基于GEE 的粵北典型石漠化地區(qū)耕地NPP 年際時(shí)空演變研究

唐梁博TANG Liang-bo；張宇鵬ZHANG Yu-peng；孔德庸KONG De-yong；張妤琳Z(yǔ)HANG Yu-lin；王衛(wèi)②WANG Wei

（①韶關(guān)學(xué)院，韶關(guān) 512005；②廣州市華南自然資源科學(xué)技術(shù)研究院，廣州 510610）

0 引言

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是保障糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的寶貴資源。長(zhǎng)期以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和快速城鎮(zhèn)化擴(kuò)張過(guò)程中，大量原有耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)用地，現(xiàn)有耕地也面臨破碎化、非糧化、粗放化、邊際化等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的挑戰(zhàn)[1]，人地沖突日益加劇。尤其在喀斯特地貌廣泛發(fā)育的地區(qū)，山地丘陵廣布、地形破碎、土層瘠薄，水土條件差，耕作潛力有限。生產(chǎn)、生活和生態(tài)用地需求難以平衡，安全與發(fā)展的矛盾相互交織。20 世紀(jì)80、90年代，在巨大的現(xiàn)實(shí)人口壓力下，毀林開(kāi)荒、坡地開(kāi)墾又會(huì)進(jìn)一步加劇水土流失，使得基巖大面積裸露或礫石堆積的石漠化現(xiàn)象廣布，耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量與生態(tài)功能更加惡化。因此，確保耕地資源可持續(xù)利用與石漠化綜合治理相互交織，不可分割。

自2008 年全面啟動(dòng)并實(shí)施石漠化綜合治理工程以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年治理，石漠化綜合治理已進(jìn)入鞏固和攻堅(jiān)階段[2]。但礙于自然條件、人口壓力、群眾生計(jì)等石漠化驅(qū)動(dòng)因素難以消除，石漠化治理成果鞏固難度巨大，有賴長(zhǎng)期投入。在石漠化綜合治理的鞏固與攻堅(jiān)的關(guān)鍵時(shí)期，耕地保護(hù)與利用的矛盾也必將愈加突顯。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，是摸清治理成效，探究演變規(guī)律的重要基礎(chǔ)手段。因此，喀斯特地區(qū)的耕地變化監(jiān)測(cè)對(duì)促進(jìn)耕地資源可持續(xù)利用，評(píng)估石漠化治理成效與區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

喀斯特地區(qū)耕地時(shí)空演變也已經(jīng)引起了學(xué)界的廣泛重視，研究?jī)?nèi)容集中于耕地利用變化、耕地功能、耕地景觀格局、耕地破碎化、坡耕地分布等方面[3-6]。但較少涉及耕地生產(chǎn)力的時(shí)空演變及其與地形坡度的相互關(guān)系；研究時(shí)間尺度上多聚焦長(zhǎng)時(shí)序，長(zhǎng)間隔，較少關(guān)注鞏固攻堅(jiān)階段的年際變化研究；空間尺度上多集中于云南、貴州，廣西等西南喀斯特石漠化地區(qū)，缺乏對(duì)廣東典型石漠化地區(qū)的針對(duì)性研究。

廣東省喀斯特地區(qū)主要分布在本省粵北地區(qū)，其中韶關(guān)市石漠化地區(qū)分布較為集中，主要分布于樂(lè)昌市與乳源瑤族自治縣。其中，樂(lè)昌市石漠化面積29.7 萬(wàn)畝，占韶關(guān)市石漠化面積的63.6%，占全省石漠化的33.3%，為全省石漠化之最[7]。自2008 年樂(lè)昌、乳源被先后納入石漠化綜合治理試點(diǎn)以來(lái)，韶關(guān)市積極探索，形成了樂(lè)昌“祖嶺模式”為代表的多種石漠化治理特色模式。多種治理模式并行嘗試的過(guò)程中，耕地面積與利用方式也隨之產(chǎn)生多樣變化，需要評(píng)估治理過(guò)程中耕地分布與生產(chǎn)力的時(shí)空演變。

鑒于此，本文以粵北典型石漠化地區(qū)為研究區(qū)，以2018-2022 五期Sentinel-2 衛(wèi)星影像、土地覆被數(shù)據(jù)，地形高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析2018-2022 年耕地面積、NPP 的時(shí)空演變。以期為研判石漠化綜合治理生態(tài)效應(yīng)、耕地保護(hù)與可持續(xù)利用提供參考支撐。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

韶關(guān)市地處南嶺山脈的中部偏東段南麓，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是我國(guó)南方林區(qū)的典型代表和粵港澳大灣區(qū)的重要生態(tài)屏障，粵北地區(qū)是保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性的關(guān)鍵地帶，具有生物多樣性保護(hù)、水資源維護(hù)和水土保持等重要功能[8]。本文研究區(qū)韶關(guān)市典型石漠化地區(qū)主要分布于樂(lè)昌市西部與乳源瑤族自治縣北部的石漠化連綿地帶，自北向南涉及樂(lè)昌市坪石鎮(zhèn)、梅花鎮(zhèn)、秀水鎮(zhèn)、云巖鎮(zhèn)，沙坪鎮(zhèn)，以及乳源瑤族自治縣大橋鎮(zhèn)，地勢(shì)北低南高，喀斯特地貌廣布，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是廣東石漠化土地的主要分布區(qū)，亦為全國(guó)石漠化監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)地區(qū)。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)源與研究方法

傳統(tǒng)石漠化調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)但資源投入巨大且更新周期相對(duì)較長(zhǎng)，難以完全滿足跟蹤監(jiān)測(cè)的需要。近年來(lái)隨著遙感云計(jì)算平臺(tái)的出現(xiàn)，多主題、多時(shí)相、多尺度、且廣域覆蓋的PB 級(jí)遙感地球觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品得以方便地進(jìn)行集成與分析，有效滿足跟蹤監(jiān)測(cè)的需要[9]。

研究數(shù)據(jù)基于Google Earth Engine（GEE）平臺(tái)獲取高精度土地覆被數(shù)據(jù)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity, NPP）數(shù)據(jù)，地形高程數(shù)據(jù)：

覆蓋研究區(qū)范圍的2018-2022 年ESA WorldCover（空間分辨率10m）土地覆被數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是當(dāng)前主流高精度的土地覆蓋數(shù)據(jù)中分類精度和分類細(xì)節(jié)程度表現(xiàn)較好的產(chǎn)品，產(chǎn)品土地覆被類型包括林地、耕地、草地、不透水面（建設(shè)用地）、裸地，冰雪[10]。通過(guò)拼接和裁剪獲取土地覆被數(shù)據(jù)，并從中提取耕地土地覆被類型的耕地。

在宏觀尺度下，可通過(guò)遙感手段獲取覆蓋范圍廣、時(shí)間序列連續(xù)性強(qiáng)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity, NPP）用于表征耕地生產(chǎn)力。NPP 是指植被扣除自身呼吸作用消耗有機(jī)物之后的植被光合作用剩余量，不僅物理含義直接反映植被生產(chǎn)能力且對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的敏感性高于NDVI 等常用植被指數(shù)，已被廣泛用于耕地生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[11]。研究采用美國(guó)國(guó)家航空航天局2018-2022 年度NPP 合成產(chǎn)品MOD17A3HGF6.1（空間分辨率500m）。

地形數(shù)據(jù)采用歐洲航天局Copernicus DEM 數(shù)據(jù)集（空間分辨率30m），該數(shù)據(jù)集相比現(xiàn)行其他開(kāi)源數(shù)字高程模型產(chǎn)品，具有更好的高程精度和時(shí)間現(xiàn)勢(shì)性，且在地形細(xì)節(jié)表達(dá)方面更為細(xì)致精確[12]?；谘芯繀^(qū)Copernicus DEM 數(shù)據(jù)，進(jìn)行坡度提取與分級(jí)，參考已有研究將坡度劃分為＜5°平坡、5°～10°緩坡、10°～25°中坡、25°～35°陡坡、＞35°極陡坡并與耕地疊加取得不同坡型的耕地范圍。

1.3 研究方法

1.3.1 變化動(dòng)態(tài)度

變化動(dòng)態(tài)度可揭示研究時(shí)期內(nèi)輸入?yún)?shù)變化的劇烈程度[13]，可用于定量表達(dá)耕地資源數(shù)量與NPP 的變化速度。計(jì)算公式為：

式中K 為研究時(shí)期內(nèi)的變化動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub為期初和期末某種輸入?yún)?shù)的值，T 為研究時(shí)長(zhǎng)。

1.3.2 Theil-Sen 趨勢(shì)分析與Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)

研究采用Theil-Sen 趨勢(shì)分析來(lái)量化2018-2022 年石漠化程度與耕地生產(chǎn)力年際變化趨勢(shì)，并采用Mann-Kendall 顯著性檢驗(yàn)來(lái)評(píng)估趨勢(shì)顯著性。

Theil-Sen 趨勢(shì)分析是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，具有樣本無(wú)需滿足特定分布，不受線性回歸假設(shè)限制，方法穩(wěn)健不易受誤差積累或異常值的影響，常用于時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析[14]。其計(jì)算公式為：

式中Sen' s slope 表示耕地生產(chǎn)力（NPP）時(shí)間序列的斜率中值，表示變量隨時(shí)間變化的速率，從而表示趨勢(shì)的強(qiáng)度；Ci和Cj分別表示耕地生產(chǎn)力（NPP）時(shí)間序列第i 年和第j 年的值，Median 為取中值。MK 檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，通常用于檢驗(yàn)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性，當(dāng)p 值<0.05 或|z-score| > 1.96表明趨勢(shì)顯著具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由于耕地短時(shí)變化趨勢(shì)往往不顯著，因此對(duì)NPP 數(shù)據(jù)層時(shí)間序列采用10 階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，使年際間變化更為平滑，再進(jìn)行Theil-Sen 趨勢(shì)以使MK 分析更具顯著性和參考性。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地利用時(shí)空演變特征

2.1.1 耕地面積變化

研究區(qū)內(nèi)總體而言（表1），耕地面積在2018～2022 年間面積略有縮減，由59.17km2降至44.15km2，年際變化呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。鎮(zhèn)域尺度耕地面積總體也呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但有所分化，總體表現(xiàn)為南北高，中間低。其中北部坪石鎮(zhèn)耕地面積最大，耕地面積縮減最為明顯，2018～2022年間耕地面積減少了9.63km2。而中南部的云巖、沙坪鎮(zhèn)耕地面積則略有增加。

表1 2018-2022 年耕地面積變化 km2

2.1.2 耕地變化動(dòng)態(tài)度

從耕地變化動(dòng)態(tài)度可知研究區(qū)內(nèi)年際耕地利用變化的差異（表2）?？傮w而言2018～2022 年研究區(qū)耕地利用動(dòng)態(tài)度為-6.34%，表明研究時(shí)期內(nèi)研究區(qū)耕地面積總體呈遞減動(dòng)態(tài)變化，年際變化則有明顯分化，表現(xiàn)為初末段遞減動(dòng)態(tài)變化，中段為遞增動(dòng)態(tài)變化，呈“倒U 形”。而從鎮(zhèn)域尺度來(lái)看，動(dòng)態(tài)度變化也呈現(xiàn)明顯分化，且年際變化更為劇烈。從整個(gè)研究時(shí)期來(lái)看，除云巖、沙坪鎮(zhèn)外，總體呈遞減動(dòng)態(tài)變化，其中沙坪鎮(zhèn)2020～2021 年動(dòng)態(tài)度變化最為劇烈，高達(dá)204.44%。

表2 2018-2022 年耕地利用動(dòng)態(tài)度變化

2.1.3 不同坡型耕地面積變化

從坡型尺度來(lái)看（表3），研究區(qū)耕地分布主要分布于緩坡與中坡，兩種坡型耕地面積占總耕地面積最大，平坡次之，陡坡、極陡坡耕地面積稀少，耕地面積隨坡度增大先升后降。2018～2022 年研究區(qū)不同坡型耕地面積也呈縮減態(tài)勢(shì)，與面積分布類似，縮減面積同樣集中于緩坡與中坡，平坡次之，陡坡、極陡坡略微下降。

表3 2018-2022 年不同坡型耕地面積變化 km2

2.2 耕地凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）時(shí)空演變特征

2.2.1 研究區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）時(shí)空演化

從研究區(qū)NPP 變化趨勢(shì)可知（表4），2018～2022 年研究區(qū)NPP 整體呈遞增態(tài)勢(shì)，鎮(zhèn)域尺度NPP 均值自北向南遞增，所有鎮(zhèn)域年際變化均呈遞增態(tài)勢(shì)，表明研究區(qū)生態(tài)效益變化整體向好。

表4 2018-2022 年研究區(qū)NPP 變化趨勢(shì) kg*C/cm2

總體而言2018～2022 年研究區(qū)耕地NPP 值低于研究區(qū)NPP 均值，從耕地NPP 變化趨勢(shì)可知（表5），2018～2022 年研究區(qū)耕地NPP 值無(wú)明顯變化趨勢(shì)，鎮(zhèn)域尺度耕地NPP 變化呈現(xiàn)一定程度的空間分化。大致上，研究區(qū)各鎮(zhèn)域整體呈波動(dòng)遞減態(tài)勢(shì)，主要發(fā)生于研究區(qū)南北兩側(cè)的大橋鎮(zhèn)與坪石鎮(zhèn)，而在研究區(qū)中南部，云巖鎮(zhèn)與沙坪鎮(zhèn)NPP 變化則反而呈遞增趨勢(shì)。

表5 2018-2022 年耕地NPP 變化趨勢(shì) kg*C/m2

2.2.2 不同坡型耕地凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）時(shí)空演化

從不同坡型NPP 變化趨勢(shì)可知（表6），2018～2022 年研究區(qū)不同坡型NPP 整體呈波動(dòng)遞增態(tài)勢(shì)，表明研究區(qū)耕地?zé)o論坡型條件，其耕地生產(chǎn)能力均有一定程度改善。

表6 2018-2022 年不同坡型耕地NPP 變化趨勢(shì) kg*C/m2

3 結(jié)論與討論

研究基于GEE 平臺(tái)，調(diào)用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、高精度土地覆被數(shù)據(jù)，植被凈初級(jí)成產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)集，分析粵北典型石漠化地區(qū)2018～2022 年鎮(zhèn)域、坡型尺度耕地面積、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空演變及相互關(guān)系。結(jié)果表明：

①2018～2022 年研究區(qū)耕地面積略有縮減，空間上主要發(fā)生于研究區(qū)南北兩側(cè)鎮(zhèn)域，年際變化動(dòng)態(tài)度則波動(dòng)劇較大，坡型方面耕地主要分布于緩坡與中坡坡型且耕地面積縮減也主要發(fā)生于上述坡型。表明研究區(qū)石漠化綜合治理工程開(kāi)展規(guī)模可觀，引起地表耕地形態(tài)的劇烈變動(dòng)，廣泛采用的封山育林、退耕還林還草等修復(fù)措施推進(jìn)產(chǎn)生生態(tài)效益，且科學(xué)集中于面積比重大，治理難度相對(duì)較低的緩坡、中坡耕地[15]。

②2018～2022 年研究區(qū)NPP 總體NPP 呈遞增趨勢(shì)，耕地NPP 則無(wú)明顯變化趨勢(shì)，但在鎮(zhèn)域尺度上耕地NPP年際變化則表現(xiàn)為一定程度的區(qū)域分化，大致上，研究區(qū)各鎮(zhèn)波動(dòng)遞減態(tài)勢(shì)占優(yōu)，主要發(fā)生于研究區(qū)南北兩側(cè)的大橋鎮(zhèn)與坪石鎮(zhèn)，而在研究區(qū)中南部，云巖鎮(zhèn)與沙坪鎮(zhèn)NPP變化則反而呈遞增趨勢(shì)。究其原因在于研究區(qū)多種治理模式并行嘗試，多樣化且強(qiáng)烈的改造活動(dòng)規(guī)模、實(shí)踐特點(diǎn)均有所不同，對(duì)耕地NPP 的影響也可能產(chǎn)生差異。如人工造林、“光伏+農(nóng)業(yè)”模式開(kāi)展初期可能在短期內(nèi)導(dǎo)致植被蓋度下降，形成暫時(shí)性退化現(xiàn)象，繼而導(dǎo)致NPP 的暫時(shí)性下降[16，17]。

③2018～2022 年研究區(qū)耕地NPP 年際變化無(wú)明顯趨勢(shì)，但在不同坡型均體現(xiàn)為遞增趨勢(shì)，表明區(qū)域耕地面積雖有縮減，但耕地生產(chǎn)力卻有進(jìn)一步提升，原因可能在于一方面保留了本底質(zhì)量較好的耕地，另一方面因地制宜的綜合治理措施也改進(jìn)了保留耕地的耕作條件。