2005-2014年重庆石漠化地区NDVI的时空变化及其与气候因子相关性分析

王家录, 李维杰, 王 勇, 任 娟, 高 敏

(1.安顺学院 资源与环境工程学院, 贵州 安顺 561000;2.西南大学 地理科学学院/岩溶环境重庆市重点实验室, 重庆 400715)

石漠化是指在亚热带湿润与半湿润气候条件下，受自然以及人为因素的干扰，地表植被逐渐破坏，土壤受到严重侵蚀，大量的碳酸盐岩裸露于地表，呈现出类似于荒漠化的土地退化现象[1]。石漠化的形成主要受自然和人为因素的影响，其中人为因素的影响占主导。我国石漠化地区主要分布于南方的岩溶山区，集中分布于西南地区，其中贵州、云南以及广西地区为重度石漠化连片区域，同时也是贫困主要的发生地，其次为重庆、四川以及湖南等地区，石漠化面积占国土面积的23%，严重影响了当地人民的生活水平以及经济发展。石漠化地区地表植被覆盖相对较少，保水能力相对下降，水土流失逐渐加剧导致居民生产与生活用水严重短缺，已成为石漠化地区贫困加剧的主要原因[2-3]。

依据《重庆市岩溶地区石漠化综合治理工程规划》(2006—2020年)，重庆石漠化地区达9 256 km2，占全市国土面积的11.23%。其主要分布于渝东北、渝东南低山丘陵地区，渝中以及渝西地区分布相对较少。不同地区石漠化发生率以及程度存在一定差异，其中三峡库区是重庆石漠化主要集中区，面积达5 285 km2，占全市石漠化土地的57.11%，生态环境相对脆弱，水土流失较为严重[4-6]。总的趋势为渝东北、渝东南地区石漠化相对严重，渝中以及渝西地区石漠化相对较轻。基于此，重庆市自2005—2014年开展了一系列石漠化地区综合治理工作，不同地区石漠化治理技术以及方法存在一定差异，其主要包括生物技术、工程技术、农业技术以及退化地开发技术等治理方法，旨在解决石漠化地区生态环境恶劣问题，并逐步提高石漠化发生地及其周边居民的生活水平[7-9]。

2014年重庆市石漠化治理工作全面结束，为了较为科学以及准确地分析石漠化地区治理以来的植被恢复情况，本文主要采用2005—2014年植被归一化指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)分析重庆石漠化地区植被的变化趋势以及生态环境状况，同时采用重庆及其周边地区气象监测站点的气温和降水数据分析不同地区植被变化成因。因此本文通过MODIS NDVI产品和气象监测站点的监测数据，采用趋势分析、变异系数分析以及与气象因子之间的相关性等分析方法对重庆石漠化地区植被时空变化情况进行深入研究，分析植被恢复情况，为下一步石漠化地区治理工作提出合理意见以及相关依据，逐步提升地区的生态环境质量[5-6]。

1 研究概况

重庆市位于四川盆地东部边缘，南部与云贵高原相连，北部依靠大巴山，东部与武陵山相依，位于28°10′—32°13′N，105°17′—110°11′E(图1)。长江与嘉陵江贯穿而过，地区为亚热带季风性湿润性气候，年均降水量约1 154 mm，主要集中于4—10月，其雨季的降水量占全年降水量的75%，年均温度为17.2℃，夏季温度最高达40℃，素有“火炉”之称。重庆地质构造为褶皱山系，地形相对复杂，渝东南与渝东北为中高山地区，海拔为1 000～2 500 m，渝西主要为中低山丘陵，海拔为200～600 m，渝中为平行岭谷地区，海拔约1 200 m。渝东北与渝东南地区生态环境较好，其中武陵山区为我国重点生态功能区，动植物种类多样；同时水力资源也相对丰富，三峡库区作为我国水土保持重点生态功能区对于维护地区生物多样性以及提升长江下游地区水环境质量均起着至关重要的作用，而这些地区同时也是石漠化的主要发生地，生态环境敏感性较强，如何合理保护以及动态监测地区植被变化情况已成为石漠化治理的关键因素[7-8]。

2 数据与方法

2.1 数据来源及其处理

本文遥感数据来自于美国国家航天局NASA的EOS/MODIS数据(http:∥edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)，选取2005—2014年的MODIS/MODNDIM的月合成数据产品，空间分别率为500 m×500 m。下载的NDVI-月合成数据已经过辐射校正、大气校正以及几何校正等预处理，同时通过MRT(MODIS Reprojection Tools)软件对NDVI数据进行分析之前的重投影、拼接以及格式的转换等预处理，将原始的HDF格式转化为ArcGIS可以编辑的tiff格式，并定义其坐标系以及投影，利用最大合成法(MVC)得到重庆地区的年NDVI数据[9-10]。NDVI数据分析主要通过ArcGIS软件进行，气象数据插值采用统计学Kriging插值法，同时分析前已将各年、月NDVI产品以及气象数据的空间分辨率保持一致，并利用重庆《重庆市岩溶地区石漠化综合治理工程规划》(2006—2020年)中提供的石漠化边界裁剪得到2005—2014年重庆石漠化地区NDVI逐年、月栅格图像[11-12]。根据重庆石漠化发生的面积以及程度将其划分为3个研究区域，分别为渝东南、渝东北以及渝中和渝西地区(图1)。

本文的气象数据来自于“中国气象数据网”(http:∥data.cma.cn/site/index.html)，包括2005—2014年重庆市及其周边地区29个气象站点的逐日降雨量数据、气温数据、经纬度以及站点海拔。每个站点的监测时长均超过40 a，同时数据缺失占比不到5%。重庆市内气象站点为14个(表1)，分布相对均匀，同时取了周边4个省份15个气象站点，保证气象数据插值的准确性。本文将12月—次年2月划分为冬，3—5月划分为春季，6—8月划分为夏季，9—11月划分为秋季。

表1 重庆市气象监测站点

2.2 研究方法

本文通过趋势分析法分析重庆石漠化地区10 a间植被恢复以及生态环境状况[13]，利用变异系数法分析重庆石漠化地区植被多年以来的变化以及稳定程度[14]，采用相关性分析法探讨重庆石漠化地区植被与气象影响之间的关系[15]。旨在深入研究石漠化地区植被的生长状况以及时空变化特征，为石漠化综合治理以及提升区域生态环境质量提供一定理论依据，具体的计算公式如下：

(1) 趋势分析法

(1)

式中：趋势分析法的本质为一元线性回归分析的基础上建立的，n为研究时间序列的长度(如本文时间段2005—2014年共10 a)；i为研究时间段内的第i年；NDVIi为研究时段内第i年的NDVI值；slope为斜率，当slope>0时，表明NDVI值呈上升趋势，而slope<0时，表明NDVI值呈下降趋；为了更好地分析石漠化地区植被趋势变化情况，本文将趋势变化划分为5个等级，分别为明显减小(slope≤-0.005)、轻度减小(-0.0050.005)[4]。

(2) 变异系数

(2)

(3) NDVI与气候因子之间的相关性

(3)

(4)

式中：r123为将3变量固定后研究变量1与变量2直接的相关性；1，2，3分别为NDVI、气温以及降水量；r12为NDVI与气温的偏相关；r13为NDVI与降水量的偏相关；r23为降水量与气温的偏相关。

3 结果与分析

3.1 重庆石漠化地区NDVI时间变化特征

为了分析重庆石漠化地区2005—2014年植被的变化趋势情况，本文采用趋势分析法slope对重庆整个石漠化地区及其分区分别进行研究，并对其显著性进行检验。通过分析表明重庆石漠化地区10 a间NDVI整体呈增加趋势，并通过了0.05显著性检验，增加速率为0.08/10 a，表明2005年石漠化综合治理工程以来地区植被生长状况有所好转，效果显著(图2)。各分区石漠化地区NDVI变化情况有所差异，各区域石漠化面积所占比重从大到小依次为渝东北、渝东南以及渝中与渝西地区，分别为46.01%，31.32%，22.69%；各分区石漠化地区10 a间NDVI整体均呈增加趋势，而每10 a增加的速率却各不相同，各分区增加速率从大到小依次为渝东北、渝中与渝西以及渝东南地区，分别为0.09，0.03，0.02，渝东北石漠化地区NDVI增速显著，并通过了0.01显著性检验，其他地区均未通过显著性检验，表明10 a间三峡库区植被恢复以及水土保持工作成效显著，生态环境逐渐趋良。

图2 2005-2014年重庆石漠化地区NDVI变化趋势

重庆石漠化地区不同季节NDVI变化趋势也存在一定差异(表2)，重庆石漠化地区在季节变化上整体呈增加趋势，春季增加速率最为显著，相关系数为0.65，通过了0.01显著性检验，其他季节均通过显著性检验；各分区不同季节NDVI变化也有所差异，渝东南石漠化地区四季NDVI变化呈不显著增加趋势，均未通过显著性检验；渝东北石漠化地区春冬季节呈显著增加趋势，相关系数均在0.60以上，分别通过了0.01，0.05显著性检验，夏秋季节呈不显著增加；渝中与渝西石漠化地区春季NDVI呈显著增加趋势，相关系数为0.59，通过了0.05显著性检验，其他季节呈不显著增加。表明整体上重庆石漠化地区NDVI在春季增长最为显著，主要分布于渝东北、渝中和渝西地区。

表2 重庆石漠化地区不同季节NDVI变化趋势特征

3.2 重庆石漠化地区NDVI空间变化特征

3.2.1 NDVI空间趋势变化分析 重庆石漠化地区NDVI在空间变化上也存在显著差异(附图3)，2005—2014年重庆石漠化地区NDVI整体上呈轻度增加趋势的面积占比相对较大，同时呈增加趋势的面积占比大于下降趋势的面积占比。NDVI呈明显减小的区域主要分布于武隆区以及乌江流域，面积占比为1.73%；NDVI呈轻度减小的区域主要分布于渝东南彭水地区以及渝中和渝西平行岭谷地带，面积占比为7.03%；NDVI保持基本不变的区域主要分布于渝东北地区北部以及渝东南地区西北部，面积占比为31.18%；NDVI呈轻度增加的区域主要分布于渝东南地区中南部以及渝东北地区大部，面积占比达36.04%；NDVI呈显著增加的区域主要分布于渝东北三峡库区周边以及渝东南零星地带，面积占比为20.99%。

各分区石漠化地区NDVI变化情况也有所差异(表3)，渝东北石漠化地区NDVI呈轻度增加趋势的面积占比相对较大，达42.68%，呈显著增加和基本不变的面积占比分别为35.41%，20.66%，呈减小的区域面积占比为1.24%；渝东南石漠化地区NDVI保持基本不变的面积占比相对较大，达44.35%，呈显著增加和轻度增加的面积占比分别为11.55%，31.34%，而呈减小的区域面积为12.75%；渝中与渝西石漠化地区NDVI保持基本不变的面积占比相对较大，达48.18%，呈显著增加和轻度增加的面积占比分别为4.71%，28.54%，而呈减小的区域面积为18.57%。

表3 重庆石漠化地区NDVI变化趋势统计结果

总体上，重庆石漠化地区10 a间NDVI呈增加趋势的区域面积占比较大，其中渝东北石漠化地区NDVI增加区域面积最为显著，达548.9 km2，这对于三峡库区生态环境改善以及水土保持起着至关重要的作用；渝东南、渝中和渝西石漠化地区NDVI整体上呈保持不变的区域面积占比较大，而其中NDVI呈减小趋势的区域也主要集中于这两个地区，其面积占总减小面积的93.59%。

3.2.2 NDVI空间变异系数分析 重庆石漠化地区NDVI 10 a间整体上变异程度相对较低，处于非常稳定和稳定的区域占比达96.18%(附图4)。NDVI变异非常稳定的区域主要分布于渝东北地区北部以及渝东南西北部零星地区，面积占比为11.39%；NDVI变异稳定的区域分布较为广泛，各地区均有分布，面积占比达84.79%；NDVI变异较小的区域主要分布于三峡库区周边以及乌江流域，面积占比为3.86%；NDVI变异剧烈的区域分布相对较小，主要集中于璧南河上游地区，面积占比0.07%。

各分区石漠化地区NDVI变异程度总体上以稳定为主(表4)，渝东南石漠化地区NDVI变异非常稳定的区域占比为3.48%，NDVI变异稳定的区域范围较大，占比达90.44%，NDVI变异较小的区域占比为5.18%，NDVI变异剧烈的区域范围较小，占比仅0.03%；渝东北石漠化地区NDVI变异非常稳定的区域占比为18.36%，NDVI变异稳定的区域占比达78.85%，NDVI变异较小的区域占比为2.84%，NDVI变异剧烈的区域范围较小，占比仅0.06%；渝中与渝西石漠化地区NDVI变异非常稳定的区域占比为8.04%，NDVI变异稳定的区域范围占比达87.94%，NDVI变异较小的区域占比为4.05%，NDVI变异剧烈的区域范占比为0.13%。

表4 重庆石漠化地区NDVI变异系数统计结果

总体上，重庆石漠化地区2005—2014年NDVI变异系数相对较低，变异程度以稳定为主，其中渝东南地区NDVI变异稳定区域相对较大，生态环境优良；而渝东北、渝中与渝西地区NDVI变异剧烈区域相对较大，其面积占总变异剧烈区域的84.47%。

3.3 NDVI与气候因子之间的关系

3.3.1 重庆石漠化地区气温与降水量空间分布特征 重庆石漠化地区2005—2014年降水量降低区域略小于增加区域(附图5)，呈降低区域的面积为616.01 km2，占比为40.22%，其中降水量降低幅度最大达6.51 mm/a，渝东北和渝东南地区大部分降水量均呈下降趋势，其中以三峡库区周边以及乌江流域下降最为显著。而渝中与渝西平行岭谷地区大部分降雨量呈上升趋势，呈上升区域的面积为915.59 km2，占比为59.78%，其中上升幅度最大达7.69 mm/a，总体上降水量呈增加的区域主要分布于平行岭谷地区，呈下降的区域主要集中于山高谷深的流域地区；重庆石漠化地区气温年变化率空间变化情况情况有所差异，气温增加区域大于下降区域(附图6)，呈增加区域的面积为1 077.94 km2，占比达70.38%，其中气温增加幅度最大达0.03℃/a，渝东北、渝中与渝西地区气温大部分均呈上升趋势。而渝东南西北部地区气温呈增加趋势，面积为453.66 km2，占比为29.62%，温度下降幅度最大达0.24℃/a，其主要集中于乌江流域地区。

3.3.2 重庆石漠化地区NDVI与温度和降水的关系 重庆石漠化地区降水与NDVI之间正相关性略大于负相关性(附图7)，所占面积比列分别为55.25%，44.75%，降水量的多少一定程度决定了植被生长状况，降水与NDVI呈正相关性的区域主要分布于渝东北大部以及渝中与渝西平行岭谷地带，其中渝东北地区降水与NDVI呈正相关区域占比达75.03%(表5)，p<0.01；而降水与NDVI呈负相关性的区域主要分布于渝东南地区，其面积占比达71.19%，p>0.05。

表5 NDVI与降雨量之间偏相关系数统计

重庆石漠化地区气温与NDVI之间的正相关性大于负相关性(附图8)，所占面积比列分别为78.14%，21.86%，温度对于植被的生长起着促进作用，气温与NDVI呈正相关性的区域主要分布于渝东北北部以及渝东南大部分地区，其中渝东南地区气温与NDVI呈正相关区域占比达82.17%(表6)，p<0.01，而气温与NDVI呈负相关性的区域主要分布于渝东北三峡库区以及渝中岭谷地区，其面积占比达79.12%，p<0.05。

4 讨 论

重庆石漠化地区2005—2014年NDVI变化总体上呈上升趋势，不同分区NDVI变化特征差异较为明显，渝东北地区NDVI呈增加趋势的区域相对较大，变异相对稳定，其中NDVI显著增加的区域主要集中于三峡库区周边，这主要由于气候因子之间存在着一定相关性，2005—2014年三峡库区气温呈显著上升趋势，而降雨量呈轻微上升趋势，通过分析气候因子与NDVI之间的偏相关性，表明降雨量成为影响NDVI变化的关键性因子[4]；其可能原因为三峡库区周边常年温度相对较高，植物生长所需要的热量较为充足，然而三峡库区周边多为中度及以上石漠化地区，地表保水与持水能力相对较低，不能满足植物生长所需要的水分条件，一定程度上抑制了植物的生长，地表覆盖度逐渐相对较低，近年来随着石漠化治理工程的实施，区域生态环境的改善以及降水量的增加一定程度促进了库区植被的生长[6-8]。

渝东南地区NDVI总体上保持基本不变，但存在一定程度的下降区域，变异系数相对较大，其中显著下降的区域主要集中于乌江流域周边，这主要与2005—2014年地区气温和降雨量下降幅度较大有关，通过分析气候因子与NDVI之间的偏相关性，表明温度成为影响NDVI变化的关键性因子[5]；其可能原因为乌江流域位于渝东南湿润地区，植物生长的水分条件基本可以满足，然而温度的显著性降低导致植物生长所需要的热量相对缺乏，一定程度抑制了地区植被的生长[7]。

表6 NDVI与气温之间偏相关系数统计

渝中与渝西地区NDVI总体保持不变，变异系数较为稳定，2005—2014年地区气温和降雨量均呈不同程度的上升趋势，其中降雨量上升最为明显，通过分析气候因子与NDVI之间的偏相关性，表明气温与降雨量共同影响地区NDVI变化[6]；其可能原因为渝中与渝西石漠化多分布于岩溶槽谷地区，降水量相对丰富，随着近几年降雨量的显著性增加，一定程度上造成植物光照条件下降，减弱了光合作用，从而阻碍植被的发育[9]。

5 结 论

(1) 重庆石漠化地区2005—2014年NDVI呈增加趋势的区域面积占比较大，其中渝东北石漠化地区增加区域面积最为显著，这对于三峡库区生态环境改善以及水土保持起着至关重要的作用；渝东南、渝中和渝西石漠化地区整体上呈保持不变的区域面积占比较大，而呈减小趋势的区域也主要集中于这两个地区，其中乌江流域减小最为显著，其面积占总减小面积的93.59%。同时重庆石漠化地区NDVI季节变化存在一定差异性，春季增长最为显著，主要分布于以渝东北、渝中和渝西地区。

(2) 重庆石漠化地区2005—2014年NDVI变异系数相对较低，以稳定为主。渝东南地区变异稳定区域占比相对较大，生态环境优良；而变异相对剧烈的区域主要分布于渝东北、渝中与渝西地区。

(3) 重庆石漠化地区降水与NDVI之间正相关性略大于负相关性，降水与NDVI呈正相关性的区域主要分布于渝东北大部以及渝中与渝西平行岭谷地带，而降水与NDVI呈负相关性的区域主要分布于渝东南地区；气温与NDVI之间的正相关性大于负相关性，气温与NDVI呈正相关的区域主要分布于渝东北北部以及渝东南大部分地区，而气温与NDVI呈负相关性的区域主要分布于渝东北三峡库区以及渝中岭谷地区。