氣候變化和人類活動對西南喀斯特地貌區植被NDVI變化相對作用

徐 勇, 黃雯婷, 盧夢緣, 歐昱賢, 張占奕, 李明杰, 郭振東, 馬瑞雪

(1.桂林理工大學 廣西空間信息與測繪重點實驗室， 廣西 桂林 541006 2.桂林理工大學 測繪地理信息學院, 廣西 桂林 541006)

喀斯特地貌區作為中國四大生態環境敏感區之一，地質構造復雜、地貌類型多變，加上受區域氣候和人類活動的雙重作用，部分地區生態環境日益惡化，石質荒漠化已經成為制約區域經濟發展和生態文明建設的重要因素[1-3]。因此，在喀斯特地貌區開展生態環境監測及生態質量評價，對推動喀斯特地貌區的生態恢復具有重要現實意義。植被作為生物圈的重要組成部分，可以有效地反映區域的生態狀況，對生態環境變化具有良好的指示作用[4-9]。傳統的植被生長監測主要為地面實測法，但該方法通常需要大量的人力物力，且易受時間空間限制，難以進行大尺度植被生長監測。20世紀以來，得益于遙感產業的蓬勃發展，海量的遙感數據為大面積植被生長監測提供了多源數據支持，遙感監測成為全球和地區生態環境監測的重要技術手段之一[10-12]。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)常被用來反演植被的覆蓋程度，能在不同的時間和空間尺度上反映植被狀況，因而被廣泛應用于植被覆蓋格局時空演變特征研究及植被生長監測中[13-18]。

近年來，已有許多國內外學者使用遙感技術在不同時空尺度上對植被覆蓋動態變化及影響因素方面進行了研究，氣候變化作為影響植被生長和空間分異的驅動力受到廣泛關注[19-25]。隨著學者對植被覆蓋動態變化及其驅動力研究的不斷深入，針對西南喀斯特地貌區植被覆蓋動態變化及其驅動力方面的研究也取得了一系列成果，肖建勇等[26]研究表明喀斯特地區植被空間分異受氣候變化和人類活動的影響強于非喀斯特地區，丁文榮等[27]研究發現滇東南喀斯特地貌區植被改善受氣候變化和人類活動的雙重作用，且表現出較強的地域分布差異。張凱選等[28]，呂妍等[29]，也對西南喀斯特地貌區植被覆蓋變化及其成因進行了分析，發現除了氣候變化外，植被覆蓋還受非氣候因子的影響。

在已有研究中，對氣候變化的影響研究較多，且主要集中于降水和氣溫兩種氣象要素對植被生長的驅動，沒有考慮日照時數和相對濕度等氣象因子對區域植被生長狀況的影響，在一定程度上降低了研究結果的精度；對人類活動和植被生長之間的響應機制的研究大都停留在定性描述層面，人類活動對喀斯特地貌區植被NDVI變化的驅動機制尚不明確，且并未定量厘定各驅動力對植被覆蓋變化的影響。因此，本文基于2001—2019年MODIS NDVI時間序列、SRTM DEM數據、降水、氣溫、相對濕度和日照時數時間序列，通過建立Theil-Sen Median斜率估計模型、Mann-Kendall顯著性檢驗模型、殘差分析模型和相對作用分析模型等，厘清氣候變化和人類活動對西南喀斯特地貌區植被NDVI變化的影響，進一步明晰西南喀斯特地貌區植被覆蓋在氣候變化和人類活動驅動下的時空演變機制，研究結果對喀斯特地貌區生態環境評估和保護、資源的合理開發和利用以及石漠化研究和防治具有重要的現實和科學意義。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國西南部，區域范圍在20°54′—34°19′N,97°21′—112°04′E。在行政區劃上，包含“西南三省一區一市”，即四川省、云南省、貴州省、廣西壯族自治區以及重慶市，總面積為137.63萬km2。研究區內最高海拔為6 304 m，最低海拔為-20 m，地勢起伏較大(圖1)。研究區內地貌類型復雜，從西部青藏高原向東部丘陵平原地區過渡，喀斯特地貌分布廣泛。氣候類型主要包括熱帶季風和亞熱帶季風氣候，大部分地區冬暖夏熱，年平均氣溫在-3～24℃，年日照時數在752.6～3 504.9 h；年均降水量在340～2 300 mm，自東南向西北遞減，雨熱同季期，降水充沛，為植被的生長提供了有利條件。此外，該地區經濟發展較為緩慢，是“西部大開發戰略”的重要發展區域之一。

1.2 數據來源與處理

本研究采用的NDVI時間序列來自美國國家航空航天局發布的MOD13A C6產品數據集，數據的時間分辨率和空間分辨率分別為1月和1km，本研究采用2001年1月至2019年12月逐月MODIS NDVI時間序列，數據集不需要進行大氣校正等預處理，發布的產品數據集已經消除了水、云、重氣溶膠和云影等對數據帶來的偏差。

氣象數據共選取了研究區及其周圍155個氣象站點的逐日氣象數據。氣象數據來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，數據經過嚴格的精度控制，質量良好。為了減少地理位置信息對氣象數據插值精度的影響，選用ANUSPLIN插值軟件引入DEM作為協變量對氣象數據進行空間內插， DEM數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，數據的空間分辨率為1km，投影系統與氣象因子數據集一致。

1.3 研究方法

1.3.1 Theil-Sen Median斜率估計和Mann-Kendall顯著性檢驗 Theil-Sen Median斜率估計常用來探究某長時間序列變量隨時間的變化態勢。本文采用Theil-Sen Median斜率估計[30]探究研究時段內西南喀斯特地貌區植被NDVI的變化趨勢，揭示其在時間尺度上的變化特征。

Theil-Sen Median趨勢分析計算公式如下：

(1)

式中：i和j代表年份；NDVIi代表在第i年的植被NDVI值；NDVIj代表在第j年的植被NDVI值；βNDVI代表研究時段內植被NDVI的變化斜率；當βNDVI>0時，說明研究時段內植被NDVI呈上升趨勢，植被覆蓋有所改善，當βNDVI=0時，說明研究時段內植被NDVI保持不變，植被覆蓋較為穩定，當βNDVI<0時，說明研究時段內植被NDVI呈下降趨勢，植被覆蓋有所退化。

為定性區分研究時段內植被NDVI變化趨勢，使用Mann-Kendall顯著性檢驗法進行判別[27,30]。對于給定顯著性水平α，當|Z|>Z1-α/2，代表植被NDVI時間序列在給定顯著性水平α上變化顯著，反之，則認為其在給定顯著性水平α上變化不顯著。本文定義變化斜率在給定顯著性水平α=0.05下顯著時，為顯著變化；在α=0.01下顯著時，為極顯著變化。

1.3.2 多元線性回歸分析和殘差分析 植被群落的時空演變受區域氣候條件和人類活動強度的共同影響，本研究通過構建多元回歸分析模型和殘差分析模型，定量厘定氣候變化和人類活動對植被NDVI變化的影響[11,31]。首先，基于研究時段內植被NDVI觀測值(NDVIObs，下同)、降水、氣溫、相對濕度和日照時數時間序列，構建多元一次線性回歸模型，獲得單獨氣候變化影響的植被NDVI預測值(NDVIPre，下同)時間序列；然后，基于植被NDVIObs與植被NDVIPre時間序列，構建殘差分析模型，獲得單獨人類活動影響的植被NDVI殘差值(NDVIRes，下同)時間序列；當NDVIPre>0時，說明氣候變化對植被NDVI的上升起到了積極的作用；當NDVIPre=0，說明氣候變化對植被NDVI影響甚微；當NDVIPre<0時，說明氣候變化對植被NDVI的上升起到了抑制作用。同理，可得出人類活動對植被NDVI變化的影響。

1.3.3 相對作用分析法 本文使用相對作用分析法來定量區分氣候變化和人類活動對植被NDVI變化的相對作用[32]。主要思路為：首先，基于植被NDVIObs時間序列，獲得2001—2019年植被NDVIObs的變化斜率，即βNDVIObs。定義βNDVIObs大于0的區域為植被改善區，βNDVIObs小于0的區域為植被退化區；接下來，計算植被NDVIPre和NDVIRes的時間序列的變化斜率即βNDVPre和βNDVIRes；最后，基于βNDVIPre和βNDVIRes的取值區間，構建氣候變化和人類活動驅動下植被NDVI變化的6種情境。具體如表1所示。

1.3.4 相關分析 基于相關分析法，得到研究區植被生長與氣溫、降水、相對濕度和日照時數的相關性，探究植被NDVI對各氣象因子變化的響應程度。具體公式如下[11]：

(7)

表1 不同情景下氣候變化和人類活動對植被NDVI變化作用大小的定量分離方法

式中:ΔNDVIPre是t+1時刻氣候變化所造成的NDVIPre與t時刻NDVIPre的差值;ΔNDVIRes是t+1時刻人類活動所造成的NDVIRes與t時刻NDVIRes的差值。

2 結果與分析

2.1 植被NDVI時空演變特征

由圖2可知，研究時段內研究區植被NDVI年平均值在0.757～0.802之間，最大值出現在2018年，最小值出現在2001年。研究區植被NDVI整體呈現波動上升趨勢，上升速率為0.002 5/a。由上可知，近19 a來，西南喀斯特地貌區植被NDVI整體得到改善。但在2011年、2014年、2016年植被NDVI值出現明顯下降趨勢，其中以2011年的下降趨勢最為顯著。研究區在2010年、2013年、2015年均遭受了大范圍且程度嚴重的自然災害，其中2010年西南地區出現了近50 a來最嚴重的干旱[33-34]，極端天氣等自然災害的發生，會對植被活動產生負面影響，是導致西南喀斯特地貌區部分年份植被NDVI下降的主要原因。

圖2 2001-2019年西南喀斯特地貌區植被NDVI時間變化特征

盡管西南喀斯特地貌區植被NDVI狀況總體趨于好轉且植被NDVI年際差異較小，但植被NDVI變化存在明顯的空間異質性。由圖3看出，研究時段區域內植被NDVI呈上升態勢的區域面積大于呈下降態勢的面積，分別占研究區總面積的86.25%和13.75%，其中，極顯著上升(p<0.01)的區域約占研究區總面積的35.33%，主要分布在橫斷山脈以東地區，包括四川東北部、重慶東部、貴州西部和廣西中西部等。極顯著下降(p<0.01)和顯著下降(p<0.05)的區域僅占研究區總面積的1.82%，零星分布在城市中心區和旅游業發達地區。近年來，隨著經濟的快速發展，在城市擴張、城市基礎設施建設、工業化發展和旅游資源開發的綜合作用下，以上城市及其周邊地區以及各旅游開發區植被覆蓋呈下降趨勢[26]。

圖3 2001-2019年西南喀斯特地貌區植被NDVI變化趨勢

2.2 植被改善區氣候變化和人類活動的相對作用大小

本文中提到的植被改善區是指βNDVIObs>0的區域，人類活動對研究區植被改善區的相對作用略大于氣候變化，人類活動對植被改善區的相對作用平均值為55.13%，氣候變化對植被改善區相對作用平均值為44.87%(圖4)。2001—2019年人類活動是研究區植被改善的主要驅動力。

以人類活動為主(相對作用大于50%)導致植被改善的區域面積占總改善面積的54.97%，主要分布于四川東南部、重慶南部、貴州北部和中部、廣西北部和西南部以及云南東南部和西部；而以氣候變化為主導致植被改善的區域占總改善區域的45.03%，主要分布在云貴川三地接壤處、廣西南部、重慶大部分地區以及四川北部。從空間分布格局來看，氣候變化和人類活動對研究區植被改善區的相對作用在空間上呈交錯格局。植被覆蓋呈極顯著上升的地區同樣受人類活動的主導。

圖4 2001-2019年西南喀斯特地貌區氣候變化和人類活動在植被改善區域的相對作用

2.3 植被退化區氣候變化和人類活動的相對作用大小

氣候變化和人類活動對西南喀斯特地貌區大部分地區植被生長具有促進作用，但也導致局部植被活力呈下降趨勢。與植被改善區相對應，植被退化區是指βNDVIObs<0的區域。2001—2019年人類活動和氣候變化對西南喀斯特地貌植被退化區的相對作用分別為54.57%和45.43%(圖5)，由此可知，人類活動是引起研究區植被退化的重要驅動力。

氣候變化和人類活動共同導致研究區局部地區的植被呈退化趨勢，但兩者相對作用大小存在較大空間差異。以氣候變化為主導致植被退化的區域面積占總退化面積的42.96%，主要分布于重慶與四川交匯地區、云南中部、廣西東部和中部；以人類活動為主導致植被退化的區域面積占總退化面積的57.04%，主要分布在四川中西部、四川和重慶交界處以及貴州中部和云南中部。以人類活動為主導致研究區植被呈退化的面積占極顯著下降與顯著下降面積的50%以上。

3 討 論

3.1 氣候變化影響下植被NDVI時空演變特征

在區域和全球尺度上，植被生態系統時空演變特征及空間分布格局很大程度上受到氣候變化的影響。通過多元線性回歸法，得到研究區植被NDVIPre時間序列，對西南喀斯特地貌區植被NDVIPre變化趨勢作進一步分析，獲得氣候變化影響下植被NDVI空間演變特征，結果見圖6。氣候變化影響下，植被NDVI呈退化態勢的面積遠小于植被呈改善態勢的面積，植被呈改善態勢的區域占81.06%，其中呈顯著上升和極顯著上升的區域占31.90%，主要分布在云貴川三地接壤處、廣西中部和南部以及四川和重慶北部。顯著下降和極顯著下降的區域僅占2.91%，零散分布于云貴川三省和重慶。

圖5 2001-2019年西南喀斯特地貌區氣候變化和人類活動在植被退化區域的相對作用

3.2 植被NDVI對氣候變化的響應關系

氣候變化通過多種氣象因子的動態變化和相互作用影響植被的生長。本文通過分析植被NDVI與前0—3月降水、氣溫、相對濕度和日照時數的相關系數，然后利用絕對值最大值合成法得到兩者之間的最大相關系數，以此得到植被NDVI對各氣象因子變化的最大響應，揭示各氣象因子對植被NDVI變化的驅動?？傮w上，降水、氣溫和相對濕度對研究區植被生長具有正向促進作用，而日照時數對研究區植被生長具有負向抑制作用。其中，植被NDVI與氣溫、降水和相對濕度的平均最大相關系數依次降低，分別為0.174，0.171和0.081，與日照時數的平均最大相關系數為-0.046。綜上可知，氣溫、降水和相對濕度能夠促進研究區植被的生長，而日照時數抑制了研究區植被的生長。

植被NDVI與各氣象因子的相關性呈現明顯的地域差異。研究區大部分地區植被生長受降水、氣溫和相對濕度的正向影響，與之相反，研究區大部分地區植被生長受日照時數的負向影響。超過78%的區域植被NDVI與降水呈正相關關系，其中，通過p<0.05顯著性檢驗的區域占10.51%，如圖7A所示，主要分布在重慶北部以及四川東北部。超過76%的區域植被NDVI與氣溫呈正相關關系，其中，通過p<0.05顯著性檢驗的區域占13.23%，如圖7B所示，主要分布在四川北部、重慶北部、云南西南部以及云南、四川、貴州三省交界處。超過60%的區域植被NDVI與相對濕度呈正相關關系，其中，通過p<0.05顯著性檢驗的區域占9.10%，如圖7C所示，主要分布在重慶南部、四川南部、云南南部、貴州北部和廣西中南部。超過58%的區域植被NDVI與日照時數呈負相關關系(圖7D)，其中，通過p<0.05顯著性檢驗的區域占3.37%，主要分布在重慶以及四川、重慶、貴州三省交界處，抑制作用自西向東呈現上升的趨勢。

由相關分析結果可知， 2001—2019年西南喀斯特地貌區植被NDVI與降水、氣溫以及相對濕度整體呈正相關，且與氣溫的相關性最強，而西南喀斯特地貌區植被NDVI與日照時數呈負相關。由上可知，西南喀斯特地區氣候變化對植被生長既有正向促進作用，又有負向抑制作用，且影響程度呈明顯的空間分異特征。

圖7 西南喀斯特地貌區植被NDVI與氣象因子相關顯著性

3.3 人類活動影響下植被NDVI時空演變特征

植被生長與氣候變化和人類活動有著密不可分的聯系。本文利用殘差分析得到西南喀斯特地貌區研究時段植被NDVIRes，并根據時間序列計算得到其變化趨勢，得到人類活動影響下的植被變化趨勢的空間差異，如圖8所示。2001—2019年西南喀斯特地貌區植被NDVIRes的變化趨勢表現出明顯的空間分異性，呈現出“東南高，西北低”的分布特征。植被NDVIRes呈上升趨勢和下降趨勢的面積分別占82.86%和17.14%。綜上所述，區域植被生長受到人類活動正向促進和負向抑制的雙重影響，整體上對區域植被生長的正向促進作用占主要地位。

受人類活動的影響，12.45%的地區植被NDVI呈極顯著上升，分布在云南東南部、重慶東南部、廣西北部以及貴州大部分地區，這一定程度上得益于當地森林保護工程的實施以及自然環境的科學保護[35-37]。在研究區內，零散的分布著植被NDVI殘差變化趨勢小于0的區域，有約0.73%的區域呈現顯著下降和極顯著下降，大多數分布在城市中心地區以及其周邊鄰近地區。

3.4 植被NDVI對人類活動的響應關系

近19 a來，隨著西南喀斯特地貌區生態保護的推進，西南喀斯特地貌區各省區植被覆蓋度都有不同程度的增加，尤其是進入21世紀以來，國家高度重視西南石漠化的防治，把西南喀斯特地貌區的石漠化治理提升到了國家目標高度[38]，一系列生態工程的實施對植被恢復起著至關重要的作用。廣西的林業工程和云南的退耕還林工程，不僅改善了區域植被覆蓋，同時還大大改善了區域生物群落生存環境[35,39]；西南地區生態林業工程的實施，如天然林資源保護工程和退耕還林工程，在一定程度上增強了土地抵御災害的能力，有效地降低了區域石漠化程度，提升了區域植被覆蓋[40]。

圖8 2001-2019年西南喀斯特地貌區植被NDVI殘差值變化趨勢

與生態工程的正向促進作用相對，人類社會在快速發展中對資源的不合理利用也是影響區域植被整體覆蓋狀況的重要原因。例如，四川省西北部畜牧業的快速發展對當地生態環境造成了一定的破壞，致使部分地區植被嚴重減少[41]，同時，人口密度的不斷增長和城市化進程的不斷加快，也一定程度上抑制了植被群落的繁衍進程；2002—2019年，云南省人口比重增長超過20%，經濟增長和城鎮人口的不斷攀升致使城鎮建設用地面積不斷擴大，最終導致部分地區植被覆蓋呈下降趨勢。綜上可知，生態林業工程的實施使得植被覆蓋整體呈上升態勢，但人類在發展經濟中的不合理開發對部分地區植被生長的抑制作用同樣不可忽略。

4 結 論

(1) 研究時段內西南喀斯特地貌區植被NDVI整體呈上升態勢，且上升態勢呈“東南高西北低”的分布格局。植被NDVI呈上升趨勢的面積遠大于呈下降趨勢的面積，呈上升趨勢的區域主要分布在研究區東南部。

(2) 西南喀斯特地貌區植被改善區和植被退化區受人類活動作用均強于氣候變化，其中，人類活動對研究區植被改善和植被退化的相對作用分別為55.13%和54.57%。因此，人類活動被認為是驅動西南喀斯特地貌區植被NDVI變化的主導因素。

(3) 植被NDVI和氣象因子相關性呈現明顯的空間異質性。氣候變化對研究區植被NDVI變化具有雙重影響，研究區植被NDVI與降水、氣溫和相對濕度整體上呈正相關關系，而與日照時數整體上呈負相關關系。