艾比湖流域植被時(shí)空變化及驅(qū)動力分析

任立清

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

植被覆蓋變化能夠反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化［1］，研究植被覆蓋變化及其驅(qū)動力對于區(qū)域的生態(tài)保護(hù)具有重要意義。歸一化植被指數(shù)（NDVI）能夠真實(shí)地反映區(qū)域地表植被覆蓋狀況［2］，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被變化研究。劉春靜等［3］以中國新疆及中亞五國為例，研究了大陸干旱性氣候區(qū)植被覆蓋度變化特征；劉憲鋒等［4］認(rèn)為西北地區(qū)植被變化與氣溫和降水量均呈弱的正相關(guān)性；董璐等［5］研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)植被NDVI 對氣溫變化的響應(yīng)逐漸降低；杜加強(qiáng)等［6］發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)植被變化在春、秋季受氣溫影響，夏季主要受降水量的影響；孫天瑤等［7］發(fā)現(xiàn)塔里木河流域植被NDVI與降水量的相關(guān)性更明顯；龐冉等［8］認(rèn)為水分條件是吐魯番盆地大部分地區(qū)植被生長的主要限制因素。以上研究大多僅研究了氣候因素對植被覆蓋變化的影響，但實(shí)際上植被NDVI 還受土壤類型、植被類型、地形等自然因素［9］和土地利用類型等人為因素［10］影響，并且運(yùn)用的相關(guān)分析方法無法定量反映出因子的空間異質(zhì)性，而王勁峰等［11］提出的地理探測器模型可以探測空間分異性并揭示其驅(qū)動力，目前已有學(xué)者將地理探測器應(yīng)用于植被覆蓋影響因子的研究中。彭文甫等［12］對四川植被的研究發(fā)現(xiàn)自然因子對植被NDVI的影響存在交互作用；裴志林等［13］發(fā)現(xiàn)黃河上游地區(qū)影響力氣候類自然因子>非氣候類自然因子>人為因子；祝聰?shù)龋?4］研究發(fā)現(xiàn)岷江上游植被覆蓋主要受海拔、氣溫、土壤類型、降水4 個(gè)因子的影響；陶帥等［15］發(fā)現(xiàn)宜賓市自然因素與人類活動共同作用對植被NDVI影響更加明顯；張翀等［16］運(yùn)用地理探測器探測影響黃土高原植被覆蓋變化的人為主導(dǎo)因子。

艾比湖流域地處新疆西北地區(qū)，地形復(fù)雜，流域生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重，且生態(tài)環(huán)境空間分異性明顯［17］。已有學(xué)者利用艾比湖流域的氣候［18-20］、高程［21］對植被NDVI 的影響做了研究，但缺乏對其他自然因子及人類活動因子的研究，且大多數(shù)運(yùn)用的相關(guān)分析法，無法揭示艾比湖流域復(fù)雜的空間分異性并定量研究植被NDVI 變化的驅(qū)動因子，因此本文運(yùn)用一元線性回歸分析法分析2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 時(shí)空變化特征，運(yùn)用地理探測器模型研究艾比湖流域植被的空間分異性，并探究植被NDVI變化的自然和人為驅(qū)動因子及交互作用，為艾比湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆西北部，地理位置介于79°53′～83°53′E，44°02′～45°23′N之間，包括博樂市、精河縣、溫泉縣和阿拉山口市，面積2.5×104km2，博爾塔拉河、精河和奎屯河為三大主要支流（圖1）。艾比湖流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍邓可?、蒸發(fā)量大，年均氣溫5.6 ℃，年降水量181 mm，年均潛在蒸發(fā)量1500～2000 mm［22］。艾比湖是區(qū)域內(nèi)最大的湖泊，也是新疆第一大鹽水湖，由于自然和人為因素的共同影響，艾比湖面積正逐漸萎縮，蓄水量減少，流域趨于干旱化［23］。區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣，大部分為平原，主要的植被類型為荒漠、草原和草甸，土壤類型以鈣層土、高山土和漠土為主，土地利用主要為草地和未利用土地。艾比湖流域是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境脆弱，對氣候變化和人類活動的響應(yīng)較為敏感［24］。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究采用艾比湖流域植被NDVI、數(shù)字高程模型（DEM）、氣候、土壤類型、地貌類型、植被類型、土地利用類型等數(shù)據(jù)。2000—2020年植被NDVI數(shù)據(jù)基于逐日植被NDVI 圖像最大值法合成16 d 植被NDVI，其空間分辨率為1 km（https://ladsweb.nascom.nasa.gov/）；年均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)采用裕民、阿拉山口、博樂、托里、克拉瑪依、溫泉、精河、烏蘇、炮臺、沙灣10 個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2020 年的實(shí)測逐月氣象數(shù)據(jù)，采用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行空間插值；土壤類型、植被類型、地貌類型、土地利用類型數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）；DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地 理 空 間 數(shù) 據(jù) 云（http://www.gscloud.cn/），使 用GDEMV2 30 m的分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，高程、坡度、坡向由DEM 數(shù)據(jù)計(jì)算獲取。以上數(shù)據(jù)均按照艾比湖流域矢量邊界掩膜提取，通過重采樣處理，與1 km的植被NDVI數(shù)據(jù)像元大小保持一致。

2.2 研究方法

2.2.1植被NDVI 最大值合成 最大值合成法是目前應(yīng)用最廣泛的植被NDVI 合成方法，為去除大氣等影響，選擇一定時(shí)間范圍內(nèi)的植被NDVI 最大值作為該時(shí)間范圍的植被NDVI值。本研究通過逐日植被NDVI圖像最大值合成獲得年植被NDVI圖像，年植被NDVI均值為年植被NDVI圖像中植被NDVI的均值。

2.2.2植被NDVI等級劃分 使用2000、2005、2010、2015、2020年MODIS植被NDVI數(shù)據(jù)，根據(jù)植被NDVI高低，按照等間距方法［25］將植被NDVI值劃分為5個(gè)等級，分別為低（0.0～0.2）、中低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、中高（0.6～0.8）和高（0.8～1.0）。

2.2.3植被NDVI 變化趨勢分析 一元線性趨勢分析法通過線性回歸分析變量的變化趨勢［26］。利用ArcGIS 的柵格計(jì)算器對2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 進(jìn)行一元線性回歸，來研究艾比湖流域植被NDVI 在2000—2020 年的變化趨勢，按自然間斷點(diǎn)法將變化趨勢分為7 類：嚴(yán)重退化、中度退化、輕度退化、基本不變、輕度提高、中度提高、顯著提高。趨勢斜率公式［27］為：

式中：n為研究累計(jì)年數(shù)（本研究中n=21），其中i=1,2,…,n；NDVIi為第i年的植被NDVI 值。Slope 為趨勢線斜率，若Slope>0，則植被覆蓋呈增加趨勢；若Slope<0，則植被覆蓋呈下降趨勢；Slope=0，則植被覆蓋無明顯變化。

2.2.4信息提取 利用ArcGIS 創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，生成全區(qū)范圍內(nèi)7 km×7 km 格網(wǎng)，共499 個(gè)中心點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，提取空間上對應(yīng)的X和Y屬性值，最后代入地理探測器處理。

2.2.5探測因子分級 本研究根據(jù)艾比湖流域的典型性，選取坡度、坡向、高程、土壤類型、植被類型、地貌類型、年均氣溫、年降水量、土地利用類型9 個(gè)因子分析艾比湖流域植被NDVI 變化的驅(qū)動因子。利用自然斷點(diǎn)法［28］將土壤類型劃分為12 類，將坡向、高程、年均氣溫、年降水量劃分為9類，將植被類型劃分為8類，地貌類型和坡度劃分7類，土地利用類型劃分為6類（圖2）。

圖2 探測因子分類圖Fig.2 Classifications of the detection factors

2.2.6地理探測器模型 地理探測器是探測空間分異性及其驅(qū)動因素的方法，包括4個(gè)探測器［11］。

（1）因子探測：探測植被NDVI 的空間分異性，用q值表示因子對植被NDVI 的影響力，q值越大表示因子對植被NDVI 的影響力越大，反之則越小。本研究中自變量X為因子Xs（s=1,2,…,9），因變量Y為植被NDVI，見表1。

表1 探測因子Tab.1 Detection factors

（2）交互作用探測：探測不同探測因子間的交互作用，評估方法見表2。

表2 探測因子交互作用類型Tab.2 Interaction types of the detection factors

（3）風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測：用于判斷植被NDVI驅(qū)動因子適宜的范圍（類別）。

（4）生態(tài)探測：判斷探測因子對植被NDVI變化的影響力大小。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI時(shí)空變化

2000—2020年艾比湖流域植被NDVI的年際變化具有增加的趨勢，增長速率為0.035·(10a)-1（圖3）。植被NDVI最大值出現(xiàn)在2016年，達(dá)到0.42，最小值出現(xiàn)在2000 年為0.32，研究區(qū)植被NDVI 多年均值為0.37。多年植被NDVI 變化在平均值周圍波動，向植被覆蓋增加的方向變化。將艾比湖地區(qū)植被NDVI劃分為5個(gè)等級并統(tǒng)計(jì)面積。結(jié)果顯示：植被NDVI 在0.0～0.2 范圍內(nèi)隨時(shí)間變化面積由2000年的10187.80 km2（面積占比為41.0%）降低至2020年的7067.91 km2（28.5%）；植被NDVI 處于0.2～0.4之間多年面積平均為6355.89 km2（26%）左右；植被NDVI 在0.4～0.6 范圍的面積由2000 年的4532.56 km2（18.3%）增長至2020 年的5266.52 km2（21.2%）；植被NDVI 在0.6～0.8 范圍的面積均大于3700 km2（15.0%），植被NDVI 大于0.8～1.0 的面積占比由2000 年 的375.44 km2（1.5%）上 升 至2020 年 的1961.88 km2（7.9%）。

圖3 2000—2020年艾比湖植被NDVI年際變化Fig.3 Annual changes of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

2000—2020 年艾比湖植被呈現(xiàn)出中部高四周低的空間分布特征（圖4）。植被NDVI 的高值區(qū)域主要集中在艾比湖中部區(qū)域以及西北部，該地區(qū)植被類型以草甸、栽培植被為主；植被NDVI的低值區(qū)域分布在東北部地區(qū)，植被類型多為荒漠。整體來看，艾比湖植被NDVI整體呈現(xiàn)改善的趨勢，改善區(qū)域主要分布在中部和西部地區(qū)。由圖5所示，顯著提高地區(qū)主要位于艾比湖中部，輕度退化區(qū)域主要位于艾比湖四周邊緣。但在艾比湖中部中心位置，仍有植被嚴(yán)重退化區(qū)域，可能與土地利用變化有關(guān)。

圖4 2000—2020年艾比湖植被NDVI空間變化Fig.4 Spatial changes of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

圖5 2000—2020年艾比湖植被NDVI空間變化趨勢Fig.5 Change trend of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

3.2 植被NDVI影響因素分析

3.2.1因子探測分析 通過因子探測部分來衡量各自然、人文因子對植被NDVI的影響強(qiáng)度，q值越大，說明該因子對植被影響力越大。探測結(jié)果如圖6所示，各因子對植被NDVI的影響力排序?yàn)椋和恋乩妙愋停?.463）>植被類型（0.341）>土壤類型（0.274）>高程（0.139）>年降水量（0.089）>地貌類型（0.079）>年均氣溫（0.075）>坡度（0.026）>坡向（0.010）。土地利用類型、植被類型、土壤類型是主要影響因子，解釋力均超過25%，表明土地利用類型因素對艾比湖植被空間分布有較大影響。高程是次級影響因子，解釋力在10%以上；地貌類型、年均氣溫對艾比湖植被影響較小，與坡度、坡向因子相同，對植被分布存在間接影響。同時(shí)研究區(qū)內(nèi)降水較少，空間差異不明顯，對植被的空間分布直接影響較小。

圖6 因子探測結(jié)果Fig.6 Results of factor detector

3.2.2因子交互作用分析 交互探測結(jié)果表明（表3），雙因子交互作用對艾比湖植被NDVI 空間分布的影響力大于單因子作用，因子交互作用呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)或雙因子增強(qiáng)效應(yīng)，不存在相互獨(dú)立起作用的因子。

由表3可知，土地利用類型與除土壤類型、植被類型外各因子之間呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)效應(yīng)，顯著增強(qiáng)了土地利用類型對植被NDVI 空間分布的影響；植被類型與高程、土壤類型、地貌類型和土地利用類型之間的交互作用增強(qiáng)了二者對植被NDVI空間分布的影響，即存在雙因子增強(qiáng)關(guān)系。土壤類型與坡度、坡向、年均氣溫和年降水量的交互作用進(jìn)一步說明土壤類型較大程度影響植被NDVI分布；坡度、坡向雖然對植被的直接影響較小，但是與其他因子之間的疊加效應(yīng)大大增強(qiáng)了單一因子對植被的影響。

表3 各因子交互作用Tab.3 Interaction of each factor

3.2.3因子顯著性差異分析 生態(tài)探測反映各因子對植被NDVI 的影響是否顯著，每2 種因子對植被NDVI 的影響是否有顯著差異。當(dāng)2 種因子對植被NDVI的影響有顯著差異則標(biāo)記為“Y”，否則標(biāo)記為“N”（表4）。結(jié)果表明：土地利用類型與其他因子之間對植被NDVI 空間分布的影響均有顯著性差異，因子探測結(jié)果顯示，土地利用類型為植被NDVI 變化的主導(dǎo)因子，生態(tài)探測結(jié)果則進(jìn)一步說明土地利用類型對植被NDVI的影響較大；植被類型與坡度、坡向和高程對植被空間分布有顯著性差異，土壤類型與植被類型之間對植被空間分布無顯著性差異，與其他因子對植被空間分布存在顯著差異，說明土壤類型與植被類型對植被NDVI影響程度相似且影響力較大；地貌類型、年均氣溫、年降水量均與土地利用類型、土壤類型、植被類型有顯著差異，坡度、坡向與高程、土地利用類型、土壤類型、植被類型有顯著差異，進(jìn)一步說明這幾類因子對植被空間分布影響較小。

表4 生態(tài)探測結(jié)果Tab.4 Results of ecological detection

3.2.4因子適宜性分析 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)探測結(jié)果，表示出各因子適應(yīng)范圍（類別）（表5）。25°～35°的坡度范圍、157.5°～202.5°的坡向、2177～2558 m 的高程范圍內(nèi)植被NDVI 均值最大，說明在上述地形因子范圍內(nèi)植被覆蓋較好；人為土的土壤類型、栽培植被、中起伏山地以及耕地的植被NDVI 值最大，植被生長狀況好；4.74～5.25 ℃的年均氣溫、228～245 mm 的年降水量范圍內(nèi)植被NDVI 值最大，說明在以上氣候因子范圍內(nèi)植被覆蓋度高。以上因子范圍（類別）有利于艾比湖流域植被生長。

表5 各因子適應(yīng)范圍（類別）Tab.5 Suitable ranges or types of each factor

根據(jù)因子風(fēng)險(xiǎn)探測結(jié)果，選擇超過20%的因子進(jìn)行詳細(xì)分析。將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用土地6類（表6），植被NDVI 均值在耕地和林地均達(dá)到0.5 以上。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，耕地植被NDVI 均值達(dá)到最大值0.73，耕地與林地、城鄉(xiāng)工礦居民用地?zé)o顯著差異，與其他區(qū)存在顯著性差異。這說明耕地的植被生長較好，即在研究區(qū)內(nèi)耕地類型較適合植被生長。艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響較大，耕地面積在不斷增加。由圖2土地利用類型空間分布所示，耕地集中于艾比湖流域中部位置，與2020年植被NDVI空間分布0.8～1.0范圍大體重疊。林地分布較為分散，自然保護(hù)區(qū)的建立對流域內(nèi)植被資源及生長起到保護(hù)和緩解作用。其中，草地面積在艾比湖流域占比最大，草甸、草原對于維持流域內(nèi)植被生長也具有重要的作用。

表6 不同土地利用類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.6 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different land use types

將植被類型劃分為其他、針葉林、灌叢、荒漠、草原、草甸、高山植被、栽培植被8類（表7），栽培植被NDVI 均值達(dá)到最大值0.71，栽培植被與灌叢無顯著差異，與其他區(qū)存在顯著性差異。植被NDVI均值在針葉林、灌叢、草甸和栽培植被達(dá)到0.5 以上，這4 類植被類型區(qū)域的植被NDVI 均值較大，植被生長較好。

表7 不同植被類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.7 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different vegetation types

將土壤類型按照“土壤發(fā)生分類”系統(tǒng)的土綱劃分為半淋溶土、鈣層土、干旱土、漠土、初育土、半水成土、水成土、鹽堿土、人為土、高山土、湖泊水庫、冰川雪被12類（表8），人為土植被NDVI 均值達(dá)到最大值0.76，人為土與半水成土無顯著差異，與其他分區(qū)存在顯著性差異。植被NDVI均值在半淋溶土、半水成土、人為土這3 類土壤類型中植被NDVI均值達(dá)到0.5以上，這4類土壤類型區(qū)域植被生長較好。半淋溶土主要分布在流域山地地區(qū)，半水成土以及人為土主要分布在流域平原地區(qū)（圖2）。半淋溶土具有較強(qiáng)的保肥能力，在山地區(qū)域保存少數(shù)的森林，為植被提供較好的發(fā)育條件。半水成土自然肥力較高，為植被生長提供部分水分來源。人為土是在人為影響下，土壤發(fā)生深刻變化，主要分布于河流附近，艾比湖流域人為土類型主要為灌漠土，人為灌溉和施肥輪作使漠土轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄粒c栽培植被類似，都是在人為影響下種植作物等，在人為因素控制下，為植被生長提供有利生長條件。

表8 不同土壤類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.8 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different soil types

4 討論

艾比湖流域自東南向西北高程加深，以平原地形為主，地勢平坦，山地地形主要分布在流域內(nèi)的北、西、南3 個(gè)邊緣。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，高程在2177 m以下的區(qū)域植被NDVI 值隨高程升高而增大，2558 m以上區(qū)域植被NDVI值隨高程升高而減小，高海拔地區(qū)自然條件較差，植被覆蓋較少，低海拔地區(qū)放牧較多，受人類活動影響較大，高程在2177～2558 m范圍內(nèi)，植被NDVI達(dá)到最大值，該范圍內(nèi)水熱條件較好，適于植被生長，這符合鄧煜霖等［21］的研究結(jié)果。坡度在25°～35°，植被NDVI 值較大，主要分布在流域邊緣，主要植被類型為草原和草甸，在這個(gè)范圍內(nèi)，人類活動干預(yù)的影響較小，立地條件適合植被生長，且多是天然植被，坡度＜2°的區(qū)域主要為荒漠，植被生長較少，2°～25°區(qū)域坡度相對較緩，人類活動集中，植被NDVI值反而較低。

艾比湖流域處于干旱地區(qū)，氣溫、降水對植被生長有一定影響。降水對植被NDVI影響力略大于氣溫，符合姜紅濤等［19］、孫倩等［20］的研究結(jié)果，根據(jù)流域內(nèi)氣溫空間分布特征，氣溫隨緯度變化較小，南北之間差異不大。由于地勢是由西向東降低，年均氣溫空間特征是由東向西逐漸降低。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，年均氣溫在4.74～5.25 ℃，年降水量在228～245 mm范圍內(nèi)植被生長較好，主要位于流域內(nèi)西北部。流域內(nèi)向西隨海拔高度的升高，年降水量逐漸增多，為植被生長提供水分條件。艾比湖流域針葉林主要位于山地地區(qū)，山地針葉林是流域內(nèi)的天然植被，在防止水土流失、水源保護(hù)方面起到重要作用。平原區(qū)栽培植被在人為操作下，能為植被根系提供穩(wěn)定環(huán)境，利于流域內(nèi)植被的恢復(fù)。流域灌木植被類能有效抑制生態(tài)環(huán)境惡化，同時(shí)能夠適應(yīng)流域內(nèi)惡劣的生態(tài)環(huán)境。本研究表明氣候因素對艾比湖流域植被空間分布的影響較小，人為因素起主導(dǎo)作用，這與王二麗等［18］的研究結(jié)果一致。隨著人類生態(tài)意識的不斷提高，建立生態(tài)保護(hù)區(qū)、人工植樹造林等措施的實(shí)施，增大了流域內(nèi)植被保護(hù)力度，將會使流域的生態(tài)脆弱問題得以緩解，使生態(tài)環(huán)境向不斷改善的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 呈現(xiàn)增加趨勢，增速為0.035·(10a)-1。2000—2020 年流域植被覆蓋面積，中等級（0.4～0.6）、中高等級（0.6～0.8）和高等級（0.8～1.0）植被面積增長明顯，艾比湖植被整體呈現(xiàn)改善的趨勢，改善區(qū)域主要分布在流域中部和西部地區(qū)，顯著提高地區(qū)主要位于流域中部。

（2）土地利用類型、植被類型和土壤類型因子是影響植被NDVI 空間分布的主要因素，高程是次級因素，年降水量、地貌類型、年均氣溫、坡度和坡向?qū)α饔騼?nèi)植被的空間分布直接影響較小，與自然因素相比，人為因素對艾比湖流域植被NDVI 變化起主導(dǎo)作用。

（3）生態(tài)探測表明土地利用類型、植被類型、土壤類型與其他因子共同作用存在顯著性差異，進(jìn)一步表明這3 類因子對植被NDVI 空間分布影響力大。各因子之間交互作用對植被NDVI空間分布存在雙因子增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)效應(yīng)，并非簡單的相互疊加作用，不存在獨(dú)立關(guān)系。

（4）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因子探測分析各因子促進(jìn)植被生長的各因子的適宜范圍（類別）。其中，耕地土地利用類型，栽培植被植被類型，人為土土壤類型，高程2177～2558 m，年降水量228～245 mm，年均氣溫4.74～5.25 ℃，中起伏山地地貌類型，坡向157.5°～202.5°以及坡度25°～35°，適合植被生長。