桂西南喀斯特-北部湾海岸带植被NDVI时空演变分析

丘海红，张 泽，胡宝清，阮诗乔

(1.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；2. 广西地表过程与智能模拟重点实验室，广西 南宁 530001；3.地理与海洋研究院，广西 南宁 530001；4.南宁师范大学 地理科学与规划学院,广西 南宁 530001)

1 引言

植被(Vegetation)是气候对环境影响的敏感器[1]。归一化植被指数(normal difference vegetation index,NDVI)一种常用的、有效反映植被生长状态最精准的指标[2]，且在时效、尺度方面都有明显优势[3]。多年来，经济的高速发展，人口的极具增多，给自然资源的利用带来很大的压力，出现生态环境的破坏，生物丰富度的减少，水土流失，环境恶化等问题，对植被变化的研究，能够有效表征区域生态环境质量的变化[4～6]。目前，植被覆盖与气候之间的相互关系研究已成为全球变化研究的热点内容。李应鑫等[7]运用趋势分析、偏相关分析、变化轨迹等方法，对云南省九大高原湖泊流域NDVI时空演化情况及其与气候因子的响应关系进行了分析。孙锐[8]采用变异系数、Hurst指数等方法，对黄土高原不同土地覆盖类型植被NDVI进行时空变化分析研究；廖清飞[9]利用像元二分模型，采用相关系数法和有序聚类分析方法对植被覆盖度时空变化趋势及突变分析。广西桂西南地区是喀斯特发育典型区，主要地貌类型是峰丛洼地，其自然条件恶劣，生态环境脆弱，敏感度高[10]，对此区域的植被覆盖度研究可以为此区域的水土保持等生态环境问题具有积极的作用；北部湾海岸带地区属于陆海交互带，其人类活动频繁，生态环境不稳定。目前各方学者对桂西南喀斯特-北部湾海岸带的综合研究成果少之又少，多为单一研究。在前人的基础上，将两大区域综合研究，具有一定的创新性，为该区域生态环境脆弱性提供新视角、新思路，为该区域的生态环境治理和恢复提供科学的依据。基于此，本研究以桂西南喀斯特-北部湾海岸带典型区为研究区域，采用像元二分模型、采用趋势分析及变异系数等方法对研究区2000～2018年五期植被NDVI进行时空演变特征分析，为该地区的生态环境建设提供科学依据。

2 研究区概述

桂西南喀斯特-北部湾海岸带交互过渡带位于广西的西南部，由桂西南喀斯特区(包括百色市，崇左市)；北部湾经济区(包括南宁市，北海市，钦州市，防城港市)组成，E104°28′～109°56′，N20°26′～25°07′，总面积96386 km2，占广西国土面积的40.72%。地势从东北向西南逐渐降低，沿云贵高原山麓到北部湾海岸带呈自上而下的斜坡带。气温在2.8～40.4 ℃，平均气温22.5 ℃，降雨量1745.6～3111.9 mm，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨。研究区土壤类型多，主要有赤红壤、砖红壤、石灰(岩)土、水稻土、紫色土、沼泽土等[11]。植被类型多样，以常绿阔叶林和石灰岩常绿落叶阔叶混交林。截至2018年底，桂西南科喀斯特地区人口总数672.66万人，北部湾经济区人口总数1105.28万人。桂西南喀斯特-北部湾海岸带由右江和左江分别贯穿喀斯特地区和北部湾经济区，在空间方向上呈梯度变化，形成了山江海统筹区，是水陆交互的过渡带地理空间，更是典型的生态环境脆弱区(图1)。

3 数据源及预处理

归一化植被指数(NDVI)来源于美国地质调查局 (United States Geological Survey，USGS)MODIS陆地产品，根据统一算法开发的MODIS植被指数产品MOD13Q1，空间分辨率250m，时间分辨率16 d。对所获得的MOD13Q1遥感数据集利用ArcGIS软件进行提取、图像镶嵌、裁剪、数据转换等处理，采用最大合成法和均值法获取年平均NDVI数据，消除异常值。

4 研究方法

4.1 像元二分模型

像元二分模型是利用植被NDVI估算植被覆盖度的一种最简单、可靠的统计模型[12]。其原理是假设在每个像元的光谱信息中，是由裸地和植被两部分线性混合组成，那么每个像元的NDVI值是纯植被部分和对应裸地部分光谱信息的加权求和，再依据两部分光谱信息占像元面积的比例来确定权重的大小[13],这样计算出来的植被覆盖度表面积为该像元的植被覆盖度。其计算公式如下：

(1)

式(1)中：FVC为植被覆盖度；NDVI为混合像元归一化植被指数；NDVIsoil为纯裸土像元的NDVI值，理论上近似于0且不易变化；NDVIvegl为纯植被像元的NDVI值，理论上近似于1。但实际上，由于气候、土壤状况及植被类型等因素的干扰，像NDVI元的值和NDVIveg值会随时空变化而变化。

4.2 变异系数

变异系数(coefficent of variation,CV)是一个说明数据离散程度的统计指标，可以用于衡量数据在时间与空间上的相对变化程度[14]。其计算公式为[15]：

(2)

式(2)中：σ为统计样本标准差，在本研究中该值得计算基于时序叠加后每一像元位置的多年NDVI标准差；x为每一像元位置处时序统计得到的多年NDVI均值。

4.3 趋势分析

基于获取的2000～2018年的NDVI数据，采用一元线性回归方法计算出每个栅格像元的NDVI值在研究时间段内的变化趋势。前人的相关研究将其定义为绿度变化率(greenness rare of change,GRC)[16]，其计算公式为：

(3)

式(3)中：GRC为每个像元NDVI的斜率，即桂西南喀斯特-北部湾海岸带2000～2018年NDVI的年际变化趋势；为研究期年数，对应时间跨度n=19；i为时间序列的单位累积量，即为从起始年后的第年，i∈(0,n]；di为第i年NDVI平均值。GRC>0表示研究区植被覆盖度的变化趋势是增加的，反之则减少；GRC=0说明随着时间变化，植被覆盖变化趋势不变。

5 结果分析

5.1 植被覆盖度时间分布特征

2000～2018年桂西南喀斯特年平均NDVI值在0.268～0.837波动变化，多年平均值为0.553，整体属于中覆盖度，且植被福NDVI值总体呈缓慢增长趋势，决定系数R2为0.383，线性拟合的增长率为0.0141，说明桂西南喀斯特-北部湾海岸带植被覆盖整体保持良好。2000～2006年间植被覆盖度变化率较稳定，说明生态系统稳定，对研究区喀斯特的水土流失、北部湾海岸带海岸侵蚀等现象有一定的保护作用。2006～2007年间，植被覆盖度出现急剧下降，主要原因是2006年广西造受 “碧利斯”、“格美”、“派比安”等台风[16]、山体滑坡及泥石流等自然灾害的影响，该区域的植被遭到严重的破坏，使得植被覆盖低于0.3，引起了政府和有关部门的高度重视。2007～2008年间，虽然该区域受双眼台风“圣帕”[17]、洪涝、风雹以及地震等自然灾害，但植被覆盖度不降反升，足以证明了政府的宏观调控、综合治理、植被修复等一系列措施，对当地植被得到有效改善。2008～2013年间，植被覆盖度呈波动态势，植被NDVI值不稳定，起伏变化明显，全民应该提高生态植被对人类生活的影响的意识，政府继续加大宏观调控及整治力度。2013～2018年间，植被NDVI呈上升的趋势，说明人民的素质得到提高，人类的活动得到有效的控制，政府出台的相关修复措施使得区域植被覆盖率得以升高，全面践行了“绿水青山就是金山银山”的理念，提高生态文明建设[18]，该区域各市(县)应该联防联控、因地制宜出台系统的有效治理措施，继续保持现有的良好生态环境，从而促进生态经济的可持续发展。

图1 2000～2018年桂西南喀斯特-北部湾海岸带

5.2 植被覆盖度空间分布特征

纵观对比可得：植被覆盖度情况由城市中心向周边地区呈持续增高的空间格局。2000年与2005年对比，以南宁为中心，向周边地区植被覆盖度越来越大，百色植被覆盖度整体比较稳定，无明显变化。崇左、钦州、北海三市的大部分地区以及防城港北部为中低植被覆盖度植被NDVI值在0.52～0.69。2005年，上述的4个市均有明显改善，尤其崇左、钦州变化最大，整体为中高植被所覆盖。2010年相较前两个研究时段，植被继续好转，百色、崇左、防城港处于中高植被覆盖区，尤其百色的靖西市、德保县变化明显，其植被NDVI值上升至0.7。南宁市武鸣区的植被状况也迅速好转，由2005年的低值被覆盖到2010年的中高植被覆盖的转变。2015年百色大部分地区持续变好，如隆林各族自治县、凌云县、那坡县以及南宁周边地区的植被覆盖都有明显增高；马山县、横县、上林县、宾阳县以及北部湾海岸带地区由中低值被覆盖好转至中高植被覆盖。2018年整体态势与2015年相似，高植被覆盖率由2015年0.9上升至2018年的0.92，上升了0.2%。北部湾海岸带地区植被NDVI值整体升高，对比多年，该区域植被得到明显的改善。即使人类活动频繁，也未明显影响植被覆盖情况，体现了国家和有关部门的一系列政策起到了至关重要的作用，如封山育林、退耕还林好还草、自然保护区的建立，对生态修复、资源开发起着积极的作用。

5.3 变异系数分析

由表1可知，按稳定程度分析来看，变异程度为非常稳定的，呈波动起伏并逐年降低趋势，共降低19620 km2；变异程度为稳定的，稳步升高，在2010年出现小幅度下降，2015年迅速上升，增加了13959 km2；变异程度为变异较少的，2000年变异面积最少，2018年变异面积最多，说明部分地区出现不稳定状态，有向变异强烈转移的趋势，需要重点关注；变异程度为变异剧烈的，2000年变异剧烈面积最少，2015年和2018年的变异剧烈面积均为3060 km2。按地区分析，2000年，稳定状态(非常稳定和稳定程度)面积多，占比大，分别为91.7%、7.04%。变异状态(变异较少和剧烈)面积少，占比小，分别为0.95%和0.3%。在南宁市辖区、横县大部分地区以及北部湾海岸带地区为变异强烈地区，需要重点关注、治理及修复等。2005年，稳定状态(非常稳定和稳定程度)面积依然占比最大，分别为91.58%和6.53%；变异状态(变异较少和变异剧烈)面积最少，占比小，分别为1.14%和0.74%。相比于2000年变异状态为变异强烈程度，2005年的变异强烈程度增大了1.5倍，而变异程度较少和稳定状态的下降了。沿海城市的变异剧烈明显高于2000年的。2010年，稳定状态(非常稳定和稳定程度)面积占比大，面积占比分别为93.5%和5.13%。变异程度(变异较少和变异剧烈)面积占比少，分别为1.05%和0.33%。相比于2005年，2010年的变异程度为非常稳定增加了，相应的变异程度为稳定减少了，如北部的隆林各族自治县、田阳、田东部分地区和西部的靖西市部分地区以及南宁周边县(马上县、武鸣县、宾阳县的大部分地区)，这与人类活动减少及国家对植被保护的一系列在政策措施有关系。2015年与2018年的变异程度，总体来看很相似，但在变异程度为非常稳定面积都较于前三个研究时段的少，在变异程度为变异强烈方面，2015和2018年是一样的，占比面积为3060 km2，比前三个研究时段多了将近10倍，说明该区域植被的不稳定性还较强烈。

表1 2000～2018年五期植被NDVI变异程度面积统计 km2

6 结论

基于2000～2018年五期植被NDVI数据，利用像元二分模型，采用趋势分析与变异系数方法，对桂西南喀斯特-北部湾海岸带研究区，进行了该区域的植被NDVI时空演变分析，得到以下结论。

(1)2000～2018年NDVI值在0.268～0.837波动变化，多年平均值为0.553，整体属于中覆盖度。2000～2006年间植被覆盖度变化率较稳定，2006～2007年间，植被覆盖度受自然灾害的影响出现急剧下降， 2008～2013年间，植被覆盖度呈波动态势，植被NDVI值不稳定，起伏变化明显，2013～2018年间，植被NDVI呈上升的趋势。

(2)整体植被覆盖度情况由城市中心向周边地区呈持续增高的空间格局。2000年百色植被覆盖度整体比较稳定，崇左、钦州、北海三市的大部分地区以及防城港北部为中低植被覆盖度植被NDVI值在0.52～0.69。2005年崇左、钦州变化最大，整体为中高植被覆盖。2010年相前两个研究时段，植被覆盖情况继续好转，百色、崇左、防城港处于中高植被覆盖区。2015年百色隆林各族自治县、凌云县、那坡县，南宁马山县、横县、上林县、宾阳县以及北部湾海岸带地区由中低值被覆盖好转至中高植被覆盖。2018年整体态势与2015年相似。

(3) 变异程度为非常稳定的，且呈波动起伏并逐年降低趋势，共降低了19620 km2；变异程度为稳定的，稳步升高，变异程度为变异较少的，2000年变异面积最少，2018年变异面积最多，说明部分地区出现不稳定状态，有向变异强烈转移的趋势变异程度为变异剧烈的，2000年变异剧烈面积最少，2015年和2018年的变异剧烈面积均为3060 km2。

7 讨论

本研究分析了桂西南喀斯特北部湾海岸带研究区的植被NDVI时空演变，对当地的生态环境保护具有积极的作用。但本文也有不足之处，如研究的时间序列不长，数据处理仍不够精细，影响因素考虑不足，下一步应加入气候、土壤等因素，整体仍需要进一步研究。政府应完善治理措施和优化相关政策，在日后土地开发和自然资源利用中，要因地制宜，各市县应联防联控，对喀斯特地区进行封山育林。促进北部湾经济产业协调可持续发展，打造桂西南喀斯特北部湾海岸带研究区独有的生态环境保护线。