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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 12 期摇 摇 2011 年 6 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价———以贵州省毕节地区为例
李摇 昊,蔡运龙,陈睿山,等 (3255)
………………………………
……………………………………………………………………………
扩散对破碎化景观上宿主鄄寄生种群动态的影响 苏摇 敏 (3265)…………………………………………………
湿地功能评价的尺度效应———以盐城滨海湿地为例 欧维新,叶丽芳,孙小祥,等 (3270)……………………
模拟氮沉降对杉木幼苗养分平衡的影响 樊后保,廖迎春,刘文飞,等 (3277)……………………………………
中国东部森林样带典型森林水源涵养功能 贺淑霞,李叙勇,莫摇 菲,等 (3285)…………………………………
山西太岳山油松群落对采伐干扰的生态响应 郭东罡,上官铁梁,白中科,等 (3296)……………………………
长期施用有机无机肥对潮土微生物群落的影响 张焕军,郁红艳,丁维新 (3308)………………………………
云南元江干热河谷五种优势植物的内生真菌多样性 何彩梅,魏大巧,李海燕,等 (3315)………………………
塔里木河中游洪水漫溢区荒漠河岸林实生苗更新 赵振勇,张摇 科,卢摇 磊,等 (3322)…………………………
基于 8hm样地的天山云杉林蒸腾耗水从单株到林分的转换 张毓涛,梁凤超,常顺利,等 (3330)……………
古尔班通古特沙漠土壤酶活性和微生物量氮对模拟氮沉降的响应 周晓兵,张元明,陶摇 冶,等 (3340)………
Pb污染对马蔺生长、体内重金属元素积累以及叶绿体超微结构的影响 原海燕,郭摇 智,黄苏珍 (3350)……
春、秋季节树干温度和液流速度对东北 3 树种树干表面 CO2释放通量的影响
王秀伟,毛子军,孙摇 涛,等 (3358)
…………………………………
……………………………………………………………………………
云南南部和中部地区公路旁紫茎泽兰土壤种子库分布格局 唐樱殷,沈有信 (3368)……………………………
利用半球图像法提取植被冠层结构特征参数 彭焕华,赵传燕,冯兆东,等 (3376)………………………………
黑河上游蝗虫与植被关系的 CCA分析 赵成章,周摇 伟,王科明,等 (3384)……………………………………
额尔古纳河流域秋季浮游植物群落结构特征 庞摇 科,姚锦仙,王摇 昊,等 (3391)………………………………
九龙江河口浮游植物的时空变动及主要影响因素 王摇 雨,林摇 茂,陈兴群,等 (3399)…………………………
东苕溪中下游河岸类型对鱼类多样性的影响 黄亮亮,李建华,邹丽敏,等 (3415)………………………………
基于 RS / GIS公路路域水土流失动态变化的研究———以榆靖高速公路为例
陈爱侠,李摇 敏,苏智先,等 (3424)
……………………………………
……………………………………………………………………………
流域景观结构的城市化影响与生态风险评价 胡和兵,刘红玉,郝敬锋,等 (3432)………………………………
基于景观格局的锦州湾沿海经济开发区生态风险分析 高摇 宾,李小玉,李志刚,等 (3441)……………………
若尔盖高原土地利用变化对生态系统服务价值的影响 李晋昌,王文丽,胡光印,等 (3451)……………………
施用鸡粪对土壤与小白菜中 Cu和 Zn累积的影响 张摇 妍,罗摇 维,崔骁勇,等 (3460)………………………
基于 GIS的宁夏灌区农田污染源结构特征解析 曹艳春,冯永忠,杨引禄,等 (3468)……………………………
底墒和种植方式对夏大豆光合特性及产量的影响 刘摇 岩,周勋波,陈雨海,等 (3478)…………………………
不同施肥模式调控沿湖农田无机氮流失的原位研究———以南四湖过水区粮田为例
谭德水,江丽华,张摇 骞,等 (3488)
……………………………
……………………………………………………………………………
丛枝菌根真菌对低温下黄瓜幼苗光合生理和抗氧化酶活性的影响 刘爱荣,陈双臣,刘燕英,等 (3497)………
外源半胱氨酸对铜胁迫下小麦幼苗生长、铜积累量及抗氧化系统的影响 彭向永,宋摇 敏 (3504)……………
专论与综述
水平扫描技术及其在生态学中的应用前景 胡自民,李晶晶,李摇 伟,等 (3512)…………………………………
研究简报
昆仑山北坡 4 种优势灌木的气体交换特征 朱军涛,李向义,张希明,等 (3522)…………………………………
不同比例尺 DEM数据对森林生态类型划分精度的影响 唐立娜,黄聚聪,代力民 (3531)………………………
苏南丘陵区毛竹林冠截留降雨分布格局 贾永正,胡海波,张家洋 (3537)………………………………………
外来种湿地松凋落物对土壤微生物群落结构和功能的影响 陈法霖,郑摇 华,阳柏苏,等 (3543)………………
深圳地铁碳排放量 谢鸿宇,王习祥,杨木壮,等 (3551)……………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*304*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄06
封面图说: 自然奇观红海滩·辽宁省盘锦市———在辽河入海口生长着大片的潮间带植物碱蓬草,举目望去,如霞似火,蔚为壮
观,人们习惯地称之为红海滩。 粗壮的根系加快着海滩土壤的脱盐过程,掉下的茎叶腐质后肥化了土壤,它是大海
的生态屏障。
彩图提供: 段文科先生摇 中国鸟网 http: / / www. birdnet. cn摇 E鄄mail:dwk9911@ 126. com
生 态 学 报 2011,31(12):3255—3264
Acta Ecologica Sinica
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(40871047);国家科技支撑计划子课题(2006BAC01A01鄄03)
收稿日期:2010鄄06鄄01; 摇 摇 修订日期:2010鄄10鄄27
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: caiyl@ urban. pku. edu. cn
基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价
———以贵州省毕节地区为例
李摇 昊1, 蔡运龙1,*, 陈睿山1, 陈摇 琼1,2, 严摇 祥1
(1. 北京大学城市与环境学院 地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京摇 100871;
2. 青海师范大学生命与地理科学学院,西宁摇 810008)
摘要:中国西南喀斯特地区生态环境脆弱,人口压力和不合理的土地利用方式使得土地退化问题严峻。 2000 年以来,国家开始
在该地区推行退耕还林等一系列生态工程。 需要评估这些工程的效果,以期为进一步的生态建设工程决策提供科学依据。 以
贵州省毕节地区为例,利用 SPOT鄄VGT NDVI遥感数据,以大规模开展退耕还林工程前的 1998—2001 年为基准,建立 NDVI鄄气候
响应模型,在此基础上结合残差法来分析 2002—2008 年以退耕还林工程为主的人为因素在当地生态恢复中的作用。 结果表
明,近年来开展的生态工程使得整个毕节地区植被条件得到了明显的改善,但在东部大方、黔西一些区域土地退化的趋势仍未
扭转,需要今后进一步的政策引导和开展后续生态工程。
关键词:植被遥感; NDVI; 喀斯特; 毕节地区; 退耕还林工程; 效果评价
Effect assessment of the project of grain for green in the karst region in
Southwestern China: a case study of Bijie Prefecture
LI Hao1, CAI Yunlong1,*,CHEN Ruishan1, CHEN Qiong1,2, YAN Xiang1
1 College of Urban and Environmental Sciences, Peking University; Key Laboratory of Analysis and Simulation of Earth Surface Processes, Ministry of
Education, Beijing 100871, China
2 Biological and Geographical Sciences Institute, Qinghai Normal University, Xining 810008, China
Abstract: The karst region in Southwestern China possesses fragile eco鄄environment. With increasing population pressure
and irrational land use, the local environment had experienced severe degradation showing as soil erosion, loss of soil
fertility and deterioration of vegetation cover in the past decades. Since 2000, a series of ecological restoration projects,
including the project of Grain for Green (conversion cropland into forest or pasture), have been implemented in this region.
It is quite necessary and important to assess the effect of these projects so as to provide a scientific basis for decision鄄making
of further ecological restoration projects. This paper takes Bijie Prefecture in Guizhou Province as a case study. Factors
influencing the vegetation dynamics are identified as climate change and human activities. In order to verify the NDVI trends
imposed by human influences such as the project of Grain for Green, this paper establishes a linear regression model
between NDVI and climate by means of SPOT鄄VGT NDVI data and meteorological data from 1998 to 2001. By performing
lots of linear regression calculations, the NDVI鄄climate influence model identifies accumulated precipitations from January to
June and accumulated temperature from April to July as independent variables, and the NDVI from 200d to 210d per year
which is assumed to be the max value of the year as the dependent variable. The model is also calculated at the pixels level
with 1000m resolution. Then the residual trends of actual NDVI and simulated NDVI from 2002 to 2008 are calculated.
Positive or negative trends expressed in the residuals are interpreted as human鄄induced restoration or degradation. Since
vegetation condition is influenced by a series of ecological restoration projects in Bijie Prefecture, the effort of the project of
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Grain for Green should be distinguished from other ecological projects before evaluation. Combined with the result of
residual analysis, the land鄄use data is also used. In particular, the paper evaluates the residual trends of cropland pixels
which are extracted from land鄄use data because there is a strong correspondence between the project of Grain for Green and
the recovery of vegetation on converted cropland. Finally the paper cites statistical data to validate the result. The results
indicate that local vegetation condition has been significantly improved by the ecological projects since 2002. However,
regional differences still exit in Bijie Prefecture. The trend of degradation has not been reversed in the east part such as
Dafang county and Jinsha county. This suggests that the further ecological restoration projects are still needed in the karst
region. The results also show that the converted land types of most restoration pixels are shrub land, grassland and
cropland. 91. 68% recovery cropland pixels are located at the hills where cropland must be converted to woods or grass.
Compared the number of recovery cropland pixels and the area of the project of Grain for Green implemented from 2002 to
2008 in each county, further analysis shows that there is an obvious positive relationship between the number of pixels and
the area converted in the project of Grain for Green, except Hezhang county and Dafang county, which proved the
effectiveness of the method.
Key Words: vegetation remote sensing; NDVI; karst region; Bijie Prefecture; Project of Grain for Green; effect
assessment摇
中国西南喀斯特地区是世界上面积最大的喀斯特连续带,面积超过 55 万 km2,也是喀斯特发育最典型、
最复杂、景观类型最丰富的一个片区[1]。 西南喀斯特地区地形破碎,土层薄瘠,水土流失严重,旱涝等灾害频
繁,生态环境十分脆弱,而现有居住人口超过 1 亿,人地矛盾十分突出。 20 世纪后几十年的不合理的土地利
用方式衍生出一系列生态环境问题,诸如耕地资源的大规模减少、植被破坏、水土流失、洪涝灾害、基岩大面积
裸露,进而导致土地退化和生态失衡,地表呈现类似于荒漠的石漠化景观。 使西南喀斯特山区陷入“生态脆
弱—贫困—掠夺式土地利用—资源环境退化—进一步贫困冶的恶性循环[2鄄4]。
西南喀斯特地区严峻的土地退化问题受到了包括政府、学者等社会各界的广泛重视,在全国推行生态退
耕的大背景下,从 2000 年开始,西南喀斯特地区也实施了包括退耕还林工程在内的一系列生态修复工程,开
展生态恢复工作[5]。 评估这些工程的效果,以期为进一步的生态建设工程决策提供科学依据,成为当前学术
界面临的重要任务。 由于喀斯特地区岩溶地貌发育,地貌形态破碎,许多生态修复工程范围局限在小流域等
局地尺度,因而前人的工作主要集中于对小区域尺度的生态建设示范区进行恢复效果评价,采用的方法也多
是层次分析法、市场价格法等数量评价方法[6鄄9]。 如果区域差异较大,这些方法往往难以由点及面,向整个区
域推广[10],目前对于喀斯特地区大面积的生态恢复效果评价还没有一套公认有效的方法。 遥感影像具有观
测尺度大、观测时间序列长、间隔周期短的特点,在大区域尺度进行生态修复效果评价时具有明显的优势。 退
耕还林工程实施范围广、退耕地面积大,同时工程效果在于恢复植被,因此利用遥感影像计算归一化植被指数
NDVI(Normal Differential Vegetation Index),在大区域尺度上进行生物量和覆盖度测量,可以用于西南喀斯特
地区退耕还林工程效果的评价。
贵州省毕节地区水土流失现象非常严重。 为改善生态环境,历年来政府实施了众多生态修复工程。 2000
年后在毕节开展的主要工程项目包括退耕还林工程、天然林保护工程、石漠化专项治理工程以及其他一些林
业建设工程。 这些工程相互配合,对恢复毕节植被、改善环境条件起到了积极作用。 但是由于工程众多,很难
对所有的生态修复工程进行定量分析,进而评价工程效果。 退耕还林工程只涉及到将坡耕地转变为林地、草
地,便于同土地利用数据结合,因此研究选择对毕节地区退耕还林工程进行分析。
1摇 研究区与数据
1. 1摇 研究区域
毕节地区位于贵州省西北部,北部和西部分别与四川省、云南省毗邻。 地理范围为 105毅36忆—106毅43忆E,
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26毅21忆—27毅46忆N(图 1),下辖毕节、大方、黔西、金沙、织金、纳雍、威宁、赫章等 8 个县(市),土地总面积
26846km2,2008 年末总人口 740 万人,农业人口 704. 49 万人,占总人口的 92. 8% ,少数民族占总人口的 28% 。
毕节地区境内多山,地形西高东低,平均海拔 1400m,西部地区以高中山地貌为主,东部地形主要为低中山丘
原、丘陵、盆地。 毕节地区岩溶地貌发育,碳酸盐岩出露面积占总面积的 79. 31% ,喀斯特地形发育极为典型。
境内大部分地区属于北亚热带湿润季风气候,年均温 10. 5—15. 1益,年降水 854. 0—1444. 0 mm,土壤类型有
黄棕壤、黄壤、石灰土、紫色土、水稻土、沼泽土等。 毕节地区植被具有明显的中亚热带特征,处于贵州高原湿
润性常绿阔叶林地带和云贵高原半湿润性常绿阔叶林地带之间的过渡地带。 主要植被类型有以栎林为代表
的常绿阔叶林、以云南松为代表的针叶林,还有灌丛和中高山草场植被[11]。
毕节地区威宁县与赫章县之间的大湾镇归属六盘水市管辖。 为处理方便,研究将大湾镇也并入毕节地区
一并处理。
图 1摇 毕节地区行政区、海拔以及周边气象站点分布图
Fig. 1摇 The location of Bijie Prefecture and the distribution of height and weather station
1. 2摇 NDVI数据
研究选用由比利时 Flemish 技术研究所(Flemish Institute for Technological Research)提供的 1998—2008
年的 SPOT鄄VGT NDVI数据(http: / / free. vgt. vito. be / )。 数据空间分辨率为 1km,时间分辨率为旬,时间范围
为 1998 年 4 月至 2008 年 12 月。 获得的 SPOT鄄VGT遥感数据已经过 MVC(maximum value composite)方法处
理,为了进一步减少云、大气等噪声对数据的影响,利用时间序列谐波分析算法对 SPOT鄄VGT 数据进行滤波
处理。
1. 3摇 气象数据
研究所用的气象数据集从中国气象局获得,包括毕节地区及周边的 22 个气象站点(图 1)。 数据内容为
1998 年 1 月—2008 年 12 月逐月的月平均温度,降水量以及各站点的经度、纬度和海拔高度。 利用 ANUSPLIN
软件对月均温和降水量进行插值,获得毕节地区每个像元逐月的气象数据。 插值结果通过广义交叉验证,验
证精度满足数据分析要求。
7523摇 12 期 摇 摇 摇 李昊摇 等:基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价———以贵州省毕节地区为例 摇
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ANUSPLIN软件是基于薄盘样条法 TPS (Thin Plate Spline)所编写的针对气候数据曲面拟合的专用软件。
它将地面高程信息作为协变量引入到气象数据插值中,非常适合长时间序列的气象数据插值,在国际上已经
获得广泛的应用。
1. 4摇 土地利用数据和 DEM数据
土地利用数据为中国科学院地理科学与资源研究所提供的贵州省 2000 年土地利用数据,由 Landsat TM
影像解译获得,空间分辨率为 30m,经过重采样处理将分辨率调整为 1km。 高程模型(DEM)数据由中国科学
院资源环境科学数据中心提供,空间分辨率为 1km,与研究所用的 NDVI数据相匹配。
土地利用数据和 DEM数据以及其他空间数据都选取 Albers 等面积投影。 投影参数为:第 1 纬线 25毅N;
第 2 纬线 47毅N;中央经线 110毅E。
2摇 评价方法
2. 1摇 残差法介绍
利用遥感数据来检测大尺度区域生态环境变化常用的方法是根据降水利用效率(Rainfall use efficiency,
RUE)、能量利用效率(Energy use efficiency, EUE)等指标,结合气候变化来分析和识别土地退化或改善区
域[12鄄13]。 但 RUE等指标常常与降水等气候指标有明显的相关,并且在不同年份变化较大,因此很多时候在识
别土地退化、恢复区域时并不可靠[14]。 近年来 Evans和 Geerken提出了残差分析法来识别和评价土地退化和
改善区域[14鄄15]。 卓莉、曹鑫、王静等人对该方法进行改进,并在内蒙古草原和黄河源区玛曲县进行了应用,取
得了较好的效果[10,16鄄17]。 目前残差趋势法主要用于分析干旱、半干旱地区草原植被受人类活动的影响,还没
有研究将此方法应用在亚热带地区阔叶林植被。 同时已有研究一般默认研究区内土地利用类型为草地,没有
结合土地利用数据来分析林地、草地、耕地等各种土地利用类型的植被条件改善趋势。
Evans认为在较短时间尺度内发生的土地退化 /改善的原因主要来自气候的变化和人类活动的干扰。 为
了识别出人类活动作为主要变化驱动力的区域,应该将气候信息从 NDVI 序列中剔除。 因此残差分析法首先
将区域内每个像元 1a内 NDVI序列的最大值与气温、降雨等气象数据建立回归模型,利用建立的回归模型得
到每个像元在 1a时间序列上的 NDVI最大值的预测值,进而计算得到预测值与真值之间的残差序列。 NDVI
残差序列消除了气候变化对 NDVI值的影响,它的趋势变化反映了人类活动对土地利用的影响。 如果残差序
列有正趋势,表明区域植被在人类影响下得到改善和恢复,如果残差序列为负趋势,则表明区域植被在人为干
扰下遭到破坏。
Evans提出的残差法在应用时也存在不足,它将进行植被变化趋势分析的时间序列同时用来构建 NDVI鄄
气候响应模型,没有建立 1 个未退化的参考序列。 分析的结果可能会因为时间序列自身存在并不确定的变化
趋势而出现较大偏差[10]。 针对这些问题,曹鑫、王静[16鄄17]等和卓莉[10]分别做了改进。 曹鑫、王静等将进行分
析的遥感数据分为两段处理,利用前一时间段的遥感数据建立 NDVI鄄气候回归模型,后一时间段的遥感数据
进行趋势分析。 卓莉则针对时间序列较短的 NDVI 数据,将单个栅格像元一定邻域范围内 NDVI 值最大的像
元看作是受人类活动干扰最小的状态,以此为基准状态建立像元尺度的 NDVI鄄气候响应模型。
毕节地区境内多山,岩溶地貌发育,地形破碎度高,相邻像元间可能存在较大的地貌差异,利用邻近像元
来表示不受人类活动影响的状态,可能会存在较大的误差。 针对研究区域的实际情况,采用曹鑫等人提出的
改进方法。 毕节地区 2000 年开始推行退耕还林工程试点,但大规模的实施是从 2002 年正式开始,因此可以
将 1998—2001 年作为未受退耕影响的阶段。 如果将 2002 年及之后的数据引入回归序列,这可能使得建立的
NDVI鄄气候回归模型不能体现未受退耕工程影响的初始状态,在之后分析人为活动对植被的影响时出现较大
误差。 所以尽管 4a的时间序列长度较短,研究仍选用了 1998—2001 年共 4a的数据建立模型,在此基础上分
析 2002—2008 年毕节地区的植被恢复情况。
2. 2摇 NDVI鄄气候响应模型的建立
建立模型的第 1 步是确定毕节地区 NDVI最大值在 1 年 36 旬时间序列中的位置。 经过对所有像元 NDVI
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值逐旬的统计,发现除 2008 年毕节地区 NDVI最大值大多出现在第 28 旬外,其余年份 NDVI 最大值出现时间
在每年的第 21 旬(7 月底)前后波动。 进一步比较发现,2008 年毕节地区第 21 旬的 NDVI 值也是 1 个极大
值,并且与第 28 旬的 NDVI 最大值相差很小。 因此确定选取毕节地区每年第 21 旬的 NDVI 值作为全年的
NDVI最大值 NDVImax来引入模型。
气候条件是影响植物生长的重要因素,国内外有很多研究都对 NDVI 或者生物量与气候要素之间的关系
做过有意义的探索,证明 NDVI和降水、气温等气候要素之间有很好的相关关系。 研究区域遍及中高纬度的
草原、针叶林地带,热带雨林,荒漠半荒漠地区[17鄄20],但在我国西南喀斯特地区这类的研究工作相对少见。 不
同研究者选用的气象指标各不相同,常见的指标大致可分为以下几类:温度类指标,包括年均温、积温、月平均
温度等;降水类指标,包括单月降水、生长季降水累加;干湿度指标,包括相对湿度,干旱度指数等。 指标的具
体选取根据研究者所关注的研究区域和时间尺度以及数据可得性而灵活变动。
毕节地区位于我国西南地区,大部分地区属于北亚热带湿润季风气候,年均降水量大于 800mm,干旱并
不是限制植被生长的环境因素。 因此选取气温和降水作为影响植被 NDVI 的气候因子。 在具体指标的选取
上,经过对各月降水、气温均值和各月均值累加值的回归结果比较,选取了拟合效果最好的 4—7 月气温累加
值,1—6 月降水累积量作为变量引入模型。 这两个指标也具有现实的生态学意义,4 月是一般认为的生长季
开始月,毕节地区 4 月均温开始普遍高于 10益,4 月至 7 月气温累加值也可大致对应于 NDVI最高值出现前的
大于 10益积温值。 前人的许多研究表明降水对于生物量的影响具有明显的时滞性,我国南方地区植被生长
对降水量的增长的响应一般滞后 2—3 旬[21鄄23],因此选择 1—6 月的降水累积作为模型的另一个变量
NDVImax( i,t) = a移
7
i = 4
Ti( i,t) + b移
6
i = 1
P i( i,t) + c
式中,NDVImax为第 i个像元 t年第 21 旬的 NDVI值。 a为 NDVImax对于 4—7 月气温累加值移
7
i = 4
Ti的回归系
数,b为 1—6 月降水累积量移
6
i = 1
P i 的回归系数,c为常数项。
Evans等人的研究还证明基于单个像元所建立的局部回归模型相关系数普遍高于针对研究区所有像元
建立的全局回归模型。 从单个像元出发的局部模型考虑了区域内不同位置可能存在的地貌、水文、土壤和植
被的空间变异对 NDVI鄄气候关系的影响。 因此研究也针对研究区内所有像元逐个建立回归关系。
2. 3摇 计算 2002—2008 残差序列
利用建立的回归方程,得到 2002—2008 年逐个像元的 NDVI 最大值的预测值,将 NDVI 最大值的真值减
去预测值,得到结果要分析的残差时间序列:
着( i,t)= NDVImax鄄real( i,t)-NDVImax鄄predict( i,t)
将得到的残差序列按照 2002 年至 2008 年的时序排列,进行趋势分析。 如果得到的结果趋势为正,说明
该像元植被受人类活动影响得到改善;如果趋势为负,说明该像元植被在人为干扰下变差。
3摇 结果分析
3. 1摇 毕节总体 NDVI变化
为分析毕节地区 NDVI 2002—2008 年变化情况,首先选出所有像元每年第 21 旬的 NDVI 值(默认为全年
NDVI最大值),将 7a的 NDVI最大值取均值。 发现 2002—2008 年毕节地区大部分区域的 NDVI 最大值均值
处于 0. 65—0. 8 的范围内,植被较差的像元主要位于西部的威宁县。 毕节中东部的毕节市、大方县、纳雍县、
织金县植被较好,其中 NDVI最大值均值大于 0. 8 的区域主要分布在大方县、金沙县、毕节市等地。
对毕节地区 2002—2008 年 NDVI年际最大值进行线性拟合,结果表明在此期间全区域植被条件普遍改
善,全区 95%的区域 NDVI年增长值在 0—0. 03 之间。 与 NDVI最大值均值相比,原有植被条件相对较好的东
部大方、黔西等县 NDVI年均增长普遍不如西部威宁、赫章、纳雍等县明显。 毕节全地区只有不到 3%的区域
NDVI值拟合斜率为负值,负值区域主要集中在毕节市、金沙县、大方县。
9523摇 12 期 摇 摇 摇 李昊摇 等:基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价———以贵州省毕节地区为例 摇
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图 2摇 2002—2008 年毕节地区 NDVI最大值(第 21 旬)平均值分布
Fig. 2摇 The distribution of NDVImax mean in Bijie Prefecture, 2002—2008
图 3摇 2002—2008 年毕节地区 NDVI最大值(第 21 旬)年变化趋势分布
Fig. 3摇 The distribution of NDVImax trends in Bijie Prefecture, 2002—2008
3. 2摇 NDVI鄄气候模型检验
利用毕节地区 1998—2001 年共 4a数据建立 NDVI鄄气候模型。 由于时间序列较短,只有 14%的像元可以
通过显著性水平为 0. 1 的检验,模型平均相关系数为 0. 79。 可以发现赫章、大方两县通过检验的像元比例明
显低于其他各县市,其中赫章县通过检验的像元比例低于 3% 。
3. 3摇 植被恢复趋势空间分布分析
计算得到 2002 至 2008 年的残差序列后,进行趋势拟合,并对拟合结果在置信度水平为 0. 9 的条件下进
行检验,整个区域有 8. 40%的像元通过了检验,结果如图 5。 结果表明 2002—2008 年在人类活动干预下,毕
节地区植被普遍呈现改善趋势,只有约 15%的像元 NDVI 呈逐年减小的趋势。 其中 53. 73%的像元年增长率
在0—0. 02之间,18. 55%的像元年增长率在0. 02—0. 04之间。去除气候趋势影响后,结果表明威宁、纳雍、
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图 4摇 1998—2001 年毕节地区 NDVI鄄气候模型相关系数分布图
Fig. 4摇 Correlations between NDVImax with climate factors in Bijie Prefecture, 1998—2001
图 5摇 2002—2008 年毕节地区土地恢复趋势分布图
Fig. 5摇 The distribution of improving trends in Bijie Prefecture, 2002—2008
表 1摇 2002—2008 年毕节地区各县市植被恢复像元个数
Table 1摇 The number of restoration pixel in Bijie Prefecture, 2002—2008
地点 Site
轻微退化
Slight degradation
-0. 02—0 / (NDVI / a)
轻微恢复
Slight recovery
0—0. 02 / (NDVI / a)
中等恢复
Medium recovery
0. 02—0. 04 / (NDVI / a)
明显恢复
Significant recovery
0. 04—0. 06 / (NDVI / a)
恢复面积比 / %
Ratio of recovery area
毕节市 2 189 45 11 7. 33
大方县 19 128 9 0 3. 83
赫章县 2 22 8 9 1. 29
金沙县 1 93 29 3 5. 00
纳雍县 82 98 57 58 9. 24
黔西县 6 238 25 3 10. 33
威宁县 85 283 204 181 10. 51
织金县 131 122 28 12 6. 01
摇 摇 首行各列土地退化 /恢复分类中数值均指 NDVI残差的年变化率
1623摇 12 期 摇 摇 摇 李昊摇 等:基于植被遥感的西南喀斯特退耕还林工程效果评价———以贵州省毕节地区为例 摇
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黔西 3 县植被得到恢复的面积比例要高于金沙、毕节、织金 3 县市。 通过 NDVI鄄气候模型检验像元数量较少
的大方、赫章两县恢复区域比例也最小。
3. 4摇 植被恢复情况与退耕还林工程恢复关系分析
3. 4. 1摇 植被恢复区域的土地利用类型
残差法的目的是识别出人为活动对植被的影响,而土地利用类型集中反映了人类活动对环境的影响方式
和程度。 因此结合毕节地区 2000 年退耕前的土地利用图提取植被改善区域在当年的土地利用状况,排除少
数位于水域和城镇的不合理像元。 结果表明植被退化像元 2000 年时的土地类型全部为城乡建设用地和未利
用地,植被改善的像元土地利用类型则主要为灌木林、草地和耕地,分别占改善像元总数的 31. 54% 、
19郾 78% 、36. 93% 。 其中旱地中 91. 68%的面积位置位于山地,这部分耕地属于退耕还林工程必须退耕的部
分。 上述植被得到恢复的土地利用类型中大部分像元的 NDVI 年增长率在 0—0. 04 之间,属于轻微恢复和中
等恢复。
表 2摇 植被恢复像元 2000 年时土地利用类型
Table 2摇 The land use type of restoration pixels in 2000
土地利用类型
Land use type
轻微恢复
Slight recovery
0—0. 02 / (NDVI / a)
中等恢复
Medium recovery
0. 02—0. 04(NDVI / a)
明显恢复
Significant recovery
0. 04—0. 06(NDVI / a)
像元数
Pixel number
占比例
Percents
有林地 Woodland 49 19 12 80 4. 31%
灌木林 Shrub land 383 124 78 585 31. 54%
疏林地 Open forestland 88 31 19 138 7. 44%
草地 Grassland 197 103 67 367 19. 78%
耕地 Cropland 453 139 93 685 36. 93%
3. 4. 2摇 耕地像元植被恢复趋势与退耕还林工程关系分析
从植被得到改善的像元中提取出 2000 年土地利用类型为耕地的区域,统计其在各个县市的数目,并与
2000—2008 年毕节各市县退耕还林的总面积进行比较淤,发现除了赫章县和大方县由于通过 NDVI鄄气候模型
检验像元数量较少,使得退耕面积与植被恢复的耕地像元个数出现较大差距外,其余各县的退耕还林面积和
植被恢复的耕地像元有较明显的正向线性关系。 即退耕还林面积较大的县植被呈现恢复趋势的耕地像元个
数也越多。 这表明毕节各县开展的退耕还林工程起到了改善当地环境的作用。
表 3摇 毕节地区各县市 2002—2008 退耕还林面积
Table 3摇 The area of converted cropland in Bijie Prefecture, 2002—2008
地点 Site 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
退耕面积总计
Sum of area / km2
耕地像元个数
Pixel number
毕节市 70 33. 33 20 41. 6 15. 67 6. 67 10 197. 27 97
大方县 73. 33 76. 67 45. 33 66. 67 30. 53 26. 67 16. 67 335. 87 53
赫章县 73. 33 40 33. 33 34. 4 13. 33 13. 33 15 222. 72 8
金沙县 66. 67 53. 33 26 36. 07 13. 33 20 13. 33 228. 73 68
纳雍县 80 53. 33 33. 33 36. 07 26. 67 4 10 243. 4 84
黔西县 90 40 17. 33 16. 47 5. 13 1. 33 6. 67 176. 93 111
威宁县 93. 33 96. 67 65. 33 33. 33 8. 67 6. 67 18. 33 322. 33 192
织金县 73. 33 73. 33 32. 67 31. 4 10 8 10 238. 73 76
全区合计 620 466. 67 273. 33 296 123. 33 86. 67 100 1965. 98 685
2623 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
淤 退耕面积数据来自毕节地区林业厅《毕节地区退耕还林实施情况表》
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图 6摇 退耕面积与耕地像元关系图
摇 Fig. 6 摇 The relationship of the area of converted cropland and
the number of cropland pixels
4摇 结论与讨论
(1)西南喀斯特地区近年来推行的退耕护林、封山
育林、经果林建设等一系列生态恢复工程对于遏制当地
水土流失和石漠化扩展起到了积极的作用。 利用遥感
数据对贵州省毕节地区的监测表明,全地区植被条件普
遍得到改善,97%的区域在 2002—2008 年间 NDVI值处
于增长趋势。 其中西部威宁、赫章、纳雍等原有植被条
件较差、生态环境比较恶劣的区域改善尤为明显。 而中
东部大方、织金等县市植被改善趋势低于西部各县,并
有一定面积的区域植被退化。
(2)研究利用 1998—2001 年的遥感和气象数据建
立基于像元尺度的 NDVI鄄气候响应模型,根据残差法消
除气候因子对 NDVI的贡献,得到 2002—2008 年人为因素对于毕节地区土地植被的影响趋势。 结果表明在人
为干预下毕节地区植被条件得到普遍的改善,威宁、纳雍、黔西等县的恢复面积比例要高于金沙、毕节、织金等
县市。 恢复区域在 2000 年时的初始土地利用类型主要为灌木林、草地和耕地。 研究利用 2000 年土地利用数
据,提取了残差法分析结果中的耕地像元,将毕节各县市范围内耕地像元的个数与退耕还林的面积进行比较,
发现除赫章和大方外,其他 6 个县的耕地像元个数与退耕面积呈现较明显的正向关系,说明退耕工程对于改
善当地生态环境有明显的作用。 赫章县和大方县由于通过 NDVI鄄气候模型检验的像元数过少,所以植被恢复
的耕地像元个数明显低于相应的退耕面积数。 同时也应注意通过 NDVI鄄气候检验的像元中,也有一定比例的
像元呈现明显的植被恶化趋势,这也表明西南喀斯特地区在巨大的人口压力下,生态修复和土地退化治理仍
是 1 个长期、艰巨的过程,需要政府进一步的政策引导和资金、技术投入。
研究表明残差法在西南地区应用具有一定的可行性和实际意义,但是由于西南地区特殊的气候、地貌、植
被条件,使得该方法在这个地区的应用具有局限性,研究中 NDVI鄄气候模型的精度不令人满意,仍需要继续改
进。 其原因可能包括以下几点:西南地区常年多云,使得大气噪声对此区域的遥感数据影响较大,尽管对
SPOT鄄VGT数据进行滤波处理可以部分修正这个问题,但是仍然存在误差;地貌复杂,地势起伏、地形破碎的
特点,对这个地区的 NDVI鄄气候模型的精度产生一定影响,今后可以尝试利用分辨率更高的遥感和 DEM数据
进行分析;同时西南地区植被类型多样,不具有温带草原植被区的均一性,植被生长与气候要素的关系多样
化。 此外人为活动的影响可能也使得某些区域植被生长不完全依赖于气候条件,例如人为的灌溉使得降水对
农作物的生长影响减小。 这些因素都会造成基于像元尺度的 NDVI鄄气候模型出现误差。 因此西南地区植被
类型、地貌、土壤等因素对植被生长与气候要素关系的影响,将是之后研究的重要方向。
致谢:中国科学院地理科学与资源研究所和资源环境科学数据中心提供相应基础数据,中国科学院李召良研
究员、赵伟硕士、北京大学徐林博士、刘立硕士在数据处理方面提供帮助,特此致谢。
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4623 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 12 June,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Effect assessment of the project of grain for green in the karst region in Southwestern China: a case study of Bijie Prefecture
LI Hao, CAI Yunlong,CHEN Ruishan, et al (3255)
………
………………………………………………………………………………
The effect of dispersal on the population dynamics of a host鄄parasite system in fragmented landscape SU Min (3265)………………
The effect of spatial scales on wetland functions evaluation: a case study for coastal wetlands in Yancheng, Jiangshu Province
OU Weixin, YE Lifang, SUN Xiaoxiang,et al (3270)
………
………………………………………………………………………………
Effects of simulated nitrogen deposition on nutrient balance of Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) seedlings
FAN Houbao, LIAO Yingchun, LIU Wenfei, et al (3277)
……………………
…………………………………………………………………………
The water conservation study of typical forest ecosystems in the forest transect of eastern China
HE Shuxia, LI Xuyong, MO Fei, et al (3285)
………………………………………
……………………………………………………………………………………
The ecological responses of Pinus tabulaeformis forests in Taiyue Mountains of Shanxi to artificial Harvesting
GUO Donggang,SHANGGUAN Tieliang,BAI Zhongke, et al (3296)
…………………………
………………………………………………………………
The influence of the long鄄term application of organic manure and mineral fertilizer on microbial community in calcareous fluvo鄄
aquic soil ZHANG Huanjun, YU Hongyan, DING Weixin (3308)…………………………………………………………………
Endophytic fungal diversity of five dominant plant species in the dry鄄hot valley of Yuanjiang, Yunnan Province, China
HE Caimei, WEI Daqiao, LI Haiyan, et al (3315)
………………
…………………………………………………………………………………
Seedling recruitment in desert riparian forest following river flooding in the middle reaches of the Tarim River
ZHAO Zhenyong, ZHANG Ke, LU Lei, et al (3322)
………………………
………………………………………………………………………………
Scaling up for transpiration of Pinaceae schrenkiana stands based on 8hm permanent plots in Tianshan Mountains
ZHANG Yutao, LIANG Fengchao, CHANG Shunli, et al (3330)
……………………
…………………………………………………………………
Responses of soil enzyme activities and microbial biomass N to simulated N deposition in Gurbantunggut Desert
ZHOU Xiaobing, ZHANG Yuanming, TAO Ye, et al (3340)
……………………
………………………………………………………………………
Effects of Pb on growth, heavy metals accumulation and chloroplast ultrastructure of Iris lactea var. Chinensis
YUAN Haiyan, GUO Zhi, HUANG Suzhen (3350)
………………………
…………………………………………………………………………………
Effects of temperature and sap flow velocity on CO2 efflux from stems of three tree species in spring and autumn in Northeast
China WANG Xiuwei, MAO Zijun, SUN Tao, et al (3358)………………………………………………………………………
The soil seed bank of Eupatorium adenophorum along roadsides in the south and middle area of Yunnan, China
TANG Yingyin, SHEN Youxin (3368)
……………………
………………………………………………………………………………………………
Extracting the canopy structure parameters using hemispherical photography method
PENG Huanhua, ZHAO Chuanyan,FENG Zhaodong,et al (3376)
……………………………………………………
…………………………………………………………………
The CCA analysis between grasshopper and plant community in upper reaches of Heihe River
ZHAO Chengzhang, ZHOU Wei, WANG Keming, et al (3384)
…………………………………………
……………………………………………………………………
Community structure characteristics of phytoplankton in argun River Drainage Area in autumn
PANG Ke, YAO Jinxian, WANG Hao, et al (3391)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Spatial and temporal variation of phytoplankton and impacting factors in Jiulongjiang Estuary of Xiamen, China
WANG Yu, LIN Mao, CHEN Xingqun, et al (3399)
………………………
………………………………………………………………………………
Effect of bank type on fish biodiversity in the middle鄄lower reaches of East Tiaoxi River, China
HUANG Liangliang, LI Jianhua, ZOU Limin, et al (3415)
………………………………………
………………………………………………………………………
Study on dynamic changes of soil and water loss along highway based on RS / GIS: an example of Yujing expressway
CHEN Aixia, LI Min, SU Zhixian, et al (3424)
…………………
……………………………………………………………………………………
The urbanization effects on watershed landscape structure and their ecological risk assessment
HU Hebing,LIU Hongyu,HAO Jingfeng,et al (3432)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Assessment of ecological risk of coastal economic developing zone in Jinzhou Bay based on landscape pattern
GAO Bin, LI Xiaoyu, LI Zhigang, et al (3441)
………………………
……………………………………………………………………………………
Impacts ofland use and cover changes on ecosystem service value in Zoige Plateau
LI Jinchang, WANG Wenli, HU Guangyin, et al (3451)
……………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effect of chicken manure application on Cu and Zn accumulation in soil and Brassica sinensis L.
ZHANG Yan,LUO Wei,CUI Xiaoyong, et al (3460)
………………………………………
………………………………………………………………………………
GIS analysis of structural characteristics of pollution sources in irrigable farmland in Ningxia China
CAO Yanchun,FENG Yongzhong,YANG Yinlu,et al (3468)
…………………………………
………………………………………………………………………
Effects of pre鄄sowing soil moisture and planting patterns on photosynthetic characteristics and yield of summer soybean
LIU Yan, ZHOU Xunbo, CHEN Yuhai, et al (3478)
………………
………………………………………………………………………………
In situ study on influences of different fertilization patterns on inorganic nitrogen losses through leaching and runoff: a case of
field in Nansi Lake Basin TAN Deshui, JIANG Lihua, ZHANG Qian, et al (3488)……………………………………………
Effects of AM fungi on leaf photosynthetic physiological parameters and antioxidant enzyme activities under low temperature
LIU Airong, CHEN Shuangchen, LIU Yanying, et al (3497)
…………
………………………………………………………………………
Effects of exogenous cysteine on growth, copper accumulation and antioxidative systems in wheat seedlings under Cu stress
PENG Xiangyong, SONG Min (3504)
…………
………………………………………………………………………………………………
Review and Monograph
The horizon scanning technology and its application prospect in Ecology HU Zimin, LI Jingjing, LI Wei, et al (3512)………………
Scientific Note
The gas exchange characteristics of four shrubs on the northern slope of Kunlun Mountain
ZHU Juntao, LI Xiangyi, ZHANG Ximing, et al (3522)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of DEM data at different scales on the accuracy of forest Ecological Classification system
TANG Lina, HUANG Jucong, DAI Limin (3531)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Canopy interception of rainfall by Bamboo plantations growing in the Hill Areas of Southern Jiangsu Province
JIA Yongzheng, HU Haibo, ZHANG Jiayang (3537)
…………………………
………………………………………………………………………………
Effects of exotic species slash pine (Pinus elliottii) litter on the structure and function of the soil microbial community
CHEN Falin, ZHENG Hua, YANG Bosu, et al (3543)
………………
……………………………………………………………………………
The carbon emission analysis of Shenzhen Metro XIE Hongyu, WANG Xixiang, YANG Muzhuang, et al (3551)……………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 12 期摇 (2011 年 6 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 12摇 2011
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