典型喀斯特區(qū)植被變化及其與氣象因子的關系
———以廣西百色市為例

葉駿菲，陳燕麗，莫偉華，莫建飛2，3，，樊俏麗

（1.邕寧區(qū)氣象局，廣西 南寧530022；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西師范學院，廣西 南寧530022；3.廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西師范學院，廣西 南寧530022；4.廣西氣象科學研究所，廣西 南寧530022）

喀斯特地貌區(qū)是我國的四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一， 由于喀斯特環(huán)境本身的脆弱性和人類活動的影響，喀斯特環(huán)境的惡化則會導致其植被退化、基巖裸露，形成石漠化景觀。 多年來，巖溶石漠化問題已經成為廣西最為嚴重的生態(tài)問題之一[1]。 植被具有明顯的年際和季節(jié)變化， 是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)變化的“指示器”[2]。 近年來，隨著對地觀測技術不斷成熟， 采用遙感技術跟蹤喀斯特地區(qū)植被覆蓋變化， 已成為監(jiān)測評估喀斯特地區(qū)植被長勢、生態(tài)質量評價的重要監(jiān)測手段。

遙感反演的植被指數(shù)已被證實可以有效反映喀斯特區(qū)植被的季節(jié)和年際變化特征[6]，其中歸一化植被指數(shù)NDVI 是最常用的監(jiān)測指數(shù)。利用MODIS[4-6]、AVHRR[7，8]、TM[9]、SPOT[10]遙感數(shù)據反演的NDVI 已經開展了貴州[4，7，9]、廣西[3，10]、重慶[5]、云南[8]喀斯特地區(qū)植被時空變化研究。 氣候變化與植被變化的關系已經不同區(qū)域尺度上得到研究， 氣溫和降水與植被遙感指數(shù)的良好相關性也得到了驗證[6，11-15]。 蒙吉軍等[16]研究了20 世紀80 年代以來我國西南喀斯特地區(qū)植被變化對氣候變化的響應；童曉偉[10]結合氣象和地形數(shù)據分析了廣西河池市喀斯特區(qū)植被與氣候、地形的關系；張勇榮[17]研究了貴州省典型喀斯特區(qū)域植被對氣候變化的響應；丁文榮[18]探討了滇東南喀斯特地區(qū)植被覆蓋的時空變化特征及其與氣候因子、人類活動的關系，普遍發(fā)現(xiàn)氣溫和降水是影響喀斯特地區(qū)植被NDVI 的重要氣象因子。

巖溶喀斯特地貌在廣西廣泛分布，而百色市是廣西喀斯特面積和石漠化程度均較高的地區(qū)之一[24]。由于石漠化地區(qū)人口壓力大， 農民為了生存亂墾亂伐， 導致石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化及農民生活日益貧困[19]。盡管陳燕麗等[11，20]已對廣西西北部巖溶山地植被變化及其氣候驅動因子進行了詳細報道，但由于其所用的時間序列較短（2000—2010 年）且研究范圍的不同， 其所得結論在本研究區(qū)應用時缺乏針對性， 其適用性有待進一步研究。 本文利用2000—2017 年廣西百色市MODIS 衛(wèi)星遙感影像，研究近20 a 來研究區(qū)喀斯特地區(qū)植被及不同等級石漠化區(qū)植被時空變化狀況， 分析降水及氣溫與喀斯特區(qū)植被變化的相關性， 探討植被變化與氣象因子的關系， 擬為客觀評價該地區(qū)石漠化治理成效和喀斯特綜合治理對策制定提供參考。

1 數(shù)據與方法

1.1 研究區(qū)域

百色市是廣西壯族自治區(qū)下轄地級市， 地處廣西西部右江上游， 位于104°28′～107°54′E， 22°51′～25°07′N，西與云南文山州相接，北與貴州興義市毗鄰，東與廣西首府南寧緊連，南與越南接壤。 地勢南北高中間低， 由西北向東南傾斜， 屬亞熱帶季風氣候。研究區(qū)內地表切割強烈，峰林連綿，地貌奇特，裸巖多，土壤瘠薄，成土速度慢，環(huán)境條件差，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，是廣西喀斯特分布面積最大、石漠化最嚴重的地區(qū)之一[25]。

1.2 數(shù)據來源和預處理

遙感數(shù)據選用了NASA MODIS 陸地產品組根據統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS 植被指數(shù)產品MOD13Q1，即全球250 m 分辨率16 d 合成的植被指數(shù)產品，數(shù)據版本為V006，有關該產品的詳細介紹參見文獻[20]。所用的NDVI 數(shù)據采用了國際通用的最大值合成MVC（Maximum Value Composites）法獲得。

對所獲得的MOD13Q1 遙感數(shù)據集進行子集提取、圖像鑲嵌、數(shù)據格式轉換、投影轉換及質量檢驗等預處理，這些處理可以采用MODLAND 提供的專門軟件進行，經過以上處理獲得質量可靠的NDVI 數(shù)據集。

氣象數(shù)據為百色市氣象局提供的2000—2017年的氣溫、降水數(shù)據。

地理信息數(shù)據包括百色市縣行政邊界， 喀斯特地區(qū)矢量邊界。

通過石漠化等級數(shù)據野外調查， 獲取研究區(qū)潛在、輕度、中度、重度不同石漠化等級樣點（區(qū)），利用GPS 記錄其經緯度位置。 石漠化等級劃分主要以植被覆蓋率和巖石裸露率為指標，詳細參見文獻[21，32-34]。

1.3 研究方法

步驟一：在統(tǒng)計某一區(qū)域（包括整個研究區(qū)域或部分典型區(qū)域） 的NDVI 值時， 采用均值法進行計算，即統(tǒng)計區(qū)域內所有像元的NDVI 值的平均。

步驟二： 利用一元線性回歸計算氣候傾向率，分析喀斯特地區(qū)植被NDVI（氣溫、降水量）變化趨勢[28-31]。

步驟三：計算逐年NDVI 距平值。 在氣象上，距平值主要是用來確定某個時段或時次的數(shù)據， 相對于該數(shù)據的某個長期平均值是高還是低。其表達式為：

式中，R 為距平，Vm為實測值，Vh為同期歷史均值。為了方便比較，對距平作標準化處理，即可得到距平百分率R′：

步驟四：通過每個像元上n 年的YNDVIK，用趨勢線分析法模擬該像元值在n 年間的變化趨勢， 即植被覆蓋度的年際變化。 計算公式為：

式中，K 為1～n 的年序號，YNDVIK是第K 年生長季NDVI 平均值。 變化趨勢圖反映了在研究時間范圍內的時間序列中，研究地區(qū)NDVI 的年際變化趨勢。某像元的趨勢線是該點n 年的生長季NDVI 平均值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢，SLOPE即是這條趨勢線的斜率。 SLOPE＞0，表示NDVI 在n 年內的變化趨勢是增加的，反之則減少。

2 結果與分析

2.1 植被NDVI 年內變化規(guī)律

計算2000—2017 年各個16 d 周期NDVI 平均值，得到逐16 d MODIS NDVI 平均圖像。 采用均值法分別對百色市全喀斯特地區(qū)和潛在、輕度、中度、重度石漠化區(qū)NDVI 值進行統(tǒng)計，得出其年內NDVI變化趨勢曲線（圖1）。

圖1 研究區(qū)及其不同石漠化等級NDVI 年內變化

不同石漠化等級區(qū)的植被構成差異較大， 潛在石漠化區(qū)植被覆蓋度高，以喬木為主；輕度石漠化區(qū)以灌草為主， 有少量喬木； 中度石漠化區(qū)以灌草為主，有基巖裸露現(xiàn)象但比例較低；重度石漠化區(qū)僅有少量灌草覆蓋，基巖全部或大部裸露。植被覆被的差異直接導致其NDVI 的差異。

研究區(qū)植被及各石漠化等級區(qū)植被年內NDVI變化特征均表現(xiàn)出“夏秋高，冬春低”的趨勢，其NDVI曲線峰值出現(xiàn)在第209～273 天時段，即8 月上旬至9 月上旬。NDVI 最低值集中在第1～33 天時段，即1月和2 月上旬。 春季至秋初，NDVI 值總體處于增長趨勢， 秋中至次年春季，NDVI 值總體處于下降趨勢，增幅大于減幅。

研究區(qū)（大部分為潛在石漠化區(qū)）植被NDVI 變幅為0.45～0.74（均值0.61），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第257 天， 最低值出現(xiàn)在第33 天。 潛在石漠化區(qū)NDVI 變幅在為0.42～0.81（均值0.63），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第257 天，最低值出現(xiàn)在第17 天。 輕度石漠化區(qū)NDVI 變幅為0.30～0.69（均值0.54），其NDVI最高值出現(xiàn)在209 天，最低值出現(xiàn)在17 天。 中度石漠化區(qū)NDVI 為0.32～0.63（均值0.48），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第225 天， 最低值出現(xiàn)在第17 天和33天。 重度石漠化區(qū)NDVI 為0.24～0.53（均值0.40），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第209 天，最低值出現(xiàn)在第17 天。

由上述分析得知，隨著石漠化等級加重，其植被NDVI 均值降低。 以灌草為主的輕、中、重石漠化區(qū)NDVI 值最高值多出現(xiàn)在7 月中旬左右， 而以喬木為主的潛在石漠化區(qū)NDVI 最高只出現(xiàn)在8 月下旬左右，這是由于喬木生長要慢于灌草所致。輕、中、重石漠化區(qū)NDVI 值最大差別僅為0.16， 說明各石漠化等級之間極容易發(fā)生退化和改善之間的轉變，喀斯特地區(qū)植被生態(tài)較脆弱。

2.2 植被NDVI 年際變化趨勢

分別計算研究區(qū)全喀斯特地區(qū)、潛在、輕度、中度、重度石漠化區(qū)植被年NDVI 均值，利用氣候傾向率分析其年際變化趨勢（圖2）。 2000—2017 年百色全喀斯特地區(qū)及各等級石漠化區(qū)植被NDVI 均呈增加趨勢，即其植被均得到了不同程度的改善。 其中，重度石漠化區(qū)植被改善趨勢最顯著， 植被改善趨勢為0.063/10 a；其次為輕度石漠化區(qū)，植被改善率為0.058/10 a。盡管中度石漠化區(qū)植被改善趨勢略低于輕度、重度石漠化區(qū)，但其植被NDVI 變化更穩(wěn)定。

利用2000—2017 年研究區(qū)NDVI 序列，計算逐年NDVI 距平值， 根據多年NDVI 距平變幅并結合調查統(tǒng)計資料， 制定研究區(qū)植被NDVI 變化趨勢等級劃分標準（表1）?；谠摌藴?，采用一元回歸趨勢線法分析研究區(qū)植被年際變化趨勢（圖3）。

表1 植被NDVI 變化趨勢等級劃分標準

2000—2017 年，研究區(qū)植被改善（NDVI 增加或稍增加）面積比例為38.27%，植被退化（NDVI 減少或稍減少）面積比例為4.87%，植被變化穩(wěn)定（NDVI 變化不大）面積比例為57.86%。 研究區(qū)南部和東部植被改善較明顯，其中凌云縣、平果縣、德保縣、靖西縣、樂業(yè)縣，改善比例（NDVI 增加或稍增加面積占本縣總喀斯特面積比例）均超過40%。 西部和中南部植被退化較明顯，其中隆林縣退化比例（NDVI 減少或稍減少面積占本縣總喀斯特面積比例）最高，超過15%，田陽縣、田東縣、靖西縣改善比例超過5%（表2）。

表2 研究區(qū)植被變化趨勢統(tǒng)計%

圖2 2000—2017 年研究區(qū)及不同等級石漠化區(qū)植被NDVI 年際變化

圖3 2000—2017 年研究區(qū)植被變化趨勢

2.3 植被NDVI 與氣溫和降水量的關系

利用2000—2017 年MODIS NDVI 序列， 分別統(tǒng)計研究區(qū)年、春、夏、秋、冬植被NDVI 與同期降水量和氣溫的相關系數(shù)（表3）。

年尺度的平均氣溫與植被NDVI 相關性較高，平均相關系數(shù)為0.489，大多數(shù)站點為正相關。 對于季度尺度，平均氣溫與植被NDVI 多為正相關關系。其中，秋季平均氣溫與植被NDVI 的相關性最高，春季次之， 冬季氣溫與植被NDVI 相關性最低且總體為負相關。 年尺度的降水量與植被NDVI 的相關性也較高，平均相關系數(shù)為0.426，全部站點為正相關。對于季度尺度， 降水量與植被NDVI 的相關性多為正相關關系。其中，春季降水量與植被NDVI 的相關性最高，秋季次之，冬季氣溫與植被NDVI 相關性最低且部分站點為負相關。對比分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與研究區(qū)植被NDVI 的相關性略好于降水量， 年尺度氣溫和降水量對植被NDVI 影響均較明顯， 秋季和春季氣溫降水對植被NDVI 影響較大， 冬季影響最小。秋季氣溫對植被NDVI 的作用大于降水量，而春季降水量的作用大于氣溫。

表3 研究區(qū)植被NDVI 與降水量和氣溫相關系數(shù)

依據研究區(qū)植被變化趨勢分析結果， 選擇植被改善明顯地區(qū)（凌云縣、平果縣、德?？h、樂業(yè)縣）和植被退化明顯地區(qū)（隆林縣、田陽縣、田東縣），對比分析兩者的氣候特征（表4）。 與全喀斯特地區(qū)相比較，植被改善明顯地區(qū)表現(xiàn)出如下特征：春、夏、秋、冬溫度增溫更明顯（氣候傾向率分別為0.39、0.50、0.80、0.07 ℃/10 a、）高于全喀斯特地區(qū)平均水平（分別為0.37、0.41、0.68、-0.3 ℃/10 a）；春、夏季降水量減幅明顯（氣候傾向率分別為-9.89、-1.04 mm/10 a），低于全喀斯特地區(qū)平均水平（氣候傾向率分別為-6.28、12.89 mm/10 a）；秋季降水量增幅明顯（氣候傾向率為94.61 mm/10 a）， 高于全喀斯特地區(qū)平均水平（72.70 mm/10 a）。 而對于植被退化明顯地區(qū)則表現(xiàn)出相反的變化趨勢。綜上，研究區(qū)植被生長是氣溫和降水綜合作用的結果， 目前氣候變化所引起的增溫幅度有利于研究區(qū)植被生長， 且春夏季降水減少、秋季降水增多的氣候變化趨勢更利于植被生長。分析其原因，可能是對于喀斯特石漠化區(qū)而言，由于石漠化程度不同，灌草、灌木、喬木且所占比例差異使得植被覆蓋度差異較大。 對于中、重度石漠化區(qū)，植被稀疏，保水保墑能力較差，而研究區(qū)春夏季降水主要為大雨、暴雨[22]，過于集中的降水并不利于植被生長甚至會加重水土流失。研究區(qū)秋季干旱頻率高[23]，秋季降水量的增多可以降低干旱對植被的影響，有利于植被生長恢復。

3 結論和討論

研究區(qū)植被及各石漠化等級區(qū)植被年內NDVI變化特征均表現(xiàn)出“夏秋高，冬春低”的趨勢，隨著石漠化等級加重，植被NDVI 均值降低。 植被NDVI 峰值多出現(xiàn)在8 月上旬—9 月上旬， 谷值出現(xiàn)在1 月和2 月上旬。 但以灌草為主的輕、中、重石漠化區(qū)植被NDVI 峰值出現(xiàn)時間較早， 以喬木為主的潛在石漠化區(qū)植被NDVI 峰值出現(xiàn)時間較遲。 2000—2017年百色全喀斯特地區(qū)及各等級石漠化區(qū)植被NDVI均呈改善趨勢， 且重度石漠化區(qū)植被改善趨勢最明顯，輕度石漠化區(qū)次之。研究區(qū)植被多為穩(wěn)定變化和改善趨勢， 改善、 變化不大和退化面積比例分別為38.27%、57.86%、4.87%。 平均氣溫和降水量與研究區(qū)植被NDVI 相關性均較高， 且平均氣溫與植被NDVI 的相關性總體好于降水量。 年尺度氣溫和降水量對植被NDVI 影響均較明顯，季度尺度上，秋季和春季氣溫降水對植被NDVI 影響較大， 冬季影響最小。 目前氣候變暖引起的增溫幅度有利于喀斯特地區(qū)植被生長，春夏季降水減少、秋季降水增多的氣候變化趨勢更利于研究區(qū)植被改善。

本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)植被NDVI 與氣溫和降水量的相關性較好，年、夏季、秋季氣溫與植被NDVI 相關性高于降水量。 張勇榮等[17]指出，1999—2010 年貴州省典型喀斯特區(qū)域植被NDVI 與年均氣溫和降水量均具有較強的負相關性， 且年均氣溫的影響力大于年降水量。 蒙吉軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，1981—2000年西南喀斯特地區(qū)不同的植被類型對氣候變化有著不同的響應特征， 氣溫變化對植被變化的影響高于降水量。童曉偉等[10]發(fā)現(xiàn)1999—2010 年河池市年均氣溫變化對植被NDVI 的影響略高于年均降水變化的影響。 上述對其它喀斯特地區(qū)的研究與本文結論一致， 均驗證了氣溫和降水量對喀斯特地區(qū)植被的重要驅動作用， 且在年尺度上氣溫的作用大于降水量。 但陳燕麗等[11，20]對廣西西北部巖溶山地植被變化與氣溫、降水量的研究中發(fā)現(xiàn)，植被NDVI 與氣溫相關性較好，但與降水量的相關性不明顯。與本研究結果不一致， 可能原因是因為其所用的時間序列（2000—2010 年）和研究范圍與本文不一致。丁文容等[18]研究發(fā)現(xiàn)，2001—2010 年水分類氣象因子是滇東南喀斯特地區(qū)植被NDVI 年內變化主要的影響因素，其作用大于溫度類氣象因子。進一步證明了由于降水的時空異質性， 其對植被生長的作用機制更復雜。

表4 研究區(qū)氣溫和降水量氣候傾向率

本文在相關分析的基礎上， 通過分析植被改善（退化）區(qū)的氣象因子變化特征，深入研究氣溫和降水量對植被改善（退化）作用，一定程度上改善了目前有關喀斯特地區(qū)植被—氣候相互作用研究中僅利用相關系數(shù)進行判定的研究現(xiàn)狀。但是，由于本研究中石漠化等級數(shù)據來源與地面調查點數(shù)量較少，在進一步的研究中， 可利用格點化氣象數(shù)據和更全面的石漠化調查樣點，深入分析不同季節(jié)氣溫、降水變化及其組合對不同等級石漠化植被影響的內在機理。同時，本研究針對植被改善明顯地區(qū)和植被退化明顯地區(qū)的氣候特征分析選用的縣樣本較少， 且對特例樣本如德保縣（春夏降水減幅大，秋季降水增幅大）沒有進行深入研究，因此研究得出的結論適用范圍有限，有待于深入研究。