基于NDVI喀斯特石漠化治理效果评价

2022-03-10杨昌红马士彬高南杨雪萃

安徽农学通报 2022年3期

杨昌红马士彬高南杨雪萃

摘要：石漠化是导致喀斯特地区生态恶化的因素之一，监测评估其演变状况，对石漠化的防治具有重要的研究意义。该研究利用花江1987—2019年NDVI数据，2000年、2010年、2018年石漠化数据，应用Mann-Kendall非参数检验方法分析NDVI变化趋势，在此基础上探究不同等级石漠化转移情况，分析其转移过程中NDVI的变化规律。结果表明：（1）30年来花江研究区NDVI年平均值整体呈现上升变化趋势。1987—1998年、1998—2010年、2010—2019年分别呈现“增-快增-降”的变化模式。（2）2000—2010年石漠化改善的面积为20.63km2，极重度和重度石漠化面积改善显著，2010—2018年石漠化改善的面积为13.31km2，潜在石漠化面积增加显著。（3）2000—2010年石漠化发生转移的NDVI变化趋势以弱显著上升和显著上升为主，分别占总面积的42.64%、16.45%;2010—2018年石漠化发生转移的NDVI变化趋势以弱显著下降和弱显著上升为主，分别占总面积的17.25%、11.56%。石漠化的程度与NDVI变化趋势的关系为负相关。

关键词：石漠化;治理效果;NDVI;Mann-Kendall;花江

中图分类号 P642.25 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）03-0144-07

Abstract： Rocky desertification is one of the factors leading to ecological deterioration in karst areas. Monitoring and evaluating its evolution has important research significance for the prevention and control of rocky desertification. This paper uses the Landsat series of remote sensing images from 1987 to 2019 to calculate the Huajiang Normalized Difference Vegetation Index， uses 2000 and 2010 TM remote sensing images， and 2018 Google high-definition remote sensing images as data sources to extract rocky desertification information; apply Mann-Kendall non-parametric test method analyzes the changing trend of NDVI， on this basis， explores the transfer of different grades of rocky desertification， and analyzes the variation of NDVI in the process of metastasis. The research results show that：（1）The annual average value of NDVI in the Huajiang study area has fluctuated greatly in the past 30 years， and the overall trend has been increasing， with an increase rate of 0.0014， which is relatively slow. 1987-1998， 1998-2010， and 2010-2019 showed a change pattern of "increase-rapid increase-decrease" respectively. （2）The area of ?rocky desertification improved from 2000 to 2010 was 20.63 km2， and the area of extremely severe and severe rocky desertification improved significantly. From 2010 to 2018， the area of rocky desertification improved was 13.31 km2， and the area of potential rocky desertification increased significantly. （3）The change trend of NDVI for rocky desertification transfer from 2000 to 2010 is mainly a weakly significant increase and a significant rise， accounting for 42.64% and 16.45% of the total area， respectively. The NDVI trend for rocky desertification transfer from 2010 to 2018 Weakly significant decline and weakly significant increase are the main ones， accounting for 17.25% and 11.56% of the total area respectively. The degree of rocky desertification has a negative correlation with the changing trend of NDVI.

Key words： Rocky desertification; Control effect; NDVI; Mann-Kendall; Huajiang

石漠化是指在岩溶地貌及其发育地区、亚热带季风气候条件的自然背景下，受人为活动干扰，地表植被遭受破坏，造成土地严重流失、基岩大面积的裸露于地表，土地生产力严重下降，呈现土地退化的荒漠化景观[1，2]。石漠化的演替会破坏生态导致生态退化，激化人地矛盾关系，制约经济发展，使经济发展严重滞后。石漠化地区经济发展和生态可持续发展的关键在于石漠化的治理成效。

随着LeGrand于1973年在美国《科学》杂志上提出喀斯特生态环境问题[3]，石漠化问题日益突显，受到了国际上的重视，同时国内学者也开始展开对喀斯特地区石漠化问题的研究。袁道先、王世杰、李阳兵等研究了石漠化的环境背景、形成机理，探讨石漠化的概念、研究方法[4-5]。熊康宁等研究了石漠化的治理，形成一系列因地制宜的石漠化防治模式。发展至今，由石漠化形成原因研究逐步转向石漠化的防治与监测分析研究，遥感技术成为研究的重要手段。例如，周忠发探讨了遥感和GIS技术在贵州喀斯特地区土地石漠化研究中的应用[6];李朝阳等探讨了遥感动态监测的基本理论和方法提取石漠化信息[7]，并证实了方法的实用性和准确性。遥感技术在石漠化问题的研究中起到了重要的作用，能够大尺度地分析石漠化的时空变化。归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）用于表征植被的生长情况，直观地反映了大尺度研究区域的植被生长情况，间接地反映出石漠化的情况。例如，章维鑫等探讨了近30年泸西县植被的时空变化特征以及驱动因素[8]，进而探讨石漠化综合治理生态工程实施的生态效益，发现植被的突变时间点恰好与国家开始实施石漠化综合治理生态工程的时间点相吻合。肖林颖等利用Landsat数据探讨近25年建水县植被的时空变化特征[9]，分析得出建水县石漠化治理效果明显。NDVI已成功地运用于石漠化遥感监测，并得到了广泛的推广。

花江是石漠化的重灾区，也是石漠化治理的示范基地，但当地石漠化的演变与NDVI的变化相关性研究尚有欠缺。为此，笔者以花江为研究区，对花江石漠化演变与NDVI的变化规律进行b 研究。利用1987—2019年的Landsat系列遥感影像数据计算花江研究区的NDVI，探讨花江地区植被生长状况，分析近30年来的变化趋势，评估石漠化的修复情况。基于2000年和2010年TM遥感图像，2018年Google高分辨率遥感图像提取3期不同等级石漠化信息，探讨不同等级石漠化转移NDVI变化趋势的特征，遥感监测和评估花江地区的生态恢复治理现状，以期为石漠化治理与防范提供理伦依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况花江研究区地处于贵州省西南地区关岭县南部与贞丰县北部交界处的北盘江大峡谷花江河谷段两岸，经纬度分别为105°36′30″～105°46′30″E、25°39′13″～25°41′00″N，面积51.48km2。年均温18.4℃，年均降水量1100mm，岩层有碳酸盐类的石灰岩、白云岩。植被以阔叶林、针阔混交林以及灌丛为主，原生植被破坏严重，现主要为次生植被。在各种外力作用下形成河谷，峰丛洼地，峰林等地貌，山高峡谷深，水流急，区域内地势起伏落差大，是贵州省石漠化程度较深、危害较重的地区，成为典型的高原峡谷强度石漠化区，同时也是石漠化生态综合治理示范区[10-11]。

1.2 數据来源本研究数据来源包括：（1）美国NASA的陆地卫星提供的Landsat系列遥感影像，空间分辨率均为30m，1987—2011年遥感影像源于Landsat-5TM卫星拍摄，2013—2018年遥感影像源于Landsat-8OLI卫星拍摄;（2）2000年、2010年TM遥感影像和2018年的Google高分辨率遥感影像作石漠化提取数据源;（3）数字高程模型（digital elevation model，DEM），数据来源于地理空间数据云。

1.3 研究方法

1.3.1 石漠化等级划分与提取石漠化等级的划分在研究石漠化的演变过程和评价石漠化恢复情况等方面具有重大的意义，是支撑研究的手段。本研究中，石漠化等级划分依据参照熊康宁的等级划分标准[12]，结合花江石漠化的特征，将不同程度石漠化共划分为5个等级，分别为潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、重度石漠化、极重度石漠化，各等级参数表1所示：

1.3.2 石漠化转移矩阵建立石漠化转移矩阵，可以定量化描述石漠化的面积转移情况，反映出石漠化的结构特征与不同等级程度石漠化演变的方向，其计算公式如下：

1.3.3 归一化植被指数的计算植被是反映生态变化的综合指示器，在石漠化地区，分析植被生长状况可以反映出石漠化的状况;归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index 简称NDVI）常被用于表征植被生长的状况，可监测植被空间格局的动态变化，从而反映出石漠化演变状况。参照李朝阳等NDVI的计算模型，基于NDVI分析石漠化的演变特征[7]，其表达公式如下：

式中，NIR代表遥感影像的近红外波段，RED代表遥感影像的红光波段。

1.3.4 Mann—Kendall非参数检验方法 Mann-Kendall非参数检验方法常被用来量化时间序列变化是否为上升或下降的趋势，在植被覆盖时间序列的变化趋势研究领域中得到成功的运用，参照前人的研究经验，利用Mann-Kendall计算公式模型，量化分析空间上时间序列的NDVI变化趋势[14-15]。其计算公式如下：

式中：[n]为数据点的数量，[Xk]与[Xi]为时间序列数据值，[sign]为符号方程，[var（S）]为方差，[S]为检验统计量，[Z]为标准化后的检验统计量。[Z]的正值表示上升趋势，负值表示下降趋势。测试趋势以特定的[a]显著性水平执行，[Z>U1-a/2]时，表示研究的时间序列数据在[a]水平上显著的变化，[±U1-a/2]是标准正态偏差。[Z=±2.33]表示显著性水平[a=0.01]，[Z=±1.69]表示显著性水平[a=0.05]，[Z=±1.23]表示显著性水平[a=0.10]。

2 结果与分析

2.1 NDVI的变化趋势

2.1.1 NDVI平均值年际变化利用1987—2019年花江研究区Landsat遥感影像分析基于公式（2）进行计算得到NDVI值空间分布数据，求逐年平均值，绘制NDVI平均值的年际变化曲线图，得到逐年NDVI平均值变化趋势图，如图2所示。由图2可知，花江研究区NDVI平均值年际变化波动幅度大，在1989年、1992年、1998年出现较小的谷值，分别为0.230、0.215、0.229，在1988年、1990年、1995年、2007年、2009年出现较大得峰值，分别为0.612、0.625、0.604、0.644、0.628，最小值出现在1992年，最大值出现在2007年;从整体上看，呈无规律增长趋势;增长速率为0.0014，增速较为缓慢。反映出30年来植被生长状况逐步恢复。

2.1.2 NDVI平均值分时段变化结合花江研究区植被生长季的特征和NDVI平均值年际变化的特点，可将1987—2019年NDVI年际变化划分为3个阶段（第一阶段1987—1998年，第二阶段1998—2010年，第三阶段2010—2019年），3个阶段的变化趋势见图3所示。由图3可知：第一阶段NDVI年平均值波动幅度较大，最大值与最小值相差0.41，不过第一阶段总体呈增加趋势，增加速率为0.0019，平均值为0.410。第二阶段增长速率为0.0242，增长速率较快，表现出快速增长的变化趋势，其NDVI年平均值为0.524，高于第一阶段。第三阶段NDVI年变化速率为-0.0143，为下降趋势，平均值为0.425，比第一阶段高，比第二阶段低。由此可见，第二阶段速率最快，平均值最高，其次是第一阶段和第三阶段，1987—2019年花江研究区NDVI呈现“增-快增-降”的变化趋势。结合年际变化分析，总体上看，1987—2019年呈现大波动上升趋势。然而由于不同季节植被生长状况相差大，如夏季植被叶子生长茂盛，地表反射近红外光和红光较多，冬季落叶，地表反射近红外光和红光较少，传感器接收的光谱有所差距，导致不同植被生长季年均NDVI值年际波动幅度大。

综合NDVI平均值年际变化结果与NDVI平均值分时段变化结果，可以得出，近30年来花江研究区NDVI平均值年际变化波动幅度大，呈现出“增-快增-降”模式的增长趋势，增长速率相对缓慢。相关研究指出，从2000年开始，大批研究人员开展对花江石漠化的研究，探讨治理石漠化方法，形成“花江模式”的石漠化治理方法，在2000—2010年第二阶段NDVI年均值快速上升趋势。但近10年来，由于人口的增长，活动范围的扩大，花江建设了大面积的采石场，对地表的破坏加剧，使得NDVI表现下降趋势。

2.1.3 NDVI平均值空间分布特征 1987—2019年花江研究区NDVI平均值空间分布布局如图4所示。由图4可知，研究区整体的NDVI年平均值为0.445。西北部沿岸和南部片区NDVI值较高，中部NDVI值较低。根据植被覆盖度状况与NDVI值对应地物的情况，将花江研究区NDVI值划分为[小于0.2]、[0.2，0.4]、[0.4，0.5]、[大于0.5]4个等级，分别为无植被覆盖、中等植被覆盖、高植被覆盖等。其中，无植被覆盖区占总面积的0.73%，主要为水体，沿着河谷分布;低等植被覆盖区占总面积的26.27%，分布花江河谷中游段沿岸，南岸延伸分布至研究区中心，北岸向西北方向延申;中等植被覆盖区占总面积的51.17%，广泛分布于研究区各地区，在研究区南部与高植被覆盖区相间分布;高植被覆盖区占总面积的21.84%，分布于研究区的西北部河谷沿岸和南部的广大地区。结合花江研究区数字高程模型图分析，花江研究区河谷中段地区落差较大，南部片区虽然海拔高，但地势相对落差小，而高植被覆盖区主要分布于落差小地区，低植被覆盖区主要是落差较大地区。

2.1.4 NDVI变化趋势显著度统计分析与空间分布格局利用Mann-Kendall非参数检验方法，进行分时段统计分析，得出2000—2010年与2010—2018年2期花江研究区NDVI的时间序列变化趋势，将NDVI变化趋势划分为6个等级，分级和统计结果见表2、表3。由表2、表3可知：2000—2010年花江研究区NDVI变化上升趋势面积远大于下降趋势面积;上升趋势面积占比为97.9%，弱显著上升的面积占比最大，达69.44%，其次为显著上升、极显著上升，面积占比分别为23.84%、4.62%;下降趋势面积占比极少量。2010—2018年下降趋势面积大于上升趋势，下降趋势的总面积占比为65.22%，上升趋势面积占比为34.78%;弱显著下降面积占大部分为53.27%，其次为弱显著上升面积占比为33.36%。将2期的NDVI变化趋势面积对比发现，呈现上升趋势的面积在大幅度减少，下降趋势面积在大幅度增加，极显著上升由2.32km2减少到0.11km2，显著上升由12km2减少到0.61，弱显著上升减少过半;弱显著下降大面积的增加，由1.05km2增加到26.86km2，极显著下降从无到有，增加1.29km2。说明2000—2010年NDVI变化整体趋于上升趋势，2010—2018年NDVI变化整体趋于下降趋势。由于水电站修建蓄水，河谷水面面积扩大，面积达1.42km2。

从空间分布来看（图5），2000—2010年弱显著上升广泛连片分布于研究区整个区域，显著上升在河谷以北地區主要集中分布在西北部沿岸、东南部，河谷以南地区成斑群状分布于各个区域，极显著上升主要嵌于显著上升中，零星的分布在显著上升地区中，下降趋势分布不明显。2010—2018年较2000—2010年呈现下降变化趋势，面积分布大幅度扩张，弱显著下降广布于研究区各个区域，极显著下降和显著下降从河谷以北地区的西北部沿北部边界至东南角成群分布，弱显著上升主要广布于研究区的中部地区和西部地区，极显著上升和显著上升分布不明显。

2.2 石漠化分析

2.2.1 不同等级石漠化面积与转移分析通过统计，结果显示（图6、表4、表5），2000年花江研究区潜在石漠化面积为4.99km2，轻度石漠化7.19km2，中度石漠化12.33km2，重度石漠化9.58km2，极重度石漠化9.66km2，占比分别为9.92%、14.29%、24.50%、19.03%、19.20%;2010年花江研究区潜在石漠化面积为7.63km2，轻度石漠化9.07km2，中度石漠化14.97km2，重度石漠化6.33km2，极重度石漠化6.09km2，占比分别为15.16%、18.02%、29.75%、12.58%、12.10%;2018年花江研究区潜在石漠化面积为10.56km2，轻度石漠化10.73km2，中度石漠化14.62km2，重度石漠化6.14km2，极重度石漠化1.14km2，占比分别为20.98%、21.31%、29.05%、12.20%、2.27%。

花江研究区2000—2010年石漠化转移过程中主要有：重度石漠化、中度石漠化、轻度石漠化分别向潜在石漠化改善1.36km2、1.85km2、1.74km2，潜在石漠化共增加6.00km2;极重度石漠化、重度石漠化、中度石漠化分别向轻度石漠化改善1.57km2、1.73km2、2.65km2，轻度石漠化改善的面积共6.06km2;极重度石漠化、重度石漠化分别向中度石漠化改善3.66km2、3.39km2，中度石漠化改善的面积共7.13km2，极重度石漠化向重度石漠化改善1.70km2。潜在石漠化向轻度石漠化，中度石漠化分别退化1.04km2、1.60km2，轻度石漠化向中度石漠化退化2.11km2，中度石漠化向重度石漠化退化1.86km2，重度石漠化和中度石漠化向极重度石漠化分别退化1.50、1.83km2。

2010—2018石漠化的转移主要有：中度石漠化、轻度石漠化向潜在石漠化分别改善1.20、1.30km2，重度石漠化、中度石漠化向轻度石漠化改善1.08、2.44km2，极重度石漠化、重度石漠化向中度石漠化改善2.07、1.44km2，极重度石漠化向重度石漠化改善1.67km2。

2000—2010年石漠化改善面积20.63km2，不变的面积有11.09km2，退化的面积12.05km2;2010—2018年石漠化改善的面积13.31km2，不变的面积26.13km2，退化的面积3.75km2。2000—2010年石漠化的改善面积与退化面积均大于2010—2018年，未发生变化的面积小于2010—2018年。

2.2.2 石漠化的分布特征与空间演变情况 2000年石漠化程度最为严重，整个研究区域中的西北部与东南部石漠化程度相对较轻，其他区域广泛分布中度石漠化、重度石漠化、极重度石漠化，石漠化程度较为严重。2010年石漠化整体有所改善，在南部地区有明显的潜在石漠化分布，极重度有明显减少，中度石漠化广泛分布于研究区。2018年石漠化整体明显改善，潜在石漠化和轻度石漠化明显增多，主要集中分布于西北部花江沿岸和南部区域，中度石漠化和重度石漠化分布于中部地区，极重度石漠化集中分布在西北部地区。分析极重度石漠化和重度石漠化缩减的方向与潜在石漠化扩张的方向发现，它们均由南北两侧向河谷进行缩减和扩张，发生演化的方向相同，其中西北部尾部地区石漠化改善较为缓慢，南部地区石漠化治理成效比较显著，中部地区和远离河谷的西北部石漠化向正方向演变较缓慢;演变缓慢地区由于地势险峻，土壤易流失，加之人类社会经济活动加强，生态难以恢复。

由图7可知，2000—2010年石漠化发生改善的面积主要分布于中部区域和南部区域，为发生变化的零星分布在各区域，退化严重的较集中分布于西北部的尾部地区和河谷中段北岸沿岸地区，其他区域成斑状分布。2010—2018年未发生变化的面积明显分布于研究区各区域，中部地区多了成斑状分布的建设用地，西北角颈部有明显的改善面积分布，退化面积分布不明显。

2.3 石漠化治理图斑内NDVI的变化规律对石漠化类型相互转移与NDVI变化趋势显著度进行转移矩阵统计分析（表6、表7），2000—2010年NDVI变化为弱显著上升趋势的石漠化转移类型主要有轻度-潜在、中度-潜在、中度-轻度、重度-轻度、重度-中度、极重度-轻度、极重度-中度、极重度-重度，转移的面积分别为1.28、1.80、1.38、2.18、1.02、2.19、1.03km2;顯著上升有极重度-中度，面积为1.22km2，其余的变化趋势面积较小。2010—2018年NDVI变化趋势弱显著上升主要有中度-潜在、极重度-中度、极重度-重度，面积分别为0.50、0.69、0.75km2。在NDVI变化趋势中，下降趋势也包含石漠化的改善，其原因主要是改善的石漠化地区植被的生长状况不好，导致NDVI下降，但石漠化仍有改善。整体上看，石漠化的演化与NDVI变化趋势有一定的相关性，改善即上升趋势，退化即下降趋势。

3 讨论

NDVI归一化植被指数是反映植被信息的植被指数，现已广泛应用于大尺度区域的土地覆盖度、植被、气候、荒漠化和生态的演变趋势等研究中;植被覆盖率是石漠化辨识的关键指标[16]，靖娟利等基于MODIS NDVI估算广西的植被覆盖度，根据植被覆盖度与石漠化的关系反演石漠化信息[13]。本文研究得出NDVI呈现上升趋势，强度石漠化明显改善为轻度石漠化，NDVI与石漠化程度有负相关关系。从空间上看，文林琴等研究贵州省石漠化状况及动态演变特征得出植被覆盖度的空间分布格局与石漠化的空间分布格局相一致[17]，结合本文图4与图6分析可看出，NDVI年平均值分布较高的区域在研究区的西北部沿岸和南部区域，中部地区和西北部地区分布较的值，轻度石漠化与NDVI高的值对应分布，强度石漠化与NDVI低的值对应分布，轻度石漠化和强度石漠化分布格局与NDVI相同。

4 结论

本研究利用Landsat系列1987—2019年的遥感影像计算出花江研究区NDVI年均值，采用一元线性回归、Mann-kendll分析变化趋势和显著度，结合2000和2018年花江石漠化数据，综合以上分析所述得出以下结论：

（1）从时间变化上看，花江研究区1987—2019年NDVI年均值为0.445，处于中等植被覆盖状况，整体呈现出上升趋势，但上升速率缓慢，为0.0014。将其分成3个阶段进行分析，发现3个阶段呈“增-快增-降”的模式进行变化。从空间分布上分析，高植被覆蓋区分布于花江研究区南部片区和西北部沿河谷地带，占总面积的21.84%，这些区域生态环境得到了很大的改善;中等植被覆盖区广泛分布于各个区域，占总面积的51.17%;低植被覆盖区中段河谷沿岸和中部地区，占总面积的26.27%。NDVI变化趋势显著度轻微变化占绝大部，广泛连续性分布于各个区域，占总面积的72.05%。

（2）2000—2010年石漠化改善面积20.63km2，不变的面积11.09km2，退化的面积12.05km2;2010—2018年石漠化改善的面积13.31km2，不变的面积26.13km2，退化的面积3.75km2。2000—2010年石漠化的变化程度大于2010—2018年。2000—2018年，石漠化面积明显改善，2000年整个研究区石漠化程度均为严重，2010年有明显改善，2018年显著改善，石漠化程度严重由整个区域缩小至中部地区和西北部地区。

（3）整体而言，2000—2018年NDVI呈现上升趋势，石漠化显著改善;2000—2010年石漠化发生转移的NDVI变化趋势以弱显著上升和显著上升为主，面积分别为21.95、8.47km2，分别占总面积的42.64%、16.45%;2010—2018年石漠化发生转移的NDVI变化趋势以弱显著下降和弱显著上升为主，面积分别为8.88、5.95km2，分别占总面积的17.25%、11.56%。石漠化的演化与NDVI变化趋势具有一定的关系，改善为上升趋势，退化为下降趋势。

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