廣西典型地貌植被覆蓋度隨地形的變化特征

黃冬梅，陳燕麗，莫建飛，黃肖寒，毛宜川，覃弼勇

（1.河池市氣象局，廣西河池 547000；2.廣西壯族自治區氣象科學研究所，廣西南寧 530022；3.廣西壯族自治區人民防空和邊海防辦公室，廣西南寧 530029）

植被是陸地生態系統重要的組成部分。植被覆蓋度通常用于表征某個地區的地表植被覆蓋狀況，是衡量綠化程度的量化指標[1]。植被覆蓋度直接影響當地生態平衡及環境質量，其動態變化及影響因素已成為研究的熱點[1-5]。

研究證實，地形是影響植被覆蓋度的重要因素，相關研究主要圍繞海拔、坡度和坡向3個地形因子開展。我國幅員遼闊，3 個地形因子對植被覆蓋度影響的地域差異性較大。研究發現，不同地區影響植被覆蓋度的主導地形因子有差異。福建省平潭島植被覆蓋度受坡度和高程影響較大，受坡向影響較小[6]；高程是影響貴州普定縣喀斯特地區植被分布的主要地形因子[7]；赤水河流域內，植被覆蓋度受坡度和坡向的影響明顯高于高程[8]。隨地形因子變化，不同地區的植被覆蓋度特征也有差異。植被覆蓋度與地形因子并不是單一呈正比或反比關系，植被覆蓋度與地形因子的變化也不是單一變化趨勢。陜北延河流域陰坡的植被覆蓋度最高，平地的植被覆蓋度最低；不同年份植被覆蓋度隨高程變化的規律不一致[9]。陜西北洛河流域不同時期的植被覆蓋度均表現出隨坡度增加而增加的趨勢；陰坡植被覆蓋度明顯高于陽坡[10]。貴州普定縣喀斯特地貌的植被覆蓋度隨坡度增加而增加，偏西坡和偏北坡的植被覆蓋度較高，南坡最低[7]。新疆瑪納斯河流域的植被覆蓋度隨高程增加呈先升后降然后緩慢抬升，到達最高點后持續下降的趨勢；隨坡度增加，植被覆蓋度呈逐漸減小的趨勢；各坡向的植被覆蓋度差異不明顯[11]。青藏高原植被覆蓋度與海拔呈負相關；陽坡植被覆蓋度較高，陰坡較低[12]。年代際尺度上的植被改善或退化趨勢也與地形因子密切相關。對廣西河池市喀斯特區域1999—2010年的植被覆蓋度變化趨勢與地形關系進行分析，結果顯示，不同高度和坡度上的植被改善差異明顯，不同坡向上的植被改善差異不明顯，但隨坡向由陰坡轉陽坡，植被改善呈減緩趨勢[13]。

目前，有關地形因子對植被覆蓋度影響的相關研究多針對某一流域或單一地形[8-12]，鮮見不同地形條件下植被覆蓋度變化特征的比較。本研究選取廣西典型生態類型喀斯特石山區和山地丘陵區，利用2000 — 2018年MODIS NDVI 長時間序列數據，在分析廣西植被覆蓋度年代際時空演變特征的基礎上，對比分析巖溶山地生態區和山地丘陵生態區植被覆蓋度隨地形因子變化的特征，以期為廣西生態建設、植被恢復及保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據及處理

采用2000— 2018年植被指數產品MOD13Q1，空間分辨率為250 m，數據來源于美國國家航空航天局。對所獲得的MOD13Q1 遙感數據進行圖像鑲嵌、輻射校正、投影轉換及質量檢驗等處理，得到質量可靠的歸一化植被指數NDVI 數據集。所用的NDVI 數據采用目前國際上最通用的最大值合成法獲得，該方法通過選取某一時間段內NDVI 的最大值，進一步消除大氣、云和太陽高度角等因素的干擾。最大值合成法計算公式為[14]：

式中，NDVIi為第i月或第i年的NDVI值；NDVIij為第i月第j個16 天的NDVI數據或第i年第j月的NDVI數據。

通過廣西壯族自治區氣象科學研究所提供的市（縣）行政邊界、數字高程模型（DEM）和GIS技術，劃分廣西喀斯特石山區和山地丘陵區區域。

1.2 研究區概況

廣西（104°28′～112°04′E，20°54′～26°23′N）地處中國南疆，喀斯特地貌和山地丘陵是廣西典型的兩種地貌類型。喀斯特地貌以巖溶石山為主，植被以草本植物和灌木為主，屬山地灌叢草業生態經濟區，是廣西典型的生態脆弱區。山地丘陵以山地和丘陵為主，植被以木本和藤本植物為主，雨林植物景觀突出，以森林生態系統類型自然保護區為主。廣西喀斯特石山區和山地丘陵區面積分別為65 879.12和146 013.88 km2，分別占廣西土地總面積的27.73%和61.45%。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度計算

基于NDVI 數據，通過像元二分模型計算植被覆蓋度（fg，%）。根據像元二分模型，每個像元的NDVI 值可以表達為植被覆蓋與無植被覆蓋兩部分貢獻的信息組合，通過變換可獲得利用NDVI 值計算植被覆蓋度的公式[14]：

式中，NDVIO為裸土地或完全沒有植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIg為植被完全覆蓋區域像元的NDVI值。

1.3.2 一元線性趨勢分析法

采用一元線性趨勢分析法分析植被覆蓋度的年際變化趨勢，計算公式為[4]：

式中，slope為植被覆蓋度變化趨勢的斜率；本研究中，植被覆蓋度分析的時間區間為2000 — 2018年，因此n為19 a；Ci為第i年的植被覆蓋度。植被覆蓋度變化趨勢斜率為正值，表明該地區一段時間內的植被覆蓋度呈上升趨勢；反之，呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度變化趨勢

2000 — 2018年，廣西喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度變化趨勢基本一致，均呈波動上升趨勢（圖1）。喀斯特石山區年均植被覆蓋度增長速率為8.36%/10 a，19 a 植被覆蓋度均值為67.8%，2013年植被覆蓋度最高（74.9%），2000年最低（58.7%）；山地丘陵區年均植被覆蓋度增長速率為7.81%/10 a，19 a 植被覆蓋度均值為71.9%，2016年植被覆蓋度最高（78.6%），2000年最低（62.6%）。喀斯特石山區植被覆蓋度改善更明顯；在此期間，對喀斯特石山區采取了植樹造林和封山育林等石漠化治理措施，植被恢復效果顯著。分別統計2000 — 2005、2006 — 2010、2011 — 2015 和2016 — 2018年4 個時段的植被覆蓋度均值。4 個時段的喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度均呈上升趨勢；其中，2011 — 2015 與2006 — 2010年的植被覆蓋度差值最大；與2006—2010年相比，喀斯特石山區和山地丘陵區2011—2015年的植被覆蓋度分別增加了6.5%（增長率為9.8%）和9.8%（增長率為11.2%）。大范圍的氣象災害會影響植被生長。2005（春旱）、2010（冬、春連旱）和2015年（春旱和秋旱），廣西發生較大范圍、持續時間較長的干旱；喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度在2005、2010 和2015年均出現明顯下降，與該期間發生的干旱過程吻合。

圖1 2000—2018年喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度變化Fig.1 Changes of vegetation coverage in Karst rocky area and mountain hilly area from 2000 to 2018

根據《土壤侵蝕分類分級標準》[16]，將植被覆蓋度劃分為低植被覆蓋度（< 30%）、中低植被覆蓋度（30% ～ 45%）、中植被覆蓋度（45% ～ 60%）、中高植被覆蓋度（60% ～ 75%）和高植被覆蓋度（> 75%）5個等級，統計各等級覆蓋度面積占比（表1）。4個時段的喀斯特石山區和山地丘陵區的植被覆蓋度均以中高植被覆蓋度或高植被覆蓋度為主，兩地中高等級以上植被覆蓋度均值占比分別為80.7%和89.6%，中低等級以下植被覆蓋度均值占比分別為1.4%和1.0%。4 個時段喀斯特石山區和山地丘陵區低、中低、中和中高植被覆蓋度多呈下降趨勢；2016 — 2018年，喀斯特石山區和山地丘陵區低和中低植被覆蓋度占比均比2011 — 2015年略有上升，高植被覆蓋度占比明顯增加。

表1 4個時段喀斯特石山區和山地丘陵區不同類型植被覆蓋度占比Tab.1 Proportions of different vegetation coverage types of Karst rocky area and mountain hilly area in four periods (%)

在喀斯特石山區，2010年前以中、中高植被覆蓋度為主，2010年以后以中高、高植被覆蓋度為主；山地丘陵區一直以中高、高植被覆蓋度為主。4 個時段山地丘陵區低、高植被覆蓋度占比均高于喀斯特石山區，中低、中和中高植被覆蓋度占比絕大多數低于喀斯特石山區。

2.2 植被覆蓋度隨地形變化特征

2.2.1 海拔

依托GIS 技術，分析不同時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨海拔的變化趨勢（圖2）。4 個時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨海拔的變化趨勢均較一致。在喀斯特石山區，海拔為50～ 500 m 時，植被覆蓋度隨海拔升高呈明顯增加的趨勢；海拔為500～ 700 m 時，植被覆蓋度變化穩定，變幅較小；海拔為700～900 m 時，植被覆蓋度隨海拔升高呈降低趨勢；海拔為900 ～ 1 100 m 時，植被覆蓋度隨海拔升高呈增加趨勢；海拔1 100 m以上時，植被覆蓋度變幅隨海拔升高而增大，且植被覆蓋度總體呈降低趨勢。在山地丘陵區，海拔為50～450 m 時，植被覆蓋度隨海拔升高而增加；海拔為450 ～ 1 100 m 時，植被覆蓋度變化穩定，變幅較小；海拔為1 100 ～ 1 500 m 時，植被覆蓋度變幅增大，總體呈降低趨勢；海拔1 500 m 以上時，植被覆蓋度變幅大，隨海拔變化的規律不明顯。喀斯特石山區和山地丘陵區的植被覆蓋度在較低海拔區間均隨海拔升高而增加；海拔超過500 m 后，山地丘陵區的植被覆蓋度變化更穩定。喀斯特石山區植被覆蓋度在海拔850～900 m 時有較明顯的低谷，在海拔1 150 m 以上時呈降低趨勢，山地丘陵區在這些海拔區間的變幅較小。

圖2 4個時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨海拔變化趨勢Fig.2 Change trends of vegetation coverage with altitude in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

以200、600、1 000 和1 400 m 為斷點對海拔高度進行分級（表2）。2000—2018年，喀斯特石山區和山地丘陵區不同海拔等級植被覆蓋度均明顯增加；其中，2011 — 2015 與2006 — 2010年的植被覆蓋度差值最大，且喀斯特石山區增幅更大。喀斯特石山區植被覆蓋度均值在海拔為600 ≤～1 000 m時最高，山地丘陵區植被覆蓋度均值在海拔為1 000～1 400 m 時最高。山地丘陵區不同海拔等級的植被覆蓋度均高于喀斯特石山區；海拔<200 m 時，兩地植被覆蓋度4 個時段均值的差值最大（8.0%）；海拔為600～ 1 000 m 時，兩地植被覆蓋度4 個時段均值的差值最小（3.6%）。人類在低海拔、緩坡度地區進行生產經營活動對喀斯特石山區植被覆蓋度影響較大。

表2 喀斯特石山區和山地丘陵區不同海拔植被覆蓋度統計Tab.2 Statistics of vegetation coverage in different altitudes in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

2.2.2 坡度

分析不同時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨坡度的變化趨勢（圖3）。4 個時段喀斯特石山區和山地丘陵區的植被覆蓋度隨坡度變化趨勢均較一致。在喀斯特石山區，坡度為5° ～ 10°和60° ～ 65°時，植被覆蓋度隨坡度增加而增加；坡度為10° ～ 55°時，植被覆蓋度隨坡度變化較穩定，變幅較小；坡度為55～60°時，植被覆蓋度隨坡度增加而降低；坡度大于65°時，無植被覆蓋。在山地丘陵區，坡度為5°～10°時，植被覆蓋度隨坡度增加而增加；坡度為10° ～ 60°時，植被覆蓋度隨坡度變化較穩定，變幅較小，其中坡度為45°～50°時，植被覆蓋度隨坡度增加略有降低（除2000 — 2005年）；坡度大于60°時，無植被覆蓋。喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度在坡度5°～10°時均隨坡度增加而增加；坡度大于10°時，山地丘陵區的植被覆蓋度變化比喀斯特石山區更穩定。

圖3 4個時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨坡度變化趨勢Fig.3 Change trends of vegetation coverage with slope in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

參考GB/T 15772-1995[17]，將坡度劃分為微坡（<5°）、緩坡（5°≤～15°）、較陡坡（15°≤～25°）和陡坡（>25°）4 個等級（表3）。喀斯特石山區和山地丘陵區的植被覆蓋度均隨坡度增加而增加；喀斯特石山區和山地丘陵區陡坡植被覆蓋度4個時段的均值分別為73.7%和75.9%，微坡植被覆蓋度4個時段的均值分別為64.3%和67.4%。不同等級坡度條件下，山地丘陵區植被覆蓋度均高于喀斯特石山區；較陡坡地區植被覆蓋度4 個時段均值的差值最大（4.6%），陡坡差值最小（2.2%）。

表3 喀斯特石山區和山地丘陵區不同坡度植被覆蓋度統計Tab.3 Statistics of vegetation coverage in different slopes in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

2.2.3 坡向

不同坡向的降水、太陽輻射等因子強度不同，植被生長所需的水、熱和光照等條件不同，植被覆蓋度在各坡向上呈現一定差異[12]。分析不同時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨坡向的變化趨勢（圖4）。4 個時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨坡向的變化趨勢均較一致。在喀斯特石山區，坡向為45°～180°和315°～360°時，植被覆蓋度隨坡向度數增加而增加；坡向為180° ～315°時，植被覆蓋度隨坡向度數增加而降低。在山地丘陵區，坡向為0° ～ 225°時，植被覆蓋度隨坡向度數增加呈增加趨勢；坡向為225° ～ 360°時，植被覆蓋度隨坡向度數增加呈降低趨勢。

圖4 4個時段喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度隨坡向變化趨勢Fig.4 Change trends of vegetation coverage with aspect in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

以45°為間距，計算每坡向所有植被覆蓋度均值（表4）。在喀斯特石山區，南坡（坡向135° ～225°）植被覆蓋度較高，其中坡向135°～180°植被覆蓋度4個時段的均值最高（69.3%）；西坡（坡向225°～315°）植被覆蓋度較低，其中坡向270°～315°植被覆蓋度4個時段的均值最低（68.0%）。在山地丘陵區，南坡植被覆蓋度較高，其中坡向135°～180°植被覆蓋度4個時段的均值最高（73.4%）；西坡植被覆蓋度較低，其中225° ～ 270°植被覆蓋度4 個時段的均值最低（71.0%）。喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度4 個時段均值在東坡（坡向90° ～ 135°）差值最大（4.5%），西坡（坡向225° ～ 270°）差值最小（2.2%）。

表4 喀斯特石山區和山地丘陵區不同坡向的植被覆蓋度統計Tab.4 Statistics of vegetation coverage in different aspects in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

續表4 Continued

3 討論與結論

3.1 討論

不同地貌條件構成的植被生態系統差異較大，地形因子對植被覆蓋度的影響也有差異。研究發現，主導植被覆蓋度變化的地形因子具有地域差異，海拔、坡度和坡向均可能是植被覆蓋度變化的主要地形影響因子[8-14，18-21]。廣西地區喀斯特石山區和山地丘陵區不同時段植被覆蓋度隨海拔和坡度的變化波動較明顯，隨坡向變化較平穩，其主導地形因子可能是海拔和坡度，兩者對植被分布及改善的影響需進一步研究。

不同地區植被覆蓋度隨不同地形因子變化的特征差異較大，陜北延河流域[9]、陜西北洛河流域[10]、貴州普定縣喀斯特地貌[7]和新疆瑪納斯河流域[11]的研究報道已證實這一點。本研究對同一緯度帶下兩種地貌的植被覆蓋度進行對比，研究結果進一步驗證上述觀點。植被覆蓋度與地形的關系復雜，并非單一正比或反比關系。本研究結果顯示，喀斯特石山區和山地丘陵區植被覆蓋度變化在不同海拔、坡度和坡向條件下，同時具有正比和反比兩種關系。本研究中，廣西喀斯特石山區植被覆蓋度在南坡最高，西坡最低；貴州普定縣喀斯特地貌植被覆蓋度在偏西坡、偏北坡的植被覆蓋度較高，南坡的植被覆蓋最低[7]；進一步說明不同地區的植被覆蓋度隨地形因子的變化特征有差異。

3.2 結論

本研究以廣西典型生態喀斯特石山區和山地丘陵區為研究對象，利用2000 — 2018年MODIS NDVI長時間序列數據，對比分析兩種生態區植被覆蓋度隨海拔、坡度和坡向變化的差異，發現兩種地貌條件下植被覆蓋度變化有共性，也有差異。

時間尺度上，2000—2018年，兩地植被覆蓋度改善程度均較大。喀斯特石山區年均植被覆蓋度增長速率為8.36%/10 a，山地丘陵區為7.81%/10 a。兩地植被覆蓋度隨海拔、坡度和坡向的變化特征較一致，且年份差異較小。

兩地植被覆蓋度在低海拔整體隨海拔升高呈波浪式上升的趨勢；海拔超過500 m，山地丘陵區植被覆蓋度變化更穩定。不同海拔等級下，兩地的植被覆蓋度均明顯增加，喀斯特石山區增幅更大；喀斯特石山區植被覆蓋度4 個時段均值在海拔600 ～1 000 m 時最高，山地丘陵區在海拔1 000～1 400 m時最高；兩地植被覆蓋度4 個時段均值的差值在海拔小于200 m時最大，在海拔600～1 000 m最小。

兩地植被覆蓋度在坡度為5°～10°時均隨坡度增加而增加；坡度大于10°時，山地丘陵區植被覆蓋度變化更穩定。山地丘陵區不同等級坡度的植被覆蓋度均高于喀斯特石山區；其中，坡度為15°～25°時，兩地植被覆蓋度4個時段均值差異最大，坡度大于25°時差異最小。

兩地植被覆蓋度4個時段均值的最高值均在南坡（坡向135° ～ 180°），但最低值不同，喀斯特石山區最低值在西坡（坡向270°～315°），山地丘陵區在西坡（坡向225°～270°）。兩地植被覆蓋度4 個時段均值在東坡差異最大，西坡差異最小。