氣象站點的逐日降雨量數據、氣溫數據、經緯度以及站點海拔。每個站點的監測時長均超過40 a，同時數據缺失占比不到5%。重慶市內氣象站點為14個(表1)，分布相對均勻，同時取了周邊4個省份15個氣象站點，保證氣象數據插值的準確性。本文將12月—次年2月劃分為冬，3—5月劃分為春季，6—8月劃分為夏季，9—11月劃分為秋季。

表1 重慶市氣象監測站點

2.2 研究方法

本文通過趨勢分析法分析重慶石漠化地區10 a間植被恢復以及生態環境狀況[13]，利用變異系數法分析重慶石漠化地區植被多年以來的變化以及穩定程度[14]，采用相關性分析法探討重慶石漠化地區植被與氣象影響之間的關系[15]。旨在深入研究石漠化地區植被的生長狀況以及時空變化特征，為石漠化綜合治理以及提升區域生態環境質量提供一定理論依據，具體的計算公式如下：

(1) 趨勢分析法

(1)

式中：趨勢分析法的本質為一元線性回歸分析的基礎上建立的，n為研究時間序列的長度(如本文時間段2005—2014年共10 a)；i為研究時間段內的第i年；NDVIi為研究時段內第i年的NDVI值；slope為斜率，當slope>0時，表明NDVI值呈上升趨勢，而slope<0時，表明NDVI值呈下降趨；為了更好地分析石漠化地區植被趨勢變化情況，本文將趨勢變化劃分為5個等級，分別為明顯減小(slope≤-0.005)、輕度減小(-0.0050.005)[4]。

(2) 變異系數

(2)

(3) NDVI與氣候因子之間的相關性

(3)

(4)

式中：r123為將3變量固定后研究變量1與變量2直接的相關性；1，2，3分別為NDVI、氣溫以及降水量；r12為NDVI與氣溫的偏相關；r13為NDVI與降水量的偏相關；r23為降水量與氣溫的偏相關。

3 結果與分析

3.1 重慶石漠化地區NDVI時間變化特征

為了分析重慶石漠化地區2005—2014年植被的變化趨勢情況，本文采用趨勢分析法slope對重慶整個石漠化地區及其分區分別進行研究，并對其顯著性進行檢驗。通過分析表明重慶石漠化地區10 a間NDVI整體呈增加趨勢，并通過了0.05顯著性檢驗，增加速率為0.08/10 a，表明2005年石漠化綜合治理工程以來地區植被生長狀況有所好轉，效果顯著(圖2)。各分區石漠化地區NDVI變化情況有所差異，各區域石漠化面積所占比重從大到小依次為渝東北、渝東南以及渝中與渝西地區，分別為46.01%，31.32%，22.69%；各分區石漠化地區10 a間NDVI整體均呈增加趨勢，而每10 a增加的速率卻各不相同，各分區增加速率從大到小依次為渝東北、渝中與渝西以及渝東南地區，分別為0.09，0.03，0.02，渝東北石漠化地區NDVI增速顯著，并通過了0.01顯著性檢驗，其他地區均未通過顯著性檢驗，表明10 a間三峽庫區植被恢復以及水土保持工作成效顯著，生態環境逐漸趨良。

圖2 2005-2014年重慶石漠化地區NDVI變化趨勢

重慶石漠化地區不同季節NDVI變化趨勢也存在一定差異(表2)，重慶石漠化地區在季節變化上整體呈增加趨勢，春季增加速率最為顯著，相關系數為0.65，通過了0.01顯著性檢驗，其他季節均通過顯著性檢驗；各分區不同季節NDVI變化也有所差異，渝東南石漠化地區四季NDVI變化呈不顯著增加趨勢，均未通過顯著性檢驗；渝東北石漠化地區春冬季節呈顯著增加趨勢，相關系數均在0.60以上，分別通過了0.01，0.05顯著性檢驗，夏秋季節呈不顯著增加；渝中與渝西石漠化地區春季NDVI呈顯著增加趨勢，相關系數為0.59，通過了0.05顯著性檢驗，其他季節呈不顯著增加。表明整體上重慶石漠化地區NDVI在春季增長最為顯著，主要分布于渝東北、渝中和渝西地區。

表2 重慶石漠化地區不同季節NDVI變化趨勢特征

3.2 重慶石漠化地區NDVI空間變化特征

3.2.1 NDVI空間趨勢變化分析 重慶石漠化地區NDVI在空間變化上也存在顯著差異(附圖3)，2005—2014年重慶石漠化地區NDVI整體上呈輕度增加趨勢的面積占比相對較大，同時呈增加趨勢的面積占比大于下降趨勢的面積占比。NDVI呈明顯減小的區域主要分布于武隆區以及烏江流域，面積占比為1.73%；NDVI呈輕度減小的區域主要分布于渝東南彭水地區以及渝中和渝西平行嶺谷地帶，面積占比為7.03%；NDVI保持基本不變的區域主要分布于渝東北地區北部以及渝東南地區西北部，面積占比為31.18%；NDVI呈輕度增加的區域主要分布于渝東南地區中南部以及渝東北地區大部，面積占比達36.04%；NDVI呈顯著增加的區域主要分布于渝東北三峽庫區周邊以及渝東南零星地帶，面積占比為20.99%。

各分區石漠化地區NDVI變化情況也有所差異(表3)，渝東北石漠化地區NDVI呈輕度增加趨勢的面積占比相對較大，達42.68%，呈顯著增加和基本不變的面積占比分別為35.41%，20.66%，呈減小的區域面積占比為1.24%；渝東南石漠化地區NDVI保持基本不變的面積占比相對較大，達44.35%，呈顯著增加和輕度增加的面積占比分別為11.55%，31.34%，而呈減小的區域面積為12.75%；渝中與渝西石漠化地區NDVI保持基本不變的面積占比相對較大，達48.18%，呈顯著增加和輕度增加的面積占比分別為4.71%，28.54%，而呈減小的區域面積為18.57%。

表3 重慶石漠化地區NDVI變化趨勢統計結果

總體上，重慶石漠化地區10 a間NDVI呈增加趨勢的區域面積占比較大，其中渝東北石漠化地區NDVI增加區域面積最為顯著，達548.9 km2，這對于三峽庫區生態環境改善以及水土保持起著至關重要的作用；渝東南、渝中和渝西石漠化地區NDVI整體上呈保持不變的區域面積占比較大，而其中NDVI呈減小趨勢的區域也主要集中于這兩個地區，其面積占總減小面積的93.59%。

3.2.2 NDVI空間變異系數分析 重慶石漠化地區NDVI 10 a間整體上變異程度相對較低，處于非常穩定和穩定的區域占比達96.18%(附圖4)。NDVI變異非常穩定的區域主要分布于渝東北地區北部以及渝東南西北部零星地區，面積占比為11.39%；NDVI變異穩定的區域分布較為廣泛，各地區均有分布，面積占比達84.79%；NDVI變異較小的區域主要分布于三峽庫區周邊以及烏江流域，面積占比為3.86%；NDVI變異劇烈的區域分布相對較小，主要集中于璧南河上游地區，面積占比0.07%。

各分區石漠化地區NDVI變異程度總體上以穩定為主(表4)，渝東南石漠化地區NDVI變異非常穩定的區域占比為3.48%，NDVI變異穩定的區域范圍較大，占比達90.44%，NDVI變異較小的區域占比為5.18%，NDVI變異劇烈的區域范圍較小，占比僅0.03%；渝東北石漠化地區NDVI變異非常穩定的區域占比為18.36%，NDVI變異穩定的區域占比達78.85%，NDVI變異較小的區域占比為2.84%，NDVI變異劇烈的區域范圍較小，占比僅0.06%；渝中與渝西石漠化地區NDVI變異非常穩定的區域占比為8.04%，NDVI變異穩定的區域范圍占比達87.94%，NDVI變異較小的區域占比為4.05%，NDVI變異劇烈的區域范占比為0.13%。

表4 重慶石漠化地區NDVI變異系數統計結果

總體上，重慶石漠化地區2005—2014年NDVI變異系數相對較低，變異程度以穩定為主，其中渝東南地區NDVI變異穩定區域相對較大，生態環境優良；而渝東北、渝中與渝西地區NDVI變異劇烈區域相對較大，其面積占總變異劇烈區域的84.47%。

3.3 NDVI與氣候因子之間的關系

3.3.1 重慶石漠化地區氣溫與降水量空間分布特征 重慶石漠化地區2005—2014年降水量降低區域略小于增加區域(附圖5)，呈降低區域的面積為616.01 km2，占比為40.22%，其中降水量降低幅度最大達6.51 mm/a，渝東北和渝東南地區大部分降水量均呈下降趨勢，其中以三峽庫區周邊以及烏江流域下降最為顯著。而渝中與渝西平行嶺谷地區大部分降雨量呈上升趨勢，呈上升區域的面積為915.59 km2，占比為59.78%，其中上升幅度最大達7.69 mm/a，總體上降水量呈增加的區域主要分布于平行嶺谷地區，呈下降的區域主要集中于山高谷深的流域地區；重慶石漠化地區氣溫年變化率空間變化情況情況有所差異，氣溫增加區域大于下降區域(附圖6)，呈增加區域的面積為1 077.94 km2，占比達70.38%，其中氣溫增加幅度最大達0.03℃/a，渝東北、渝中與渝西地區氣溫大部分均呈上升趨勢。而渝東南西北部地區氣溫呈增加趨勢，面積為453.66 km2，占比為29.62%，溫度下降幅度最大達0.24℃/a，其主要集中于烏江流域地區。

3.3.2 重慶石漠化地區NDVI與溫度和降水的關系 重慶石漠化地區降水與NDVI之間正相關性略大于負相關性(附圖7)，所占面積比列分別為55.25%，44.75%，降水量的多少一定程度決定了植被生長狀況，降水與NDVI呈正相關性的區域主要分布于渝東北大部以及渝中與渝西平行嶺谷地帶，其中渝東北地區降水與NDVI呈正相關區域占比達75.03%(表5)，p<0.01；而降水與NDVI呈負相關性的區域主要分布于渝東南地區，其面積占比達71.19%，p>0.05。

表5 NDVI與降雨量之間偏相關系數統計

重慶石漠化地區氣溫與NDVI之間的正相關性大于負相關性(附圖8)，所占面積比列分別為78.14%，21.86%，溫度對于植被的生長起著促進作用，氣溫與NDVI呈正相關性的區域主要分布于渝東北北部以及渝東南大部分地區，其中渝東南地區氣溫與NDVI呈正相關區域占比達82.17%(表6)，p<0.01，而氣溫與NDVI呈負相關性的區域主要分布于渝東北三峽庫區以及渝中嶺谷地區，其面積占比達79.12%，p<0.05。

4 討 論

重慶石漠化地區2005—2014年NDVI變化總體上呈上升趨勢，不同分區NDVI變化特征差異較為明顯，渝東北地區NDVI呈增加趨勢的區域相對較大，變異相對穩定，其中NDVI顯著增加的區域主要集中于三峽庫區周邊，這主要由于氣候因子之間存在著一定相關性，2005—2014年三峽庫區氣溫呈顯著上升趨勢，而降雨量呈輕微上升趨勢，通過分析氣候因子與NDVI之間的偏相關性，表明降雨量成為影響NDVI變化的關鍵性因子[4]；其可能原因為三峽庫區周邊常年溫度相對較高，植物生長所需要的熱量較為充足，然而三峽庫區周邊多為中度及以上石漠化地區，地表保水與持水能力相對較低，不能滿足植物生長所需要的水分條件，一定程度上抑制了植物的生長，地表覆蓋度逐漸相對較低，近年來隨著石漠化治理工程的實施，區域生態環境的改善以及降水量的增加一定程度促進了庫區植被的生長[6-8]。

渝東南地區NDVI總體上保持基本不變，但存在一定程度的下降區域，變異系數相對較大，其中顯著下降的區域主要集中于烏江流域周邊，這主要與2005—2014年地區氣溫和降雨量下降幅度較大有關，通過分析氣候因子與NDVI之間的偏相關性，表明溫度成為影響NDVI變化的關鍵性因子[5]；其可能原因為烏江流域位于渝東南濕潤地區，植物生長的水分條件基本可以滿足，然而溫度的顯著性降低導致植物生長所需要的熱量相對缺乏，一定程度抑制了地區植被的生長[7]。

表6 NDVI與氣溫之間偏相關系數統計

渝中與渝西地區NDVI總體保持不變，變異系數較為穩定，2005—2014年地區氣溫和降雨量均呈不同程度的上升趨勢，其中降雨量上升最為明顯，通過分析氣候因子與NDVI之間的偏相關性，表明氣溫與降雨量共同影響地區NDVI變化[6]；其可能原因為渝中與渝西石漠化多分布于巖溶槽谷地區，降水量相對豐富，隨著近幾年降雨量的顯著性增加，一定程度上造成植物光照條件下降，減弱了光合作用，從而阻礙植被的發育[9]。

5 結 論

(1) 重慶石漠化地區2005—2014年NDVI呈增加趨勢的區域面積占比較大，其中渝東北石漠化地區增加區域面積最為顯著，這對于三峽庫區生態環境改善以及水土保持起著至關重要的作用；渝東南、渝中和渝西石漠化地區整體上呈保持不變的區域面積占比較大，而呈減小趨勢的區域也主要集中于這兩個地區，其中烏江流域減小最為顯著，其面積占總減小面積的93.59%。同時重慶石漠化地區NDVI季節變化存在一定差異性，春季增長最為顯著，主要分布于以渝東北、渝中和渝西地區。

(2) 重慶石漠化地區2005—2014年NDVI變異系數相對較低，以穩定為主。渝東南地區變異穩定區域占比相對較大，生態環境優良；而變異相對劇烈的區域主要分布于渝東北、渝中與渝西地區。

(3) 重慶石漠化地區降水與NDVI之間正相關性略大于負相關性，降水與NDVI呈正相關性的區域主要分布于渝東北大部以及渝中與渝西平行嶺谷地帶，而降水與NDVI呈負相關性的區域主要分布于渝東南地區；氣溫與NDVI之間的正相關性大于負相關性，氣溫與NDVI呈正相關的區域主要分布于渝東北北部以及渝東南大部分地區，而氣溫與NDVI呈負相關性的區域主要分布于渝東北三峽庫區以及渝中嶺谷地區。