李美麗,尹禮昌,張 園,蘇旭坤,劉國華,王曉峰,奧 勇,伍 星,*
1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710064 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049
地表植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅是連接大氣、土壤和水體等自然元素的“紐帶”,也是其他生物賴以生存的基礎(chǔ)[1- 2],顯著影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)和能量交換[3],并在全球生態(tài)系統(tǒng)變化的研究中起著重要的“指示器”作用[4- 5]。隨著全球氣候變化和人類活動的不斷加劇,地表植被的動態(tài)變化以及對變化環(huán)境的響應(yīng)是生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域重點關(guān)注的熱點之一。植被覆蓋度(Fractional Vegetation Coverage, FVC)是指植被(包括葉、莖、枝)在地面上垂直投影的面積占研究區(qū)總面積的百分比[6],是監(jiān)測地表植被生長狀況的重要指標(biāo)之一,能夠直觀反映地表植被的豐度,不僅為分析全球生態(tài)環(huán)境的演變提供了可靠的手段[7],也可作為評估區(qū)域氣候變化、土地沙漠化和區(qū)域生態(tài)安全等方面的重要參數(shù)[8- 9]。
歸一化差值植被指數(shù)(Normalization Difference Vegetation Index, NDVI)和增強植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index, EVI)是目前反映植被生長狀況常用的兩個植被指數(shù)[10- 12]。雖然NDVI已經(jīng)被廣泛使用,但是其本身存在一些缺陷,特別是針對大氣噪聲、土壤背景及飽和度等問題的處理上存在一定的誤差[11]。近年來,一些研究發(fā)現(xiàn)相比于NDVI,EVI在NDVI的基礎(chǔ)上改進了算法和合成方法,進一步減少了大氣、土壤背景以及像元異常值的影響,并解決了NDVI易飽和等問題[13- 16],使得EVI不僅能反映高植被覆蓋區(qū)植被的生長狀況[13,17-18],還能在低植被覆蓋區(qū)對植被有更強的區(qū)分能力[14,19-21]。
我國西南地區(qū)植被覆蓋景觀連續(xù)性差、異質(zhì)性高,山區(qū)石漠化和水土流失嚴(yán)重,地震和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁,是我國典型的氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[22]。為了有效遏制該地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化,構(gòu)建西南地區(qū)生態(tài)安全屏障,國家和地方政府實施了一系列生態(tài)恢復(fù)工程。植被覆蓋的動態(tài)監(jiān)測和評價是生態(tài)恢復(fù)工程治理成效的重要參考指標(biāo)之一,但由于西南地區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣,人類活動強度的區(qū)域異質(zhì)性顯著,植被受地形等因子的影響較為突出,動態(tài)監(jiān)測的難度較大[2]。目前,該地區(qū)的植被變化研究主要集中在區(qū)域尺度的NDVI空間變異性[2]、季節(jié)和年際變化與氣候因子等關(guān)系的探討上[21, 23-25],而針對整個西南地區(qū)運用EVI在長時序上從穩(wěn)定性等方面來分析植被覆蓋時空分異特征的研究還較少[26]。因此,基于MODIS-EVI和氣象數(shù)據(jù),利用最大值合成法、像元二分模型和趨勢分析等方法探討西南地區(qū)植被覆蓋的時空演變規(guī)律,揭示植被覆蓋變化的時空異質(zhì)性以及關(guān)鍵驅(qū)動因素,以期為西南地區(qū)的植被覆蓋監(jiān)測與評估和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
本研究所指西南地區(qū)(21°08′—36°29′N, 87°22′—112°03′E),主要包括貴州、廣西、重慶、云南和四川五省(市、自治區(qū))全境以及青海省南部和西藏東南部的部分縣市,總面積約213.24萬km2(圖1)。該地區(qū)地形地貌復(fù)雜,地勢西高東低,橫跨青藏高原東南部、橫斷山脈、若爾蓋高原、四川盆地和廣西丘陵等地貌,并且也是我國喀斯特和冰川地貌分布最為廣泛的地區(qū)[26]。該地區(qū)氣候類型以亞熱帶季風(fēng)氣候,熱帶季風(fēng)雨林氣候和青藏高原獨特的高原氣候為主,垂直氣候差異顯著,年均氣溫在0—24℃之間,年降水量在600—2300 mm范圍內(nèi),由東南向西北遞減[27]。該地區(qū)復(fù)雜的地貌和氣候分布特征形成了獨特的植被分布格局以及豐富的生態(tài)系統(tǒng)類型和生物多樣性[25]。
1.2.1數(shù)據(jù)來源
MODIS-EVI數(shù)據(jù)集來源于NASA MODIS陸地產(chǎn)品根據(jù)統(tǒng)計算法開發(fā)的MODIS數(shù)據(jù),即全球250 m分辨率16 d合成的植被指數(shù)產(chǎn)品,數(shù)據(jù)的行列號為h24v05,h25v05,h25v06,h26v05,h26v06,h27v05,h27v06,h28v06,數(shù)據(jù)版本為V006。本研究中所選取的數(shù)據(jù)為2001年1月至2015年12月的EVI數(shù)據(jù),每年23期,共345期影像。氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局信息中心的中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)提供的西南地區(qū)及周邊242個有效氣象站點2001—2015年逐日平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),利用Universal Kriging法插值成250 m分辨率的柵格。
1.2.2數(shù)據(jù)處理
利用MRT(MODIS Reprojection Tool)對下載的EVI數(shù)據(jù)進行批量拼接和重采樣,轉(zhuǎn)化為WGS- 84_UTM-zone- 48坐標(biāo)下tiff格式的影像。然后以西南地區(qū)邊界為掩膜進行裁剪,生成西南地區(qū)EVI影像。綜合植被覆蓋時間及空間的變化特征將15年的影像以5年為間隔,分為2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年3期數(shù)據(jù),基于MATLAB軟件采用最大值合成法(Maximum Value Composite, MVC)獲取逐年EVI的最大值。采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行氣象數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,應(yīng)用MATLAB軟件進行重采樣和影像的裁剪,應(yīng)用Python語言在ArcGIS 10.2.2軟件中定義投影并進行插值。
最大值合成法(MVC)是目前國際上通用的最大化合成法。用于將月數(shù)據(jù)進一步消除云、大氣、太陽高度角的部分干擾[28-30],基于最大值合成法獲取逐年EVI最大值,以使EVI更真實的反應(yīng)地表植被覆蓋狀況。計算公式為:
MEVIij=MAX(EVIij)
(1)
式中,i為年序號,取值范圍是1—15;j是月序號,取值范圍為1—12,EVIij為第i年第j月的最大EVI值。
像元二分模型是估算植被覆蓋度常用的模型之一,其理論假設(shè)是任意像元所包含的光譜信息均為土壤和植被的兩部分,即EVI是由土壤的信息EVIsoil和植被信息EVIveg兩部分組成,計算公式為:
EVI=EVIsoil+EVIveg
(2)
式中, EVIsoil是指純土壤的像元值;EVIveg則是指純植被的像元值。該模型在一定程度上減少大氣、土壤背景等的影響。
基于像元逐年計算EVI年均值,其計算公式:
(3)
利用EVI計算植被覆蓋度,公式如下:
(4)
EVIsoil理論上多數(shù)情況下應(yīng)該約為零,但在不同地表環(huán)境,EVIsoil變化范圍一般為-0.1—0.2。同理,隨著植被類型和季節(jié)等因素的變化,EVIveg也會隨之改變。因此,采用某一固定的EVIsoil和EVIveg值,顯然是不準(zhǔn)確的。本研究根據(jù)西南地區(qū)的特點和前人的研究[31-34],選取0.5%的置信度,即累積百分比0.5%的為純土壤像元,99.5%的為純植被像元,其對應(yīng)的EVI值分別為EVIsoil和EVIveg,并將植被覆蓋度分為極低、低、中、高、極高5個等級(表1)。
表1 2001—2015年西南地區(qū)不同植被覆蓋度分類等級及面積比例
利用一元線性回歸分析法逐像元計算時序范圍內(nèi)的空間分異特性來反映植被的整體空間變化規(guī)律[22]。計算公式為:
(5)
式中,n為年序號,2001—2015年;FVCi為第i年的年均植被覆蓋度值,θslope是植被覆蓋度變化的回歸斜率,反映了近15年西南地區(qū)年植被覆蓋度的變化趨勢及變化幅度。θslope=0表示植被覆蓋無明顯變化,θslope>0表示植被覆蓋度呈增加趨勢,即植被覆蓋得到了改善,θslope<0表示植被覆蓋度呈減少的趨勢,即植被覆蓋發(fā)生了退化。
2.4.1偏相關(guān)分析
采用偏相關(guān)分析法對逐個像元研究近15年西南地區(qū)植被EVI與氣候因素(年均氣溫、年均降水量)的關(guān)系,計算出偏相關(guān)系數(shù),利用相關(guān)系數(shù)的大小來判斷兩者之間的密切程度,分析討論不同氣候因子對植被覆蓋的影響程度。其計算公式為:
(6)
式中,rx.yz為先把變量固定,求變量z與y的偏相關(guān)數(shù),rxy,rxz,ryz分別代表x與y變量、x與z變量、y與z變量的相關(guān)系數(shù)。采用T檢驗法進行顯著性檢驗。
2.4.2復(fù)相關(guān)分析
通過討論兩個氣候因素同時對植被指數(shù)影響的方法來分析氣候因素與植被指數(shù)的相關(guān)性。設(shè)x為因變量,y、z為自變量,將x與y、z間的復(fù)相關(guān)系數(shù)記為rxyz,其計算公式為:
(7)
式中,rxyz表示因變量x和自變量y、z的復(fù)相關(guān)系數(shù);rxy為變量x和y相關(guān)系數(shù),ry.xz為固定變量y之后變量x和z的偏相關(guān)系數(shù)。
復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗,采用F檢驗法。其統(tǒng)計量計算公式為:
(8)
式中,rxyz為復(fù)相關(guān)系數(shù),n為樣本數(shù),m為自變量個數(shù)。
酒堡如城堡,城墻上頭屹立高大的杜康塑像,酒神舉杯遙寄蒼天,儼然一個升帳點兵的酒元帥。而兵馬則是城墻下、酒堡周遭一排排一列列井然有序的酒壇子。壇頸封口的紅布和壇肚子上菱形的酒字帖,恰似將士威武的盔甲。不見殺氣騰騰,但聞酒香氤氳。
基于西南地區(qū)2001—2015年MODIS EVI年均值分析了該地區(qū)植被指數(shù)的年際變化趨勢,結(jié)果表明西南地區(qū)近15年的EVI呈現(xiàn)出波動增長的趨勢,其線性增長速率約為0.1%/a。2013年達(dá)到植被EVI的最高值(0.449),而最低值(0.424)則出現(xiàn)在2004年。根據(jù)西南地區(qū)2001—2015年植被EVI的多年平均空間分布格局,該地區(qū)EVI年均值介于-0.26—0.85之間,且植被覆蓋的空間異質(zhì)性顯著,呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的趨勢(圖1)。
圖1 2001—2015年西南地區(qū)植被EVI年均值變化趨勢和空間分布Fig.1 Temporal variation and spatial distribution of annual mean EVI values in Southwest China from 2001 to 2015
圖2 2001—2015年西南地區(qū)不同植被覆蓋度類型空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of different FVC levels in Southwest China from 2001 to 2015 FVC: 植被覆蓋度Fractional vegetation coverage
西南地區(qū)植被覆蓋度的空間分布以高植被覆蓋度為主,約占研究區(qū)總面積的36.1%,極高植被覆蓋度次之,約占研究區(qū)總面積的28.7%,低植被覆蓋區(qū)域面積約為研究區(qū)總面積的15.4%(圖2)。極低植被覆蓋主要分布在西藏自治區(qū)的那曲市-阿里地區(qū)等地和青海省治多縣-曲麻萊縣等區(qū)域,約為研究區(qū)總面積的8.6%。
西南地區(qū)植被覆蓋得到改善的區(qū)域主要分布于廣西省北海市-欽州市、貴州省昭通-畢節(jié)-遵義市的西北部、四川省廣元-廣安小部分地區(qū)、西藏自治區(qū)那曲市、阿里地區(qū)的北部、青海省小部分區(qū)域以及重慶市。這些地區(qū)自2000年以來加強了生態(tài)環(huán)境保護等方面的措施,特別是那曲市、阿里地區(qū)、及青海省的部分高寒草原地區(qū),過度放牧得到了有效的控制。而且這些地區(qū)人口密度較低,人為干擾較少,自然生態(tài)系統(tǒng)功能得到較好地保護,從而使得植被覆蓋明顯改善。西南地區(qū)植被覆蓋退化的區(qū)域主要集中在西藏自治區(qū)的拉薩市-阿里地區(qū)、四川省的成都-阿壩藏族羌族-甘孜藏族自治州和云南省的昆明市-玉溪市等地區(qū)(圖3)。植被覆蓋退化的地區(qū)大多數(shù)為省會城市或者旅游業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū),這可能主要是由于這些地區(qū)人口快速增長和建筑用地擴張等人為干擾因素顯著增加,從而導(dǎo)致了植被覆蓋度的顯著下降。
與2001—2005年相比,西南地區(qū)2006—2010年植被覆蓋改善明顯,植被覆蓋度改善的面積約占研究區(qū)總面積的6.8%,植被覆蓋退化區(qū)域的面積有所減少。然而,在2011—2015年間,西南地區(qū)植被覆蓋退化區(qū)域的面積有一定程度增加(圖3)。由表2可知,2001—2015年西南地區(qū)植被覆蓋出現(xiàn)顯著退化的面積約占研究區(qū)總面積的7.8%左右,而植被覆蓋呈現(xiàn)顯著改善的面積則為研究區(qū)總面積的10.2%。
圖3 西南地區(qū)不同時期植被覆蓋變化趨勢圖Fig.3 Trends of FVC change during different study periods in Southwest China
圖4 西南地區(qū)2001—2015年年均降水量和年均氣溫變化趨勢 Fig.4 Trends of annual mean temperature and precipitation in Southwest China from 2001 to 2015
西南地區(qū)年均氣溫在2001—2015年間總體呈現(xiàn)波動增加的趨勢,增溫速率約為0.02℃/a,而年降水量則呈現(xiàn)波動減小的趨勢,減少速率約為-1.34 mm/a(圖4)。由此可見,西南地區(qū)的氣候在研究期間呈現(xiàn)一定程度的暖干化趨勢。在2001—2015年間,西南地區(qū)的多年平均氣溫和平均降水量分別為7.58℃和877.64 mm。整個研究區(qū)內(nèi)年降水量的空間異質(zhì)性顯著,總體表現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的特點。
西南地區(qū)植被EVI與年均氣溫偏相關(guān)分析的結(jié)果表明,兩者的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.94—0.99之間,顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占整個研究區(qū)面積的31.2%和23.7%,整體以正相關(guān)為主。偏相關(guān)系數(shù)高值集中分布在四川省的巴中-南充-遂寧-眉山一帶,四川省、貴州省和重慶市三地交界處以及青海省的三江源地區(qū)。雖然研究區(qū)植被EVI與年均降水量的偏相關(guān)也以正相關(guān)為主,但在空間上呈現(xiàn)不均勻分布的特征(圖5)。植被EVI與降水偏相關(guān)系數(shù)介于-0.93—0.96之間,顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占整個研究區(qū)面積的22.3.%和14.8%,西藏自治區(qū)阿里地區(qū)北部和青海省中部地區(qū)植被EVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)最高。
圖5 2001—2015年西南地區(qū)年均植被EVI與年均降水量和年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of partial correlation coefficient between annual mean EVI and temperature and precipitation in Southwest China from 2001 to 2015
氣候因子是影響區(qū)域植被分布和生長的重要環(huán)境因素,其中以氣溫和降水的影響最為顯著[28]。根據(jù)西南地區(qū)植被年均EVI與年均氣溫和降水量的復(fù)相關(guān)分析可知,植被EVI與溫度和降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0—0.97之間,復(fù)相關(guān)系數(shù)較高的區(qū)域主要分布在西藏自治區(qū)的那曲市、阿里地區(qū)北部,青海省的三江源地區(qū)以及四川省的達(dá)州-巴中-廣安市一帶,而復(fù)相關(guān)系數(shù)較低的區(qū)域則零星分布在西藏自治區(qū)的中部和南部等地區(qū)(圖6)。
表3 植被EVI變化驅(qū)動因素分類依據(jù)
圖6 2001—2015年西南地區(qū)年均植被EVI與溫度-降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)和驅(qū)動因素分區(qū)Fig.6 The spatial distribution of multiple correlation between EVI and air temperature-precipitation and EVI driving factors in Southwest China from 2001 to 2015
本文基于2001—2015年MODIS-EVI遙感數(shù)據(jù)集分析了西南地區(qū)近15年植被覆蓋和EVI的時空變化特征,并結(jié)合西南地區(qū)242個氣象站點的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),開展了西南地區(qū)植被EVI對氣候變化的響應(yīng)及驅(qū)動因素研究,得出以下結(jié)論:
(1)從時間動態(tài)來看,西南地區(qū)2001—2015年植被EVI整體呈現(xiàn)波動增長的趨勢,其線性增長速率約為0.1%/a。因此,西南地區(qū)的植被覆蓋呈穩(wěn)中向好趨勢,顯著改善的面積大于退化面積,這與鄭朝菊等[26]在西南地區(qū)的研究結(jié)果基本一致。西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣,是我國森林和水資源等自然資源最為豐富的地區(qū)之一,也是我國長江和珠江等諸多河流的發(fā)源地,是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)[35]。因此,在西南地區(qū)長期實施的天然林保護、退耕還林、長防林建設(shè)、生物多樣性保護和退牧還草等生態(tài)恢復(fù)工程,有效地推進了該地區(qū)的生態(tài)屏障建設(shè),使得三江源等局部地區(qū)的植被明顯改善[36-37],這可能是西南地區(qū)植被EVI整體呈現(xiàn)波動增長趨勢的主要原因之一。然而,由于西南地區(qū)兼跨我國地勢第一和第二階梯,地形地貌類型復(fù)雜,是我國生態(tài)極為敏感和脆弱的區(qū)域,也是我國少數(shù)民族和貧困人口集中分布的區(qū)域。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人類活動范圍與強度的不斷增加,西南地區(qū)的石漠化、水土流失等一系列生態(tài)問題也日益嚴(yán)重,從而造成局部地區(qū)的植被覆蓋出現(xiàn)一定程度的退化[26]。另外,西南地區(qū)近15年來自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生,也在一定程度上影響著植被覆蓋的變化[23]。
(2)從空間分布特征看,西南地區(qū)植被覆蓋空間異質(zhì)性顯著,呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的趨勢。雖然西南地區(qū)植被覆蓋度的空間分布以高和極高植被覆蓋度類型為主,但這些類型主要分布在云南省西雙版納傣族自治州-紅河哈尼族彝族自治州、廣西壯族自治區(qū)的百色-河池-桂林、貴州省的大部分地區(qū)及四川省的樂山-宜賓等地區(qū)。這些地區(qū)大部分都是常年雨水充沛,陽光充足,氣候適宜,植被生長茂盛,特別是西雙版納和桂林等地區(qū),森林覆蓋率達(dá)到了70%以上。而極低植被覆蓋度類型主要分布在青海省和西藏自治區(qū)的西北部區(qū),這些地區(qū)年均氣溫較低,降水量較少,自然環(huán)境相對其他地區(qū)惡劣。而且青海省和西藏自治區(qū)是我國重要的牧區(qū),長期的過度放牧也會導(dǎo)致植被退化和水土流失等生態(tài)問題。另外,由于西南地區(qū)近幾十年來氣候變化呈現(xiàn)一定程度的暖干化趨勢[27],對植被覆蓋度較低區(qū)域的植被生長和恢復(fù)可能產(chǎn)生一些不利的影響,從而增加這些地區(qū)植被覆蓋出現(xiàn)退化的風(fēng)險[26, 38]。
(3)通過西南地區(qū)植被EVI與年均氣溫和年均降水量的相關(guān)分析可知,植被EVI與年均氣溫和年均降水量均以正相關(guān)為主,并且植被EVI與年均氣溫顯著相關(guān)的區(qū)域面積稍大于與年均降水量呈顯著相關(guān)的面積。何奕萱等[28]在紅河流域的研究結(jié)果表明,生長季植被EVI與同期氣溫相關(guān)性較好,但與降水量呈現(xiàn)一定的滯后性。張勃等[24]和丁瑞等[39]在西南地區(qū)的研究也表明,溫度對該地區(qū)植被覆蓋變化的影響稍大于降水等其他因素。這主要是由于西南地區(qū)河流水系發(fā)達(dá),受季風(fēng)環(huán)流和地形等因素的共同影響,在云南、廣西和貴州等大部分區(qū)域降水量相對較為豐富,植被生長期水分充足,而熱量差異較為明顯[24],因此在這些地區(qū)植被EVI變化對溫度變化的響應(yīng)更為敏感。然而,在西藏自治區(qū)西北部等降水量較少的干旱半干旱地區(qū),植被EVI變化受降水量的影響則更明顯。此外,西南地區(qū)植被EVI變化的驅(qū)動因素分析表明,雖然氣溫和降水對植被EVI變化有顯著的驅(qū)動作用,但在0.05置信水平檢驗下,西南地區(qū)大部分區(qū)域的植被EVI變化表現(xiàn)為非氣候因素驅(qū)動。這與王強等[40]在橫斷山區(qū)和榮欣等[41]在川西高原的研究結(jié)果基本一致。近幾十年來,西南地區(qū)的人口迅速增長,人類活動的范圍與強度也不斷增加,對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和植被生長產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。為了遏制西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化的趨勢,自20世紀(jì)70年代以來,在該地區(qū)實施了多項重大生態(tài)恢復(fù)工程,正在逐步引導(dǎo)人口分布和活動與當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境承載力協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,在人類活動對植被覆蓋造成的正面和負(fù)面影響相互疊加的背景下,西南地區(qū)植被生長對氣溫和降水等氣候因素的響應(yīng)程度和速度可能會受到一定程度的影響。