世界自然遺產(chǎn)地荔波縣植被覆蓋時空變化研究

胡向紅　許玉鳳　陳如霞

摘要 基于2000—2015年MODIS NDVI數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，采用最大值合成法、趨勢分析和變異系數(shù)等方法，研究了世界自然遺產(chǎn)保護區(qū)荔波縣植被覆蓋的時空變化特征。結(jié)果表明：荔波縣植被覆蓋較好的區(qū)域主要分布在東部和西部區(qū)域，城鎮(zhèn)及交通線沿線的植被覆蓋較差。研究期間植被覆蓋總體呈上升趨勢，其中2000—2006年間植被覆蓋變化比較緩慢，2006—2012年間植被上升趨勢最顯著，2013—2015年間植被上升趨勢變緩。研究區(qū)植被覆蓋變化空間差異性顯著，自然保護區(qū)的植被覆蓋較好，植被覆蓋比較穩(wěn)定；南部區(qū)域的植被退化應(yīng)該引起重視。

關(guān)鍵詞 遙感數(shù)據(jù)；植被覆蓋；時空變化；世界自然遺產(chǎn)保護區(qū)；貴州荔波

中圖分類號 P966；TP79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）04-0223-03

Abstract Based on MODIS NDVI data from 2000 to 2015，using the maximum synthesis，trend analysis and variation coefficient methods，the spatial and temporal change of vegetation cover in the world natural heritage site Libo County were studied under the GIS support. The results showed that the vegetation coverage in Libo County was mainly distributed in the eastern and western regions，and the vegetation coverage along the urban and transportation lines was poor. The vegetation coverage generally showed a rising trend during the study period. The rising trend was significant from 2006 to 2012，and relatively slow from 2000 to 2006，and slower from 2013 to 2015. The spatial variation of vegetation coverage was significant in the study area，and the vegetation coverage was good and relatively stable in the nature reserves. It should be paid more attention to the vegetation degradation in the southern region.

Key words remote sensing data；vegetation coverage；temporal and spatial variation；the world natural heritage site；Libo Guizhou

地表植被在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土和維持生物多樣性等方面具有重要的支撐與促進作用，對地方、區(qū)域乃至全球生態(tài)系統(tǒng)的狀況、環(huán)境壓力和景觀變化有指示作用[1-2]。植被變化是自然因素和社會因素共同作用的結(jié)果，是全球變化的主要表現(xiàn)形式[3-4]。植被覆蓋變化是區(qū)域水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化的根源，因此有必要對植被動態(tài)變化進行監(jiān)測研究[5]。

遙感技術(shù)已經(jīng)成為植被動態(tài)變化監(jiān)測研究的主要手段，主要用于土地覆蓋變化[6]、植被指數(shù)監(jiān)測[7]等。大區(qū)域范圍內(nèi)的植被變化監(jiān)測主要采用植被指數(shù)，其中歸一化植被指數(shù)（NDVI）能夠準確反映地表植被的生長狀況以及覆蓋程度等特征，應(yīng)用最為廣泛[5-8]。國內(nèi)外利用植被指數(shù)監(jiān)測植被變化的研究成果較多[9-14]，在定量監(jiān)測的研究方法和研究體系等方面有了長足的發(fā)展，但是大多數(shù)是針對北方平原地區(qū)、河流流域地區(qū)的研究，而對于西南山地的相關(guān)研究較少[15]。

荔波縣地處貴州南部，旅游資源豐富，隨著“山地公園省、多彩貴州風(fēng)”宏觀構(gòu)想目標的建立，對荔波縣世界自然遺產(chǎn)保護區(qū)的保護和開發(fā)尤為重要，遙感生態(tài)監(jiān)測作用顯得尤為突出，但目前利用遙感數(shù)據(jù)研究荔波縣植被覆蓋變化的文獻很少。因此，本文利用2000—2015年的遙感數(shù)據(jù)對荔波縣植被覆蓋狀況進行了動態(tài)監(jiān)測分析，目的在于了解荔波縣植被資源的動態(tài)變化及其變化趨勢，為世界自然遺產(chǎn)地荔波縣的生態(tài)保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

荔波縣地處貴州省南部，隸屬于黔南布依族苗族自治州（圖1），范圍在東經(jīng)107°37′～108°18′、北緯25°07′～25°09′之間，面積2 431.8 km2，包括1個街道、5個鎮(zhèn)、2個鄉(xiāng)；少數(shù)民族人口占總?cè)丝诘?0%以上，人口較多的少數(shù)民族有布依族、水族、瑤族、苗族等，布依族是荔波縣第一大民族，占全縣總?cè)丝诘?5%（2010年數(shù)據(jù)），是典型的少數(shù)民族聚集的縣區(qū)。

荔波縣東北與黔東南苗族侗族自治州的從江縣、榕江縣接壤，東南與廣西壯族自治區(qū)的環(huán)江縣、南丹縣毗鄰，西與獨山縣相連，北與三都水族自治縣交界。植物資源豐富，境內(nèi)有樟江國家級風(fēng)景名勝區(qū)和國家級茂蘭自然保護區(qū)。

荔波縣屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣溫分布的總趨勢是南高北低，全縣年平均氣溫18.3 ℃，常年最熱月為7月，最冷月為1月。7月平均氣溫為27 ℃以下，極端最高氣溫不超過40.0 ℃；1月平均氣溫各地均在5.5 ℃以上，極端最低氣溫在-10 ℃以上?？h內(nèi)霜期少，無霜期在270 d以上。降水主要集中在夏季。6—8月各月雨量在2 000 mm以上，占全年總雨量的50%左右；冬季（12月至翌年2月）僅占全年總雨量的5%左右；秋季（9—11月）占15%左右；春季（3—5月）海洋季風(fēng)逐漸增強，降水占全年雨量的30%左右；于4月下旬進入雨季，4—10月降水量占全年總降水量的81%。

荔波縣地處貴州廣西省區(qū)的交界處，地形聚集了貴州高原和廣西丘陵的綜合優(yōu)勢，既有高山也有丘陵，屬于喀斯特地形地貌。荔波境內(nèi)河流均屬龍江水系，歸珠江流域。荔波縣河流落差大，水能理論蘊藏量豐富。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用美國NASA提供的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，時間跨度為2000—2015年，該數(shù)據(jù)已經(jīng)通過了輻射校正、云體掩膜、大氣校正等處理。首先利用MRT（MODIS Reprojection Tools）軟件對遙感數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和鑲嵌工作，統(tǒng)一采用WGS_84地理坐標系、UTM投影；利用行政區(qū)劃圖邊界為掩膜裁剪出研究區(qū)邊界圖，通過批處理得到荔波縣2000—2015年的柵格圖像數(shù)據(jù)集。

2.2 最大值合成法

最大值合成法MVC（maximum value composite）是將全年23期遙感影像取最大值，可以在一定程度上去除太陽高度角、云、大氣等方面的影響[16-18]。

2.3 趨勢分析

一元線性回歸趨勢分析可以模擬每個柵格單元的變化趨勢，被廣泛應(yīng)用于基于柵格的植被綠度變化速率[12]。對各像元上的NDVI值進行一元線性回歸運算，可以了解多年植被空間變化規(guī)律，計算公式為：

k=■（1）

式（1）中，k為變化趨勢斜率；n為監(jiān)測年數(shù)；fi為第i年的植被覆蓋狀況，本文中是指NDVI值。k>0表示研究期間NDVI呈上升趨勢，植被覆蓋有所改善；k<0表明研究期間NDVI值呈下降趨勢，植被覆蓋有所退化；k=0為穩(wěn)定狀態(tài)，植被覆蓋狀況基本沒有改變。

2.4 變異系數(shù)（穩(wěn)定性分析）

植被NDVI的年際波動是植被受到干擾后在生產(chǎn)力和植被覆蓋度上波動的重要體現(xiàn)，是植被群落健康狀況的重要標志[19]。波動值大說明植被群落受到干擾強度大、不穩(wěn)定（植被狀況趨于恢復(fù)或退化）；波動值小說明植被群落狀況穩(wěn)定[20]。

利用研究期間植被NDVI的變異系數(shù)來反映研究區(qū)域內(nèi)植被變化的波動程度，其計算公式為：

S=■（2）

CV=■（3）

式（2）、（3）中，CV為變異系數(shù)，S為標準差，NDVI為多年植被NDVI的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋的年際變化

2000—2015年荔波縣年均NDVI值呈波動上升趨勢，增長率為0.018/10年（R2=0.574 7），見圖2（a）。其中，2000—2006年期間植被覆蓋增加緩慢，幾乎沒有增長（R2=0.046 1），見圖2（b）；2006—2012年期間植被覆蓋增加迅速，增長率為0.049/10年（R2=0.691 4），見圖2（c）；2013—2015年期間植被覆蓋增加速度稍有減緩，增長率為0.015/10年（R2=0.994 1），見圖2（d）。近16年間NDVI值隨時間的變化呈顯著上升趨勢，通過了置信度99%的顯著性檢驗，說明研究區(qū)經(jīng)過近10多年的退耕還林、還草等生態(tài)保護建設(shè)工程，植被狀況顯著改善。2000—2006年研究區(qū)的植被覆蓋基本上無明顯變化，這一研究結(jié)論與吳昌廣等人的研究結(jié)果一致，可能與西南地區(qū)的嚴重干旱有關(guān)[21]。

3.2 植被覆蓋空間分布及其變化

3.2.1 荔波縣植被覆蓋空間分布。荔波縣的植被覆蓋總體狀況較好，最低值在0.5以上，但是有明顯的空間差異，植被覆蓋較好的區(qū)域主要分布在南部、東北部和西部的部分山地，在城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、水域等分布的區(qū)域及交通沿線地區(qū)的植被覆蓋狀況較低（圖3）。

3.2.2 2000—2015年植被覆蓋的空間變化。荔波縣植被NDVI變化趨勢存在明顯的空間差異。2000—2015年研究區(qū)植被退化面積占研究區(qū)面積的23.09%，主要分布在荔波中部、南部、東北和西北等地區(qū)，在城鎮(zhèn)地區(qū)、交通沿線表現(xiàn)更加明顯。中部地區(qū)受建設(shè)用地增加的影響，植被退化比較明顯；南部、東北和西北部主要是農(nóng)業(yè)用地分布范圍較大。

植被覆蓋增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的75.06%，主要分布在荔波縣東部和西部地區(qū)；穩(wěn)定不變的區(qū)域占研究區(qū)面積的1.31%（圖4）。

樟江和茂蘭等自然保護區(qū)的植被變化呈上升趨勢，而南部植被覆蓋較好的區(qū)域，植被覆蓋呈退化趨勢，需要引起重視。

3.3 植被穩(wěn)定性的空間格局

多年植被NDVI的變異系數(shù)反映了植被的穩(wěn)定性，變異系數(shù)越大則植被穩(wěn)定性越差?？傮w來看荔波縣植被穩(wěn)定性較好。植被較好的地區(qū)，植被變異系數(shù)較小，較穩(wěn)定；植被覆蓋較差的地區(qū)，變異系數(shù)較大，不穩(wěn)定（圖5）。

在水域附近區(qū)域的植被變異系數(shù)較大，表明這些地區(qū)受濕地環(huán)境的影響，對環(huán)境脅迫比較敏感。

人口增加及城鎮(zhèn)化發(fā)展的加快、城市人口的增加對植被覆蓋產(chǎn)生了影響，針對人為干涉產(chǎn)生的結(jié)果，建議主要采用自然力進行生態(tài)修復(fù)，特別是出現(xiàn)輕微退化的生態(tài)脆弱區(qū)，要繼續(xù)加大封山育林的管理力度。對于嚴重退化的區(qū)域要結(jié)合人工修復(fù)，開展生態(tài)修復(fù)工程來改善其生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

本文利用2000—2015年MODIS數(shù)據(jù)，采用最大值合成法、趨勢分析和變異系數(shù)等方法，研究了世界自然遺產(chǎn)保護區(qū)荔波縣植被覆蓋的時空變化及變化趨勢，得出以下研究結(jié)論：

（1）荔波縣植被覆蓋較好的區(qū)域主要分布在東部和西部區(qū)域，城鎮(zhèn)、交通線附近分布區(qū)的植被覆蓋較差。

（2）研究期間荔波縣植被覆蓋呈上升趨勢，不同階段的變化趨勢有所區(qū)別。2000—2006年期間，植被覆蓋變化比較緩慢，可能與這一階段的干旱狀況有關(guān)；2006—2012年間植被上升趨勢最顯著；2013—2015年間植被變化趨勢開始變緩。

（3）研究期間，研究區(qū)植被覆蓋變化有顯著的空間差異性，自然保護區(qū)分布區(qū)的植被覆蓋較好，植被覆蓋比較穩(wěn)定；南部區(qū)域的植被退化應(yīng)該引起重視。

（4）造成植被退化的原因主要是人類活動，地形地貌也是造成植被變化的原因之一，氣溫、降水等變化也對植被變化的影響作用十分顯著。具體影響原因及其影響程度是今后進一步研究的重點。

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