广西典型地貌植被覆盖度随地形的变化特征

黄冬梅，陈燕丽，莫建飞，黄肖寒，毛宜川，覃弼勇

（1.河池市气象局，广西河池 547000；2.广西壮族自治区气象科学研究所，广西南宁 530022；3.广西壮族自治区人民防空和边海防办公室，广西南宁 530029）

植被是陆地生态系统重要的组成部分。植被覆盖度通常用于表征某个地区的地表植被覆盖状况，是衡量绿化程度的量化指标[1]。植被覆盖度直接影响当地生态平衡及环境质量，其动态变化及影响因素已成为研究的热点[1-5]。

研究证实，地形是影响植被覆盖度的重要因素，相关研究主要围绕海拔、坡度和坡向3个地形因子开展。我国幅员辽阔，3 个地形因子对植被覆盖度影响的地域差异性较大。研究发现，不同地区影响植被覆盖度的主导地形因子有差异。福建省平潭岛植被覆盖度受坡度和高程影响较大，受坡向影响较小[6]；高程是影响贵州普定县喀斯特地区植被分布的主要地形因子[7]；赤水河流域内，植被覆盖度受坡度和坡向的影响明显高于高程[8]。随地形因子变化，不同地区的植被覆盖度特征也有差异。植被覆盖度与地形因子并不是单一呈正比或反比关系，植被覆盖度与地形因子的变化也不是单一变化趋势。陕北延河流域阴坡的植被覆盖度最高，平地的植被覆盖度最低；不同年份植被覆盖度随高程变化的规律不一致[9]。陕西北洛河流域不同时期的植被覆盖度均表现出随坡度增加而增加的趋势；阴坡植被覆盖度明显高于阳坡[10]。贵州普定县喀斯特地貌的植被覆盖度随坡度增加而增加，偏西坡和偏北坡的植被覆盖度较高，南坡最低[7]。新疆玛纳斯河流域的植被覆盖度随高程增加呈先升后降然后缓慢抬升，到达最高点后持续下降的趋势；随坡度增加，植被覆盖度呈逐渐减小的趋势；各坡向的植被覆盖度差异不明显[11]。青藏高原植被覆盖度与海拔呈负相关；阳坡植被覆盖度较高，阴坡较低[12]。年代际尺度上的植被改善或退化趋势也与地形因子密切相关。对广西河池市喀斯特区域1999—2010年的植被覆盖度变化趋势与地形关系进行分析，结果显示，不同高度和坡度上的植被改善差异明显，不同坡向上的植被改善差异不明显，但随坡向由阴坡转阳坡，植被改善呈减缓趋势[13]。

目前，有关地形因子对植被覆盖度影响的相关研究多针对某一流域或单一地形[8-12]，鲜见不同地形条件下植被覆盖度变化特征的比较。本研究选取广西典型生态类型喀斯特石山区和山地丘陵区，利用2000 — 2018年MODIS NDVI 长时间序列数据，在分析广西植被覆盖度年代际时空演变特征的基础上，对比分析岩溶山地生态区和山地丘陵生态区植被覆盖度随地形因子变化的特征，以期为广西生态建设、植被恢复及保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据及处理

采用2000— 2018年植被指数产品MOD13Q1，空间分辨率为250 m，数据来源于美国国家航空航天局。对所获得的MOD13Q1 遥感数据进行图像镶嵌、辐射校正、投影转换及质量检验等处理，得到质量可靠的归一化植被指数NDVI 数据集。所用的NDVI 数据采用目前国际上最通用的最大值合成法获得，该方法通过选取某一时间段内NDVI 的最大值，进一步消除大气、云和太阳高度角等因素的干扰。最大值合成法计算公式为[14]：

式中，NDVIi为第i月或第i年的NDVI值；NDVIij为第i月第j个16 天的NDVI数据或第i年第j月的NDVI数据。

通过广西壮族自治区气象科学研究所提供的市（县）行政边界、数字高程模型（DEM）和GIS技术，划分广西喀斯特石山区和山地丘陵区区域。

1.2 研究区概况

广西（104°28′～112°04′E，20°54′～26°23′N）地处中国南疆，喀斯特地貌和山地丘陵是广西典型的两种地貌类型。喀斯特地貌以岩溶石山为主，植被以草本植物和灌木为主，属山地灌丛草业生态经济区，是广西典型的生态脆弱区。山地丘陵以山地和丘陵为主，植被以木本和藤本植物为主，雨林植物景观突出，以森林生态系统类型自然保护区为主。广西喀斯特石山区和山地丘陵区面积分别为65 879.12和146 013.88 km2，分别占广西土地总面积的27.73%和61.45%。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆盖度计算

基于NDVI 数据，通过像元二分模型计算植被覆盖度（fg，%）。根据像元二分模型，每个像元的NDVI 值可以表达为植被覆盖与无植被覆盖两部分贡献的信息组合，通过变换可获得利用NDVI 值计算植被覆盖度的公式[14]：

式中，NDVIO为裸土地或完全没有植被覆盖区域的NDVI值；NDVIg为植被完全覆盖区域像元的NDVI值。

1.3.2 一元线性趋势分析法

采用一元线性趋势分析法分析植被覆盖度的年际变化趋势，计算公式为[4]：

式中，slope为植被覆盖度变化趋势的斜率；本研究中，植被覆盖度分析的时间区间为2000 — 2018年，因此n为19 a；Ci为第i年的植被覆盖度。植被覆盖度变化趋势斜率为正值，表明该地区一段时间内的植被覆盖度呈上升趋势；反之，呈下降趋势。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度变化趋势

2000 — 2018年，广西喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度变化趋势基本一致，均呈波动上升趋势（图1）。喀斯特石山区年均植被覆盖度增长速率为8.36%/10 a，19 a 植被覆盖度均值为67.8%，2013年植被覆盖度最高（74.9%），2000年最低（58.7%）；山地丘陵区年均植被覆盖度增长速率为7.81%/10 a，19 a 植被覆盖度均值为71.9%，2016年植被覆盖度最高（78.6%），2000年最低（62.6%）。喀斯特石山区植被覆盖度改善更明显；在此期间，对喀斯特石山区采取了植树造林和封山育林等石漠化治理措施，植被恢复效果显著。分别统计2000 — 2005、2006 — 2010、2011 — 2015 和2016 — 2018年4 个时段的植被覆盖度均值。4 个时段的喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度均呈上升趋势；其中，2011 — 2015 与2006 — 2010年的植被覆盖度差值最大；与2006—2010年相比，喀斯特石山区和山地丘陵区2011—2015年的植被覆盖度分别增加了6.5%（增长率为9.8%）和9.8%（增长率为11.2%）。大范围的气象灾害会影响植被生长。2005（春旱）、2010（冬、春连旱）和2015年（春旱和秋旱），广西发生较大范围、持续时间较长的干旱；喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度在2005、2010 和2015年均出现明显下降，与该期间发生的干旱过程吻合。

图1 2000—2018年喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度变化Fig.1 Changes of vegetation coverage in Karst rocky area and mountain hilly area from 2000 to 2018

根据《土壤侵蚀分类分级标准》[16]，将植被覆盖度划分为低植被覆盖度（< 30%）、中低植被覆盖度（30% ～ 45%）、中植被覆盖度（45% ～ 60%）、中高植被覆盖度（60% ～ 75%）和高植被覆盖度（> 75%）5个等级，统计各等级覆盖度面积占比（表1）。4个时段的喀斯特石山区和山地丘陵区的植被覆盖度均以中高植被覆盖度或高植被覆盖度为主，两地中高等级以上植被覆盖度均值占比分别为80.7%和89.6%，中低等级以下植被覆盖度均值占比分别为1.4%和1.0%。4 个时段喀斯特石山区和山地丘陵区低、中低、中和中高植被覆盖度多呈下降趋势；2016 — 2018年，喀斯特石山区和山地丘陵区低和中低植被覆盖度占比均比2011 — 2015年略有上升，高植被覆盖度占比明显增加。

表1 4个时段喀斯特石山区和山地丘陵区不同类型植被覆盖度占比Tab.1 Proportions of different vegetation coverage types of Karst rocky area and mountain hilly area in four periods (%)

在喀斯特石山区，2010年前以中、中高植被覆盖度为主，2010年以后以中高、高植被覆盖度为主；山地丘陵区一直以中高、高植被覆盖度为主。4 个时段山地丘陵区低、高植被覆盖度占比均高于喀斯特石山区，中低、中和中高植被覆盖度占比绝大多数低于喀斯特石山区。

2.2 植被覆盖度随地形变化特征

2.2.1 海拔

依托GIS 技术，分析不同时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随海拔的变化趋势（图2）。4 个时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随海拔的变化趋势均较一致。在喀斯特石山区，海拔为50～ 500 m 时，植被覆盖度随海拔升高呈明显增加的趋势；海拔为500～ 700 m 时，植被覆盖度变化稳定，变幅较小；海拔为700～900 m 时，植被覆盖度随海拔升高呈降低趋势；海拔为900 ～ 1 100 m 时，植被覆盖度随海拔升高呈增加趋势；海拔1 100 m以上时，植被覆盖度变幅随海拔升高而增大，且植被覆盖度总体呈降低趋势。在山地丘陵区，海拔为50～450 m 时，植被覆盖度随海拔升高而增加；海拔为450 ～ 1 100 m 时，植被覆盖度变化稳定，变幅较小；海拔为1 100 ～ 1 500 m 时，植被覆盖度变幅增大，总体呈降低趋势；海拔1 500 m 以上时，植被覆盖度变幅大，随海拔变化的规律不明显。喀斯特石山区和山地丘陵区的植被覆盖度在较低海拔区间均随海拔升高而增加；海拔超过500 m 后，山地丘陵区的植被覆盖度变化更稳定。喀斯特石山区植被覆盖度在海拔850～900 m 时有较明显的低谷，在海拔1 150 m 以上时呈降低趋势，山地丘陵区在这些海拔区间的变幅较小。

图2 4个时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随海拔变化趋势Fig.2 Change trends of vegetation coverage with altitude in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

以200、600、1 000 和1 400 m 为断点对海拔高度进行分级（表2）。2000—2018年，喀斯特石山区和山地丘陵区不同海拔等级植被覆盖度均明显增加；其中，2011 — 2015 与2006 — 2010年的植被覆盖度差值最大，且喀斯特石山区增幅更大。喀斯特石山区植被覆盖度均值在海拔为600 ≤～1 000 m时最高，山地丘陵区植被覆盖度均值在海拔为1 000～1 400 m 时最高。山地丘陵区不同海拔等级的植被覆盖度均高于喀斯特石山区；海拔<200 m 时，两地植被覆盖度4 个时段均值的差值最大（8.0%）；海拔为600～ 1 000 m 时，两地植被覆盖度4 个时段均值的差值最小（3.6%）。人类在低海拔、缓坡度地区进行生产经营活动对喀斯特石山区植被覆盖度影响较大。

表2 喀斯特石山区和山地丘陵区不同海拔植被覆盖度统计Tab.2 Statistics of vegetation coverage in different altitudes in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

2.2.2 坡度

分析不同时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随坡度的变化趋势（图3）。4 个时段喀斯特石山区和山地丘陵区的植被覆盖度随坡度变化趋势均较一致。在喀斯特石山区，坡度为5° ～ 10°和60° ～ 65°时，植被覆盖度随坡度增加而增加；坡度为10° ～ 55°时，植被覆盖度随坡度变化较稳定，变幅较小；坡度为55～60°时，植被覆盖度随坡度增加而降低；坡度大于65°时，无植被覆盖。在山地丘陵区，坡度为5°～10°时，植被覆盖度随坡度增加而增加；坡度为10° ～ 60°时，植被覆盖度随坡度变化较稳定，变幅较小，其中坡度为45°～50°时，植被覆盖度随坡度增加略有降低（除2000 — 2005年）；坡度大于60°时，无植被覆盖。喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度在坡度5°～10°时均随坡度增加而增加；坡度大于10°时，山地丘陵区的植被覆盖度变化比喀斯特石山区更稳定。

图3 4个时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随坡度变化趋势Fig.3 Change trends of vegetation coverage with slope in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

参考GB/T 15772-1995[17]，将坡度划分为微坡（<5°）、缓坡（5°≤～15°）、较陡坡（15°≤～25°）和陡坡（>25°）4 个等级（表3）。喀斯特石山区和山地丘陵区的植被覆盖度均随坡度增加而增加；喀斯特石山区和山地丘陵区陡坡植被覆盖度4个时段的均值分别为73.7%和75.9%，微坡植被覆盖度4个时段的均值分别为64.3%和67.4%。不同等级坡度条件下，山地丘陵区植被覆盖度均高于喀斯特石山区；较陡坡地区植被覆盖度4 个时段均值的差值最大（4.6%），陡坡差值最小（2.2%）。

表3 喀斯特石山区和山地丘陵区不同坡度植被覆盖度统计Tab.3 Statistics of vegetation coverage in different slopes in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

2.2.3 坡向

不同坡向的降水、太阳辐射等因子强度不同，植被生长所需的水、热和光照等条件不同，植被覆盖度在各坡向上呈现一定差异[12]。分析不同时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随坡向的变化趋势（图4）。4 个时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随坡向的变化趋势均较一致。在喀斯特石山区，坡向为45°～180°和315°～360°时，植被覆盖度随坡向度数增加而增加；坡向为180° ～315°时，植被覆盖度随坡向度数增加而降低。在山地丘陵区，坡向为0° ～ 225°时，植被覆盖度随坡向度数增加呈增加趋势；坡向为225° ～ 360°时，植被覆盖度随坡向度数增加呈降低趋势。

图4 4个时段喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度随坡向变化趋势Fig.4 Change trends of vegetation coverage with aspect in Karst rocky area and mountain hilly area in four periods

以45°为间距，计算每坡向所有植被覆盖度均值（表4）。在喀斯特石山区，南坡（坡向135° ～225°）植被覆盖度较高，其中坡向135°～180°植被覆盖度4个时段的均值最高（69.3%）；西坡（坡向225°～315°）植被覆盖度较低，其中坡向270°～315°植被覆盖度4个时段的均值最低（68.0%）。在山地丘陵区，南坡植被覆盖度较高，其中坡向135°～180°植被覆盖度4个时段的均值最高（73.4%）；西坡植被覆盖度较低，其中225° ～ 270°植被覆盖度4 个时段的均值最低（71.0%）。喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度4 个时段均值在东坡（坡向90° ～ 135°）差值最大（4.5%），西坡（坡向225° ～ 270°）差值最小（2.2%）。

表4 喀斯特石山区和山地丘陵区不同坡向的植被覆盖度统计Tab.4 Statistics of vegetation coverage in different aspects in Karst rocky area and mountain hilly area(%)

续表4 Continued

3 讨论与结论

3.1 讨论

不同地貌条件构成的植被生态系统差异较大，地形因子对植被覆盖度的影响也有差异。研究发现，主导植被覆盖度变化的地形因子具有地域差异，海拔、坡度和坡向均可能是植被覆盖度变化的主要地形影响因子[8-14，18-21]。广西地区喀斯特石山区和山地丘陵区不同时段植被覆盖度随海拔和坡度的变化波动较明显，随坡向变化较平稳，其主导地形因子可能是海拔和坡度，两者对植被分布及改善的影响需进一步研究。

不同地区植被覆盖度随不同地形因子变化的特征差异较大，陕北延河流域[9]、陕西北洛河流域[10]、贵州普定县喀斯特地貌[7]和新疆玛纳斯河流域[11]的研究报道已证实这一点。本研究对同一纬度带下两种地貌的植被覆盖度进行对比，研究结果进一步验证上述观点。植被覆盖度与地形的关系复杂，并非单一正比或反比关系。本研究结果显示，喀斯特石山区和山地丘陵区植被覆盖度变化在不同海拔、坡度和坡向条件下，同时具有正比和反比两种关系。本研究中，广西喀斯特石山区植被覆盖度在南坡最高，西坡最低；贵州普定县喀斯特地貌植被覆盖度在偏西坡、偏北坡的植被覆盖度较高，南坡的植被覆盖最低[7]；进一步说明不同地区的植被覆盖度随地形因子的变化特征有差异。

3.2 结论

本研究以广西典型生态喀斯特石山区和山地丘陵区为研究对象，利用2000 — 2018年MODIS NDVI长时间序列数据，对比分析两种生态区植被覆盖度随海拔、坡度和坡向变化的差异，发现两种地貌条件下植被覆盖度变化有共性，也有差异。

时间尺度上，2000—2018年，两地植被覆盖度改善程度均较大。喀斯特石山区年均植被覆盖度增长速率为8.36%/10 a，山地丘陵区为7.81%/10 a。两地植被覆盖度随海拔、坡度和坡向的变化特征较一致，且年份差异较小。

两地植被覆盖度在低海拔整体随海拔升高呈波浪式上升的趋势；海拔超过500 m，山地丘陵区植被覆盖度变化更稳定。不同海拔等级下，两地的植被覆盖度均明显增加，喀斯特石山区增幅更大；喀斯特石山区植被覆盖度4 个时段均值在海拔600 ～1 000 m 时最高，山地丘陵区在海拔1 000～1 400 m时最高；两地植被覆盖度4 个时段均值的差值在海拔小于200 m时最大，在海拔600～1 000 m最小。

两地植被覆盖度在坡度为5°～10°时均随坡度增加而增加；坡度大于10°时，山地丘陵区植被覆盖度变化更稳定。山地丘陵区不同等级坡度的植被覆盖度均高于喀斯特石山区；其中，坡度为15°～25°时，两地植被覆盖度4个时段均值差异最大，坡度大于25°时差异最小。

两地植被覆盖度4个时段均值的最高值均在南坡（坡向135° ～ 180°），但最低值不同，喀斯特石山区最低值在西坡（坡向270°～315°），山地丘陵区在西坡（坡向225°～270°）。两地植被覆盖度4 个时段均值在东坡差异最大，西坡差异最小。