貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI變化及其與地形梯度、人口分布的關系

尉文藝, 李旭東

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550025)

植被是連接土壤、大氣和水分等自然要素的紐帶，其對于促進地表物質能量轉化、調節全球碳氧平衡、保持水土、環境治理等方面都具有重要意義[1-2]。植被變化能夠在很大程度上表征區域生態環境的演變，并在全球氣候變化研究中起著“指示器”的作用[3]。植被覆蓋的提升對于區域生態環境恢復具有重要意義，在如今區域生態環境惡化和全球極端氣候增加的大背景下，對于植被變化的相關研究愈加成為焦點。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index， NDVI)是量化和表征植被生長、覆蓋、生物量等特征的權威指示因子[4]，其常用于區域植被和農作物長勢監測、環境質量評估以及自然災害監測等方面[5-6]。NDVI在植被變化相關研究中已占有十分重要地位，許多學者進行了不同空間尺度的NDVI相關研究，其研究主要涉及行政區劃[7]或山地[8]、流域等[9]自然層面的劃分。目前對于NDVI相關研究內容涉及較為廣泛，主要集中于NDVI的農作物長勢動態監測[10-11]、區域NDVI變化對氣溫和降水等氣候因子的響應[12-13]、NDVI時空變化及影響因素研究[14-15]，等等。例如王利民等[10]利用NDVI加權指數進行了冬小麥種植面積遙感監測；趙鴻雁等[12]研究了甘肅省中東部植被生長季NDVI時空變化及其對氣候因子的響應；王林林等[14]研究了柴達木盆地NDVI時空變化及其影響因素。就NDVI時空變化及影響因素相關研究而言，多數研究的影響因素切入因子多為氣溫和降水等氣候因子，也有部分學者將研究視角著重于地形因子或人類活動等社會因子。如熊亞蘭等[15]認為NDVI空間分布特征由高程、坡度和坡向共同決定，但各因子對NDVI的實際影響隨尺度變化而變化。程東亞等[16]認為隨人口密度上升，植被覆蓋度總體處于下降趨勢。但目前綜合考慮海拔、坡度等地形因子以及人口密度等社會經濟因子，以此來探究NDVI變化的影響因素的相關研究還較為缺乏。再者，貴州北盤江流域是典型的喀斯特山地流域，其石漠化問題較為突出，地形條件復雜，生態環境較為脆弱。而植被恢復是流域生態環境治理的重要一環，研究北盤江流域NDVI變化對揭示其植被恢復狀況和檢驗生態環境治理成效等具有現實意義。因此，本文基于2000—2018年貴州省北盤江流域NDVI數據，分析其時空變化特征，并討論了其與地形梯度、人口分布的相互關系，以期為喀斯特地區植被恢復、退耕還林開展、國土空間優化整治等提供科學借鑒。

1 研究區概況、數據來源

1.1 研究區概況

貴州省北盤江流域位于貴州省西南部(26.83°—24.85°N，103.91°—106.23°E)，流域內主要包括六盤水市、安順市、黔西南州等市州。流域地勢西高東低，北高南低，海拔最高達2 848 m，最低達295 m，相對高差超過2.5 km，地形起伏較大。東南部為流域下游，水系相對發達。流域位于亞熱帶季風氣候區，冬暖夏涼，氣候宜人。雨季明顯，降水較多，晴天少，陰天多。氣候不穩定，災害性天氣種類多。北盤江流域人口較多，其中少數民族比例大，曾是“脫貧攻堅”開展的重要地區，經濟欠發達。

1.2 數據來源與處理

NDVI數據是來自中國科學院資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn)基于連續時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛星遙感數據，數據名稱為中國年度植被指數空間分布數據集[17]。該數據是采用最大值合成法生成的年度數據，其分辨率為1 km，本研究選取數據時間年限為2000—2018年。DEM數據來自地理空間數據云(http:∥www.resdc.cn)，其數據精度為30 m。人口數據來自于《貴州統計年鑒2001—2019年》[18]，縣域面積數據來自《中國縣域統計年鑒2019年》，人口密度數據由縣域面積和人口數量數據計算得出。北盤江人口密度分布特征圖是將人口密度數據賦值于縣級行政中心并進行反距離權重插值得到，為避免縣級行政點過少而導致人口密度插值分析的結果不理想，故將2000，2010和2018年貴州省所有縣域人口密度數據賦值于貴州各縣級行政中心后再進行反距離權重插值分析，最后根據北盤江流域矢量邊界裁剪得到該圖。坡度數據是基于DEM數據，采用ArcGIS 10.04表面分析中坡度分析提取。為減少數據計算處理的誤差，將各類數據進行統一投影，空間參考均定義為WGS_1984_UTM_Zone_48N，再利用貴州北盤江流域矢量邊界將各數據集進行裁剪，得到北盤江流域2000—2018年NDVI空間分布柵格數據、海拔、坡度等數據。

2 NDVI時空變化特征

2.1 NDVI時間變化特征

2000—2018年貴州省北盤江流域NDVI值總體呈上升趨勢(表1)。具體而言，2000年貴州省北盤江流域NDVI年平均值為0.679，2010年為0.757，2018年為0.809。2000—2010年NDVI變化值為0.078，年均變化值為0.008，為變化最明顯階段；2010—2018年NDVI變化值為0.052，年均變化值最小，變化值為0.006；縱觀全研究時段，2000—2018年NDVI變化值為0.130，年均變化值為0.007。可見2000—2018年北盤江流域NDVI值增長較為穩定，植被呈現不斷恢復的趨勢。

表1 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI平均值變化

2.2 NDVI空間變化特征

2000年貴州省北盤江流域NDVI空間分布在東南部最高(圖1)，在西北部最低，NDVI高值在中部地區分布較為破碎；2010年北盤江流域NDVI高值在東南部分布較為集中，低值在東北部、西南部地區分布相對集中，NDVI高值在中部地區分布相對稀疏。2018年北盤江流域NDVI空間分布特征表現為NDVI值較往年普遍提升，僅在東北部、西南部及中部的少數地區分布較低，NDVI高值分布連續性增強。期間北盤江流域西北部整體NDVI變化最明顯，2000年NDVI低值區分布面積較大，在西南部、東北部以及中部地區NDVI高值較為破碎。而2018年低值區面積較小，且呈現向高值區轉變趨勢。2000—2018年北盤江流域NDVI整體趨勢呈現上升狀態，2018年各地區NDVI值差距顯著縮小，在西北部和中部NDVI低值區轉變最為明顯。

圖1 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI空間變化特征

2.3 NDVI不同時段變化程度

2000—2010年貴州省北盤江NDVI顯著減少的地區在北部及西部分布相對密集(圖2)，其余地區分布較為破碎；輕微減少的地區在北部及中部地區分布較為集中；輕微增加地區主要分布在西部及北部。2000—2010年北盤江NDVI顯著減少的地區面積最小，面積為52.96 km2，比例僅為0.24%(表2)；NDVI輕微減少的地區面積較小，面積為664.47 km2，所占比例不足4%；NDVI輕微增加的面積較大，面積為4 575.35 km2，占比20.82%；NDVI顯著增加的面積最大，面積為16 686.67 km2，所占比例75.92%。2010—2018年北盤江NDVI顯著減少、輕微減少以及輕微增加的地區面積顯著增加，所占比例均有較大提升。其中NDVI顯著減少的地區面積為1 223.02 km2，所占比例5.56%；NDVI輕微減少的地區面積為2 743.81 km2，所占比例12.48%；NDVI輕微增加的地區面積為5 927.27 km2，所占比例26.97%。而NDVI顯著增加的地區面積減少較多，面積為12 085.35 km2，所占比例降為54.99%。總體來看，2000—2018年北盤江NDVI顯著減少、輕微減少及輕微增加的地區面積較少，面積分別為396.68 km2，419.66 km2，1 177.06 km2，總體所占比例面積不足10%；NDVI顯著增加的面積最大，面積為19 986.04 km2，所占比例為90.93%。2000—2018年北盤江流域NDVI顯著增加地區面積總體呈增加趨勢，且增加幅度明顯，表明北盤江流域生態環境綜合治理取得了一定成效。

圖2 貴州省北盤江2000-2018年NDVI階段變化特征

表2 貴州省北盤江流域不同時段NDVI變化程度

3 NDVI變化的地形效應

3.1 北盤江流域地形特征

貴州省北盤江流域地形條件復雜，除中部和東南部河谷部分地區外，海拔大致表現為由西北向東南部減少特征(圖3)流域坡度特征表現為西北部和東南部坡度較陡，西南部、中部以及南部坡度相對平緩。具體來看，北盤江流域河谷地帶海拔較多小于1 200 m，海拔較低地區位于流域東南部地區的河流下游；流域西北部和西部大部分地區海拔在1 400 m以上，特別是在流域西北部的北盤江上游地帶，絕大部分地區海拔大于1 800 m。例如威寧和水城所在地區為流域海拔最高地區。坡度小于10°的地區在流域中部和南部分布較廣，坡度為20°～30°地區在流域東南部分布最廣，而大于坡度30°地區主要分布在流域西北部。流域內山高坡陡，海拔東西差異較大，由于流域喀斯特地貌發育較廣泛，坡度表現出較大差異。這種特殊的流域自然地理環境為動植物生長提供了不同的水熱組合條件，植被生長也可能會因此產生一定地域差異。

圖3 貴州省北盤江流域海拔與坡度分布特征

3.2 NDVI變化的海拔效應

通過對比冪函數、指數函數、線性函數等各項函數分析結果后，選取了擬合結果較好的線性函數。2000—2018年貴州省北盤江流域NDVI值和海拔擬合優度較好，2000，2010和2018年擬合優度分別為0.871 5，0.827 6，0.753 4(圖4)。2000—2018年北盤江流域NDVI的海拔效應表現為階段變化特點，其中2000—2010年NDVI值隨著海拔的上升總體呈現下降趨勢，2010—2018年NDVI值隨著海拔的上升總體呈現上升趨勢。具體來看，2000和2010年的NDVI值在海拔低于1 200～1 400 m時，隨海拔上升呈下降趨勢；NDVI值在海拔高于1 200～1 400 m而低于1 600～1 800 m時，隨海拔上升呈上升趨勢；NDVI值在海拔高于1 600～1 800 m時，隨海拔上升呈快速下降趨勢。2018年NDVI值在海拔低于800～1 000 m時，隨海拔升高呈上升趨勢；NDVI值在海拔高于800～1 200 m而低于1 200～1 400 m時，隨海拔上升而下降明顯；NDVI值在海拔高于1 200～1 400 m時，隨海拔上升呈波動上升趨勢。2000—2018年北盤江流域NDVI隨海拔升高而具有時段差異性，例如2000—2010年在海拔較高地區NDVI值相對較低，而2010—2018年流域內NDVI最高值出現在高海拔地區，其中原因可能由多種因素造成。2000—2010年流域高海拔地區NDVI值較低部分原因可能在于水城、盤州等地為流域海拔最高地區，其城市化快速發展、建設用地擴張不可避免的會導致部分植被遭到破壞。

圖4 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI與海拔的關系

3.3 NDVI變化的坡度效應

2000，2010和2018年貴州省北盤江流域NDVI值和坡度擬合優度分別為0.696 8，0.532 5，0.832 2(圖5)。

圖5 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI與坡度的關系

總體來看，2000—2018年北盤江流域NDVI值隨坡度增加表現為“上升—下降”趨勢，但NDVI值總體趨于上升。具體來看2000年、2010年的NDVI值在坡度小于35°～40°時，隨坡度增大而呈升高趨勢；2018年的NDVI值在坡度小于30°～35°時，隨坡度增大呈快速上升趨勢；在坡度介于30°～40°時，NDVI值大致持平；在坡度大于40°時NDVI值呈“下降—上升”趨勢。2000，2010和2018年北盤江流域NDVI最大值均出現在坡度為35°～40°時，最大值分別為0.689，0.765，0.825。而最小值均出現在坡度小于5°時，最小值份別為0.671，0.744，0.786。可見坡度對于NDVI值有一定影響，二者總體呈正相關關系。

4 NDVI變化與人口的關系

4.1 貴州北盤江流域人口分布特征

總體來看，2000—2018年北盤江流域人口密度呈“北密南疏，西密東疏”分別格局(圖6)，期間在流域北部人口密度大于300人/km2地區面積擴張明顯。從各年份人口密度分布變化來看，2000年北盤江流域人口小于100人/km2地區分布面積最小，且主要分布在流域東南部；人口密度100～200人/km2地區分布面積較小，其連接小于100人/km2地區向西北延伸；人口密度200～250人/km2地區分布面積最廣，且主要分布在中部地區；250～300人/km2地區分布在流域西部和北部，350～400人/km2地區分布在北部，而大于400人/km2地區主要分布在西秀區所在地區。

圖6 貴州省北盤江流域人口密度分布特征

2010—2018年人口密度總體分布格局變化不顯著，人口小于200人/km2地區和大于300人/km2地區均向流域中部擴張，200～250人/km2地區面積呈減小趨勢。

4.2 NDVI年度變化與人口的關系

2000，2010和2018年擬合優度分別為0.813 0，0.591 3，0.414 0(圖7)。

圖7 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI與人口密度的關系

總體來看，2000—2018年北盤江流域NDVI值在人口密度小于200～250人/km2時，隨人口密度增大總體呈下降趨勢；在人口密度大于200～250人/km2時，隨人口密度增大總體呈現“上升—下降”趨勢。具體來看，2000年的NDVI值在人口密度小于200～250人/km2時，隨人口密度增大下降速度減緩；在人口密度250～300人/km2時，隨人口密度增大呈緩慢上升趨勢；在人口密度大于300～400人/km2時，隨人口密度增大呈快速下降趨勢。2010年的NDVI值在人口密度小于150～200人/km2時，隨人口密度增大而呈快速下降趨勢；在人口密度200～300人/km2時，隨人口密度增大下降速度減緩；在人口密度300～350人/km2時，隨人口密度增大呈上升趨勢；在人口密度大于350人/km2時，隨人口密度增大而不斷下降。2018年的NDVI值在人口密度小于200～250人/km2時，隨人口密度增大而呈快速下降趨勢；在人口密度250～350人/km2時，隨人口密度增大呈上升趨勢；在人口密度大于400人/km2時，隨人口密度增大呈下降趨勢。

5 NDVI變化與各因子相關關系

2000年貴州省北盤江流域海拔、人口密度與NDVI呈極顯著負相關關系，相關系數分別為-0.926，-0.901(表3)；坡度與NDVI呈極顯著正相關關系，相關系數為0.835。2010年海拔與NDVI呈極顯著負相關關系，相關系數為-0.919；人口密度與NDVI呈顯著負相關關系，相關系數為-0.767；坡度與NDVI呈顯著正相關關系，相關系數為0.740。2018年北盤江流域海拔、坡度與NDVI呈正相關關系，相關系數分別為0.855，0.916；人口密度與NDVI呈負相關關系，相關系數為-0.640。2000—2018年北盤江流域NDVI和海拔相關關系表現出時段差異性，可能是受2000—2010年流域內開發利用山區土地資源強度較大影響。例如，在快速城市化階段建設用地擴張，侵占綠地和植被，導致植被覆蓋度在海拔相對較高的地區有所降低；而2010—2018年，隨時代進步和社會發展，生態環境保護和“綠水青山就是金山銀山”的觀念深入人心，封山育林政策在海拔相對較高地區取得了較大成果，植被覆蓋度呈現不斷恢復趨勢。坡度總體和NDVI值呈現正相關關系，一般來說，隨著坡度增大，人類進行耕作和城市建設等生活生產活動所受到的限制也會增大，且隨坡度增大所面臨的水土流失問題也更為嚴峻[19]。加之北盤江流域石漠化問題較為突出，坡度相對較大地區不適于作為耕地以及城市建設用地。因此為鞏固水土，在坡度較大地區進行植樹造林，封山育林等是水土流失和石漠化治理的關鍵[20]。期間在坡度較大的地區治理成果較為明顯，植被覆蓋度呈現不斷恢復趨勢。而人口密度與NDVI總體呈極顯著負相關關系，一般來說人口密度越大地區對應的人類活動強度就越大，因此隨著人口密度增大，人類對于下墊面改造的力度和強度也會相應增大。具體表現為城市化推進引起的建設用地擴張、濫墾、濫伐等人類活動對綠地的侵占和植被的破壞增強。所以人口密度較大地區，植被覆蓋度相對較小。

表3 貴州省北盤江流域2000-2018年NDVI與各因子相關關系

6 討論與結論

6.1 討 論

貴州省北盤江流域是典型的喀斯特山地流域，其石漠化問題較為嚴峻，進行生態環境治理和植被恢復顯得尤為重要。北盤江流域在2000—2018年NDVI值總體呈上升趨勢，且年均增長穩定，植被呈現不斷恢復的趨勢，這歸功于時段內封山育林、退耕還林等政策取得良好成效。其中2008年貴州省封山育林面積為13.07 km2，至2018年累計完成封山育林面積為125.89 km2[18]，森林覆蓋率由39.3%提升至57.0%，而北盤江流域作為貴州省生態環境治理的重要開展地，在期間內植被也得到較好恢復。此外，由于北盤江流域面積較廣，在研究時段初期流域內各地區NDVI值差距顯較大，但至2018年時此差距明顯縮小。這是由于流域的區域生態環境綜合治理成果顯著，區域植被覆蓋狀況差異性有所減弱，在未來還需繼續推進北盤江流域石漠化治理、生態環境修復等工作。

區域NDVI變化特征受到氣候、地形、人類活動等因素共同影響。本文選取海拔、坡地兩種地形因子和人口密度探討了貴州省北盤江流域NDVI變化的影響因素。發現NDVI與海拔、坡度等地形因子總體趨于正相關關系，而與人口密度總體呈負相關關系。部分學者在研究NDVI變化影響因素時也發現了以上類似規律。例如，王靜等[2]在研究南方丘陵山地帶NDVI變化驅動因子時指出城市化進程的加速及生態建設的重視等人類活動是影響植被覆蓋變化空間差異的另一重要因素；程東亞等[16]在研究喀斯特地區植被覆蓋度變化及地形與人口效應研究時發現，隨海拔和坡度上升植被覆蓋度總體處于穩定上升趨勢、而隨人口密度上升，植被覆蓋度總體處于下降趨勢。

本文研究2000—2018年北盤江流域NDVI時空變化特征，可揭示區域植被覆蓋恢復和區域生態環境差異性變化情況，探究了NDVI變化和海拔、坡度、人口密度等影響因素的相互關系，研究結果可為喀斯特地區植被恢復、生態環境治理、國土空間優化整治等提供一定借鑒意義。同時本文也存在一定不足，由于對NDVI時空變化研究更傾向于高空間分辨率和長時間序列的NDVI數據，文章采用了2000，2010和2018年3期NDVI數據能滿足研究需要，但時間連續性稍顯不足。再則，在影響因子選取上還不夠充分，目前還缺乏對于降水、氣溫等氣象因子的探討。因此在今后的相關研究中，可采用高空間分辨率和長時間序列的NDVI數據、以及滿足各研究時段所需時間精度的影響因子數據做進一步的探討。

6.2 結 論

(1) 2000—2018年貴州省北盤江流域NDVI值總體呈上升趨勢，且年均增長穩定，植被呈現不斷恢復的趨勢。可見北盤江流域生態環境恢復工作取得了一定成果，相關生態環境保護政策需要繼續堅持和貫徹。

(2) 2000年貴州省北盤江流域NDVI空間分布在東南部最高，在西北部最低，NDVI高值在中部地區分布較為破碎，至2018年各地區NDVI值差距顯著縮小，其中在西北部和中部NDVI低值區轉變最為明顯。表明北盤江流域的區域生態環境綜合治理成果顯著，植被覆蓋整體恢復狀態良好，區域植被覆蓋狀況差異性有所減弱。

(3) 2000—2018年貴州省北盤江NDVI顯著減少、輕微減少及輕微增加的地區面積較少，面積比例不足10%；而顯著增加地區面積為19 986.04 km2，比例為90.93%。

(4) 2000—2018年貴州省北盤江流域NDVI的海拔效應表現為階段變化特點，其中2000—2010年NDVI值隨著海拔的上升總體呈現下降趨勢，2010—2018年NDVI值隨著海拔的上升總體呈現上升趨勢。2000—2018年北盤江流域NDVI值隨坡度增加表現為“上升—下降”趨勢，但NDVI值總體趨于上升。而NDVI值隨人口密度增加表現為降低趨勢。地形因子奠定植被生長條件，而社會和人為因子對NDVI值變化影響較大。