2001—2016年西南喀斯特地区植被动态变化分析

冯国艳，马明国，时伟宇

（西南大学地理科学学院/遥感大数据应用重庆市工程研究中心，重庆 400715）

石漠化由于其分布面广、程度深、治理难度大、扩展趋势快，被称为“地球之癌”，已成为当前国际地学研究的热点问题之一。我国碳酸盐岩分布广阔，面积达 3.43×106km2［1］，主要集中在我国西南地区，面积为5.4×105km2［2］，石漠化现象在这些地区非常普遍和严重［3-4］。截至2015年我国石漠化土地面积1.29×105km2，区域涉及贵州、云南、广西、湖南、湖北、重庆、四川、广东等8个省（ 市、区） ，以贵州、云南和广西3个省区分布最集中、危害最严重［5］。

石漠化不仅是我国西南地区严重的生态环境问题，更是突出又亟需解决的社会经济问题，正受到党和国家的高度重视［5］。石漠化的核心问题是生态退化，而石漠化的根治关键是植被恢复。在国家石漠化植被恢复治理工程建设的推动下，全国各地大力开展了石漠化治理工程［6-7］，并取得了丰硕的成果，石漠化生态系统得到了改善［8］。目前，不少专家学者对石漠化的概念［9-10］、成因及防治措施［11-14］、空间格局［15］、治理模式［16］等方面进行大量的研究，取得了不少成果。石漠化研究过程中，地表植被的退化和丧失是最主要的特征和先导过程［17］，而归一化差值植被指数（NDVI）是最为常用的用于表征植被覆盖状况和评估生态环境质量的重要指标之一，被广泛地应用于全球与区域变化研究中［18］。我国西南地区石漠化研究与综合治理始于20 世纪80年代中后期，进人21 世纪后，研究与综合治理力度在不断加大，不同区域的各种石漠化治理模式不断涌现，总体可以归纳为植被恢复、生态畜牧业、水土保持、生态农业、生态移民和生计转化等六大类，为石漠化生态综合治理、生态文明建设提供了科学依据［19］。

本研究以我国西南地区石漠化最突出的贵州、广西、云南三省区为研究区，以2008年国务院批复《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲》为背景，基于MODIS NDVI数据集，对我国西南岩溶地区2001－2016年植被覆盖动态变化进行监测与分析，探讨各个时间段植被恢复状况，分析不同石漠化治理模式下植被变化情况，为西南地区石漠化治理提供基础资料和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于 20°54′～29°16′N、97°32′～112°04′E 之间，行政区包括云南、贵州、广西，是我国喀斯特地貌分布最为集中的地区（图1，彩插三），三省区喀斯特分布面积达3.121×105km2，占全国喀斯特分布面积的23.14%，占三省区总面积的39.17%［20］。西南喀斯特地区属中－南亚－北热带气候区，气候温暖湿润，雨热同季，加之纯碳酸盐岩大面积出露，喀斯特作用强烈，地形陡峻而破碎，地表地下双层岩溶地貌发育良好，形成了复杂多样的水平、垂直小生境［21］。受复杂多样的地形地貌和气候条件影响，常有强降雨发生，局部易产生水土流失，造成石漠化，导致生态环境脆弱［22］。

图1 研究区范围及喀斯特分布

1.2 数据与预处理

本研究用到3种类型数据。一是2001年1月至2016年12月的中等分辨率成像分光辐射计（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS） MOD13Q1 数据集，下载至美国地质勘探局（USGS）数据中心（https：//e4ftl01.cr.usgs.gov/），从中提取了NDVI数据，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d，数据预处理主要数据镶嵌和裁剪、投影转换、时间序列重建［23-24］；二是中国南方喀斯特空间分布数据集，由喀斯特科学数据中心提供（www.karstdata.cn），该数据由人工从1∶50万地质图上解译获得，数据生成时间为2009年，数据投影为Albers投影，双标准纬线为25°和47°，中央经线为105°，椭球体参数为Krasovsky椭球，坐标系统为1954北京坐标系，数据格式为ArcGIS下的shpfile；三是行政区划图，来源于国家基础地理信息中心基础地理信息数据数据库（http：//www.ngcc.cn/）。

1.3 研究方法

1.3.1 季节合成NDVI 季节合成NDVI（SINDVI）被定义为每个像元1年所有时相超过临界值的NDVI的总和，因为NDVI 的取值范围为-1.0～1.0，与植被覆盖呈正相关，NDVI＜0.1 时表示地表无植被覆盖，如裸土、沙漠、水体、冰雪和云等，所以一般研究中该阈值取0.1［18］。本研究是将每个像元全年23个时相中大于0.1的NDVI值相加，从而得到中国西南地区每个像元逐年SINDVI数据。

1.3.2 植被指数动态变化分析 一元线性回归方程可以计算出每个栅格的变化特征，根据变化特征可以反演出该栅格的植被生长趋势［25］。本研究同样采用此方法模拟每个栅格SINDVI的年际变化趋势，得到逐像元回归斜率图，计算公式如下：

式中，i为1～16年序号，n为所研究的时间序列长度，SINDVIi表示第i年的SINDVI 值。其中，变化率大于0 则说明2001－2016年SINDVI的变化呈增加趋势，变化率越大，改善的趋势越明显；反之退化的趋势越明显。

2 结果与分析

2.1 SINDVI 空间分布特征

根据岩溶区每年的SINDVI求出每个时间段年均SINDVI空间分布，从图2（彩插三）可以看出，近16年来西南岩溶地区整体植被覆盖状况良好，年均SINDVI为12.16，其中2001－2008年年均SINDVI 为11.87，2009—2016年年均SINDVI为12.45，SINDVI比前一个时间段增长0.58，植被覆盖度增大。从表1可以看出，16年来岩溶地区SINDVI主要集中在9～15之间，占92.4%，其中2001－2008年SINDVI在9～12之间的占49.58%，12～15之间的占43.02%，SINDVI大于15的只有3.31%；2009－2016年SINDVI在9～12之间的百分比呈下降趋势，为33.72%，12～15之间的占56.74%，比2001－2008年增长13.72%，SINDVI大于15的区域也增长了2.77%。总体而言，2009－2016年植被覆盖度较2001－2008年明显增大。

表1 不同时间段SINDVI分级统计（%）

如图2（彩插三） 所示，黔贵滇岩溶地区SINDVI集中分布在9～15之间，植被覆盖良好。贵州省近16年年均SINDVI为11.69，其中2001－2008年为11.37，2009－2016年为12.01，SINDVI较前一个时间段增长0.64；云南省近16年年均SINDVI为12.29，2001－2008年为 12.08，2009－2016年为 12.51，SINDVI较前一个时间段增长0.43；广西省近16年年均SINDVI为12.62，其中2001－2008年为12.25，2009－2016年为12.99，SINDVI较前一个时间段增长0.74。

图2 不同时间段岩溶区年均SINDVI空间分布

从表2可以看出，黔贵滇岩溶地区16年间SINDVI主要集中在9～15之间，占岩溶区面积的84%以上。贵州省岩溶区2001－2008年SINDVI主要集中在9～12之间，占67.53%，2009－2016年SINDVI则主要集中在12～15之间，占52.45%，比上一阶段明显增长22.72%，同时SINDVI大于15的区域也有小幅度增长，增长0.35%；云南省岩溶区2001－2008年SINDVI主要集中在12～15之间，占45.27%，2009－2016年则增加到50.41%，比上一阶段明显增长5.14%，同时SINDVI大于15的区域也有小幅度增长，增长比重为4.11%；广西省岩溶区2001－2008年SINDVI主要集中在12～15之间，占58.21%，2009－2016年则上升到71.17%，比上一阶段明显增长12.96%，同时SINDVI大于15的区域也有大幅度上升，增长比重为4.28%。

表2 各省区不同时间段SINDVI分级统计（%）

2.2 SINDVI时空变化特征

基于一元回归模型，在像元尺度上分析了西南岩溶地区2001－2008年、2009－2016年和2001－2016年SINDVI 变化率（图3，彩插三），并对变化率进行分级统计，变化率在-0.01～0.01之间植被基本不变。结果表明近16年来西南地区地表植被覆盖呈现普遍改善状态，改善的面积远大于退化的面积。16年间植被以年均0.08的速度在恢复，其中2001－2008年的年均速率为0.07，2008－2016年的速率为0.15，后一阶段改善趋势明显大于前一阶段。从表3可以看出，岩溶区16年间植被变化率主要集中在0.01～0.3，占岩溶区面积的81.87%，其中2009－2016年植被变化率大于0.3的面积比2001－2008年多13.86%，变化率小于-0.3的区域减少了0.51%，改善趋势远远大于前一个阶段，退化趋势反之；2001－2008年植被改善面积为66.29%，2009－2016年为78.68%，改善面积增长12.39%。

图3 不同时间段岩溶区SINDVI变化趋势

表3 不同时间段SINDVI变化率分级统计（%）

从图3（彩插三）可以看出，黔贵滇岩溶地区16年间植被变化率主要以改善为主，小部分地方植被出现退化现象，变化率集中在0.01～0.3之间。贵州省16年间年均变化率为0.09，云南省为0.07，广西为0.08，贵州省改善趋势大于其他两省区，其中2001－2008年间贵州、云南、广西的变化率分别为0.13、0.1、-0.02，只有广西的植被以退化为主，退化地区主要集中在广西中部；2009－2016年贵州、云南、广西三省区的变化率分别为0.15、0.14、0.16，较前一阶段植被改善趋势均增大，广西改善趋势最明显，其中贵州省中西部、广西大部分地区、云南省东部出现明显改善现象，而贵州省东北部出现退化现象。

从表4可以看出，黔贵滇三省区16年间植被变化率集中分布在0.01～0.3之间，占各省面积的74%以上，其次集中在-0.3～-0.01之间。2001－2008年植被呈改善趋势的有贵州省和云南省，贵州省改善趋势大于云南省，广西则呈退化趋势；2009－2016年较前一阶段植被改善趋势增大，广西改善趋势最大，贵州省植被退化面积增加4.18%。

表4 各省区不同时间段SINDVI变化率分级统计（%）

2.3 典型石漠化治理模式

我国西南地区石漠化研究与综合治理始于20 世纪80年代中后期，进人21 世纪后，研究与综合治理力度在不断加大，不同区域的各种石漠化治理模式不断涌现，取得了一定的成效，石漠化整体扩展趋势得到了初步遏制，总体生态状况呈良性发展态势［26］。本研究主要以人工种草养蓄模式、经济林木治理模式、人工造林或封山育林模式、小流域综合治理模式和生态移民模式等几个典型模式为研究对象，分析各种模式下植被恢复能力，对石漠化治理的贡献。

2.3.1 人工种草养蓄模式 该模式主要采取人工种植优良牧草同时发展畜牧业，既实现家庭收入翻番，又避免牛羊踩踏破坏植物，实现生态经济的双赢，贵州省晴隆县岩溶区就是典型的示范区。

通过统计分析，晴隆县16年间SINDVI大部分在9～15之间，占全县的98.49%，其中2001－2008年17.04%的地区SINDVI 集中在12～15之间，而2009－2016年则有32.84%，植被覆盖率明显增大。通过分析16年植被变化率，发现植被变化率集中在0.01～0.3，主要以改善为主，改善面积为86.91%，其中2001－2008年改善面积为72.98%，2009－2016年改善面积为95.02%，改善面积远远大于前一阶段，且植被改善趋势明显加快。

2.3.2 经济林木治理模式 经济林木治理模式主要选用根系发达、耐干早、枝叶繁茂又具有较好经济价值，且对当地生态环境具有强烈适宜性的作物，如花椒、金银花、香椿等经济树种进行石漠化治理，取得了较好的经济效益，并有效地遏制和治理了石漠化。贵州省贞丰县岩溶区就是在乱石中见缝插针种植花椒，实现了生态与经济双赢局面。

通过统计分析，贞丰县16年间SINDVI大部分为9～15之间，占全县的98.53%，其中2001－2008年有10.19%的地区SINDVI 集中在12～15之间，而2009－2016年有27.22%，后一阶段植被覆盖率明显增大。通过分析16年植被变化率，发现植被变化率集中在0.01～0.3，主要以改善为主，改善面积为94.39%，其中2001－2008年改善面积为91.26%左右，2009－2016年改善面积为97.7%，改善面积大于前一阶段，改善趋势也在变大。

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适合石漠化现象比较严重的地区，是迅速恢复森林的重要方法之一。广西马山县石漠化严重地区，通过该模式石漠化治理取得了可观的成效。

通过统计分析，马山县16年间SINDVI大部分在12～15之间，占全县的61.55%，其中2001－2008年占47.96%，2009－2016年占73.15%，后一阶段植被覆盖率明显大于前一阶段。通过分析16年植被变化率，发现植被变化率集中在0.01～0.3，主要以改善为主，改善面积为90.58%，其中2001－2008年改善面积为43.33%，2009－2016年为82.94%，改善面积较前一阶段增加，改善趋势也增大。

2.3.4 小流域综合治理模式 小流域综合治理模式适用于中轻度石漠化区域，是以治水、坡改梯、中低产田土改造为主的农田基本建设，主要用来遏制水土流失。云南省西畴县通过该模式取得良好的治理效果，水土流失得到有效遏制。

西畴县16年间SINDVI大部分在12～15之间，占全县的80.92%，其中2001－2008年为74.81%，2009－2016年为82.72%，后一阶段植被覆盖率明显增大。通过分析16年植被变化率，发现植被变化率集中在0.01～0.3，主要以改善为主，改善面积为83.09%，其中2001－2008年改善面积为54.72%左右，2009－2016年改善面积为92.87%，较前一阶段改善面积增大，改善趋势也变大。

2.3.5 生态移民模式 重度石漠化地区失去了人居条件，生态移民通过疏散人口压力，减轻对资源的掠夺，依赖自然条件充分恢复自然植被，成为当地治理石漠化问题的一种重要模式。贵州省平塘县通过该模式生态环境明显好转，植被得到有效恢复。

平塘县16年间SINDVI大部分在12～15之间，占全县的61.49%，其中2001－2008为44.81%，2009－2016年为76.12%，后一阶段植被覆盖率明显增大。通过分析16年间植被变化率，发现植被变化率集中在0.01～0.3，主要以改善为主，改善面积为96.44%，其中2001－2008年改善面积为88.55%左右，2009－2016年为96.68%，改善面积和改善趋势都大于前一阶段。

表5 各种石漠化治理模式2001—2016年年均SINDVI变化

2.3.6 模式比较 通过比较植被覆盖度、改善面积和改善趋势，分析各种石漠化治理模式下植被变化情况。从表5可以看出，2001－2016年各种模式年均SINDVI都在9.5以上，植被覆盖度较大，2009－2016年植被覆盖度明显大于2001－2008年。SINDVI从高到低排序分别为小流域治理模式、人工造林或封山育林模式、生态移民模式、人工种草养蓄模式、经济林木治理模式，年均SINDVI分别为12.74、12.23、12.03、11.22、10.95。说明在石漠化治理政策的号召下，治理强度在不断加强，其中小流域治理模式影响下植被覆盖度最大，经济林木治理模式最小。

2001－2016年各种石漠化治理模式植被都呈改善趋势，由表6可知，生态移民模式植被变化率最大，为0.14，小流域治理模式变化最小，为0.07。2009－2016年植被改善势明显大于2001－2008年，其中小流域治理模式变化率由0.02增长到0.25，改善趋势变化最大。

2001－2016年改善面积占当地岩溶区的百分比从大到小依次为生态移民模式、经济林木治理模式、人工造林模式、人工种草养蓄模式、小流域治理模式，分别为96.44%、94.39%、90.58%、86.91%和83.09%。2009－2016年较2001－2008年改善面积都在增加，人工造林或封山育林模式增加面积最多，为39.61%，其次为小流域治理模式，为38.15%，经济林木改善面积增加最少，为6.44%。

表6 各种石漠化治理模式不同时间段SINDVI变化趋势

3 结论与讨论

本研究结果表明，利用长时间系列MODIS NDVI数据可以很好地从宏观上监测西南岩溶区植被覆盖的时空变化趋势。受石漠化治理工程的影响，西南岩溶区近16年植被覆盖良好，植被覆盖度从高到低依次为广西、云南和贵州，2009－2016年较2001－2008年植被覆盖度增大，变化最大的是贵州省，其次是广西，最后是云南省。

近16年西南岩溶区植被变化主要以改善为主，改善面积远远大于退化面积，2009－2016年较2001－2008年植被改善趋势和改善面积都在增大，改善面积增加了12.39%。其中贵州省在前期改善趋势较大，后期小部分地区出现明显退化现象，而广西则前期退化趋势明显，后期改善趋势逐渐变大。通过分析植被覆盖度、改善面积和改善趋势，比较各种石漠化治理模式下植被变化，发现小流域模式和人工造林模式优于其他模式，经济林木模式下植被改善效果最小。

受石漠化恢复治理工程的影响，西南岩溶区近16年植被覆盖度良好，特别是在2008年国务院批复《岩溶地区石漠化综合治理规划大纲》后，植被覆盖度较之前有明显的增长，增长最快的是贵州省，其次是广西和云南省。这些变化与当地石漠化开始治理的时间、治理模式、治理强度和治理经验有关。贵州省是中国石漠化面积最大、类型最多、程度最深、危害最重的省份之一，也是国家开展石漠化综合治理工作的重点省份，从20世纪90年代贵州省对喀斯特石漠化生态环境进行了长期、持久的研究，为石漠化治理提供了坚实的理论基础和有力的技术支撑，使治理区生态环境恶化趋势得到了根本的好转，而广西和云南石漠化治理开展时间较晚，规模也较小，好多治理模式还在探索阶段。

2009－2016年SINDVI改善趋势明显大于2001－2008年，贵州省中西部、广西大部分地区、云南省东部出现明显改善现象，只有部分小区域出现植被退化现象，如贵州省东北部地区。岩溶区SINDVI呈退化的原因，既有自然因素，又有人为破坏因素。第二次全国石漠化监测结果显示，我国到2012年还有12.0万km2石漠化土地，边治理、边破坏的现象仍很突出，给建设成果巩固带来严重压力。再则就是自然灾害影响依然频繁，2009 年入秋以来，我国西南大部分降雨和来水持续偏少，水库蓄水严重不足，云南、贵州、广西、四川和重庆5个省（市、区）发生了严重干旱，其中云南大部、贵州西部和南部、广西西北部旱情达到特大干旱等级，对森林植被安全构成直接威胁。

通过比较分析不同石漠化治理模式下植被变化情况，发现小流域模式和人工造林模式优于其他模式。我国岩溶地区第二次石漠化监测报告（国家林业局）中也提到“人工造林种草和植被保护对石漠化逆转起着主导作用”，是迅速恢复植被的重要方法之一。

石漠化的综合治理是一项长期、艰巨的工作，必须依靠广大群众的积极参与，提高植被覆盖率，改善岩溶地区的生态环境，促进当地经济、社会的可持续发展。

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