王永鋒，張秋慧，靖娟利

(1.桂林理工大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541004)

0 引言

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，是連接大氣、土壤和水分的天然紐帶[1]，植被覆蓋情況在一定程度上反映了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。桂西北巖溶區(qū)屬于我國典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，石漠化問題突出，自2001年以來國家及地方政府開展了多項生態(tài)治理工程[2]，揭示植被覆蓋的時空演變特征并分析其變化的驅(qū)動因素，不僅可以有效地評估石漠化地區(qū)植被恢復(fù)情況，也對深入認識植被演變與驅(qū)動力之間的關(guān)系具有重要意義。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是當(dāng)前廣泛用于表征植被覆蓋的遙感植被指數(shù)，是反映大尺度地表植被覆蓋和生長狀況的有效指標(biāo)[3-4]。目前常用的NDVI數(shù)據(jù)包括SPOT-VGT NDVI,AVHRR NDVI和MODIS NDVI，雖然基于不同NDVI產(chǎn)品的應(yīng)用研究結(jié)果具有一定差異性，但在大尺度植被變化監(jiān)測中仍然具有明顯的優(yōu)勢[5]。近年來，我國巖溶區(qū)植被覆蓋時空演變特征及驅(qū)動力研究受到廣泛關(guān)注，也得到一些有益的結(jié)論。已有研究結(jié)果表明，我國西南巖溶區(qū)植被覆蓋整體呈增長趨勢[6]；滇黔桂巖溶年際和季節(jié)植被變化均呈增加趨勢[7]；貴州省植被覆蓋整體增加趨勢顯著，但局部地區(qū)存在波動變化[8]；生態(tài)恢復(fù)工程實施期間，廣西巖溶區(qū)植被增長最為顯著，植被未來增長趨勢以持續(xù)性為主導(dǎo)[9-10]。植被變化影響因素方面，以往研究指出氣候變化是影響黔桂喀斯特山區(qū)NDVI變化的關(guān)鍵因素，其中降水對植被NDVI的影響大于氣溫[11]，植被隨海拔和地形起伏度的增加呈單峰曲線變化，但坡度和坡向變化的影響不顯著[12]；而桂西北喀斯特地區(qū)年均氣候因子對植被變化的作用不明顯，不同海拔、坡度和坡向分區(qū)植被恢復(fù)情況具有差異性[13]。

以往研究能在一定程度上反映巖溶區(qū)植被覆蓋變化的特征，但普遍關(guān)注植被覆蓋變化的整體特征，對植被變化過程中出現(xiàn)的突變特征考慮不多；然而，通過植被演變過程中的突變信息可以進一步揭示植被變化對氣候和人類活動的響應(yīng)機制。此外，目前針對桂西北巖溶區(qū)長時間序列植被覆蓋變化的研究較少，且大多研究使用空間分辨率為1 km的SPOT-VGT NDVI數(shù)據(jù)，難以有效反映植被覆蓋變化特征的細節(jié)信息。研究中也考慮了海拔、坡度和坡向等地形因子對植被變化的影響，但較少考慮地質(zhì)背景條件對植被變化的影響。然而，不同的地質(zhì)背景條件下，由于地層巖性的不同而導(dǎo)致地表土壤厚度、持水性等具有顯著差異性，這些差異對區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)過程具有限制作用，進而影響植被的分布類型及生長[14]。

鑒于此，本文以桂西北巖溶區(qū)為研究對象，基于2001—2020年空間分辨率為250 m MODIS NDVI數(shù)據(jù)，運用趨勢分析法、Mann-kendall突變檢驗法揭示近20a 植被NDVI的時空變化規(guī)律，并通過相關(guān)分析法和區(qū)域統(tǒng)計分析法探究氣候因素、地質(zhì)背景因素和地形環(huán)境因素與植被NDVI的響應(yīng)特征。

1 研究區(qū)概況

桂西北地區(qū)位于廣西的西北部，云貴高原邊緣，地理位置為104°29′E～109°09′E,23°4l′N～25°37′N，面積約為6.94萬平方千米，包括河池市的宜州、羅城和南丹等縣和百色市的田陽、靖西、那坡等縣，一共23個縣市。地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫和降水量均從東南向西北遞減，多年平均氣溫為16～23 ℃，多年降水量為1 000～1 800 mm。地勢西高東低，海拔從西南向東北遞減，地形復(fù)雜多樣，巖溶地貌分布廣泛，生態(tài)環(huán)境脆弱。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

MODIS13Q1 NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)。數(shù)據(jù)時間跨度為2001—2020年，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，軌道號為h27v06，共計460幅影像。基于MRT(MODIS Reprojection Tool)工具對MODIS13Q1數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，從Sinusoidal投影轉(zhuǎn)化為等積圓錐投影(Albers Equal Area Conic)、數(shù)據(jù)格式從HDF格式轉(zhuǎn)換為TIFF格式。然后，基于ArcGIS軟件對16 d NDVI數(shù)據(jù)進行月最大值合成，并將月NDVI乘以比例因子0.000 1進行真值恢復(fù)。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)。時間跨度為2001—2020年，包括桂西北及周邊地區(qū)的25個氣象站點的氣溫與降水的月值數(shù)據(jù)。對氣象數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，合成季節(jié)及年氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，并采用克里金插值法得到不同時間尺度的氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m。

空間分辨率為90 m的SRTM DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，基于該數(shù)據(jù)派生研究區(qū)的坡度和坡向數(shù)據(jù)。桂西北巖溶區(qū)分布數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所編制的中國可溶巖分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 均值法

基于均值法合成桂西北巖溶區(qū)2001—2020年植被NDVI年均和季節(jié)均值。其中，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12至次年2月。

(1)

式中，NDVIi表示年均或季均NDVI；此時n=20為累計年數(shù)，n=3為累計各個季節(jié)的月數(shù)；j表示變量1～n。

2.2.2 Mann-kendall突變檢驗

Mann-Kendall突變檢驗是一種對長序列變化進行突變檢驗的方法，近些年在水文氣象學(xué)方面的研究中經(jīng)常使用。本文運用Mann-kendall突變檢驗方法研究桂西北巖溶區(qū)植被NDVI時間序列是否存在突變點，具體計算方法參考文獻[15]。統(tǒng)計量UF和UB是按照植被NDVI時間序列的順序和逆序分別計算的統(tǒng)計量序列，若UF和UB的值大于0，表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。在給定顯著水平α=0.05，則U0.05=±1.96，若UF和UB超過臨界直線，表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點，交點即為時間序列的突變點。

2.2.3 趨勢分析法

線性趨勢分析可以逐像元模擬植被NDVI的變化趨勢，用來分析桂西北巖溶區(qū)植被NDVI在年際及季節(jié)尺度上的變化趨勢[16]?；貧w斜率slope為：

(2)

式中，n為研究時間20；yi為第i年的植被NDVI；slope為植被NDVI變化的斜率，當(dāng)slope>0，說明植被覆蓋增加；當(dāng)slope<0，說明植被覆蓋減少。為了進一步研究桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋在年際及季節(jié)尺度上變化趨勢的顯著性，對變化趨勢進行F檢驗。F(1,18)>4.41表示通過了0.05的顯著性檢驗；F(1,18)>8.28表示通過了0.01的顯著性檢驗。在此基礎(chǔ)上，將桂西北巖溶區(qū)植被NDVI變化趨勢分為5類：極顯著減少(slope<0,P<0.01)、顯著減少(slope<0，0.010.05)、顯著增加(slope>0，0.010，P<0.01)。

2.2.4 相關(guān)分析法

采用相關(guān)分析法[15]分析植被NDVI與氣溫、降水之間的相關(guān)性，進而揭示2001—2020年桂西北巖溶區(qū)年際和季節(jié)植被NDVI對氣溫和降水量的響應(yīng)情況。其計算公式如下：

(3)

3 結(jié)果分析

3.1 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI時空變化特征

3.1.1 植被NDVI年際變化特征

植被NDVI年際變化趨勢及突變檢驗如圖1所示。

(a) 植被NDVI年際變化趨勢

(b) 植被NDVI年際變化突變檢驗圖1 植被NDVI年際變化趨勢及突變檢驗Fig.1 Interannual variation trend and mutation test of vegetation NDVI

從圖1可以看出，年際植被NDVI整體呈增長趨勢，增長速率為0.044/10a，相關(guān)系數(shù)r為0.718，通過P<0.01顯著性檢驗。2016年植被NDVI達到了峰值0.708，2005年降到最低值0.583。植被NDVI變化趨勢總體呈上升-下降-穩(wěn)定-下降-上升-下降-上升-穩(wěn)定的波動變化特征。從圖1(b)Mann-Kendall突變分析結(jié)果可知，自2007年以后，UF值均大于0，且在a=0.05顯著性水平下，UF和UB在2010年出現(xiàn)突變點，且UF曲線在突變點后超過顯著性水平線，表明研究區(qū)植被NDVI自2010年以后增加趨勢顯著。以上分析表明，近20年來桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋得到整體改善，2010年后改善趨勢尤為顯著，這是由于國家及地方政府實施的生態(tài)保護政策對植被恢復(fù)起到了積極的促進作用。自2001年以來廣西實施的多項石漠化治理工程，尤其在2008年國務(wù)院批復(fù)了《巖溶地區(qū)石漠化綜合治理大綱》以來，喀斯特石漠化的惡化趨勢得到有效控制，對短期植被改善起到了積極的正向作用[2]。

3.1.2 植被NDVI季節(jié)變化特征

植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的差異性，如圖2所示。

(a) 植被NDVI春季變化趨勢

(b) 植被NDVI夏季變化趨勢

(c) 植被NDVI秋季變化趨勢

(d) 植被NDVI冬季變化趨勢圖2 植被NDVI季節(jié)變化趨勢Fig.2 Seasonal variation trend of vegetation NDVI

由圖2可以看出，春季植被NDVI在0.520～0.727之間波動，整體呈極顯著上升趨勢(r=0.725，P<0.01)，植被NDVI增加速率為0.062/10a；夏季植被NDVI在四季中最高，植被NDVI整體呈不顯著下降趨勢(r=0.023，P>0.1)，變化速率只有0.001/10a；秋季植被NDVI在0.585～0.781間震蕩，整體呈極顯著增加趨勢(r=0.766，P<0.01)，增加速率為0.066/10a；冬季植被NDVI震蕩比較明顯，整體呈顯著上升趨勢(r=0.485，P<0.05)，變化速率為0.061/10a。研究區(qū)2005年和2012年植被NDVI降到20a以來的最低值和次低值，同時，2005年春季、2010年夏季以及2012年冬季植被NDVI均降到極低值，這與研究區(qū)2004年、2005年和2011年的降水量和溫度異常有關(guān)[8]，說明植被NDVI對氣候因子的響應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)。

植被NDVI季節(jié)變化突變檢驗如圖3所示。

(a) 植被NDVI春季變化突變檢驗

(b) 植被NDVI夏季變化突變檢驗

(c) 植被NDVI秋季變化突變檢驗

(d) 植被NDVI年際變化突變檢驗圖3 植被NDVI季節(jié)變化突變檢驗Fig.3 Seasonal variation mutation test of vegetation NDVI

由圖3可以看出，植被NDVI季節(jié)變化Mann-kendall突變檢驗存在明顯的差異性。春季植被NDVI在2011年之后UF值均大于0，且在a=0.05顯著性水平下，UF和UB在2015年出現(xiàn)交叉點，且UF曲線在突變點后超過顯著性水平線，表明研究區(qū)植被NDVI自2015年以后增加趨勢顯著；夏季植被NDVI在研究時段內(nèi)UF和UB曲線出現(xiàn)多個交叉點，且2012年以后呈上升趨勢，但均未超過a=0.05顯著性水平線，表明夏季植被NDVI下降趨勢不顯著；秋季植被NDVI在整個研究時段內(nèi)UF值均大于0，在a=0.05顯著性水平下，UF和UB曲線在2007年出現(xiàn)交叉點，且UF曲線在2007年以后超過顯著性水平線，表明秋季NDVI呈顯著上升趨勢；冬季植被NDVI在2007年以后UF值均大于0，在a=0.05顯著性水平下，UF和UB曲線在2013年出現(xiàn)交叉點，且UF曲線在交叉點以后超過顯著性水平線，表明冬季NDVI總體呈顯著上升趨勢。

3.2 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI空間變化趨勢

3.2.1 植被NDVI年際空間變化趨勢

基于趨勢分析法，對桂西北巖溶區(qū)年際植被DNVI進行逐像元趨勢分析，并結(jié)合F檢驗結(jié)果判斷植被NDVI的年際變化趨勢及顯著性。植被NDVI年際變化趨勢空間分布如圖4所示。

圖4 植被NDVI年際變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of interannual variation trend of vegetation NDVI

由圖4可以看出，桂西北巖溶區(qū)植被NDVI整體呈增加趨勢，但變化趨勢也存在一定的空間差異性。統(tǒng)計分析表明，呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占比44.19%，廣布在研究區(qū)的西南部和東部，如德保縣、田陽縣、隆林縣等地；呈極顯著減少的區(qū)域占比僅為0.32%，主要分布在環(huán)江、羅城等縣，東北部和南部較多，西部較少。呈無顯著變化的區(qū)域占比37.15%，在研究區(qū)的23個縣區(qū)都有分布，但以東部地區(qū)分布較為集中。

3.2.2 植被NDVI季節(jié)空間變化趨勢

桂西北巖溶區(qū)植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的空間差異性，其中春秋兩季植被NDVI以顯著增加趨勢為主，夏冬兩季以不顯著變化趨勢占主導(dǎo)。植被NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布圖和統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖5和表1所示。

由圖5和表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出植被NDVI的季節(jié)變化規(guī)律。春季研究區(qū)植被NDVI以增加趨勢為主，其中植被NDVI呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占比38.4%，集中分布在西南部的靖西、德保和田陽縣，西北部的隆林各族自治縣、樂業(yè)縣和凌云縣等地區(qū)；植被NDVI呈顯著增加趨勢的占比為16.78%，廣泛分布于研究區(qū)的東部地區(qū)；植被NDVI變化趨勢不顯著的地區(qū)占比44.57%，主要分布在研究區(qū)東部的宜州市、都安和大化瑤族自治縣、河池市等地區(qū)。夏季研究區(qū)植被NDVI主要以變化不顯著為主，占比91.18%；植被NDVI呈顯著減少的區(qū)域占比達到3.75%，主要散布于研究區(qū)東部、西南部和西北部地區(qū)。秋季植被NDVI主要以增加趨勢為主，占比達66.32%；其中植被NDVI呈極顯著增加趨勢的區(qū)域占45.79%，主要集中分布在研究區(qū)的西南部、西北部和東南部地區(qū)；植被NDVI呈顯著增加趨勢的區(qū)域占20.53%，主要與極顯著增加趨勢的區(qū)域相間分布。植被NDVI變化趨勢不顯著的區(qū)域占比33.36%，主要集中分布在研究區(qū)東部南丹縣、環(huán)江毛南自治縣、東蘭縣和大化瑤族自治縣等區(qū)域。冬季植被NDVI以變化趨勢不顯著為主導(dǎo)，尤以研究區(qū)的東部地區(qū)分布廣泛；植被NDVI呈增加趨勢的區(qū)域占比37.55%，主要分布在研究區(qū)環(huán)江毛南自治縣、宜州市、大化和巴馬瑤族自治縣、靖西縣、德?？h、田陽縣、樂業(yè)縣和隆林各族自治縣。

圖5 植被NDVI季節(jié)變化趨勢空間分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal variation trend of vegetation NDVI

表1 桂西北巖溶區(qū)NDVI變化趨勢統(tǒng)計Tab.1 Statistics of variation trend of vegetation NDVI in karst area of Northwest Guangxi 單位：%

從以上分析可知，桂西北巖溶區(qū)近20年植被NDVI季節(jié)變化總體呈增加趨勢，尤以春秋兩季最為顯著。這主要是因為春季是植被開始生長季，植被NDVI呈快速上升趨勢；而夏植被生長處于穩(wěn)定期，植被NDVI相對較高，變化趨勢不顯著，此外夏季高溫對植被生長有一定的抑制作用；秋季水熱條件較適宜，植被生長呈增加趨勢；冬季溫度較低，植被生長相較于春秋兩季較為緩慢，因此以不顯著變化趨勢為主。

3.3 桂西北巖溶區(qū)植被NDVI變化影響因素

植被變化不僅受氣候因素的影響,也與地質(zhì)環(huán)境、地形和人類活動等因素相關(guān)，以下主要分析植被變化與氣候、地質(zhì)背景、地形環(huán)境因素的關(guān)系。

3.3.1 氣候因子

以往研究表明，降水量和溫度是影響植被生長最為重要的2個因素。因此，本文主要分析年際和年內(nèi)降水量和溫度變化對植被生長的影響。圖6為2001—2020年桂西北巖溶區(qū)年際降水量、氣溫和植被NDVI變化折線圖。從圖6可以看出，年際降水量波動比較頻繁，降水量低于均值的典型年份有2003年、2009年和2011年；年際溫度波動也比較大，溫度低于均值的典型年份有2008年和2011年；但年際植被NDVI變化相對比較平緩，分別在2005年和2012年達到最低值和次低值。以上分析表明，年際植被NDVI變化與降水量和溫度變化不完全同步，表現(xiàn)出一定的滯后性。年內(nèi)降水量，氣溫和NDVI變化趨勢如圖7所示。由圖7可知，研究區(qū)年內(nèi)降水量呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢，最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在2月；溫度變化與降水量相似，7月達到最大值，1月降到最低值；植被NDVI變化具有一定的波動性，其最大值出現(xiàn)在8月，最小值出現(xiàn)在2月；植被NDVI變化趨勢與降水量和溫度變化不同步，表現(xiàn)出一定的滯后性。

(a) 年際降水量和NDVI變化趨勢

(b) 年際溫度和NDVI變化趨勢圖6 年際降水量、氣溫和NDVI變化趨勢Fig.6 Inter-annual variation trend of precipitation,temperature and NDVI

(a) 年內(nèi)降水量和NDVI變化趨勢

(b) 年內(nèi)溫度和NDVI變化趨勢圖7 年內(nèi)降水量、氣溫和NDVI變化趨勢Fig.7 Variation trend of precipitation,temperature and NDVI within the year

為了進一步分析降水量和氣溫對植被NDVI變化的影響，分別計算年際和季均植被NDVI與降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2 桂西北巖溶區(qū)NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of vegetation NDVI with temperature and precipitation in karst area of Northwest Guangxi

從表2可以看出，溫度在年際和季節(jié)尺度均與植被NDVI呈正相關(guān)關(guān)系，且冬季溫度與植被NDVI的相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性檢驗，說明溫度對植被生長具有促進作用，尤以冬季最為顯著。降水量與植被NDVI在年際呈極顯著正相關(guān)，在夏冬兩季呈正相關(guān)關(guān)系，而在春季和秋季呈負相關(guān)關(guān)系。這說明在年際尺度上，降水量對植被生長具有顯著的促進作用，夏秋兩季對植被生長也非常重要，但在春秋兩季降水量偏多的時候?qū)χ脖簧L具有一定的抑制作用。

從以上分析可知，不同時間尺度的植被NDVI對氣溫和降水量的響應(yīng)特征具有差異性。在年際尺度，降水量對植被NDVI變化的影響大于氣溫；冬季植被生長主要受氣溫影響，而春季降水量過多對植被生長具有抑制作用。降水量和溫度對植被的生長具有一定的滯后效應(yīng)。

3.3.2 地層巖性

桂西北巖溶區(qū)地層巖性與植被NDVI關(guān)系如圖8所示。地層巖性主要包括4類：純灰?guī)r(Ⅰ類)、灰?guī)r與白云巖互層(Ⅱ類)、碳酸鹽巖夾碎屑巖(Ⅲ類)和碎屑巖夾碳酸鹽巖(Ⅳ類)。不同的碳酸鹽巖巖層組合具有不同的沉積環(huán)境、物質(zhì)成分，導(dǎo)致其孔隙率、滲透率和酸不溶物含量有差異[17]，因而對植被類型及其變化的影響具有差異性。從圖8可以看出，各地層巖性分布區(qū)植被NDVI從大到小排序為：Ⅳ類>Ⅲ類>Ⅰ類>Ⅱ類，而研究區(qū)4類地層巖性分布面積占比排序為：Ⅰ類(78.31%)>Ⅳ類(8.31%)>Ⅱ類(7.99%)>Ⅲ類(5.39%)。從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，純灰?guī)r在桂西北巖溶區(qū)廣泛分布，也從側(cè)面反映出研究區(qū)巖溶地貌具有典型性；但純灰?guī)r地層分布區(qū)植被NDVI最小。這主要是由于純灰?guī)r分布區(qū)土壤瘠薄，保水能力相對較弱，對植被生長具有一定的限制性，因而植被以低矮灌木居多，其植被NDVI相對較低。

圖8 桂西北巖溶區(qū)地層巖性與植被NDVI關(guān)系Fig.8 Relationship between stratigraphic lithology and vegetation NDVI in karst area of Northwest Guangxi

3.3.3 地形環(huán)境

為了研究海拔、坡度、坡向和地形起伏度對植被NDVI變化的影響，基于研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件空間分析模塊中分別提取坡度、坡向和地形起伏度信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)分布特征進行重分類。其中，研究區(qū)的海拔主要分布在1 000 m以下，占比為89.21%，因此將海拔重分類為以下6級：<200 m(Ⅰ級)，200～400 m(Ⅱ級)，400～600 m(Ⅲ級)，600～800 m(Ⅳ級)，800～1 000 m(Ⅴ級)和>1 000 m(Ⅵ級)；坡度參考《水土保持綜合治理規(guī)劃通則，GB/T15772-1995》標(biāo)準重分類為4級：0～8°(Ⅰ級)，8°～15°(Ⅱ級)，15°～25°(Ⅲ級)和>25°(Ⅳ級)；坡向重分類為5級：無坡向、北坡、東坡、南坡和西坡；地表起伏度重分類為5級：<100 m(Ⅰ級)，100～200 m(Ⅱ級)，200～300 m(Ⅲ級)，300～400 m(Ⅳ級)和>400 m(Ⅴ級)。

植被NDVI隨高程變化圖如圖9所示。從圖9可以看出，海拔為Ⅰ級(<200 m)的區(qū)域植被NDVI相對較低，均值為0.574，人類活動的影響強度較大；海拔在200 m以上的區(qū)域，植被NDVI均值在0.636～0.716之間波動，隨著海拔升高人類活動的影響程度逐漸降低，植被NDVI也隨之增大。以上分析表明，研究區(qū)植被整體生長狀況良好，石漠化治理工作得到一定成效，這說明2000年以來國家和地方政府實施的生態(tài)保護政策對植被的生長具有正向促進作用。

圖9 植被NDVI隨高程變化Fig.9 Variation of vegetation NDVI with elevation

植被NDVI隨坡度變化如圖10所示。從圖10可以看出，植被NDVI并不是隨著坡度的變大而呈持續(xù)增加趨勢，而是呈先增加后減小的變化趨勢，但總體而言隨著坡度的增加植被覆蓋得到有效的改善。統(tǒng)計分析得出研究區(qū)Ⅰ-Ⅳ級坡度的占比分別為46.55%，33.80%，17.33%和2.32%，表明研究區(qū)坡度主要為15°以下。在坡度為<8°(Ⅰ級)的區(qū)域，由于人類活動的影響，植被NDVI為最低值0.639；當(dāng)坡度在8°～15°(Ⅱ級)之間時，人類活動相對減弱，植被NDVI增加至0.663；當(dāng)坡度在15°～25°(Ⅲ級)之間時，人類活動受到比較大的限制，植被NDVI達到最大值0.671；當(dāng)坡度>25°(Ⅳ級)時，此為退耕還林還草的臨界坡度，植被生長基本不受人類活動影響，但因巖溶區(qū)土壤瘠薄，在坡度陡峭的地區(qū)土壤更是貧瘠，有可能出現(xiàn)巖石裸露的情況，因此相較于坡度為15°～25°的區(qū)域植被NDVI有略微減小趨勢。以上分析表明，坡度對巖溶區(qū)植被恢復(fù)非常重要，退耕還林還草等生態(tài)保護政策對巖溶區(qū)植被恢復(fù)的正向作用顯著。

圖10 植被NDVI隨坡度變化Fig.10 Variation of vegetation NDVI with slope

植被NDVI隨坡向變化如圖11所示。從圖11可以看出，不同坡向?qū)χ脖坏纳L影響具有差異性，植被NDVI在南坡值最高，北坡值最小。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)不同坡向的面積占比大小排序為：東坡(26.09%)>南坡(25.20%)>西坡(23.69%)>北坡(13.17%)>無坡向(11.84%)，各坡向植被NDVI值排序為：南坡>西坡>東坡>無坡向>北坡。以上結(jié)果主要是由于南坡受到的太陽照射較多，其水熱配置條件優(yōu)越，因而南坡植被覆蓋程度相較于其他坡向更好。以上分析結(jié)果表明，坡向會引起溫度、光照和水分等條件的差異，從而對植被的分布類型及生長狀況具有重要影響。

圖11 植被NDVI隨坡向變化Fig.11 Variation of vegetation NDVI with aspect

地形起伏度是描述地形特征的宏觀性指標(biāo)。植被NDVI隨起伏度變化如圖12所示。從圖12可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地形起伏度對植被生長的影響也具有空間差異性。當(dāng)?shù)匦纹鸱?300 m(Ⅰ～Ⅲ級)時，植被NDVI隨著地形起伏度的增加而迅速上升，說明人類活動隨著地形起伏度的增加而減弱；當(dāng)?shù)匦纹鸱?300 m(Ⅳ～Ⅴ級)時，植被NDVI隨著地形起伏度的增加呈略微降低趨勢，這主要是由于巖溶區(qū)環(huán)境背景對植被生長具有一定的限制作用，當(dāng)?shù)匦纹鸱容^高時，土壤更貧瘠，保水保肥能力減弱，植被覆蓋以低矮的灌木和草叢為主，從而導(dǎo)致植被NDVI呈減小趨勢。

圖12 植被NDVI隨起伏度變化Fig.12 Variation of vegetation NDVI with relief amplitude

4 結(jié)束語

基于2001—2020年MODIS NDVI數(shù)據(jù)、同期氣象數(shù)據(jù)等資料，研究了桂西北巖溶區(qū)植被NDVI的時空變化特征及其影響因素，得出以下結(jié)論：

(1) 從時間變化來看，桂西北巖溶區(qū)2001—2020年植被NDVI整體呈波動增長趨勢，2010年以后增長趨勢顯著(P<0.01)；季節(jié)植被NDVI變化趨勢差異顯著，春、秋和冬季植被NDVI呈顯著增加趨勢(P<0.01)，且分別在2007年、2013年和2015年出現(xiàn)突變點。

(2) 從空間變化趨勢來看，桂西北巖溶區(qū)近20年植被NDVI總體呈增長趨勢，呈極顯著增加趨勢的區(qū)域主要分布在林地區(qū)域，呈極顯著減少的區(qū)域集中分布在人類活動頻繁的區(qū)域；植被NDVI季節(jié)變化趨勢存在顯著的差異性，其中春秋兩季植被NDVI以顯著增加趨勢為主，夏季植被NDVI變化趨勢不顯著。

(3) 氣候因子對植被變化具有重要影響，降水量和溫度對植被的生長具有一定的滯后效應(yīng)。在年際尺度上，降水量對植被NDVI變化的影響大于氣溫；季節(jié)尺度上，植被生長對溫度和降水量的響應(yīng)具有差異性。地層巖性對植被生長具有重要影響，不純碳酸鹽巖分布區(qū)植被生長情況好于純碳酸鹽巖分布區(qū)。海拔、坡度、坡向和地形起伏度對植被NDVI變化具有重要影響，隨著海拔、坡度和地形起伏度的增加，植被NDVI呈先增加后減小的趨勢；南坡植被生長狀況最優(yōu)，北坡植被生長條件相對較弱。

基于250 m分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)揭示了桂西北巖溶區(qū)植被覆蓋的變化規(guī)律，但因NDVI數(shù)據(jù)的分辨率的限制，僅能反映植被覆蓋變化的總體趨勢。后續(xù)將運用Landsat數(shù)據(jù)和Sentinel數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立長時間序列NDVI數(shù)據(jù)集，研究植被覆蓋的時空變化規(guī)律；并從像元尺度探討NDVI與氣候因子、地形環(huán)境因子的響應(yīng)特征。