珠江源區植被變化特征及其影響因素研究

收稿日期：2023-03-01；接受日期：2023-06-01

基金項目：國家自然科學基金項目（42361009，41761105）

作者簡介：丁文榮，男，教授，博士，主要從事生態水文方面的研究工作。E-mail：dingwenrong@163.com

通信作者：

李孝川，女，副教授，博士，主要從事教育地理方面的研究與教學工作。E-mail：lixiaochuanlxc@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 03-0083-06

引用本文：丁文榮，李孝川，陳相標.珠江源區植被變化特征及其影響因素研究［J］.人民長江，2024，55（3）：83-88，96.

摘要：

江河源區以其特殊的地理位置在國家生態環境的保護和建設中具有舉足輕重的作用和地位。利用非季風期Landsat TM、ETM和OLI_TIRS衛星影像，結合Sen′s斜率、Mann-Kendall非參數檢驗、偏相關分析和GIS空間技術等，研究了1987年以來珠江源區植被變化特征及其影響因素。結果表明：① 1987年以來，珠江源區非季風期植被NDVI指數多年平均值為0.19，年際NDVI波動較大但沒有明顯的長期趨勢，年代際植被NDVI大致經歷了高-低-高-低的動態過程；② 不同坡度植被覆蓋的差異不明顯，［8°～15°）坡度范圍內植被覆蓋最高，而坡度在35°以上的區域則覆蓋度最低，兩者NDVI分別為0.22和0.16；③ 源區植被覆蓋空間差異較大，大坡-菱角-熱水-西澤一線是植被覆蓋的分界線，此線西側植被NDVI均值為0.32，而東側僅為0.15；④ 源區氣溫總體呈波動上升趨勢，變化速率為0.51 ℃/10 a，而降水量呈減少趨勢，速率為-4.70 mm/10 a，植被NDVI波動受降水量的影響較氣溫更為明顯；⑤ 自然保護區建設、“珠治”工程、退耕還林還草工程等的啟動實施，改善了區域生態環境，促進了植被擴展、保護。

關鍵詞：植被動態； 氣候變化； 人類活動； NDVI; 珠江源區

中圖法分類號： K903

文獻標志碼： A" " " " " " " " " DOI：10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.012

0引 言

珠江流域以僅占全國土地面積的4.6%，產出了占全國12%的工農業總產值，是中國的主要經濟區之一［1］。然而，流域內石灰巖山區、花崗巖強度風化區等地理環境惡劣區占全流域總面積的40%以上，石漠化土地面積廣布，頻繁發生水土流失、洪澇、干旱等自然災害［2-4］。尤其是20世紀以來，隨著人口、資源、環境等諸多問題的出現，流域可持續發展面臨著極大的挑戰。

江河源區以其特殊的地理位置在國家生態環境的保護和建設中有舉足輕重的地位［5］。珠江發源于云南省曲靖市北部的馬雄山，該區域不僅是中國重要的生態屏障，同時也是全球生態環境十分敏感和脆弱的地區之一。缺土、少水、人口密度大和貧困人口多是區內的典型特征。水土流失造成的土地石漠化直接危及該地區廣大人民群眾的生存條件，是制約當地社會經濟可持續發展的主要因素［6］。

當前，針對珠江流域植被時空變化的研究相對較多，但對上游尤其是源區植被長時間演變及歸因的研究則鮮見。其中，馮建平在MODIS EVI數據的基礎上結合像元二分法模型和一元線性回歸兩種方法，研究了珠江流域2000～2020年植被覆蓋度時空變化特征［7］。李天生等以珠江流域中上游為研究區，基于Budyko理論具體分析了氣候和植被變化對該區域徑流的影響［8］。王行漢等以珠江流域為研究區，利用MODIS EVI分析了植被的變化規律，并通過DMSP燈光數據和氣象數據探討分析了人類活動和自然環境對植被變化的脅迫［9］。靖娟利等基于1998～2012年的長時序SPOT 4-VGT歸一化植被指數，運用標準差和趨勢分析法對珠江流域植被覆蓋時空分布、波動和變化趨勢進行了探討［10］。王銀霞等利用1982～1999年月平均歸一化植被指數和降水資料，采用經驗正交函數方法研究了珠江流域的NDVI和降水在年和年際尺度上的異常關系，并分析了NDVI與降水及其他氣象因子的關系［11］。王兆禮等基于RS與GIS技術，應用NASA最新的全球植被指數變化研究數據（GIMMS），對珠江流域1982～2003年間的地表植被覆蓋的空間分布及時間序列變化進行了綜合分析［12］。

此外，2002年珠江源區全面啟動退耕還林工程，2003～2005年在區內石灰巖地區又實施了“珠治”工程試點并逐漸擴展，伴隨著2016年國家發展改革委會同有關部門聯合印發《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》，區內石漠化土地面積已經得到有效控制，生態環境逐步改善。然而，這些工程實施以來，區內植被演變時空特征仍不清晰。鑒于此，本研究以珠江源區為對象，深入探討植被時空演變及影響要素，為系統研究當地的生態環境問題提供了依據，也為促進全流域社會和經濟可持續發展提供支撐。

1研究區概況及數據來源

珠江源區地處滇東高原北部，屬于烏蒙山系的南端。本研究所指的珠江源區是以云南曲靖市馬雄山為中心，包括南盤江、北盤江源頭區域，范圍涉及沾益區、宣威市的37個鄉鎮（見圖1），總面積8 884.77 km2。在復雜的地質條件、新構造運動及其他自然條件的影響控制下，形成多種地貌形態和別具一格的地貌組合。源區馬雄山主峰最高海拔2 678 m，最低點位于南盤江河谷區，海拔1 650 m，研究區平均海拔2 065 m。源區年均氣溫14.5 ℃，大于等于10 ℃的活動積溫4 400 ℃，最熱月均溫19.7 ℃，而最冷月均溫5.0 ℃，日照時數2 108.2 h，年均降水量1 000 mm。氣候屬于典型的亞熱帶季風氣候，但受昆明準靜止鋒活動的影響，具有干濕季分明，雨熱同季的特點。季風氣候條件下的原生植被類型是亞熱帶（半濕性）常綠闊葉林，但在長期人類活動干擾下，原生常綠闊葉林幾乎被次生植被如云南松林等替代。

研究所用的遙感數據來源于地理空間數據云（http：∥www.gscloud.cn/），獲取了非季風期（每年1～3月）Landsat 4-5 TM、Landsat 7 ETM和Landsat 8 OLI_TIRS的衛星影像（Path128Row42、Path129Row42），像元分辨率均為30 m，時間跨度1987～2021年，剔除云量大于5%的影像后，從2 353景影像中篩選出有效影像60景，合計30 a（其中1988，1991，1992，1995，2012年沒有合格影像）。

源區年均氣溫和年降水量實測數據來自沾益、宣威兩個氣象站（見圖1），其中沾益氣象站數據來自國家氣象科學數據中心（http：∥data.cma.cn/site/index.html），宣威氣象站數據來自云南省氣象信息中心。所使用數據都經過完整性、一致性和異常極值檢驗。

2研究方法

2.1植被NDVI提取及分析

從地理空間數據云獲取級別為2級產品的衛星影像后，分別對各幅影像的完整性、邏輯一致性、位置精度、空間拓撲準確性等指標進行檢測，在ENVI 5.3平臺的支持下進行數據的預處理，包括圖像增強、輻射定標（Radiance輻射亮度法）、大氣校正和幾何校正，完成多年數據的輻射歸一化處理（加權不變點方法，WIP），并進行植被NDVI計算［13］。然后在ArcInfo 10.3中完成圖像的拼接裁剪，提取植被NDVI屬性值并完成空間變化分析。

2.2變化趨勢及信度檢驗

變化趨勢分析采用Sen′s斜率法。作為非參數方法，Sen′s斜率可以較好地減少噪聲對待分析時間序列變化趨勢的干擾。對于時間序列xi=（x1，x2，…，xn），Sen′s斜率的計算公式為［14］

式中：Median為中值函數，當βgt;0時序列呈上升趨勢，當β=0時序列趨勢不明顯，而當βlt;0時系列呈下降趨勢，并定義β×10為待分析數據每10 a的變化量。

植被NDVI、氣象數據時間序列變化趨勢的顯著性檢驗采用Mann-Kendall非參數檢驗法［15］。計算過程中，對于具有n個樣本量的植被時間序列x，定義統計量UFk：

按植被NDVI時間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，再重復上述計算過程，則可得該序列的逆序列值UB1=0，UBk=-UFk（k=n，n-1，…，1）。當統計量UFk和UBk構成的曲線超過了正負臨界值直線，則表明原序列具有顯著的上升或下降趨勢。若UFk和UBk在正負臨界值之間出現交點，則表明原序列存在跳躍變異，且兩曲線相交點的時刻即為突變開始的時刻。

2.3尺度轉換

實現氣象點源數據與植被NDVI面源數據的空間尺度匹配流程如下：首先采用克里金（Kriging）插值將氣象站點數據升尺度為研究區面源數據，然后以輸出像元大小為30 m進行重采樣，獲得與植被NDVI像元大小一致的氣象柵格數據。

2.4偏相關分析

植被NDVI變化是多個變量要素協同影響的結果，偏相關分析法為剝離出某個自變量對因變量的作用提供了一種有效的方法［16］。研究采用偏相關分析探索氣溫、降水對NDVI的影響程度，計算公式為

式中：Rvt.r，Rvr.t分別是氣溫t、降水r對植被NDVI的偏相關系數；Rvt，Rvr分別為氣溫t、降水r與植被NDVI間的相關系數；Rtr，Rrt均是氣溫t與降水r的相關系數。

偏相關分析結果采用t檢驗進行顯著性檢驗，計算公式為

式中：R為偏相關系數，n為樣本數，m為自變量。

3植被動態特征

3.1變化趨勢

NDVI是植被覆蓋度的重要表征，植被覆蓋度愈高，NDVI值愈大［17-18］。圖2是珠江源區植被NDVI的年際變化趨勢。統計結果表明，珠江源區非季風期植被NDVI指數多年平均值為0.19，2008年為研究時段內的最高值，達0.22，而2014年最低，僅0.16。通過線性趨勢線分析得知，自1987年以來，區內NDVI波動較大但沒有明顯的長期趨勢，Sen′s斜率僅為0.05×10-3，對年際NDVI進行MK檢驗，統計值Z值為0.21，再次確認年際NDVI不具備明顯變化趨勢。

從年代際變化來看，20世紀80年代植被NDVI平均值為0.23，20世紀90年代降至0.19，21世紀00年代升高到0.20，而21世紀10年代又降為0.18?？梢?，研究時段內年代際植被NDVI大致經歷了高-低-高-低的動態過程。

3.2空間分布

參照SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》，將源區地類按坡度劃分為5個等級，然后提取不同坡度植被覆蓋屬性值（見表1）。結果表明：源區坡度在［0°，8°）的土地面積達3 839.09 km2，占總陸地面積的43.21%，而坡度在［35°，90°）的陸地面積是109.53 km2，僅占流域內陸地面積的1.23%。不同坡度植被覆蓋的差異不明顯，其中［8°，15°）坡度范圍內植被覆蓋最高，NDVI達0.22，而坡度在35°以上區域內植被覆蓋度最低，僅為0.16。

珠江源區各年代植被覆蓋空間差異較大，大坡-菱角-熱水-西澤一線是珠江源區植被覆蓋的分界線，此線以西植被NDVI均值為0.32，而以東僅為0.15，西部植被覆蓋較東部更高。這與人類活動有較大關聯，西側人口密度相對較低，加之自然保護區建設，使植被得以良好保護。東側是云南省人口密度較高和開發最早的區域，喀斯特發育，也是云南省人口大市宣威市駐地，該市第七次人口普查年常住人口118.98萬，人類活動頻繁、強度大，導致植被覆蓋較西側更低。

通過對各年代NDVI平均值可以計算出，從20世紀80年代到90年代，源區植被NDVI減少0.04，通過空間統計發現這些減少主要由變化區間［-0.1，0）的像元貢獻（見圖3、表2）。從20世紀90年代到21世紀00年代，植被NDVI增加0.01，這種增加主要是由變化區間（0，0.1］的像元貢獻。同樣，自21世紀00年代至10年代，植被NDVI減少0.02，這些減少主要由變化區間［-0.1，0）的像元貢獻。

從空間分布還可以看出，人口密集區即沾益區、宣威市駐地植被覆蓋波動較大。此外，大坡-菱角-熱水-西澤一線東側的變化也較西側更為劇烈（見圖3）。

4植被NDVI變化的影響因素

植被NDVI時空變化的影響要素是多方面的，可以概括為自然方面和人為影響方面。長時間尺度上人類活動尤其是土地開發利用影響突出，短時間尺度上自然因素特別是降水與氣溫變化往往是導致植被NDVI變化的主控因子［19］。

4.1氣候變化

研究時段內源區多年平均氣溫為16.2 ℃，2019年的18 ℃為時段內最高。研究時段內多年平均降水量為910 mm，其中1994年高達1 362.2 mm，而2009年因遭受嚴峻干旱僅有669.7 mm［20］。通過線性趨勢線分析得知（見圖4），自1987年以來，珠江源區氣溫總體呈波動上升趨勢，變化速率為0.51 ℃/10 a，而降水量則出現減少趨勢，變化速率為-4.70 mm/10 a。

對年均氣溫和年降水量進行Mann-Kendall檢驗，年均氣溫和年降水量的MK統計值Z值分別為5.15和-0.35，表明氣溫升溫趨勢非常明顯，達0.05置信水平，而降水量有微弱減少趨勢，但尚未達到0.05的置信水平。

對1987～2021年植被NDVI分別與年均氣溫和降水量進行偏相關分析后發現，年均氣溫和年降水量與NDVI的偏相關系數則分別為-0.19和0.45，而確定系數R2分別為0.02和0.22（見圖5），表明植被NDVI與年均氣溫呈負相關，與年降水量呈正相關，且受降水量的影響較氣溫更為明顯，這與遼寧、祁連山等地研究結果一致［21-22］。對比圖2與圖4（b）可以發現，從1987～2021年，源區降水大致分為1987～1994年、1995～2000年、2001～2008年和2009～2021年4個階段，降水量分別呈現出增加-減少-增加-減少的波動趨勢，與之相對應，源區植被NDVI在對應時段也具有了增加-減少-增加-減少的波動態勢。

4.2人類活動

在人類活動影響日益劇烈的今天，植被覆蓋變化深刻地記錄了人類活動的烙?。?3］。珠江源區地處同列為中國三大生態脆弱區的西南喀斯特地區的東南部，國家始終堅持把生態環境建設擺在源區全局工作的重要位置［24］。2000年11月，云南省人民政府批準珠江源為省級自然保護區。并于2002年全面啟動實施國家退耕還林工程，該工程為改善生態狀況、調整產業結構、發展農村經濟和農民增收做出了突出貢獻。而2003～2005年在珠江上游南、北盤江石灰巖地區實施的“珠治”工程，也為植被的持續更新擴展提供了保障。由于這些工程的實施，使珠江源區總退耕還林面積達97.49 km2，荒山荒地造林及封山育林面積分別達150.92 km2和54.73 km2（見表3），促進了植被覆蓋的增加。

此外，重大生態治理工程的實施，對珠江源區遏制石漠化擴展起到了重要作用［9］。包括1999年以來，國家在石漠化地區實施退耕還林還草工程，加大珠江防護林等重點生態工程建設投入，防治速度明顯加快，成效顯著。以及2008年國務院又批復了《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱》（2006～2015年），啟動石漠化綜合治理試點工作，進一步加快了石漠化治理步伐，改善了區域生態環境，使植被得到進一步保護。

5結 論

本研究以珠江源區為研究對象，利用Landsat TM、ETM和OLI_TIRS衛星影像為基礎數據，結合GIS時空分析、Sen′s坡度分析和Mann-Kendall非秩次檢驗等方法，探討了源區1987年以來植被動態特征及影響因素，得到以下結論：

（1） 珠江源區非季風期植被NDVI指數多年平均值為0.19，自1987年以來，植被年際NDVI波動較大但沒有明顯的長期趨勢，Sen′s斜率僅為0.05×10-3，年代際植被NDVI大致經歷了高-低-高-低的動態過程，植被年代際變化主要由變化區間在［-0.1，0）和（0，0.1］的像元貢獻。

（2） 源區不同坡度下植被覆蓋度差異不明顯，其中［8°～15°）坡度范圍內的植被覆蓋最高，NDVI達0.22，而坡度在35°以上的區域則覆蓋度最低，僅為0.16。大坡-菱角-熱水-西澤一線是源區植被覆蓋的分界線，此線以西植被NDVI均值達0.32，而以東僅為0.15。

（3） 研究時段內氣溫總體呈波動上升趨勢，變化速率為0.51 ℃/10 a，而降水量變化速率為-4.70 mm/10 a，植被NDVI波動受降水量的影響較氣溫更為明顯。

（4） 自然保護區建設、“珠治”工程、退耕還林還草工程的啟動實施，改善了區域生態環境，使植被得到進一步保護。

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（編輯：黃文晉）