基于地理探測器的甘肅省植被覆蓋時空變化及驅(qū)動力分析

呂泳潔 ，丁文廣 *，鄧 喆 ，隆耀成

1.蘭州大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000

2.蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州 730000

植被能夠通過光合、呼吸作用與生物圈其他要素形成緊密聯(lián)系，是生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣制造者和能量儲藏者，同時起到調(diào)節(jié)溫度、涵養(yǎng)水源、保持水土等作用，研究區(qū)域尺度的植被變化及其驅(qū)動機制對于監(jiān)測生態(tài)環(huán)境的變化具有重要作用（Guo et al，2021；Julien and Sobrino，2021）。歸一化植被指數(shù)NDVI是反映土地植被覆蓋狀況、表明植被活力的一種遙感指標(biāo)，在區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究中獲得廣泛應(yīng)用（田慶久和閔祥軍，1998；楊杰等，2020）。

甘肅省地處長江、黃河上游，是全國生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“青藏高原生態(tài)屏障”、“黃土高原 — 川滇生態(tài)屏障”和“北方防沙帶”的重要組成部分，也是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，其生態(tài)地位特殊而重要。甘肅省氣候多樣，植被類型及土壤類型具有明顯的區(qū)域差異，生態(tài)災(zāi)害多發(fā)，同時受到放牧、開荒等一系列人類活動的影響，植被生長受到自然條件和人為活動的共同影響。眾多學(xué)者以NDVI為植被表征指標(biāo)，對甘肅省植被變化及其影響因素進行了分析研究。如王娜云等（2018）針對全省范圍內(nèi)的3個自然地理分區(qū)，開展了植被與區(qū)域氣候之間的關(guān)系研究。楊尚武和張勃（2014）與趙鴻雁等（2019）對甘肅河?xùn)|地區(qū)和中東部地區(qū)植被NDVI與氣溫、降水之間的關(guān)系進行了研究。崔丹丹等（2014）對甘肅省各生態(tài)區(qū)內(nèi)植被NDVI空間格局以及NDVI變化趨勢進行了研究。上述研究對于分析甘肅省植被NDVI時空變化特征及驅(qū)動機制具有重要貢獻，但其主要考慮氣溫和降水等氣候因素對植被覆蓋的影響，忽略了對地形地貌、土壤類型等自然因素以及人為因素在區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化中的貢獻力研究；同時現(xiàn)有研究多以線性相關(guān)分析法探討植被覆蓋度與驅(qū)動因子間的相關(guān)性，無法實現(xiàn)對因子作用力的量化。

地理探測器（王勁峰和徐成東，2017；張思源等，2020）是空間數(shù)據(jù)探索性分析的有利工具，致力于探測空間分異性以及定量識別因子的影響力、交互作用、作用機理差異性等（王偉等，2019；趙晶晶和戴曉愛，2020），已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)、氣象、水文、社會經(jīng)濟等領(lǐng)域。目前，該模型在植被NDVI變化特征的分析研究中也逐漸受到關(guān)注，如祝聰?shù)龋?019）以岷江上游為研究區(qū)，采用地理探測器模型探究了自然因素對植被變化的驅(qū)動作用。龐靜（2016）針對自然和人為因素，使用該模型對植被覆蓋變化的影響力進行了定量分析，結(jié)果表明自然、人為因子的疊加影響遠高于其單獨對植被的影響。綜上，為更全面揭示和量化氣候因子、人類活動和自然因素對植被覆蓋度的作用，本文以甘肅省為研究區(qū)域，基于NDVI分析植被空間變化特征；應(yīng)用地理探測器量化分析氣候、地形地貌、土壤、人文等不同驅(qū)動因子對植被NDVI的解釋力及因子間的交互作用，為進一步了解甘肅省植被變化、建立生態(tài)善治對策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅省位于我國西北部，總面積42.58萬km2，是西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處，氣候類型多樣，年平均氣溫0 — 15℃，降水量36.6 — 734.9 mm。省內(nèi)土壤種類豐富，共涉及15個土綱，其中灰色森林土和暗棕壤分布最廣（孫秉強等，2005），分別占全省面積的24.8%和24.5%。植被分布區(qū)域差異明顯，西北地區(qū)以草地為主，分散部分草甸及灌木植被，東南部植被豐富度較高，以草地和種植作物為主（陳昌毓，1987）。森林面積509.74萬hm2，占全省總面積的11.9%，森林蓄積量為86.79 m3· hm-2。甘肅是典型的農(nóng)牧過渡區(qū)，氣候、土壤、地形、地貌等自然條件復(fù)雜，草原類型多樣、區(qū)系復(fù)雜、牧草種類成分豐富，共包含14個草原類，可利用草原面積達1606.6萬hm2，草地沙化、鹽堿化現(xiàn)象嚴重（溫慶可等，2009），退化面積達1468萬hm2。省內(nèi)泥石流、滑坡、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，14個市（州）均有地質(zhì)災(zāi)害分布（楊具瑞等，2001）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

NDVI數(shù)據(jù)源自美國國家航天航空局提供的GIMMS NDVI3數(shù)據(jù)集（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），空間分辨率為1/12°，時間范圍為1982 — 2015年，時間分辨率為15 d。GIMMS NDVI是目前時間序列最長的NDVI數(shù)據(jù)，在全球及區(qū)域植被變化的研究中已廣泛應(yīng)用。月度NDVI序列采用最大值合成技術(shù)生成（李儒等，2009；張晗和任志遠，2014）。

本文選取的NDVI驅(qū)動因子包括8個自然因子和7個人為因子（表1）。地貌類型、植被類型、土壤類型和土地利用類型均源自中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，分辨率為1 km（https://www.resdc.cn/）。國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、人均糧食占有量、林業(yè)產(chǎn)值、家畜數(shù)量、常駐人口等社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)均以縣域為單位，數(shù)據(jù)源自甘肅省統(tǒng)計局發(fā)布的2010 — 2015年《甘肅省統(tǒng)計年鑒》（http://tjj.gansu.gov.cn/）。路網(wǎng)數(shù)據(jù)源自GEOFABRIK地圖服務(wù)網(wǎng)站（https://download.geofabrik.de/asia.htm）。以上數(shù)據(jù)均通過甘肅省行政邊界矢量數(shù)據(jù)進行裁剪、投影及變換等處理。使用Arcgis 10.6將統(tǒng)計數(shù)據(jù)與行政區(qū)劃做空間連接，經(jīng)柵格轉(zhuǎn)換等操作，最終以矢量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

表1 植被NDVI影響因子Tab.1 NDVI influencing factors of vegetation

利用自然間斷點法（郭鈮，2003；穆少杰等，2012）將數(shù)據(jù)進行分類，其中土地利用類型、土壤類型、植被類型及地貌類型分別劃分為6類、15類、10類和7類，氣溫、降水、高程、坡度、受災(zāi)面積以及社會經(jīng)濟因子分為8類。通過Arcgis 10.6空間分析中的重分類，將數(shù)據(jù)離散化為類型量。創(chuàng)建全區(qū)范圍內(nèi)20 km×20 km的網(wǎng)格點，基于最鄰近距離法對數(shù)據(jù)集進行重采樣，將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)篩選、排序后刪除缺失值，得到18659條數(shù)據(jù)輸入到地理探測器中進行計算。

2.2 研究方法

（1）Slope趨勢分析法

為揭示1982 — 2015年NDVI的長期動態(tài)變化，應(yīng)用一元線性回歸分析逐像元求解甘肅省NDVI的變化趨勢，計算公式為：

式中：slope為變化趨勢斜率，n為研究時段的年數(shù)，NDVIi為第i年的NDVI值。其中slope＞0表明植被活動呈上升趨勢；slope＜0，表明植被活動呈下降趨勢。

（2）地理探測器

地理探測器是致力于空間分異性探測，以揭示背后驅(qū)動力的統(tǒng)計學(xué)方法，此方法擅長對類型量進行分析，對于數(shù)值量只需適當(dāng)?shù)碾x散化即可輸入到地理探測器中進行運算，其獨特優(yōu)勢是探測兩因子交互作用于因變量，通過比較單因子q值和兩因子疊加后的q值，檢驗因子交互作用的強弱，以及線性、非線性等，此模型無線性假設(shè)。包括以下4個探測器：

分異及因子探測：探測NDVI的空間分異性，即探測某因子對NDVI的影響力大小。用q值來衡量Y的空間分異性，表達式為：

式中：h= 1，…；L為變量Y或因子X的分層，即分類或分區(qū)；Nh和N分別為層h和全區(qū)的單元數(shù) ；和分別是層h和全區(qū)的Y值的方差。q的值域為 [0， 1]。

交互探測：評估因子Xi和Xj疊加作用是否會增強或減弱對NDVI的解釋力。評估的方法是首先分別計算兩種因子Xi和Xj對Y的q值：q(X1)和q(X2)，并且計算它們交互疊加變量Xi和Xj兩個圖層相切所形成的新的多邊形分布時的q值：q(Xi∩Xj)，并對q(Xi)、q(Xj)與q(Xi∩Xj)進行比較。

風(fēng)險探測：比較兩因子Xi和Xj對NDVI的空間分布影響是否有顯著的差異。用t統(tǒng)計量來檢驗：

式中：yh表示子區(qū)域h內(nèi)的屬性均值；nh為子區(qū)域h內(nèi)樣本數(shù)量，Var表示方差。

生態(tài)探測：探測不同因子對植被覆蓋影響的適宜范圍或類型。以F統(tǒng)計量來衡量：

式中：NXi及NXj分別表示兩個因子Xi和Xj的樣本量；SSWXi和SSWXj分別表示由Xi和Xj形成的分層的層內(nèi)方差之和。

3 結(jié)果分析

3.1 植被時空分異特征

利用自然間斷分級法將NDVI均值劃分為低植被覆蓋度（[0.079， 0.169]）、中低植被覆蓋度（(0.169 ， 0.359]）、中植被覆蓋度（(0.359， 0.569]）、中高植被覆蓋度（(0.569， 0.763]）和高植被覆蓋度（(0.763， 0.989]）5個等級（表2），以便更直觀地反映甘肅省植被覆蓋的分布特征及區(qū)域差異。

表2 植被覆蓋度類型Tab.2 Vegetation cover type

由圖1a可見，甘肅省植被覆蓋具有顯著的地域差異，NDVI均值在空間上自西北向東南遞增，東南部區(qū)域植被覆蓋度普遍大于西北區(qū)域。高植被覆蓋度區(qū)域占全區(qū)面積的17.8%，主要分布在甘肅省東南部的甘南高原、秦巴山地南部等高海拔地區(qū)（甘南州、臨夏州、隴南市、天水市部分縣區(qū)），該區(qū)域植被多以林地形式存在。中高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在隴東隴中黃土高原區(qū)域，涉及定西市、天水市（部分）、平?jīng)鍪泻蛻c陽市南部，面積占比14.1%，土地利用類型以耕地為主。中、中低植被覆蓋度區(qū)域分布在祁連山脈、中部黃河沿岸的草地和部分耕地（蘭州市、白銀市、慶陽南部以及張掖市、武威市和嘉峪關(guān)市的西南部），占比分別為11.7%、17.2%。低植被覆蓋度區(qū)域主要分布在甘肅省西北部，占全省面積的39.2%，該區(qū)域多為低覆蓋度草地和荒漠、戈壁等未利用土地，是三北風(fēng)沙綜合防治的重點區(qū)域。

從時空尺度來看（圖1b），甘肅省大部分地區(qū)NDVI在研究時段內(nèi)呈增長趨勢，增長區(qū)域面積占全省植被面積的70.2%，植被顯著改善區(qū)域主要集中在甘肅東部，隴中、隴東地區(qū)的NDVI增勢最為明顯。對比來看，甘南高原、隴南山地部分區(qū)域、祁連山脈西段的植被NDVI值呈現(xiàn)不同程度的下降。

圖1 1982 — 2015年甘肅省植被NDVI均值及其變化趨勢Fig.1 NDVI of vegetation in Gansu Province and its changing trend during 1982 — 2015

3.2 植被NDVI變化驅(qū)動力識別

3.2.1 探測因子影響力

不同因子對植被NDVI分布特征的解釋力的大小可用分異及因子探測結(jié)果中的q值反映。如圖2所示，各因子對植被NDVI分異特征的影響力（q值）從大到小排序依次為：降水量＞植被類型＞人均糧食占有量＞土壤類型＞土地利用類型＞家畜數(shù)量＞受災(zāi)面積＞地貌類型＞坡度＞人口密度＞GDP＞氣溫＞林業(yè)產(chǎn)值＞高程＞路網(wǎng)密度，結(jié)果均通過顯著性檢驗。降水量是甘肅省植被覆蓋變化的關(guān)鍵制約因子，符合在甘肅乃至西部地區(qū)所處的干旱環(huán)境中水分對陸地生態(tài)系統(tǒng)的制約性。降水量與植被類型、人均糧食占有量、土壤類型、土地利用類型共同成為影響NDVI空間分布差異的主要影響因素，對NDVI時空分異性的解釋力分別為75.7%、72.1%、66.9%、58.0%、52.7%；家畜數(shù)量、受災(zāi)面積、地貌類型、坡度、人口密度、GDP、氣溫是次要影響因素，對植被分布產(chǎn)生一定影響，解釋力均在20% — 50%；林業(yè)產(chǎn)值、高程、路網(wǎng)密度的影響力較微弱，解釋力均小于20%。

3.2.2 因子間作用機理的差異性

生態(tài)探測可探測兩因子作用機理的差異性，進一步驗證因子影響力的強弱。結(jié)果顯示（圖3）：降水量、植被類型和土壤類型三個起主導(dǎo)作用的自然因子之間不存在顯著性差異；除氣溫外，降水量與其他自然因子的作用機理均不存在顯著差異；植被類型、土壤類型與人為因子間均不存在顯著性差異。以上進一步驗證了降水量對植被分布的突出影響力，且降水、植被類型和人均糧食占有量是影響植被空間分布的主導(dǎo)因子。高程、氣溫和降水不存在明顯差異，除此之外，氣溫和高程與其他自然因子的作用機理均存在明顯差異，說明氣溫和高程對植被空間分布變化的影響十分微弱，再一次驗證了分異及因子探測的結(jié)果。

人類活動作用對植被NDVI的空間分布同樣產(chǎn)生影響（姚國慧等，2015；杜英坤等，2016；邱麗莎等，2019），所有人為因子與降水、植被類型等因子的作用無顯著差異，但存在一定的空間差異性。除路網(wǎng)密度外的其他人為因子均與高程的作用機理產(chǎn)生明顯差異，該結(jié)果符合研究區(qū)的地理條件。甘肅省地勢較高的山地以荒漠、草地為主，人類活動較少，故高程與大部分人為因子的作用機理存在明顯差異。土壤類型與人均糧食占有量的作用機理存在顯著差異性，但與其他人為因子的作用機理無顯著性差異，這與省內(nèi)的土壤類型分布以及農(nóng)作物生長條件相關(guān)。

結(jié)合各因子的影響力和作用機理差異性可以發(fā)現(xiàn)，自然因子和人為因子的作用機理存在差異，自然因素是植被NDVI變化的主要影響因素，人類活動影響受自然條件的限制具有空間差異性。

3.2.3 因子交互作用分析

交互探測器可以進一步探測因子間的加成作用（裴志林等，2019）。如圖3所示，兩兩因子交互作用均為增強作用，90%以上的因子組合方式為雙因子增強作用，其余因子表現(xiàn)為非線性增強，即兩個因子的疊加大大增強了單因子對植被NDVI空間分布的影響。其中，自然因子中降水量和土壤類型的交互作用（q(X2)∩(X7) = 0.892）對植被NDVI的影響力最大，這與土壤的保水保肥特性和植被的生長條件有關(guān)，且降水量、土壤類型和植被類型與其他自然因子的交互作用影響力較大。人為因子與自然因子的交互作用影響力均有增強態(tài)勢，進一步說明植被NDVI的變化是受自然條件與人類活動的共同作用。其中，人均糧食占有量與植被類型、土壤類型的交互作用最強，分別為0.858、0.857。此外，自然因子中降水量、植被類型與其他因子的交互作用明顯，人為因子中人均糧食占有量、家畜數(shù)量與其他因子交互作用較弱。

圖3 因子間作用機理差異性及其交互作用Fig.3 The result of interaction detector and Ecological detector

3.2.4 影響因子的適宜范圍或類型

風(fēng)險探測可以反映各因子對NDVI分布變化的適宜范圍或類型，為生態(tài)保護與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。如圖4所示，植被NDVI均值隨著年降水量增長而持續(xù)增加，再次驗證了降水對干旱地區(qū)植被變化的主導(dǎo)作用。甘肅省自然條件跨度較大，氣溫、高程等自然因子對NDVI的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（丁海勇和丁昕瑋，2020；何國興等，2021）。從地理系統(tǒng)角度來看，溫度隨著海拔的升高逐漸降低，而降水量則隨海拔增加至峰值后逐漸減少，因此，在水熱條件的作用下，植被覆蓋隨著氣溫和高程的升高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。人為因子方面，隨著人口密度、路網(wǎng)密度、GDP、林業(yè)產(chǎn)值的不斷增加，NDVI均值先上升后下降，說明過度的人類活動會對植被變化造成負面影響。

圖4 風(fēng)險探測器結(jié)果Fig.4 The result of risk detector

因人類活動會受到很多自然因素的影響，故只對自然因子進行適宜范圍或類型的探討，結(jié)果如表3所示。NDVI高值主要分布在海拔2830 —3349 m和坡度大于21.3°的山地，這些區(qū)域大多為高山陡坡，不適宜生產(chǎn)生活，人類在此活動較少，植被覆蓋度較高。在年均溫為7.7 — 9.7℃，降水量為597 — 763 mm的甘南和祁連山等地區(qū)植被覆蓋度也比較高。淋溶土、半淋溶土和水成土廣泛分布在隴南山地和甘南高原地區(qū)，土壤有機質(zhì)含量較高適于林草及多數(shù)植物的生長，對植被的生長具有積極作用，相應(yīng)分區(qū)的NDVI均值分別為0.881、0.812和0.659。與此同時，隴南、甘南等地山巒重迭，溝谷縱橫，地形錯綜復(fù)雜，人煙稀少，光照充足，且降雨較多，為植被生長提供了適宜的氣候條件。從植被類型方面來看，荒漠占全省面積的39.4%，其次是草原和草甸，分別占比17.5%和7.1%。NDVI值較高的植被類型依次為針闊葉混交林（0.900）、闊葉林（0.828）和針葉林（0.851），但覆蓋面積較小，且大多分布在甘肅省與四川省交界的隴南地區(qū)。

表3 自然因子的適宜范圍或類型Tab.3 A suitable range or type of natural factor

4 討論

本文基于眾多學(xué)者對植被變化與氣候響應(yīng)的研究（李輝霞等，2011；穆少杰等，2012），考慮甘肅省實際情況，綜合分析植被類型、土壤類型、地形地貌、自然災(zāi)害以及人類活動對植被的影響。根據(jù)地理探測器的分析結(jié)果顯示：自然因素是導(dǎo)致甘肅省植被NDVI空間分異特征的決定性因素，其中，降水量是影響其空間分布的決定性因子，這與楊尚武和張勃（2014）、王娜云等（2018）等人的研究結(jié)果一致。植被類型和土壤類型對植被NDVI的影響次之，解釋力均大于0.6。在降水為限制因素的干旱、半干旱區(qū)域，不同土壤類型對植被生長和水分的利用效率具有顯著差異。如適宜植被生長的淋溶土、半淋溶土及水成土的分布區(qū)域NDVI值較高，而漠土、鹽堿土不適宜植被的生長，其分布區(qū)域NDVI值較低。受災(zāi)面積對植被NDVI影響較顯著，解釋力為0.395。省內(nèi)災(zāi)害高發(fā)地段主要集中在甘肅省西北部的酒泉地區(qū)以及東南部的隴南、隴中和隴東等地區(qū)，酒泉地區(qū)多以沙漠戈壁為主，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，東南部的隴南、隴中和隴東一帶雖植被覆蓋度較高，但已有下降趨勢，表明生態(tài)環(huán)境退化和災(zāi)害頻發(fā)之間存在著密不可分的關(guān)系。

人類活動主要通過改變土地利用類型來影響植被，人均糧食占有量、土地利用、家畜數(shù)量以及人口密度對植被NDVI空間分異特征的影響力均大于0.3。全省草地退化較為普遍，草原平均超載率較高，中度以上明顯退化的草原面積接近50%，以甘南高原為主的家畜密集地區(qū)植被NDVI下降最為明顯，過度放牧是造成該區(qū)域草地退化的主要人為因素。隨著人均糧食占有量的升高，NDVI呈現(xiàn)先增后減的趨勢，表明過度耕作同樣會對植被覆蓋度造成負面影響。蘭州、臨夏、定西、平?jīng)龊蛻c陽等地人居生態(tài)環(huán)境壓力較大且城市綠化面積不足，城市綠色生態(tài)空間萎縮，植被呈低植被覆蓋度類型（＜0.359）。

自1999年甘肅省退耕還林工程試點開始啟動以來，全省生態(tài)文明建設(shè)效果顯著，截至2017年年底，累計完成退耕還林約220萬hm2。退耕還林工程主要集中在黃河以東地區(qū)，工程實施區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度有所增長，生態(tài)環(huán)境逐步向好，體現(xiàn)了人類活動對植被空間分布具有積極作用。

5 結(jié)論

甘肅省NDVI空間分布“兩極化”趨勢顯著，省內(nèi)低植被覆蓋度區(qū)域面積分布較多，高、低植被覆蓋度區(qū)域分別占比21.9%、56.4%，西部區(qū)域植被覆蓋度較低，高植被覆蓋地區(qū)主要在甘肅省東南部高原地區(qū)。1982 — 2015年植被NDVI呈緩慢上升趨勢，隴南市、天水市、平?jīng)鍪小c陽市、定西市、臨夏州、蘭州市和白銀市等地的植被覆蓋度上升趨勢較大，祁連山脈和甘南高原植被覆蓋度出現(xiàn)下降趨勢。

甘肅省植被NDVI空間分異的主要影響因子解釋力：降水量＞植被類型＞人均糧食占有量＞土壤類型＞土地利用，解釋力均超過0.5。整體上，自然因子的解釋力大于人為因子的解釋力，降水量是影響甘肅省植被變化的最關(guān)鍵因子。75%的自然因子解釋力大于0.3，代表人類活動程度的家畜數(shù)量、人口密度、GDP等人為因子解釋力大部分超過0.2。兩兩因子的交互均為增強作用，自然因子與各因子的交互作用較大，其中，降水量與土壤類型的交互強度達到最高值（0.892）。人為因子與各因子的交互作用呈顯著增強狀態(tài)，其中植被類型與人均糧食占有量的交互作用出現(xiàn)最大值（0.858）。甘肅省深居西北內(nèi)陸，境內(nèi)大部分地區(qū)氣候干燥少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱易變，植被的退化會直接影響地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（丁文廣等，2019），因此，全省需繼續(xù)開展山水林田湖草修復(fù)與保護。