葉駿菲，陳燕麗，莫偉華，莫建飛2，3，，樊俏麗

（1.邕寧區(qū)氣象局，廣西 南寧530022；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西師范學(xué)院，廣西 南寧530022；3.廣西地表過(guò)程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西師范學(xué)院，廣西 南寧530022；4.廣西氣象科學(xué)研究所，廣西 南寧530022）

喀斯特地貌區(qū)是我國(guó)的四大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一， 由于喀斯特環(huán)境本身的脆弱性和人類活動(dòng)的影響，喀斯特環(huán)境的惡化則會(huì)導(dǎo)致其植被退化、基巖裸露，形成石漠化景觀。 多年來(lái)，巖溶石漠化問(wèn)題已經(jīng)成為廣西最為嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題之一[1]。 植被具有明顯的年際和季節(jié)變化， 是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)變化的“指示器”[2]。 近年來(lái)，隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)不斷成熟， 采用遙感技術(shù)跟蹤喀斯特地區(qū)植被覆蓋變化， 已成為監(jiān)測(cè)評(píng)估喀斯特地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)、生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要監(jiān)測(cè)手段。

遙感反演的植被指數(shù)已被證實(shí)可以有效反映喀斯特區(qū)植被的季節(jié)和年際變化特征[6]，其中歸一化植被指數(shù)NDVI 是最常用的監(jiān)測(cè)指數(shù)。利用MODIS[4-6]、AVHRR[7，8]、TM[9]、SPOT[10]遙感數(shù)據(jù)反演的NDVI 已經(jīng)開(kāi)展了貴州[4，7，9]、廣西[3，10]、重慶[5]、云南[8]喀斯特地區(qū)植被時(shí)空變化研究。 氣候變化與植被變化的關(guān)系已經(jīng)不同區(qū)域尺度上得到研究， 氣溫和降水與植被遙感指數(shù)的良好相關(guān)性也得到了驗(yàn)證[6，11-15]。 蒙吉軍等[16]研究了20 世紀(jì)80 年代以來(lái)我國(guó)西南喀斯特地區(qū)植被變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)；童曉偉[10]結(jié)合氣象和地形數(shù)據(jù)分析了廣西河池市喀斯特區(qū)植被與氣候、地形的關(guān)系；張勇榮[17]研究了貴州省典型喀斯特區(qū)域植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)；丁文榮[18]探討了滇東南喀斯特地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空變化特征及其與氣候因子、人類活動(dòng)的關(guān)系，普遍發(fā)現(xiàn)氣溫和降水是影響喀斯特地區(qū)植被NDVI 的重要?dú)庀笠蜃印?/p>

巖溶喀斯特地貌在廣西廣泛分布，而百色市是廣西喀斯特面積和石漠化程度均較高的地區(qū)之一[24]。由于石漠化地區(qū)人口壓力大， 農(nóng)民為了生存亂墾亂伐， 導(dǎo)致石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境日益惡化及農(nóng)民生活日益貧困[19]。盡管陳燕麗等[11，20]已對(duì)廣西西北部巖溶山地植被變化及其氣候驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道，但由于其所用的時(shí)間序列較短（2000—2010 年）且研究范圍的不同， 其所得結(jié)論在本研究區(qū)應(yīng)用時(shí)缺乏針對(duì)性， 其適用性有待進(jìn)一步研究。 本文利用2000—2017 年廣西百色市MODIS 衛(wèi)星遙感影像，研究近20 a 來(lái)研究區(qū)喀斯特地區(qū)植被及不同等級(jí)石漠化區(qū)植被時(shí)空變化狀況， 分析降水及氣溫與喀斯特區(qū)植被變化的相關(guān)性， 探討植被變化與氣象因子的關(guān)系， 擬為客觀評(píng)價(jià)該地區(qū)石漠化治理成效和喀斯特綜合治理對(duì)策制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

百色市是廣西壯族自治區(qū)下轄地級(jí)市， 地處廣西西部右江上游， 位于104°28′～107°54′E， 22°51′～25°07′N，西與云南文山州相接，北與貴州興義市毗鄰，東與廣西首府南寧緊連，南與越南接壤。 地勢(shì)南北高中間低， 由西北向東南傾斜， 屬亞熱帶季風(fēng)氣候。研究區(qū)內(nèi)地表切割強(qiáng)烈，峰林連綿，地貌奇特，裸巖多，土壤瘠薄，成土速度慢，環(huán)境條件差，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，是廣西喀斯特分布面積最大、石漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[25]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)選用了NASA MODIS 陸地產(chǎn)品組根據(jù)統(tǒng)一算法開(kāi)發(fā)的MODIS 植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，即全球250 m 分辨率16 d 合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)版本為V006，有關(guān)該產(chǎn)品的詳細(xì)介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。所用的NDVI 數(shù)據(jù)采用了國(guó)際通用的最大值合成MVC（Maximum Value Composites）法獲得。

對(duì)所獲得的MOD13Q1 遙感數(shù)據(jù)集進(jìn)行子集提取、圖像鑲嵌、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理，這些處理可以采用MODLAND 提供的專門軟件進(jìn)行，經(jīng)過(guò)以上處理獲得質(zhì)量可靠的NDVI 數(shù)據(jù)集。

氣象數(shù)據(jù)為百色市氣象局提供的2000—2017年的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。

地理信息數(shù)據(jù)包括百色市縣行政邊界， 喀斯特地區(qū)矢量邊界。

通過(guò)石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)野外調(diào)查， 獲取研究區(qū)潛在、輕度、中度、重度不同石漠化等級(jí)樣點(diǎn)（區(qū)），利用GPS 記錄其經(jīng)緯度位置。 石漠化等級(jí)劃分主要以植被覆蓋率和巖石裸露率為指標(biāo)，詳細(xì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[21，32-34]。

1.3 研究方法

步驟一：在統(tǒng)計(jì)某一區(qū)域（包括整個(gè)研究區(qū)域或部分典型區(qū)域） 的NDVI 值時(shí)， 采用均值法進(jìn)行計(jì)算，即統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有像元的NDVI 值的平均。

步驟二： 利用一元線性回歸計(jì)算氣候傾向率，分析喀斯特地區(qū)植被NDVI（氣溫、降水量）變化趨勢(shì)[28-31]。

步驟三：計(jì)算逐年NDVI 距平值。 在氣象上，距平值主要是用來(lái)確定某個(gè)時(shí)段或時(shí)次的數(shù)據(jù)， 相對(duì)于該數(shù)據(jù)的某個(gè)長(zhǎng)期平均值是高還是低。其表達(dá)式為：

式中，R 為距平，Vm為實(shí)測(cè)值，Vh為同期歷史均值。為了方便比較，對(duì)距平作標(biāo)準(zhǔn)化處理，即可得到距平百分率R′：

步驟四：通過(guò)每個(gè)像元上n 年的YNDVIK，用趨勢(shì)線分析法模擬該像元值在n 年間的變化趨勢(shì)， 即植被覆蓋度的年際變化。 計(jì)算公式為：

式中，K 為1～n 的年序號(hào)，YNDVIK是第K 年生長(zhǎng)季NDVI 平均值。 變化趨勢(shì)圖反映了在研究時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)間序列中，研究地區(qū)NDVI 的年際變化趨勢(shì)。某像元的趨勢(shì)線是該點(diǎn)n 年的生長(zhǎng)季NDVI 平均值用一元線性回歸模擬出來(lái)的一個(gè)總的變化趨勢(shì)，SLOPE即是這條趨勢(shì)線的斜率。 SLOPE＞0，表示NDVI 在n 年內(nèi)的變化趨勢(shì)是增加的，反之則減少。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NDVI 年內(nèi)變化規(guī)律

計(jì)算2000—2017 年各個(gè)16 d 周期NDVI 平均值，得到逐16 d MODIS NDVI 平均圖像。 采用均值法分別對(duì)百色市全喀斯特地區(qū)和潛在、輕度、中度、重度石漠化區(qū)NDVI 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出其年內(nèi)NDVI變化趨勢(shì)曲線（圖1）。

圖1 研究區(qū)及其不同石漠化等級(jí)NDVI 年內(nèi)變化

不同石漠化等級(jí)區(qū)的植被構(gòu)成差異較大， 潛在石漠化區(qū)植被覆蓋度高，以喬木為主；輕度石漠化區(qū)以灌草為主， 有少量喬木； 中度石漠化區(qū)以灌草為主，有基巖裸露現(xiàn)象但比例較低；重度石漠化區(qū)僅有少量灌草覆蓋，基巖全部或大部裸露。植被覆被的差異直接導(dǎo)致其NDVI 的差異。

研究區(qū)植被及各石漠化等級(jí)區(qū)植被年內(nèi)NDVI變化特征均表現(xiàn)出“夏秋高，冬春低”的趨勢(shì)，其NDVI曲線峰值出現(xiàn)在第209～273 天時(shí)段，即8 月上旬至9 月上旬。NDVI 最低值集中在第1～33 天時(shí)段，即1月和2 月上旬。 春季至秋初，NDVI 值總體處于增長(zhǎng)趨勢(shì)， 秋中至次年春季，NDVI 值總體處于下降趨勢(shì)，增幅大于減幅。

研究區(qū)（大部分為潛在石漠化區(qū)）植被NDVI 變幅為0.45～0.74（均值0.61），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第257 天， 最低值出現(xiàn)在第33 天。 潛在石漠化區(qū)NDVI 變幅在為0.42～0.81（均值0.63），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第257 天，最低值出現(xiàn)在第17 天。 輕度石漠化區(qū)NDVI 變幅為0.30～0.69（均值0.54），其NDVI最高值出現(xiàn)在209 天，最低值出現(xiàn)在17 天。 中度石漠化區(qū)NDVI 為0.32～0.63（均值0.48），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第225 天， 最低值出現(xiàn)在第17 天和33天。 重度石漠化區(qū)NDVI 為0.24～0.53（均值0.40），其NDVI 最高值出現(xiàn)在第209 天，最低值出現(xiàn)在第17 天。

由上述分析得知，隨著石漠化等級(jí)加重，其植被NDVI 均值降低。 以灌草為主的輕、中、重石漠化區(qū)NDVI 值最高值多出現(xiàn)在7 月中旬左右， 而以喬木為主的潛在石漠化區(qū)NDVI 最高只出現(xiàn)在8 月下旬左右，這是由于喬木生長(zhǎng)要慢于灌草所致。輕、中、重石漠化區(qū)NDVI 值最大差別僅為0.16， 說(shuō)明各石漠化等級(jí)之間極容易發(fā)生退化和改善之間的轉(zhuǎn)變，喀斯特地區(qū)植被生態(tài)較脆弱。

2.2 植被NDVI 年際變化趨勢(shì)

分別計(jì)算研究區(qū)全喀斯特地區(qū)、潛在、輕度、中度、重度石漠化區(qū)植被年NDVI 均值，利用氣候傾向率分析其年際變化趨勢(shì)（圖2）。 2000—2017 年百色全喀斯特地區(qū)及各等級(jí)石漠化區(qū)植被NDVI 均呈增加趨勢(shì)，即其植被均得到了不同程度的改善。 其中，重度石漠化區(qū)植被改善趨勢(shì)最顯著， 植被改善趨勢(shì)為0.063/10 a；其次為輕度石漠化區(qū)，植被改善率為0.058/10 a。盡管中度石漠化區(qū)植被改善趨勢(shì)略低于輕度、重度石漠化區(qū)，但其植被NDVI 變化更穩(wěn)定。

利用2000—2017 年研究區(qū)NDVI 序列，計(jì)算逐年NDVI 距平值， 根據(jù)多年NDVI 距平變幅并結(jié)合調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料， 制定研究區(qū)植被NDVI 變化趨勢(shì)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）。基于該標(biāo)準(zhǔn)，采用一元回歸趨勢(shì)線法分析研究區(qū)植被年際變化趨勢(shì)（圖3）。

表1 植被NDVI 變化趨勢(shì)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2000—2017 年，研究區(qū)植被改善（NDVI 增加或稍增加）面積比例為38.27%，植被退化（NDVI 減少或稍減少）面積比例為4.87%，植被變化穩(wěn)定（NDVI 變化不大）面積比例為57.86%。 研究區(qū)南部和東部植被改善較明顯，其中凌云縣、平果縣、德?？h、靖西縣、樂(lè)業(yè)縣，改善比例（NDVI 增加或稍增加面積占本縣總喀斯特面積比例）均超過(guò)40%。 西部和中南部植被退化較明顯，其中隆林縣退化比例（NDVI 減少或稍減少面積占本縣總喀斯特面積比例）最高，超過(guò)15%，田陽(yáng)縣、田東縣、靖西縣改善比例超過(guò)5%（表2）。

表2 研究區(qū)植被變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)%

圖2 2000—2017 年研究區(qū)及不同等級(jí)石漠化區(qū)植被NDVI 年際變化

圖3 2000—2017 年研究區(qū)植被變化趨勢(shì)

2.3 植被NDVI 與氣溫和降水量的關(guān)系

利用2000—2017 年MODIS NDVI 序列， 分別統(tǒng)計(jì)研究區(qū)年、春、夏、秋、冬植被NDVI 與同期降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)（表3）。

年尺度的平均氣溫與植被NDVI 相關(guān)性較高，平均相關(guān)系數(shù)為0.489，大多數(shù)站點(diǎn)為正相關(guān)。 對(duì)于季度尺度，平均氣溫與植被NDVI 多為正相關(guān)關(guān)系。其中，秋季平均氣溫與植被NDVI 的相關(guān)性最高，春季次之， 冬季氣溫與植被NDVI 相關(guān)性最低且總體為負(fù)相關(guān)。 年尺度的降水量與植被NDVI 的相關(guān)性也較高，平均相關(guān)系數(shù)為0.426，全部站點(diǎn)為正相關(guān)。對(duì)于季度尺度， 降水量與植被NDVI 的相關(guān)性多為正相關(guān)關(guān)系。其中，春季降水量與植被NDVI 的相關(guān)性最高，秋季次之，冬季氣溫與植被NDVI 相關(guān)性最低且部分站點(diǎn)為負(fù)相關(guān)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與研究區(qū)植被NDVI 的相關(guān)性略好于降水量， 年尺度氣溫和降水量對(duì)植被NDVI 影響均較明顯， 秋季和春季氣溫降水對(duì)植被NDVI 影響較大， 冬季影響最小。秋季氣溫對(duì)植被NDVI 的作用大于降水量，而春季降水量的作用大于氣溫。

表3 研究區(qū)植被NDVI 與降水量和氣溫相關(guān)系數(shù)

依據(jù)研究區(qū)植被變化趨勢(shì)分析結(jié)果， 選擇植被改善明顯地區(qū)（凌云縣、平果縣、德?？h、樂(lè)業(yè)縣）和植被退化明顯地區(qū)（隆林縣、田陽(yáng)縣、田東縣），對(duì)比分析兩者的氣候特征（表4）。 與全喀斯特地區(qū)相比較，植被改善明顯地區(qū)表現(xiàn)出如下特征：春、夏、秋、冬溫度增溫更明顯（氣候傾向率分別為0.39、0.50、0.80、0.07 ℃/10 a、）高于全喀斯特地區(qū)平均水平（分別為0.37、0.41、0.68、-0.3 ℃/10 a）；春、夏季降水量減幅明顯（氣候傾向率分別為-9.89、-1.04 mm/10 a），低于全喀斯特地區(qū)平均水平（氣候傾向率分別為-6.28、12.89 mm/10 a）；秋季降水量增幅明顯（氣候傾向率為94.61 mm/10 a）， 高于全喀斯特地區(qū)平均水平（72.70 mm/10 a）。 而對(duì)于植被退化明顯地區(qū)則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。綜上，研究區(qū)植被生長(zhǎng)是氣溫和降水綜合作用的結(jié)果， 目前氣候變化所引起的增溫幅度有利于研究區(qū)植被生長(zhǎng)， 且春夏季降水減少、秋季降水增多的氣候變化趨勢(shì)更利于植被生長(zhǎng)。分析其原因，可能是對(duì)于喀斯特石漠化區(qū)而言，由于石漠化程度不同，灌草、灌木、喬木且所占比例差異使得植被覆蓋度差異較大。 對(duì)于中、重度石漠化區(qū)，植被稀疏，保水保墑能力較差，而研究區(qū)春夏季降水主要為大雨、暴雨[22]，過(guò)于集中的降水并不利于植被生長(zhǎng)甚至?xí)又厮亮魇?。研究區(qū)秋季干旱頻率高[23]，秋季降水量的增多可以降低干旱對(duì)植被的影響，有利于植被生長(zhǎng)恢復(fù)。

3 結(jié)論和討論

研究區(qū)植被及各石漠化等級(jí)區(qū)植被年內(nèi)NDVI變化特征均表現(xiàn)出“夏秋高，冬春低”的趨勢(shì)，隨著石漠化等級(jí)加重，植被NDVI 均值降低。 植被NDVI 峰值多出現(xiàn)在8 月上旬—9 月上旬， 谷值出現(xiàn)在1 月和2 月上旬。 但以灌草為主的輕、中、重石漠化區(qū)植被NDVI 峰值出現(xiàn)時(shí)間較早， 以喬木為主的潛在石漠化區(qū)植被NDVI 峰值出現(xiàn)時(shí)間較遲。 2000—2017年百色全喀斯特地區(qū)及各等級(jí)石漠化區(qū)植被NDVI均呈改善趨勢(shì)， 且重度石漠化區(qū)植被改善趨勢(shì)最明顯，輕度石漠化區(qū)次之。研究區(qū)植被多為穩(wěn)定變化和改善趨勢(shì)， 改善、 變化不大和退化面積比例分別為38.27%、57.86%、4.87%。 平均氣溫和降水量與研究區(qū)植被NDVI 相關(guān)性均較高， 且平均氣溫與植被NDVI 的相關(guān)性總體好于降水量。 年尺度氣溫和降水量對(duì)植被NDVI 影響均較明顯，季度尺度上，秋季和春季氣溫降水對(duì)植被NDVI 影響較大， 冬季影響最小。 目前氣候變暖引起的增溫幅度有利于喀斯特地區(qū)植被生長(zhǎng)，春夏季降水減少、秋季降水增多的氣候變化趨勢(shì)更利于研究區(qū)植被改善。

本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)植被NDVI 與氣溫和降水量的相關(guān)性較好，年、夏季、秋季氣溫與植被NDVI 相關(guān)性高于降水量。 張勇榮等[17]指出，1999—2010 年貴州省典型喀斯特區(qū)域植被NDVI 與年均氣溫和降水量均具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性， 且年均氣溫的影響力大于年降水量。 蒙吉軍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，1981—2000年西南喀斯特地區(qū)不同的植被類型對(duì)氣候變化有著不同的響應(yīng)特征， 氣溫變化對(duì)植被變化的影響高于降水量。童曉偉等[10]發(fā)現(xiàn)1999—2010 年河池市年均氣溫變化對(duì)植被NDVI 的影響略高于年均降水變化的影響。 上述對(duì)其它喀斯特地區(qū)的研究與本文結(jié)論一致， 均驗(yàn)證了氣溫和降水量對(duì)喀斯特地區(qū)植被的重要驅(qū)動(dòng)作用， 且在年尺度上氣溫的作用大于降水量。 但陳燕麗等[11，20]對(duì)廣西西北部巖溶山地植被變化與氣溫、降水量的研究中發(fā)現(xiàn)，植被NDVI 與氣溫相關(guān)性較好，但與降水量的相關(guān)性不明顯。與本研究結(jié)果不一致， 可能原因是因?yàn)槠渌玫臅r(shí)間序列（2000—2010 年）和研究范圍與本文不一致。丁文容等[18]研究發(fā)現(xiàn)，2001—2010 年水分類氣象因子是滇東南喀斯特地區(qū)植被NDVI 年內(nèi)變化主要的影響因素，其作用大于溫度類氣象因子。進(jìn)一步證明了由于降水的時(shí)空異質(zhì)性， 其對(duì)植被生長(zhǎng)的作用機(jī)制更復(fù)雜。

表4 研究區(qū)氣溫和降水量氣候傾向率

本文在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上， 通過(guò)分析植被改善（退化）區(qū)的氣象因子變化特征，深入研究氣溫和降水量對(duì)植被改善（退化）作用，一定程度上改善了目前有關(guān)喀斯特地區(qū)植被—?dú)夂蛳嗷プ饔醚芯恐袃H利用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判定的研究現(xiàn)狀。但是，由于本研究中石漠化等級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)源與地面調(diào)查點(diǎn)數(shù)量較少，在進(jìn)一步的研究中， 可利用格點(diǎn)化氣象數(shù)據(jù)和更全面的石漠化調(diào)查樣點(diǎn)，深入分析不同季節(jié)氣溫、降水變化及其組合對(duì)不同等級(jí)石漠化植被影響的內(nèi)在機(jī)理。同時(shí)，本研究針對(duì)植被改善明顯地區(qū)和植被退化明顯地區(qū)的氣候特征分析選用的縣樣本較少， 且對(duì)特例樣本如德?？h（春夏降水減幅大，秋季降水增幅大）沒(méi)有進(jìn)行深入研究，因此研究得出的結(jié)論適用范圍有限，有待于深入研究。