馮國艷，馬明國，時偉宇

（西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院/遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用重慶市工程研究中心，重慶 400715）

石漠化由于其分布面廣、程度深、治理難度大、擴展趨勢快，被稱為“地球之癌”，已成為當(dāng)前國際地學(xué)研究的熱點問題之一。我國碳酸鹽巖分布廣闊，面積達(dá) 3.43×106km2［1］，主要集中在我國西南地區(qū)，面積為5.4×105km2［2］，石漠化現(xiàn)象在這些地區(qū)非常普遍和嚴(yán)重［3-4］。截至2015年我國石漠化土地面積1.29×105km2，區(qū)域涉及貴州、云南、廣西、湖南、湖北、重慶、四川、廣東等8個?。?市、區(qū)） ，以貴州、云南和廣西3個省區(qū)分布最集中、危害最嚴(yán)重［5］。

石漠化不僅是我國西南地區(qū)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，更是突出又亟需解決的社會經(jīng)濟問題，正受到黨和國家的高度重視［5］。石漠化的核心問題是生態(tài)退化，而石漠化的根治關(guān)鍵是植被恢復(fù)。在國家石漠化植被恢復(fù)治理工程建設(shè)的推動下，全國各地大力開展了石漠化治理工程［6-7］，并取得了豐碩的成果，石漠化生態(tài)系統(tǒng)得到了改善［8］。目前，不少專家學(xué)者對石漠化的概念［9-10］、成因及防治措施［11-14］、空間格局［15］、治理模式［16］等方面進(jìn)行大量的研究，取得了不少成果。石漠化研究過程中，地表植被的退化和喪失是最主要的特征和先導(dǎo)過程［17］，而歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）是最為常用的用于表征植被覆蓋狀況和評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，被廣泛地應(yīng)用于全球與區(qū)域變化研究中［18］。我國西南地區(qū)石漠化研究與綜合治理始于20 世紀(jì)80年代中后期，進(jìn)人21 世紀(jì)后，研究與綜合治理力度在不斷加大，不同區(qū)域的各種石漠化治理模式不斷涌現(xiàn)，總體可以歸納為植被恢復(fù)、生態(tài)畜牧業(yè)、水土保持、生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)移民和生計轉(zhuǎn)化等六大類，為石漠化生態(tài)綜合治理、生態(tài)文明建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)［19］。

本研究以我國西南地區(qū)石漠化最突出的貴州、廣西、云南三省區(qū)為研究區(qū)，以2008年國務(wù)院批復(fù)《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱》為背景，基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)集，對我國西南巖溶地區(qū)2001－2016年植被覆蓋動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測與分析，探討各個時間段植被恢復(fù)狀況，分析不同石漠化治理模式下植被變化情況，為西南地區(qū)石漠化治理提供基礎(chǔ)資料和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于 20°54′～29°16′N、97°32′～112°04′E 之間，行政區(qū)包括云南、貴州、廣西，是我國喀斯特地貌分布最為集中的地區(qū)（圖1，彩插三），三省區(qū)喀斯特分布面積達(dá)3.121×105km2，占全國喀斯特分布面積的23.14%，占三省區(qū)總面積的39.17%［20］。西南喀斯特地區(qū)屬中－南亞－北熱帶氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，雨熱同季，加之純碳酸鹽巖大面積出露，喀斯特作用強烈，地形陡峻而破碎，地表地下雙層巖溶地貌發(fā)育良好，形成了復(fù)雜多樣的水平、垂直小生境［21］。受復(fù)雜多樣的地形地貌和氣候條件影響，常有強降雨發(fā)生，局部易產(chǎn)生水土流失，造成石漠化，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱［22］。

圖1 研究區(qū)范圍及喀斯特分布

1.2 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本研究用到3種類型數(shù)據(jù)。一是2001年1月至2016年12月的中等分辨率成像分光輻射計（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS） MOD13Q1 數(shù)據(jù)集，下載至美國地質(zhì)勘探局（USGS）數(shù)據(jù)中心（https：//e4ftl01.cr.usgs.gov/），從中提取了NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要數(shù)據(jù)鑲嵌和裁剪、投影轉(zhuǎn)換、時間序列重建［23-24］；二是中國南方喀斯特空間分布數(shù)據(jù)集，由喀斯特科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供（www.karstdata.cn），該數(shù)據(jù)由人工從1∶50萬地質(zhì)圖上解譯獲得，數(shù)據(jù)生成時間為2009年，數(shù)據(jù)投影為Albers投影，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線為25°和47°，中央經(jīng)線為105°，橢球體參數(shù)為Krasovsky橢球，坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)格式為ArcGIS下的shpfile；三是行政區(qū)劃圖，來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫（http：//www.ngcc.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 季節(jié)合成NDVI 季節(jié)合成NDVI（SINDVI）被定義為每個像元1年所有時相超過臨界值的NDVI的總和，因為NDVI 的取值范圍為-1.0～1.0，與植被覆蓋呈正相關(guān)，NDVI＜0.1 時表示地表無植被覆蓋，如裸土、沙漠、水體、冰雪和云等，所以一般研究中該閾值取0.1［18］。本研究是將每個像元全年23個時相中大于0.1的NDVI值相加，從而得到中國西南地區(qū)每個像元逐年SINDVI數(shù)據(jù)。

1.3.2 植被指數(shù)動態(tài)變化分析 一元線性回歸方程可以計算出每個柵格的變化特征，根據(jù)變化特征可以反演出該柵格的植被生長趨勢［25］。本研究同樣采用此方法模擬每個柵格SINDVI的年際變化趨勢，得到逐像元回歸斜率圖，計算公式如下：

式中，i為1～16年序號，n為所研究的時間序列長度，SINDVIi表示第i年的SINDVI 值。其中，變化率大于0 則說明2001－2016年SINDVI的變化呈增加趨勢，變化率越大，改善的趨勢越明顯；反之退化的趨勢越明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1 SINDVI 空間分布特征

根據(jù)巖溶區(qū)每年的SINDVI求出每個時間段年均SINDVI空間分布，從圖2（彩插三）可以看出，近16年來西南巖溶地區(qū)整體植被覆蓋狀況良好，年均SINDVI為12.16，其中2001－2008年年均SINDVI 為11.87，2009—2016年年均SINDVI為12.45，SINDVI比前一個時間段增長0.58，植被覆蓋度增大。從表1可以看出，16年來巖溶地區(qū)SINDVI主要集中在9～15之間，占92.4%，其中2001－2008年SINDVI在9～12之間的占49.58%，12～15之間的占43.02%，SINDVI大于15的只有3.31%；2009－2016年SINDVI在9～12之間的百分比呈下降趨勢，為33.72%，12～15之間的占56.74%，比2001－2008年增長13.72%，SINDVI大于15的區(qū)域也增長了2.77%?？傮w而言，2009－2016年植被覆蓋度較2001－2008年明顯增大。

表1 不同時間段SINDVI分級統(tǒng)計（%）

如圖2（彩插三） 所示，黔貴滇巖溶地區(qū)SINDVI集中分布在9～15之間，植被覆蓋良好。貴州省近16年年均SINDVI為11.69，其中2001－2008年為11.37，2009－2016年為12.01，SINDVI較前一個時間段增長0.64；云南省近16年年均SINDVI為12.29，2001－2008年為 12.08，2009－2016年為 12.51，SINDVI較前一個時間段增長0.43；廣西省近16年年均SINDVI為12.62，其中2001－2008年為12.25，2009－2016年為12.99，SINDVI較前一個時間段增長0.74。

圖2 不同時間段巖溶區(qū)年均SINDVI空間分布

從表2可以看出，黔貴滇巖溶地區(qū)16年間SINDVI主要集中在9～15之間，占巖溶區(qū)面積的84%以上。貴州省巖溶區(qū)2001－2008年SINDVI主要集中在9～12之間，占67.53%，2009－2016年SINDVI則主要集中在12～15之間，占52.45%，比上一階段明顯增長22.72%，同時SINDVI大于15的區(qū)域也有小幅度增長，增長0.35%；云南省巖溶區(qū)2001－2008年SINDVI主要集中在12～15之間，占45.27%，2009－2016年則增加到50.41%，比上一階段明顯增長5.14%，同時SINDVI大于15的區(qū)域也有小幅度增長，增長比重為4.11%；廣西省巖溶區(qū)2001－2008年SINDVI主要集中在12～15之間，占58.21%，2009－2016年則上升到71.17%，比上一階段明顯增長12.96%，同時SINDVI大于15的區(qū)域也有大幅度上升，增長比重為4.28%。

表2 各省區(qū)不同時間段SINDVI分級統(tǒng)計（%）

2.2 SINDVI時空變化特征

基于一元回歸模型，在像元尺度上分析了西南巖溶地區(qū)2001－2008年、2009－2016年和2001－2016年SINDVI 變化率（圖3，彩插三），并對變化率進(jìn)行分級統(tǒng)計，變化率在-0.01～0.01之間植被基本不變。結(jié)果表明近16年來西南地區(qū)地表植被覆蓋呈現(xiàn)普遍改善狀態(tài)，改善的面積遠(yuǎn)大于退化的面積。16年間植被以年均0.08的速度在恢復(fù)，其中2001－2008年的年均速率為0.07，2008－2016年的速率為0.15，后一階段改善趨勢明顯大于前一階段。從表3可以看出，巖溶區(qū)16年間植被變化率主要集中在0.01～0.3，占巖溶區(qū)面積的81.87%，其中2009－2016年植被變化率大于0.3的面積比2001－2008年多13.86%，變化率小于-0.3的區(qū)域減少了0.51%，改善趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一個階段，退化趨勢反之；2001－2008年植被改善面積為66.29%，2009－2016年為78.68%，改善面積增長12.39%。

圖3 不同時間段巖溶區(qū)SINDVI變化趨勢

表3 不同時間段SINDVI變化率分級統(tǒng)計（%）

從圖3（彩插三）可以看出，黔貴滇巖溶地區(qū)16年間植被變化率主要以改善為主，小部分地方植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，變化率集中在0.01～0.3之間。貴州省16年間年均變化率為0.09，云南省為0.07，廣西為0.08，貴州省改善趨勢大于其他兩省區(qū)，其中2001－2008年間貴州、云南、廣西的變化率分別為0.13、0.1、-0.02，只有廣西的植被以退化為主，退化地區(qū)主要集中在廣西中部；2009－2016年貴州、云南、廣西三省區(qū)的變化率分別為0.15、0.14、0.16，較前一階段植被改善趨勢均增大，廣西改善趨勢最明顯，其中貴州省中西部、廣西大部分地區(qū)、云南省東部出現(xiàn)明顯改善現(xiàn)象，而貴州省東北部出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

從表4可以看出，黔貴滇三省區(qū)16年間植被變化率集中分布在0.01～0.3之間，占各省面積的74%以上，其次集中在-0.3～-0.01之間。2001－2008年植被呈改善趨勢的有貴州省和云南省，貴州省改善趨勢大于云南省，廣西則呈退化趨勢；2009－2016年較前一階段植被改善趨勢增大，廣西改善趨勢最大，貴州省植被退化面積增加4.18%。

表4 各省區(qū)不同時間段SINDVI變化率分級統(tǒng)計（%）

2.3 典型石漠化治理模式

我國西南地區(qū)石漠化研究與綜合治理始于20 世紀(jì)80年代中后期，進(jìn)人21 世紀(jì)后，研究與綜合治理力度在不斷加大，不同區(qū)域的各種石漠化治理模式不斷涌現(xiàn)，取得了一定的成效，石漠化整體擴展趨勢得到了初步遏制，總體生態(tài)狀況呈良性發(fā)展態(tài)勢［26］。本研究主要以人工種草養(yǎng)蓄模式、經(jīng)濟林木治理模式、人工造林或封山育林模式、小流域綜合治理模式和生態(tài)移民模式等幾個典型模式為研究對象，分析各種模式下植被恢復(fù)能力，對石漠化治理的貢獻(xiàn)。

2.3.1 人工種草養(yǎng)蓄模式 該模式主要采取人工種植優(yōu)良牧草同時發(fā)展畜牧業(yè)，既實現(xiàn)家庭收入翻番，又避免牛羊踩踏破壞植物，實現(xiàn)生態(tài)經(jīng)濟的雙贏，貴州省晴隆縣巖溶區(qū)就是典型的示范區(qū)。

通過統(tǒng)計分析，晴隆縣16年間SINDVI大部分在9～15之間，占全縣的98.49%，其中2001－2008年17.04%的地區(qū)SINDVI 集中在12～15之間，而2009－2016年則有32.84%，植被覆蓋率明顯增大。通過分析16年植被變化率，發(fā)現(xiàn)植被變化率集中在0.01～0.3，主要以改善為主，改善面積為86.91%，其中2001－2008年改善面積為72.98%，2009－2016年改善面積為95.02%，改善面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一階段，且植被改善趨勢明顯加快。

2.3.2 經(jīng)濟林木治理模式 經(jīng)濟林木治理模式主要選用根系發(fā)達(dá)、耐干早、枝葉繁茂又具有較好經(jīng)濟價值，且對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有強烈適宜性的作物，如花椒、金銀花、香椿等經(jīng)濟樹種進(jìn)行石漠化治理，取得了較好的經(jīng)濟效益，并有效地遏制和治理了石漠化。貴州省貞豐縣巖溶區(qū)就是在亂石中見縫插針種植花椒，實現(xiàn)了生態(tài)與經(jīng)濟雙贏局面。

通過統(tǒng)計分析，貞豐縣16年間SINDVI大部分為9～15之間，占全縣的98.53%，其中2001－2008年有10.19%的地區(qū)SINDVI 集中在12～15之間，而2009－2016年有27.22%，后一階段植被覆蓋率明顯增大。通過分析16年植被變化率，發(fā)現(xiàn)植被變化率集中在0.01～0.3，主要以改善為主，改善面積為94.39%，其中2001－2008年改善面積為91.26%左右，2009－2016年改善面積為97.7%，改善面積大于前一階段，改善趨勢也在變大。

2.3.3 人工造林或封山育林模式 人工造林或封山育林模式適合石漠化現(xiàn)象比較嚴(yán)重的地區(qū)，是迅速恢復(fù)森林的重要方法之一。廣西馬山縣石漠化嚴(yán)重地區(qū)，通過該模式石漠化治理取得了可觀的成效。

通過統(tǒng)計分析，馬山縣16年間SINDVI大部分在12～15之間，占全縣的61.55%，其中2001－2008年占47.96%，2009－2016年占73.15%，后一階段植被覆蓋率明顯大于前一階段。通過分析16年植被變化率，發(fā)現(xiàn)植被變化率集中在0.01～0.3，主要以改善為主，改善面積為90.58%，其中2001－2008年改善面積為43.33%，2009－2016年為82.94%，改善面積較前一階段增加，改善趨勢也增大。

2.3.4 小流域綜合治理模式 小流域綜合治理模式適用于中輕度石漠化區(qū)域，是以治水、坡改梯、中低產(chǎn)田土改造為主的農(nóng)田基本建設(shè)，主要用來遏制水土流失。云南省西疇縣通過該模式取得良好的治理效果，水土流失得到有效遏制。

西疇縣16年間SINDVI大部分在12～15之間，占全縣的80.92%，其中2001－2008年為74.81%，2009－2016年為82.72%，后一階段植被覆蓋率明顯增大。通過分析16年植被變化率，發(fā)現(xiàn)植被變化率集中在0.01～0.3，主要以改善為主，改善面積為83.09%，其中2001－2008年改善面積為54.72%左右，2009－2016年改善面積為92.87%，較前一階段改善面積增大，改善趨勢也變大。

2.3.5 生態(tài)移民模式 重度石漠化地區(qū)失去了人居條件，生態(tài)移民通過疏散人口壓力，減輕對資源的掠奪，依賴自然條件充分恢復(fù)自然植被，成為當(dāng)?shù)刂卫硎瘑栴}的一種重要模式。貴州省平塘縣通過該模式生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)，植被得到有效恢復(fù)。

平塘縣16年間SINDVI大部分在12～15之間，占全縣的61.49%，其中2001－2008為44.81%，2009－2016年為76.12%，后一階段植被覆蓋率明顯增大。通過分析16年間植被變化率，發(fā)現(xiàn)植被變化率集中在0.01～0.3，主要以改善為主，改善面積為96.44%，其中2001－2008年改善面積為88.55%左右，2009－2016年為96.68%，改善面積和改善趨勢都大于前一階段。

表5 各種石漠化治理模式2001—2016年年均SINDVI變化

2.3.6 模式比較 通過比較植被覆蓋度、改善面積和改善趨勢，分析各種石漠化治理模式下植被變化情況。從表5可以看出，2001－2016年各種模式年均SINDVI都在9.5以上，植被覆蓋度較大，2009－2016年植被覆蓋度明顯大于2001－2008年。SINDVI從高到低排序分別為小流域治理模式、人工造林或封山育林模式、生態(tài)移民模式、人工種草養(yǎng)蓄模式、經(jīng)濟林木治理模式，年均SINDVI分別為12.74、12.23、12.03、11.22、10.95。說明在石漠化治理政策的號召下，治理強度在不斷加強，其中小流域治理模式影響下植被覆蓋度最大，經(jīng)濟林木治理模式最小。

2001－2016年各種石漠化治理模式植被都呈改善趨勢，由表6可知，生態(tài)移民模式植被變化率最大，為0.14，小流域治理模式變化最小，為0.07。2009－2016年植被改善勢明顯大于2001－2008年，其中小流域治理模式變化率由0.02增長到0.25，改善趨勢變化最大。

2001－2016年改善面積占當(dāng)?shù)貛r溶區(qū)的百分比從大到小依次為生態(tài)移民模式、經(jīng)濟林木治理模式、人工造林模式、人工種草養(yǎng)蓄模式、小流域治理模式，分別為96.44%、94.39%、90.58%、86.91%和83.09%。2009－2016年較2001－2008年改善面積都在增加，人工造林或封山育林模式增加面積最多，為39.61%，其次為小流域治理模式，為38.15%，經(jīng)濟林木改善面積增加最少，為6.44%。

表6 各種石漠化治理模式不同時間段SINDVI變化趨勢

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，利用長時間系列MODIS NDVI數(shù)據(jù)可以很好地從宏觀上監(jiān)測西南巖溶區(qū)植被覆蓋的時空變化趨勢。受石漠化治理工程的影響，西南巖溶區(qū)近16年植被覆蓋良好，植被覆蓋度從高到低依次為廣西、云南和貴州，2009－2016年較2001－2008年植被覆蓋度增大，變化最大的是貴州省，其次是廣西，最后是云南省。

近16年西南巖溶區(qū)植被變化主要以改善為主，改善面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于退化面積，2009－2016年較2001－2008年植被改善趨勢和改善面積都在增大，改善面積增加了12.39%。其中貴州省在前期改善趨勢較大，后期小部分地區(qū)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，而廣西則前期退化趨勢明顯，后期改善趨勢逐漸變大。通過分析植被覆蓋度、改善面積和改善趨勢，比較各種石漠化治理模式下植被變化，發(fā)現(xiàn)小流域模式和人工造林模式優(yōu)于其他模式，經(jīng)濟林木模式下植被改善效果最小。

受石漠化恢復(fù)治理工程的影響，西南巖溶區(qū)近16年植被覆蓋度良好，特別是在2008年國務(wù)院批復(fù)《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃大綱》后，植被覆蓋度較之前有明顯的增長，增長最快的是貴州省，其次是廣西和云南省。這些變化與當(dāng)?shù)厥_始治理的時間、治理模式、治理強度和治理經(jīng)驗有關(guān)。貴州省是中國石漠化面積最大、類型最多、程度最深、危害最重的省份之一，也是國家開展石漠化綜合治理工作的重點省份，從20世紀(jì)90年代貴州省對喀斯特石漠化生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了長期、持久的研究，為石漠化治理提供了堅實的理論基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支撐，使治理區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化趨勢得到了根本的好轉(zhuǎn)，而廣西和云南石漠化治理開展時間較晚，規(guī)模也較小，好多治理模式還在探索階段。

2009－2016年SINDVI改善趨勢明顯大于2001－2008年，貴州省中西部、廣西大部分地區(qū)、云南省東部出現(xiàn)明顯改善現(xiàn)象，只有部分小區(qū)域出現(xiàn)植被退化現(xiàn)象，如貴州省東北部地區(qū)。巖溶區(qū)SINDVI呈退化的原因，既有自然因素，又有人為破壞因素。第二次全國石漠化監(jiān)測結(jié)果顯示，我國到2012年還有12.0萬km2石漠化土地，邊治理、邊破壞的現(xiàn)象仍很突出，給建設(shè)成果鞏固帶來嚴(yán)重壓力。再則就是自然災(zāi)害影響依然頻繁，2009 年入秋以來，我國西南大部分降雨和來水持續(xù)偏少，水庫蓄水嚴(yán)重不足，云南、貴州、廣西、四川和重慶5個?。ㄊ?、區(qū)）發(fā)生了嚴(yán)重干旱，其中云南大部、貴州西部和南部、廣西西北部旱情達(dá)到特大干旱等級，對森林植被安全構(gòu)成直接威脅。

通過比較分析不同石漠化治理模式下植被變化情況，發(fā)現(xiàn)小流域模式和人工造林模式優(yōu)于其他模式。我國巖溶地區(qū)第二次石漠化監(jiān)測報告（國家林業(yè)局）中也提到“人工造林種草和植被保護對石漠化逆轉(zhuǎn)起著主導(dǎo)作用”，是迅速恢復(fù)植被的重要方法之一。

石漠化的綜合治理是一項長期、艱巨的工作，必須依靠廣大群眾的積極參與，提高植被覆蓋率，改善巖溶地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。

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