桂西南喀斯特-北部灣海岸帶植被NDVI時空演變分析

丘海紅，張 澤，胡寶清，阮詩喬

(1.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；2. 廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西 南寧 530001；3.地理與海洋研究院，廣西 南寧 530001；4.南寧師范大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣西 南寧 530001)

1 引言

植被(Vegetation)是氣候?qū)Νh(huán)境影響的敏感器[1]。歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index,NDVI)一種常用的、有效反映植被生長狀態(tài)最精準的指標[2]，且在時效、尺度方面都有明顯優(yōu)勢[3]。多年來，經(jīng)濟的高速發(fā)展，人口的極具增多，給自然資源的利用帶來很大的壓力，出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的破壞，生物豐富度的減少，水土流失，環(huán)境惡化等問題，對植被變化的研究，能夠有效表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化[4～6]。目前，植被覆蓋與氣候之間的相互關(guān)系研究已成為全球變化研究的熱點內(nèi)容。李應(yīng)鑫等[7]運用趨勢分析、偏相關(guān)分析、變化軌跡等方法，對云南省九大高原湖泊流域NDVI時空演化情況及其與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系進行了分析。孫銳[8]采用變異系數(shù)、Hurst指數(shù)等方法，對黃土高原不同土地覆蓋類型植被NDVI進行時空變化分析研究；廖清飛[9]利用像元二分模型，采用相關(guān)系數(shù)法和有序聚類分析方法對植被覆蓋度時空變化趨勢及突變分析。廣西桂西南地區(qū)是喀斯特發(fā)育典型區(qū)，主要地貌類型是峰叢洼地，其自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，敏感度高[10]，對此區(qū)域的植被覆蓋度研究可以為此區(qū)域的水土保持等生態(tài)環(huán)境問題具有積極的作用；北部灣海岸帶地區(qū)屬于陸海交互帶，其人類活動頻繁，生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定。目前各方學(xué)者對桂西南喀斯特-北部灣海岸帶的綜合研究成果少之又少，多為單一研究。在前人的基礎(chǔ)上，將兩大區(qū)域綜合研究，具有一定的創(chuàng)新性，為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱性提供新視角、新思路，為該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境治理和恢復(fù)提供科學(xué)的依據(jù)。基于此，本研究以桂西南喀斯特-北部灣海岸帶典型區(qū)為研究區(qū)域，采用像元二分模型、采用趨勢分析及變異系數(shù)等方法對研究區(qū)2000～2018年五期植被NDVI進行時空演變特征分析，為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概述

桂西南喀斯特-北部灣海岸帶交互過渡帶位于廣西的西南部，由桂西南喀斯特區(qū)(包括百色市，崇左市)；北部灣經(jīng)濟區(qū)(包括南寧市，北海市，欽州市，防城港市)組成，E104°28′～109°56′，N20°26′～25°07′，總面積96386 km2，占廣西國土面積的40.72%。地勢從東北向西南逐漸降低，沿云貴高原山麓到北部灣海岸帶呈自上而下的斜坡帶。氣溫在2.8～40.4 ℃，平均氣溫22.5 ℃，降雨量1745.6～3111.9 mm，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。研究區(qū)土壤類型多，主要有赤紅壤、磚紅壤、石灰(巖)土、水稻土、紫色土、沼澤土等[11]。植被類型多樣，以常綠闊葉林和石灰?guī)r常綠落葉闊葉混交林。截至2018年底，桂西南科喀斯特地區(qū)人口總數(shù)672.66萬人，北部灣經(jīng)濟區(qū)人口總數(shù)1105.28萬人。桂西南喀斯特-北部灣海岸帶由右江和左江分別貫穿喀斯特地區(qū)和北部灣經(jīng)濟區(qū)，在空間方向上呈梯度變化，形成了山江海統(tǒng)籌區(qū)，是水陸交互的過渡帶地理空間，更是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)(圖1)。

3 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

歸一化植被指數(shù)(NDVI)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局 (United States Geological Survey，USGS)MODIS陸地產(chǎn)品，根據(jù)統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，空間分辨率250m，時間分辨率16 d。對所獲得的MOD13Q1遙感數(shù)據(jù)集利用ArcGIS軟件進行提取、圖像鑲嵌、裁剪、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理，采用最大合成法和均值法獲取年平均NDVI數(shù)據(jù)，消除異常值。

4 研究方法

4.1 像元二分模型

像元二分模型是利用植被NDVI估算植被覆蓋度的一種最簡單、可靠的統(tǒng)計模型[12]。其原理是假設(shè)在每個像元的光譜信息中，是由裸地和植被兩部分線性混合組成，那么每個像元的NDVI值是純植被部分和對應(yīng)裸地部分光譜信息的加權(quán)求和，再依據(jù)兩部分光譜信息占像元面積的比例來確定權(quán)重的大小[13],這樣計算出來的植被覆蓋度表面積為該像元的植被覆蓋度。其計算公式如下：

(1)

式(1)中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為混合像元歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為純裸土像元的NDVI值，理論上近似于0且不易變化；NDVIvegl為純植被像元的NDVI值，理論上近似于1。但實際上，由于氣候、土壤狀況及植被類型等因素的干擾，像NDVI元的值和NDVIveg值會隨時空變化而變化。

4.2 變異系數(shù)

變異系數(shù)(coefficent of variation,CV)是一個說明數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計指標，可以用于衡量數(shù)據(jù)在時間與空間上的相對變化程度[14]。其計算公式為[15]：

(2)

式(2)中：σ為統(tǒng)計樣本標準差，在本研究中該值得計算基于時序疊加后每一像元位置的多年NDVI標準差；x為每一像元位置處時序統(tǒng)計得到的多年NDVI均值。

4.3 趨勢分析

基于獲取的2000～2018年的NDVI數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸方法計算出每個柵格像元的NDVI值在研究時間段內(nèi)的變化趨勢。前人的相關(guān)研究將其定義為綠度變化率(greenness rare of change,GRC)[16]，其計算公式為：

(3)

式(3)中：GRC為每個像元NDVI的斜率，即桂西南喀斯特-北部灣海岸帶2000～2018年NDVI的年際變化趨勢；為研究期年數(shù)，對應(yīng)時間跨度n=19；i為時間序列的單位累積量，即為從起始年后的第年，i∈(0,n]；di為第i年NDVI平均值。GRC>0表示研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢是增加的，反之則減少；GRC=0說明隨著時間變化，植被覆蓋變化趨勢不變。

5 結(jié)果分析

5.1 植被覆蓋度時間分布特征

2000～2018年桂西南喀斯特年平均NDVI值在0.268～0.837波動變化，多年平均值為0.553，整體屬于中覆蓋度，且植被福NDVI值總體呈緩慢增長趨勢，決定系數(shù)R2為0.383，線性擬合的增長率為0.0141，說明桂西南喀斯特-北部灣海岸帶植被覆蓋整體保持良好。2000～2006年間植被覆蓋度變化率較穩(wěn)定，說明生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，對研究區(qū)喀斯特的水土流失、北部灣海岸帶海岸侵蝕等現(xiàn)象有一定的保護作用。2006～2007年間，植被覆蓋度出現(xiàn)急劇下降，主要原因是2006年廣西造受 “碧利斯”、“格美”、“派比安”等臺風(fēng)[16]、山體滑坡及泥石流等自然災(zāi)害的影響，該區(qū)域的植被遭到嚴重的破壞，使得植被覆蓋低于0.3，引起了政府和有關(guān)部門的高度重視。2007～2008年間，雖然該區(qū)域受雙眼臺風(fēng)“圣帕”[17]、洪澇、風(fēng)雹以及地震等自然災(zāi)害，但植被覆蓋度不降反升，足以證明了政府的宏觀調(diào)控、綜合治理、植被修復(fù)等一系列措施，對當(dāng)?shù)刂脖坏玫接行Ц纳啤?008～2013年間，植被覆蓋度呈波動態(tài)勢，植被NDVI值不穩(wěn)定，起伏變化明顯，全民應(yīng)該提高生態(tài)植被對人類生活的影響的意識，政府繼續(xù)加大宏觀調(diào)控及整治力度。2013～2018年間，植被NDVI呈上升的趨勢，說明人民的素質(zhì)得到提高，人類的活動得到有效的控制，政府出臺的相關(guān)修復(fù)措施使得區(qū)域植被覆蓋率得以升高，全面踐行了“綠水青山就是金山銀山”的理念，提高生態(tài)文明建設(shè)[18]，該區(qū)域各市(縣)應(yīng)該聯(lián)防聯(lián)控、因地制宜出臺系統(tǒng)的有效治理措施，繼續(xù)保持現(xiàn)有的良好生態(tài)環(huán)境，從而促進生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 2000～2018年桂西南喀斯特-北部灣海岸帶

5.2 植被覆蓋度空間分布特征

縱觀對比可得：植被覆蓋度情況由城市中心向周邊地區(qū)呈持續(xù)增高的空間格局。2000年與2005年對比，以南寧為中心，向周邊地區(qū)植被覆蓋度越來越大，百色植被覆蓋度整體比較穩(wěn)定，無明顯變化。崇左、欽州、北海三市的大部分地區(qū)以及防城港北部為中低植被覆蓋度植被NDVI值在0.52～0.69。2005年，上述的4個市均有明顯改善，尤其崇左、欽州變化最大，整體為中高植被所覆蓋。2010年相較前兩個研究時段，植被繼續(xù)好轉(zhuǎn)，百色、崇左、防城港處于中高植被覆蓋區(qū)，尤其百色的靖西市、德保縣變化明顯，其植被NDVI值上升至0.7。南寧市武鳴區(qū)的植被狀況也迅速好轉(zhuǎn)，由2005年的低值被覆蓋到2010年的中高植被覆蓋的轉(zhuǎn)變。2015年百色大部分地區(qū)持續(xù)變好，如隆林各族自治縣、凌云縣、那坡縣以及南寧周邊地區(qū)的植被覆蓋都有明顯增高；馬山縣、橫縣、上林縣、賓陽縣以及北部灣海岸帶地區(qū)由中低值被覆蓋好轉(zhuǎn)至中高植被覆蓋。2018年整體態(tài)勢與2015年相似，高植被覆蓋率由2015年0.9上升至2018年的0.92，上升了0.2%。北部灣海岸帶地區(qū)植被NDVI值整體升高，對比多年，該區(qū)域植被得到明顯的改善。即使人類活動頻繁，也未明顯影響植被覆蓋情況，體現(xiàn)了國家和有關(guān)部門的一系列政策起到了至關(guān)重要的作用，如封山育林、退耕還林好還草、自然保護區(qū)的建立，對生態(tài)修復(fù)、資源開發(fā)起著積極的作用。

5.3 變異系數(shù)分析

由表1可知，按穩(wěn)定程度分析來看，變異程度為非常穩(wěn)定的，呈波動起伏并逐年降低趨勢，共降低19620 km2；變異程度為穩(wěn)定的，穩(wěn)步升高，在2010年出現(xiàn)小幅度下降，2015年迅速上升，增加了13959 km2；變異程度為變異較少的，2000年變異面積最少，2018年變異面積最多，說明部分地區(qū)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，有向變異強烈轉(zhuǎn)移的趨勢，需要重點關(guān)注；變異程度為變異劇烈的，2000年變異劇烈面積最少，2015年和2018年的變異劇烈面積均為3060 km2。按地區(qū)分析，2000年，穩(wěn)定狀態(tài)(非常穩(wěn)定和穩(wěn)定程度)面積多，占比大，分別為91.7%、7.04%。變異狀態(tài)(變異較少和劇烈)面積少，占比小，分別為0.95%和0.3%。在南寧市轄區(qū)、橫縣大部分地區(qū)以及北部灣海岸帶地區(qū)為變異強烈地區(qū)，需要重點關(guān)注、治理及修復(fù)等。2005年，穩(wěn)定狀態(tài)(非常穩(wěn)定和穩(wěn)定程度)面積依然占比最大，分別為91.58%和6.53%；變異狀態(tài)(變異較少和變異劇烈)面積最少，占比小，分別為1.14%和0.74%。相比于2000年變異狀態(tài)為變異強烈程度，2005年的變異強烈程度增大了1.5倍，而變異程度較少和穩(wěn)定狀態(tài)的下降了。沿海城市的變異劇烈明顯高于2000年的。2010年，穩(wěn)定狀態(tài)(非常穩(wěn)定和穩(wěn)定程度)面積占比大，面積占比分別為93.5%和5.13%。變異程度(變異較少和變異劇烈)面積占比少，分別為1.05%和0.33%。相比于2005年，2010年的變異程度為非常穩(wěn)定增加了，相應(yīng)的變異程度為穩(wěn)定減少了，如北部的隆林各族自治縣、田陽、田東部分地區(qū)和西部的靖西市部分地區(qū)以及南寧周邊縣(馬上縣、武鳴縣、賓陽縣的大部分地區(qū))，這與人類活動減少及國家對植被保護的一系列在政策措施有關(guān)系。2015年與2018年的變異程度，總體來看很相似，但在變異程度為非常穩(wěn)定面積都較于前三個研究時段的少，在變異程度為變異強烈方面，2015和2018年是一樣的，占比面積為3060 km2，比前三個研究時段多了將近10倍，說明該區(qū)域植被的不穩(wěn)定性還較強烈。

表1 2000～2018年五期植被NDVI變異程度面積統(tǒng)計 km2

6 結(jié)論

基于2000～2018年五期植被NDVI數(shù)據(jù)，利用像元二分模型，采用趨勢分析與變異系數(shù)方法，對桂西南喀斯特-北部灣海岸帶研究區(qū)，進行了該區(qū)域的植被NDVI時空演變分析，得到以下結(jié)論。

(1)2000～2018年NDVI值在0.268～0.837波動變化，多年平均值為0.553，整體屬于中覆蓋度。2000～2006年間植被覆蓋度變化率較穩(wěn)定，2006～2007年間，植被覆蓋度受自然災(zāi)害的影響出現(xiàn)急劇下降， 2008～2013年間，植被覆蓋度呈波動態(tài)勢，植被NDVI值不穩(wěn)定，起伏變化明顯，2013～2018年間，植被NDVI呈上升的趨勢。

(2)整體植被覆蓋度情況由城市中心向周邊地區(qū)呈持續(xù)增高的空間格局。2000年百色植被覆蓋度整體比較穩(wěn)定，崇左、欽州、北海三市的大部分地區(qū)以及防城港北部為中低植被覆蓋度植被NDVI值在0.52～0.69。2005年崇左、欽州變化最大，整體為中高植被覆蓋。2010年相前兩個研究時段，植被覆蓋情況繼續(xù)好轉(zhuǎn)，百色、崇左、防城港處于中高植被覆蓋區(qū)。2015年百色隆林各族自治縣、凌云縣、那坡縣，南寧馬山縣、橫縣、上林縣、賓陽縣以及北部灣海岸帶地區(qū)由中低值被覆蓋好轉(zhuǎn)至中高植被覆蓋。2018年整體態(tài)勢與2015年相似。

(3) 變異程度為非常穩(wěn)定的，且呈波動起伏并逐年降低趨勢，共降低了19620 km2；變異程度為穩(wěn)定的，穩(wěn)步升高，變異程度為變異較少的，2000年變異面積最少，2018年變異面積最多，說明部分地區(qū)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，有向變異強烈轉(zhuǎn)移的趨勢變異程度為變異劇烈的，2000年變異劇烈面積最少，2015年和2018年的變異劇烈面積均為3060 km2。

7 討論

本研究分析了桂西南喀斯特北部灣海岸帶研究區(qū)的植被NDVI時空演變，對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護具有積極的作用。但本文也有不足之處，如研究的時間序列不長，數(shù)據(jù)處理仍不夠精細，影響因素考慮不足，下一步應(yīng)加入氣候、土壤等因素，整體仍需要進一步研究。政府應(yīng)完善治理措施和優(yōu)化相關(guān)政策，在日后土地開發(fā)和自然資源利用中，要因地制宜，各市縣應(yīng)聯(lián)防聯(lián)控，對喀斯特地區(qū)進行封山育林。促進北部灣經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，打造桂西南喀斯特北部灣海岸帶研究區(qū)獨有的生態(tài)環(huán)境保護線。