近20年甘肅省臨夏州植被覆蓋度的時空變化及其影響因素

柳明星,劉建紅,3,馬敏飛,曾靖超,呂曉青,董子悅

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127;2.西北大學(xué) 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710127;3.陜西省黃河研究院,陜西 西安 710127)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 覆蓋了約70%的地球土壤表層, 具有調(diào)整區(qū)域氣候、 維持地表能量平衡、 保護(hù)生物多樣性等多種作用[1-2]。 自1978年以來, 我國啟動了一系列重大生態(tài)工程, 如“退耕還林工程”“三北防護(hù)林工程”等[3], 這極大改善了生態(tài)環(huán)境并促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。 但是，對于高寒地帶或干旱半干旱山區(qū)(以下簡稱寒旱山區(qū))而言, 由于生長的樹種相對單一, 群落結(jié)構(gòu)相對簡單, 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極不穩(wěn)定, 往往面臨著植被嚴(yán)重退化的問題[4]。 因此, 了解寒旱山區(qū)植被動態(tài)變化和潛在的驅(qū)動機(jī)制對于生態(tài)工程的設(shè)計具有重要的參考意義[5]。

目前, 遙感技術(shù)已成為植被特征動態(tài)檢測的重要手段, 具有覆蓋面積廣、 重復(fù)監(jiān)測性和動態(tài)檢測等特點(diǎn)[6]。 植被覆蓋度(fractional vegetation cover, FVC)表示植被地面垂直投影面積與研究區(qū)總面積的百分比[7], 是衡量生態(tài)保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)有效性的重要指標(biāo), 被廣泛應(yīng)用于氣候、 生態(tài)和土壤侵蝕等領(lǐng)域[8]。 FVC不僅是反映植被生產(chǎn)能力的理想?yún)?shù), 而且在評估地形差異、 氣候變化和區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時也能發(fā)揮較好的作用[9]。

自然環(huán)境和人類活動變化都會對生態(tài)系統(tǒng)造成干擾, 從而使植被生態(tài)穩(wěn)定性和持續(xù)性發(fā)生變化[10], 尤其是在全球氣候變化的背景下, 這些因素之間的相互作用更加復(fù)雜。 氣候變化決定了植被生長環(huán)境從而直接影響著FVC變化[11], 其中氣溫和降水是影響FVC的最主要的兩個氣候因素[12-14]。 此外, 由于氣候或土壤類型的差異, 植被的生長狀況隨地形變化而變化[15]。 不同地形(即海拔、 坡度、 坡向)條件中的水分、 熱量分布、 太陽輻射變化等都存在著顯著的差異, 這間接導(dǎo)致了植被生長和演替的差異, 勢必影響FVC的動態(tài)變化趨勢[16]。 由于長時間水力侵蝕導(dǎo)致坡面被不斷切割, 寒旱山區(qū)往往會形成諸多的侵蝕溝渠, 水土流失嚴(yán)重, 局部氣候變化明顯, 植被改善難度大[17], 而植被恢復(fù)可以有效緩解坡面徑流和沉積物積累[18]。 因此, 闡明地形對植被分布和恢復(fù)的影響對于加強(qiáng)寒旱地區(qū)的林草生長、 提高生態(tài)工程效率具有重要的作用[19]。 然而, 前人研究多集中于不同區(qū)域FVC的時空分布格局變化分析[20], 鮮有工作涉及氣候、 地形變化對寒旱山區(qū)FVC變化的影響。 FVC與氣候、 地形因子之間存在著緊密的聯(lián)系, 揭示植被恢復(fù)在氣候變化、 地形空間分布上的差異, 對于研究人員和政府部門進(jìn)行合理的生態(tài)管理與調(diào)控具有重要的意義。

因此,本文以我國典型的寒旱山區(qū)——甘肅省臨夏回族自治州(臨夏州)為例,基于2000—2019年的Landsat-5/8影像,結(jié)合像元二分模型、普通最小二乘法、Pearson相關(guān)回歸等多種方法,深入探討寒旱山區(qū)FVC的時空變化特征及其相關(guān)影響因素。首先,基于2000—2019年的Landsat-5/8影像和像元二分模型,分析了臨夏州近20年的FVC時空變化特征;然后,分析了FVC變化在地形上的分布特征;最后,探討了氣候因子(氣溫與降水)對FVC變化的影響,以期為寒旱山區(qū)的植被生態(tài)保護(hù)和相關(guān)生態(tài)工程精準(zhǔn)化調(diào)控提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國甘肅省臨夏州,位于甘肅省中部、黃河上游,地理位置為35.6°N～35.8°N、103.1°E～ 103.4°E,總面積約為816 900 hm2(見圖1)。目前,臨夏州轄1市7縣,總?cè)丝?19萬人。臨夏州地處黃土高原與青藏高原、中原農(nóng)業(yè)與西部牧區(qū)的過渡地帶,州內(nèi)大部分地區(qū)屬半干旱氣候,西南部山區(qū)高寒陰濕、東北部干旱、河谷平川溫和[21]。整體地勢南高北低,由西南向東北遞降,呈傾斜盆地狀態(tài),平均海拔為2 000 m。年均蒸發(fā)量在1 198～1 745 mm之間,年均日照時數(shù)2 572.3 h[21],年平均降雨量為265.89 mm,年平均氣溫3.95℃。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location and geographic extent of the study area

建州以來,臨夏州始終面臨著森林資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱、水土流失嚴(yán)重、自然災(zāi)害頻繁、經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后的難題。作為我國典型的寒旱山區(qū),臨夏州歷年來都是甘肅省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,全州水土流失面積達(dá)到了689 464 hm2,占總面積的84.8%[22]。自1978年我國啟動三北防護(hù)林工程后,臨夏州開始開展生態(tài)恢復(fù)工作,并在1999年進(jìn)一步擴(kuò)大推行退耕還林工程。截至2018年,全州共完成生態(tài)工程建設(shè)面積1.11×105hm2,其中退耕還林2.64×104hm2、荒山造林7.63×104hm2、封山育林7.8×103hm2[23]。由于生態(tài)環(huán)境脆弱,臨夏州主要植被類型為高山常綠灌叢、寒溫帶針葉林以及落葉闊葉林[24],現(xiàn)有林地面積僅為1.94×105hm2,森林覆蓋率為11.6%,木材儲蓄量為1.238 6×106m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1 Landsat影像 Landsat是目前在軌時間最長的地球觀測衛(wèi)星系列計劃[25]。為評估臨夏州近20年的植被時空變化,本文平均以3年為一個時段,從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官網(wǎng)(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)下載了覆蓋研究區(qū)2000—2019年的每年植被生長旺盛期(7—9月)云量最少的Landsat影像,每個時期需要2景影像,其行列號分別為130/036和131/035。包括4期Landsat5 TM影像和3期Landsat8 OLI影像,數(shù)據(jù)均為L1T級別(見表1)。為消除干擾并提高圖像精度,所有影像數(shù)據(jù)均在ENVI 5.3軟件中進(jìn)行預(yù)處理,包括幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像鑲嵌、裁剪等,并統(tǒng)一設(shè)置為UTM/WGS-84坐標(biāo)。

表1 本研究使用的Landsat影像Tab.1 Landsat images used in this study

1.2.2 地形數(shù)據(jù) 山地生態(tài)研究中,高程、坡度、坡向往往主導(dǎo)著植被生境的其他要素分異(如土壤、水文等)。因此,本文選擇以高程、坡度、坡向3個主導(dǎo)地形因子來分析臨夏州植被覆蓋變化與地形之間的關(guān)系。從地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)下載覆蓋研究區(qū)的ASTGTM-DEM數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,坐標(biāo)系為WGS 84?；贒EM和ArcGIS 10.2中的3D分析模塊,進(jìn)一步提取了研究區(qū)的坡度和坡向信息。

1.2.3 氣候數(shù)據(jù) 以氣溫、降水量作為氣候因子,分析氣候?qū)χ脖桓采w變化的影響,從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)獲取了臨夏州自2000—2019年的年均氣溫和年均降水量插值柵格數(shù)據(jù),空間分辨率為1km,坐標(biāo)系為WGS 84。所有氣象數(shù)據(jù)均在ArcGIS 10.2中重采樣為空間分辨率30 m的柵格圖像。

1.3 研究方法

1.3.1 FVC計算與分級 目前，可以通過多種方法便捷地測量FVC,其中使用NDVI進(jìn)行FVC估算是常用方法之一[26]。本文基于Landsat影像計算的NDVI值,采用像元二分模型來計算FVC[27]。FVC與NDVI的計算公式分別如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式(1)中：FVC為植被覆蓋度；NDVIsoil為裸土或沒有植被覆蓋下的NDVI值；NDVIveg為茂密植被覆蓋時的NDVI值。式(2)中，ρred、ρnir分別表示紅光波段、近紅外波段反射率。基于前人研究[28]和研究區(qū)的NDVI的統(tǒng)計特征,本文以5%的置信度分別計算了各時期NDVIsoil、NDVIveg,其中累計百分比為5%時的NDVI值為NDVIsoil,累計百分比為95%時的NDVI值為NDVIveg。

FVC值域在[0,1]之間,值越大說明植被覆蓋程度越高。參照已有研究并結(jié)合臨夏州的實(shí)際情況[29],將FVC劃分為5個等級:低覆蓋度(0≤FVC<0.2);中低覆蓋度(0.2≤FVC<0.4);中覆蓋度(0.4≤FVC<0.6);中高覆蓋度(0.6≤FVC<0.8);高覆蓋度(0.8≤FVC≤1)。

1.3.2 FVC變化趨勢分析 一元線性回歸可以識別單個像元的變化趨勢,能夠定量描述FVC動態(tài)變化的空間特征[30]。因此，采用普通最小二乘法[30]模擬了2000—2019年間臨夏州的FVC的變化趨勢,計算公式如下:

(3)

式中：SLOPE為斜率；n為時間序列中的年數(shù)；i為年度變量；FVCi為第i年的植被覆蓋度均值。采用F檢驗(yàn)區(qū)分FVC變化趨勢的顯著性,并且根據(jù)SLOPE和p值將FVC變化趨勢分為5個等級:FVC極顯著改善(SLOPE>0且p<0.01);FVC顯著改善(SLOPE>0且0.01≤p<0.05);FVC無顯著變化(p≥0.05);FVC顯著退化(SLOPE<0且0.01≤p<0.05);FVC極顯著退化(SLOPE<0且p<0.01)。

1.3.3 FVC與地形因子變化特征分析 通過構(gòu)建海拔、坡度、坡向與FVC顯著性變化之間的關(guān)系,來分析FVC隨地形因子分異的變化特征。臨夏州海拔范圍在1 400～4 530 m之間,平均海拔為2 000 m, 因此以200 m的步長, 分別統(tǒng)計每個高程帶中的研究區(qū)2000—2019年的FVC顯著性變化的面積。 坡度和坡向同理可得, 其中坡度以每5°的間隔進(jìn)行統(tǒng)計, 坡向以每45°的間隔進(jìn)行統(tǒng)計。 進(jìn)一步將臨夏州的坡向劃分為平地(-1)、陽坡(157.5°～202.5°和202.5°～247.5°)、半陽坡(112.5°～157.5°和247.5°～292.5°)、半陰坡(67.5°～112.5°和292.5°～337.5°)、陰坡(22.5°～67.5°和337.5°～22.5°)。

1.3.4 FVC與氣候因子的相關(guān)性分析 為了探討不同氣候因子對植被生長和分布的影響,基于Pearson相關(guān)系數(shù)分析了FVC與氣象因子之間的相關(guān)性[31],分為偏相關(guān)分析和復(fù)相關(guān)分析。偏相關(guān)分析能夠在剔除其他氣候因子影響的情況下,探索植被生長與單一氣候因子之間的關(guān)系,被廣泛用于檢測影響植被生長的主要?dú)夂蝌?qū)動因子[32]。其計算公式為

(4)

式中:x為FVC,y為氣溫(℃)；z為降水量(mm)；rxy,z為將降水量固定后的氣溫與FVC的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz、ryz分表表示FVC與氣溫、FVC與降水量、氣溫與降水量的相關(guān)系數(shù)。降水量與FVC的偏相關(guān)系數(shù)同理可得。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法。當(dāng)r>時,則表示氣溫/降水量與FVC呈正相關(guān);當(dāng)r<0時,則表示氣溫/降水量與FVC呈負(fù)相關(guān);當(dāng)r=0時,則表示氣溫/降水量與FVC之間不存在線性關(guān)系。復(fù)相關(guān)系數(shù)能夠分析FVC在氣溫、降水量共同影響下的情況,其計算公式為

(5)

式中:x為FVC；y為氣溫；z為降水量；rx,yz為FVC與氣溫、降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)。復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)同樣采用F檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 FVC時空特征

基于像元二分模型獲取臨夏州2000—2019年FVC均值的時間變化趨勢(見圖2)。結(jié)果顯示,近20年研究區(qū)FVC呈現(xiàn)波動增長趨勢,線性增長率為0.031 1/a,R2為0.88(通過0.05的顯著性檢驗(yàn))。歷年FVC均值在0.38～0.58之間波動,平均值為0.47,表明臨夏州平均FVC處于中等偏低的水平。對于不同時段來說,FVC在2000—2013年期間持續(xù)緩慢增加,2013—2016年FVC由0.55下降至0.5;2016—2019年FVC重新開始增加并達(dá)到了0.58。FVC時間變化反映了不同時期政策的影響。第一個特殊時段為2000—2003年,此時我國剛開始大力推行退耕還林工程,臨夏州也于2002年正式全面響應(yīng),FVC開始增加。第二個特殊時段為2009—2013年,政府提議進(jìn)一步鞏固退耕還林成果并于2014年開啟全國第二輪退耕還林工程,這在一定程度上再次帶動了臨夏州FVC的增長。第三個特殊時段為2013—2016年,FVC略有回落,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知[33],該時段內(nèi)受寒潮影響,臨夏州氣溫偏低,植被生長條件惡劣導(dǎo)致FVC比2013年低。

圖2 2000—2019年FVC均值的變化趨勢Fig.2 The change trend of the average FVC during 2000 to 2019

此外,臨夏州2000—2019年不同類型的FVC的空間分布如圖3所示,可以看出整個地區(qū)的FVC從低覆蓋度、中低覆蓋度向中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度轉(zhuǎn)變。在2000年時,除南部山區(qū)外,臨夏州大面積區(qū)域均表現(xiàn)為低覆蓋度和中低覆蓋度。而在2019年時,臨夏州大面積區(qū)域表現(xiàn)為中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋,低覆蓋度和中低覆蓋度明顯減少。但不同地區(qū)FVC差異較大,總體上呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的變化趨勢。其中,中高植被覆蓋度和高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在東南部的積石山縣、臨夏縣、和政縣、康樂縣;低植被覆蓋度和中低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在西北部的永靖縣、東鄉(xiāng)縣?？傊?近20年臨夏州的FVC由破碎化、雜亂化向規(guī)整化、系統(tǒng)化轉(zhuǎn)變,生態(tài)質(zhì)量得到了較大的提升。

圖3 臨夏州2000—2019年FVC的空間分布格局Fig.3 The spatial distribution pattern of FVC from 2000 to 2019 in Linxia

進(jìn)一步統(tǒng)計了2000—2019年間5種FVC類型的面積和比例(見表2)。結(jié)果顯示,2013年之前研究區(qū)內(nèi)低覆蓋度和中低覆蓋度植被所占面積持續(xù)下降,2013年后研究區(qū)內(nèi)低覆蓋度和中低覆蓋度植被面積又呈現(xiàn)略微上升的趨勢,但在2016—2019年之間又略有回落。從2000—2019年,整個研究區(qū)內(nèi)低覆蓋度和中低覆蓋度植被面積分別減少了1.618×105hm2、2.04×105hm2。

表2 2000—2019年不同植被覆蓋類型的面積和比例Tab.2 Areas and proportions of different FVC types from 2000 to 2019 hm2、%

從表2中可以發(fā)現(xiàn),臨夏州的中覆蓋度植被面積一直呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢,從2000—2019年,中覆蓋度植被面積總共增加了3.73×104hm2,從16.1%增長到2.7%,而中高覆蓋度和高覆蓋度植被面積則呈現(xiàn)波動式增長。2000—2013年中高覆蓋度和高覆蓋度植被面積均呈現(xiàn)增長的趨勢,而2013—2016年開始下降,并在2016—2019年重新開始增加。從2000—2019年,研究區(qū)內(nèi)中高覆蓋度和高覆蓋度植被的增加面積分別為1.713×105hm2和1.249×105hm2,增長比例分別為12.5%、15.3%。綜上,近20年臨夏州植被由低覆蓋度和中低覆蓋度向中等覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度持續(xù)轉(zhuǎn)變,生態(tài)環(huán)境明顯改善。

2.2 FVC演變趨勢

基于一元線性回歸和F顯著性檢驗(yàn),逐像元分析了臨夏州2000—2019年的FVC顯著性變化情況(通過p<0.05顯著性檢驗(yàn))(見圖4)?？梢钥闯?近20年臨夏州大部分的土地覆蓋無顯著變化,其面積為6.163×105hm2,占研究區(qū)面積的75.4%。而植被改善的地區(qū)主要集中在臨夏州中部偏南區(qū)域,且由東向西逐漸遞減,植被改善(即FVC極顯著改善和FVC顯著改善)的總面積為1.471×105hm2,占研究區(qū)面積的18%。植被退化的區(qū)域零星分布在各個地區(qū),其總面積為1.39×104hm2,占研究區(qū)面積的1.7%?？傊?從2000—2019年臨夏州FVC改善的面積遠(yuǎn)大于FVC退化的面積,FVC改善的面積約為FVC退化面積的10.59倍。

圖4 臨夏州2000—2019年FVC改善和退化的變化趨勢Fig.4 Improvement and degradation trend of FVC in Linxia from 2000 to 2019

從各縣市來看,臨夏州植被改善的地區(qū)主要集中在積石山縣、廣河縣、臨夏縣、和政縣和康樂縣，而植被退化的區(qū)域主要發(fā)生在研究區(qū)的東北部和南部邊緣。原因可能是臨夏市為臨夏州縣級市,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,導(dǎo)致大量自然區(qū)域轉(zhuǎn)為人工建設(shè)用地,FVC略微減少;而永靖縣、東鄉(xiāng)縣所處地理位置原因,海拔較高、干旱少雨,植被生長受到一定的影響。

2.3 FVC隨地形因子的變化特征

基于圖4植被發(fā)生顯著變化的區(qū)域,進(jìn)一步分析了FVC隨地形因子的變化特征。首先，以200 m為步長統(tǒng)計分析了臨夏州FVC改善或退化隨海拔變化的特征(見圖5A)。結(jié)果顯示,FVC顯著性變化在各個海拔區(qū)間均有發(fā)生。隨著海拔的增加,植被改善(即FVC極顯著改善和FVC顯著改善)的區(qū)域均呈現(xiàn)出“先增加再減少”的變化趨勢。其中植被改善最明顯的區(qū)域位于2 200～2 400 m的海拔范圍內(nèi),總改善面積為1.085×105hm2,而FVC發(fā)生退化(即FVC顯著退化和極顯著退化)的區(qū)域則少量分布于1 800～2 600 m的海拔范圍內(nèi),其總退化面積為1.09×104hm2,且呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的趨勢。

其次,以每5°的坡度區(qū)間分析了FVC在坡度上的變化特征。結(jié)果如圖5B所示,隨著坡度的增加,植被改善(即FVC極顯著改善和顯著改善)同樣呈現(xiàn)出“先增加再減少”的的趨勢。并在10°～15°的坡度區(qū)間植被改善的面積最多,為3.97×104hm2;其次為5°～10°和15°～20°的坡度區(qū)間,其植被改善面積分別為3.09×104hm2、3.03×104hm2。而對于植被退化(即FVC顯著退化和極顯著退化)來說,隨著坡度的增加呈現(xiàn)出逐漸減少的變化趨勢,主要發(fā)生在-10°的坡度區(qū)域,其退化面積為7.3×103hm2。

此外,以每45°的坡向區(qū)間分析了FVC隨坡向的變化特征(見圖5C),并將其劃分為平地、陽坡、半陽坡、半陰坡和陰坡5種坡向。結(jié)果顯示,在平地上植被發(fā)生變化的區(qū)域相對較少。隨著太陽輻射從陽坡向陰坡轉(zhuǎn)變,植被改善(即FVC極顯著改善和顯著改善)呈現(xiàn)出逐漸增加的變化趨勢。其中陰坡植被改善面積最多(4.45×104hm2);其次為半陰坡區(qū)域,植被改善面積為4.31×104hm2。而植被退化在各個坡向的分布相對穩(wěn)定,無明顯的變化趨勢。

總之,海拔、坡度和坡向均顯著影響FVC動態(tài)變化。對于植被改善而言,隨著海拔和坡度的增加,均呈現(xiàn)出“先增加再減少”的變化趨勢。而隨著坡向從陽坡向陰坡轉(zhuǎn)變,植被改善呈現(xiàn)出持續(xù)增長的變化趨勢。對于植被退化對地形變化并不敏感,穩(wěn)定分布在海拔1 800～2 600 m 、坡度5°～20°以及各個坡向上。

圖5 FVC隨地形因子的變化特征Fig.5 Variation characteristics of FVC with terrain factors

2.4 氣候因子對FVC變化的影響

由于不同地理位置植被對氣溫、降水的響應(yīng)程度各不相同。在控制單一變量的情況下,基于Pearson系數(shù),分析FVC與氣溫、降水量的偏相關(guān)性(見圖6)。從圖6A可見,FVC與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)位于-0.999 9～0.999 9(通過p<0.05顯著性檢驗(yàn))。其中FVC與氣溫呈顯著正相關(guān)、無顯著關(guān)系和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的比例分別為23.54%、61.29%和15.17%。顯著正相關(guān)面積略大于顯著負(fù)相關(guān)的面積,說明總體上臨夏州氣溫對植被生長主要起促進(jìn)作用。臨夏州FVC與降水量的偏相關(guān)系數(shù)位于0.999 9～0.02(見圖6B)(通過p<0.05顯著性檢驗(yàn))。其中,顯著正相關(guān)、無顯著關(guān)系和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的比例分別為1.15%、73.35%和25.5%。FVC與降水量顯著負(fù)相關(guān)面積遠(yuǎn)大于顯著正相關(guān)面積。從空間分布情況來看,氣溫對整個臨夏州的植被都有所影響,而降水量主要集中于影響臨夏州的中部并向四周擴(kuò)散。氣溫、降水量與FVC呈相關(guān)性的區(qū)域面積分別為3.161×105hm2、2.176×105hm2,由此可知?dú)鉁匾蜃訉εR夏州的植被影響程度高于降水因子。

A 為FVC與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)；B 為FVC與降水的偏相關(guān)系數(shù)；C 為FVC與氣溫和降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)圖6 2000—2019年FVC與氣候因子相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of FVC and climate factors from 2000 to 2019

FVC與氣溫、降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)如圖6C所示(通過p<0.05顯著性檢驗(yàn))。FVC與氣候因子復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在臨夏州西北部。臨夏州西北部寒冷干旱,氣候變化(如氣溫和降水)明顯掌握著該區(qū)域的植被生長條件;復(fù)相關(guān)性較弱的區(qū)域主要分布在臨夏州南部,在該區(qū)域氣候溫和、溫潤多雨,植被生長條件相對較優(yōu),氣候和降水的影響能力相對較弱。結(jié)合圖4的FVC顯著性變化空間分布來看,在臨夏州FVC顯著改善的區(qū)域集中在中南部。但是，該區(qū)域氣候?qū)χ脖坏挠绊懩芰s相對較弱,這也間接說明了當(dāng)?shù)厝祟惢顒?如退耕還林工程)對植被生長的影響?？偟膩碚f,FVC與氣溫和降水在部分區(qū)域呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其面積為3.248×105hm2,占研究區(qū)總面積的39.76%。這說明在氣溫、降水共同作用時,對植被生長起一定的促進(jìn)作用。

總之，臨夏州FVC與氣溫、FVC與降水、FVC與氣溫和降水通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)的相關(guān)關(guān)系的區(qū)域面積比例分別為38.62%、26.65%、39.76%。FVC對氣溫的響應(yīng)大于降水,但60.24%的區(qū)域顯示為非氣候因子驅(qū)動。

3 討論

目前，青藏高寒地區(qū)和西北干旱或半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境仍舊比較脆弱,如何保障該區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[7]。因此,本文基于2000—2019年共7期的Landsat數(shù)據(jù),結(jié)合像元二分模型、最小二乘法、Pearson回歸等多種方法,對我國典型的寒旱山區(qū)——甘肅省臨夏回族自治州的的FVC的時空演變趨勢及其相關(guān)影響因素進(jìn)行了深入研究。結(jié)果顯示,從2000—2019年,臨夏州的FVC呈波動增長的變化趨勢。然而,不容忽視的是部分地區(qū)的植被退化導(dǎo)致了植被恢復(fù)的不可持續(xù)性。

植被的空間格局和演變受到多種因素的影響,如地形變化、氣候變化等[14, 16]。因此,基于海拔、坡度和坡向要素,本文首先探索了地形變化對FVC變化的影響。研究結(jié)果顯示,地形變化顯著影響著FVC變化,臨夏州在海拔偏低,坡度較低以及陰坡區(qū)域的植被改善的情況明顯較好(見圖5),這與前人研究一致[34]。相關(guān)研究表明,在具有最佳水分條件的緩坡和山谷地區(qū)植被成活率更高,而在山脊和陡坡上進(jìn)行植被綠化卻困難重重[35]。山脊地區(qū)的水分含量更低,這意味著在進(jìn)行植樹造林時應(yīng)該充分考慮土壤條件[34]。本文研究結(jié)果也表明,臨夏州未來山脊區(qū)和溝壑區(qū)的陽坡和陡坡可能會發(fā)生植被進(jìn)一步退化的結(jié)果(見圖5)。受到自然環(huán)境條件的限制,抗寒性與抗旱性差的植被的成活率相對較小[36],所以臨夏州應(yīng)該適區(qū)種樹、適區(qū)養(yǎng)樹,充分考慮微地形中的生境差異,從而合理調(diào)控植被格局以提高生態(tài)恢復(fù)效率。

此外,氣候條件往往受到地理位置、地形變化和季風(fēng)效應(yīng)的綜合影響從而影響當(dāng)?shù)氐闹脖换謴?fù)[37]。臨夏州位于我國西北干旱和半干旱地區(qū)、青藏高寒區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)的過渡交界地區(qū),特殊的地理位置導(dǎo)致氣候變化對其FVC變化的影響將會更加明顯。在植被生長季,臨夏州氣溫從南部到北部逐漸下降,地形位置和季風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致在臨夏州東南部地區(qū)形成了降水分布不均、濕度高的情況,而在西部和北部地區(qū)則形成了干旱或半干旱的氣候[38]?，F(xiàn)研究已表明在干旱或半干旱地區(qū),降水通常是限制植被生長的主要因素[39]。然而,本文研究結(jié)果卻顯示,在臨夏州,盡管大部分區(qū)域顯示為非氣候因子其驅(qū)動,但與降水相比,氣溫反而是影響FVC變化的主要驅(qū)動因子。FVC與氣溫、FVC與降水、FVC與氣溫和降水(通過顯著性檢驗(yàn)p<0.05)具有相關(guān)性的區(qū)域面積比例分別為38.62%、26.65%、39.76%(見圖6)。其中,FVC與氣溫具有相關(guān)性的區(qū)域面積明顯大于降水對FVC的影響,部分研究結(jié)果也與本文一致[40]。查閱相關(guān)資料后得知,受特殊地形和氣候影響,臨夏州全年氣溫偏低,易發(fā)生寒潮事件,氣溫的增減更容易影響植被的光合作用從而導(dǎo)致植被對氣溫變化更加敏感[33]。

然而,無論是偏相關(guān)分析還是復(fù)相關(guān)分析的結(jié)果均表明,臨夏州60%以上區(qū)域的FVC變化受到非氣候因子的驅(qū)動。諸多研究已證明,除各種自然環(huán)境變化外,人類活動也會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生極大的影響,如生態(tài)工程、土地利用變化等[31],從而對植被恢復(fù)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性造成不同的影響[10]。本文研究也表明,臨夏州僅39.76%的區(qū)域顯示FVC變化與氣候因子具有相關(guān)關(guān)系,間接說明FVC變化還受到人類活動的影響。

因此,基于FVC變化趨勢(見圖4)和FVC與氣溫和降水之間的復(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖6C),本文進(jìn)一步探討了人類活動對臨夏州FVC變化的影響。若某區(qū)域的FVC發(fā)生顯著改善或退化,而此區(qū)域內(nèi)的FVC與氣候因子之間卻并不存在相關(guān)關(guān)系,則說明在此區(qū)域內(nèi)人類活動對FVC的影響占主導(dǎo)地位。首先，統(tǒng)計FVC發(fā)生顯著性變化區(qū)域的FVC與氣候因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)均值,發(fā)現(xiàn)其復(fù)相關(guān)系數(shù)普遍偏低,位于0.23～0.39之間(見圖7B),說明氣候因素對于臨夏州植被的改善或退化無明顯作用。然后,利用FVC與氣候因子無顯著關(guān)系的區(qū)域?qū)D4進(jìn)行掩膜,得到人類活動影響下的FVC變化空間分布信息(見圖7A),并量化人類活動驅(qū)動下FVC變化的面積(見圖7C)。

圖7 人類活動驅(qū)動下的臨夏州FVC變化Fig.7 Changes of FVC in Linxia driven by human activities

結(jié)果顯示,臨夏州FVC變化主要受到人類活動的驅(qū)動。例如,在臨夏州的中南部地區(qū),氣候變化與FVC之間呈無顯著關(guān)系,而該區(qū)域的FVC卻顯著改善,這是當(dāng)?shù)厝祟惢顒铀鶐淼姆e極影響,如退耕還林工程、三北防護(hù)林計劃等[23]。而在永靖縣東北部、和政縣中南部以及康樂縣、積石山縣和臨夏市的局部區(qū)域,氣候因子也并未驅(qū)動當(dāng)?shù)刂脖簧L變化,但這些區(qū)域卻發(fā)生了顯著的植被退化現(xiàn)象。在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn),臨夏州FVC發(fā)生退化的地區(qū)多集中于人工建設(shè)用地上。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為了滿足人口增長和經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張的需求,臨夏州大量自然用地被轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫鼗蜣r(nóng)村聚居用地[41],這在一定程度上帶來了不可恢復(fù)的植被退化現(xiàn)象?？偟貋碚f,臨夏州FVC變化受到自然干擾和人類活動的共同影響,未來應(yīng)該進(jìn)一步調(diào)整生態(tài)工程以更好應(yīng)對人類活動和氣候變化所帶來的消極影響。

4 結(jié)論

1) 2000—2019年,臨夏州FVC呈現(xiàn)出波動增長的變化趨勢,線性增長率為0.031 1/a,R2為0.88。FVC主要從低覆蓋度、中低覆蓋度向中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度轉(zhuǎn)變,總體上呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的變化趨勢。

2) 從2000—2019年,臨夏州植被改善地區(qū)主要集中在臨夏州中部偏南區(qū)域且由東向西逐漸遞減,植被退化的區(qū)域零星分布在各個地區(qū)。臨夏州FVC改善的面積(18.5%)遠(yuǎn)大于FVC退化的面積(1.7%)。

3) 不同海拔、坡度和坡向條件下的FVC變化存在明顯差異,海拔2 200～2 400 m、坡度10°～15°及陰坡地區(qū)的FVC面積顯著改善。

4)與降水相比,氣溫是影響FVC變化的主要驅(qū)動因子,但60.24%區(qū)域顯示為非氣候因子驅(qū)動。其中FVC變化與氣溫、降水、FVC與氣溫和降水(p<0.05)呈相關(guān)的區(qū)域面積比例分別為38.62%、26.65%、39.76%。

本文研究揭示了寒旱山區(qū)的植被覆蓋變化特征并量化了地形變化和氣候變化對植被覆蓋變化的影響。鑒于此,我們建議綜合考慮影響植被恢復(fù)主導(dǎo)因子之間的區(qū)域差異來調(diào)整生態(tài)管理措施,以期為我國寒旱地區(qū)或生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)工程實(shí)施等提供可行的決策框架。