基于ＲＵＥ與ＮＤＶＩ的人類活動(dòng)對牧區(qū)植被變化干擾強(qiáng)度的研究

丁鵬凱 邵懷勇 仙巍 李波 易霞 楊青林

摘要：利用歸一化植被指數(shù)（NDVI）與降水利用率（RUE）結(jié)合最小二乘法進(jìn)行趨勢分析，分析2000—2014年人類活動(dòng)對川西北江河源區(qū)植被變化的干擾強(qiáng)度。結(jié)果表明，2000—2014年研究區(qū)植被強(qiáng)度總體好轉(zhuǎn)，2000—2010年研究區(qū)植被恢復(fù)良好，2010—2014年研究區(qū)植被局部顯著退化區(qū)域明顯多于顯著恢復(fù)區(qū)域。2000—2014年研究區(qū)內(nèi)人為因素對植被變化的干擾總體以負(fù)向干擾為主，負(fù)向干擾面積占研究區(qū)總面積的57.59%，正向干擾面積占21.85%。其中，2000—2005年研究區(qū)人類活動(dòng)對植被的變化主要呈中度正向干擾，2005—2010年主要呈輕度正向干擾，而2010—2014年人為負(fù)向干擾嚴(yán)重。人類活動(dòng)對研究區(qū)內(nèi)植被變化的負(fù)向干擾以輕度負(fù)向干擾為主，主要分布于石渠、阿壩、紅原、若爾蓋四縣，而強(qiáng)度人為負(fù)向干擾主要位于石渠縣;人為正向干擾以中度人為正向干擾為主，主要集中于石渠縣北部;甘孜、色達(dá)、壤塘三縣無明顯人為干擾。

關(guān)鍵詞：NDVI;RUE;植被變化;趨勢分析;人類活動(dòng)

中圖分類號(hào)：Q948.15? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2018）23-0048-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.012? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

植被是陸地表面最突出的土地覆蓋類型，其變化在全球能量循環(huán)及物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)中具有重要影響。歸一化植被指數(shù)（NDVI）是地表植被覆蓋特征的重要指標(biāo)之一，由遙感圖像獲取歸一化植被指數(shù)（NDVI）被廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測、農(nóng)作物估產(chǎn)及干旱監(jiān)測等方面。植被變化是氣候因素與人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。近年來對于氣候因素對植被變化影響的研究較多，但定量評價(jià)人類活動(dòng)對植被變化的研究相對較少，根據(jù)這些研究，可以將定量評價(jià)人類活動(dòng)影響的方法分為4類，修正NDVI法或利用降水利用率（RUE）、殘差法、主成分分析或因子分析法以及利用通用標(biāo)準(zhǔn)來衡量不同驅(qū)動(dòng)因素的影響[1-9]。降水利用率（RUE）是地面凈初級生產(chǎn)力（NPP）與降水量的比值，為理解降水與植被生產(chǎn)力之間的關(guān)系，以及植被退化的評估提供了一個(gè)簡單而有效的指標(biāo)[10]。從近年來的研究來看，NDVI與NPP存在線性關(guān)系[11，12]，利用年累計(jì)NDVI代替NPP計(jì)算RUE可以減少NPP噪聲的影響且更加具有操作性[13-16]。

川西北江河源區(qū)地處青藏高原東緣，橫斷山區(qū)高山峽谷向高原過渡地帶，是長江、黃河水系重要的水源涵養(yǎng)地。該區(qū)地勢高峻、氣候寒冷，生態(tài)環(huán)境先天脆弱。草地長期過渡放牧，導(dǎo)致沼澤與草地退化，沙化嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)受到嚴(yán)重威脅，生態(tài)地質(zhì)環(huán)境脆弱性加劇，已威脅到四川省乃至長江、黃河流域的安全[17，18]。

本研究結(jié)合NDVI與RUE的變化趨勢，剔除降水量對植被變化的影響，對2000—2014年川西北江河源區(qū)人類活動(dòng)對植被變化的干擾強(qiáng)度進(jìn)行定量化研究[9，19]，旨在探討NDVI與RUE相結(jié)合從而分析人類活動(dòng)對川西北江河源區(qū)植被變化影響強(qiáng)度的方法，并對研究區(qū)植被變化原因進(jìn)行分析，準(zhǔn)確把握近年來國家與地方政府出臺(tái)政策對該地區(qū)植被現(xiàn)狀的影響以及近年來保護(hù)政策下草地恢復(fù)的效果，為相關(guān)部門制定植被保護(hù)政策提供相關(guān)依據(jù)，有利于研究區(qū)的和諧發(fā)展。

1? 研究區(qū)概況

川西北江河源區(qū)位于四川省西北部，與西藏藏族自治區(qū)、青海省和甘肅省交界（圖1）。包括石渠、甘孜、色達(dá)、壤塘、阿壩、紅原、若爾蓋共7個(gè)縣，面積共73 495.63 km2，占四川省總面積的15.12%。川西北江河源區(qū)植被類型以草地為主，作為中國八大牧區(qū)之一，地處青藏高原東緣，橫斷山區(qū)高山峽谷向高原過渡地帶，是長江、黃河水系重要的水源涵養(yǎng)地。該區(qū)海拔較高，平均海拔3 500 m以上，年均溫-2～4 ℃，年平均降水量在500～800 mm，生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于高寒氣候，加上多年來過度放牧，沼澤和草地退化嚴(yán)重。

2? 數(shù)據(jù)與方法

2.1? 數(shù)據(jù)源

2.1.1? NDVI數(shù)據(jù)? NDVI數(shù)據(jù)采用NASA Goddard Space Flight Center提供的2000—2014年MOD13Q1數(shù)據(jù)集中的NDVI產(chǎn)品，正弦曲線投影，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。本研究應(yīng)用MRT、ArcGIS Python軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式與投影轉(zhuǎn)換、圖像拼接與裁剪得到研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用最大值合成法將16 d NDVI數(shù)據(jù)合成為月均值，從而消除云、霧及太陽高度角等因素對NDVI的影響。

2.1.2? 降水?dāng)?shù)據(jù)? 降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，主要為研究區(qū)及其周邊共17個(gè)氣象站點(diǎn)提供的年降水?dāng)?shù)據(jù)。利用克里金插值法對年降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行插值，進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)2000—2014年降水量柵格圖像。

2.1.3? RUE數(shù)據(jù)? RUE的定義為實(shí)際NPP與降水量的比值。初級生產(chǎn)力與NDVI之間存在線性關(guān)系[13]，根據(jù)此理論，可以利用年累計(jì)NDVI來代替NPP計(jì)算RUE，NDVI可以通過地球觀測系統(tǒng)直接獲得，而通過地球觀測直接獲得的NPP會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。因此，本研究利用NDVI數(shù)據(jù)與降水對RUE進(jìn)行估算。

2.2? 研究方法

2.2.1? 最小二乘法? 利用最小二乘法來估計(jì)NDVI、RUE隨時(shí)間變化的線性趨勢，能夠更合理準(zhǔn)確地反映出研究區(qū)NDVI與RUE變化的趨勢;另外，利用最小二乘法基于像元求解線性趨勢可以更好地分析研究區(qū)NDVI與RUE隨時(shí)間變化在空間上的差異[20-22]。最小二乘法公式如下：

其中，i等于1時(shí)表示2000年，n表示2000—2014年的年份數(shù)，IMPORTi表示輸入的數(shù)據(jù)，在本研究中代表NDVI或RUE，Slope則表示NDVI或RUE從2000—2014年的變化趨勢。

2.2.2? 利用NDVI與RUE斜率初步判定人類活動(dòng)干擾的區(qū)域? 如果NDVI與RUE均呈明顯的上升趨勢，表明在降水下降或者變化不明顯的情況下NDVI出現(xiàn)明顯的增長，則認(rèn)為人為正向干擾大于降水的作用，NDVI的增長主要由強(qiáng)度人為正向干擾導(dǎo)致（圖2a）。若NDVI與RUE均呈明顯的下降趨勢，表明在降水增加或者變化不明顯的情況下，NDVI出現(xiàn)明顯的降低，則認(rèn)為NDVI的減少主要是由于強(qiáng)度人為負(fù)向干擾導(dǎo)致（圖2b）。如果NDVI呈明顯上升趨勢，RUE呈明顯下降趨勢，表明降水量的增加導(dǎo)致了NDVI的明顯上升，則認(rèn)為NDVI的增加主要是由降水引起（圖2c）。如果NDVI呈明顯的上升趨勢，RUE變化不明顯，表明降水的增加導(dǎo)致了NDVI的增加，人為干擾強(qiáng)度為中度正向干擾（圖2d）。如果NDVI呈明顯的下降趨勢，RUE呈明顯的上升趨勢，表明NDVI的下降主要是由于降水的嚴(yán)重下降引起的，則認(rèn)為是輕度人為負(fù)向干擾區(qū)域（圖2e）。如果NDVI呈下降趨勢，而RUE無明顯變化，則表明在降水增加的情況下NDVI出現(xiàn)明顯的下降，人為干擾較為強(qiáng)烈，判斷為中度人為負(fù)向干擾（圖2f）。如果NDVI變化不明顯，RUE出現(xiàn)明顯的上升，表明在降水減少的情況下NDVI保持穩(wěn)定，人為干擾較為強(qiáng)烈判斷為中度人為正向干擾（圖2g）。如果NDVI變化不明顯，RUE出現(xiàn)明顯的下降，表明在降水增加的情況下NDVI保持穩(wěn)定，人為干擾較為強(qiáng)烈判定為中度人為負(fù)向干擾（圖2h）。如果NDVI與RUE變化均不明顯則說明無明顯人為影響[9，13，19]。

通過對研究區(qū)以及各縣NDVI與RUE均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并求得各自趨勢，分析2000—2014年15年來研究區(qū)與各縣植被的變化情況，并對趨勢線進(jìn)行對比，總體上判斷人為干擾對牧區(qū)植被變化的影響。另外，在空間上對NDVI與RUE趨勢圖進(jìn)行疊加，基于像元來討論研究區(qū)人為干擾對植被變化的影響，將人為干擾對植被變化的影響分為七類。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 時(shí)間序列分析

通過對研究區(qū)NDVI及RUE 2000—2014年的平均值變化及線性趨勢（圖3、表1）分析，發(fā)現(xiàn)2000—2014年15年來研究區(qū)年均NDVI值總體上呈上升趨勢，年均上升0.000 7，最大值出現(xiàn)在2010年，為0.786 3，最小值出現(xiàn)在2008年，為0.745 5。分縣域來看，石渠縣、色達(dá)縣、若爾蓋縣、壤塘縣與甘孜縣最大值均出現(xiàn)在2010年，紅原縣、阿壩縣最大值出現(xiàn)在2005年，在2010年也出現(xiàn)峰值;15年間NDVI均值石渠縣最低，若爾蓋縣最高，分別為0.693 5、0.813 9。研究區(qū)所有縣在2000—2014年NDVI均呈上升趨勢。從表1的 NDVI線性趨勢可以看出，15年來若爾蓋縣NDVI值上升最快，年均上升0.001 1，超過研究區(qū)上升趨勢的50%，上升最慢的為紅原縣，年均上升僅0.000 2。

研究區(qū)15年來年均RUE總體呈下降趨勢，年均下降0.000 1。RUE最高值出現(xiàn)在2002年，為0.016 18，最低值出現(xiàn)在2012年。從各縣來看，除若爾蓋縣以外，其他各縣最高值均出現(xiàn)在2002年。由表1可以得到，各縣RUE線性趨勢均為負(fù)值，其中石渠縣RUE下降最快，為研究區(qū)平均下降速度的兩倍，壤塘縣與甘孜縣下降速度最慢，其他4個(gè)縣下降速度近于研究區(qū)RUE下降的速度。

對研究區(qū)以及研究區(qū)各縣NDVI、RUE分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<0.2）（表1）[13]。從整個(gè)研究區(qū)來看，NDVI無顯著變化，而RUE顯著降低，整個(gè)研究區(qū)植被變化的人為影響呈中度負(fù)向干擾。分縣域來看，每個(gè)縣NDVI均呈上升趨勢，但變化不明顯;石渠縣、若爾蓋縣、紅原縣與阿壩縣4個(gè)縣RUE均顯著降低，這4個(gè)縣對植被變化的人為干擾呈中度負(fù)向干擾，其余3個(gè)縣NDVI、RUE均無明顯變化，人為干擾不明顯。

3.2? 植被變化趨勢及人為干擾程度分時(shí)段分析與評價(jià)

通過研究，分別求得研究區(qū)NDVI及RUE 2000—2005年、2005—2010年、2010—2014年的平均值及變化趨勢顯著性分區(qū)，并通過空間疊加，得到研究區(qū)植被變化人為干擾程度分時(shí)段評價(jià)結(jié)果（圖4）。

從平均NDVI來看，研究區(qū)2000—2005年、2005—2010年、2010—2014年NDVI值空間分布無較大變化。從NDVI顯著變化來看，2000—2005年以增加為主并均勻分布于整個(gè)研究區(qū)，顯著減少區(qū)域極少;2005—2010也以顯著增加為主，顯著減少區(qū)域較少，主要分布于阿壩縣與紅原縣;2010—2014年則以顯著減少為主，整個(gè)研究區(qū)均有分布，顯著增加區(qū)域較少。從平均RUE來看，石渠縣平均RUE最高，色達(dá)縣、壤塘縣、阿壩縣與紅原縣RUE較低。從RUE顯著變化來看，2000—2005年以顯著減少為主，主要分布在石渠縣北部、若爾蓋縣與阿壩縣北部;2005—2010年以顯著增加為主，主要集中在甘孜、色達(dá)、壤塘與阿壩四縣，顯著減少區(qū)域較少，集中分布在若爾蓋縣;2010—2014年RUE顯著變化以顯著減少為主，主要分布在紅原縣以西各縣，顯著增加區(qū)域較少，主要分布在若爾蓋縣。

從評價(jià)結(jié)果來看，2000—2005年研究區(qū)人為干擾主要為中度正向干擾與輕度負(fù)向干擾，在整個(gè)研究區(qū)分布都較為均勻;2005—2010年人為干擾主要以正向干擾為主，輕度正向干擾與強(qiáng)度正向干擾主要集中在甘孜縣、色達(dá)縣、壤塘縣以及阿壩縣，石渠縣則以中度正向干擾為主，若爾蓋縣與紅原縣中度正向干擾零星分布，負(fù)向干擾以中度為主，零星分布于研究區(qū);2010—2014年研究區(qū)人為干擾主要以輕度負(fù)向干擾為主，輕度負(fù)向干擾集中分布在研究區(qū)西部各縣，強(qiáng)度負(fù)向干擾零星分布于研究區(qū)，中度負(fù)向干擾主要分布在若爾蓋縣與紅原縣，人為正向干擾區(qū)域較小，除若爾蓋縣輕度正向干擾較為集中外，正向干擾零星分布于其他縣。

3.3? 植被變化趨勢整體分析

通過對研究區(qū)NDVI及RUE 2000—2014年的平均值、變化斜率及變化趨勢顯著性分區(qū)（圖5）分析發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)RUE呈西高東低的趨勢，石渠縣最高，甘孜、若爾蓋以及色達(dá)西部整體上較高，甘孜東部、壤塘縣、阿壩縣與壤塘縣相對較低（圖5a）。從RUE變化斜率來看，增長區(qū)域主要集中在甘孜縣、色達(dá)縣和壤塘縣，其余各縣均以降低為主，其中石渠縣下降最為顯著（圖5b）。整個(gè)研究區(qū)RUE變化以顯著減少為主（圖5e），顯著減少區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的62.86%，無明顯變化區(qū)與顯著增加區(qū)域分別占37.06%、0.08%;甘孜縣、色達(dá)縣、壤塘縣雖然為增長區(qū)域但增長并不顯著，顯著增加區(qū)域面積較少，僅在甘孜南部有零星分布。

NDVI值除石渠縣外分布較均勻，石渠縣北部區(qū)域NDVI值均較低（圖5c）。研究區(qū)內(nèi)NDVI減少區(qū)域與增加區(qū)域無明顯差距（圖5d）。研究區(qū)NDVI變化趨勢以無明顯變化為主（圖5f），顯著減少區(qū)域與顯著增加區(qū)域除石渠縣外均勻零星分布;顯著減少區(qū)域、無明顯變化區(qū)域和顯著增加區(qū)域占研究區(qū)總面積比例分別為10.55%、68.89%、20.56%;在石渠縣北部顯著增長區(qū)域較為集中，南部則顯著減少較為集中。

3.4? 植被變化人為干擾程度整體評價(jià)

對2000—2014年NDVI與RUE趨勢圖進(jìn)行空間疊加，基于像元討論研究區(qū)人為干擾對植被變化的影響（圖6）。評價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)人為負(fù)向干擾總面積為42 458.94 km2，占研究區(qū)總面積的57.59%，人為負(fù)向干擾分為強(qiáng)度人為負(fù)向干擾、中度負(fù)向人為干擾與輕度負(fù)向人為干擾，以輕度人為負(fù)向干擾為主，三者面積分別為7 728.44、547.56、34 682.94 km2，各占研究區(qū)總面積的9.80%、0.74%與47.04%;無明顯人為干擾面積共16 109.94 km2，占研究區(qū)總面積的21.85%;人為正向干擾區(qū)域總面積為15 156.50 km2，占研究區(qū)總面積的20.56%，人為正向干擾同樣分為輕度正向人為干擾、中度正向人為干擾與強(qiáng)度正向人為干擾，以中度正向干擾為主，其面積分別為4 432.19、10 661.88、62.44 km2，各占研究區(qū)總面積的6.01%、14.46%與0.08%。

研究發(fā)現(xiàn)石渠縣南部強(qiáng)度負(fù)向人為干擾最為集中;中度負(fù)向人為干擾區(qū)域集中在甘孜縣、色達(dá)縣以及壤塘縣;輕度負(fù)向人為干擾區(qū)域在整個(gè)研究區(qū)分布較為均勻;甘孜縣與色達(dá)縣無明顯人為干擾區(qū)域占比較大;輕度正向人為干擾區(qū)域則主要分布在石渠縣、若爾蓋縣以及紅原縣;中度正向人為干擾區(qū)域主要集中在石渠縣，其余各縣均有分布;強(qiáng)度正向人為干擾區(qū)域，僅在甘孜最南端有分布。

4? 小結(jié)

從植被變化來看，研究區(qū)內(nèi)2000—2014年植被總體呈恢復(fù)趨勢。2000—2010年研究區(qū)NDVI顯著增加區(qū)域明顯，植被恢復(fù)良好;2010—2014年NDVI顯著減少區(qū)域遠(yuǎn)多于顯著增加區(qū)域，植被局部區(qū)域出現(xiàn)顯著退化。

從時(shí)間尺度來看，2000—2014年人為負(fù)向干擾面積占研究區(qū)總面積的57.59%，人為正向干擾面積占研究區(qū)總面積的21.85%，研究區(qū)植被變化人為干擾總體以負(fù)向干擾為主。研究區(qū)2000—2005年人類活動(dòng)對植被變化的影響主要呈中度正向干擾，2005—2010年間主要呈輕度正向干擾，而2010—2015年負(fù)向干擾嚴(yán)重。

空間尺度來看，2000—2014年研究區(qū)RUE降低區(qū)域主要集中在石渠縣、若爾蓋縣;增長區(qū)域主要集中在甘孜縣、色達(dá)縣和壤塘縣。NDVI減少與降低區(qū)域分布較為均勻。研究區(qū)植被變化人為負(fù)向干擾以輕度人為負(fù)向干擾為主，主要分布與石渠、阿壩、紅原、若爾蓋四縣，強(qiáng)度人為負(fù)向干擾主要集中于石渠縣;研究區(qū)植被變化人為正向干擾以中度人為正向干擾為主，整個(gè)區(qū)域均有分布，特別是石渠縣北部;無明顯人為干擾區(qū)域主要分布在甘孜、色達(dá)、壤塘三縣。

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