丁文榮, 李玉輝

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院， 云南 昆明 650500)

1 研究背景

陸地植被是自然生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是大氣、土壤和水分之間的“紐帶”。植被影響著地氣系統(tǒng)的能量平衡，在氣候、水文和生化循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，但同時(shí)也是氣候和人為因素對(duì)環(huán)境影響的敏感性指標(biāo)[1]。全球氣候變暖及其關(guān)聯(lián)效應(yīng)已經(jīng)成為21世紀(jì)最重大的環(huán)境問(wèn)題之一，IPCC最新研究報(bào)告指出，1901-2012年全球地表平均溫度升高0.89℃(0.69～1.08℃)，過(guò)去30年中的每個(gè)10年都要比自1850年以來(lái)的任何一個(gè)10年都更加溫暖[2]。由此，揭示植被與氣候變化之間的關(guān)系已經(jīng)成為全球氣候變化研究的重要內(nèi)容[3-5]。植被指數(shù)可以表征植被狀況，能夠在較大時(shí)空尺度上客觀反映研究區(qū)植被覆蓋信息，其中歸一化植被指數(shù)(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)最為常用[6]。遙感觀測(cè)手段具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、宏觀的特點(diǎn)，為研究地表植被NDVI提供了可靠的數(shù)據(jù)源[7]。

退化巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是全球巖溶地質(zhì)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素，中國(guó)西南巖溶區(qū)尤為突出[8]。在氣候變化及人類(lèi)活動(dòng)綜合影響下，巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題更為凸顯[9]。應(yīng)對(duì)氣候變化與植被恢復(fù)成為巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)首要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)需求，然而巖溶區(qū)氣候變化與植被關(guān)系仍不清晰。石林作為劍狀喀斯特的標(biāo)型景觀，在長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其保護(hù)也一直受到重視，具備了從地帶性原生植被到石漠化灌草叢的完整植物群落序列。

本文將“3S”技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法融入巖溶區(qū)氣候變化與植被變化的整體思考中，以長(zhǎng)時(shí)間變化序列為對(duì)象，系統(tǒng)分析植被覆蓋與氣候變化的相關(guān)性，成果不僅是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)的科學(xué)依據(jù)，也可為巖溶區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化與植被保護(hù)、恢復(fù)提供實(shí)證。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

石林彝族自治縣位于云南高原中部，介于103°10′E～103°41′E、24°30′N(xiāo)～25°3′N(xiāo)之間，面積1 725 km2。地勢(shì)東北高西南低，海拔多在1 700～1 950 m之間。地處低緯高原，具有典型的亞熱帶低緯高原季風(fēng)氣候特征，干濕季分明，多年平均降水量939.5 mm，降水時(shí)間主要集中在5-10月，占全年降水量的85%。年平均氣溫16.3℃，年平均日照2 100 h，大于10℃的年活動(dòng)積溫4 814.6℃，歷年平均無(wú)霜期252 d。2015年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，石林縣有中度以上石漠化土地面積483.57 km2，潛在石漠化面積182.32 km2，分別占國(guó)土面積的28.75%和10.84%，是滇中石漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域。然而，石林自1982年起陸續(xù)開(kāi)展土地利用規(guī)劃調(diào)整，城市化、自然保護(hù)和保護(hù)農(nóng)田(耕地)、旅游景點(diǎn)建設(shè)、石漠化治理或退化巖溶生態(tài)系統(tǒng)治理等工程的持續(xù)進(jìn)行，形成了地帶性原生植被-針闊混交林-針葉林-石漠化灌草叢的植被類(lèi)型序列。

本研究依據(jù)當(dāng)?shù)刂脖谎萏嫘蛄?，甄選了4個(gè)人類(lèi)活動(dòng)較弱的植被片區(qū)為研究對(duì)象，4個(gè)植被類(lèi)型區(qū)及氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)4個(gè)植被類(lèi)型區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

為剔除人類(lèi)活動(dòng)的影響并客觀反映自然植被覆蓋變化與氣候的相關(guān)性，所選擇的區(qū)域主要位于山頂或保護(hù)區(qū)，耕地所占面積低，植被片區(qū)特征及恢復(fù)狀態(tài)見(jiàn)表1。研究片區(qū)平均面積為7.48 km2，最大的是長(zhǎng)湖片區(qū)，面積9.05 km2，最小的大灣菁片區(qū)面積為6.67 km2。

2.2 資料來(lái)源

選用的核心數(shù)據(jù)包括石林縣1987 -2017年的降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)和植被NDVI數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于石林縣國(guó)家氣象站。因旱季植被指數(shù)更能反映前期降水對(duì)植被的影響[10]，加之研究區(qū)生長(zhǎng)季節(jié)云量高，無(wú)法獲取連續(xù)完整的遙感影像，故本研究采用旱季的植被覆蓋數(shù)據(jù)，所獲取的影像均為1月份，共31期影像。

表1 植被片區(qū)特征及恢復(fù)狀態(tài)

2.3 研究方法

(1) 植被覆蓋NDVI數(shù)據(jù)提取。從美國(guó)地質(zhì)勘探局(https://glovis.usgs.gov/)的Landsat4-5TM、Landsat7 ETM SLC及Landsat 8 OLI的30m分辨率衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品中篩選出合適的1月遙感影像，在ENVI 5.3軟件的支持下進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，并進(jìn)行植被NDVI計(jì)算，然后在ArcInfo 10.3中提取不同類(lèi)型的植被片區(qū)范圍及NDVI屬性值。

(2)變化趨勢(shì)分析。變化趨勢(shì)分析采用Sen's斜率法，作為非參數(shù)方法，Sen's斜率可以較好地減少噪聲對(duì)序列變化趨勢(shì)的干擾。Sen's斜率β表示待分析時(shí)間序列的平均變化率以及時(shí)間序列的趨勢(shì)。當(dāng)β>0時(shí)，序列呈上升趨勢(shì)；當(dāng)β=0時(shí)，序列趨勢(shì)不明顯；而當(dāng)β<0時(shí)，系列呈下降趨勢(shì)[11]。對(duì)于時(shí)間序列xi=(x1，x2，…，xn)，Sen's斜率的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Median為中值函數(shù)。

(3)變化周期分析。周期分析采用了小波變換法，該方法通過(guò)伸縮平移運(yùn)算自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)的時(shí)間變化，計(jì)算小波方差后可得到周期和主周期[12]。本研究采用的母小波為復(fù)值Morlet小波，具體形式為：

(2)

式中：fb為帶寬；fc為中心頻率;i為虛數(shù)。若令fb=2，ω=2πfc，則復(fù)值Morlet小波的伸縮尺度a與Fourier分析中周期T的關(guān)系為：

(3)

從公式(3)中可以看出，當(dāng)ω=6.2時(shí)，T可以近似地用a來(lái)代替。

(4)偏相關(guān)分析。植被NDVI變化往往是多個(gè)要素相互影響、制約的結(jié)果，偏相關(guān)分析法為剝離出某個(gè)要素變化對(duì)因變量的作用提供了一種有效的方法。偏相關(guān)分析以控制變量將其他要素視為常數(shù)，可以有效排除要素自身相關(guān)的影響。通過(guò)偏相關(guān)系數(shù)與相關(guān)系數(shù)的比較，來(lái)確定兩個(gè)變量之間的內(nèi)在線性聯(lián)系會(huì)更真實(shí)、可靠。本研究中NDVI與氣溫、NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算分別寫(xiě)為：

(4)

(5)

偏相關(guān)計(jì)算結(jié)果采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，計(jì)算公式為：

(6)

式中：R為偏相關(guān)系數(shù);n為樣本數(shù);m為自變量。

此外，氣象數(shù)據(jù)、植被NDVI時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)及突變年份確定采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法[13]，序列總體離散程度分析采用變差系數(shù)CV值[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋變化特征

通過(guò)遙感影像解譯得到各年旱季植被NDVI后，分別提取每種植被類(lèi)型的NDVI屬性值，得到1987-2017年植被NDVI時(shí)間序列(圖2)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算相關(guān)指數(shù)。由圖2可看出，多年旱季植被NDVI主要波動(dòng)于0.15～0.29之間，其中常綠闊葉林的長(zhǎng)湖片區(qū)最高，均值達(dá)0.29，而石漠化灌草叢的白龍?zhí)镀瑓^(qū)最低，均值僅為0.15。自1987年以來(lái)4個(gè)片區(qū)植被NDVI均存在明顯的波動(dòng)變化特征，且最高值均出現(xiàn)在2010年而最低值則出現(xiàn)在2012年。進(jìn)一步采用Sen's斜率計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，1987-2017年不同植被類(lèi)型的變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)(表2)，其中針闊混交林的大灣菁減少速率為-0.33×10-2/a，變化趨勢(shì)達(dá)到了顯著的水平，而其余三者的減少趨勢(shì)尚未達(dá)到顯著的水平。此外，對(duì)4種植被類(lèi)型的NDVI趨勢(shì)與Sen's斜率的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.68，即植被覆蓋率越高的植被類(lèi)型，減少的趨勢(shì)越明顯。

從變差系數(shù)CV值的變化來(lái)看，1987-2017年4種植被類(lèi)型區(qū)的CV值波動(dòng)于0.23～0.31之間，常綠闊葉林片區(qū)波動(dòng)性最小而石漠化灌草叢片區(qū)最大。對(duì)植被NDVI與CV值的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，植被NDVI與變差系數(shù)CV值的相關(guān)系數(shù)為-0.63，達(dá)0.05的顯著性水平，這說(shuō)明植被覆蓋越高的片區(qū)離散程度越小，即穩(wěn)定性越好。

圖2 1987-2017年4種植被類(lèi)型NDVI演變過(guò)程

植被類(lèi)型植被片區(qū)NDVISen's斜率/(10-2a-1)周期/a突變年份CV值常綠闊葉林 長(zhǎng)湖 0.29-0.2221、11#、620090.23針闊混交林 大灣菁0.27-0.33?21、12#、620090.30針葉林 松毛山0.26-0.1121、12#、620090.26石漠化灌草叢白龍?zhí)?.15-0.0721#、12、620040.31

注：*為達(dá)到0.05顯著性水平，#為第一主周期。

以Morlet小波作為母小波進(jìn)行連續(xù)變換并計(jì)算小波方差后得知，4種植被類(lèi)型片區(qū)均存在約21、12和6 a左右的3個(gè)時(shí)間周期(圖略)，但第一主周期存在差異。其中常綠闊葉林第一主周期為11 a，針闊混交林、針葉林的第一主周期約為12 a，石漠化灌草叢的白龍?zhí)镀瑓^(qū)的第一主周期卻為21 a。這表明巖溶區(qū)植被覆蓋變化過(guò)程存在多時(shí)間尺度特征及非同步性。

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法進(jìn)行突變年份分析后得知，在0.05的置信水平下，常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林的突變年份集中在2009年，而石漠化灌草叢則發(fā)生于2004年，與前三者不同。

3.2 研究區(qū)1987-2017年氣候變化特征

氣溫和降水是影響植被覆蓋的最根本的因素，兩者之間存在的緊密聯(lián)系。研究時(shí)段內(nèi)石林縣年降水均值為909.0 mm、年平均氣溫為16.6℃。自1987年至2017年，降水量、氣溫表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，其中降水量微弱減少而氣溫則顯著升高(圖3)，計(jì)算兩者的Sen's斜率并進(jìn)行Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，降水量的Sen's斜率為1.97 mm/a，變化未達(dá)到0.05的顯著性水平，而氣溫的Sen's斜率為0.05℃/a，達(dá)0.05的顯著性水平。

Morlet小波方差的周期分析結(jié)果揭示了在0.05的信度水平下，降水存在21、12和7 a的時(shí)間韻律，其中第一主周期為21 a。而氣溫則僅存在26和21a的周期性特征，其中26 a為第一主周期。Mann-Kendall突變年份檢驗(yàn)結(jié)果表明，在0.05置信度水平下，降水的突變發(fā)生在2009年，而氣溫則發(fā)生在2001年。

此外，降水、氣溫的變差系數(shù)CV值分別為0.17和0.04，可以看出氣溫的離散程度較降水更小，降水的時(shí)程波動(dòng)性更明顯。

3.3 植被覆蓋變化與氣溫、降水的相關(guān)性

氣候?qū)χ脖桓采w的影響在年內(nèi)生長(zhǎng)期韻律的控制及長(zhǎng)期趨勢(shì)方面都有體現(xiàn)[15-19]。本研究分別從植被覆蓋與氣溫和降水之間在變化趨勢(shì)、周期性、突變年份3個(gè)方面的時(shí)間對(duì)應(yīng)性，來(lái)闡釋植被覆蓋與氣候變化的相關(guān)性。

對(duì)于變化趨勢(shì)，不同植被類(lèi)型NDVI與氣溫、降水量的關(guān)系存在差異(圖4)。首先，4種植被類(lèi)型與降水量之間均呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，其中常綠闊葉林(長(zhǎng)湖)、針葉林(松毛山)片區(qū)達(dá)到0.05的置信水平，表明在滇中巖溶區(qū)，降雨量的增加，有利于促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而提高覆蓋率。而植被覆蓋與氣溫均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即高溫抑制了植物生長(zhǎng)，引起植被覆蓋出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖3 石林縣1987-2017年降水量及氣溫的變化趨勢(shì)

圖4 不同植被類(lèi)型NDVI與降水量及氣溫的關(guān)系

不同植被類(lèi)型NDVI與氣溫、降水量的偏相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明(表3)，植被與降水的相關(guān)性較氣溫更強(qiáng)，這說(shuō)明對(duì)于地處亞熱帶低緯高原的石林而言，熱量不是植物生長(zhǎng)的限制性因素，植被覆蓋的降低趨勢(shì)是降水量的減少所導(dǎo)致。

表3 植被NDVI與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)

注：*為達(dá)到0.05顯著性水平。

從周期性來(lái)看，剔除誤差后植被覆蓋變化的平均周期為21、12和6 a，而降水存在21、12和7 a的時(shí)間韻律，氣溫則存在26及21 a的時(shí)間周期。因氣溫變化不存在12、6 a的時(shí)間周期，故植被覆蓋變化在12、6年左右的時(shí)間周期是由降水所控制的。對(duì)于21 a時(shí)間尺度上的周期性變化，分別將降水、氣溫及4種植被類(lèi)型在21 a時(shí)間尺度上的Morlet小波系數(shù)實(shí)部提取出來(lái)(圖5)。從圖5可以看出，21 a時(shí)間尺度上降水量峰值為1998年、最小值為2008年，氣溫的高溫中心在2002年，而低溫中心分別為1993和2012年。將降水量、氣溫在21 a時(shí)間尺度上的峰值、最小值與4種植被類(lèi)型的NDVI序列進(jìn)行比對(duì)后可以清晰看出，植被NDVI在21 a上的周期性變化也是由降水量所主導(dǎo)。綜上所述，植被覆蓋的周期性變化主要由降水的周期性韻律所控制。

從突變年份來(lái)看，常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林3種植被類(lèi)型的突變年份集中于2009年，而石漠化灌草叢則發(fā)生在2004年。由于降水量的突變年份發(fā)生在2009年，而氣溫則發(fā)生在2001年。綜合比對(duì)突變年份的對(duì)應(yīng)關(guān)系后可以看出，闊葉林、針闊混交林和針葉林3種植被類(lèi)型與降水量的突變年份一致，突變由降水量的突變所引起，而石漠化灌草叢則與氣溫的突變年份一致，突變由氣溫的突變所引起。這表明了不同植被類(lèi)型對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在差異。

圖5 1987-2017年氣候因子與植被NDVI的Morlet小波系數(shù)實(shí)部變化

4 結(jié)論與展望

從典型巖溶區(qū)石林362幅Landsat4-5TM、Landsat7 ETM SLC及Landsat 8 OLI的30 m分辨率遙感影像中篩選出1987-2017年最佳的影像，結(jié)合氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行巖溶區(qū)植被覆蓋與氣候環(huán)境因子的相關(guān)性對(duì)照分析，得到以下結(jié)論：

(1)植被NDVI主要波動(dòng)于0.15～0.29之間，4種植被類(lèi)型呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。不同植被類(lèi)型均存在約21、11和6 a的時(shí)間周期，但第一主周期存在差異。常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林的突變年份發(fā)生在2009年，而石漠化灌草叢發(fā)生于2004年。

(2)植被NDVI與降水量均呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，與氣溫呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被NDVI與降水量的相關(guān)性較氣溫更強(qiáng)。1987 -2017年植被NDVI呈降低趨勢(shì)是降水量的減少而導(dǎo)致，植被覆蓋的周期性變化是降水的周期性韻律所控制。闊葉林、針闊混交林和針葉林3種植被類(lèi)型的突變由降水量的突變引起，而石漠化灌草叢則由氣溫的突變引起。

(3)常綠闊葉林、針闊混交林和針葉林在氣候變化背景下更為穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)氣候變化的能力更強(qiáng)，石漠化灌草叢較其他植被類(lèi)型穩(wěn)定性最差。

氣候變化與植被恢復(fù)是巖溶區(qū)面臨的重要環(huán)境問(wèn)題，本研究獲得了巖溶區(qū)長(zhǎng)序列植被NDVI，且所選植被片區(qū)位于保護(hù)區(qū)或山脊區(qū)，較大程度剔除了人類(lèi)活動(dòng)的影響，具有較高的可靠性。從均值時(shí)間序列變化角度發(fā)現(xiàn)，巖溶區(qū)植被中常綠闊葉林的自我調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，穩(wěn)定性最好，而石漠化灌草叢最差，這為研究區(qū)植被恢復(fù)與保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。但近年來(lái)極端氣候頻發(fā)，不同植被類(lèi)型響應(yīng)極端氣候的特征，尤其是極端干旱期的維持、干旱后的恢復(fù)規(guī)律仍不清楚，有待今后進(jìn)一步研究。