黃河流域河南段植被覆蓋度變化及其驅(qū)動力

王 琳李 娜文廣超楊運航

(1.黃河交通學院,河南 焦作454000;2.河南理工大學,河南 焦作454000)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,作為全球生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的重要“指示器”,在氣候調(diào)節(jié)、物質(zhì)循環(huán)、水土保持等方面起著不可或缺的作用[1-3]。植被覆蓋度(fractional vegetation coverage,FVC)是反映植被生長狀況和健康程度的重要參數(shù)之一,能夠直觀地表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境的狀況,是評價生態(tài)系統(tǒng)的一個重要指標。

黃河是中華民族的母親河,黃河流域在中國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位[4]。2019年召開的黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會,對加強黃河治理保護、推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展作出重大部署。因此,探究黃河流域植被覆蓋度的時空演變特征及其驅(qū)動力可以更好地了解黃河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,為黃河流域生態(tài)治理和保護提供有力的科學依據(jù)。近年來,國內(nèi)外學者針對黃河流域植被覆蓋度變化及影響因素進行大量研究,并取得累累碩果。張志強等[5]基于MOD13 Q1數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù),分析了黃河流域近20 a植被覆蓋度時空變化特征,得出近幾十年黃河流域植被覆蓋度主要呈現(xiàn)增長趨勢,并且未來依舊發(fā)展趨勢較好;李晶等[6]基于Google Earth Engine(GEE)平臺,通過構(gòu)建Landsat黃河流域植被覆蓋度大數(shù)據(jù),探究了黃河流域植被覆蓋度變化特征及煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)對流域內(nèi)植被覆蓋度變化的影響,結(jié)果表明流域內(nèi)植被覆蓋度整體呈現(xiàn)出南高北低、由東南向西北遞減的規(guī)律,并且煤炭國家規(guī)劃區(qū)內(nèi)對植被覆蓋度影響較大的因素為高程和氣溫;賀振等[7]利用1982—2013年GIMMS-NDVI時序數(shù)據(jù)分析黃河流域植被覆蓋度時空格局和演化趨勢,得出研究區(qū)植被覆蓋整體呈現(xiàn)出不斷改善的趨勢,并且持續(xù)改善占總面積的58.81%;孫高鵬等[8]通過研究2000—2020年黃河流域植被動態(tài)變化特征,得出區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度整體呈顯著增長趨勢,氣溫、降水和CO2濃度等對植被生長起到正向促進作用。

針對黃河流域植被覆蓋度的研究,大多數(shù)學者以整片流域作為研究區(qū),探究流域內(nèi)植被覆蓋度的變化特征和影響因素,卻忽略不同區(qū)域下地理位置、人文條件、區(qū)域氣候?qū)χ脖簧L發(fā)育的影響不同。

河南段作為黃河中下游的重要轉(zhuǎn)折地,在國家防洪安全、生態(tài)保護、經(jīng)濟發(fā)展、文化傳承和糧食安全等方面戰(zhàn)略地位極為突出。據(jù)此,本文以黃河流域河南段為研究區(qū),對其植被覆蓋度時空演變特征及驅(qū)動力進行探究,為河南段乃至整個黃河流域生態(tài)環(huán)境的治理和保護提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

黃河流域河南段位于河南省中北部,地理范圍為北緯33°41′—36°6′,東經(jīng)110°21′—116°6′,流經(jīng)三門峽、洛陽、濟源、焦作、鄭州、開封、新鄉(xiāng)、安陽、濮陽9市28個縣(市、區(qū)),全長711 km,面積約3.62×104km2[9],處于中國地勢第二階梯和第三級階梯的過渡地帶,西高東低,地形變化顯著。研究區(qū)屬于典型的大陸性季風氣候,四季分明,多年平均降雨量為597 mm,主要集中在5—9月,全年平均氣溫為15.4℃。區(qū)域內(nèi)主要以耕地和林地為主,種有小麥、玉米、松柏、銀杏、牡丹等多類植物,自然條件較好,適合多種動植物的生長和發(fā)育。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究使用數(shù)據(jù)與預(yù)處理過程主要為:①2001—2020年研究區(qū)6—8月16 d合成的MOD13Q1數(shù)據(jù),來源于美國國家航天局NASA(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov),空間分辨率為250 m×250 m。利用MODIS Reprojection Tool對NDVI數(shù)據(jù)進行拼接、投影轉(zhuǎn)換和裁剪后,采用最大值合成法得到年NDVI數(shù)據(jù)用于計算植被覆蓋度。②DEM數(shù)據(jù)為ASTER GDEM 30 m影像,來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https:∥www.gscloud.cn),重采樣為250 m×250 m,并用于提取坡度。③土地利用類型數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局NASA提供的MCD12Q1產(chǎn)品,時間為2020年,空間分辨率為250 m×250 m,將其重分類為6個一級類別:耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地。④2001—2020年三門峽、孟津、新鄉(xiāng)等10個氣象站點的降水量和氣溫數(shù)據(jù),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn),采用Kriging插值法得到空間分辨率為250 m×250 m的平均降水和氣溫柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 植被覆蓋度估算 基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù),采用像元二分模型[10](公式1)計算研究區(qū)的植被覆蓋度。

式中:FVC為植被覆蓋度;NDVI為植被指數(shù);Nsoil為純裸土像元的NDVI值;Nveg為純植被像元或高植被覆蓋度區(qū)域的NDVI值。根據(jù)像元二分模型的定義,Nsoil和Nveg采用研究區(qū)NDVI值統(tǒng)計結(jié)果5%和95%處的值,低于純裸土像元值的NDVI值用Nsoil替代,高于純植被像元值的用Nveg替代。

2.2.2 趨勢分析法 年際植被覆蓋度FVC變化趨勢K,采用一元線性回歸模型[11]進行計算。

式中:K為斜率;n為研究時間序列長度,本文為20;i為時間序列,取值范圍為1～20;FVCi為第i年的植被覆蓋度。K＞0時,植被覆蓋度變化趨勢為增加,反之則為減少,|K|越大,變化趨勢越明顯。

采用t檢驗法進行顯著性檢驗,結(jié)合趨勢分析結(jié)果,將本文植被覆蓋度變化趨勢劃分為極顯著改善(K＞0,p＜0.01)、顯著改善(K＞0,0.01＜p＜0.05)、無顯著變化(p＞0.05)、顯著退化(K＜0,0.01＜p＜0.05),極顯著退化(K＜0,p＜0.01)5類。

2.2.3 地理探測器 地理探測器(geodetector)是探測空間分層異質(zhì)性,揭示其背后驅(qū)動因子的一種新的統(tǒng)計學方法[12],是目前用于分析驅(qū)動因子較好的方法之一。地理探測器包括4類探測器,本文主要使用分異及因子探測器和交互作用探測器。分異及因子探測器的原理是探測因變量的空間異質(zhì)性及每個自變量因子對因變量空間分異的影響大小,利用值域為[0,1]的q值來衡量,q值越大說明因變量的空間分異性越明顯,自變量對其的影響也越大,反之q值越小,因變量的空間分異性越不明顯,自變量對其的影響也越小。p值代表自變量的顯著性,p值越小,說明自變量對因變量是有影響這一推斷的可靠性越高。交互作用探測器可以識別不同自變量因子的交互作用,即評估自變量因子X1和X2共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力,或這些因子對Y的影響是否相互獨立。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度時空演變特征

3.1.1 植被覆蓋度時間變化特征 基于像元二分模型,計算得到研究區(qū)2001—2020年植被覆蓋度,并統(tǒng)計得到其平均值(圖1)。從中可以看出,2001—2005年研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度呈現(xiàn)一個明顯的上升趨勢。2006—2010年植被覆蓋度并未發(fā)生明顯的變化,整體呈現(xiàn)出小幅度的上升。2015—2020年,研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度波動明顯,2017和2019年植被覆蓋度較前一年呈現(xiàn)下降,2018和2020年植被覆蓋度較前一年呈現(xiàn)上升,近5 a植被覆蓋度變化明顯,波動幅度在-11.17%～13.08%。2011—2015年研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度整體呈現(xiàn)出下降的趨勢,特別是在2014年,河南省遭遇63 a來最嚴重的“夏旱”[13],年平均降雨量僅為90 mm[14],導致該年植被覆蓋度較前幾年出現(xiàn)明顯的下降。整體上看,20 a間研究區(qū)植被覆蓋度由0.54增長到0.71,增長率為31.49%,增速為0.85%/a,植被生長發(fā)育隨著時間呈現(xiàn)一個明顯增加的趨勢。

圖1 研究區(qū)2001—2020年植被覆蓋度(FVC)年平均值及其線性擬合

2001—2020年研究區(qū)植被覆蓋度除特定年份出現(xiàn)較大差異,其余年份并未發(fā)生明顯的變化。根據(jù)《土壤侵蝕分級分類標準(SL190-2007)》[15](表1),將研究區(qū)植被覆蓋度進行分級,統(tǒng)計得到不同年份不同等級植被覆蓋度面積所占比例(圖2)。由圖2可以得出,20 a間高覆蓋度面積比例整體呈現(xiàn)一個增加的趨勢,后10 a較前10 a面積比例上升6.83%,其中在2014年受降雨減少的影響,該年份高覆蓋度面積比例驟減,除高覆蓋度面積減少外,其他等級植被覆蓋度面積均增加。由此可以得出,研究區(qū)內(nèi)植被高覆蓋度區(qū)受降雨影響較大,區(qū)域內(nèi)種植的主要為糧食和經(jīng)濟作物,大旱年份導致經(jīng)濟作物生長不佳,植被覆蓋度下降。20 a間研究區(qū)內(nèi)裸地、低覆蓋度、中低覆蓋度、中等覆蓋度面積比例明顯下降,2020年較2001年分別減少44.37%,66.46%,58.88%和35.80%,主要向中高覆蓋度和高覆蓋度轉(zhuǎn)化,等級面積分別增加12.60%,75.49%。近10 a,中國提出綠色、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟模式,2015年發(fā)布了17項涵蓋環(huán)境和生態(tài)維度的發(fā)展目標[16],在此大背景下,黃河流域作為河南省關(guān)鍵的經(jīng)濟長廊,更加注重綠色發(fā)展的模式。河南省作為一個礦產(chǎn)資源大省,在黃河流域內(nèi)分布有多處礦山,在“退耕還林還草”政策的持續(xù)推進和“綠水青山就是金山銀山”的理念下,人們將采礦用地和耕地進行修復,將其維護成林地和草地,并在裸地等未利用地開展植樹造林等工程活動,使得黃河流域河南段的植被覆蓋度呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)好的趨勢。

表1 植被覆蓋度分級

圖2 研究區(qū)2001—2020年各級植被覆蓋面積比例

3.1.2 植被覆蓋度空間變化特征

(1)空間分布特征。2001—2020年,研究區(qū)植被覆蓋度空間分布差異顯著,在ArcGIS中利用柵格計算器計算得到近20 a植被覆蓋度平均值,并進行分級(圖3)。從圖3可以看出,高植被覆蓋度、中高植被覆蓋度區(qū)域主要集中在研究區(qū)西部伏牛山、北部太行山山區(qū)以及東部平原區(qū),該區(qū)域分布有大量的林地和耕地,植被長勢較好。中等植被覆蓋度、中低植被覆蓋度、低植被覆蓋度區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部洛陽至鄭州段,該區(qū)域處于丘陵向平原過渡地帶,土地利用類型以耕地為主,分布有大量礦山,采礦活動比較頻繁,致使植被覆蓋度較低。裸地主要分布在水系和黃河兩岸,該區(qū)域植被覆蓋度最小。

圖3 研究區(qū)2001—2020年年平均植被覆蓋度空間分布

(2)空間變化特征。采用一元線性回歸模型計算得到2001—2020年研究區(qū)植被覆蓋度變化情況,經(jīng)過t分布檢驗,將結(jié)果劃分為5類(圖4),并對各等級變化面積百分比進行統(tǒng)計(表2)。結(jié)合圖4和表2可知,2001—2020年黃河流域河南段植被覆蓋度極顯著改善區(qū)域面積比例31.11%,主要分布在西部伏牛山和北部太行山山區(qū),以林地和草地為主,極少量分布在東部平原;顯著改善區(qū)域面積比例9.42%,主要分布在極顯著改善區(qū)域周邊;52.35%的區(qū)域未發(fā)生明顯變化,處于相對穩(wěn)定狀態(tài);顯著退化和極顯著退化區(qū)域面積比例分別為3.01%和4.11%,主要分布在中部、東部平原的耕地和建筑物地區(qū)?？傮w來說,近20 a研究區(qū)植被覆蓋度改善面積遠大于退化面積,“封山育林”政策的穩(wěn)步落實及綠色礦山建設(shè)的全面覆蓋是河南省植被覆蓋度改善的主要原因;植被退化主要由城鎮(zhèn)化快速發(fā)展所致。

表2 植被覆蓋度變化面積百分比

圖4 研究區(qū)2001—2020年植被覆蓋度變化趨勢

3.2 植被覆蓋度影響因素分析

在ArcGIS中,將多年平均降水量、氣溫、高程、坡度、土地利用類型5個因子數(shù)據(jù)進行離散化處理,多年平均降水量等間距分成5類(＜560 mm,560～580 mm,580～600 mm,600～620 mm,＞620 mm);

多年平均氣溫分為5類(＜14.4℃,14.4～14.7℃,14.7～15℃,15～15.3℃,＞15.3℃);高程分為5類(＜250 m,250～500 m,500～750 m,750～1 000 m,＞1 000 m);坡度分為5類(＜3°,3°～8°,8°～15°,15°～25°,＞25°),土地利用類型分成6類(耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地)。以多年平均植被覆蓋度值作為因變量,將多年平均降水量、氣溫、高程、坡度、土地利用類型數(shù)據(jù)作為自變量在地理探測器中運行并分析。

3.2.1 因子影響力分析 根據(jù)分異及因子探測器計算得到各因子對植被覆蓋度的影響力q值,且均通過p值顯著性檢驗,結(jié)果詳見表3。

表3 植被覆蓋度影響因子探測結(jié)果

各因子對植被覆蓋度的影響力大小為:土地利用類型＞高程＞坡度＞降水量＞氣溫。土地利用類型的q值0.26,為最大值,是影響植被覆蓋度空間格局分布的主要因素;其次是高程,q值為0.24,坡度、降雨、氣溫的q值均在0.1以下;氣溫的q值最小,對植被覆蓋度空間格局分布的影響最小。黃河流域河南段西部山區(qū)自然條件好,西部為伏牛山,北部為太行山,土地利用類型主要以林地為主、草地為輔,高程為全區(qū)域最高,可達2 365 m,坡度為全區(qū)域最大,可達30.5°,復雜的地形地貌使得該地區(qū)自然環(huán)境優(yōu)越,人類活動干擾少,植被覆蓋度高。中部及東部地區(qū)地勢平緩,屬于黃淮海平原,土地利用類型以耕地和建筑物為主,區(qū)域內(nèi)人類耕種活動、采礦活動等偏多,對自然植物的生長具有抑制作用,因此覆蓋度低。

3.2.2 因子交互作用分析 植被覆蓋度變化往往受多種因素的共同影響,交互作用探測器結(jié)果(表4)顯示,兩個自變量因子交互協(xié)同作用會增強對植被覆蓋度空間格局分布的影響力。土地利用類型與高程交互協(xié)同作用后,對植被覆蓋度的影響力達到0.52,q值翻倍增長,其他因子的交互作用q值也均在0.1以上,明顯大于其分別單獨作用時的q。由此可見,植被覆蓋度的變化是自然因素和人類活動的共同作用的結(jié)果。

表4 植被覆蓋度影響因子交互作用探測結(jié)果

4 討論

黃河流域河南段西部山區(qū)植被類型以喬木群落、灌木群落、草本群落為主,東部平原以小麥、玉米為主,植被長勢較好,中部地區(qū)同樣以耕地為主,但大型水利樞紐工程、采礦活動等居多[17],植被長勢欠佳,證明頻繁的人類活動會減弱植被的生長發(fā)育,甚至出現(xiàn)蠶食現(xiàn)象[18]。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)植被改善面積表現(xiàn)為:西部山區(qū)＞東部平原＞中部地區(qū),該結(jié)果與劉麗娜等[19]、張靜等[20]、余玉洋[21]的研究結(jié)果一致,并且在整個黃河流域也呈現(xiàn)出相似的特征[22]。

植被覆蓋度作為地表生態(tài)系統(tǒng)特征的關(guān)鍵指示因子[23-24],其變化不僅受單個因素作用,還受到多種因素交叉影響,因此選擇新的統(tǒng)計方法—地理探測器分析植被覆蓋度的影響因子,不但考慮了每個單因子對植被覆蓋度空間格局分布的影響力,還探究了多因子的共同作用。研究區(qū)內(nèi)主要以耕地和林地為主,不同的土地利用類型對于植被的生長發(fā)育影響較大,其次為地形因素,最后為氣象因素,該結(jié)果與余玉洋[21]在河南省所得出的結(jié)論稍有出入,考慮到研究中所使用的遙感數(shù)據(jù)年份差異,不同年份不同因素對植被影響的差異,以及多源數(shù)據(jù)空間分辨率、時間分辨率不是完全一致,從而導致結(jié)果出現(xiàn)不一致的情況。

5 結(jié)論

(1)2001—2020年黃河流域河南段平均植被覆蓋度值呈現(xiàn)波動增長趨勢,年增長率為0.85%,中等植被覆蓋度、中低植被覆蓋度、低植被覆蓋度、裸地向中高植被覆蓋度、高植被覆蓋度轉(zhuǎn)化,等級面積分別增加12.60%,75.49%。

(2)研究區(qū)高、中高植被覆蓋度區(qū)域主要集中在西部伏牛山、北部太行山山區(qū)和東部平原區(qū),中等、中低、低植被覆蓋度區(qū)域主要集中在中部洛陽至鄭州段,裸地主要分布在水系和黃河兩岸,植被覆蓋度較小。

(3)近20 a研究區(qū)植被覆蓋度改善面積遠大于退化面積,極顯著改善區(qū)域面積比例31.11%,主要分布在西部伏牛山和北部太行山山區(qū),極少量分布在東部平原;顯著改善區(qū)域面積比例9.42%,主要分布在極顯著改善區(qū)域周邊;未發(fā)生明顯變化區(qū)域比例52.35%,處于相對穩(wěn)定狀態(tài);顯著退化和極顯著退化區(qū)域面積比例分別為3.01%和4.11%,主要分布在中部、東部平原的耕地和建筑物地區(qū)。

(4)各因子對植被覆蓋度的影響力大小順序為:土地利用類型＞高程＞坡度＞降水量＞氣溫。土地利用類型和高程是影響植被覆蓋度的主要因素,坡度、降水量、氣溫是次要影響因素。兩個自變量因子交互協(xié)同作用會增強對植被覆蓋度空間格局分布的影響力,土地利用類型與高程的交互協(xié)同作用對植被覆蓋度的影響力達到0.52。