中巴經(jīng)濟(jì)走廊歸一化植被指數(shù)(NDVI)時(shí)空變化及影響因素分析

鄭春燕，梁俊紅①，王 建

(1.湖北師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

作為地表生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分之一，植被在維持碳平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候和保護(hù)生物多樣性方面具有重要作用[1]。植被覆蓋變化能夠更加直接地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化，是全球變化研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。中巴經(jīng)濟(jì)走廊(China-Pakistan Economic Corridor，CPEC)是“一帶一路”倡議中最具代表性的項(xiàng)目之一，在促進(jìn)國(guó)際和平、推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面具有重要意義[3]。然而，CPEC地區(qū)自然條件復(fù)雜，自然災(zāi)害頻繁，加之近年來(lái)工業(yè)化和城市化等人類(lèi)活動(dòng)劇烈，使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境更加脆弱[4]。因此，全面評(píng)價(jià)中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被覆蓋時(shí)空變化特征對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)快速發(fā)展，植被指數(shù)(vegetation index，VI)被用于中、大尺度植被變化分析，其中，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)不僅可以用來(lái)準(zhǔn)確表征植被覆蓋及生長(zhǎng)狀況等信息，而且不易受到云層、地形和太陽(yáng)高度角等輻射變化的影響，是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的植被指數(shù)[5-6]。近年來(lái)，最常用NDVI遙感數(shù)據(jù)集主要包括AVHRR GIMMS NDVI[7]、MODIS NDVI[8]和SPOT-VGT NDVI[9]。其中，MODIS NDVI和SPOT-VGT NDVI雖然空間分辨率較高，但時(shí)間序列較短。AVHRR GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集具有時(shí)間序列長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、植被變化反映能力較強(qiáng)等特點(diǎn)[10]，得到廣泛應(yīng)用，取得了一些研究成果[11]。因此，采用AVHRR GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集對(duì)大尺度區(qū)域植被覆蓋進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力分析具有明顯優(yōu)勢(shì)。

植被動(dòng)態(tài)變化受到自然因素和人類(lèi)活動(dòng)雙重作用的影響[12]，其中，氣溫和降水量是影響植被覆蓋和生長(zhǎng)狀況的主要自然因素。研究表明，氣溫和降水量與NDVI之間呈現(xiàn)相關(guān)性，氣溫與NDVI在濕潤(rùn)的寒帶和溫帶地區(qū)存在顯著相關(guān)，降水量與NDVI在干旱半干旱地區(qū)或者干濕季分明地區(qū)存在顯著相關(guān)[13-14]。此外，不同人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域植被覆蓋變化的影響也存在差異，無(wú)序的城市擴(kuò)張會(huì)降低區(qū)域植被覆蓋度[15-16]，退耕還林還草和生態(tài)修復(fù)等工程有利于增加區(qū)域植被蓋度[17-18]。目前，大部分學(xué)者采用氣候殘差分析來(lái)表征人類(lèi)活動(dòng)，但殘差分析難以區(qū)別不同類(lèi)型人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被變化的影響[19-20]。土地利用變化是人類(lèi)活動(dòng)最重要的表現(xiàn)形式，不同土地利用類(lèi)型對(duì)植被覆蓋的影響存在差異，定量分析每種土地利用類(lèi)型的NDVI變化對(duì)量化人類(lèi)活動(dòng)與NDVI之間的關(guān)系具有重要意義。因此，研究中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被覆蓋變化與氣候、土地利用之間的關(guān)系對(duì)了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有一定參考。

目前，關(guān)于中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)植被變化趨勢(shì)的研究總體較少，氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)走廊植被變化的影響尚不明確，因此，有必要開(kāi)展中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被時(shí)空變化趨勢(shì)研究和量化植被覆蓋與氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)之間的關(guān)系。鑒于此，采用中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)1995—2015年AVHRR GIMMS NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合氣溫、降水量和土地利用類(lèi)型等數(shù)據(jù)，利用一元線(xiàn)性回歸、趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析等方法研究過(guò)去20年該地區(qū)植被覆蓋的時(shí)空變化特征及其與氣候變化、土地利用變化的關(guān)系，以期為中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)植被保護(hù)和生態(tài)環(huán)境改善提供科學(xué)的理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中巴經(jīng)濟(jì)走廊北起中國(guó)喀什地區(qū)，南至巴基斯坦瓜達(dá)爾港，全長(zhǎng)約為3 000 km，是一條集公路、鐵路和油氣管道為一體的貿(mào)易走廊，沿途橫穿喀喇昆侖山、喜馬拉雅山和興都庫(kù)什山3大山系，地形條件復(fù)雜，地勢(shì)起伏較大，呈現(xiàn)出東北高、西南低特征。研究區(qū)選擇巴基斯坦全境(包含巴控克什米爾地區(qū))和中國(guó)新疆喀什地區(qū)，其位于亞歐大陸中部地區(qū)，地處23.50°～40.16° N、61.0°～79.52° E 之間，東鄰印度，西與伊朗接壤，西北與阿富汗和塔吉克斯坦相鄰，南與阿拉伯海相接，東北與中國(guó)新疆接壤(圖1)，總面積約為104.40萬(wàn)km2，其中，屬于中國(guó)喀什地區(qū)的面積約為16.20萬(wàn)km2，屬于巴基斯坦地區(qū)的面積約為88.20萬(wàn)km2。研究區(qū)內(nèi)氣候類(lèi)型多樣，主要包括熱帶沙漠氣候區(qū)、熱帶季風(fēng)氣候區(qū)、高山高原氣候區(qū)和溫帶大陸性氣候區(qū)[21]，年均氣溫在-7～28 ℃之間，年降水量在100～2 000 mm之間，氣溫和降水時(shí)空分布差異較大。研究區(qū)土地利用存在空間差異，巴基斯坦北部和西部地區(qū)以森林和冰雪為主，俾路支省位于干旱半干旱地區(qū)以稀樹(shù)草原和荒漠為主，位于印度平原的旁遮普省和信德省以耕地和荒漠為主[3]。因此，區(qū)域內(nèi)部生態(tài)環(huán)境狀況在不同氣候區(qū)的表現(xiàn)也有所不同。近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)不同氣候區(qū)生態(tài)環(huán)境造成較大影響，區(qū)域內(nèi)部植被覆蓋程度有所降低，荒漠化、土地退化等生態(tài)環(huán)問(wèn)題日益凸出。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

采用的數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)基礎(chǔ)地理、氣象、NDVI和土地利用數(shù)據(jù)等，采用ArcGIS 10.2和Google earth engine(GEE, https:∥code.earthengine.google.com/)軟件，將所需數(shù)據(jù)投影統(tǒng)一為WGS1984 Albers，分辨率統(tǒng)一重采樣為10 km。

(1)NDVI數(shù)據(jù)：中巴經(jīng)濟(jì)走廊區(qū)域1995—2015年GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集來(lái)源于國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.ncdc.ac.cn)，時(shí)間分辨率為15 d，空間分辨率為10 km。該數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊界裁剪，投影轉(zhuǎn)換和質(zhì)量檢測(cè)，采用最大值合成法得到中巴經(jīng)濟(jì)走廊NDVI年數(shù)據(jù)集，以減少云量、地形對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

(2)氣象數(shù)據(jù)：氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)，時(shí)間分辨率為月，空間分辨率為0.1弧度。采用GEE云計(jì)算平臺(tái)對(duì)月數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，并經(jīng)過(guò)邊界裁剪、投影轉(zhuǎn)換、重采樣得到中巴經(jīng)濟(jì)走廊1995—2015年年均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)。

(3)土地利用數(shù)據(jù)：土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自歐空局全球陸地土地覆蓋產(chǎn)品(http:∥www.esa-landcover-cci.org/),時(shí)間分辨率為年，空間分辨率為300 m，共有22個(gè)類(lèi)別。采用國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(international geosphere-biosphere program，IGBP)全球土地覆蓋分類(lèi)系統(tǒng)將中巴經(jīng)濟(jì)走廊土地覆蓋數(shù)據(jù)分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)與建成區(qū)以及未利用地6個(gè)類(lèi)型，采用GEE云平臺(tái)進(jìn)行重采樣、投影轉(zhuǎn)換和裁剪，得到1995—2015年研究區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)。

(4)其他數(shù)據(jù)：DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于SRTM DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)集，空間分辨率為90 m，并采用GEE平臺(tái)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、重采樣和裁剪；底圖數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖(http:∥bzdt.ch.mnr.gov.cn/)，采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、重采樣和裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1最大值合成法

最大值合成法是目前國(guó)際最常用NDVI合成法。采用最大值合成法獲得中巴經(jīng)濟(jì)走廊逐年NDVI最大值，這有利于去除月數(shù)據(jù)中受殘?jiān)?、大氣和太?yáng)角度等的影響[22]，提高區(qū)域NDVI數(shù)據(jù)質(zhì)量。最大值合成法計(jì)算公式為

INDV，i=max(INDV，1，INDV，2，…，INDV，12)。

(1)

式(1)中，i為年份，取值為1995～2015；INDV，i為i年NDVI最大值；INDV，1、INDV，2、…、INDV，12分別為1—12月NDVI值。

1.3.2趨勢(shì)分析

Theil-Sen Median趨勢(shì)分析法是一種穩(wěn)定的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)方法，該方法不受異常值干擾，可有效規(guī)避離群數(shù)據(jù)和測(cè)量誤差，常被用于長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析[23]。該方法計(jì)算公式為

(2)

式(2)中，βNDVI為中巴經(jīng)濟(jì)走廊NDVI變化趨勢(shì)；INDV，i和INDV，j分別為i和j年NDVI值；當(dāng)βNDVI>0時(shí)，NDVI呈增加趨勢(shì)；當(dāng)βNDVI<0時(shí)，NDVI呈減少趨勢(shì)。

Mann-Kendall屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該方法具有不受樣本分布束縛、受異常值影響小等優(yōu)勢(shì)，在水文、氣象和生態(tài)趨勢(shì)變化方面得到廣泛運(yùn)用[24]。該方法計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)中，Z為顯著性統(tǒng)計(jì)量；var為隨機(jī)變量的方差函數(shù)，S為NDVI時(shí)序數(shù)據(jù){NDVI1995，NDVI1996，…，NDVI2015}統(tǒng)計(jì)量；n為年份間隔；sgn為符合函數(shù);var為方差函數(shù)。采用置信度為95%檢驗(yàn)NDVI趨勢(shì)變化顯著性(表1)。

1.3.3偏相關(guān)分析

采用偏相關(guān)分析法逐像元分析中巴經(jīng)濟(jì)走廊20年來(lái)NDVI與氣候因素(年均溫和年降水量)的關(guān)系，并計(jì)算兩兩之間的偏相關(guān)系數(shù)，從而分析氣溫、降水對(duì)研究區(qū)NDVI變化的影響程度[25]。該方法計(jì)算公式為

(7)

式(7)中，rx,yz為固定變量x后的變量y和z的偏相關(guān)系數(shù)；rxy、rxz和ryz分別為變量x與y、x與z以及y與z的相關(guān)系數(shù)。采用t檢驗(yàn)和置信度為95%檢驗(yàn)顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)空變化特征

2.1.1植被NDVI時(shí)間變化特征

1995—2015年研究區(qū)以及巴基斯坦分區(qū)和中國(guó)新疆喀什分區(qū)NDVI變化趨勢(shì)和空間分布見(jiàn)圖2～3。如圖2所示，研究區(qū)近20年植被NDVI多年平均值為0.27，其中，2000年植被NDVI最小，為0.25，2011年植被NDVI最大，為0.29，總體上研究區(qū)植被覆蓋較差；該地區(qū)植被NDVI整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，變化率為0.001 2 a-1。各分區(qū)植被NDVI多年平均值介于0.15～0.31之間，其中，巴基斯坦地區(qū)植被NDVI年均值高于中國(guó)新疆喀什地區(qū)植被NDVI年均值。

圖2 1995—2015年研究區(qū)NDVI年際變化

圖3 1995、2005和2015年研究區(qū)NDVI空間分布

各分區(qū)植被NDVI年際變化趨勢(shì)與整體基本一致，其中，巴基斯坦地區(qū)植被NDVI年增長(zhǎng)速率最快，為0.001 5 a-1；中國(guó)新疆喀什地區(qū)次之，為0.000 5 a-1，這表明20年來(lái)巴基斯坦植被覆蓋改善趨勢(shì)更加明顯。

2.1.2植被NDVI空間分布特征

1995—2015年研究區(qū)及分區(qū)植被NDVI多年平均值與趨勢(shì)變化的空間分布特征見(jiàn)圖4。如圖4所示，研究區(qū)植被NDVI多年平均值在-0.30～0.86之間，且植被覆蓋空間分布差異較大，呈現(xiàn)由中部向南北遞減的變化趨勢(shì)。研究區(qū)植被NDVI多年平均值為0.27，其中，巴基斯坦地區(qū)植被NDVI多年平均值最大，為0.28；中國(guó)新疆喀什地區(qū)最小，為0.16。

圖4 1995—2015年研究區(qū)NDVI空間分布及趨勢(shì)分析

如圖4和表2所示，研究區(qū)地區(qū)植被NDVI變化以明顯改善和基本穩(wěn)定為主，其區(qū)域面積分別占研究區(qū)總面積的32.16%和33.80%。這主要是由于近幾十年來(lái)，國(guó)際社會(huì)開(kāi)始注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，且可持續(xù)發(fā)展政策取得一定成效。其中，植被NDVI改善區(qū)域主要分布在巴基斯坦東北部和中國(guó)新疆喀什西部地區(qū)，基本穩(wěn)定區(qū)域分布在巴基斯坦西南部和新疆東部地區(qū)。在各分區(qū)中，中國(guó)新疆喀什地區(qū)以基本穩(wěn)定為主，其面積占研究區(qū)總面積的5.26%；巴基斯坦地區(qū)以明顯改善為主，其面積占研究區(qū)總面積的30.14%。

表2 研究區(qū)NDVI趨勢(shì)變化面積比例統(tǒng)計(jì)

2.2 氣候變化對(duì)植被NDVI的影響

2.2.1CPEC氣候年際變化

1995—2015年研究區(qū)氣溫和降水量年際變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。如圖5所示，研究區(qū)年均溫和年降水量在1995—2015年總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率分別為0.099 ℃·a-1和1.384 8 mm·a-1，說(shuō)明在1995—2015年研究區(qū)氣候環(huán)境呈現(xiàn)一定程度暖濕化趨勢(shì)。在20年間，研究區(qū)多年平均氣溫和平均降水量分別為16.16 ℃和264.63 mm，且年均溫和年降水量空間分異性明顯，其中，年均溫總體表現(xiàn)為由西南向東北遞減的變化趨勢(shì)，年降水量呈現(xiàn)中部高、南北低的特點(diǎn)。

圖5 1995—2015年研究區(qū)氣溫和降水量年際變化

2.2.2氣候因子與植被NDVI的相關(guān)性

氣溫、降水與植被NDVI的相關(guān)性見(jiàn)表3。如表3所示，中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)植被NDVI與氣溫、降水量的相關(guān)性均呈現(xiàn)顯著性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.02和0.45，且均通過(guò)95%的置信度檢驗(yàn)，這表明氣溫抑制了研究區(qū)植被生長(zhǎng)，而降水量對(duì)植被生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。在各分區(qū)中，巴基斯坦和中國(guó)新疆喀什地區(qū)降水量與植被NDVI均呈現(xiàn)正相關(guān)，但巴基斯坦地區(qū)氣溫與植被NDVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，這主要是由于巴基斯坦地處干旱半干旱區(qū)，氣溫較高，多荒漠和稀樹(shù)草原，植被覆蓋狀況較差。

圖6表明，研究區(qū)植被NDVI與氣溫相關(guān)系數(shù)介于-0.76～0.70之間，與降水量相關(guān)系數(shù)介于-0.64～0.83之間，且空間分布差異明顯。其中，植被NDVI與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在喜馬拉雅山脈南部和巴基斯坦西部俾路支省，表明這些地區(qū)氣溫有利于植被生長(zhǎng)；與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在巴基斯坦中東部的信德省和旁遮普省。植被NDVI與降水量呈現(xiàn)正相關(guān)的區(qū)域主要分布在信德省東南部和聯(lián)邦直轄部落地區(qū)，主要是這些地區(qū)處于季風(fēng)氣候區(qū)，降水豐富，有利于植被生長(zhǎng)；與降水量呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)主要分布在巴基斯坦旁遮普省西南部和喜馬拉雅山區(qū)。

植被生長(zhǎng)對(duì)氣候要素變化的響應(yīng)具有一定滯后性，對(duì)照當(dāng)月、前1個(gè)月和前2個(gè)月植被NDVI與降水量、氣溫的相關(guān)性，揭示植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。如圖7所示，從植被NDVI與降水量的關(guān)系來(lái)看，除6、8和12月外，其他月份植被NDVI變化與前1或2個(gè)月降水量的相關(guān)系數(shù)高于當(dāng)月植被NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明除6、8和12月植被NDVI對(duì)降水量變化未表現(xiàn)出滯后性外，其他月份植被NDVI對(duì)降水量變化均表現(xiàn)出不同程度的滯后性；其中10月植被NDVI與前1個(gè)月降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著，說(shuō)明10月植被NDVI對(duì)降水量變化的時(shí)間滯后性最強(qiáng)。如圖7所示，從植被NDVI與氣溫變化關(guān)系來(lái)看，3、8、9和12月植被NDVI變化與前1或2個(gè)月氣溫的相關(guān)系數(shù)高于當(dāng)月植被NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)，而其他月份植被NDVI變化對(duì)氣溫的滯后效應(yīng)不明顯。整體來(lái)看，研究時(shí)段內(nèi)中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被生長(zhǎng)對(duì)降水量變化的時(shí)間滯后性高于氣溫。

表3 研究區(qū)氣溫、降水量和NDVI相關(guān)性

圖6 1995—2015年研究區(qū)NDVI與氣溫、降水量相關(guān)性分析

圖7 1995—2015年研究區(qū)逐月NDVI與當(dāng)月和前1～2月降水量以及月均溫的相關(guān)系數(shù)

2.2.3不同氣候區(qū)對(duì)植被NDVI的影響

熱帶沙漠、熱帶季風(fēng)、高山高原和溫帶大陸性氣候區(qū)植被NDVI多年平均值分別為0.22、0.49、0.21和0.18，熱帶季風(fēng)氣候區(qū)植被NDVI年均值最高。如圖8所示，熱帶季風(fēng)氣候區(qū)植被NDVI年增長(zhǎng)速率最快，為0.002 8 a-1；高山高原氣候區(qū)增長(zhǎng)速率最小，為0.000 2 a-1。溫帶大陸性氣候區(qū)植被NDVI增長(zhǎng)速度僅次于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，主要是由于溫帶大陸性氣候區(qū)主要分布在我國(guó)新疆喀什地區(qū)，近年來(lái)該區(qū)域采取的退耕還林還草等生物恢復(fù)工程加快了區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善。

如表4所示，各氣候區(qū)降水量與植被NDVI均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中，熱帶沙漠氣候區(qū)降水與植被NDVI相關(guān)系數(shù)最大，為0.49，其主要是因?yàn)闊釒衬畾夂騾^(qū)干旱少雨，而植被生長(zhǎng)對(duì)水資源需求較大。除熱帶沙漠氣候區(qū)外，其他氣候區(qū)氣溫與植被NDVI呈正相關(guān)關(guān)系。熱帶沙漠氣候區(qū)終年高溫不利于植被生長(zhǎng)；高山高原氣候區(qū)由于海拔較高，氣溫受地形影響隨海拔升高而逐漸下降，因此，氣溫對(duì)該區(qū)域植被生長(zhǎng)影響較大；溫帶大陸性氣候區(qū)距海遙遠(yuǎn)，水汽難以到達(dá)，同時(shí)緯度相對(duì)較高，氣溫較低，所以該區(qū)域表現(xiàn)出氣溫、降水量與植被NDVI均呈一定相關(guān)性。

圖8 1995—2015年不同氣候區(qū)植被NDVI變化

表4 各氣候區(qū)氣候因子和NDVI相關(guān)性

2.3 不同土地利用類(lèi)型對(duì)植被NDVI的影響

2.3.1土地利用結(jié)構(gòu)變化

由于中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)用地面積占比不足0.5%，水域和未利用地植被NDVI值較低，因此，該研究主要考慮耕地、森林和草地對(duì)中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被NDVI的影響。區(qū)域不同土地利用類(lèi)型面積變化見(jiàn)圖9。

如圖9所示，1995—2015年研究區(qū)耕地、林地和草地面積占比由56.02%增加到58.90%，其中，20年間耕地面積占比最大，超過(guò)29%，主要分布在巴基斯坦中部的旁遮普省和東南部的信德省；草地面積占比次之，超過(guò)22%，主要分布在巴基斯坦西部邊境省和俾路支省東部地區(qū)；林地面積占比最小，僅占4%，主要分布在喜馬拉雅山南部地區(qū)。研究期內(nèi)，研究區(qū)耕地和草地面積占比呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，草地面積增長(zhǎng)最快，由22.38%增加到25.01%；耕地面積增長(zhǎng)較慢，僅由29.18%增加到29.71%；林地面積占比呈微弱減少趨勢(shì)，其占比穩(wěn)定在4%左右。

圖9 1995—2015年研究區(qū)不同土地利用類(lèi)型面積變化

2.3.2不同土地利用類(lèi)型植被NDVI時(shí)間變化趨勢(shì)

研究區(qū)不同土地利用類(lèi)型NDVI變化見(jiàn)圖10。如圖10所示，1995—2015年研究區(qū)耕地、林地和草地平均NDVI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中，耕地NDVI增長(zhǎng)速率(0.002 4 a-1)最快，分別為草地(0.000 5 a-1)和林地(0.001 4 a-1)的4.8和1.7倍。研究區(qū)耕地、林地和草地NDVI增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于區(qū)域整體，且耕地NDVI增長(zhǎng)對(duì)整個(gè)區(qū)域NDVI增加總量的貢獻(xiàn)最大。如圖10所示，巴基斯坦地區(qū)耕地、林地和草地平均NDVI呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，耕地NDVI增長(zhǎng)速率(0.002 6 a-1)最快，林地(0.001 6 a-1)次之，草地(0.001 2 a-1)最慢；中國(guó)新疆喀什地區(qū)耕地平均NDVI呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而林地和草地整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這表明耕地NDVI增長(zhǎng)對(duì)各分區(qū)NDVI增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)也最大。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1植被NDVI的動(dòng)態(tài)變化

1995—2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)植被NDVI多年平均值總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，這與全球干旱地區(qū)[14]、“一帶一路”地區(qū)[26]、亞洲地區(qū)[27]和中國(guó)西部地區(qū)[28]等不同數(shù)據(jù)、方法和時(shí)空尺度上關(guān)于植被NDVI趨勢(shì)的研究結(jié)果基本一致。從空間分布來(lái)看，巴基斯坦地區(qū)植被NDVI均值比中國(guó)新疆喀什地區(qū)高，表明巴基斯坦地區(qū)植被覆蓋狀況相對(duì)較好。20年來(lái)，中國(guó)新疆喀什地區(qū)植被NDVI增長(zhǎng)速率略高于巴基斯坦和整個(gè)研究區(qū)，特別是近年來(lái)，中國(guó)地區(qū)退耕還林還草[18]、天然林保護(hù)[29]等大規(guī)模植被保護(hù)和工程恢復(fù)政策的實(shí)施，使中國(guó)區(qū)域植被覆蓋水平有所提高。因此，長(zhǎng)時(shí)間序列植被NDVI數(shù)據(jù)能更好地反映植被變化趨勢(shì)，該研究結(jié)果可為未來(lái)中巴經(jīng)濟(jì)走廊長(zhǎng)時(shí)間尺度研究提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考。

圖10 1995—2015年研究區(qū)不同土地利用類(lèi)型NDVI變化

3.1.2植被影響因素分析

植被NDVI時(shí)空分異變化受到氣候和人類(lèi)活動(dòng)等多種要素共同影響。在研究期內(nèi)，中巴經(jīng)濟(jì)走廊年均溫和年降水量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這與于志翔等[30]研究結(jié)果基本一致，對(duì)1995—2015年植被NDVI與氣溫、降水量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被NDVI與氣溫主要呈負(fù)相關(guān)，與降水量主要呈正相關(guān)，這與以往研究結(jié)果[14,26]相一致。該研究采用土地利用類(lèi)型變化來(lái)表征人類(lèi)活動(dòng)，對(duì)不同土地利用類(lèi)型與植被NDVI的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)耕地面積增加對(duì)植被覆蓋的改善有較好貢獻(xiàn)，這與有研究[31]發(fā)現(xiàn)印度植被改善主要來(lái)自農(nóng)業(yè)的結(jié)論一致。另外，有研究結(jié)果[32-33]表明，在地形復(fù)雜地區(qū)，海拔對(duì)植被NDVI的影響較敏感，低海拔地區(qū)植被覆蓋對(duì)氣溫和降水量的影響較小，高海拔地區(qū)植被與氣溫和降水量的相關(guān)性更明顯。因此，在下一步研究工作中，將基于海拔差異探索中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)不同海拔植被與氣候、土地利用類(lèi)型的相關(guān)關(guān)系。

3.2 結(jié)論

基于1995—2015年AVHRR GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集，分析了中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被NDVI時(shí)空變化特征，并采用趨勢(shì)分析和偏相關(guān)分析等方法探究研究區(qū)植被NDVI時(shí)空演變趨勢(shì)，氣溫和降水量與植被NDVI的關(guān)系，以及不同土地利用類(lèi)型對(duì)植被NDVI變化的影響。主要結(jié)論如下：

(1)中巴經(jīng)濟(jì)走廊植被NDVI整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，線(xiàn)性增長(zhǎng)率為0.001 2 a-1。NDVI多年平均值為0.27，但空間分異較明顯，呈現(xiàn)由中部向南北遞減的變化趨勢(shì)。研究區(qū)植被NDVI變化以明顯改善和基本穩(wěn)定為主，改善區(qū)域主要分布在巴基斯坦東北部和中國(guó)新疆喀什西部地區(qū)，基本穩(wěn)定區(qū)域主要分布在巴基斯坦西南部和新疆東部地區(qū)。

(2)中巴經(jīng)濟(jì)走廊地區(qū)年均溫和年降水量在1995—2015年總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率分別為0.099 ℃·a-1和1.384 8 mm·a-1。植被NDVI與氣溫、降水量均呈顯著相關(guān)，氣溫抑制了研究區(qū)植被生長(zhǎng)，降水量對(duì)植被生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。

(3)中巴經(jīng)濟(jì)走廊各氣候區(qū)植被NDVI總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，熱帶季風(fēng)氣候區(qū)年增長(zhǎng)速率較快，高山高原氣候區(qū)較慢，增長(zhǎng)速率分別是0.002 8和0.000 2 a-1。各氣候區(qū)降水量與植被NDVI均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，除熱帶沙漠氣候區(qū)外，其他氣候區(qū)氣溫與植被NDVI呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)中巴經(jīng)濟(jì)走廊耕地和草地面積占比呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，草地面積增長(zhǎng)最快，林地面積呈微弱減少趨勢(shì)。1995—2015年中巴經(jīng)濟(jì)走廊耕地、林地和草地平均NDVI呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中，耕地NDVI增長(zhǎng)速率(0.002 4 a-1)最快，說(shuō)明耕地NDVI增長(zhǎng)對(duì)整個(gè)區(qū)域NDVI增加總量的貢獻(xiàn)更大。