廣西近15?a植被覆蓋變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)

王永鋒,靖娟利

（1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球變化研究中充當(dāng)“指示器”作用[1]，是聯(lián)系土壤、大氣和水分的自然紐帶[2]。氣候是決定地球上植被類型及其分布的最主要因素,其中熱量和水分是決定植被地理分布的兩個(gè)主要因素[3]。植被與氣候因子的相互關(guān)系研究已成為全球變化研究的重要內(nèi)容[4]。遙感技術(shù)作為對(duì)地觀測(cè)的一個(gè)有力工具，能夠?qū)Σ煌臻g尺度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，已經(jīng)成為研究大范圍植被變化的主要手段。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI） 作為植被生長(zhǎng)狀況的最佳指示因子，其大小能很好地反映植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化[5]，被廣泛用于植被變化監(jiān)測(cè)和植被—?dú)夂蜿P(guān)系等研究。目前監(jiān)測(cè)植被動(dòng)態(tài)變化的遙感數(shù)據(jù)主要有NOAAAVHRR NDVI、SPOT VEGETATION NDVI、TERRAMODIS NDVI /EVI、LANDSAT TM/ETM + 等。

國(guó)外學(xué)者研究認(rèn)為北半球高緯度地區(qū)NDVI增強(qiáng)與溫度升高有關(guān)，而南半球NDVI下降與降水量減少相關(guān)[6]；美國(guó)中部大平原地區(qū)NDVI主要受降水量的影響[7]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明：中國(guó)四季平均NDVI呈上升趨勢(shì)，生長(zhǎng)季提前是植被對(duì)氣候變化響應(yīng)的主要特征[8]；西北地區(qū)NDVI呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋變化與年內(nèi)溫度和降水量的相關(guān)性顯著，并且對(duì)溫度和降水量的響應(yīng)存在時(shí)滯[9]；青藏高原地區(qū)植被覆蓋整體增強(qiáng)、局部退化，植被覆蓋變化與同期降水量、溫度均呈正相關(guān)，且具有明顯的區(qū)域差異[10]；西南地區(qū)各植被類型NDVI均呈顯著增加趨勢(shì)，NDVI與溫度存在明顯正相關(guān)，而與降水量的關(guān)系不太明顯[11]；東北地區(qū)地表植被沿東北-西南方向遞減，植被動(dòng)態(tài)變化與溫度的相關(guān)系數(shù)大于與降水量的相關(guān)系數(shù)[12]；中國(guó)東部地區(qū)NDVI在全年及季節(jié)上均呈增加趨勢(shì)，NDVI與溫度和降水量的最大相關(guān)系數(shù)由北向南逐漸減小[13]；溫度對(duì)NDVI的影響大于降水量，NDVI對(duì)溫度和降水量變化響應(yīng)的滯后期在不同季節(jié)具有一定的南北差異[14]。

中國(guó)西南巖溶區(qū)主要分布在廣西、貴州、云南3?。▍^(qū)），具有生態(tài)環(huán)境脆弱，敏感度高，石漠化問題突出等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在全球氣候變化背景下，對(duì)該地區(qū)植被-氣候關(guān)系進(jìn)行研究，有利于深入了解巖溶生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)該區(qū)進(jìn)行了相關(guān)研究，如楊紹鍔等[15]發(fā)現(xiàn)廣西近10 a NDVI呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，NDVI與降水量最大相關(guān)系數(shù)為0.4-0.8，最大響應(yīng)滯后2-3個(gè)月；韋振鋒等[16-17]研究表明廣西植被覆蓋總體趨勢(shì)良好，NDVI與溫度的時(shí)滯相關(guān)程度強(qiáng)于降水量，而響應(yīng)時(shí)間比降水量短。童曉偉等[18]研究認(rèn)為桂西北巖溶區(qū)植被變化總體呈上升趨勢(shì)，年均氣候因子對(duì)植被變化的作用不明顯；Tian等[19]發(fā)現(xiàn)近17 a來貴州NDVI增加顯著，巖溶區(qū)NDVI增長(zhǎng)速率快于非巖溶區(qū)，全區(qū)NDVI具有持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；Tong等[20-21]指出生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施期間，西南巖溶區(qū)植被呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，以廣西巖溶區(qū)植被增長(zhǎng)最為顯著，全區(qū)植被未來以持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)為主導(dǎo)。

綜上所述，以往對(duì)廣西植被覆蓋變化的研究多集中在NDVI的時(shí)空變化格局方面，對(duì)NDVI空間波動(dòng)性、變化趨勢(shì)的持續(xù)性方面研究比較薄弱；此外，綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境背景，對(duì)比分析巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)植被覆蓋變化及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)方面的研究也不多。因此，本文以廣西1998-2012年連續(xù)15 a的SPOT VEGETATION逐旬NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究NDVI變化趨勢(shì)、波動(dòng)性和變化的持續(xù)性，并分析其對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征。

1 研究區(qū)概況

廣西位于東經(jīng) 104°26'-112°04'，北緯 20°54'-26°24'之間，總面積23.67萬km2。地處云貴高原的東南邊緣，兩廣丘陵西部，南邊朝向北部灣；整個(gè)地勢(shì)自西北向東南傾斜，四周多山地與高原，而中部與南部多為平地，屬山地丘陵性盆地地貌（圖1）。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，北回歸線橫貫全區(qū)中部，氣候溫暖、熱量豐富、雨量豐沛。年平均溫度16.0-23.0℃，由北向南遞增。大部分地區(qū)年降水量為1 500-2 000 mm；降水量季節(jié)變化不均，4-9月降水量占全年降水量的70%-85%；日平均溫度≥10℃的積溫為5 000-8 300 ℃，是全國(guó)最高積溫省區(qū)之一。研究區(qū)內(nèi)84個(gè)縣市有碳酸鹽巖出露，占廣西總面積的40.9%，集中連片分布在桂西南、桂西北、桂中、桂東北。植被類型多樣，地帶性植被以常綠闊葉林為主，灌草多分布在巖溶石山區(qū)。水資源、礦產(chǎn)資源和旅游資源豐富，但地區(qū)貧富差距大，人口-資源-環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)采用1998年4月至2012年12月的1 km分辨率的SPOT VEGETATION逐旬NDVI數(shù)據(jù)，來源于http://free.vgt.vito.be/網(wǎng)站；該數(shù)據(jù)已被廣泛用于植被和生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究，并取得了很好的效果?；贏rcGIS 10.2軟件平臺(tái)，利用公式NDVI=DN×0.004-0.1將原柵格DN數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI真值恢復(fù)。同時(shí)，采用最大值合成法[22]（Maximum Value Composites，MVC）對(duì)各旬?dāng)?shù)據(jù)取最大值，合成月NDVI數(shù)據(jù)、年NDVI數(shù)據(jù)，并以廣西行政界線進(jìn)行裁剪，得到1998年4月至2012年12月共177個(gè)月1 km分辨率的NDVI數(shù)據(jù)集。

氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http://cdc.cma.gov.cn提供的1998-2012年廣西及周邊地區(qū)的164個(gè)站點(diǎn)的月平均溫度和降水量資料，其中研究區(qū)內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)為22個(gè)（圖1）。對(duì)收集到月平均溫度和降水量資料，在Excel軟件中統(tǒng)計(jì)為年平均溫度和年降水量，在ArcGIS 10.2中采用普通克里格法進(jìn)行空間插值，生成與NDVI數(shù)據(jù)具有相同空間參考及空間分辨率的柵格氣象數(shù)據(jù)。

土地利用數(shù)據(jù)為2012年500 m分辨率的MOD12Q1年際數(shù)據(jù)，來源于NASA地球觀測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)站https://ladsweb.nascom.nasa.gov/。廣西喀斯特分布數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所1:400萬可溶巖分布數(shù)據(jù)。

3 研究方法

3.1 趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)分析法可以模擬每個(gè)柵格點(diǎn)的變化趨勢(shì)，某像元的趨勢(shì)是該像元NDVI線性回歸方程的斜率slope。若slope〉0，說明隨時(shí)間變化NDVI呈增加趨勢(shì)，且數(shù)值越大表示增加趨勢(shì)越明顯；反之，slope〈0，說明隨時(shí)間變化NDVI呈下降趨勢(shì)。本文用該方法來模擬1998-2012年廣西NDVI的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式如下[23]：

式中：slope為像元NDVI線性回歸方程斜率；i代表1-15的年序號(hào)；n代表時(shí)間跨度。參考崔林麗和史軍[14]，將slope分為7個(gè)等級(jí)，分別為嚴(yán)重退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、中度改善、明顯改善。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差表示數(shù)據(jù)變量偏離常態(tài)距離的平均數(shù)，能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，其值越大，說明該地區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)各像元NDVI距離平均值越遠(yuǎn)，即該時(shí)段內(nèi)植被覆蓋的年際變化較大。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式如下[24]：

式中：S表示時(shí)序上的標(biāo)準(zhǔn)差；i為年序號(hào)；n為時(shí)間跨度；表示多年平均值。S值越大，表明數(shù)據(jù)分布越離散，時(shí)間序列數(shù)據(jù)波動(dòng)較大；反之則表明數(shù)據(jù)分布較為緊湊，時(shí)間序列數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

3.3 Hurst指數(shù)

植被覆蓋變化類似于水文、氣候、地球化學(xué)等自然現(xiàn)象，具有自相似性和長(zhǎng)期依賴性，Hurst指數(shù)是定量描述該現(xiàn)象的有效方法。目前，Hurst指數(shù)的估算方法有多種，其中重標(biāo)極差（Rescaled Range Analysis Method，R/S）分析法和小波分析法的估算結(jié)果比其他方法更為可靠[25]。R/S分析方法最早由英國(guó)水文學(xué)家Hurst在研究尼羅河水文問題時(shí)提出[26]，后來Mandelbrot和Wallis在理論上進(jìn)行了補(bǔ)充和完善[27]。R/S基本原理如下：

NDVI時(shí)間序列 NDVIi，i=1，2，3， …，n，對(duì)于任意正整數(shù)m，定義該時(shí)間序列的均值序列：

累計(jì)離差：

極差：

標(biāo)準(zhǔn)差：

對(duì)于比值R(m)/S(m)=R/S，若存在如下關(guān)系R/S∞mH，則說明所分析的時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象，H為Hurst指數(shù)。H值可以根據(jù)m和對(duì)應(yīng)計(jì)算所得的R/S值，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(ln(m)，ln(R/S))用公式（7）擬合得到，直線斜率H值即為Hurst指數(shù)。

Hurst指數(shù)取值范圍為H（0〈H〈1），H取值可分為以下3種情況：當(dāng)H=0.5時(shí)，表明序列是隨機(jī)序列；當(dāng)H〉0.5時(shí)，表明未來的變化情況與過去一致，即持續(xù)性，H越大持續(xù)性越強(qiáng)；當(dāng)0〈H〈0.5時(shí)，表明未來的變化情況與過去相反，即反持續(xù)性，H越小，反持續(xù)性越強(qiáng)。

3.4 相關(guān)分析

植被與氣候因子之間相互關(guān)系的測(cè)定主要是通過相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)完成的。相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：

式中：n為樣本數(shù)；和分別為變量x和y的均值；rxy為變量x和y的相關(guān)系數(shù)。

基于像元尺度，分別計(jì)算NDVI與前0-3個(gè)月平均溫度和降水量之間的相關(guān)系數(shù)，并分別從溫度和降水量的4個(gè)相關(guān)系數(shù)中挑選出絕對(duì)值最大的相關(guān)系數(shù)和對(duì)應(yīng)的月，作為各氣象站點(diǎn)的最大相關(guān)系數(shù)及對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間。

4 結(jié)果與分析

4.1 植被覆蓋的時(shí)間變化特征

由圖2a可知，廣西1998-2012年NDVI均值在0.719-0.798之間波動(dòng)變化，總體呈顯著上升趨勢(shì)（y=0.006x-10.714，R2=0.862，P〈0.001），增加速率為 0.006/a。15 a間NDVI值增加了0.079，其中2002-2003年間NDVI值增加最快，增幅達(dá)0.043，占總體增加幅度的54.43%，2003年后NDVI值波動(dòng)緩慢增加到最大值0.798，植被覆蓋狀況整體以改善為主。巖溶區(qū)（y=0.006x-10.888，R2=0.819，P〈0.001）與非巖溶區(qū)（y=0.006x-10.683，R2=0.873，P〈0.001）植被變化趨勢(shì)、變化速率與全區(qū)基本保持一致。

從圖2b可知，研究區(qū)植被年內(nèi)變化具有很強(qiáng)的季節(jié)性，NDVI最小值出現(xiàn)在2月，3-5月份迅速回升，6-8月份緩慢上升，到9月份達(dá)到最大值，隨后緩慢回落到最小值。巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)月NDVI變化趨勢(shì)與全區(qū)一致。這是受植被在年內(nèi)生長(zhǎng)規(guī)律影響，4-9月份是植被生長(zhǎng)的旺盛季節(jié)，而1-3月份是植被生長(zhǎng)的緩慢季節(jié)。

4.2 植被覆蓋的空間演變特征

圖2 1998-2012年廣西NDVI均值年際（a）、月變化趨勢(shì)（b）Fig. 2 Annual and monthly change trend of NDVI in Guangxi during 1998-2012

4.2.1 NDVI空間分布特征 受地形地貌、地質(zhì)背景及氣象因子的共同影響下，1998-2012年廣西NDVI均值介于0.086-0.857，平均值為0.757，表現(xiàn)出明顯的空間差異性（圖3）。NDVI〉0.8的高值區(qū)主要分布在十萬大山、漓江流域上游貓兒山保護(hù)區(qū)、桂江流域、洛清江流域中上游、柳江流域中游、郁江流域中上游。NDVI〈0.6的低值區(qū)主要分布在南寧、柳州、桂林、北海等市轄區(qū)及周邊，這些地區(qū)受人類活動(dòng)影響比較劇烈。巖溶區(qū)NDVI均值主要介于0.7-0.8之間，占比重的83.71%；而非巖溶區(qū)NDVI均值以大于0.7為主，占92.52%?？傮w來說，研究區(qū)多年NDVI均值表現(xiàn)出四周高、中間低，非巖溶區(qū)高于巖溶區(qū)的總體特征。

圖3 NDVI均值空間分布Fig. 3 Spatial distribution of average NDVI

4.2.2 NDVI波動(dòng)性分析 1998-2012年廣西NDVI標(biāo)準(zhǔn)差介于0.010-0.206之間，空間變化幅度較大。為了進(jìn)一步研究NDVI年際波動(dòng)特征，運(yùn)用ArcGIS 10.2中的自然斷裂點(diǎn)法（Natural Breaks (Jenks)）將標(biāo)準(zhǔn)差分為高（S ≥ 0.066）、較高（0.048 ≤ S＜0.066）、中（0.038 ≤ S＜0.048）、 較 低（0.030 ≤ S＜0.038）、低（S〈0.030）5個(gè)等級(jí)。從圖4可知，高波動(dòng)性區(qū)域主要分布在桂南平原區(qū)，土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地為主，受人類活動(dòng)的干擾較大。低波動(dòng)性區(qū)域主要分布在桂西北云貴高原東南邊緣、桂東北南嶺山地、桂東南的丘陵地區(qū)，這些地區(qū)地勢(shì)相對(duì)較高，主要分布林地、混交林以及灌草，受人類活動(dòng)的影響較少。

圖4 NDVI標(biāo)準(zhǔn)差空間分布Fig. 4 Spatial distribution of Standard deviation of NDVI

4.2.3 NDVI變化趨勢(shì)分析 基于一元線性回歸分析方法，從像元尺度分析了廣西1998-2012年NDVI變化趨勢(shì)的空間分布格局。從表1可以看出，近15 a廣西植被覆蓋整體得到改善，局部地區(qū)惡化。NDVI顯著改善的區(qū)域占比重的8.94%；退化區(qū)域僅占1.41%。從圖5可知，NDVI顯著改善的區(qū)域主要分布在桂中盆地和桂南平原區(qū)，與NDVI高波動(dòng)分布區(qū)基本吻合；這些地區(qū)主要是農(nóng)用地，農(nóng)民進(jìn)行了集約化管理而且增加投入，NDVI有顯著上升趨勢(shì)。NDVI退化區(qū)域主要分布在人類活動(dòng)干擾較大的市、縣轄區(qū)。巖溶區(qū)NDVI主要以輕微、中度改善為主，主要分布在桂西南、桂西北的丘陵和山區(qū)；這是近年來國(guó)家、地方政府實(shí)施的退耕還林、還草政策，使該區(qū)生態(tài)環(huán)境得到了較好恢復(fù)。而退化區(qū)域主要分布在桂中盆地的市轄區(qū)及周邊，以及桂東北的桂林市，這些地區(qū)因發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)或旅游業(yè)，植被生長(zhǎng)受人類活動(dòng)影響較大，生態(tài)環(huán)境呈退化狀態(tài)，NDVI有減小趨勢(shì)。

圖5 NDVI變化趨勢(shì)空間分布Fig. 5 Spatial distribution of NDVI change trend

4.2.4 NDVI變化的持續(xù)性分析 基于廣西1998-2012年NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算得到Hurst指數(shù)，其值介于0.253-0.997，均值為0.849，Hurst指數(shù)小于0.5的區(qū)域僅占比重的0.61%，大于等于0.5的區(qū)域占99.39%，說明研究區(qū)NDVI的反持續(xù)性很弱，植被覆蓋總體處于持續(xù)改善狀態(tài)。因此，NDVI的反持續(xù)性基本可以忽略。根據(jù)ArcGIS 10.2中的自然斷裂點(diǎn)法（Natural Breaks (Jenks)）將 Hurst指數(shù)分為弱持續(xù)性（〈0.728）、中持續(xù)性（0.728-0.868）、強(qiáng)持續(xù)性（〉0.868）3類。

從圖6可知，研究區(qū)植被覆蓋變化以中-強(qiáng)持續(xù)性為主，強(qiáng)持續(xù)性區(qū)域主要連片分布在桂南平原區(qū)、桂東北南嶺山地、桂西丘陵山地區(qū)。弱持續(xù)性區(qū)域主要散布在漓江、賀江、柳江下游，潯江、郁江、紅水河中游等沿岸及部分城市轄區(qū)，這些地區(qū)主要為河流谷地，是農(nóng)業(yè)用地的集中分布區(qū)，受人類活動(dòng)的影響較大，NDVI變化的持續(xù)性較弱。就巖溶區(qū)而言，強(qiáng)持續(xù)性區(qū)域主要分布在地勢(shì)較高的丘陵、山地分布區(qū)，而盆地、平原地區(qū)主要表現(xiàn)為弱持續(xù)性。這主要是因?yàn)閹r溶區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤貧瘠、保水保肥能力差，在地勢(shì)較高的地區(qū)已經(jīng)實(shí)施退耕還林、還草工程，植被覆蓋改善明顯，恢復(fù)能力逐漸提高；而在人類活動(dòng)持續(xù)干擾的地區(qū)，植被覆蓋改善緩慢或呈退化趨勢(shì)?？傮w而言，廣西植被覆蓋在未來表現(xiàn)出持續(xù)改善的趨勢(shì)。

表1 1998-2012年廣西NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical result of NDVI change trend in Guangxi during 1998-2012

圖6 Hurst指數(shù)空間分布Fig. 6 Spatial distribution of Hurst index

4.2.5 NDVI變化趨勢(shì)與可持續(xù)性綜合分析 為了進(jìn)一步研究廣西植被覆蓋變化及其可持續(xù)性，將slope值與Hurst指數(shù)值進(jìn)行疊加分析，可以得到研究區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)及其可持續(xù)性的耦合信息。在分析過程中將植被覆蓋變化趨勢(shì)重新分為退化（包括輕微、中度和嚴(yán)重退化）、不變（基本不變）和改善（包括輕微、中等和明顯改善）3類，并與Hurst指數(shù)分級(jí)進(jìn)行疊加，得到slope值與Hurst指數(shù)的9種耦合結(jié)果空間分布情況。由圖7可知：改善&強(qiáng)持續(xù)性區(qū)域主要分布在桂北南嶺山地、桂西北丘陵山地、桂南平原地區(qū)，這些地區(qū)未來植被覆蓋呈持續(xù)改善趨勢(shì)；而改善&弱持續(xù)性區(qū)域主要分布在桂西北、桂中、桂東北巖溶區(qū)，這些地區(qū)土壤瘠薄，生態(tài)環(huán)境脆弱，不合理的人類活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋退化，未來植被覆蓋改善趨勢(shì)不強(qiáng)。

圖7 NDVI變化趨勢(shì)與持續(xù)性綜合分析Fig. 7 comprehensive analysis of NDVI change trend and persistence

此外，為了研究土地利用類型對(duì)植被覆蓋趨勢(shì)及可持續(xù)的影響，將研究區(qū)2012年MOD12Q1植被覆蓋數(shù)據(jù)與slope值和Hurst指數(shù)的耦合結(jié)果進(jìn)行疊加，統(tǒng)計(jì)不同土地覆蓋類型中植被覆蓋變化趨勢(shì)及可持續(xù)性的分布情況。從表2可知，改善&弱持續(xù)性區(qū)域主要土地利用類型為灌草、林地、混合林、農(nóng)用地，集中分布在桂西北、桂中、桂東南巖溶區(qū)，在桂東南的非巖溶區(qū)也有局部分布。退化&強(qiáng)持續(xù)性的區(qū)域主要為灌草、農(nóng)用地，主要分布在桂中、桂東地區(qū)的大部分城市轄區(qū)。因此，巖溶區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)仍然是重點(diǎn)，城市轄區(qū)的綠化工程也有待加強(qiáng)。

表2 NDVI變化趨勢(shì)與可持續(xù)性綜合分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)（km2）Table 2 Statistical result of comprehensive analysis of NDVI change trend and persistence(km2)

4.3 植被覆蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)

4.3.1 NDVI對(duì)氣候響應(yīng)的空間格局 基于廣西1998-2012年逐月NDVI數(shù)據(jù)，分別計(jì)算其與前0-3個(gè)月降水量和溫度的相關(guān)系數(shù)。并以P〈0.05和P〈0.01為顯著性檢驗(yàn)的臨界值對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分級(jí)，以反映研究區(qū)植被覆蓋與氣候因子相關(guān)性及其顯著性的空間分布情況。

由圖8可知，NDVI與前0-3個(gè)月降水量相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，NDVI與當(dāng)月降水量相關(guān)系數(shù)均值為0.393，呈正相關(guān)的面積占98.18%，其中通過P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例僅占8.54%，說明NDVI受當(dāng)月降水量變化影響不顯著。NDVI與前1-3個(gè)月降水量相關(guān)系數(shù)均值分別為0.601、0.708、0.685，與前2個(gè)月降水量相關(guān)系數(shù)最大，表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)。NDVI與前1-3個(gè)月相關(guān)系數(shù)中通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例分別為23.91%、55.42%和42.03%；通過0.01〈P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例分別為40.33%、31.40%和44.17%。巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)NDVI與降水量相關(guān)系數(shù)最大值均出現(xiàn)在前2個(gè)月，均值分別為0.712和0.705。綜上，植被覆蓋變化受前2個(gè)月降水量的影響較大，巖溶區(qū)植被生長(zhǎng)受降水量的影響比非巖溶區(qū)顯著。這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)處于熱帶、亞熱帶氣候區(qū)，降水量相對(duì)較為豐沛，能夠滿足植被生長(zhǎng)需求，植被對(duì)降水量變化的響應(yīng)不敏感。巖溶區(qū)由于其特殊的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境背景，地表土壤瘠薄、基巖大面積裸露，加之地表地下具有雙層結(jié)構(gòu)，保水能力差，因而植被生長(zhǎng)受降水量的影響較非巖溶區(qū)顯著。

由圖9可知，NDVI與前0-3個(gè)月溫度的相關(guān)系數(shù)以正相關(guān)為主。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，NDVI與當(dāng)月溫度相關(guān)系數(shù)均值為0.690，通過P〈0.01和0.01〈P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例分別為48.46%和32.06%。NDVI與前1-3個(gè)月溫度相關(guān)系數(shù)均值分別為0.913、0.849、0.545；與前1個(gè)月溫度的相關(guān)系數(shù)最大，具有明顯的滯后效應(yīng)。NDVI與前1-3個(gè)月溫度相關(guān)系數(shù)通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例分別為98.96%、94.09%和16.59%。因此，植被覆蓋變化受前1個(gè)月溫度的影響比較大。進(jìn)一步研究表明，巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)NDVI均與前1個(gè)月溫度的相關(guān)系數(shù)均值最大，分別為0.936和0.898，相關(guān)系數(shù)通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例分別為99.96%和98.33%。以上分析表明，巖溶區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)溫度變化的響應(yīng)比非巖溶區(qū)敏感。這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)降水量豐沛，對(duì)植被生長(zhǎng)脅迫性不大，因而溫度的變化就成為植被生長(zhǎng)的一個(gè)重要因子。此外，巖溶區(qū)由于地表碳酸鹽巖大面積出露，植被主要以灌草為主，植被生長(zhǎng)對(duì)溫度變化比較敏感，因此對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間較短。

圖8 NDVI與前0-3個(gè)月降水量相關(guān)系數(shù)Fig. 8 correlation coef fi cient between NDVI and the preceding 0-3 month precipitation

圖9 NDVI與前0-3個(gè)月溫度相關(guān)系數(shù)Fig. 9 correlation coef fi cient between NDVI and the preceding 0-3 month temperature

對(duì)比同期NDVI與降水量和溫度的相關(guān)系數(shù)可以看出，在前0-2個(gè)月，NDVI與溫度的相關(guān)系數(shù)均大于與同期降水量的相關(guān)系數(shù)，而對(duì)前3個(gè)月情況正好相反；說明NDVI對(duì)溫度變化的響應(yīng)比降水量快，但時(shí)間持續(xù)性比降水量短。此外，巖溶區(qū)NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)在前0-2個(gè)月大于等于全區(qū)和非巖溶區(qū)，而前3個(gè)月正好相反；與溫度的相關(guān)系數(shù)在前0-1個(gè)月大于全區(qū)和非巖溶區(qū)，而前2-3個(gè)月正好相反。說明年內(nèi)降水量和溫度對(duì)巖溶區(qū)植被覆蓋變化的影響更為顯著，而溫度變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響比降水量更明顯。

4.3.2 NDVI對(duì)氣候響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng) 為了進(jìn)一步研究NDVI對(duì)氣候響應(yīng)的時(shí)滯效應(yīng)，對(duì)NDVI與前0-3個(gè)月降水量和溫度的相關(guān)系數(shù)分別取最大值，并將其對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為滯后時(shí)間。

從圖10 a可知，NDVI與降水量最大相關(guān)系數(shù)值介于0.049-0.963之間，均值為0.742。其中，相關(guān)系數(shù)通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例為65.56%，主要分布在桂南、桂東南、桂西北等地區(qū)。通過0.01〈P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例占30.02%，主要分布在桂北及桂東北地區(qū)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，巖溶區(qū)最大相關(guān)系數(shù)介于0.388-0.941，均值0.725，通過P〈0.01和0.01〈P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例分別為55.84%和40.45%；而未通過P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例僅占3.72%，主要分布在河池市、柳州市和桂林市。非巖溶區(qū)最大相關(guān)系數(shù)均值為0.753，通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例為71.69%，主要分布在桂南、桂東南和桂西等地區(qū)。

如圖10 b所示，NDVI與降水量最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間以2-3個(gè)月為主，占比重37.26%的地區(qū)滯后時(shí)間為3個(gè)月，56.51%地區(qū)滯后時(shí)間為2個(gè)月；植被覆蓋對(duì)降水量的滯后時(shí)間具有一定的空間差異性，桂東及桂東北部地區(qū)滯后時(shí)間以3個(gè)月為主，其余地區(qū)以2個(gè)月為主。巖溶區(qū)NDVI與降雨量最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間以2個(gè)月為主，而非巖溶區(qū)滯后時(shí)間以2-3個(gè)月為主。這可能是土地利用類型的差異而引起的，桂東北地區(qū)為南嶺山地，主要分布林地、混交林，地表蒸發(fā)量較小，植被蓄水能力較強(qiáng)，NDVI對(duì)降水量變化的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)；桂中盆地、桂南平原區(qū)主要分布農(nóng)用地、灌草，地表蒸發(fā)量較大，植被蓄水能力相對(duì)較弱；NDVI對(duì)降水量變化的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短；桂西南屬于云貴高原的東南邊緣，地勢(shì)相對(duì)較高，主要分布混交林和灌草，降水量相對(duì)其他地區(qū)較少，NDVI對(duì)降水量變化比較敏感。此外，巖溶區(qū)NDVI對(duì)降水量響應(yīng)時(shí)間較非巖溶區(qū)短，這與其特殊的地質(zhì)環(huán)境背景有很大關(guān)系。

從圖10 c可知，NDVI與溫度最大相關(guān)系數(shù)值介于0.074-0.988之間，均值為0.931。相關(guān)系數(shù)通過P〈0.01顯著性檢驗(yàn)的比例為99.46%，廣泛分布于研究區(qū)；通過0.01〈P〈0.05顯著性檢驗(yàn)的比例僅為0.43%，主要零星分布在桂林市、百色市、南寧市。

由圖10 d可知，NDVI與溫度最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間以1-2月為主。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，占比例70.39%的地區(qū)滯后時(shí)間為1個(gè)月，主要集中分布在桂中和桂北地區(qū)；28.94%的地區(qū)滯后時(shí)間為2個(gè)月，散布于桂西、桂南和桂東地區(qū)。巖溶區(qū)NDVI與溫度最大相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間以1個(gè)月為主，而非巖溶區(qū)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間以1-2個(gè)月為主。這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)北回歸線橫貫全區(qū)中部，主要屬于南亞熱帶和中亞熱帶。桂西南、桂中、桂南和桂東南地區(qū)屬于南亞熱帶地區(qū)，主要是低山平原林地、農(nóng)業(yè)植被分布區(qū)，總體溫度相對(duì)較高，植被生長(zhǎng)受溫度變化影響比較小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。桂西北、桂東南地區(qū)屬于中亞熱帶，前者位于云貴高原東南邊緣，主要分布混交林、灌草，后者屬于南嶺山地混交林分布區(qū)；由于地勢(shì)相對(duì)較高，植被生長(zhǎng)受溫度影響較大，對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短。

4.3.3 植被覆蓋類型對(duì)NDVI-氣候響應(yīng)關(guān)系的影響 植被覆蓋類型是影響NDVI與氣候響應(yīng)關(guān)系的主要因素之一。以廣西2012年MOD12Q1植被覆蓋類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將植被覆蓋類型重分類為林地、混交林、灌草地、耕地，并對(duì)不同植被覆蓋類型NDVI與降水量、溫度的最大相關(guān)系數(shù)及對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)（表3），結(jié)果顯示：植被生長(zhǎng)受溫度的影響大于降水量，不同植被覆蓋類型NDVI對(duì)降水量變化的響應(yīng)時(shí)間比對(duì)溫度變化的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。巖溶區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)降水量和溫度變化更敏感，除耕地外，其他植被覆蓋類型對(duì)降水量、溫度變化的響應(yīng)時(shí)間均短于非巖溶區(qū)。

圖10 NDVI與降水量、溫度最大相關(guān)系數(shù)及對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間Fig. 10 The maximum correlation coef fi cient between NDVI and precipitation，temperature and the corresponding lag time

表3 植被覆蓋類型與氣候因子的關(guān)系Table 3 relationship between vegetation cover type and climate factors

5 結(jié)論

1）1998-2012年廣西NDVI均值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增加速率為0.006/a。NDVI均值季節(jié)變化明顯，9月份達(dá)到最大值，2月份降到最小值。巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)NDVI變化趨勢(shì)與全區(qū)一致。

2）近15 a NDVI均值總體表現(xiàn)為四周高，中間低，非巖溶區(qū)高于巖溶區(qū)的特點(diǎn)。NDVI標(biāo)準(zhǔn)差的變幅比較大，以中等-低波動(dòng)為主。NDVI變化趨勢(shì)以改善為主，巖溶區(qū)以輕微、中度改善為主。Hurst指數(shù)值表明全區(qū)植被覆蓋總體處于持續(xù)改善狀態(tài)。

3）NDVI與前2個(gè)月降水量的相關(guān)系數(shù)均值最大，而與前1個(gè)月溫度的相關(guān)系數(shù)均值最大；說明溫度對(duì)研究區(qū)植被生長(zhǎng)影響大于降水量。NDVI對(duì)溫度最大響應(yīng)的滯后時(shí)間為1-2個(gè)月，而對(duì)降水量最大響應(yīng)的滯后時(shí)間為2-3個(gè)月。巖溶區(qū)植被生長(zhǎng)對(duì)降水量、溫度變化的影響更敏感，響應(yīng)時(shí)間比非巖溶區(qū)短。不同植被類型與降水量、溫度的相關(guān)程度及響應(yīng)時(shí)間有一定差異。

6 討論

植被覆蓋變化是自然因素與人為因素綜合作用的結(jié)果。自然因素中溫度和降水量對(duì)植被生長(zhǎng)的影響最為顯著。本文與楊紹鍔等[15]研究結(jié)論一致，廣西NDVI呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的趨勢(shì)，NDVI對(duì)降水量變化最大響應(yīng)的滯后期為2-3月。與韋振鋒等[16-17]研究結(jié)論大致相同，廣西植被覆蓋變化趨勢(shì)總體呈增加趨勢(shì)，NDVI對(duì)溫度變化最大響應(yīng)為5-7旬，對(duì)降水量變化最大響應(yīng)為7-10旬。同一研究區(qū)，不同數(shù)據(jù)精度、研究方法對(duì)NDVI變化趨勢(shì)及其對(duì)溫度、降水量的響應(yīng)滯后時(shí)間有差異。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近15 a來廣西年均溫度呈不顯著下降趨勢(shì)（R2=0.072，P＞0.05），同時(shí)年降雨量也呈不顯著下降趨勢(shì)（R2=0.046，P＞0.05），下降速率分別為0.023/a和0.920/a；而植被覆蓋仍然呈增加趨勢(shì)，巖溶區(qū)植被覆蓋增加趨勢(shì)顯著。這說明在短時(shí)間內(nèi)氣候因素對(duì)植被覆蓋的影響不大，而人類活動(dòng)是影響植被覆蓋變化的主要原因。廣西自2001年起實(shí)施退耕還林工程，到2005年共完成退耕還林任務(wù)70.9萬hm2，工程覆蓋全區(qū)90個(gè)縣（市、區(qū)）[28]，有效的恢復(fù)了森林植被，減緩水土流失，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。2004年和2008年國(guó)家相繼實(shí)施了生態(tài)工程，有效的遏制了巖溶區(qū)石漠化的持續(xù)惡化趨勢(shì)，提高了植被覆蓋率，促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，人類活動(dòng)起到了正向作用。

本文在研究植被覆蓋變化與氣候因子關(guān)系過程中考慮了地層巖性的影響，未考慮地貌、土壤類型等因素對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。此外，氣候因素僅考慮了溫度和降水量2個(gè)因子，而未考慮濕度、蒸散發(fā)、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等氣候因子對(duì)植被生長(zhǎng)的影響作用。因此，在后續(xù)研究中將綜合考慮各類影響因素，并從不同尺度深入研究植被覆蓋變化與驅(qū)動(dòng)因素的關(guān)系。

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