貴州喀斯特石漠化植被時空變化特征研究

田鵬舉，吳仕軍，徐丹丹，丁立國，黃林峰

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2. 貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550081；3.貴州省氣象學會，貴州 貴陽 550002)

貴州喀斯特石漠化植被時空變化特征研究

田鵬舉1，吳仕軍2，徐丹丹3，丁立國1，黃林峰1

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2. 貴州省氣象災害防御技術中心，貴州 貴陽 550081；3.貴州省氣象學會，貴州 貴陽 550002)

運用近14 a MODIS-NDVI資料，通過最大值合成法，加權平均法生成月、年NDVI時間序列資料，用線性趨勢法和差值法分析貴州14 a來喀斯特石漠化區域植被時空變化。結果表明：①植被變化總體呈上升趨勢，由于干旱的影響，上升過程中出現階段性的波動，2003—2005年為下降趨勢，2006—2009年呈上升態勢，2010—2014年波動很小相對穩定，2015—2016年又呈現快速上升勢頭；②線性趨勢法和差值法兩種方法都反映了近14 a來植被變化總體為上升趨勢，潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化等區域近14 a植被上升面積百分比均在90%以上，強度石漠化相對較低，說明其治理難度更大；③喀斯特植被退化區主要分布在市(州)府所在地。

石漠化,植被，喀斯特，NDVI

1 引言

植被是陸地生態系統的重要組成部分，是連接土壤、大氣和水分的紐帶，是生態平衡的支柱。植被指數VI(Vegetation Index)是對地表植被活動的簡單、有效的度量[1]，歸一化植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)是多種植被指數中應用最廣泛的，其變化趨勢在一定程度上代表著地表植被覆蓋變化、生物量及生態系統參數的變化，為多年植被覆蓋變化監測提供數據保證，成為全球諸多植被變化研究的首選數據源并得到廣泛應用[2]。MODIS遙感數據區域宏觀性好、時空分辨率高等特點，為大范圍實時監測植被變化提供了很好的衛星數據。

石漠化是在喀斯特脆弱的生態環境下，因人類不合理的社會經濟活動，造成人地矛盾突出、植被破壞、土壤侵蝕、巖石逐漸裸露、土地生產力衰退甚至喪失，地表在視覺上呈現類似于荒漠景觀的演變過程[3-5]。石漠化問題已成為喀斯特地區生態環境建設的重點和難點，貴州省處于世界喀斯特最復雜、類型最齊全、分布面積最大的東亞喀斯特區域中心，是我國石漠化面積最大、災害最嚴重的省份[6]。針對貴州石漠化的研究和治理，諸多專家做了大量的研究并取得了系列成果[7-11]。王志偉[12]、馬士彬[13]等NDVI分析了貴州喀斯特植被變化，但研究的時段和利用的衛星資料各有不同，本文將采用2003—2016年的MODIS-NDVI資料，研究近14 a貴州喀斯特不同石漠化等級區的植被時空變化。

2 研究區域概況

貴州地處珠江水系和長江水系的分水嶺地帶,高聳于四川盆地和廣西丘陵之間，是一個典型的亞熱帶高原山區。省內碳酸鹽巖廣布,喀斯特極其發育,是西南喀斯特地貌最集中成片分布的中心片區。在人為活動和自然因素的共同作用下，脆弱的喀斯特山區植被遭受破壞，水土流失嚴重，石漠化明顯，大片丘陵變為荒山禿嶺。貴州巖溶出露面積占全省總面積的61.92%,喀斯特石漠化面積占其所在州市總面積百分比只有黔東南州一個地區在10%以下，其余市州均在10%以上，安順市和六盤水市高達30%以上。本文以2000年貴州省喀斯特石漠化分布[8](圖1)為基礎，運用分辨率為250 m的MODIS-NDVI數據研究分析近14 a貴州省石漠化區域的植被變化情況，以研究區植被變化為切入點分析貴州省生態文明建設的成效，為石漠化區域進一步的治理提供數據參考。

圖1 貴州省喀斯特石漠化分布圖(2000年)Fig.1 Karst rocky desertificationdistribution map in GuiZhou

3 數據來源及處理

3.1 數據來源

來源1：貴州省氣象局遙感接收系統接收的250 m分辨率EOS/MODIS資料。

來源2：部分資料來源于國家衛星氣象中心風云衛星遙感數據網EOS/MODIS資料。

3.2 數據處理

利用經過預處理后MODIS數據，用公式(1)計算生成2003—2016年逐日NDVI，再運用最大值合成法(MVC，Maximum Value Composite)生成每旬、月的NDVI時間序列數據，再采用加權平均法生成年NDVI時間序列數據集。運用線性趨勢法和差值法對近10 a的植被指數變化進行處理分析。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR表示近紅外波段的反射率，R表示可見光紅波段的反射率。

線性趨勢法：對于年NDVI時間序列數據，每個像元都相應有14 a的NDVI時間序列數值, 這些NDVI數值的線性趨勢系數揭示了該像元(區域)植被覆蓋在14 a的時空序列中的演變趨勢。

(2)

公式(2)中:slop為每個像元的線性趨勢斜率,xi為第i年的年NDVI的平均值,ti為年份(研究年份為2003—2016年),n為總年數, 本次研究為14。

差值法：利用2016年NDVI數據減去2003年NDVI數據，得到這兩個年份之間植被差值，直觀反映近14 a的貴州植被變化。

將喀斯特石漠化分為無明顯石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化、強度石漠化5個等級，使用線性趨勢法和差值法分析研究各個等級石漠化區域的植被變化特征。

4 結果與分析

4.1 植被年變化分析

通過GIS技術提取各級石漠化區域各年的NDVI值，如圖2～圖6所示，各級石漠化區域的植被變化趨勢基本一致，都處于明顯的增加趨勢，NDVI年均增加幅度都在0.006以上，其中中度石漠化區域年增幅為0.007 0，輕度和潛在石漠化區域增幅為0.006 9，強度石漠化為0.006 5，無明顯石漠化區域為0.006 1。

從年度變化來看，2003—2005年各級石漠化區域的NDVI值逐年降低，反映了該時間段貴州石漠化處于逐年惡化的趨勢；2006—2009年，NDVI值逐年上升，從0.36升到0.40以上，其中潛在石漠化、輕度石漠化和中度石漠化區域上升到0.44；2010—2014年區域的植被相對比較穩定，植被指數值在0.41～0.45之間波動；2015—2016年除了強度石漠化區域外，其余石漠化區的NDVI值在2016年都上升至0.48，反映了2015年和2016年貴州省在石漠化區域的治理成效明顯，石漠化區域的生態環境得到了一定程度的改善。

圖2 無明顯石漠化植被年變化圖Fig.2 The annual variation of vegetation in unobvious rocky desertification

圖3 潛在石漠化植被年變化圖Fig.3 The annual variation of vegetation in potential rocky desertification

圖4 輕度石漠化植被年變化圖Fig.4 The annual variation of vegetation in mild rocky desertification

圖5 中度石漠化植被年變化圖Fig.5 The annual variation of vegetation in moderate rocky desertification

圖6 強度石漠化植被年變化圖Fig.6 The annual variation of vegetation in severerocky desertification

4.2 基于線性趨勢法植被變化分析

對于NDVI影像圖的每個像元, 都相應有14 a的NDVI時間序列數值, 根據公式(2)計算出每個像元的NDVI數值的線性趨勢系數slop，slop值為負則植被降低，為正則植被上升，為零則不變。采用專家打分法將變化趨勢分為嚴重退化、稍有減少、基本不變、稍有增加和明顯增加這5個等級，得到圖7。由圖7可以看出近14 a貴州全省的植被總體變化呈上升的趨勢，主要以稍有增加等級為主，明顯增加的區域分布在威寧縣西南部和赤水市北部，嚴重退化和稍有減少的區域主要分布在貴陽市、凱里市、遵義市、興義市、銅仁市等近幾年城鎮化發展較快城市，基本不變區域主要分布在黔東南州和梵凈山保護區。

運用GIS中的空間分析模塊中的Extract by Mask工具提取出各級石漠化區域的變化趨勢系數，通過統計得到(表1)，各石漠化等級區域的植被總體變化均呈上升趨勢，稍有增加等級的比例都在85%以上。無明顯石漠化區植被改善面積為27 725.6 km2，比例為91.9%；潛在石漠化為4 6005.9 km2，比例為95.0%；輕度石漠化為18 923.8 km2，比例為94.5%；中度石漠化為12 534 km2，比例為95.2%；強度石漠化為2 177.7 km2，比例為88.1%。

圖7 基于線性趨勢法貴州省近14 a植被變化分布圖Fig.7 The distribution of vegetation variation in Guizhou during recent 14 years base by linear trend method

等級無明顯石漠化面積/km2百分比/%潛在石漠化面積/km2百分比/%輕度石漠化面積/km2百分比/%中度石漠化面積/km2百分比/%強度石漠化面積/km2百分比/%嚴重退化 21800798002260012400203001稍有減少491716337650781760088109408308003基本不變19389642203244209127456518739429291185稍有增加2686018901442966914818332591591217259246210648522明顯增加86552871709335359132953614275713288

4.3 基于差值法植被變化分析

2016—2003年相減得到NDVI差值，采用專家打分法將差值圖為嚴重退化、稍有減少、基本不變、稍有增加和明顯增加這5個等級，得到圖8。由圖8可以看出近14 a貴州植被總體以上升趨勢為主，主要以稍有增加等級為主，明顯增加的區域分布在北部、西北部以及黔南州與黔西南州交界附近；嚴重退化和稍有減少的區域主要分布在貴陽、安順、凱里、遵義、興義、銅仁市碧江區等近幾年城鎮化發展較快城市，基本不變區域主要分布在黔東南州中部。

由表2可知各石漠化區域近14 a植被處于稍有增加等級的比例和面積都是最大的，稍有增加的比例在81.08%～83.12%之間，無明顯石漠化區植被改善面積為27 050.21 km2，比例為89.6%；潛在石漠化改善面積為45 485.1 km2，比例為93.9.0%；輕度石漠化改善面積為1 876.4 km2，比例為93.8%；中度石漠化改善面積為12 386.9 km2，比例為94.1%；強度石漠化改善面積為有2 132.2 km2，比例為86.0%。

圖8 基于差值法貴州省近14 a植被變化分布圖Fig.8 The distribution of vegetationvariationin Guizhou during recent 14 years base by difference method

等級無明顯石漠化面積/km2百分比/%潛在石漠化面積/km2百分比/%輕度石漠化面積/km2百分比/%中度石漠化面積/km2百分比/%強度石漠化面積/km2百分比/%嚴重退化 38701341100812300610500806003稍有減少533417744480922123106136310497039基本不變255578472451650610258513630247933591355稍有增加2477318209402506831216525282561084898241200948108明顯增加227717555234510812239411191538111681228495

5 小結

近14 a來貴州喀斯特石漠化區域植被變化總體呈上升趨勢，但存在階段性的波動， 2003—2005年為下降趨勢；2006—2009年呈上升態勢；2010—2014年波動很小相對穩定，2015—2016年又呈現快速上升勢頭。2005年植被的下降是因受到當年干旱的影響；2009、2010、2011、2013年貴州都有干旱發生，年降雨量低于常年，植被的上升趨勢受到阻礙；2015年和2016年未受干旱影響，年降雨量高于常年，植被快速上升。

線性趨勢和差值法兩種方法都反映了14 a來植被變化總體為上升趨勢，其中潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化等區域植被上升面積百分比均在90%以上，強度石漠化相對較低，說明其治理難度更大。喀斯特區域植被退化主要分布在市(州)府所在地，在城鎮化建設同時需注重城市的綠化。

近14 a貴州喀斯特石漠化的植被覆蓋有所提升，石漠化治理和生態文明建設取得了初步成效，但喀斯特石漠化的防治工作依舊艱巨。

[1] 張樹譽.基于MODIS時序植被指數的陜西植被季相變化分析[J].中國農業氣象，2007,28(1): 88-92.

[2] 曾彪.柴達木盆地德令哈地區MODIS-NDVI時空變化及其與氣候的關系[J].蘭州大學學報(自然科學版)，2014,50(1)：80-88.

[3] Yuan Dao-xian. Rock Desertification in the Subtropical Karst of South China． In Webmaster． Copyrights by Dynamics Laboratory and Network Center of Guangxi Normal University , 1995-1999.

[4] 熊康寧,藍安軍.喀斯特石漠化過程、 演化特征與人地矛盾分析[A].高貴龍,熊康寧,蘇孝良.中國西南喀斯特生態環境治理與可持續發展咨詢會議論文集.貴州省科技廳,2003：154-163．

[5] 王德爐,朱守謙,黃寶龍.石漠化的概念及其內涵[J].南京林業大學學報 (自然科學版)，2004,11(6)： 87-9O．

[6] 李英勤.貴州土地石漠化與“三農”問題的經濟學分析[J]．生態經濟,2006,24(2):57-59.

[7] 周政賢,毛志忠,喻理飛，等.貴州石漠化退化土地及植被恢復模式[J].貴州科學,2002,20(1):1-6.

[8] 陳起偉,熊康寧,蘭安軍.基于“3S”的貴州喀斯特石漠化現狀及變化趨勢分析[J].中國巖溶,2007,26(1)：37-41.

[9] 朱麗.關于生態恢復與生態修復的幾點思考[J].陰山學刊(自然科學版),2007,21(1)：71-73.

[10]陳起偉,熊康寧,蘭安軍.基于3S的貴州喀斯特石漠化遙感監測研究[J].干旱區資源與環境,2014,28(3)：62-67.

[11]陳起偉,熊康寧,蘭安軍.喀斯特高原峽谷與高原盆地區石漠化及變化特征對比[J].熱帶地理,2014,34(2)：171-177.

[12]王志偉,王茜,李世歌，等.貴州喀斯特近30年植被生長特征分析簡[J].草業科學,2016,33(11):2180-2188.

[13]馬士彬,安裕倫,楊廣斌，等.喀斯特地區不同植被類型NDVI變化及驅動因素分析-以貴州為例[J].生態環境學報,2016,25(7):1106-1114.

AnalysisofSpatial-temporalVariationCharacteristicofVegetationinKarstRockyDesertificationAreainGuizhou

TIAN Pengju1, WU Shijun2, XU Dandan3, DING Liguo1, HUANG Linfeng1

(1.Climate Center of Guizhou Province, Guiyang 550002, China; 2.Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center, Guiyang 550081, China; 3.Guizhou Provincial Meteorological Society, Guiyang 550002, China)

Utilizing recent 14 years MODIS /NDVI data, the methods of Maximum Value Composite, Weighted average method were used to generate the monthly and annual NDVI time series data, spatial-temporal variation characteristics of Guizhou Karst rocky desertification Area in recent 14 years was analyzed by linear trend method and the difference method. The following conclusions were obtained: 1.The Vegetation variation is general on the rising trends, due to influence of droughts, having characteristics of periodic fluctuations in the ascending process, the variation from 2003 to 2005 is the downward trend, the variation from 2006 to 2009 is the rising trends, while fluctuations are small and relatively stable from 2010 to 2014,the rapid upward momentum occurred in 2015-2016; 2. The results of linear trend method and the difference method all show that the vegetation variation is general on the rising trends in recent 14 years, the area percentage whose variation on therising trends are higher than 90% in the areas of the potential rocky desertification, mild rocky desertification and moderate rocky desertification, the percentage of severe rockydesertification is relatively lower than others ,which shows there is much more difficulty inrocky desertification control in severe rocky desertification area; 3.The vegetation degradation areas are mainly distribute in the capitals of states(cities).

rocky desertification; vegetation; karst; NDVI

1003-6598(2017)05-0020-05

2017-06-06

田鵬舉(1980-)，男，工程師，主要從事遙感應用處理工作，E-mail：729106280@qq.com。

貴州省氣象局青年基金黔氣科合QN[2017]號：基于EOS-MODIS的近十年貴州植被時空變化研究。

S718.54

B