桂西北喀斯特區(qū)域植被變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候和地形的響應(yīng)

童曉偉，王克林，岳躍民，廖楚杰，徐艷芳，朱海濤

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410125；2.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站， 環(huán)江 547100；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；4.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心， 北京 100094)

桂西北喀斯特區(qū)域植被變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候和地形的響應(yīng)

童曉偉1,2，3，王克林1，2，*，岳躍民1，2，廖楚杰1,2，3，徐艷芳1,2，3，朱海濤4

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410125；2.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站， 環(huán)江 547100；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；4.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心， 北京 100094)

基于1999—2010年的SPOT NDVI數(shù)據(jù)，分析了河池市植被變化趨勢(shì)及空間差異，并結(jié)合氣象和地形數(shù)據(jù)分析了植被與氣候、地形的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)桂西北喀斯特地區(qū)植被變化總體上呈恢復(fù)趨勢(shì)，年均氣候因子對(duì)植被變化的作用不明顯；(2)200—500m的海拔范圍內(nèi)植被恢復(fù)顯著，但400—500m的海拔范圍內(nèi)有小面積植被退化現(xiàn)象，隨著海拔增加，植被變化趨于穩(wěn)定；(3)6—15°的坡度范圍內(nèi)植被恢復(fù)最顯著，而2—6°及大于25°坡度范圍存在植被退化的現(xiàn)象；(4)不同坡向上的植被恢復(fù)差異不明顯，但隨著坡向由陰坡轉(zhuǎn)陽(yáng)坡，植被總體恢復(fù)呈減小趨勢(shì)?？λ固氐貐^(qū)人類生態(tài)建設(shè)取得一定成效，但由于人類活動(dòng)的負(fù)面影響，在海拔400—500m、坡度大于25°的陽(yáng)坡區(qū)域仍存在植被減少的現(xiàn)象。

SPOT-VGT NDVI；氣候變化；地形面積差異修正系數(shù)；生態(tài)建設(shè)工程; 喀斯特

脆弱的地質(zhì)背景加上長(zhǎng)期以來(lái)人類的不合理干擾，使我國(guó)西南喀斯特地區(qū)自然植被不斷遭到破壞，土壤侵蝕嚴(yán)重，基巖大面積裸露，土地生產(chǎn)力下降，呈現(xiàn)出類似荒漠的石漠化景觀[1- 2]。植被保護(hù)與恢復(fù)對(duì)遏制石漠化發(fā)生、有效控制水土流失、改善喀斯特生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用。國(guó)家先后在西南喀斯特地區(qū)實(shí)施了退耕還林還草、保護(hù)、天然草地植被恢復(fù)與建設(shè)等一系列生態(tài)建設(shè)工程，開(kāi)展生態(tài)恢復(fù)工作，尤其在2008年國(guó)務(wù)院批復(fù)了《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理大綱(2006—2015)》以來(lái)，喀斯特地區(qū)植被發(fā)生了較大變化。因此，植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析成為喀斯特地區(qū)生態(tài)建設(shè)工程成效監(jiān)測(cè)與評(píng)估的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

我國(guó)西南喀斯特地區(qū)作為生態(tài)系統(tǒng)退化比較嚴(yán)重的典型生態(tài)脆弱區(qū)，地貌類型多樣，生境具有高度的景觀異質(zhì)性，植被變化不僅受氣候變化影響和人類活動(dòng)的干擾，也受喀斯特特殊地形地貌的影響。目前，喀斯特地區(qū)植被長(zhǎng)時(shí)間序列變化的研究較少，且多集中在大尺度植被與氣候關(guān)系的探討上，較少考慮區(qū)域尺度人為因素及喀斯特特殊地形地貌對(duì)喀斯特植被變化的影響[3- 5]。復(fù)雜的喀斯特山區(qū)地形，影響太陽(yáng)輻射和降水的空間再分配，不同喀斯特地區(qū)土壤質(zhì)地、水分和養(yǎng)分的差異造成植被生境的高度異質(zhì)性，對(duì)植被變化產(chǎn)生重要影響。然而，在研究地形因子對(duì)植被變化的影響時(shí)，往往忽略了不同地形因子絕對(duì)面積差異的影響，如某一地形因子條件下，植被發(fā)生變化的面積可能較小，但該地形因子條件下植被發(fā)生變化的比例可能占所有不同地形條件下植被變化的比例較大，從而造成評(píng)價(jià)地形因子對(duì)植被變化影響的不確定性[6]。因此，本研究綜合考慮氣候因子、喀斯特地形因子對(duì)喀斯特區(qū)域植被變化的影響，提出地形面積差異修正方法，揭示不同地形因子條件下喀斯特植被恢復(fù)趨勢(shì)差異，明確植被恢復(fù)成效顯著的區(qū)域及特別需要加強(qiáng)生態(tài)治理的區(qū)域，為喀斯特地區(qū)石漠化綜合治理、退耕還林等生態(tài)建設(shè)工程的生態(tài)效益評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河池市(106°34′—109°09′E，23°41′—25°37′N)地處廣西西北邊陲、云貴高原南麓，喀斯特地貌廣泛發(fā)育，占地區(qū)總面積的66%，地形破碎、地貌類型多樣，是舉世聞名的中國(guó)西南喀斯特地區(qū)之一?，F(xiàn)轄宜州、環(huán)江、都安、大化、鳳山等11個(gè)縣(區(qū)、市)(圖1)，全市土地面積33500km2，總?cè)丝?09萬(wàn)人，是廣西壯族自治區(qū)少數(shù)民族聚居最多的地區(qū)之一。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，熱量豐富，雨量充沛，且雨熱同期；無(wú)霜期長(zhǎng)，歷年平均無(wú)霜期約為329d。河池市石漠化嚴(yán)重，廣西有12個(gè)縣屬于國(guó)家石漠化治理首批試點(diǎn)縣，而河池就占有4個(gè)，2012年公布的石漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，全市石漠化土地面積8520km2，潛在石漠化土地面積11470 km2，占全市土地總面積的近60%。

圖1 河池市行政區(qū)劃圖Fig.1 The administrative map of Hechi

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.2.1 SPOT-NDVI和氣象數(shù)據(jù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映植被覆蓋狀況的良好指標(biāo)[7- 8]，是公認(rèn)的用來(lái)表征植被變化的有效遙感參數(shù)[9- 10]。本文遙感數(shù)據(jù)選用的是 SPOT VEGETATION NDVI 10 天合成的產(chǎn)品(http://free.vgt.vito.be/)，每年36期數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km，時(shí)間范圍是1999年1月至2010年12月，共計(jì)432期影像。獲得的SPOT-VGT遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)MVC(maximum value composite)方法處理，為了進(jìn)一步減少云、大氣等噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響，利用Chen等[11]提出的基于Savitzky-Golay濾波器的平滑方法，對(duì)NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，在此基礎(chǔ)上再次利用最大合成法獲得月NDVI值，最后取12個(gè)月NDVI的平均值得到年均NDVI，用以表征植被年均生長(zhǎng)狀況。氣候數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象局獲得(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括河池地區(qū)及周邊14個(gè)氣象站點(diǎn)。數(shù)據(jù)內(nèi)容為1999年1月—2010年12月逐月的月平均氣溫，降水量以及各站點(diǎn)的經(jīng)度和緯度。在Arcgis 9.3軟件的空間分析模塊中對(duì)14個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值，利用各項(xiàng)交叉驗(yàn)證指標(biāo)，選取合適的插值模型，使插值結(jié)果精度滿足數(shù)據(jù)分析要求。

1.2.2 土地覆蓋和DEM數(shù)據(jù)

土地覆蓋數(shù)據(jù)從寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取(http://westdc.westgis.ac.cn/)，該數(shù)據(jù)是在中國(guó)科學(xué)院2000年1∶10萬(wàn)按縣分幅的土地資源調(diào)查成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行合并、矢柵轉(zhuǎn)換(面積最大法)后得到全國(guó)幅的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境分類系統(tǒng)，是目前國(guó)家尺度上精度最高的土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究中，其空間分辨率為1km。DEM數(shù)據(jù)從國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)獲得(http://datamirror.csdb.cn/)，空間分辨率90m，利用Arcgis9.3軟件提取研究區(qū)海拔、坡度和坡向。本文采用100m等間距劃分法將研究區(qū)海拔劃分為12個(gè)等級(jí)，其中海拔1100m以上區(qū)域所占面積比例較小，故將其合并為一個(gè)等級(jí)；將坡向劃分為東、西、南、北4個(gè)坡向，分別表示半陰坡，半陽(yáng)坡，陽(yáng)坡，陰坡[12]；根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)頒發(fā)的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將坡度劃分為5級(jí)，即≤2°、2°—6°、6°—15°、15°—25°和>25°，其中<6°為平耕地，6—25°為緩坡， >25°為陡坡耕地。將以上3種地形因子分級(jí)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，生成分級(jí)矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一坐標(biāo)投影為WGS 1984 UTM Zone49 N。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析

趨勢(shì)線是對(duì)一組隨時(shí)間變化的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期趨勢(shì)的變化態(tài)勢(shì)。趨勢(shì)線包括直線和曲線兩種，采用線性趨勢(shì)線來(lái)模擬植被覆蓋的年際變化，即最小二乘擬合直線,其斜率計(jì)算公式如：

(1)

式中,變量i為1—12的年序號(hào)；NDVIi表示第i年的年均NDVI值。變化趨勢(shì)圖反映了在12a的時(shí)間序列中，河池市植被NDVI的變化趨勢(shì)。某像元的趨勢(shì)線是這個(gè)像元12a的年均NDVI值用一元線性回歸模擬出來(lái)的一個(gè)總的變化趨勢(shì)，θslope即這條趨勢(shì)線的斜率，θslope> 0說(shuō)明植被在12a間的變化趨勢(shì)是增加的，反之則是減少，θslope=0表示植被無(wú)變化趨勢(shì)。對(duì)斜率的顯著性進(jìn)行F檢驗(yàn)，并依據(jù)F值將植被變化趨勢(shì)劃分為不顯著 (F<4.96)和顯著 (F>4.96)兩種。利用植被變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)的疊加分析，將研究區(qū)植被變化趨勢(shì)分為減少，不變和增加3種類型。

對(duì)研究區(qū)年均降水和年均氣溫的時(shí)間序列變化趨勢(shì)采用Mann-Kendall分析法， Mann-Kendall檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，廣泛應(yīng)用于分析降水、氣溫和徑流等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化[13]。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為：

(2)

式中， sign()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時(shí)，sign=(Xi-Xj)分別為-1、0或1；M-K統(tǒng)計(jì)量公式S大于、等于、小于零時(shí)分別為：

(3)

式中，Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過(guò)了信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

1.3.2 偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析是在對(duì)其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下，衡量多個(gè)變量中某兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)程度，在確定兩個(gè)變量之間的內(nèi)在線性聯(lián)系時(shí)會(huì)更真實(shí)、更可靠。本研究利用Matlab 6.5對(duì)植被年均NDVI和兩種主要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行偏相關(guān)分析，計(jì)算河池市各像元NDVI與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)，分析各量之間的偏相關(guān)程度及空間分布特征。

1.3.3 地形面積差異修正

不同地形條件下植被變化特征不同，如某一植被變化趨勢(shì)類型在特定地形條件下的分布面積可能較小，然而與整個(gè)研究區(qū)此植被變化趨勢(shì)類型所占的面積比例相比，此地形條件下該植被變化趨勢(shì)類型分布卻較大，從而造成評(píng)價(jià)不同地形因子對(duì)植被變化影響的不確定性。因此，需要消除不同地形因子絕對(duì)面積不同的影響，揭示特定地形因子對(duì)植被變化的影響，明確不同地形條件對(duì)植被變化類型分布的影響及其演變趨勢(shì)。本研究提出地形面積差異修正系數(shù)k，用來(lái)消除各地形因子條件下因地形絕對(duì)面積不同而引起的植被恢復(fù)評(píng)價(jià)的不確定性，其計(jì)算公式為：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 植被變化總體趨勢(shì)分析

SPOT NDVI時(shí)間序列分析顯示，1999—2010年河池市69.9%的區(qū)域植被增加，29.9%的區(qū)域植被不變，植被減少的區(qū)域僅占0.2%(圖2)。植被變化趨勢(shì)和土地覆蓋疊加分析表明，植被增加的區(qū)域，其土地覆蓋類型以有林地及高、中覆蓋度草地為主；西北及南部地區(qū)植被基本不變，且存在極少數(shù)植被減少的區(qū)域，其土地覆蓋類型以中覆蓋度草地及灌木疏林地為主。說(shuō)明在1km空間尺度、年際尺度上，河池市近12年來(lái)植被以增加為主，表明研究區(qū)總體生態(tài)狀況呈恢復(fù)改善的趨勢(shì)，但由于毀林開(kāi)墾、陡坡耕種、過(guò)度放牧等現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致極小部分地區(qū)存在植被減少的現(xiàn)象。

圖2 河池市植被變化趨勢(shì)空間分布Fig.2 The distribution of vegetation change trends in Hechi

2.2 植被變化與氣候因子的關(guān)系

近12年來(lái)河池市年均降水為1193 mm，年均溫為20.4℃，1999—2010年，河池市年均降水在波動(dòng)變化中呈較小的下降趨勢(shì)，年均氣溫呈微弱的上升趨勢(shì)(圖3)。Mann-Kendall分析表明，河池市約63.4%的區(qū)域年均降水呈減少趨勢(shì)，廣泛分布在中部及東部，其中約3.1%的區(qū)域在置信度為 90%水平上呈顯著減少趨勢(shì)，主要分布在羅城、宜州及都安3縣；研究區(qū)西部地區(qū)降水呈微弱增加趨勢(shì)，僅3.2%的區(qū)域在置信度為 90%水平上呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在巴馬和鳳山縣，其中巴馬縣有207km2的區(qū)域在置信度為 95%水平上存在顯著增加趨勢(shì)。對(duì)年均溫而言，僅有1.54%的區(qū)域在置信度為 90%水平上呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在天峨、河池、大化和都安四縣。由此可見(jiàn)，近12年來(lái)河池市年均降水呈小幅下降趨勢(shì)，年均氣溫呈微弱的上升趨勢(shì)，但總體變化趨勢(shì)不顯著。

圖3 河池地區(qū)1999—2010年均降水量、氣溫變化趨勢(shì)Fig.3 The change trends of temperature and precipitation in Hechi during 1999—2010

植被變化與氣候因子(年均溫、年均降水)的偏相關(guān)分析可知，河池市植被對(duì)降水、氣溫變化的響應(yīng)存在明顯差異(圖4)，其偏相關(guān)顯著區(qū)域可分為：負(fù)相關(guān)不顯著，相關(guān)顯著，正相關(guān)不顯著3種。研究區(qū)植被NDVI與氣溫基本呈正相關(guān)，比例達(dá)95.4%，但相關(guān)性不顯著；成負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在大化、鳳山及都安3縣，僅5.1%的區(qū)域其植被NDVI與氣溫通過(guò)了α=0.1的顯著性檢驗(yàn)水平。對(duì)降水而言，以東北—西南方向連線劃分研究區(qū)，此線以南植被NDVI與降水呈負(fù)相關(guān)，以北呈正相關(guān)，兩者所占比例相差不大，但顯著性水平達(dá)到0.1的區(qū)域僅占4%，且以負(fù)相關(guān)為主，集中分布在都安縣。由此表明，河池市年均氣溫變化對(duì)植被NDVI的影響略高于年均降水變化對(duì)其的影響，但整體表現(xiàn)為植被NDVI與氣候因子的相關(guān)性不顯著，說(shuō)明在區(qū)域尺度上，近12年的年均氣候變化對(duì)研究區(qū)植被變化作用不明顯。

圖4 河池市植被年均NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)顯著性檢驗(yàn)空間分布Fig.4 The significant test of partial correlation between mean annual NDVI and temperature and precipitation in Hechi

2.3 植被變化對(duì)不同地形因子的響應(yīng)

2.3.1 海拔對(duì)植被變化的影響

植被變化趨勢(shì)類型在不同海拔范圍內(nèi)的分布差異較大，從不同植被變化類型隨海拔的變化趨勢(shì)來(lái)看(圖5)，植被減少類型在高程小于500m的范圍內(nèi)呈趨于增強(qiáng)的分布趨勢(shì)(1.45

從不同海拔范圍內(nèi)植被變化類型所占的面積百分比來(lái)看(圖6)，不同海拔范圍內(nèi)，植被變化均以不變和增加為主，植被減少類型所占比例極小。植被增加類型的比例除在海拔小于100m的范圍內(nèi)較小外(約33%)，其余各海拔區(qū)段所占比例均大于54%，表明除海拔較低(小于100m)區(qū)域外，研究區(qū)植被總體在恢復(fù)，海拔200—500m范圍內(nèi)的植被恢復(fù)顯著(植被增加類型所占比例均大于71%)，其中，200—300m海拔范圍內(nèi)植被恢復(fù)最顯著，其植被增加類型所占比例約78%。然而， 200—500m的海拔區(qū)域也是植被覆蓋變化易于波動(dòng)的區(qū)域，易于恢復(fù)，同時(shí)也易于退化(400—500m)，這主要是兩方面的原因：一方面耕地主要分布在此海拔范圍內(nèi)，受農(nóng)作物等植被類型的生長(zhǎng)周期變化的影響較大；另一方面退耕還林等生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施促進(jìn)了植被恢復(fù)，而喀斯特地區(qū)毀林開(kāi)墾、樵采薪材等人為逆向干擾活動(dòng)導(dǎo)致了植被退化。隨著海拔的升高，特別是海拔大于800m的區(qū)域，植被變化趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)楹０胃叩牡貐^(qū)坡度往往也更陡峭，受人類活動(dòng)干擾少，同時(shí)，封山育林等政策的實(shí)施也有利于高海拔地區(qū)的植被結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 地形面積差異修正系數(shù)k隨海拔的變化趨勢(shì)Fig.5 Topographic factor k applied to different vegetation change trends depending on elevation

圖6 不同植被變化類型在不同海拔范圍內(nèi)的面積比Fig.6 The area rate of vegetation change types at different elevations

2.3.2 坡度對(duì)植被變化的影響

從不同坡度上研究區(qū)植被變化趨勢(shì)來(lái)看，坡度對(duì)植被增加和不變兩種類型分布的影響程度差異較小，對(duì)植被減少類型的分布影響較大(圖7)。植被減少類型隨坡度增大表現(xiàn)為先增加后減少再趨于增加的分布趨勢(shì)，在2—6°的坡度范圍內(nèi)植被減少類型分布最明顯(k=1.87)，其次為>25°的坡度范圍，6—25°坡度范圍內(nèi)植被減少類型的變化趨于減少。而植被增加類型隨坡度增大差異不明顯，僅在6—15°的坡度范圍內(nèi)植被增加類型分布趨于小幅度的增加(k=1.04)。植被不變的類型隨坡度增大表現(xiàn)為先減后增的分布趨勢(shì)，在小于2°及大于15°的坡度范圍內(nèi)植被不變的類型分布明顯。從不同坡度上各植被類型所占的面積百分比來(lái)看(圖8)，不同坡度范圍內(nèi)，植被變化均以增加和不變?yōu)橹?，且植被增加類型所占比例均?8%以上，植被減少類型所占比例極小，表明不同坡度上植被總體在恢復(fù)。綜合k值及不同坡度上各植被變化趨勢(shì)類型的面積比例可知，6—15°的坡度范圍內(nèi)植被減少類型分布不明顯、植被增加類型分布最明顯，且植被增加類型的面積比也最大(約73%)，因此，河池地區(qū)在6—15°坡度范圍內(nèi)植被恢復(fù)最顯著。退耕還林還草政策和石漠化治理等一系列生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施，使喀斯特地區(qū)不同坡度上植被總體在恢復(fù)。然而，由于陡坡耕種等人類活動(dòng)的負(fù)面影響，導(dǎo)致坡度大于25°的區(qū)域仍然存在極少數(shù)的植被減少；同時(shí)由于耕地主要分布于2—6°等坡度較緩的區(qū)域，農(nóng)作物生長(zhǎng)周期的變化使該坡度范圍內(nèi)的植被減少類型分布較明顯。

圖7 地形面積差異修正系數(shù)k隨坡度的變化趨勢(shì)Fig.7 Topographic factor k applied to different vegetation change trends depending on slope

圖8 不同植被變化類型在不同坡度上的面積比Fig.8 The area rate of vegetation change types at different slopes

2.3.3 坡向?qū)χ脖蛔兓挠绊?/p>

由不同坡向上植被變化類型的分布趨勢(shì)可知(圖9)，植被減少類型隨著坡向由陰坡轉(zhuǎn)陽(yáng)坡(北坡→東坡、西坡→南坡)呈增加的分布趨勢(shì)，北坡和東坡上此植被變化類型的分布趨于減少、南坡和西坡上此植被變化類型趨于增加；而植被增加類型在不同坡向上的分布差異不明顯，僅在北坡趨于較小幅度的增加(k=1.06)、南坡趨于較小幅度的減少(k=0.96)。植被不變的類型隨坡向由陰轉(zhuǎn)陽(yáng)呈先增加后減少的趨勢(shì)，但變化幅度較弱(0.86

圖9 地形面積差異修正系數(shù)k隨坡向的變化趨勢(shì)Fig.9 Topographic factor k applied to different vegetation change trends depending on aspect

圖10 不同植被變化類型在不同坡向上的面積比Fig.10 The area rate of vegetation change types at different aspects

3 討論

本研究利用12a的氣象和植被指數(shù)數(shù)據(jù)，分析氣候變化對(duì)喀斯特區(qū)域植被變化的影響，結(jié)果表明，河池市在近12年里氣候變化趨勢(shì)不顯著，但降水已呈較小的下降趨勢(shì)、氣溫呈微弱的上升趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)氣候因子在一定程度上已呈現(xiàn)出暖干化的趨勢(shì)；同時(shí)，NDVI與年均氣溫、降水存在一定相關(guān)性，但顯著相關(guān)區(qū)域所占比例很小，據(jù)此可初步認(rèn)為在區(qū)域尺度上，非氣候因素是引起近12年來(lái)喀斯特區(qū)域植被增加的主要原因，這與其他地區(qū)區(qū)域尺度上的研究結(jié)論類似[15- 19]，說(shuō)明在區(qū)域尺度上，喀斯特區(qū)域植被的增加雖不能完全排除氣候變化的影響，但人類活動(dòng)已成為影響植被變化的重要因素，近年來(lái)的植樹(shù)造林、退耕還林還草等一系列生態(tài)建設(shè)工程所帶來(lái)的生態(tài)效益正在呈現(xiàn)。

為了明確不同地形因子條件下植被恢復(fù)的差異，提出了地形面積差異修正系數(shù)k來(lái)消除由于不同地形因子絕對(duì)面積差異而導(dǎo)致的恢復(fù)成效評(píng)價(jià)的不確定性。該修正系數(shù)k以某一植被變化趨勢(shì)類型占特定地形面積的比例作為基準(zhǔn)，并歸一化到以k=1作為植被演變的平衡變化點(diǎn)，不但有效消除了地形絕對(duì)面積差異的影響，而且使判斷特定地形因子條件下植被的變化趨勢(shì)成為可能。研究結(jié)果表明，不同喀斯特地形條件下植被恢復(fù)差異明顯，從植被變化在單一地形因子的表現(xiàn)看，海拔200—500m范圍內(nèi)的植被恢復(fù)顯著(200—300m恢復(fù)最顯著)，但此海拔范圍區(qū)域也是植被覆蓋變化易于波動(dòng)的區(qū)域，同時(shí)，海拔大于800m的區(qū)域，植被變化趨于穩(wěn)定。參考現(xiàn)有相關(guān)研究[20]，并結(jié)合桂西北地區(qū)植被恢復(fù)野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)：廣西人工造林主要選擇在山坡中下部適宜人工造林的地段，這對(duì)200—500m海拔區(qū)段的植被增加起到了重要作用;同時(shí)，退耕還林、封山育林等生態(tài)建設(shè)工程對(duì)中上坡位、坡度較大的灌叢地和裸巖地采取全封的植被恢復(fù)策略，減少了人類活動(dòng)對(duì)高海拔區(qū)域的干擾，而高海拔喀斯特地區(qū)植被主要以石山灌叢和次生林為主，植被恢復(fù)緩慢，從而使高海拔區(qū)域植被結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。坡度6—15°范圍內(nèi)的植被恢復(fù)最顯著，而不同坡向間植被均恢復(fù)但差異不明顯。由此說(shuō)明，自2001年以來(lái)，國(guó)家相繼在喀斯特地區(qū)實(shí)施的退耕還林工程、珠江防護(hù)林工程、石漠化治理試點(diǎn)工程等重點(diǎn)生態(tài)工程取得明顯成效，喀斯特地區(qū)植被總體在恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。另一方面，綜合分析不同地形條件下喀斯特區(qū)域植被變化情況，發(fā)現(xiàn)在海拔400—500m、坡度大于25°的陽(yáng)坡區(qū)域仍然存在植被減少的現(xiàn)象，這在一定程度上說(shuō)明了喀斯特區(qū)域人類活動(dòng)的干擾空間在擴(kuò)大，趨向于陡坡地區(qū)[21- 22]。同時(shí)，國(guó)家林業(yè)局2012年公布的石漠化監(jiān)測(cè)公報(bào)也表明喀斯特地區(qū)毀林開(kāi)墾、樵采薪材的現(xiàn)象還較嚴(yán)重，陡坡耕種、過(guò)度放牧等現(xiàn)象還大量存在，使得部分區(qū)域仍然存在植被退化的現(xiàn)象。因此，后續(xù)喀斯特地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建過(guò)程中要注意海拔200—500m范圍內(nèi)生態(tài)恢復(fù)成果的鞏固，同時(shí)要特別加強(qiáng)海拔400—500m、坡度大于25°的陽(yáng)坡區(qū)域的生態(tài)治理措施的實(shí)施力度。

目前為止，SPOT VGT NDVI資料的時(shí)間尺度還較短，同時(shí)，基于國(guó)家氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)插值存在一定的不確定性，針對(duì)喀斯特特殊地貌的氣象插值方法也需要考慮更多因素才能獲得精度更高的插值數(shù)據(jù)，因此，對(duì)于植被變化的影響因素(如氣候變化、人類活動(dòng)等)的分析還需要更長(zhǎng)時(shí)間的遙感資料積累和氣象插值方法上的改進(jìn)。另一方面，本研究主要考慮了以生態(tài)建設(shè)工程為主的人類活動(dòng)對(duì)植被變化的正面影響，沒(méi)有考慮其負(fù)面影響，在今后的研究中應(yīng)增加深入探討人類生態(tài)建設(shè)對(duì)植被變化的負(fù)面影響，從而有利于更全面的評(píng)價(jià)喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)成效。

4 結(jié)論

基于SPOT VGT NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)和氣候資料(溫度和降水)，利用提出的地形面積差異修正系數(shù)，分析了桂西北1999—2010年來(lái)植被變化趨勢(shì)及其與氣候、地形因子的關(guān)系，揭示了不同地形因子條件下喀斯特植被恢復(fù)趨勢(shì)差異，明確了植被恢復(fù)成效顯著的區(qū)域及特別需要加強(qiáng)生態(tài)治理的區(qū)域，主要結(jié)論如下：

(1)近12年來(lái)，桂西北喀斯特地區(qū)植被變化總體上呈恢復(fù)趨勢(shì)，約70%的區(qū)域植被呈增加趨勢(shì)；區(qū)域尺度上，年均氣候因子對(duì)桂西北喀斯特地區(qū)植被變化的作用不明顯。

(2)海拔200—500m范圍內(nèi)的植被恢復(fù)顯著(200—300m恢復(fù)最顯著)，但此海拔范圍區(qū)域也是植被覆蓋變化易于波動(dòng)的區(qū)域，而海拔大于800m的區(qū)域，植被覆蓋變化趨于穩(wěn)定；坡度6—15°范圍內(nèi)的植被恢復(fù)最顯著，不同坡向上的植被均在恢復(fù)但差異不明顯，且隨著坡向由陰坡轉(zhuǎn)陽(yáng)坡，總體恢復(fù)呈減小趨勢(shì)。

(3)由于人類干擾的負(fù)面影響，海拔400—500m、坡度大于25°的陽(yáng)坡區(qū)域仍存在植被退化的現(xiàn)象，后續(xù)喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)與重建過(guò)程中要注意海拔200—500m范圍內(nèi)生態(tài)恢復(fù)成果的鞏固，同時(shí)要特別加強(qiáng)海拔400—500m、坡度大于25°的陽(yáng)坡區(qū)域的生態(tài)治理措施的實(shí)施力度。

致謝：感謝中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心及中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)對(duì)本研究的數(shù)據(jù)支持。

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TrendsinvegetationandtheirresponsestoclimateandtopographyinnorthwestGuangxi

TONG Xiaowei1,2,3, WANG Kelin1,2,*,YUE Yuemin1,2, LIAO Chujie1,2,3, XU Yanfang1,2,3, ZHU Haitao4

1KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,theChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2HuanjiangObservationandResearchStationforKarstEco-systems,Huanjiang547100,China3UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China4SatelliteEnvironmentCent,MinistryofEnvironmentProtection,Beijing100094,China

The annual dynamics and spatial variability of vegetation in northwest Guangxi were studied based on the SPOT NDVI datasets during 1999—2010.The response of vegetation to climate and topography was analyzed.The results showed that: (1) Vegetation had a large proportion of increasing trends in northwest Guangxi from 1999 to 2010.Partial correlation analysis between NDVI and climate parameters showed that climate had little effect on vegetation.(2) Elevation affected vegetation trend.It increased between 200 and 500 m, however, there were a small areas between 400 m and 500 m where vegetation decreased.Vegetation tended to be stable as the elevation increasing.(3) Vegetation recuperated on slopes between 6°and 15°, but decreased on slopes between 2°and 6° and above 25°.(4) The differences of vegetation restoration on aspects were not obvious.However, vegetation recovery trended to be decreasing as the aspect turning from shady to sunny slopes.Our study indicated that the implementation of environmental conservation policies and ecological construction had resulted in the improvement of vegetation in karst regions.However, there were some regions with vegetation degradation caused by human disturbance.In the further implementation of ecological restoration, the government should pay more attention to the sunny regions where the elevation between 400m and 500m and the steep slope that larger than 25°.

SPOT-VGT NDVI; climate change; correction coefficient for topographic areas; ecological construction projects；karst.

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 10); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2010BAE00739- 02); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371418)

2013- 10- 16;

2014- 04- 23

10.5846/stxb201310162503

*通訊作者Corresponding author.E-mail: kelin@isa.ac.cn

童曉偉，王克林，岳躍民，廖楚杰，徐艷芳，朱海濤.桂西北喀斯特區(qū)域植被變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候和地形的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3425- 3434.

Tong X W, Wang K L,Yue Y M, Liao C J, Xu Y F, Zhu H T.Trends in vegetation and their responses to climate and topography in northwest Guangxi.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3425- 3434.