基于MODIS-EVI的广西西江流域植被时空变化特征及其影响因素

苏俊磊, 罗为群, 王广哲, 杨奇勇, 周永华, 黄 静, 蒋忠诚

(1.中国地质科学院 岩溶地质研究所/自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室, 广西 桂林 541004;2.中国地质大学(北京), 北京 100083; 3.广西师范学院, 南宁 530001)

植被作为陆地生态系统的主体[1]，是全球气候变化的敏感指示器[2-3]，不仅影响着地球—大气系统之间的能量平衡，还在气候、水文和生物地球化学循环过程中起着重要桥梁作用[4]。植被覆盖变化在一定程度上能够反映区域生态系统的演化状况，与气候变化和人类活动密切相关[5-6]。因此，研究某一区域的植被覆盖时空变化对评价该区域生态环境的演化和过程具有很好的指示意义[7]。植被指数是反映地表植被覆盖度与植被生长状况的重要指数，常用于区域乃至全球植被状态研究[8]。目前，较常见的植被指数主要有比值植被指数(RVI)、调整土壤亮度的植被指数(SAVI)、差值植被指数(DVI)、归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)等，其中NDVI和EVI在多领域研究中得到广泛应用。然而，NDVI本身存在易饱和、处理大气干扰能力有限、自动忽略土壤背景干扰、MVC算法不能保证最佳像元等诸多不足[9-10]。因此，有关学者对其进行了改进和优化，即全面的大气校正和去云处理、以及残留的气溶胶和土壤背景干扰校正，从而解决了基于比值的植被指数饱和问题[9,11-13]，由此提出了增强型植被指数EVI。有学者研究发现在湿润条件下的高植被覆盖区，EVI指数比NDVI指数更能准确地反映植被的生长变化[9,14-15]。也有学者通过利用EVI指数和NDVI指数对湖南省2005年植被覆盖月季变化情况进行对比研究发现MODIS-EVI能更好地反映植被覆盖变化特征[16]。

广西西江流域作为西南地区重要的水源涵养区，岩溶面积分布广泛，灾害频繁，是全球气候变化的敏感区域之一[17]。由于受自然因素和人类活动的共同影响，该流域内生态环境变得十分脆弱，这迫切需要快速且准确地动态监测。近年来，已有大量关于利用MODIS-NDVI数据研究广西地区植被变化的报道[18-20]。然而，关于利用MODIS-EVI对广西植被时空变化及演变趋势的研究较少，特别是对区内岩溶区与非岩溶区植被变化差异的对比研究更为罕见。因此，本文基于广西西江流域MODIS-EVI数据对比分析该区2007—2016年植被时空变化特征及其与气候因子和海拔的关系，旨在为该区植被监测和分区、石漠化综合治理以及生态工程实施效果与评价等提供理论依据。

1 研究区概况

西江作为华南地区最长的河流，是广西壮族自治区和广东省的重要水系。西江流域在广西区内的经纬度范围分别为21°58′—26°33′ N，104°26′—112°04′ E，区内河长869 km，主要支流有南盘江、红水河、黔浔江、郁江、柳江、桂江、贺江、漓江等。流域总面积达3.05万km2，其中广西区内流域集雨面积2.17万km2，占总流域集水面积的85.68%。广西西江流域跨越北回归线，属于典型亚热带季风气候，年平均气温在16.5～23.1℃，年降雨量为1 080～2 760 mm[21]，日照充足、降雨充沛。地貌以山地、丘陵、峰丛洼地、峰林平原和谷地为主，地势北高南低(图1)，植被类型主要为森林、灌木林、灌丛林、草丛等。岩溶面积分布广泛，约占研究区总面积的31%，集中分布于桂西南、桂西北、桂中、桂东北等，地层岩性以石灰岩和白云岩为主，石漠化问题突出，灾害频发。

图1 研究区海拔变化和岩溶分布

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

本文中MODIS-EVI数据源于美国国家航空航天局NASA(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html/)提供的Terra卫星MOD13A3数据(格式为EOS-HDF)、地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)提供的DEM 数据、中国地质科学院岩溶地质研究所提供的1∶100万岩溶分布数据以及中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn/)提供的气象数据。其中MODIS-EVI数据为三级网格陆地植被数据，属于30 d合成产品，空间分辨率为1 km；DEM数据为数字高程数据，空间分辨率为30 m；而气象数据则包括研究区内25个标准站点的月平均气温和月累积降雨量。本文首先选择广西西江流域行政区划矢量图作为掩膜，对2007—2016年内各月的MODIS-EVI数据进行裁剪，从而生成广西西江流域研究区植被月EVI图像，然后考虑到广西地区气候、水文及自然资源等特征，选择植被生长旺季(每年4—10月)的平均EVI作为研究区年均EVI值，而选择各年同1月份的EVI求平均值作为研究区1—12月的月均EVI值[10,22-23]；而区内岩溶区和非岩溶区的EVI图像则是以研究区1∶100万岩溶分布矢量图为掩膜，通过裁剪工具得到的，EVI值与研究区EVI值求法一致。

2.2 研究方法

2.2.1 植被指数动态变化趋势分析 一元线性回归分析法可模拟每个像元的变化趋势，还能反映不同时间段内植被变化的空间特征[24-26]。利用该方法模拟研究区内每个像元的EVI在2007—2016年的空间变化趋势，本文以年时间单位t为自变量，以年平均EVI和时间序列为因变量建立一元线性回归方程，计算公式如下[24]：

(1)

2.2.2 植被指数波动分析 标准差是衡量各项数据偏离平均值或中间值的一项统计指标，反映了数据的离散程度。利用标准差分析研究区近10 a来的EVI均值，若标准差越大，则表明研究区在该时间段内植被指数EVI年际波动越大，即植被覆盖变化越大。标准差的计算，见式(2)[27]：

(2)

3 结果与分析

3.1 植被覆盖时间变化特征

3.1.1 周期变化 广西西江流域植被类型主要为常绿阔叶林，尽管该类型植被变化较小，但同样遵循物候新陈交替的自然规律，即月EVI指数呈周期变化。由2007—2016年月EVI变化特征(图2A)可知，EVI指数呈周期性变化，每年7月或8月份EVI指数高，1月或2月份EVI指数低。除2012年1月EVI值为10 a内最低值外，近10 a EVI值呈现缓慢增加的趋势，且每年的最高值与最低值的差值呈现出逐渐减小的趋势。从图2B可看出，近10 a研究区1—12月的平均EVI指数呈“先升高后降低”的态势：1—3月EVI值较小，4月以后随着气温上升和降雨增加，植被生长茂盛，EVI值也迅速增大，到7月或8月份达到最高值，9月以后植物开始落叶、农作物开始成熟，植被覆盖逐渐降低，EVI值也减小至次年1月或2月份的最低值。岩溶区和非岩溶区月均EVI变化趋势与研究区基本保持一致，EVI大小表现为：非岩溶区>研究区>岩溶区。

图2 研究区2007-2016年内EVI月际变化特征

3.1.2 年际变化 由图3可知，2007—2016年内研究区年均EVI值均在0.4以上，总体呈上升趋势(p<0.001)：2011年EVI均值最小(0.45)，2016年EVI均值最大(0.49)。具体来看年均EVI变化趋势大致可分为2个阶段：(1) 2007—2011年波动阶段，期间年均EVI整体上呈下降态势，其原因可能是该时间段内出现多次严重自然灾害，导致植被与农作物遭到严重破坏，进而使得植被覆盖度降低。(2) 2011—2016年期间年均EVI增加阶段，这可能与广西地区推进绿化造林工程、石漠化治理工程等植被保护措施有着较大的关系。岩溶区和非岩溶区年均EVI变化趋势、变化速率与研究区基本一致，通过对比发现，除2014年外，非岩溶区年均EVI均高于岩溶区。

3.2 植被覆盖空间变化特征

3.2.1 植被指数空间差异分析 由表1和图4可看出，研究区EVI均值主要介于0.4～0.6，空间分布差异显著。其中EVI>0.5的高值区主要集中在研究区西北部，零星分布于中—东部和西南部等地区；EVI值介于0.4～0.5的区域几乎覆盖了整个研究区；EVI值介于0.3～0.4的区域主要沿着南盘江、右江、红水河、郁江、漓江等水系分布；而EVI<0.3的低值区主要分布于南宁、柳州、桂林等城市中心地带，受人类活动干扰强度较大。岩溶区与非岩溶区EVI值均以大于0.4为主，对于EVI>0.5的高值区而言，非岩溶区所占比明显高于岩溶区。总体来看，2007—2016年广西西江流域植被EVI均值整体较高，植被生长状况较良好，非岩溶区EVI均值稍高于岩溶区。

图3 研究区2007-2016年EVI年际变化特征

图4 研究区2007-2016年EVI均值空间分布特征

3.2.2 植被指数空间分布动态变化趋势 利用一元回归模型对近10 a广西西江流域植被变化趋势进行分析，参考邱海军和靖娟利植被变化趋势划分标准[28,29]，将研究区植被变化趋势划分为严重退化、中度退化、基本不变、中度改善以及显著改善5个等级(图5)，并在GIS中统计各等级面积比例(表2)。由图5和表2可知，2007—2016年研究区植被覆盖总体得到改善，仅局部地区仍在退化。EVI呈中度改善和显著改善的区域占总面积的50.74%，主要分布于研究区中部及东北部等地区；EVI呈中度退化和严重退化的区域较小，零星分布于水系和南宁、百色及桂林等市辖区，明显受到城市化发展的影响；其他地区植被EVI呈基本不变趋势，占比47.66%，广泛分布于研究区西部、北部及东南部等地区。岩溶区与非岩溶区EVI主要以基本不变、中度改善为主，岩溶区呈中度改善和显著改善的区域占比明显高于非岩溶区，以上现象表明近10 a来研究区内岩溶石漠化治理、绿化造林等一系列生态保护工程的实施取得了较显著的成效。

表2 2007-2016年广西西江流域EVI变化趋势

图5 研究区2007-2016年EVI变化的空间分布

3.2.3 植被指数空间分布波动特征 从数理统计分析角度，按照标准差与均值中的最小值作为等级划分间隔的标准[30-31]，将研究区EVI标准差划分5个等级，分别为低、较低、中、较高和高(图6)，并在GIS中统计各个等级所占面积比例(表3)。

2007—2016年研究区EVI标准差介于0.005～0.126之间，空间波动幅度较大，地域分异明显(图6)，以较低波动为主，中等、低波动次之，高、较高波动少。空间分布波动特征为：(1) 低波动区零散分布于研究区的西部及东北部，占比约为14.17%，该地区主要为人类活动干扰小且海拔较高的山地、丘陵地带。(2) 较低波动区广泛分布于研究区西部、北部及东南部等地区，占比约为74.35%，与EVI呈基本不变的区域基本相吻合。(3) 中等波动区与EVI呈中度退化、中度改善的地区相一致，占比约为10.93%。(4) 较高—高波动区占比小，零星分布于城市化快速发展的地区，人类活动影响大，EVI波动明显。由此可见，植被覆盖变化趋势越明显，EVI空间波动性越大。

表3 2007-2016年广西西江流域EVI波动特征

图6 研究区2007-2016年EVI波动性空间分布

3.3 EVI与气候因子的关系

由于植被指数对气候因子的响应往往存在不同程度的滞后效应[32-35]，所以本文对广西西江流域2007—2016年植被月EVI与月平均气温和月累积降雨量进行偏相关分析。

从研究区植被EVI与气候因子的相关分析可看出(表4)，研究区2007—2016年植被月EVI与月平均气温、月累积降雨量均呈显著正相关关系，且与月平均气温的相关性明显高于月累积降雨量，相关系数值均在前1个月达到最大，结果表明研究区植被生长受气温的影响明显大于降雨，这可能是由于研究区位于热带及亚热带地区，降雨充沛，水分相对于植被十分充足，利于减少植被对水分的依赖性，因此植被生长对气温的需求要高于降雨。就前1个月的相关系数值来看，非岩溶区EVI与月平均气温、月累积降雨量的相关性略高于岩溶区。

3.4 EVI与海拔的变化关系

本文参照广西地区植被类型垂直地带分布及其与高程的关系[36]，将研究区海拔变化划分为4个等级：低海拔(<700 m)、中—低海拔(700～1 000 m)、中—高海拔(1 000～1 300 m)和高海拔(>1 300 m)(表5)。其中小于700 m的区域占研究区总面积的36.98%，700～1 000 m的区域占13.42%，1 000～1 300 m和大于1 300 m的区域分别占13.42%，36.18%。通过表5中EVI与海拔之间的变化关系不难发现，随着海拔的升高，EVI呈中度改善和显著改善的区域面积均减少，呈基本不变的区域面积明显增加，而呈中度退化和严重退化的区域面积变化不大；在同一海拔变化范围内，EVI呈改善的区域面积明显大于呈退化的区域面积。

表4 研究区2007-2016年月EVI与月平均气温、

注：**表示在置信度(双测)为0.01时，相关性是显著的。

研究区EVI均值与海拔的变化关系显示(图7)，EVI随着海拔上升呈先增大后减小的趋势，具体表现为：0～600 m，EVI随着海拔的升高而迅速增大；600～2 200 m，EVI随着海拔的上升而缓慢减小，但仍然高于低海拔(<200 m)地区的EVI。岩溶区、非岩溶区与全区的EVI随海拔高度变化而变化的趋势基本一致。

表5 不同海拔高度下EVI变化程度所占面积比例

图7 不同海拔高度下EVI均值变化特征

4 讨 论

研究区植被时空变化特征受到自然因素与人为因素的共同影响[35]。在时间上，一方面，研究区月EVI呈周期性变化(图2A)，在每年1—2月份最低，7—8月份最高(图2B)，明显受到季节性气候等自然因素的控制；除2012年1月EVI为10 a内最低值外，相同月份的EVI总体上呈逐年增加的趋势(图2A)，这可能与广西地区实施绿化造林等植被保护措施，导致植被覆盖增加有关。另一方面，研究区EVI年际变化总体呈上升趋势，但存在明显的波动(图3)，岩溶区和非岩溶区EVI变化趋势、变化速率与研究区基本一致，这与王永锋等[37]和杨绍锷等[38]的研究结果一致。2008年，国家启动实施岩溶地区石漠化综合治理试点工程，其主要目标是恢复植被，改善生态环境。10 a来，广西地区通过封山育林、人工造林、退耕还林、公益林管护、补植补种和发展沼气能源等举措取得了显著成效。然而，在此期间，广西曾遭遇多次重大自然灾害，造成植被受到不同程度的破坏，从而导致年际EVI呈波动变化。2008年初，我国南方发生大范围的低温、雨雪、冰冻等自然灾害，其中广西成为受灾最为严重的地区之一，植被与农作物严重受损，因此EVI处于明显较低水平。伴随岩溶地区石漠化综合治理工程的启动实施，2009年研究区植被EVI缓慢增加。然而，2010年我国西南五省市(云南、贵州、广西、四川及重庆)地区发生百年一遇的特大旱灾，气温高、降水少、水资源极其缺乏，导致植被及农作物严重受损。2011年我国西南地区又遭遇持续性夏秋连旱灾害。因此，研究区2010—2011年植被EVI持续降低。2011年末，我国加大对西南岩溶地区石漠化治理的力度，并扩大石漠化治理的地区范围，据2012年全国第二次石漠化监测显示，西南岩溶地区生态状况改善的面积为408万hm2，其中广西石漠化减少面积最多，为45.3万hm2。同时广西地区又全力推进“绿满八桂”造林绿化工程建设，据国家林业局统计，截至到2012年底，广西区完成城镇绿化2006万m2，山上造林26.83万hm2，义务植树9 766.2万株等，全区森林覆盖率达58%。因此，在短暂的一年内研究区植被EVI迅速上升。2012—2016年植被EVI基本上呈缓慢上升的趋势，可能原因有两点：一是导致植被破坏的重大自然灾害基本没有发生；二是广西区各级政府和部门继续推进区内岩溶地区石漠化治理工程(2006—2015年)及“绿满八桂”工程(2011—2016年)等生态保护工程，并取得了显著成效。

在空间上，近10 a研究区植被覆盖具有明显的空间差异。大部分植被EVI介于0.4～0.6(表1和图4)，以基本不变和中度改善为主(表2和图5)，这些区域主要分布于相对高海拔或人为活动破坏小的地区，这是由于高海拔地区适合封山育林、人工造林、退耕还林等石漠化治理措施的实施，而相对偏僻的低海拔地区，如峰丛洼(谷)地，以农作物种植为主，在一定程度上增加了植被覆盖度；岩溶区呈中度改善和显著改善的区域占比明显高于非岩溶区(表2和图5)，这与近10 a来岩溶地区实施石漠化治理工程(一期、二期等)等工程有关。少部分植被EVI小于0.4(表1和图4)，呈退化或严重退化(表2和图5)，主要分布于水系或城市中心地带等低海拔地区，受到自然条件的约束和城镇化发展的明显影响。

另外，气候因子(气温和降雨)是影响植被覆盖变化的重要因素之一，研究区植被EVI与月平均气温和月累积降雨量均具有显著的正相关关系，但其对气温和降雨的响应存在一定的滞后效应，滞后时间均约为1个月(表4)，这与前人的研究结论稍有不同。杨绍锷等[38]和王永锋等[37]认为广西地区植被NDVI对气温的最大响应滞后时间约为1～2个月，而对降水变化的最大响应滞后时间约2～3个月。造成结论不同的原因可能是前人是运用NVDI变化和气候因子变化的趋势进行叠加分析，而本文是通过月EVI与月平均气温、月累积降雨量的偏相关系数来确定响应时间。

5 结 论

(1) 2007—2016年广西西江流域月EVI呈周期性变化，每年7—8月最高，1—2月最低，明显受季节性气候等自然因素控制。EVI年际变化总体呈波动上升的趋势，这与广西发生重大自然灾害及实施一系列植被保护措施有关。岩溶区与非岩溶区EVI变化趋势与全区基本一致。

(2) 近10 a，研究区EVI具有明显的空间分布差异，大部分地区EVI介于0.4～0.6，非岩溶区EVI高于岩溶区，变化程度以基本不变和中度改善为主，空间波动性较小；少部分地区EVI小于0.4或大于0.6，变化程度分别是退化—严重退化或显著改善，空间波动性较大。EVI高值(>0.4)主要分布于高海拔或人为破坏小的地区，与封山育林、人工造林等治理措施有关；EVI低值(≤0.4)主要分布于水系发达或城市中心地带等低海拔地区，受自然条件和城镇化发展的约束。

(3) 研究区EVI与气温和降雨呈显著正相关，且与气温的相关性明显高于降雨，相关系数值均在前1个月达到最大。就前1个月的相关系数值来看，非岩溶区EVI与气温、降雨的相关性略高于岩溶区。