广西西江流域石漠化区植被变化及气候驱动力研究

张 泽，丘海红，胡宝清

(1.南宁师范大学 地理科学与规划学院，广西 南宁 530000；2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530000)

1 引言

多年来，许多学者对喀斯特石漠化地区进行了大量的研究，当前我国西南地区石漠化严重，具有改善和恶化并存、在时空上面积变化快的特点[1,2]。广西的自然资源非常丰富，但是石漠化区的分布也非常广泛。石漠化地区环境恶劣，植被的生长环境差，植被生长困难，同时还受农业生产一些人类活动的影响，人类破坏严重，当前，地表植被覆盖变化对广西生态系统修复，防止生态环境恶化非常重要[3]，近年来利用NDVI进行区域的植被覆盖及其对气候的响应研究日益增多[4～6]，万洪秀等[7]利用MODIS NDVI数据分析了研究区植被的时空变化趋势,并结合流域气象数据分析了植被生长季累积NDVI与气候因子之间的响应特征；史丹丹等[8]采用一元线性回归分析、相关分析等方法,分析黄河源区生长季植被时空变化与气候因子的关系；张含玉和包刚[9，10]等分别利用SPOT VGT NDVI、MODIS NDVI数据，对黄土高原、蒙古高原植被覆盖与气温和降水的关系进行了研究。土地退化加剧石漠化区的水土流失、生态环境恶化，严重威胁喀斯特石漠化区生态安全和可持续性经济发展[11，12]。所以，快速的、准确的监测石漠化时空分异，是治理石漠化的最基本问题，也是改善区域生态环境的关键前提[13]。已有的植被与气候相关性研究中的气候因子均以气温和降水作为代表，气候因子选择单一，应综合考虑研究[14]。本研究利用广西壮族自治区2001～2016年MODIS数据和气象数据，在前人研究的基础上，尝试对该区域的植被变化及其对气候驱动力进行分析，为广西的社会经济可持续发展、石漠化区的植被保护、生态系统修复等提供科学的理论依据。

2 研究区概况

珠江是中国第三大河流，其上游西江在广西境内河长869 km，流域面积达到4162 km2。西江流域位于104°～113°E，21°～27°N之间[15]。西江流域气候为中亚热带季风气候和南亚热带季风[3]，年均降水量在1080 mm以上，年平均气温在20.5 ℃左右，年夏长冬短。广西喀斯特地貌的分布广泛，是全国石漠化问题比较严重的区域之一[1]。河池市、百色市、桂林市、崇左市、南宁市等老少边山穷地区为石漠化区。

3 数据与方法

3.1 数据源及数据预处理

石漠化地区植被变化分析选用了美国地质调查局 (United States Geological Survey，USGS)MODIS陆地产品，根据统一算法开发的MODIS植被指数产品MOD13Q1[16]。对所获得的MOD13Q1遥感数据集进行提取、图像镶嵌、裁剪、数据转换等预处理处理。

气象数据来源于广西统计年鉴(http://tjj.gxzf.gov.cn/tjsj/tjnj/)和中国气象科学数据共享服务平台(http://cdc.cma.gov.cn/)，在西江流域境内的18个气象站点中，选取了2001～2016年的气温(最高气温、最低气温、平均气温)、降水量、日照时数以及相对湿度等数据。利用ArcGIS软件，将气象数据处理为栅格数据。

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将遥感影像的一个像元分成植被和土壤两部分的进行计算的方法，而NDVI值即为植被和土壤中植被指数的加权平均求和[1,17]。即：

NDVI=fv·NDVIveg+(1-fv)·NDVIsoil

(1)

式(1)中，NDVI为混合像元的植被指数值；NDVIveg为纯植被像元的植被指数值；NDVIsoil为纯土壤像元的植被指数值；fv植被覆盖度[18]。计算公式为

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

(2)

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

3.2.2 变异系数

变异系数是比较多个不同的变量的变异程度，运用变异系数来对研究区的NDVI来确定变异程度[3]。变异系数计算公式如下：

(3)

式(3)中:Cv为变异系数;SNDVI为2001～2016年每一年的NDVI平均值的标准差;MNDVI为2001～2016年每一年的NDVI平均值的均值[26]。

3.2.3 一元回归趋势法

一元回归趋势法是一种变量随时间变化的回归分析的方法[22]。利用此方法，分析2001～2016年广西石漠化区植被覆盖度变化。计算公式为：

(4)

式(4)中，n为累计年数，YNDVIk是第k年生长期NDVI平均值。SLOPE是这条趋势线的斜率[22,23]。SLOPE<0，表示NDVI在n年间呈退化趋势。

4 结果分析

4.1 植被(NDVI)年际时空分布

由图1可以看出，2001～2016年广西石漠化区植被覆盖度呈现逐渐增加趋势，由2001年的0.51增加到2016年的0.55，通过图1曲线的波峰和波谷进行分析，NDVI为上升趋势的年份分别为2001～2004年、2007～2008年、2009～2010年、2012～2015年；NDVI为上升趋势的年份分别为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，植被覆盖度比较低，2007年、2009年、2012年呈现低植被覆盖区域向中、高植被覆盖区域转化的特点。

近16年，从植被覆盖度面积比例来看，各地市石漠化区植被覆盖状况以河池市为最好，崇左市次之，柳州市第三，桂林最少。河池市石漠化区植被覆盖度16年来维持在较高水平，植被覆盖度均值达到62%。从植被覆盖度的增加面积趋势来看，2016年与2001年相比，各个地级市的植被覆盖度均有不同程度增加，来宾市石漠化区植被覆盖度增势最为明显，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)。

图1 2001～2016年广西西江流域石漠化区DNVI变化趋势

利用2001～2016年广西西江流域石漠化区的NDVI值，计算NDVI的距平均率，根据多年的NDVI变幅并结合统计资料，制定广西西江流域石漠化区的植被NDVI变化趋势等级表(表2)。

表1 2001～2016年广西西江流域各地市 石漠化区植被NDVI变化对比

表2 植被NDVI变化趋势等级划分标准

结合表2的标准，采用一元回归模型分析广西西江流域石漠化区值被NDVI年际变化趋势。整体分析来看，桂北和桂中石漠化区植被恢复明显，桂西南的重度石漠化区植被呈现逐渐好转态势。其中石漠化区NDVI较高覆盖区域在西南边界和河池北部，而较低覆区域在百色南部、崇左北部以及贺州北部为主。

4.2 植被(NDVI)变异程度

由表3可知，广西西江流域石漠化区NDVI变异程度为非常稳定的面积最多，占总面积的54%，分布在桂西南和桂中区域，包括百色市，崇左市和南宁市；NDVI变异程度为稳定的面积次之，占总面积的41%，分布于桂东北部区域，包括桂林市和贺州市；NDVI变异程度为较少的面积第三，占总面积的2%；NDVI变异程度为剧烈的最少，仅占总面积的1%。总体来看，石漠化区NDVI变异非常稳定的面积大于变异状态的面积，多年来发展趋势较好，植被覆盖增加，生态环境得到明显改善。

表3 2001～2016年广西西江流域归 一化植被指数(NDVI)变异程度

4.3 植被NDVI变化对气候因子的响应

在气候因子的影响下，得出植被NDVI与气候因子相关系数(表4)。气候因子对广西西江流域石漠化地区植被NDVI变化影响显著，气温的相关性最大，相关系数均大于0.8，其中最高气温的相关性最大，相关系数更是达到了0.85，最低气温最小。说明气温对植被NDVI影响显著。日照时数、降水的的相关性相对较弱，但相对系数均在0.5以上。说明植被NDVI与其他气候因子的相关性一致性较好，除相对湿度相关系数较低以外，植被NDVI与相对湿度一致性较差，相对系数在0.5以下。

表4 2001～2016年植被NDVI均值各气候 因子相关系数

4.4 植被NDVI对气候因子的时滞效应

植被生长对气候因子的响应存在一定的时滞效应[24]。在Excel和SPSS中分别计算广西西江流域石漠区2001～2016年各年NDVI平均值与对应不同时序的相关系数，得到图3。前期相关关系系数高于同期则表示滞后[25]。植被NDVI与前1期、前2期、前3期、前4期和同期的各气候因子均呈正相关关系。整体分析，植被NDVI对降水量和相对湿度响应的滞后期为3期(48d)；与最低温度和相对湿度明显的滞后期为2期(32d)；与平均气温和最高气温滞后期为1期(16d)。不同时序分析，植被NDVI与气候因子相关系数最高时期均出现在前1期，降水量对植被生长影响的最大，相对湿度次之。植被NDVI对降水的滞后性最为明显，气温也存在一定的滞后性，植被 NDVI对日照时数响应无滞后期。

图3 2001～2016年NDVI与不同时序气候因子相关系数

5 结论

本研究以2001～2016年MODIS/16d分辨率影像数据为基础，系统分析广西西江流域石漠化区归一化植被指数的时空变化特征及气候驱动力。

(1)时空尺度上，2001～2016年广西西江流域桂中和桂北石漠化区植被恢复明显，桂西南的重度石漠化区植被呈现逐渐好转态势，其中石漠化区NDVI较高覆盖区域在西南边界和河池北部，而较低覆区域在百色南部、崇左北部以及贺州北部为主。

(2)广西西江流域石漠化区NDVI变异非常稳定的面积大于变异状态的面积。

(3)气候因子除相对湿度和风速与植被指数一致性较差以外，其他气候因子与植被指数与的相关性具有较好的一致性。

(4)植被NDVI对降水量有响应的滞后期，对相对湿度和气温的响应也存在明显的滞后性；对日照时数响应无滞后期。

6 讨论

广西西江流域石漠化地区在全球变化的背景下也发生了显著的变化，近16年广西西江流域石漠化地区植被覆盖度显著增加趋势。本研究16年的变化，相对来说研究的时间尺度不够长。影响NDVI的因素有很多，只结合了少部分的气候因子加以分析，其他因素考虑较少，这些不足在日后的工作中需要深入研究。同时本研究揭示广西西江流域石漠化地区植被覆盖度对气候因素和人为因素的响应机制，从而可更有效地保护广西西江流域的生态环境。