黃肖寒，陳燕麗，黃冬梅

（1.河池市氣象局，河池 547000；2.廣西壯族自治區(qū)氣象減災(zāi)研究所，南寧 530022）

1 引言

石漠化區(qū)植被以灌木、草本及少量喬木為主，植被覆蓋度低，土層淺薄，影響農(nóng)、林、牧、漁、副業(yè)的發(fā)展，而且因其自然災(zāi)害承受能力低，容易發(fā)生山洪、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳?、生活，很多地方被迫進(jìn)行生態(tài)移民［1］。嚴(yán)重的石漠化問題已引起社會(huì)各界的高度重視，近年來各級(jí)政府實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)重建工程，究竟生態(tài)治理效果如何，石漠化演變趨勢(shì)如何等這些問題都是當(dāng)前政府部門、生態(tài)恢復(fù)重建部門管理者關(guān)注的問題。目前，已有部分專家學(xué)者對(duì)河池市石漠化地區(qū)植被變化與氣候變化的關(guān)系開展了相關(guān)的研究。呂飛舟［2］提出了運(yùn)用林地石漠化指數(shù)來量化評(píng)價(jià)鳳山縣的石漠化程度；麥格［3］以大化縣為研究區(qū)域，提出了大化喀斯特石漠化程度的重要因素有基巖裸露度、植被綜合覆蓋度和土層厚度；盧峰［4］基于2005年和2011年兩次石漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析了環(huán)江縣石漠化狀況、石漠化程度、演變類型、變化原因等動(dòng)態(tài)變化情況；靖娟利［5］基于像元二分模型估算了都安縣的植被覆蓋度，反演石漠化景觀信息。然而還沒有專門針對(duì)河池市石漠化演變過程中植被變化與氣候條件相關(guān)性分析的研究。上述研究的缺失不僅導(dǎo)致地方政府決策部門在應(yīng)對(duì)石漠化片區(qū)生態(tài)文明建設(shè)方面缺乏科學(xué)依據(jù)，同時(shí)還影響了氣象部門在石漠化區(qū)氣象服務(wù)工作的開展。

本文以河池喀斯特地區(qū)植被為研究載體，利用2000～2016年17a的MODIS NDVI序列和氣候資料，分析植被NDVI分別和同期、前一個(gè)月的8個(gè)氣候因子（水汽壓、降水量、相對(duì)濕度、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、氣壓及日照時(shí)數(shù)）的相關(guān)性，分析對(duì)比各氣候因子對(duì)植被NDVI的作用大小及植被NDVI對(duì)氣候因子是否存在滯后性，最后用逐步回歸分析方法建立植被NDVI擬合模型。

2 數(shù)據(jù)方法

2.1 研究區(qū)域

河池市地處廣西西北邊陲、云貴高原南麓，是大西南通向沿海港口的重要通道。河池境內(nèi)地形多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地勢(shì)西北高，東南低，海拔介于100～1649m之間，平均海拔540m。境內(nèi)山地、丘陵和各種地表、地下喀斯特發(fā)育廣泛。河池全市土地面積335×104hm2，其中，喀斯特地貌面積為166.5×104hm2，占總面積的49.7%。其中全市有七個(gè)縣（都安、大化、東蘭、巴馬、鳳山、環(huán)江、羅城）屬于典型的石漠化區(qū)。本文將全市10個(gè)縣（區(qū)）作為研究區(qū)域，因大化無氣象站，故不作為研究區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

2.2.1 NDVI數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)為NASA MODIS陸地產(chǎn)品組根據(jù)統(tǒng)計(jì)算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，即全球250m分辨率16d合成的植被指數(shù)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)版本為V005。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品是在已有的植被指數(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的，包括NDVI和EVI2種植被指數(shù)產(chǎn)品。MODIS NDVI是已有20a積累的NOAA NDVI系列的延續(xù)，可以為業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)和研究提供長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。文中對(duì)所獲得的MOD13Q1遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了子集提取、圖像鑲嵌、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換及質(zhì)量檢驗(yàn)等預(yù)處理，經(jīng)以上處理得到質(zhì)量可靠的NDVI數(shù)據(jù)集。

2.2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)為2000～2016年逐月的水汽壓、降水量、相對(duì)濕度、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、氣壓、日照時(shí)數(shù)。分別計(jì)算各個(gè)氣候因子與NDVI對(duì)應(yīng)時(shí)段的統(tǒng)計(jì)值，其中降水量、日照時(shí)數(shù)為時(shí)段內(nèi)累計(jì)值，其余氣候因子為時(shí)段內(nèi)平均值。

2.3 研究方法

反距離加權(quán)法［6］用于空間插值，它以插值點(diǎn)和樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。

本文利用逐步回歸分析方法建立NDVI擬合模型。逐步回歸分析法［7］是根據(jù)多個(gè)自變量的最優(yōu)組合建立回歸方程來預(yù)測(cè)因變量，回歸方程中包含了所有對(duì)因變量影響顯著的自變量，但是不包含影響不顯著的自變量，同時(shí)對(duì)各個(gè)相關(guān)系數(shù)及回歸方程進(jìn)行了顯著性水平檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI值年際變化特征

從圖1可以看出，2000～2016年的NDVI值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其傾向率約為48.15·a-1。從變化振幅極大值來看，發(fā)現(xiàn)：2016年NDVI值最大（8050.73），2006年的 NDVI值最小（6841.69），兩者相差1209.04，是多年均值（7381.13）的0.16倍。除了2001、2003、2004、2005、2006、2007、2009年，其他年份的NDVI均大于均值。據(jù)河池市發(fā)改委農(nóng)經(jīng)科提供的信息，從2008年開始，河池全市11個(gè)縣開展石漠化治理工程，這對(duì)植被覆蓋度指數(shù)NDVI值的提高有一定的促進(jìn)作用。

圖1 2000～2016年河池市植被覆蓋度指數(shù)NDVI值

3.2 植被NDVI值年際空間變化特征

從圖2可以看出，河池市各縣的植被NDVI值較為顯著的經(jīng)向分布特征，從中部地區(qū)向兩邊地區(qū)逐漸遞增。其中南丹、河池、都安、大化、宜州的NDVI值最低，NDVI值均小于4582。其中西部的天峨、鳳山、巴馬；東蘭西南部、大化西北部、羅城東部的植被NDVI值超過5000，表明上述區(qū)域的植被覆蓋度較多。據(jù)河池市林業(yè)局提供的2011年石漠化面積監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，都安縣的石漠化面積最大（1518.793km2），約占都安縣國(guó)土面積的37%；其次是大化縣1103.676km2，約占大化縣國(guó)土面積的40%。天峨縣石漠化面積61.885km2,僅占該縣國(guó)土面積的2%。這說明，近年來各縣開展石漠化治理工程后，石漠化面積減少，在一定程度上提高了該區(qū)域植被覆蓋度，石漠化面積占比低的縣與圖2的植被覆蓋度高的縣份基本一致。

圖2 2000～2016年河池市植被覆蓋度指數(shù)NDVI值空間分布特征

3.3 相關(guān)性分析

利用2000～2016年17a的MOD13Q1提取河池10個(gè)縣（區(qū)）植被逐月NDVI序列，分析植被NDVI和同期水汽壓、降水量、相對(duì)濕度、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、氣壓8個(gè)氣候因子的相關(guān)性（表1）。

植被NDVI與同期各氣候因子的正相關(guān)性從大到小排序?yàn)椋浩骄鶜鉁亍⒃聵O端最高氣溫、水汽壓、月極端最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水、相對(duì)濕度，與氣壓為負(fù)相關(guān)。其中NDVI與平均氣溫、月極端最高氣溫的相關(guān)系數(shù)均大于0.7。由此可見：對(duì)植被NDVI起直接作用的主要是溫度類氣候因子，水分類氣候因子對(duì)植被NDVI的直接作用不明顯。

表1 2000～2016年逐月NDVI序列與同期氣候因子相關(guān)系數(shù)

鄭有飛等［8］研究了貴州植被覆蓋變化及其主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被NDVI與溫度的年際變化趨勢(shì)同步，但與降水量不同步，存在一定的滯后性。考慮到植被生長(zhǎng)對(duì)氣候因子的響應(yīng)存在一定的滯后，本文再計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)本月植被NDVI值與前一個(gè)月氣候因子的相關(guān)系數(shù)，得到表2。通過對(duì)比表1與表2，可以看出，NDVI值與上個(gè)月的3個(gè)氣候因子（降水、水汽壓和相對(duì)濕度）的相關(guān)系數(shù)高于其與本月同期值的相關(guān)系數(shù)，說明植被NDVI對(duì)降水、水汽壓和相對(duì)濕度的響應(yīng)存在滯后。反之，NDVI值與上個(gè)月的4個(gè)氣候因子（日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、月極端最高氣溫和極端最低氣溫）的相關(guān)系數(shù)低于其與本月同期值的相關(guān)系數(shù)，說明植被NDVI對(duì)日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、月極端最高氣溫和極端最低氣溫的響應(yīng)不存在滯后。

3.4 植被NDVI擬合模擬模型

采用逐步回歸法建立NDVI擬合模型，模型中入選的同期氣候因子為平均氣溫和日照時(shí)數(shù)，構(gòu)建方程如下：

Y=128.588×Tmean+4.708×S+3880.16

式中：Y為NDVI擬合值，S為日照時(shí)數(shù)，Tmean為平均氣溫。模型的R2系數(shù)為0.81。表明日照時(shí)數(shù)和平均氣溫兩個(gè)氣候因子能較好的擬合植被NDVI值，模型通過一致性檢驗(yàn)，具有可靠性。

4 結(jié)語

石漠化的形成和演化受多種因素影響，氣候條件作為最活躍、最直接的驅(qū)動(dòng)因子，在石漠化演變趨勢(shì)中扮演著重要的角色。對(duì)河池10個(gè)縣植被與氣候因子的相關(guān)性分析表明，植被NDVI對(duì)平均氣溫和月極端最高氣溫的響應(yīng)敏感。植被NDVI對(duì)降水、水汽壓和相對(duì)濕度的響應(yīng)存在滯后，滯后期為1個(gè)月。根據(jù)該地區(qū)植被與氣候的關(guān)系建立NDVI擬合模型，同期的平均氣溫和日照時(shí)數(shù)兩個(gè)氣候因子入選模型，模型的R2系數(shù)為0.81，擬合效果評(píng)價(jià)和優(yōu)化有待于深入分析。

表2 2000～2016年逐月NDVI序列與前一個(gè)月氣候因子相關(guān)系數(shù)