2000－2018年广西植被时空变化及其对地形、气候和土地利用的响应

杨艳萍，陈建军,2※，覃巧婷，周国清,2，尤号田,2，韩小文,2

（1. 桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林 541004；2. 桂林理工大学广西空间信息与测绘重点实验室，桂林 541004）

0 引 言

植被是陆地生态系统不可缺少的组成部分，植被的生长受到大气、土壤和水分的共同影响，目前植被动态变化监测已成为全球变化研究领域的热点问题之一[1]。广西位于中国南部，地势西北高、东南低，山地丘陵错综复杂，素有“广西盆地”之称，具有独特的喀斯特地貌，是西部生态脆弱地区之一[2-3]。该地区石漠化问题严重，土壤贫瘠，容易发生水土流失，石漠化面积占中国石漠化土地总面积的15.2%[4]。近些年来，广西一直大力实施珠江防护林、沿海防护林、退耕还林、石漠化综合治理等[5]国家重点生态工程，通过一系列制度改革和政策倾斜不断完善自然生态系统的平衡[6]。因此，研究广西近些年植被的时空变化分异特征及其影响因素，有利于进一步推动广西生态绿色发展，为评估广西植被生长和生态环境恢复提供科学依据[7]。

归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）是衡量作物生长、农田、土地管理和作物生产的指标，被广泛用于监测和预测植被生长、探索和研究植被覆盖相关变化[8]。近年来，部分学者利用NDVI时间序列监测不同时间尺度的植被生长情况。如高江波等[9]利用GIMMS NDVI遥感数据探讨1982－2013年中国植被NDVI动态特征；韦小茶等[10]基于GIMMS NDVI和MODIS NDVI分析广西1982－2016年NDVI时空变化特征；Wang等[11]利用MODIS数据得到2000－2010年中国生长季植被NDVI增加了0.003%。植被的生长状况与该地区的地形息息相关，不同的地形因子对植被NDVI产生的影响不同。如肖建勇等[12]基于MODIS NDVI分析中国非喀斯特区域植被NDVI空间分布更易受地形因子影响；银朵朵等[13]分析得到地形因子对温带大陆性半干旱季风气候区植被覆盖度分布格局影响显著，植被覆盖度随海拔升高呈增加趋势，与坡度呈正相关，在不同坡向上差异明显。气候因子在地球表面的能量交换和物质循环中发挥重要作用，是引起植被变化的重要因素之一，气温和降水是引起植被变化的主要气候因子[14]。Jiang等[15]通过残差趋势分析等方法，得到降水是影响哈萨克地区植被生长的主要因素，而气温是影响山区和咸海盆地植被绿度季节变化的控制因素；Guo等[16]应用重心模型得到雅鲁藏布江流域的植被生长在重心移动轨迹和时滞效应两方面都受到降水的积极影响。土地利用反映人类对自然生态系统影响的方式和程度，不同土地利用类型土壤养分的构成和含量不同，从而对植被生长的影响程度不同[17]。如Jiang等[18]利用线性回归等方法分析1982－2015年西南山区耕地上的平均NDVI增幅显著；贾丹阳等[19]运用Pearson相关性分析法等，得到在草地土地利用类型上，NDVI的变化受春季气温、夏季降水量的影响明显。尽管当前利用NDVI研究区域植被时空变化特征及其影响因素取得了一定进展，但现有研究主要集中在单一因素或两个因素对植被生长的影响，较少同时兼顾多因素的影响，尤其是广西地区的相关研究相对较少。

本文基于2000－2018年的MODIS NDVI时序数据，利用一元线性回归及趋势分析等方法，分析广西植被NDVI时空变化特征；结合数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）数据、土地利用类型和气温、降水数据，通过相关分析和统计分析等方法，探讨不同地形条件和土地利用类型下植被NDVI时空变化差异及其对气候因子的响应。通过以上研究，掌握近些年广西实施退耕还林、石漠化治理等生态工程的成效，为广西地区进一步推动生态环境建设和经济发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广 西 位 于 中 国 华 南 地 区，104°26′～112°04′E，20°54′～26°24′N，总面积23.67万km2[20]。广西处于第二阶梯中的云贵高原东南边缘，北回归线横贯全区中部，南临北部湾，北接南岭山地，西延云贵高原，属云贵高原向东南沿海丘陵过渡地带，地形特点为四周高中部低，形似盆地，且山地多、平原少，具有独特的喀斯特地貌[21]。广西气候类型为中亚热带季风气候和南亚热带季风气候，年平均气温在16 ℃以上，年平均降雨量在1100 mm以上，全年夏长冬短[22]。植被类型多样，桂西北地区主要分布针叶林，东南地区主要分布有阔叶林[23]。

1.2 数据来源及预处理

本文使用的MODIS NDVI数据来源于美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）发布的中分辨率成像光谱仪植被产品数据MOD13Q1（https://ladsweb.modaps. eosdis. nasa.gov/search/），空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。首先，利用MRT工具对广西2000－2018年的MODIS NDVI数据进行格式转换、影像拼接、重采样、重投影等处理；其次，利用ArcGIS软件根据广西矢量边界对处理后的遥感影像进行裁剪；最后，在ENVI中运用最大值合成法（Maximum Value Composite, MVC）合成得到各季度及年NDVI值。将广西植被NDVI划分为＜0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、＞0.8这5个等级[24]。

气象数据来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第三代再分析资料ERA-Interim (https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full- daily/ levtype=sfc/)，空间分辨率为0.5°。气候因子包括：降水量、气温、太阳辐射、风速、日照时数、湿度等。植被的生长受气温和降水两因素影响较大，故本研究只研究植被对气温和降水两气候因子的响应。首先，利用MATLAB软件读取气候数据nc文件，计算各月平均气温和降水，并生成excel表格；其次，在ArcGIS软件中利用克里金插值法对气象数据进行插值处理；最后，根据广西矢量边界进行裁剪，并通过重采样和投影转换，使得气候数据与NDVI数据具有相同的投影坐标系和空间分辨率。

DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，空间分辨率为30 m。地形因子种类繁多，但高程、坡度及坡向对植被生长影响颇大，故基于不同高程、坡度及坡向探讨植被NDVI变化。根据数据可得，广西高程在0～2101 m，将高程梯度分为22个100 m的高程带，计算各高程带下的平均NDVI值；广西坡度在0～56°，将坡度分为28个2°的坡度带，并计算各坡度带下的平均NDVI值；计算无坡向、北、东北、东、东南、西南、西、西北9个坡向下的平均NDVI值。

土地利用遥感监测数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)，空间分辨率为1 km。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民用地和未利用土地6个一级类型及25个二级类型。本研究使用2018年广西土地利用遥感监测数据，计算6个一级土地类型下植被NDVI对气温和降水的响应。

1.3 研究方法

当前大多数学者采用线性回归[25]、Theil—Sen media趋势分析[26]等方法分析长时间序列植被NDVI变化趋势。多使用地理探测器[27]、主成分分析[28]、相关分析[29]等方法分析各因素对植被生长的影响，其中，地理探测器法和主成分法能够反映变量的分层异质性，但工作量大，很难在空间上连续表达，而Pearson相关分析法，通过相关系数、偏相关系数和复相关系数直观反映变量间的相关程度及各因素对植被覆盖空间上的贡献率，故本研究结合广西实地情况和研究需求，选取线性回归和Pearson相关分析法。

1.3.1 趋势分析

一元线性回归法分析逐个像元对应的2000－2018年广西NDVI变化趋势，多年回归方程中的趋势斜率Slope代表年际变化，若Slope＞0，表示随时间的变化NDVI呈现增加的趋势，并且数值越大增加越明显；反之，若Slope＜0，则表示NDVI随时间变化呈现下降的趋势；若Slope=0，则表示NDVI在n年间无明显变化[30]。计算公式：

式中Slope为NDVI的回归斜率；n为研究的总年数，本文中n=19；i代表年序号；NDVIi为第i年平均NDVI值。

根据一元线性回归法，可以判断植被NDVI时空变化趋势，结合显著性检验结果，将植被NDVI变化分为5个等级，其中，当Slope＜0时，若P＜0.01，则表示为显著减少，若0.01＜P＜0.05，则表示为较显著减少；当Slope＞0时，若P＜0.01，则表示为显著增加，若0.01＜P＜0.05，则表示为较显著增加；当P＞0.05时，则表示为无显著变化。

1.3.2 相关分析､偏相关分析､复相关分析

Pearson相关分析法是研究要素之间相关程度的方法，通过计算气温和降水与NDVI之间的相关系数r，可以直观有效地看出NDVI分别对气温和降水的响应程度。r的取值范围为[-1,1]，若r＞0，则表示两者呈正相关；若r＜0则表示两者呈负相关；若r=0，则表示两者不存在线性相关关系[31]。变量x､y的相关系数rxy计算公式：

式中rxy为两变量之间的相关系数；xi、yi分别表示x､y两

变量第i年的值；分别表示x、y两变量的年平均值；n为总年数。

不考虑未利用要素的影响单独研究两要素之间相关程度的方法为偏相关分析，可以控制未利用气候因子，分别研究NDVI与降水、气温的偏相关系数[32]。偏相关系数计算公式：

式中rxy,z为固定变量z后，变量x与变量y偏相关系数，其取值范围为[-1,1]，rxy,z＞0表明两个变量呈正相关，rxy,z＜0表明两个变量呈负相关，rxy,z=0表明两个变量不存在线性相关性。

复相关分析法是研究一个变量与多个变量相关程度的方法。植被生长受到多种因素的影响，利用复相关系数分析植被NDVI受气温和降水的共同影响程度。复相关系数计算公式：

式中rx,yz为复相关系数，其取值范围为[-1,1]，rx,yz＞0表明两个变量对植被生长呈正影响，rx,yz＜0表明两个变量对植被生长呈负影响，rx,yz=0表明两个变量对植被生长无影响。

2 结果与分析

2.1 植被NDVI时空变化特征

2000－2018年广西植被NDVI值在0.76～0.86之间，呈增加趋势，线性增加速率为0.004/a（图1）。广西地区植被NDVI总体上偏高，19 a平均NDVI值为0.81，其中2015年植被NDVI值最高为0.84。植被NDVI变化趋势受季度影响较大，第三季度NDVI最高，在0.73～0.84之间，平均NDVI值为0.80；第二季度NDVI值次之，在0.73～0.80之间，平均NDVI值为0.76；第四季度NDVI值相对较低，在0.63～0.78之间，平均NDVI值为0.71；第一季度NDVI值最低，仅在0.5～0.7之间，平均NDVI值为0.59。NDVI在不同季度上波动均不同，第一季度波动最为剧烈，线性增加速率达到0.008/a，第四季度次之，线性增加速率为0.007/a，第二、三季度相差不大，分别为0.004/a､0.003/a。

广西植被覆盖属于较高水平，但存在地区差异，表现为：由北到南、由四周到中间植被覆盖逐渐减少。其中高植被覆盖地区主要集中在河池市、百色市、桂林市等地区，钦州市、北海市、南宁市植被覆盖较少（图2a）。广西多年平均NDVI为0.81，植被NDVI小于0.6的区域占广西总面积的1.5%，植被NDVI大于0.8的区域占广西总面积的66.6%。

2000－2018年广西植被NDVI总体上呈现增加趋势（图2b），其中无显著变化区域面积占比最大，达到广西区域面积的43.9%，主要集中在东北部桂林市、柳州市、贺州市等地区；显著增加变化区域次之，达到广西区域面积的37.0%，主要集中在南部钦州市和南宁市等；较显著减少区域占比最少，仅占广西区域面积的0.6%；显著减少部分占比0.8%，减少区域主要集中在北海市和南宁市小部分区域。

2000－2018年第一季度广西植被NDVI总体上呈现增加趋势（表1），其中显著增加变化区域占比最大，达到广西区域面积的44.9%；第二季度广西植被NDVI总体上呈现无显著变化趋势，达到广西区域面积的67.8%，增加区域次之，占广西区域面积的30.0%；第三季度广西植被NDVI总体上呈现增加趋势，其中显著增加变化区域占比最大，达到广西区域面积的43.6%；第四季度广西植被NDVI总体上呈现增加趋势，显著增加变化区域占比最大，达到广西区域面积的73.1%。

表1 各季度变化趋势等级占比Table 1 The proportion of trend grades in each quarter %

2.2 不同地形因子对植被NDVI的影响

广西高程西北高、东南低，呈西北向东南倾斜状，最大高程达到2 101 m，其中高程主要在0～1 000 m之间。广西22个高程带，第二个高程带像元占比最大，达到21%（图3d）。植被NDVI随着高程的变化存在一定的差异，在0～200 m之间，植被NDVI随着高程的增大，出现小幅度的增加；在200～400 m之间，植被NDVI先剧烈的减少再剧烈的增加；高程300～1 500 m之间，植被NDVI随着高程的增加小幅度的增加，并趋于稳定；在高程＞1 500 m时，植被NDVI呈现小幅度的减小再增加的趋势，波动变化较小。

广西坡度西北高，东南低，主要分布在0～34°之间。植被NDVI在第一坡度带呈现最小值，为0.75，在坡度26°～28°间呈现最大值，为0.86（图3e）。坡度0～6°间，随着坡度的增加植被NDVI呈现较显著增加趋势；坡度6°～32°之间，植被NDVI随着坡度的增加较为缓和的增大并趋于平缓；坡度＞32°时，植被NDVI先小幅度的减少再增加最后减少，变化波动不大。

广西坡向可分为无坡向、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北9类，其中无坡向像元占比最小，东南坡向像元占比最大（图3f）。在无坡向上，植被NDVI值仅有0.35，其他坡向上植被NDVI值均在0.81～0.82之间。由此可知，除无坡向外，其他坡向对植被NDVI影响不大。

2.3 植被NDVI对气候因子的响应

2.3.1 植被NDVI对气温､降水的响应

2000－2018年广西年平均气温在18～21 ℃之间，19年来平均气温为19.6 ℃，其中，2007年气温最高，达到20.3 ℃，2011年气温最低，仅18.6 ℃（图4）。广西19年间气温呈增长趋势，线性增长速率为0.12/a。2000－2018年广西年平均降水量在1 100～1 900 mm之间，19年来平均降水量为1 594.72 mm，其中2008年降水量最低，仅1 170.98 mm，2017年降水量最多，为1 843.80 mm。

广西地区气温和NDVI偏相关系数在-0.89～0.89之间，主要呈正相关趋势（图5a），主要分布在西北河池、百色、来宾等地区；负相关区域主要分布在东部及东南部玉林、贺州、梧州等地区。广西地区降水和NDVI偏相关系数在-0.90～0.91之间（图5b），呈正相关区域主要分布在东部及中部贺州、梧州、钦州等地区；负相关区域主要分布在百色、桂林、北海等。气温降水和NDVI复相关系数在0.000 2～0.913 0之间（图5c），广西气温和降水对NDVI为正影响，平均复相关系数达到0.32，其中，梧州、贺州对气温和降水响应较大。

不同土地利用类型上（图6），植被NDVI对气温和降水的响应是不同的。居民用地、未利用地类型植被NDVI对气温响应较大，相关系数达到0.95以上，且通过0.01的显著性检验，但植被NDVI对降水响应较小，相关系数均在0.2左右（表2）；耕地、林地、草地、水域类型，植被NDVI对气温响应相对较小，相关系数在0.64以上，植被NDVI对降水响应相对较大，相关系数均在0.88以上，且都通过0.05的显著性检验。

表2 基于土地利用类型下NDVI与气温､降水相关系数Table 2 Correlation coefficients between NDVI and precipitation and temperature based on land use types

3 讨 论

3.1 广西植被NDVI变化分析

广西2000－2018年植被NDVI时空变化分异特征分析表明，19年间广西植被NDVI总体呈增长趋势，与马海云等[33]研究结论一致，表明广西植被覆盖在不断改善，但存在一定的季度差异，第一季度植被NDVI线性增长速率最大，增加变化区域达到广西总面积的66.4%，主要集中在广西东南部钦州市、玉林市、梧州市等地。植被的生长与气候有着密切的关系，适宜的气温和降水会促进土壤水分的增加，为植被生长提供良好的生存环境。广西气温和降水在2000－2001年、2014－2015年呈现增长趋势，促使该时期内植被NDVI得到较为明显的增加。在2015－2018年植被NDVI趋于稳定，可能是由于此时植被NDVI在0.84左右，已经趋于饱和，因此很难有较大幅度的波动。植被覆盖在受到气候影响的同时，人类活动也对其产生了不可忽视的影响。过去很长时间里，人类活动造成了广西严重的生态破坏，引发水土流失、石漠化扩大、自然灾害频繁等诸多生态环境问题。近些年来，广西总体植被覆盖情况较好，平均植被NDVI值达到0.81左右，这与当地政府不断开展植树造林、实施退耕还林、遏制石漠化生态工程息息相关。但广西植被覆盖存在较大的空间差异性，呈现西北高东南低的空间格局，与Qiao等[34]研究基本一致，高植被覆盖地区主要分布在百色市、河池市等地，这可能由于这些地区高程较高、坡度较陡，不适宜人类活动，从而减少人类对植被的破坏。

3.2 植被NDVI和地形因子关系分析

地形因子是一个包括高程、坡度、坡向等因子在内的多维变量，这些不同维度上的变量通过水热和土壤条件影响着植被生长[35]。不同地形因子对植被NDVI的影响是不同的，高程＜400 m时NDVI值相对较小，高程＞400 m时植被NDVI值较大且较为稳定；坡度在＞12°时NDVI值相对较大且波动不大；除无坡向外，坡向对植被NDVI影响不大。广西是典型的喀斯特地貌，山高坡陡，高程＜400 m、坡度＜12°，通常为人类活动密集区，该地区植被生长很可能受到人类活动的影响，从而导致其植被NDVI值偏小。当坡度达到一定值时，随着坡度的增大，会加剧水土流失，这可能是广西地区坡度＞32°时植被NDVI值相对较小的原因。

3.3 植被NDVI和气候因子关系分析

气候因子对植被NDVI的影响是至关重要的，主要通过气温和降水来反映，但植被NDVI对气温和降水的响应是不同的。植被NDVI与气温呈正相关区域主要集中在西北部河池市、南宁市、百色市等地区，而植被NDVI与降水呈正相关区域主要集中在中部及东部梧州市、贵港市、贺州市等地，表明在广西西北部气温促进植被生长，而中部及东部地区降水促进植被生长。结合以往研究，由于学者们采用的研究时间段、数据和方法不同，所得植被NDVI与气温、降水的响应不同，本文与马海云等[33]所得植被NDVI与气温、降水的相关系数空间分布基本一致，但相关系数大小存在偏差。气温降水和植被NDVI平均复相关系数为0.32，表明总体上气温和降水为植被提供了适宜的生存环境，促进植被生长。不同土地利用类型上，植被NDVI对气温和降水的响应是不同的。其中在居民用地和未利用土地上植被对气温响应较剧烈，在林地上植被对降水响应较剧烈。居民用地和未利用土地主要分布在中南部南宁市、玉林市等低高程区域，降水较小，气温较高，过高的温度导致蒸发量增加，使得土壤水分散失，从而抑制植被生长，所以在居民用地和未利用土地上植被对气温响应较大。林地主要分布在西北河池市、百色市等高高程地区，气温较低，降水较高，过高的降水在高高程地区容易导致水土流失的加剧，从而抑制植被生长，因此在林地上，植被NDVI对降水响应较大。

4 结 论

1）2000－2018年广西植被NDVI呈增加趋势，线性增长速率为0.004/a，19 a平均NDVI值为0.81，按季度划分植被NDVI的高低依次为：第三季度、第二季度、第四季度、第一季度。广西植被覆盖属于较高水平，但存在地区差异。2000－2018年广西植被NDVI总体上呈现增加变化趋势。

2）广西高程西北高、东南低，高程主要在0～1 000 m之间，随着高程的增加植被NDVI呈现先增加再减少，最后增加并稳定在0.8以上的趋势。广西坡度主要分布在0°～34°之间，坡度0°～6°时，植被NDVI增加较显著，坡度6°～32°时，植被NDVI波动变化。除无坡向以外，坡向对植被NDVI影响不大。

3）广西土地利用类型存在一定的空间差异，不同土地利用类型上，植被NDVI对气温和降水响应不同。在居民用地、未利用土地上，广西植被NDVI对气温响应较大，对降水响应较小；在耕地、林地、草地、水域上，广西植被NDVI对降水响应大于气温。广西地区气温和降水促进植被生长，平均复相关系数达到0.32。