基于Geodetector的廣西喀斯特植被覆蓋變化及其影響因素分析

劉大元，張雪梅，岳躍民*，王克林，鄒冬生

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 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)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 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，廣西 環(huán)江 547100）

廣西是我國(guó)主要巖溶發(fā)育區(qū)之一，全區(qū)喀斯特面積為9.87×104km2，占廣西國(guó)土總面積的41.75%。特定的地質(zhì)演化過程奠定了脆弱的環(huán)境背景，特別是純碳酸鹽巖的大面積出露，為石漠化的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。《中國(guó)·巖溶地區(qū)石漠化狀況公報(bào)》顯示，廣西是中國(guó)第三大石漠化區(qū)域，是石漠化綜合治理的重點(diǎn)。截止到2016年，該地區(qū)潛在石漠化面積達(dá)2.67萬km2，其中，石漠化面積為1.53×104km2，占石漠化土地總面積的15.20%。與2011年相比，廣西石漠化土地面積減少0.39×104km2，面積減少率為20.40%。2008—2010年中國(guó)西南八省共有100個(gè)石漠化綜合治理試點(diǎn)工程縣，其中，廣西有12個(gè)，2011年逐步擴(kuò)大到35個(gè)。截止到2016年，廣西共有76個(gè)縣納入到國(guó)家石漠化治理范圍[1]。2008年國(guó)務(wù)院批復(fù)的《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱（2006—2015）》旨在加強(qiáng)植樹造林、封山育林等措施，恢復(fù)改善巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境。研究表明，喀斯特石漠化整體擴(kuò)展的趨勢(shì)得到有效抑制。但由于喀斯特地質(zhì)地貌背景及生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和異質(zhì)性，無法在更大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，石漠化防治任務(wù)依然艱巨[2]。

植被是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換的樞紐，是防止生態(tài)退化的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，植被恢復(fù)是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的前提，同時(shí)也是退化生態(tài)系統(tǒng)重建的核心與關(guān)鍵。植被具有明顯的年際變化和季節(jié)變化特征，是連結(jié)土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，是反映生態(tài)環(huán)境的鏡子，在一定程度上反映了土地覆蓋的變化[3]。了解植被覆蓋時(shí)空演變格局對(duì)掌握生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)成效有重要意義。遙感具有數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今進(jìn)行區(qū)域尺度研究的有效手段之一，并可對(duì)地面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的連續(xù)性監(jiān)測(cè)。通過遙感手段獲取的長(zhǎng)時(shí)間序列生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)（GSN）既可以反映植被生長(zhǎng)的年際特征，又可以表現(xiàn)植被的季節(jié)特征，是表征陸表植被生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[4]。植被凈第一性生產(chǎn)力作為表征植被活動(dòng)的關(guān)鍵變量，在全球碳平衡中扮演著重要作用[5]。以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為信息源的植被凈第一性生產(chǎn)力研究已顯示出其優(yōu)越性[6]。

在進(jìn)行植被恢復(fù)和植被重建中，探尋影響植被變化的敏感因子，為實(shí)施有針對(duì)性的、有效的、合理的、可持續(xù)性的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)政策提供理論指導(dǎo)，從而摒棄現(xiàn)有的盲目的、低效的、不合理的政策與措施。因而植被恢復(fù)對(duì)喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的提升具有重要意義。楊紹鍔等[7]利用SPOT VEGETATION NDVI數(shù)據(jù)研究了1999—2011年廣西植被覆蓋的時(shí)空變化特征，得出植被具有增加趨勢(shì)的結(jié)論。韋振鋒等[8]利用GIMMS NDVI數(shù)據(jù)研究了廣西1999—2010年NDVI時(shí)空變化特征并探究了NDVI與氣候因素間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)降水對(duì)植被的相關(guān)程度相對(duì)氣溫的影響較弱。王永峰和靖娟利[9]在楊紹鍔等[7]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了植被對(duì)降水量和溫度的響應(yīng)，得出與韋振鋒等[8]相同的結(jié)論。劉鴻雁等[10]利用NDVI和NPP分別表征喀斯特地區(qū)植被活動(dòng)和植被生產(chǎn)力，探究不同巖性背景下植被活動(dòng)和植被生產(chǎn)力的差異。以上研究只探究了植被對(duì)氣候變化等自然因素的響應(yīng)，忽略了土壤等其他自然因素和人類活動(dòng)的影響。Zhao等[11]基于長(zhǎng)時(shí)間序列生長(zhǎng)季NDVI數(shù)據(jù)，分別研究了全球尺度上和區(qū)域尺度上植被時(shí)空變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)全球尺度上的1982—2013年生長(zhǎng)季植被變化趨勢(shì)有近2/3是由歷史人為因素解釋的，厄爾尼諾-南方濤動(dòng)等氣候因素對(duì)生長(zhǎng)季NDVI變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)較小，Liu等[12]發(fā)現(xiàn)區(qū)域尺度上氣候?qū)﹂L(zhǎng)時(shí)間NDVI變化有顯著影響，但短時(shí)間NDVI變化的影響不顯著，但忽略了區(qū)域小氣候以及人類活動(dòng)變化對(duì)植被時(shí)空變化的影響等細(xì)節(jié)信息，同時(shí)缺乏對(duì)植被空間分異的原因解釋。綜上所述，植被的時(shí)空分布特征是區(qū)域內(nèi)自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果[13-14]。Kim-Anh和liou[15]繪制的全球生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)分布圖中顯示，廣西是我國(guó)主要的生態(tài)環(huán)境極脆弱分布區(qū)之一，研究廣西植被時(shí)空變化特征以及探究引起植被時(shí)空差異的主要原因，對(duì)廣西生態(tài)環(huán)境保護(hù)和植被恢復(fù)具有重要意義。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，利用1982—2015年長(zhǎng)時(shí)間序列生長(zhǎng)季NDVI數(shù)據(jù)和1982—2016年≥5 m林地覆蓋面積比例數(shù)據(jù)對(duì)比分析了植被時(shí)空變化趨勢(shì)；另外，選取了氣候、土壤等自然因子，與道路和居民點(diǎn)等之間的距離、人口密度和GDP等人文因子，探究區(qū)域尺度主導(dǎo)影響因素對(duì)植被覆蓋時(shí)空格局分異的影響，揭示廣西植被覆蓋時(shí)空變化格局的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為今后喀斯特區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施和調(diào)整提供科學(xué)合理的理論支持。

1 研究區(qū)概況

廣西壯族自治區(qū)地處中國(guó)南疆，位于104°28′～112°04′E，20°54′～26°24′N 之間，北回歸線橫貫中部。廣西處于第二階梯中的云貴高原東南邊緣，兩廣丘陵西部，南臨北部灣。地勢(shì)西北高，東南低。廣西臨海，處在太平洋季風(fēng)與印度洋季風(fēng)交匯影響的邊緣地帶，屬中-南亞熱帶和北熱帶氣候區(qū)，多年平均降水1 110～2 155 mm之間，氣溫在11.7～23.5 ℃之間。季節(jié)降水不均，4～9月為雨季。雨量充沛，光、熱充足，且具有水熱同期的分布特點(diǎn)，為喀斯特地貌的強(qiáng)烈發(fā)育提供了必要的溶蝕條件。土壤類型主要以黃壤、紅壤和石灰土為主，呈地帶性分布[16]。喀斯特地貌發(fā)育，生態(tài)環(huán)境脆弱，表現(xiàn)出不同層次的斜坡過渡界面，在地質(zhì)地貌、氣候等的影響下，形成了依賴性強(qiáng)、抗干擾能力弱的脆弱生態(tài)地帶[17]。石漠化問題嚴(yán)重，石漠化面積占我國(guó)石漠化土地總面積的15.2%，主要分布在峰叢洼地、峰林平原等地貌類型區(qū)，也是主要的石漠化綜合治理工程類型區(qū)（圖1）。植被類型多樣，桂西北地區(qū)主要分布針葉林，東南地區(qū)主要分布有闊葉林。水資源、礦產(chǎn)資源和旅游資源豐富，但地區(qū)貧富差距大。

圖1 研究區(qū)概況Fig. 1 General Situation of the research area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選用了GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率8 km×8 km，時(shí)間分辨率15 d，時(shí)間跨度從1982—2015年。選用一月兩次數(shù)據(jù)中的最大值作為當(dāng)月NDVI以減少云和大氣噪音。為了更準(zhǔn)確地反映植被信息，對(duì)4—11月的NDVI求取平均值作為本年的生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)（GSN）[4,18]。

The Vegetation Continuous Cover / Fields (VCC/VCF)數(shù)據(jù)從USGS網(wǎng)站（https://lpdaac.usgs.gov/products/vcf5kyrv001/）下載，是最新的反映陸地表面覆被比例特征的數(shù)據(jù)，Song 等[19]利用該數(shù)據(jù)分析了全球土地利用變化，相關(guān)成果于2018年發(fā)表在Nature上。該數(shù)據(jù)時(shí)間序列從1982—2016年，0.05°×0.05°空間分辨率，包括高度≥5 m的冠層覆蓋（Tree canopy cover，TC）、矮植被覆蓋（Short vegetation cover，SV）和沒有植被覆蓋的土地，即裸地覆蓋（Bare ground cover，BG）。每個(gè)像元對(duì)應(yīng)TC、SV和BG的面積比例，代表當(dāng)時(shí)植被生長(zhǎng)高峰期的植被組成。另外，分析了1982—2016年平均TC和BG的面積比例在時(shí)間和空間上的變化趨勢(shì)，從土地利用變化上研究廣西植被覆蓋時(shí)空格局變化特征。

氣候和土壤因素是植被生長(zhǎng)不可缺少的兩大因素。同時(shí)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)植被的影響不容忽視。因此，本研究選取了氣候（年均溫、年均降水量、濕潤(rùn)指數(shù)、＞0 ℃積溫和＞10 ℃積溫）、土壤（土壤有機(jī)碳，有機(jī)氮）和人類活動(dòng)（距離）等因素，探究自然要素和人為要素對(duì)廣西植被的影響。各因素?cái)?shù)據(jù)均從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //www.resdc.cn/)下載，空間分辨率為1 km×1 km。

為了便于統(tǒng)計(jì)和保證研究精度，本研究基于空間分辨率最低（8 km×8 km）的NDVI數(shù)據(jù)，利用fishnet工具生成8 km×8 km網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)了1982—2015年GSN均值，探究廣西植被覆蓋時(shí)空變化特征。同時(shí)，將8 km×8 km網(wǎng)格作為矢量圖層，借助分層統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)VCF數(shù)據(jù)和各因素的均值，便于做進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 研究方法

空間大數(shù)據(jù)具有空間分層異質(zhì)性特征，簡(jiǎn)稱空間異質(zhì)性或區(qū)異性，是指層內(nèi)方差小于層間方差的地理現(xiàn)象，地理探測(cè)器是空間數(shù)據(jù)探索性分析的有力工具[20]。在利用地理探測(cè)器之前需要將連續(xù)變量通過適當(dāng)?shù)碾x散化方法轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋妥兞浚捶謱樱ǚ诸惢蚍謪^(qū)）[20]。本研究利用該模型研究植被覆蓋演變驅(qū)動(dòng)力的空間分異。地理探測(cè)器有四個(gè)探測(cè)器組成：風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器、因子探測(cè)器、生態(tài)探測(cè)器和交互作用探測(cè)器。本研究主要利用風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器、因子探測(cè)器和生態(tài)探測(cè)器來探究影響植被覆蓋和裸地時(shí)空變化的因素。因子探測(cè)器調(diào)查敏感因素，檢驗(yàn)?zāi)撤N地理因素是否是形成植被覆蓋時(shí)空格局的原因，具體做法是比較NDVI值在不同類別分層上的總方差與NDVI在整個(gè)研究區(qū)上的總方差，比值越小，則該種因素對(duì)植被空間分布的影響越大，表達(dá)式為：

式中：D為影響因子；H為植被和土地利用指標(biāo)，PD,H為探測(cè)因子D對(duì)H空間分異的解釋力；i=1，…，L為因子D的分層，即分類或分區(qū)；ni和n分別為層i和全區(qū)的單元數(shù)；Vari和Var分別是層i和全區(qū)內(nèi)H的方差。當(dāng)按照某一種因素的類別分層，植被覆蓋指標(biāo)在各個(gè)不同類別分層內(nèi)的變異性為0時(shí)，稱這種分層為完美分層，此時(shí)PD,H=1[21]。風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器通過比較不同類別分層之間NDVI的平均值以搜索植被覆蓋度較高的區(qū)域，均值顯著大的類別分層，植被覆蓋度就高。生態(tài)探測(cè)器比較各個(gè)要素的植被覆蓋程度總方差的差異，來探究不同的地理要素在影響NDVI空間分布方面的作用是否有顯著差異。

地理探測(cè)器擅長(zhǎng)自變量為類型量，因變量為數(shù)值量的分析。本研究借助SPSS軟件中的因子分析對(duì)原始影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行降維和變換，使原來多個(gè)相互影響的因子轉(zhuǎn)換成幾個(gè)互不相關(guān)的綜合因子，既保留了原始影響因子的主要信息，又消除了因子間的多重共線性，得到影響植被變化的綜合因素[22-23]。本研究用方差最大旋轉(zhuǎn)矩陣將主成分中各因子的貢獻(xiàn)率向最大和最小轉(zhuǎn)變，使每個(gè)主成分上具有最高載荷的因子數(shù)最少，從而使得對(duì)主成分的解釋更清晰[24-25]。同時(shí)，利用K均值聚類方法[26]對(duì)主成分分析得到的四個(gè)主成分進(jìn)行分層，消除了人為分層的主觀性和不確定性，將連續(xù)的數(shù)值量轉(zhuǎn)換為類型量，進(jìn)而利用地理探測(cè)器探究自變量與因變量之間的空間關(guān)系，技術(shù)流程如圖2。

圖2 技術(shù)流程圖Fig. 2 Technical flowchart

3 結(jié)果與分析

3.1 廣西植被覆蓋和土地利用年際變化分析

從廣西壯族自治區(qū)平均生長(zhǎng)季植被指數(shù)（GSN）年際變化趨勢(shì)可以看出：1982—2015年廣西植被呈顯著增加趨勢(shì)（P＜ 0.01）（圖3a），植被覆蓋度增加，增長(zhǎng)速率為0.002（R2=0.62）。圖3灰色區(qū)域上下邊界為25%～75%分位點(diǎn)，由圖可知，歷年平均GSN值分布在25%～75%分位線以內(nèi)，多年平均GSN為0.70。說明廣西植被總體覆蓋度較高，33年來植被狀況呈持續(xù)變好趨勢(shì)。其中，2000年之前植被增長(zhǎng)速率為0.000 9，2000年之后植被增長(zhǎng)速率達(dá)到0.002 4（R2=0.42，P＜ 0.01），較2000年之前明顯加快，這與廣西2001年后實(shí)施退耕還林、石漠化綜合治理等生態(tài)工程有關(guān)。

圖3 廣西GSN(a)和TC(b)時(shí)間變化趨勢(shì)Fig. 3 The time variation trend of GSN (a) and TC (b) in Guangxi

通過統(tǒng)計(jì)1982—2016年廣西全區(qū)歷年≥5 m冠層蓋度（TC）面積比例（林地面積比例）（圖3b），發(fā)現(xiàn)廣西林地面積比例呈顯著增加趨勢(shì)，總體增長(zhǎng)速率為0.27%（R2=0.37），表明廣西林地覆蓋面積增加，多年平均林地覆蓋面積比例達(dá)到38%。2000年之后林地面積比例增加速率為0.62%（R2=0.43，P＜ 0.01），比2000年增長(zhǎng)速率加快20.67倍，這與植被指數(shù)年際增長(zhǎng)趨勢(shì)具有一致性。

除了≥5 m冠層蓋度和低矮灌叢，裸地作為一類主要的土地覆被類型，主要指建筑用地和無植被覆蓋的裸露巖石、土質(zhì)、石礫等土地類型，其面積比例隨時(shí)間的變化趨勢(shì)反映了人類活動(dòng)對(duì)陸地表面下墊面影響程度的變化。1982—2016年間廣西裸地（BG）面積比例呈顯著下降趨勢(shì)（圖4），下降速率為-0.06%（R2=0.56，P＜ 0.01）。且2000年后裸地面積比例下降速率為0.09%（R2=0.51，P＜ 0.01），顯著快于2000年前裸地面積比例下降速率。裸地面積比例年際變化從側(cè)面反映了廣西植被面積比例的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 廣西BG時(shí)間變化趨勢(shì)Fig. 4 The time variation trend of BG in Guangxi

3.2 廣西植被覆蓋區(qū)域分異特征

由于自然背景差異和人為作用強(qiáng)度差異，植被在空間上的分布具有顯著的差異性，呈現(xiàn)不同的空間格局和特征。植被指數(shù)（圖5a）總體呈現(xiàn)西北高東南低的空間格局，高值區(qū)主要集中在廣西東部、北部和西北部，而西北部的桂林地區(qū)，中部的南寧、來賓、貴港和南部沿海地區(qū)等人口密度大、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的區(qū)域植被指數(shù)較低。由上述可知，人口密度大、交通通達(dá)度高的區(qū)域植被覆蓋度較少，人口稀少、較偏遠(yuǎn)的地區(qū)植被覆蓋度較高，說明人類活動(dòng)對(duì)植被空間分布的影響不容忽視。

林地與植被指數(shù)之間有密切的相關(guān)性，TC空間分布（圖5b）與GSN的空間分布（圖5a）具有一致性，總體呈現(xiàn)西北高、東南低的空間格局。林地面積比例高值區(qū)和植被指數(shù)高值區(qū)均主要分布在廣西東部、北部和西北部喀斯特地貌發(fā)育較典型的峰叢洼地和峰林平原區(qū)，人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的中部、南部地區(qū)林地面積比例較低。綜上所述，林地和植被指數(shù)在時(shí)間變化和空間分布上均具有一致性，相互驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

廣西裸地空間分布（圖6a）與植被空間分布呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6b），相關(guān)系數(shù)為-0.65（P＜0.01）。植被覆蓋較高的廣西西北部、北部和東部等地區(qū)裸地面積比例較低，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較落后的地區(qū)；而裸地面積比例較高的區(qū)域主要分布在桂林、柳州、來賓、貴港和南寧等經(jīng)濟(jì)較活躍的地區(qū)和北海等沿海經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，同時(shí)也是植被覆蓋度較低的區(qū)域。綜上所述，植被指數(shù)較高的區(qū)域與林地面積比例較大的區(qū)域呈現(xiàn)空間一致性，植被覆蓋度較高的區(qū)域與裸地面積比例低的區(qū)域空間分布一致。因此，植被空間分布格局與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等人類活動(dòng)密切相關(guān)。

圖5 廣西GSN（a）和TC(b)空間分布Fig. 5 The spatial distribution of GSN (a) and TC (b) in Guangxi

3.3 廣西植被覆蓋時(shí)空分異的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素

圖6 廣西BG空間分布(a)以及BG與GSN在空間上的相關(guān)性(b)Fig. 6 The spatial distribution of BG in Guangxi (a) and the correlation between BG and GSN in spatially (b)

植被空間分異特征受多方面因素的影響，本文選取了反映自然條件和人文特征等方面的指標(biāo)，對(duì)影響區(qū)域植被覆蓋演變時(shí)空格局的因素進(jìn)行分析。首先，利用主成分分析（PCA）方法對(duì)選取的12個(gè)自然和人為因素指標(biāo)進(jìn)行降維，以消除因子之間的相關(guān)性。利用SPSS軟件中的因子分析得到各因子的貢獻(xiàn)率和各成分的得分系數(shù)矩陣，通過旋轉(zhuǎn)成分矩陣（表1）中各因子的載荷，對(duì)各主成分進(jìn)行分類。研究結(jié)果顯示，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.12%，可較好的表征原數(shù)據(jù)特征[16,23]。其中，與道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣城的距離等因子在第一主成分中的載荷最大，因此將第一主成分歸納為交通通達(dá)度（PC1）；濕度指數(shù)等氣候因素對(duì)第二主成分的貢獻(xiàn)最大，可以歸納為氣候條件因素（PC2）；人口密度和GDP對(duì)第三主成分的貢獻(xiàn)最大，故歸納為社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件（PC3）；土壤有機(jī)碳對(duì)第四主成分的貢獻(xiàn)最大，歸納為土壤養(yǎng)分因素（PC4）。

本文利用K均值聚類分析方法對(duì)通過主成分分析方法提取出的4個(gè)主成分（PC1～PC4）各劃分了10個(gè)地理分層，即對(duì)各主成分值的大小和空間位置相近的柵格進(jìn)行分層。10個(gè)分層分別賦值為1～10（圖 7）。

表1 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 1 Rotation component matrix

然后，依據(jù)地理探測(cè)器模型計(jì)算得出各綜合因素對(duì)柵格尺度上植被演變（GSN）空間格局的影響程度（表2），并探測(cè)植被覆蓋顯著較高的空間位置。同時(shí)，利用裸地（BG）面積比例作為研究對(duì)象（表2），探索各綜合因素對(duì)裸地空間分布的影響以及對(duì)裸地面積比例較大的空間位置進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)一步對(duì)比分析裸地與植被之間的空間關(guān)系，從而明確人類活動(dòng)對(duì)植被空間分布的影響。

表2 各綜合因素對(duì)植被空間分異的解釋率Table 2 the interpretation rate of vegetation spatial strati fication by each comprehensive factor

以GSN為研究對(duì)象，由因子探測(cè)器可知（表2），社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件（人口密度和GDP）是柵格尺度上植被覆蓋時(shí)空分異的主導(dǎo)因素，解釋率為20.49%。由生態(tài)探測(cè)器可以看出，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)植被覆蓋空間分異的影響顯著大于其他影響因素（表3）。且在社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件空間分層4中是GSN高值分布區(qū)（圖7c），主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的峰叢洼地區(qū)和部分峰林平原區(qū)，GSN平均值為0.74，且顯著大于其他分層（除分層7）。交通通達(dá)度對(duì)植被空間分異的解釋度為13.95%，其中交通較閉塞的第9分層中植被指數(shù)為0.74，顯著大于其他分層（圖7a）。氣候解釋了9.88%的植被空間分異，分層5中GSN最大（0.76），但與分層2和6之間無顯著差異性（圖7b）。土壤養(yǎng)分對(duì)植被空間分異的解釋力最小，只解釋了3.93%，其中分層1中GSN顯著大于其他分層的GSN，平均值為0.74（圖7d）。因此，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是影響植被空間分布格局的主導(dǎo)因素，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、交通條件優(yōu)越的區(qū)域植被覆蓋度較低；相反，經(jīng)濟(jì)水平低、人口密度小、交通較閉塞的區(qū)域植被覆蓋率較高。

圖7 基于K均值聚類分析的交通通達(dá)度(a)、氣候條件(b)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件(c)和土壤養(yǎng)分(d)空間分層Fig. 7 The spatial strati fication of the traf fic condition (a)， climate condition (b)， socio-economical condition (c) and soil nutrients (d) based on the K-mean cluster analysis

表3 各主成分對(duì)GSN和BG空間分異影響的差異顯著性Table 3 Signi ficance of differences between effects of the principal components on spatial strati fication of GSN and BG

同樣，本研究利用BG面積比例作為因變量，探究自然因素和人為因素對(duì)裸地空間分布的影響。結(jié)果顯示，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)裸地空間分布的影響最大，與其他因素相比差異顯著。分層6和7（圖7c）中裸地面積最大（分別為12.67%和13.67%），主要分布在桂林、柳州和南寧等城區(qū)。其次，交通通達(dá)度對(duì)裸地空間分異的影響解釋率為13.97%，桂林和柳州（圖7a分層2）作為廣西重要的交通樞紐，平均裸地面積比例達(dá)到10.11%。自然條件對(duì)裸地空間分布的影響較小，各分層內(nèi)平均裸地面積比例均小于4.11%。結(jié)果表明裸地空間分布格局主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的影響。

通過地理探測(cè)器結(jié)果分析表明，人為因素對(duì)廣西植被空間分布起到主導(dǎo)作用。社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平較低、交通條件較差的廣西西北部、北部的峰叢洼地區(qū)和部分人口密度較小的東部地區(qū)，植被覆蓋度較高；社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、交通條件優(yōu)越的峰林平原區(qū)，如桂林、南寧等城市中心裸地面積比例最高，植被覆蓋度最小。裸地與植被在空間上呈現(xiàn)相反的分布格局。

4 討論

通過比較多年GSN的時(shí)間序列變化特征可知，廣西壯族自治區(qū)植被覆蓋呈增加趨勢(shì)[10]，林地覆蓋面積比例也穩(wěn)定增加。主要原因是國(guó)家和政府越來越重視生態(tài)環(huán)境改善，實(shí)施了一系列面向石漠化治理的生態(tài)工程，以期改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升、提高居民生活水平，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)脫貧。且2000年后植被增長(zhǎng)速率與2000年前相比明顯加快，這與廣西2001年開始實(shí)施大規(guī)模退耕還林、石漠化綜合治理、生態(tài)公益林保護(hù)等一系列生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程密切關(guān)聯(lián)，表明生態(tài)工程對(duì)廣西生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成效顯著。在空間上，廣西植被呈現(xiàn)出西北高、東南低的格局[9]。地形較平坦的峰林平原地區(qū)，有桂林、來賓、崇左和南寧等交通和經(jīng)濟(jì)中心，人類活動(dòng)頻繁，土地利用類型以建筑用地為主，植被覆蓋率較低，林地面積比例較少。隨著國(guó)家一系列植被保護(hù)工程措施的實(shí)施，海拔較高的桂北、桂東和桂西北人類活動(dòng)受到一定程度的限制，植被覆蓋度較高[27]，林地面積也呈顯著增加趨勢(shì)。

廣西以峰林平原和峰叢洼地地貌類型為主，兩個(gè)工程類型區(qū)內(nèi)氣候適宜，降水充沛[28]，氣候條件沒有顯著差異，因此對(duì)植被空間差異沒有顯著的影響。廣西石山區(qū)土壤以養(yǎng)分含量高的石灰土為主，土山區(qū)以紅壤為主，土層較厚，但石山和土山縱橫交錯(cuò)，對(duì)植被空間差異的影響較小。受自然資源和地質(zhì)背景制約，廣西各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不平衡，人口分布不均，貧富差距大，從而影響廣西植被空間分布格局。社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)廣西植被和裸地空間分布的解釋率顯著大于其他因素對(duì)植被和裸地的影響。裸地作為一種重要的土地覆被類型，其空間分布可以反映人類活動(dòng)空間分布格局，因此裸地與植被之間存在著一定的空間關(guān)系。

廣西植被與裸地在空間上呈顯著地負(fù)相關(guān)性，進(jìn)而反映了廣西植被與裸地空間分布與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的空間關(guān)系：社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、交通通達(dá)度好的區(qū)域?qū)?yīng)裸地面積比例大、植被覆蓋低的廣西東南部；社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件一般、交通較閉塞的廣西西北部則植被覆蓋度高、裸地面積比例相對(duì)較小。峰叢洼地地形起伏較大，地勢(shì)復(fù)雜，交通不便；＜6°壩地面積比例小，耕地資源匱乏，耕地質(zhì)量差，因此該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后。生態(tài)工程實(shí)施以來，該區(qū)進(jìn)行的退耕還林、封山育林等工程對(duì)植被增長(zhǎng)具有積極影響，植被覆蓋增加明顯。峰林平原地形平坦，交通發(fā)達(dá)，耕地資源豐富，同時(shí)受南寧等經(jīng)濟(jì)中心輻射影響，城鎮(zhèn)化率高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件優(yōu)越，人口密度大，植被覆蓋相對(duì)來說較少。另外，廣西耕地資源主要分布在桂南、桂中和桂東北[29]，與裸地空間分布一致，主要集中在人口較密集的桂林、南寧、北海等地區(qū)。因此，經(jīng)濟(jì)條件對(duì)廣西植被空間分異的影響顯著，其次是交通通達(dá)度。上述研究結(jié)果與基于地理加權(quán)回歸模型分析了縣域尺度上社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)植被影響的空間非平穩(wěn)性相對(duì)一致[18]，位于桂西北的峰叢洼地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件與植被變化以正相關(guān)性為主，桂東和桂中的峰林平原區(qū)以負(fù)相關(guān)性為主，體現(xiàn)了兩個(gè)地貌類型區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異，導(dǎo)致了植被覆蓋的空間差異。

地理探測(cè)器是比較局域特征與區(qū)域總體特征之間差異的方法，進(jìn)而獲得風(fēng)險(xiǎn)等基本信息，該方法在分析植被覆蓋影響因素時(shí)會(huì)受尺度效應(yīng)和分層效應(yīng)的影響[30]。對(duì)于尺度效應(yīng)，目前本研究的分析區(qū)域是廣西全區(qū)，在更大范圍地研究區(qū)域或者在廣西內(nèi)部不同的自然地理特征分層分析時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果的不確定性。針對(duì)分層效應(yīng)，離散化連續(xù)變量的方法有很多，概括起來有監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類[20]。另外，分層數(shù)量也會(huì)對(duì)研究結(jié)果有影響。本研究選用了非監(jiān)督分類K均值聚類分析，避免了人為分類的主觀性。但是，分層方法和分層數(shù)量對(duì)研究結(jié)果的影響規(guī)律仍需要做進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

了解廣西植被時(shí)空變化趨勢(shì)，探究引起植被時(shí)空變化差異的主要原因，定量分析自然因素和人為因素對(duì)廣西植被空間分布格局的影響，是研究廣西陸地生態(tài)系統(tǒng)演變的理論基礎(chǔ)，也將為廣西石漠化治理工程的實(shí)施和生態(tài)功能提升提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。本研究基于時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)對(duì)比分析了廣西植被覆蓋演變時(shí)空變化趨勢(shì)，利用地理探測(cè)器模型探究柵格尺度上自然和人文因素對(duì)植被影響的空間差異，研究表明：近33年來，廣西植被總體呈增加而裸地呈減少的趨勢(shì)，生態(tài)工程的實(shí)施加快了廣西植被恢復(fù)；廣西植被呈西北高東南低的空間格局，其空間分布主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的影響，自然因素對(duì)植被空間分布格局的影響較??；裸地與植被在空間上呈顯著負(fù)相關(guān)性，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高、交通通達(dá)度好的區(qū)域與裸地面積比例高、植被覆蓋小的區(qū)域空間分布一致；相反，經(jīng)濟(jì)落后、交通閉塞的區(qū)域與植被覆蓋度高、裸地面積比例小的區(qū)域空間分布一致。