廣西西江流域石漠化區(qū)植被變化及氣候驅(qū)動(dòng)力研究

張 澤，丘海紅，胡寶清

(1.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530000)

1 引言

多年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)喀斯特石漠化地區(qū)進(jìn)行了大量的研究，當(dāng)前我國(guó)西南地區(qū)石漠化嚴(yán)重，具有改善和惡化并存、在時(shí)空上面積變化快的特點(diǎn)[1,2]。廣西的自然資源非常豐富，但是石漠化區(qū)的分布也非常廣泛。石漠化地區(qū)環(huán)境惡劣，植被的生長(zhǎng)環(huán)境差，植被生長(zhǎng)困難，同時(shí)還受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一些人類(lèi)活動(dòng)的影響，人類(lèi)破壞嚴(yán)重，當(dāng)前，地表植被覆蓋變化對(duì)廣西生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，防止生態(tài)環(huán)境惡化非常重要[3]，近年來(lái)利用NDVI進(jìn)行區(qū)域的植被覆蓋及其對(duì)氣候的響應(yīng)研究日益增多[4～6]，萬(wàn)洪秀等[7]利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)分析了研究區(qū)植被的時(shí)空變化趨勢(shì),并結(jié)合流域氣象數(shù)據(jù)分析了植被生長(zhǎng)季累積NDVI與氣候因子之間的響應(yīng)特征；史丹丹等[8]采用一元線性回歸分析、相關(guān)分析等方法,分析黃河源區(qū)生長(zhǎng)季植被時(shí)空變化與氣候因子的關(guān)系；張含玉和包剛[9，10]等分別利用SPOT VGT NDVI、MODIS NDVI數(shù)據(jù)，對(duì)黃土高原、蒙古高原植被覆蓋與氣溫和降水的關(guān)系進(jìn)行了研究。土地退化加劇石漠化區(qū)的水土流失、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅喀斯特石漠化區(qū)生態(tài)安全和可持續(xù)性經(jīng)濟(jì)發(fā)展[11，12]。所以，快速的、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)石漠化時(shí)空分異，是治理石漠化的最基本問(wèn)題，也是改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵前提[13]。已有的植被與氣候相關(guān)性研究中的氣候因子均以氣溫和降水作為代表，氣候因子選擇單一，應(yīng)綜合考慮研究[14]。本研究利用廣西壯族自治區(qū)2001～2016年MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，在前人研究的基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)該區(qū)域的植被變化及其對(duì)氣候驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，為廣西的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、石漠化區(qū)的植被保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

珠江是中國(guó)第三大河流，其上游西江在廣西境內(nèi)河長(zhǎng)869 km，流域面積達(dá)到4162 km2。西江流域位于104°～113°E，21°～27°N之間[15]。西江流域氣候?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候和南亞熱帶季風(fēng)[3]，年均降水量在1080 mm以上，年平均氣溫在20.5 ℃左右，年夏長(zhǎng)冬短。廣西喀斯特地貌的分布廣泛，是全國(guó)石漠化問(wèn)題比較嚴(yán)重的區(qū)域之一[1]。河池市、百色市、桂林市、崇左市、南寧市等老少邊山窮地區(qū)為石漠化區(qū)。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

石漠化地區(qū)植被變化分析選用了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 (United States Geological Survey，USGS)MODIS陸地產(chǎn)品，根據(jù)統(tǒng)一算法開(kāi)發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1[16]。對(duì)所獲得的MOD13Q1遙感數(shù)據(jù)集進(jìn)行提取、圖像鑲嵌、裁剪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理處理。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于廣西統(tǒng)計(jì)年鑒(http://tjj.gxzf.gov.cn/tjsj/tjnj/)和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://cdc.cma.gov.cn/)，在西江流域境內(nèi)的18個(gè)氣象站點(diǎn)中，選取了2001～2016年的氣溫(最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫)、降水量、日照時(shí)數(shù)以及相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。利用ArcGIS軟件，將氣象數(shù)據(jù)處理為柵格數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

3.2.1 混合像元分解模型

混合像元分解模型是將遙感影像的一個(gè)像元分成植被和土壤兩部分的進(jìn)行計(jì)算的方法，而NDVI值即為植被和土壤中植被指數(shù)的加權(quán)平均求和[1,17]。即：

NDVI=fv·NDVIveg+(1-fv)·NDVIsoil

(1)

式(1)中，NDVI為混合像元的植被指數(shù)值；NDVIveg為純植被像元的植被指數(shù)值；NDVIsoil為純土壤像元的植被指數(shù)值；fv植被覆蓋度[18]。計(jì)算公式為

fv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(2)

式(2)中，NDVIsoil為純土壤像元的最小值；NDVIveg為純植被像元的最大值[1,17]。

3.2.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)是比較多個(gè)不同的變量的變異程度，運(yùn)用變異系數(shù)來(lái)對(duì)研究區(qū)的NDVI來(lái)確定變異程度[3]。變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中:Cv為變異系數(shù);SNDVI為2001～2016年每一年的NDVI平均值的標(biāo)準(zhǔn)差;MNDVI為2001～2016年每一年的NDVI平均值的均值[26]。

3.2.3 一元回歸趨勢(shì)法

一元回歸趨勢(shì)法是一種變量隨時(shí)間變化的回歸分析的方法[22]。利用此方法，分析2001～2016年廣西石漠化區(qū)植被覆蓋度變化。計(jì)算公式為：

(4)

式(4)中，n為累計(jì)年數(shù)，YNDVIk是第k年生長(zhǎng)期NDVI平均值。SLOPE是這條趨勢(shì)線的斜率[22,23]。SLOPE<0，表示NDVI在n年間呈退化趨勢(shì)。

4 結(jié)果分析

4.1 植被(NDVI)年際時(shí)空分布

由圖1可以看出，2001～2016年廣西石漠化區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，由2001年的0.51增加到2016年的0.55，通過(guò)圖1曲線的波峰和波谷進(jìn)行分析，NDVI為上升趨勢(shì)的年份分別為2001～2004年、2007～2008年、2009～2010年、2012～2015年；NDVI為上升趨勢(shì)的年份分別為2004～2007年、2008～2009年、2010～2012年、2015～2016年。NDVI最大值在2015年，最低值在2001年。2004～2007年逐年降低，植被覆蓋度比較低，2007年、2009年、2012年呈現(xiàn)低植被覆蓋區(qū)域向中、高植被覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)。

近16年，從植被覆蓋度面積比例來(lái)看，各地市石漠化區(qū)植被覆蓋狀況以河池市為最好，崇左市次之，柳州市第三，桂林最少。河池市石漠化區(qū)植被覆蓋度16年來(lái)維持在較高水平，植被覆蓋度均值達(dá)到62%。從植被覆蓋度的增加面積趨勢(shì)來(lái)看，2016年與2001年相比，各個(gè)地級(jí)市的植被覆蓋度均有不同程度增加，來(lái)賓市石漠化區(qū)植被覆蓋度增勢(shì)最為明顯，由2001年的44%上升至2016年的57%，增加了13%,桂林市次之，河池市第三(表1)。

圖1 2001～2016年廣西西江流域石漠化區(qū)DNVI變化趨勢(shì)

利用2001～2016年廣西西江流域石漠化區(qū)的NDVI值，計(jì)算NDVI的距平均率，根據(jù)多年的NDVI變幅并結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料，制定廣西西江流域石漠化區(qū)的植被NDVI變化趨勢(shì)等級(jí)表(表2)。

表1 2001～2016年廣西西江流域各地市 石漠化區(qū)植被NDVI變化對(duì)比

表2 植被NDVI變化趨勢(shì)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合表2的標(biāo)準(zhǔn)，采用一元回歸模型分析廣西西江流域石漠化區(qū)值被NDVI年際變化趨勢(shì)。整體分析來(lái)看，桂北和桂中石漠化區(qū)植被恢復(fù)明顯，桂西南的重度石漠化區(qū)植被呈現(xiàn)逐漸好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)。其中石漠化區(qū)NDVI較高覆蓋區(qū)域在西南邊界和河池北部，而較低覆區(qū)域在百色南部、崇左北部以及賀州北部為主。

4.2 植被(NDVI)變異程度

由表3可知，廣西西江流域石漠化區(qū)NDVI變異程度為非常穩(wěn)定的面積最多，占總面積的54%，分布在桂西南和桂中區(qū)域，包括百色市，崇左市和南寧市；NDVI變異程度為穩(wěn)定的面積次之，占總面積的41%，分布于桂東北部區(qū)域，包括桂林市和賀州市；NDVI變異程度為較少的面積第三，占總面積的2%；NDVI變異程度為劇烈的最少，僅占總面積的1%?？傮w來(lái)看，石漠化區(qū)NDVI變異非常穩(wěn)定的面積大于變異狀態(tài)的面積，多年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)較好，植被覆蓋增加，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

表3 2001～2016年廣西西江流域歸 一化植被指數(shù)(NDVI)變異程度

4.3 植被NDVI變化對(duì)氣候因子的響應(yīng)

在氣候因子的影響下，得出植被NDVI與氣候因子相關(guān)系數(shù)(表4)。氣候因子對(duì)廣西西江流域石漠化地區(qū)植被NDVI變化影響顯著，氣溫的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)均大于0.8，其中最高氣溫的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了0.85，最低氣溫最小。說(shuō)明氣溫對(duì)植被NDVI影響顯著。日照時(shí)數(shù)、降水的的相關(guān)性相對(duì)較弱，但相對(duì)系數(shù)均在0.5以上。說(shuō)明植被NDVI與其他氣候因子的相關(guān)性一致性較好，除相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)較低以外，植被NDVI與相對(duì)濕度一致性較差，相對(duì)系數(shù)在0.5以下。

表4 2001～2016年植被NDVI均值各氣候 因子相關(guān)系數(shù)

4.4 植被NDVI對(duì)氣候因子的時(shí)滯效應(yīng)

植被生長(zhǎng)對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在一定的時(shí)滯效應(yīng)[24]。在Excel和SPSS中分別計(jì)算廣西西江流域石漠區(qū)2001～2016年各年NDVI平均值與對(duì)應(yīng)不同時(shí)序的相關(guān)系數(shù)，得到圖3。前期相關(guān)關(guān)系系數(shù)高于同期則表示滯后[25]。植被NDVI與前1期、前2期、前3期、前4期和同期的各氣候因子均呈正相關(guān)關(guān)系。整體分析，植被NDVI對(duì)降水量和相對(duì)濕度響應(yīng)的滯后期為3期(48d)；與最低溫度和相對(duì)濕度明顯的滯后期為2期(32d)；與平均氣溫和最高氣溫滯后期為1期(16d)。不同時(shí)序分析，植被NDVI與氣候因子相關(guān)系數(shù)最高時(shí)期均出現(xiàn)在前1期，降水量對(duì)植被生長(zhǎng)影響的最大，相對(duì)濕度次之。植被NDVI對(duì)降水的滯后性最為明顯，氣溫也存在一定的滯后性，植被 NDVI對(duì)日照時(shí)數(shù)響應(yīng)無(wú)滯后期。

圖3 2001～2016年NDVI與不同時(shí)序氣候因子相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)論

本研究以2001～2016年MODIS/16d分辨率影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析廣西西江流域石漠化區(qū)歸一化植被指數(shù)的時(shí)空變化特征及氣候驅(qū)動(dòng)力。

(1)時(shí)空尺度上，2001～2016年廣西西江流域桂中和桂北石漠化區(qū)植被恢復(fù)明顯，桂西南的重度石漠化區(qū)植被呈現(xiàn)逐漸好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，其中石漠化區(qū)NDVI較高覆蓋區(qū)域在西南邊界和河池北部，而較低覆區(qū)域在百色南部、崇左北部以及賀州北部為主。

(2)廣西西江流域石漠化區(qū)NDVI變異非常穩(wěn)定的面積大于變異狀態(tài)的面積。

(3)氣候因子除相對(duì)濕度和風(fēng)速與植被指數(shù)一致性較差以外，其他氣候因子與植被指數(shù)與的相關(guān)性具有較好的一致性。

(4)植被NDVI對(duì)降水量有響應(yīng)的滯后期，對(duì)相對(duì)濕度和氣溫的響應(yīng)也存在明顯的滯后性；對(duì)日照時(shí)數(shù)響應(yīng)無(wú)滯后期。

6 討論

廣西西江流域石漠化地區(qū)在全球變化的背景下也發(fā)生了顯著的變化，近16年廣西西江流域石漠化地區(qū)植被覆蓋度顯著增加趨勢(shì)。本研究16年的變化，相對(duì)來(lái)說(shuō)研究的時(shí)間尺度不夠長(zhǎng)。影響NDVI的因素有很多，只結(jié)合了少部分的氣候因子加以分析，其他因素考慮較少，這些不足在日后的工作中需要深入研究。同時(shí)本研究揭示廣西西江流域石漠化地區(qū)植被覆蓋度對(duì)氣候因素和人為因素的響應(yīng)機(jī)制，從而可更有效地保護(hù)廣西西江流域的生態(tài)環(huán)境。