桂西北巖溶區(qū)植被NDVI時(shí)空變化及影響因素

王永鋒，張秋慧，靖娟利

(1.桂林理工大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引言

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，是連接大氣、土壤和水分的天然紐帶[1]，植被覆蓋情況在一定程度上反映了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。桂西北巖溶區(qū)屬于我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，石漠化問題突出，自2001年以來國家及地方政府開展了多項(xiàng)生態(tài)治理工程[2]，揭示植被覆蓋的時(shí)空演變特征并分析其變化的驅(qū)動(dòng)因素，不僅可以有效地評估石漠化地區(qū)植被恢復(fù)情況，也對深入認(rèn)識植被演變與驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系具有重要意義。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是當(dāng)前廣泛用于表征植被覆蓋的遙感植被指數(shù)，是反映大尺度地表植被覆蓋和生長狀況的有效指標(biāo)[3-4]。目前常用的NDVI數(shù)據(jù)包括SPOT-VGT NDVI,AVHRR NDVI和MODIS NDVI，雖然基于不同NDVI產(chǎn)品的應(yīng)用研究結(jié)果具有一定差異性，但在大尺度植被變化監(jiān)測中仍然具有明顯的優(yōu)勢[5]。近年來，我國巖溶區(qū)植被覆蓋時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)力研究受到廣泛關(guān)注，也得到一些有益的結(jié)論。已有研究結(jié)果表明，我國西南巖溶區(qū)植被覆蓋整體呈增長趨勢[6]；滇黔桂巖溶年際和季節(jié)植被變化均呈增加趨勢[7]；貴州省植被覆蓋整體增加趨勢顯著，但局部地區(qū)存在波動(dòng)變化[8]；生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施期間，廣西巖溶區(qū)植被增長最為顯著，植被未來增長趨勢以持續(xù)性為主導(dǎo)[9-10]。植被變化影響因素方面，以往研究指出氣候變化是影響黔桂喀斯特山區(qū)NDVI變化的關(guān)鍵因素，其中降水對植被NDVI的影響大于氣溫[11]，植被隨海拔和地形起伏度的增加呈單峰曲線變化，但坡度和坡向變化的影響不顯著[12]；而桂西北喀斯特地區(qū)年均氣候因子對植被變化的作用不明顯，不同海拔、坡度和坡向分區(qū)植被恢復(fù)情況具有差異性[13]。

以往研究能在一定程度上反映巖溶區(qū)植被覆蓋變化的特征，但普遍關(guān)注植被覆蓋變化的整體特征，對植被變化過程中出現(xiàn)的突變特征考慮不多；然而，通過植被演變過程中的突變信息可以進(jìn)一步揭示植被變化對氣候和人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制。此外，目前針對桂西北巖溶區(qū)長時(shí)間序列植被覆蓋變化的研究較少，且大多研究使用空間分辨率為1 km的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)，難以有效反映植被覆蓋變化特征的細(xì)節(jié)信息。研究中也考慮了海拔、坡度和坡向等地形因子對植被變化的影響，但較少考慮地質(zhì)背景條件對植被變化的影響。然而，不同的地質(zhì)背景條件下，由于地層巖性的不同而導(dǎo)致地表土壤厚度、持水性等具有顯著差異性，這些差異對區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)過程具有限制作用，進(jìn)而影響植被的分布類型及生長[14]。

鑒于此，本文以桂西北巖溶區(qū)為研究對象，基于2001—2020年空間分辨率為250 m MODIS NDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析法、Mann-kendall突變檢驗(yàn)法揭示近20a 植被NDVI的時(shí)空變化規(guī)律，并通過相關(guān)分析法和區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析法探究氣候因素、地質(zhì)背景因素和地形環(huán)境因素與植被NDVI的響應(yīng)特征。

1 研究區(qū)概況

桂西北地區(qū)位于廣西的西北部，云貴高原邊緣，地理位置為104°29′E～109°09′E,23°4l′N～25°37′N，面積約為6.94萬平方千米，包括河池市的宜州、羅城和南丹等縣和百色市的田陽、靖西、那坡等縣，一共23個(gè)縣市。地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫和降水量均從東南向西北遞減，多年平均氣溫為16～23 ℃，多年降水量為1 000～1 800 mm。地勢西高東低，海拔從西南向東北遞減，地形復(fù)雜多樣，巖溶地貌分布廣泛，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

MODIS13Q1 NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)。數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2001—2020年，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，軌道號為h27v06，共計(jì)460幅影像?；贛RT(MODIS Reprojection Tool)工具對MODIS13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從Sinusoidal投影轉(zhuǎn)化為等積圓錐投影(Albers Equal Area Conic)、數(shù)據(jù)格式從HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式。然后，基于ArcGIS軟件對16 d NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行月最大值合成，并將月NDVI乘以比例因子0.000 1進(jìn)行真值恢復(fù)。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。時(shí)間跨度為2001—2020年，包括桂西北及周邊地區(qū)的25個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫與降水的月值數(shù)據(jù)。對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，合成季節(jié)及年氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，并采用克里金插值法得到不同時(shí)間尺度的氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m。

空間分辨率為90 m的SRTM DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，基于該數(shù)據(jù)派生研究區(qū)的坡度和坡向數(shù)據(jù)。桂西北巖溶區(qū)分布數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所編制的中國可溶巖分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 均值法

基于均值法合成桂西北巖溶區(qū)2001—2020年植被NDVI年均和季節(jié)均值。其中，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12至次年2月。

(1)

式中，NDVIi表示年均或季均NDVI；此時(shí)n=20為累計(jì)年數(shù)，n=3為累計(jì)各個(gè)季節(jié)的月數(shù)；j表示變量1～n。

2.2.2 Mann-kendall突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)是一種對長序列變化進(jìn)行突變檢驗(yàn)的方法，近些年在水文氣象學(xué)方面的研究中經(jīng)常使用。本文運(yùn)用Mann-kendall突變檢驗(yàn)方法研究桂西北巖溶區(qū)植被NDVI時(shí)間序列是否存在突變點(diǎn)，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[15]。統(tǒng)計(jì)量UF和UB是按照植被NDVI時(shí)間序列的順序和逆序分別計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列，若UF和UB的值大于0，表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。在給定顯著水平α=0.05，則U0.05=±1.96，若UF和UB超過臨界直線，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)即為時(shí)間序列的突變點(diǎn)。

2.2.3 趨勢分析法

線性趨勢分析可以逐像元模擬植被NDVI的變化趨勢，用來分析桂西北巖溶區(qū)植被NDVI在年際及季節(jié)尺度上的變化趨勢[16]?；貧w斜率slope為：

(2)

式中，n為研究時(shí)間20；yi為第i年的植被NDVI；slope為植被NDVI變化的斜率，當(dāng)slope>0，說明植被覆蓋增加；當(dāng)slope<0，說明植被覆蓋減少。為了進(jìn)一步研究桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋在年際及季節(jié)尺度上變化趨勢的顯著性，對變化趨勢進(jìn)行F檢驗(yàn)。F(1,18)>4.41表示通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)；F(1,18)>8.28表示通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，將桂西北巖溶區(qū)植被NDVI變化趨勢分為5類：極顯著減少(slope<0,P<0.01)、顯著減少(slope<0，0.010.05)、顯著增加(slope>0，0.010，P<0.01)。

2.2.4 相關(guān)分析法

采用相關(guān)分析法[15]分析植被NDVI與氣溫、降水之間的相關(guān)性，進(jìn)而揭示2001—2020年桂西北巖溶區(qū)年際和季節(jié)植被NDVI對氣溫和降水量的響應(yīng)情況。其計(jì)算公式如下：

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI時(shí)空變化特征

3.1.1 植被NDVI年際變化特征

植被NDVI年際變化趨勢及突變檢驗(yàn)如圖1所示。

(a) 植被NDVI年際變化趨勢

(b) 植被NDVI年際變化突變檢驗(yàn)圖1 植被NDVI年際變化趨勢及突變檢驗(yàn)Fig.1 Interannual variation trend and mutation test of vegetation NDVI

從圖1可以看出，年際植被NDVI整體呈增長趨勢，增長速率為0.044/10a，相關(guān)系數(shù)r為0.718，通過P<0.01顯著性檢驗(yàn)。2016年植被NDVI達(dá)到了峰值0.708，2005年降到最低值0.583。植被NDVI變化趨勢總體呈上升-下降-穩(wěn)定-下降-上升-下降-上升-穩(wěn)定的波動(dòng)變化特征。從圖1(b)Mann-Kendall突變分析結(jié)果可知，自2007年以后，UF值均大于0，且在a=0.05顯著性水平下，UF和UB在2010年出現(xiàn)突變點(diǎn)，且UF曲線在突變點(diǎn)后超過顯著性水平線，表明研究區(qū)植被NDVI自2010年以后增加趨勢顯著。以上分析表明，近20年來桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋得到整體改善，2010年后改善趨勢尤為顯著，這是由于國家及地方政府實(shí)施的生態(tài)保護(hù)政策對植被恢復(fù)起到了積極的促進(jìn)作用。自2001年以來廣西實(shí)施的多項(xiàng)石漠化治理工程，尤其在2008年國務(wù)院批復(fù)了《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理大綱》以來，喀斯特石漠化的惡化趨勢得到有效控制，對短期植被改善起到了積極的正向作用[2]。

3.1.2 植被NDVI季節(jié)變化特征

植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的差異性，如圖2所示。

(a) 植被NDVI春季變化趨勢

(b) 植被NDVI夏季變化趨勢

(c) 植被NDVI秋季變化趨勢

(d) 植被NDVI冬季變化趨勢圖2 植被NDVI季節(jié)變化趨勢Fig.2 Seasonal variation trend of vegetation NDVI

由圖2可以看出，春季植被NDVI在0.520～0.727之間波動(dòng)，整體呈極顯著上升趨勢(r=0.725，P<0.01)，植被NDVI增加速率為0.062/10a；夏季植被NDVI在四季中最高，植被NDVI整體呈不顯著下降趨勢(r=0.023，P>0.1)，變化速率只有0.001/10a；秋季植被NDVI在0.585～0.781間震蕩，整體呈極顯著增加趨勢(r=0.766，P<0.01)，增加速率為0.066/10a；冬季植被NDVI震蕩比較明顯，整體呈顯著上升趨勢(r=0.485，P<0.05)，變化速率為0.061/10a。研究區(qū)2005年和2012年植被NDVI降到20a以來的最低值和次低值，同時(shí)，2005年春季、2010年夏季以及2012年冬季植被NDVI均降到極低值，這與研究區(qū)2004年、2005年和2011年的降水量和溫度異常有關(guān)[8]，說明植被NDVI對氣候因子的響應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)。

植被NDVI季節(jié)變化突變檢驗(yàn)如圖3所示。

(a) 植被NDVI春季變化突變檢驗(yàn)

(b) 植被NDVI夏季變化突變檢驗(yàn)

(c) 植被NDVI秋季變化突變檢驗(yàn)

(d) 植被NDVI年際變化突變檢驗(yàn)圖3 植被NDVI季節(jié)變化突變檢驗(yàn)Fig.3 Seasonal variation mutation test of vegetation NDVI

由圖3可以看出，植被NDVI季節(jié)變化Mann-kendall突變檢驗(yàn)存在明顯的差異性。春季植被NDVI在2011年之后UF值均大于0，且在a=0.05顯著性水平下，UF和UB在2015年出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且UF曲線在突變點(diǎn)后超過顯著性水平線，表明研究區(qū)植被NDVI自2015年以后增加趨勢顯著；夏季植被NDVI在研究時(shí)段內(nèi)UF和UB曲線出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn)，且2012年以后呈上升趨勢，但均未超過a=0.05顯著性水平線，表明夏季植被NDVI下降趨勢不顯著；秋季植被NDVI在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)UF值均大于0，在a=0.05顯著性水平下，UF和UB曲線在2007年出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且UF曲線在2007年以后超過顯著性水平線，表明秋季NDVI呈顯著上升趨勢；冬季植被NDVI在2007年以后UF值均大于0，在a=0.05顯著性水平下，UF和UB曲線在2013年出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且UF曲線在交叉點(diǎn)以后超過顯著性水平線，表明冬季NDVI總體呈顯著上升趨勢。

3.2 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI空間變化趨勢

3.2.1 植被NDVI年際空間變化趨勢

基于趨勢分析法，對桂西北巖溶區(qū)年際植被DNVI進(jìn)行逐像元趨勢分析，并結(jié)合F檢驗(yàn)結(jié)果判斷植被NDVI的年際變化趨勢及顯著性。植被NDVI年際變化趨勢空間分布如圖4所示。

圖4 植被NDVI年際變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of interannual variation trend of vegetation NDVI

由圖4可以看出，桂西北巖溶區(qū)植被NDVI整體呈增加趨勢，但變化趨勢也存在一定的空間差異性。統(tǒng)計(jì)分析表明，呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占比44.19%，廣布在研究區(qū)的西南部和東部，如德保縣、田陽縣、隆林縣等地；呈極顯著減少的區(qū)域占比僅為0.32%，主要分布在環(huán)江、羅城等縣，東北部和南部較多，西部較少。呈無顯著變化的區(qū)域占比37.15%，在研究區(qū)的23個(gè)縣區(qū)都有分布，但以東部地區(qū)分布較為集中。

3.2.2 植被NDVI季節(jié)空間變化趨勢

桂西北巖溶區(qū)植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的空間差異性，其中春秋兩季植被NDVI以顯著增加趨勢為主，夏冬兩季以不顯著變化趨勢占主導(dǎo)。植被NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖5和表1所示。

由圖5和表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出植被NDVI的季節(jié)變化規(guī)律。春季研究區(qū)植被NDVI以增加趨勢為主，其中植被NDVI呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占比38.4%，集中分布在西南部的靖西、德保和田陽縣，西北部的隆林各族自治縣、樂業(yè)縣和凌云縣等地區(qū)；植被NDVI呈顯著增加趨勢的占比為16.78%，廣泛分布于研究區(qū)的東部地區(qū)；植被NDVI變化趨勢不顯著的地區(qū)占比44.57%，主要分布在研究區(qū)東部的宜州市、都安和大化瑤族自治縣、河池市等地區(qū)。夏季研究區(qū)植被NDVI主要以變化不顯著為主，占比91.18%；植被NDVI呈顯著減少的區(qū)域占比達(dá)到3.75%，主要散布于研究區(qū)東部、西南部和西北部地區(qū)。秋季植被NDVI主要以增加趨勢為主，占比達(dá)66.32%；其中植被NDVI呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占45.79%，主要集中分布在研究區(qū)的西南部、西北部和東南部地區(qū)；植被NDVI呈顯著增加趨勢的區(qū)域占20.53%，主要與極顯著增加趨勢的區(qū)域相間分布。植被NDVI變化趨勢不顯著的區(qū)域占比33.36%，主要集中分布在研究區(qū)東部南丹縣、環(huán)江毛南自治縣、東蘭縣和大化瑤族自治縣等區(qū)域。冬季植被NDVI以變化趨勢不顯著為主導(dǎo)，尤以研究區(qū)的東部地區(qū)分布廣泛；植被NDVI呈增加趨勢的區(qū)域占比37.55%，主要分布在研究區(qū)環(huán)江毛南自治縣、宜州市、大化和巴馬瑤族自治縣、靖西縣、德?？h、田陽縣、樂業(yè)縣和隆林各族自治縣。

圖5 植被NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal variation trend of vegetation NDVI

表1 桂西北巖溶區(qū)NDVI變化趨勢統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of variation trend of vegetation NDVI in karst area of Northwest Guangxi 單位：%

從以上分析可知，桂西北巖溶區(qū)近20年植被NDVI季節(jié)變化總體呈增加趨勢，尤以春秋兩季最為顯著。這主要是因?yàn)榇杭臼侵脖婚_始生長季，植被NDVI呈快速上升趨勢；而夏植被生長處于穩(wěn)定期，植被NDVI相對較高，變化趨勢不顯著，此外夏季高溫對植被生長有一定的抑制作用；秋季水熱條件較適宜，植被生長呈增加趨勢；冬季溫度較低，植被生長相較于春秋兩季較為緩慢，因此以不顯著變化趨勢為主。

3.3 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI變化影響因素

植被變化不僅受氣候因素的影響,也與地質(zhì)環(huán)境、地形和人類活動(dòng)等因素相關(guān)，以下主要分析植被變化與氣候、地質(zhì)背景、地形環(huán)境因素的關(guān)系。

3.3.1 氣候因子

以往研究表明，降水量和溫度是影響植被生長最為重要的2個(gè)因素。因此，本文主要分析年際和年內(nèi)降水量和溫度變化對植被生長的影響。圖6為2001—2020年桂西北巖溶區(qū)年際降水量、氣溫和植被NDVI變化折線圖。從圖6可以看出，年際降水量波動(dòng)比較頻繁，降水量低于均值的典型年份有2003年、2009年和2011年；年際溫度波動(dòng)也比較大，溫度低于均值的典型年份有2008年和2011年；但年際植被NDVI變化相對比較平緩，分別在2005年和2012年達(dá)到最低值和次低值。以上分析表明，年際植被NDVI變化與降水量和溫度變化不完全同步，表現(xiàn)出一定的滯后性。年內(nèi)降水量，氣溫和NDVI變化趨勢如圖7所示。由圖7可知，研究區(qū)年內(nèi)降水量呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢，最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在2月；溫度變化與降水量相似，7月達(dá)到最大值，1月降到最低值；植被NDVI變化具有一定的波動(dòng)性，其最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在2月；植被NDVI變化趨勢與降水量和溫度變化不同步，表現(xiàn)出一定的滯后性。

(a) 年際降水量和NDVI變化趨勢

(b) 年際溫度和NDVI變化趨勢圖6 年際降水量、氣溫和NDVI變化趨勢Fig.6 Inter-annual variation trend of precipitation,temperature and NDVI

(a) 年內(nèi)降水量和NDVI變化趨勢

(b) 年內(nèi)溫度和NDVI變化趨勢圖7 年內(nèi)降水量、氣溫和NDVI變化趨勢Fig.7 Variation trend of precipitation,temperature and NDVI within the year

為了進(jìn)一步分析降水量和氣溫對植被NDVI變化的影響，分別計(jì)算年際和季均植被NDVI與降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2 桂西北巖溶區(qū)NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of vegetation NDVI with temperature and precipitation in karst area of Northwest Guangxi

從表2可以看出，溫度在年際和季節(jié)尺度均與植被NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，且冬季溫度與植被NDVI的相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性檢驗(yàn)，說明溫度對植被生長具有促進(jìn)作用，尤以冬季最為顯著。降水量與植被NDVI在年際呈極顯著正相關(guān)，在夏冬兩季呈正相關(guān)關(guān)系，而在春季和秋季呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明在年際尺度上，降水量對植被生長具有顯著的促進(jìn)作用，夏秋兩季對植被生長也非常重要，但在春秋兩季降水量偏多的時(shí)候?qū)χ脖簧L具有一定的抑制作用。

從以上分析可知，不同時(shí)間尺度的植被NDVI對氣溫和降水量的響應(yīng)特征具有差異性。在年際尺度，降水量對植被NDVI變化的影響大于氣溫；冬季植被生長主要受氣溫影響，而春季降水量過多對植被生長具有抑制作用。降水量和溫度對植被的生長具有一定的滯后效應(yīng)。

3.3.2 地層巖性

桂西北巖溶區(qū)地層巖性與植被NDVI關(guān)系如圖8所示。地層巖性主要包括4類：純灰?guī)r(Ⅰ類)、灰?guī)r與白云巖互層(Ⅱ類)、碳酸鹽巖夾碎屑巖(Ⅲ類)和碎屑巖夾碳酸鹽巖(Ⅳ類)。不同的碳酸鹽巖巖層組合具有不同的沉積環(huán)境、物質(zhì)成分，導(dǎo)致其孔隙率、滲透率和酸不溶物含量有差異[17]，因而對植被類型及其變化的影響具有差異性。從圖8可以看出，各地層巖性分布區(qū)植被NDVI從大到小排序?yàn)椋孩纛?Ⅲ類>Ⅰ類>Ⅱ類，而研究區(qū)4類地層巖性分布面積占比排序?yàn)椋孩耦?78.31%)>Ⅳ類(8.31%)>Ⅱ類(7.99%)>Ⅲ類(5.39%)。從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，純灰?guī)r在桂西北巖溶區(qū)廣泛分布，也從側(cè)面反映出研究區(qū)巖溶地貌具有典型性；但純灰?guī)r地層分布區(qū)植被NDVI最小。這主要是由于純灰?guī)r分布區(qū)土壤瘠薄，保水能力相對較弱，對植被生長具有一定的限制性，因而植被以低矮灌木居多，其植被NDVI相對較低。

圖8 桂西北巖溶區(qū)地層巖性與植被NDVI關(guān)系Fig.8 Relationship between stratigraphic lithology and vegetation NDVI in karst area of Northwest Guangxi

3.3.3 地形環(huán)境

為了研究海拔、坡度、坡向和地形起伏度對植被NDVI變化的影響，基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件空間分析模塊中分別提取坡度、坡向和地形起伏度信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)分布特征進(jìn)行重分類。其中，研究區(qū)的海拔主要分布在1 000 m以下，占比為89.21%，因此將海拔重分類為以下6級：<200 m(Ⅰ級)，200～400 m(Ⅱ級)，400～600 m(Ⅲ級)，600～800 m(Ⅳ級)，800～1 000 m(Ⅴ級)和>1 000 m(Ⅵ級)；坡度參考《水土保持綜合治理規(guī)劃通則，GB/T15772-1995》標(biāo)準(zhǔn)重分類為4級：0～8°(Ⅰ級)，8°～15°(Ⅱ級)，15°～25°(Ⅲ級)和>25°(Ⅳ級)；坡向重分類為5級：無坡向、北坡、東坡、南坡和西坡；地表起伏度重分類為5級：<100 m(Ⅰ級)，100～200 m(Ⅱ級)，200～300 m(Ⅲ級)，300～400 m(Ⅳ級)和>400 m(Ⅴ級)。

植被NDVI隨高程變化圖如圖9所示。從圖9可以看出，海拔為Ⅰ級(<200 m)的區(qū)域植被NDVI相對較低，均值為0.574，人類活動(dòng)的影響強(qiáng)度較大；海拔在200 m以上的區(qū)域，植被NDVI均值在0.636～0.716之間波動(dòng)，隨著海拔升高人類活動(dòng)的影響程度逐漸降低，植被NDVI也隨之增大。以上分析表明，研究區(qū)植被整體生長狀況良好，石漠化治理工作得到一定成效，這說明2000年以來國家和地方政府實(shí)施的生態(tài)保護(hù)政策對植被的生長具有正向促進(jìn)作用。

圖9 植被NDVI隨高程變化Fig.9 Variation of vegetation NDVI with elevation

植被NDVI隨坡度變化如圖10所示。從圖10可以看出，植被NDVI并不是隨著坡度的變大而呈持續(xù)增加趨勢，而是呈先增加后減小的變化趨勢，但總體而言隨著坡度的增加植被覆蓋得到有效的改善。統(tǒng)計(jì)分析得出研究區(qū)Ⅰ-Ⅳ級坡度的占比分別為46.55%，33.80%，17.33%和2.32%，表明研究區(qū)坡度主要為15°以下。在坡度為<8°(Ⅰ級)的區(qū)域，由于人類活動(dòng)的影響，植被NDVI為最低值0.639；當(dāng)坡度在8°～15°(Ⅱ級)之間時(shí)，人類活動(dòng)相對減弱，植被NDVI增加至0.663；當(dāng)坡度在15°～25°(Ⅲ級)之間時(shí)，人類活動(dòng)受到比較大的限制，植被NDVI達(dá)到最大值0.671；當(dāng)坡度>25°(Ⅳ級)時(shí)，此為退耕還林還草的臨界坡度，植被生長基本不受人類活動(dòng)影響，但因巖溶區(qū)土壤瘠薄，在坡度陡峭的地區(qū)土壤更是貧瘠，有可能出現(xiàn)巖石裸露的情況，因此相較于坡度為15°～25°的區(qū)域植被NDVI有略微減小趨勢。以上分析表明，坡度對巖溶區(qū)植被恢復(fù)非常重要，退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)政策對巖溶區(qū)植被恢復(fù)的正向作用顯著。

圖10 植被NDVI隨坡度變化Fig.10 Variation of vegetation NDVI with slope

植被NDVI隨坡向變化如圖11所示。從圖11可以看出，不同坡向?qū)χ脖坏纳L影響具有差異性，植被NDVI在南坡值最高，北坡值最小。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)不同坡向的面積占比大小排序?yàn)椋簴|坡(26.09%)>南坡(25.20%)>西坡(23.69%)>北坡(13.17%)>無坡向(11.84%)，各坡向植被NDVI值排序?yàn)椋耗掀?西坡>東坡>無坡向>北坡。以上結(jié)果主要是由于南坡受到的太陽照射較多，其水熱配置條件優(yōu)越，因而南坡植被覆蓋程度相較于其他坡向更好。以上分析結(jié)果表明，坡向會引起溫度、光照和水分等條件的差異，從而對植被的分布類型及生長狀況具有重要影響。

圖11 植被NDVI隨坡向變化Fig.11 Variation of vegetation NDVI with aspect

地形起伏度是描述地形特征的宏觀性指標(biāo)。植被NDVI隨起伏度變化如圖12所示。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地形起伏度對植被生長的影響也具有空間差異性。當(dāng)?shù)匦纹鸱?300 m(Ⅰ～Ⅲ級)時(shí)，植被NDVI隨著地形起伏度的增加而迅速上升，說明人類活動(dòng)隨著地形起伏度的增加而減弱；當(dāng)?shù)匦纹鸱?300 m(Ⅳ～Ⅴ級)時(shí)，植被NDVI隨著地形起伏度的增加呈略微降低趨勢，這主要是由于巖溶區(qū)環(huán)境背景對植被生長具有一定的限制作用，當(dāng)?shù)匦纹鸱容^高時(shí)，土壤更貧瘠，保水保肥能力減弱，植被覆蓋以低矮的灌木和草叢為主，從而導(dǎo)致植被NDVI呈減小趨勢。

圖12 植被NDVI隨起伏度變化Fig.12 Variation of vegetation NDVI with relief amplitude

4 結(jié)束語

基于2001—2020年MODIS NDVI數(shù)據(jù)、同期氣象數(shù)據(jù)等資料，研究了桂西北巖溶區(qū)植被NDVI的時(shí)空變化特征及其影響因素，得出以下結(jié)論：

(1) 從時(shí)間變化來看，桂西北巖溶區(qū)2001—2020年植被NDVI整體呈波動(dòng)增長趨勢，2010年以后增長趨勢顯著(P<0.01)；季節(jié)植被NDVI變化趨勢差異顯著，春、秋和冬季植被NDVI呈顯著增加趨勢(P<0.01)，且分別在2007年、2013年和2015年出現(xiàn)突變點(diǎn)。

(2) 從空間變化趨勢來看，桂西北巖溶區(qū)近20年植被NDVI總體呈增長趨勢，呈極顯著增加趨勢的區(qū)域主要分布在林地區(qū)域，呈極顯著減少的區(qū)域集中分布在人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域；植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的差異性，其中春秋兩季植被NDVI以顯著增加趨勢為主，夏季植被NDVI變化趨勢不顯著。

(3) 氣候因子對植被變化具有重要影響，降水量和溫度對植被的生長具有一定的滯后效應(yīng)。在年際尺度上，降水量對植被NDVI變化的影響大于氣溫；季節(jié)尺度上，植被生長對溫度和降水量的響應(yīng)具有差異性。地層巖性對植被生長具有重要影響，不純碳酸鹽巖分布區(qū)植被生長情況好于純碳酸鹽巖分布區(qū)。海拔、坡度、坡向和地形起伏度對植被NDVI變化具有重要影響，隨著海拔、坡度和地形起伏度的增加，植被NDVI呈先增加后減小的趨勢；南坡植被生長狀況最優(yōu)，北坡植被生長條件相對較弱。

基于250 m分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)揭示了桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋的變化規(guī)律，但因NDVI數(shù)據(jù)的分辨率的限制，僅能反映植被覆蓋變化的總體趨勢。后續(xù)將運(yùn)用Landsat數(shù)據(jù)和Sentinel數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立長時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)集，研究植被覆蓋的時(shí)空變化規(guī)律；并從像元尺度探討NDVI與氣候因子、地形環(huán)境因子的響應(yīng)特征。