貴州喀斯特石漠化植被時(shí)空變化特征研究

田鵬舉，吳仕軍，徐丹丹，丁立國(guó)，黃林峰

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2. 貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.貴州省氣象學(xué)會(huì)，貴州 貴陽(yáng) 550002)

貴州喀斯特石漠化植被時(shí)空變化特征研究

田鵬舉1，吳仕軍2，徐丹丹3，丁立國(guó)1，黃林峰1

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2. 貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.貴州省氣象學(xué)會(huì)，貴州 貴陽(yáng) 550002)

運(yùn)用近14 a MODIS-NDVI資料，通過(guò)最大值合成法，加權(quán)平均法生成月、年NDVI時(shí)間序列資料，用線性趨勢(shì)法和差值法分析貴州14 a來(lái)喀斯特石漠化區(qū)域植被時(shí)空變化。結(jié)果表明：①植被變化總體呈上升趨勢(shì)，由于干旱的影響，上升過(guò)程中出現(xiàn)階段性的波動(dòng)，2003—2005年為下降趨勢(shì)，2006—2009年呈上升態(tài)勢(shì)，2010—2014年波動(dòng)很小相對(duì)穩(wěn)定，2015—2016年又呈現(xiàn)快速上升勢(shì)頭；②線性趨勢(shì)法和差值法兩種方法都反映了近14 a來(lái)植被變化總體為上升趨勢(shì)，潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化等區(qū)域近14 a植被上升面積百分比均在90%以上，強(qiáng)度石漠化相對(duì)較低，說(shuō)明其治理難度更大；③喀斯特植被退化區(qū)主要分布在市(州)府所在地。

石漠化,植被，喀斯特，NDVI

1 引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接土壤、大氣和水分的紐帶，是生態(tài)平衡的支柱。植被指數(shù)VI(Vegetation Index)是對(duì)地表植被活動(dòng)的簡(jiǎn)單、有效的度量[1]，歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是多種植被指數(shù)中應(yīng)用最廣泛的，其變化趨勢(shì)在一定程度上代表著地表植被覆蓋變化、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化，為多年植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)保證，成為全球諸多植被變化研究的首選數(shù)據(jù)源并得到廣泛應(yīng)用[2]。MODIS遙感數(shù)據(jù)區(qū)域宏觀性好、時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，為大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植被變化提供了很好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

石漠化是在喀斯特脆弱的生態(tài)環(huán)境下，因人類(lèi)不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，造成人地矛盾突出、植被破壞、土壤侵蝕、巖石逐漸裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失，地表在視覺(jué)上呈現(xiàn)類(lèi)似于荒漠景觀的演變過(guò)程[3-5]。石漠化問(wèn)題已成為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，貴州省處于世界喀斯特最復(fù)雜、類(lèi)型最齊全、分布面積最大的東亞喀斯特區(qū)域中心，是我國(guó)石漠化面積最大、災(zāi)害最嚴(yán)重的省份[6]。針對(duì)貴州石漠化的研究和治理，諸多專(zhuān)家做了大量的研究并取得了系列成果[7-11]。王志偉[12]、馬士彬[13]等NDVI分析了貴州喀斯特植被變化，但研究的時(shí)段和利用的衛(wèi)星資料各有不同，本文將采用2003—2016年的MODIS-NDVI資料，研究近14 a貴州喀斯特不同石漠化等級(jí)區(qū)的植被時(shí)空變化。

2 研究區(qū)域概況

貴州地處珠江水系和長(zhǎng)江水系的分水嶺地帶,高聳于四川盆地和廣西丘陵之間，是一個(gè)典型的亞熱帶高原山區(qū)。省內(nèi)碳酸鹽巖廣布,喀斯特極其發(fā)育,是西南喀斯特地貌最集中成片分布的中心片區(qū)。在人為活動(dòng)和自然因素的共同作用下，脆弱的喀斯特山區(qū)植被遭受破壞，水土流失嚴(yán)重，石漠化明顯，大片丘陵變?yōu)榛纳蕉d嶺。貴州巖溶出露面積占全省總面積的61.92%,喀斯特石漠化面積占其所在州市總面積百分比只有黔東南州一個(gè)地區(qū)在10%以下，其余市州均在10%以上，安順市和六盤(pán)水市高達(dá)30%以上。本文以2000年貴州省喀斯特石漠化分布[8](圖1)為基礎(chǔ)，運(yùn)用分辨率為250 m的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)研究分析近14 a貴州省石漠化區(qū)域的植被變化情況，以研究區(qū)植被變化為切入點(diǎn)分析貴州省生態(tài)文明建設(shè)的成效，為石漠化區(qū)域進(jìn)一步的治理提供數(shù)據(jù)參考。

圖1 貴州省喀斯特石漠化分布圖(2000年)Fig.1 Karst rocky desertificationdistribution map in GuiZhou

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

來(lái)源1：貴州省氣象局遙感接收系統(tǒng)接收的250 m分辨率EOS/MODIS資料。

來(lái)源2：部分資料來(lái)源于國(guó)家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)EOS/MODIS資料。

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用經(jīng)過(guò)預(yù)處理后MODIS數(shù)據(jù)，用公式(1)計(jì)算生成2003—2016年逐日NDVI，再運(yùn)用最大值合成法(MVC，Maximum Value Composite)生成每旬、月的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，再采用加權(quán)平均法生成年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。運(yùn)用線性趨勢(shì)法和差值法對(duì)近10 a的植被指數(shù)變化進(jìn)行處理分析。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR表示近紅外波段的反射率，R表示可見(jiàn)光紅波段的反射率。

線性趨勢(shì)法：對(duì)于年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，每個(gè)像元都相應(yīng)有14 a的NDVI時(shí)間序列數(shù)值, 這些NDVI數(shù)值的線性趨勢(shì)系數(shù)揭示了該像元(區(qū)域)植被覆蓋在14 a的時(shí)空序列中的演變趨勢(shì)。

(2)

公式(2)中:slop為每個(gè)像元的線性趨勢(shì)斜率,xi為第i年的年NDVI的平均值,ti為年份(研究年份為2003—2016年),n為總年數(shù), 本次研究為14。

差值法：利用2016年NDVI數(shù)據(jù)減去2003年NDVI數(shù)據(jù)，得到這兩個(gè)年份之間植被差值，直觀反映近14 a的貴州植被變化。

將喀斯特石漠化分為無(wú)明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強(qiáng)度石漠化5個(gè)等級(jí)，使用線性趨勢(shì)法和差值法分析研究各個(gè)等級(jí)石漠化區(qū)域的植被變化特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被年變化分析

通過(guò)GIS技術(shù)提取各級(jí)石漠化區(qū)域各年的NDVI值，如圖2～圖6所示，各級(jí)石漠化區(qū)域的植被變化趨勢(shì)基本一致，都處于明顯的增加趨勢(shì)，NDVI年均增加幅度都在0.006以上，其中中度石漠化區(qū)域年增幅為0.007 0，輕度和潛在石漠化區(qū)域增幅為0.006 9，強(qiáng)度石漠化為0.006 5，無(wú)明顯石漠化區(qū)域?yàn)?.006 1。

從年度變化來(lái)看，2003—2005年各級(jí)石漠化區(qū)域的NDVI值逐年降低，反映了該時(shí)間段貴州石漠化處于逐年惡化的趨勢(shì)；2006—2009年，NDVI值逐年上升，從0.36升到0.40以上，其中潛在石漠化、輕度石漠化和中度石漠化區(qū)域上升到0.44；2010—2014年區(qū)域的植被相對(duì)比較穩(wěn)定，植被指數(shù)值在0.41～0.45之間波動(dòng)；2015—2016年除了強(qiáng)度石漠化區(qū)域外，其余石漠化區(qū)的NDVI值在2016年都上升至0.48，反映了2015年和2016年貴州省在石漠化區(qū)域的治理成效明顯，石漠化區(qū)域的生態(tài)環(huán)境得到了一定程度的改善。

圖2 無(wú)明顯石漠化植被年變化圖Fig.2 The annual variation of vegetation in unobvious rocky desertification

圖3 潛在石漠化植被年變化圖Fig.3 The annual variation of vegetation in potential rocky desertification

圖4 輕度石漠化植被年變化圖Fig.4 The annual variation of vegetation in mild rocky desertification

圖5 中度石漠化植被年變化圖Fig.5 The annual variation of vegetation in moderate rocky desertification

圖6 強(qiáng)度石漠化植被年變化圖Fig.6 The annual variation of vegetation in severerocky desertification

4.2 基于線性趨勢(shì)法植被變化分析

對(duì)于NDVI影像圖的每個(gè)像元, 都相應(yīng)有14 a的NDVI時(shí)間序列數(shù)值, 根據(jù)公式(2)計(jì)算出每個(gè)像元的NDVI數(shù)值的線性趨勢(shì)系數(shù)slop，slop值為負(fù)則植被降低，為正則植被上升，為零則不變。采用專(zhuān)家打分法將變化趨勢(shì)分為嚴(yán)重退化、稍有減少、基本不變、稍有增加和明顯增加這5個(gè)等級(jí)，得到圖7。由圖7可以看出近14 a貴州全省的植被總體變化呈上升的趨勢(shì)，主要以稍有增加等級(jí)為主，明顯增加的區(qū)域分布在威寧縣西南部和赤水市北部，嚴(yán)重退化和稍有減少的區(qū)域主要分布在貴陽(yáng)市、凱里市、遵義市、興義市、銅仁市等近幾年城鎮(zhèn)化發(fā)展較快城市，基本不變區(qū)域主要分布在黔東南州和梵凈山保護(hù)區(qū)。

運(yùn)用GIS中的空間分析模塊中的Extract by Mask工具提取出各級(jí)石漠化區(qū)域的變化趨勢(shì)系數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到(表1)，各石漠化等級(jí)區(qū)域的植被總體變化均呈上升趨勢(shì)，稍有增加等級(jí)的比例都在85%以上。無(wú)明顯石漠化區(qū)植被改善面積為27 725.6 km2，比例為91.9%；潛在石漠化為4 6005.9 km2，比例為95.0%；輕度石漠化為18 923.8 km2，比例為94.5%；中度石漠化為12 534 km2，比例為95.2%；強(qiáng)度石漠化為2 177.7 km2，比例為88.1%。

圖7 基于線性趨勢(shì)法貴州省近14 a植被變化分布圖Fig.7 The distribution of vegetation variation in Guizhou during recent 14 years base by linear trend method

等級(jí)無(wú)明顯石漠化面積/km2百分比/%潛在石漠化面積/km2百分比/%輕度石漠化面積/km2百分比/%中度石漠化面積/km2百分比/%強(qiáng)度石漠化面積/km2百分比/%嚴(yán)重退化 21800798002260012400203001稍有減少491716337650781760088109408308003基本不變19389642203244209127456518739429291185稍有增加2686018901442966914818332591591217259246210648522明顯增加86552871709335359132953614275713288

4.3 基于差值法植被變化分析

2016—2003年相減得到NDVI差值，采用專(zhuān)家打分法將差值圖為嚴(yán)重退化、稍有減少、基本不變、稍有增加和明顯增加這5個(gè)等級(jí)，得到圖8。由圖8可以看出近14 a貴州植被總體以上升趨勢(shì)為主，主要以稍有增加等級(jí)為主，明顯增加的區(qū)域分布在北部、西北部以及黔南州與黔西南州交界附近；嚴(yán)重退化和稍有減少的區(qū)域主要分布在貴陽(yáng)、安順、凱里、遵義、興義、銅仁市碧江區(qū)等近幾年城鎮(zhèn)化發(fā)展較快城市，基本不變區(qū)域主要分布在黔東南州中部。

由表2可知各石漠化區(qū)域近14 a植被處于稍有增加等級(jí)的比例和面積都是最大的，稍有增加的比例在81.08%～83.12%之間，無(wú)明顯石漠化區(qū)植被改善面積為27 050.21 km2，比例為89.6%；潛在石漠化改善面積為45 485.1 km2，比例為93.9.0%；輕度石漠化改善面積為1 876.4 km2，比例為93.8%；中度石漠化改善面積為12 386.9 km2，比例為94.1%；強(qiáng)度石漠化改善面積為有2 132.2 km2，比例為86.0%。

圖8 基于差值法貴州省近14 a植被變化分布圖Fig.8 The distribution of vegetationvariationin Guizhou during recent 14 years base by difference method

等級(jí)無(wú)明顯石漠化面積/km2百分比/%潛在石漠化面積/km2百分比/%輕度石漠化面積/km2百分比/%中度石漠化面積/km2百分比/%強(qiáng)度石漠化面積/km2百分比/%嚴(yán)重退化 38701341100812300610500806003稍有減少533417744480922123106136310497039基本不變255578472451650610258513630247933591355稍有增加2477318209402506831216525282561084898241200948108明顯增加227717555234510812239411191538111681228495

5 小結(jié)

近14 a來(lái)貴州喀斯特石漠化區(qū)域植被變化總體呈上升趨勢(shì)，但存在階段性的波動(dòng)， 2003—2005年為下降趨勢(shì)；2006—2009年呈上升態(tài)勢(shì)；2010—2014年波動(dòng)很小相對(duì)穩(wěn)定，2015—2016年又呈現(xiàn)快速上升勢(shì)頭。2005年植被的下降是因受到當(dāng)年干旱的影響；2009、2010、2011、2013年貴州都有干旱發(fā)生，年降雨量低于常年，植被的上升趨勢(shì)受到阻礙；2015年和2016年未受干旱影響，年降雨量高于常年，植被快速上升。

線性趨勢(shì)和差值法兩種方法都反映了14 a來(lái)植被變化總體為上升趨勢(shì)，其中潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化等區(qū)域植被上升面積百分比均在90%以上，強(qiáng)度石漠化相對(duì)較低，說(shuō)明其治理難度更大。喀斯特區(qū)域植被退化主要分布在市(州)府所在地，在城鎮(zhèn)化建設(shè)同時(shí)需注重城市的綠化。

近14 a貴州喀斯特石漠化的植被覆蓋有所提升，石漠化治理和生態(tài)文明建設(shè)取得了初步成效，但喀斯特石漠化的防治工作依舊艱巨。

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AnalysisofSpatial-temporalVariationCharacteristicofVegetationinKarstRockyDesertificationAreainGuizhou

TIAN Pengju1, WU Shijun2, XU Dandan3, DING Liguo1, HUANG Linfeng1

(1.Climate Center of Guizhou Province, Guiyang 550002, China; 2.Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Guiyang 550081, China; 3.Guizhou Provincial Meteorological Society, Guiyang 550002, China)

Utilizing recent 14 years MODIS /NDVI data, the methods of Maximum Value Composite, Weighted average method were used to generate the monthly and annual NDVI time series data, spatial-temporal variation characteristics of Guizhou Karst rocky desertification Area in recent 14 years was analyzed by linear trend method and the difference method. The following conclusions were obtained: 1.The Vegetation variation is general on the rising trends, due to influence of droughts, having characteristics of periodic fluctuations in the ascending process, the variation from 2003 to 2005 is the downward trend, the variation from 2006 to 2009 is the rising trends, while fluctuations are small and relatively stable from 2010 to 2014,the rapid upward momentum occurred in 2015-2016; 2. The results of linear trend method and the difference method all show that the vegetation variation is general on the rising trends in recent 14 years, the area percentage whose variation on therising trends are higher than 90% in the areas of the potential rocky desertification, mild rocky desertification and moderate rocky desertification, the percentage of severe rockydesertification is relatively lower than others ,which shows there is much more difficulty inrocky desertification control in severe rocky desertification area; 3.The vegetation degradation areas are mainly distribute in the capitals of states(cities).

rocky desertification; vegetation; karst; NDVI

1003-6598(2017)05-0020-05

2017-06-06

田鵬舉(1980-)，男，工程師，主要從事遙感應(yīng)用處理工作，E-mail：729106280@qq.com。

貴州省氣象局青年基金黔氣科合QN[2017]號(hào)：基于EOS-MODIS的近十年貴州植被時(shí)空變化研究。

S718.54

B