葉爾羌河流域不同植被類型歸一化植被指數(shù)的變化及驅(qū)動因素1)

關(guān)含笑 劉玉婷 張齊飛 龐朝悅

(喀什大學(xué)，新疆·喀什，844000) (山西師范大學(xué)) (喀什大學(xué))

植物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調(diào)節(jié)氣候、維系生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著非常重要的作用[1]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為植被生長狀態(tài)的指示因子，可用于分析植被格局的動態(tài)演化和變遷[2-3]。國內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)MODIS、NOAA-AVHRR、SPOT-VEGETATION、Landsat等數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析、泰爾森斜率估算(Theil-Senmedian斜率估算)、曼-肯德爾檢驗(yàn)法(Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn))、變異系數(shù)結(jié)合相關(guān)性分析、地理探測器以及奇異值分解法(SVD)等方法，探究不同地區(qū)歸一化植被指數(shù)的動態(tài)變化及其影響因素[4-7]，并且將研究成果廣泛用于植被狀況及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測[8]、作物長勢監(jiān)測及產(chǎn)量預(yù)測[9]、生態(tài)價值評估[10]等諸多領(lǐng)域。

新疆葉爾羌河流域深居歐亞大陸腹地，塔里木河流域南緣，生態(tài)環(huán)境脆弱且對氣候變化敏感。植被的變化受多種因素的影響[11]，氣溫、降水等氣候因素在植被的生長過程中發(fā)揮重要作用[12-13]，水熱條件和植被類型的不同，導(dǎo)致植被變化存在較大的空間差異[14]，人類活動也會對植被生長產(chǎn)生抑制或促進(jìn)的作用[11，15]。尤其2000年以來，中國區(qū)域的植被覆蓋率因?yàn)橥烁€林還草等政策實(shí)施增加明顯，于是更需要探討植被變化的影響因素，以此來判斷新生態(tài)保護(hù)政策的合理性。目前，對葉爾羌河流域植被格局變化均從整體角度出發(fā)，將植被類型變化過程“粗略化”，沒有充分解析不同植被類型連續(xù)變化的差異性，植被類型變化與歸一化植被指數(shù)的相互關(guān)系，以及人類活動對植被變化的影響。因此，環(huán)境異質(zhì)性和人為干擾的差異性(植被的物種組成、群落結(jié)構(gòu)等[16])是不同植被類型變化的重要影響因素。因此，本文以葉爾羌河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，不同植被類型為研究對象，應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)，分析葉爾羌河流域植被2001—2020年歸一化植被指數(shù)的時空變化趨勢，以及氣象要素和人類活動對不同植被類型的歸一化植被指數(shù)變化的影響。為新疆葉爾羌河流域荒漠化治理和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域位于我國新疆西南部，地理坐標(biāo)為34°50′～40°31′N，74°28′～80°54′E。葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山脈，位于在塔里木盆地的西邊緣，東靠塔克拉瑪干大沙漠，西接布古里、托格拉克沙漠，南以喀喇昆侖山為屏障，北與天山南麓余脈相毗鄰[17]，總面積大約為8.73×104km2(見圖1)。葉爾羌河流域因三面環(huán)山，常年干旱少雨，平均降水量不足70 mm，且多集中于5—8月，年均氣溫12 ℃，日照時間長，蒸發(fā)強(qiáng)烈，四季及晝夜溫差較大，屬于典型的干旱荒漠大陸性氣候[18]。葉爾羌河流域生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)，葉爾羌河流域內(nèi)植被主要分為：森林、荒漠、高山植被、草原、草甸和栽培植被等6種主要類型。整個流域荒漠面積的比例為42.90%、高山植被面積的比例為18.09%、草甸與草原的面積的比例分別為14.26%、12.29%，栽培植被面積的比例為6.15%，森林面積占整個流域面積的比例僅為1.91%。

圖1 葉爾羌河流域不同植被類型分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(NASA,https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)網(wǎng)站提供的250 m空間分辨率的2001—2020年MOD13Q1植被指數(shù)產(chǎn)品。利用Modis重投影工具(MRT)和ArcGIS等軟件對2001—2020年各個年份23個時相的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括校正、鑲嵌、裁剪等，得到各幀歸一化植被指數(shù)遙感影像圖。氣象數(shù)據(jù)選用新疆41個氣象站點(diǎn)的氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)，利用matlab完成數(shù)據(jù)處理，采用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，生成的柵格數(shù)據(jù)與歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)具有相同投影方式和空間分辨率[19]。植被類型數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。根據(jù)植被地帶性分布規(guī)律，將葉爾羌河流域植被劃分為：森林、荒漠、草原、草甸、栽培植被和高山植被等6種植被類型[20]。

2.2 趨勢分析法

趨勢分析法是指通過構(gòu)建一元線性回歸方程，用時間序列線性擬合的方式對歸一化植被指數(shù)的數(shù)值進(jìn)行處理[21]。計算公式為：

式中：n為所研究時段的累計年數(shù)(n=20)；Xi為第i年最大化歸一化植被指數(shù)值；K為歸一化植被指數(shù)的線性斜率。當(dāng)K>0表示歸一化植被指數(shù)的變化趨勢增加，反之減少。根據(jù)K的大小，將植被變化趨勢分為：嚴(yán)重退化(K≤-0.009 0)、中度退化(-0.009 00.009 0)。

2.3 重新標(biāo)度極差分析法(R/S分析法)與赫斯特指數(shù)(Hurst指數(shù))

重新標(biāo)度極差分析法[22]以及Hurst指數(shù)(H)可以定量描述歸一化植被指數(shù)長時間序列的可持續(xù)性，判斷植被未來演化趨勢是否存在持續(xù)成分[21]，取值范圍0～1。當(dāng)0

采用Matlab編程對歸一化植被指數(shù)值進(jìn)行下列計算：

(5)赫斯特指數(shù)(H)：R(τ)/S(τ)=C(τ)H，H=(lnR(τ)-lnS(τ))/lnC(τ)，C(τ)為常數(shù)。

2.4 相關(guān)性及殘差分析

相關(guān)分析是指在多個變量的相互作用中，控制其他變量影響，研究其中兩個變量相關(guān)性程度的過程[11]。

式中：rxy為植被覆蓋度與氣溫或降水量的相關(guān)系數(shù)，n為監(jiān)測時間(20 a)，xi為第i年植被覆蓋度，yi為第i年氣溫或降水量。

殘差分析法可以將氣候變化和人類活動對植被指數(shù)變化的影響進(jìn)行分離，從而定量描述人類活動對歸一化植被指數(shù)的影響[15]，公式如下：ε=Ir-Ip。式中，ε為殘差，Ir為歸一化植被指數(shù)真實(shí)值，Ip為歸一化植被指數(shù)預(yù)測值。當(dāng)ε>0時，表示人類活動具有正面影響；當(dāng)ε<0時，表示人類活動為負(fù)面影響；當(dāng)ε=0時，表示人類活動影響微弱。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉爾羌河流域植被年際變化特征

由圖2可知，從時間變化上看，葉爾羌河流域2001—2020年歸一化植被指數(shù)總體的增加趨勢較為明顯，但存在一定的波動，整體上介于0.09～0.44，呈上升-下降-上升的趨勢變化。在2001—2010年間，歸一化植被指數(shù)不斷波動增加，多種植被類型的歸一化植被指數(shù)都在2013年后變化緩慢。不同植被類型的歸一化植被指數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢，且波動特征體現(xiàn)出良好的一致性。

圖2 葉爾羌河流域歸一化植被指數(shù)時空分布特征

由于植被種類以及生長情況不同，不同植被類型的歸一化植被指數(shù)存在差異。20年來，歸一化植被指數(shù)最大值出現(xiàn)在2017年的栽培植被(0.44)，最小值出現(xiàn)在2009年的高山植被(0.09)，不同植被類型的歸一化植被指數(shù)均值由大到小依次為：栽培植被(0.40)、草甸(0.29)、草原(0.27)、荒漠(0.21)、森林(0.12)、高山植被(0.11)。

從空間分布來看，葉爾羌河流域植被的歸一化植被指數(shù)空間分布存在差異，整體植被狀況呈現(xiàn)北部優(yōu)于南部，東部優(yōu)于西部的特征。栽培植被及草甸主要分布在流域中東部等地區(qū)；草原在流域西北部分布范圍較廣，區(qū)域內(nèi)植被狀況良好；栽培植被的歸一化植被指數(shù)常年與其他植被類型相比較高，草甸、草原次之。荒漠等植被覆蓋較低的類型大面積分布在流域北部區(qū)域，天然植被稀疏，歸一化植被指數(shù)較低。流域西部海拔較高區(qū)域?yàn)楦呱街脖环植紖^(qū)，常年低溫，植被生長環(huán)境苛刻，歸一化植被指數(shù)最低。

3.2 葉爾羌河流域植被空間格局變化

3.2.1 空間格局變化趨勢

由圖3、表1可知，葉爾羌河流域植被格局總體呈現(xiàn)輕微改善和基本不變的趨勢。且森林、高山植被、草原、草甸等多種類型植被的歸一化植被指數(shù)均呈現(xiàn)不變或改善的趨勢。不同植被類型改善區(qū)域的比例分別為：栽培植被67.87%、草原66.06%、草甸64.94%、荒漠64.16%、森林48.19%、高山植被44.92%。植被改善區(qū)域主要分布于研究區(qū)東北部草甸、荒漠和栽培植被分布區(qū)域，植被退化的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部栽培植被集中區(qū)域，栽培植被中退化趨勢面積占比為14.19%，東北部也存在零星的退化區(qū)域，其余地區(qū)植被NDVI變化處于基本不變的趨勢。

圖3 2001—2020年葉爾羌河流域歸一化植被指數(shù)的空間變化趨勢

表1 葉爾羌河流域各植被類型歸一化植被指數(shù)的變化趨勢統(tǒng)計

3.2.2 葉爾羌河流域不同植被變化可持續(xù)性

由圖4(a)可知，葉爾羌河流域2001—2020年各植被類型的赫斯特指數(shù)(Hurst指數(shù))均低于0.5，表明葉爾羌河流域植被變化有很弱的反持續(xù)趨勢。

圖4 2001—2020年葉爾羌河流域赫斯特指數(shù)分布及可持續(xù)趨勢

由表2可知，不同植被類型的Hurst指數(shù)由大到小依次為：草甸(0.471)、栽培植被(0.466)、森林(0.464)、荒漠(0.448)、草原(0.445)、高山植被(0.412)。草甸、栽培植被和森林的持續(xù)性序列比重相對較高，集中于流域中東部地區(qū)，持續(xù)性面積平均占比為31.34%。而荒漠、草原、高山植被等植被類型中的反持續(xù)面積比重超過可持續(xù)的兩倍。葉爾羌河流域不同植被類型的歸一化植被指數(shù)反持續(xù)性比重大于60%，但程度很弱。

由圖4(b)根據(jù)Arcgis中測算面積的比例，24.44%的區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)改善，由退化到改善的區(qū)域占11.56%，4.49%的區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)退化，而59.5%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?。未來植被變化較為復(fù)雜，反持續(xù)改善或退化多呈斑塊狀零散分布，持續(xù)改善主要在流域中東部草原、草甸等植被類型分布區(qū)域，由退化轉(zhuǎn)為改善的零散分布在草甸和栽培植被區(qū)域，由改善轉(zhuǎn)為退化的主要涉及荒漠、森林兩種植被類型，持續(xù)退化面積較小，點(diǎn)狀分布在荒漠。

3.3 葉爾羌河流域氣候因子對植被變化的影響

由圖5可知，不同植被類型的歸一化植被指數(shù)對氣候因子的敏感性存在差異。不同植被類型的歸一化植被指數(shù)和降水量的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)性相互并存，并且整體上呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。歸一化植被指數(shù)與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.81～0.94，與降水的相關(guān)系數(shù)為-0.58～0.74。

表2 不同植被類型的Hurst指數(shù)

圖5 2001—2020年葉爾羌河流域歸一化植被指數(shù)與氣溫(a)和降水量(b)的相關(guān)性空間分布

由表3可知，在葉爾羌河流域34%的地區(qū)，NDVI與氣溫存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(0.5≤r≤0.8)，主要分布在荒漠、草原等植被類型區(qū)域；極顯著正相關(guān)(r≥0.8)的區(qū)域主要在栽培植被分布區(qū)，占整個區(qū)域的7%左右；在森林和高山植被類型中，NDVI與氣溫存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.3≤r≤0)，約為11%。荒漠、草原和栽培植被等植被類型中降水與NDVI之間呈正相關(guān)關(guān)系，部分植被如高山植被NDVI與氣溫之間存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.3≤r≤0)。

表3 2001—2020年葉爾羌河流域NDVI與氣溫和降水量的相關(guān)性頻率分布

3.4 人類活動對植被變化的影響

由圖6可知，2001—2020年6種植被類型的NDVI殘差均為正，表明人類活動對葉爾羌河流域植被格局產(chǎn)生積極影響。按照殘差的大小判斷人類活動對不同植被類型NDVI產(chǎn)生的影響由大到小依次為：草甸(0.003 4)、栽培植被(0.003 2)、草原(0.002 3)、荒漠(0.002 2)、森林(0.001 4)和高山植被(0.001 2)。從空間分布來看，植被殘差較高的區(qū)域有中東部草甸、荒漠和栽培植被以及西部荒漠的部分區(qū)域，殘差趨勢出現(xiàn)負(fù)值的區(qū)域同樣在研究區(qū)中部的栽培植被、草甸分布區(qū)域等有零星分布。

圖6 2001—2020年葉爾羌河流域人類活動影響力

4 討論

從2001—2020年，葉爾羌河流域不同植被類型的NDVI變化趨勢較為明顯，其中栽培植被和草原的改善趨勢比較明顯，分別占其面積的67.87%和66.06%，表明自退耕還林等保護(hù)政策實(shí)施以來，區(qū)域內(nèi)植被生長狀況良好。

溫度是影響植物物候最重要的氣象因子[23]，氣溫升高使地溫上升，加速植物內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)植物生長[24]。氣溫變化對植被生長的影響程度更高，由于海拔較高，相對于流域附近的水源條件，熱量條件不充分，而溫度對植物萌發(fā)生長產(chǎn)生較大影響，溫度的上升能使植物提高光合作用和水分利用效率等，從而有利于NDVI增加，與李曉蕾等[12]的研究結(jié)果較為一致；尚華明等[25]研究也表明葉爾羌河主要以冰川補(bǔ)給為主，降水并不是影響植被生長的主要因子。因此，降水影響相對氣溫影響不明顯，因此，NDVI與20年間氣溫變化呈現(xiàn)更高的相關(guān)性。崔利芳等[26]、Zhao et al.[27]研究表明，不同植被類型對外部條件的變化響應(yīng)較為一致，水熱條件較好的情況有利于植被生長，高寒山區(qū)氣溫上升可延長植被生長季并增加其光合作用，從而促進(jìn)植被生長。森林、草原等的植被變化可持續(xù)性較弱，說明植被變化是受氣候條件和人類活動共同影響，而非單因素持續(xù)作用產(chǎn)生的較強(qiáng)變化趨勢，與Song et al.[28]研究結(jié)果一致。人類活動對荒漠、草甸、栽培植被的影響相對顯著，表明生態(tài)恢復(fù)以及治理工程的實(shí)施所產(chǎn)生的生態(tài)效益正在呈現(xiàn)，通過改善土壤質(zhì)量、緩解水土流失、提高植被總初級生產(chǎn)力等方式人為影響植被生長，使植被NDVI不斷增加，并對生態(tài)環(huán)境的改善有良好的推動作用。人類活動對高山植被的影響相對較弱，主要原因是高海拔地區(qū)，人類活動相對較少。加強(qiáng)環(huán)境治理，堅持守住生態(tài)保護(hù)紅線，不斷提高生態(tài)環(huán)境治理水平，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)具有重大的作用[29]，呈現(xiàn)的NDVI變化是以氣候要素為主與保護(hù)工程疊加的效應(yīng)。隨著葉爾羌河流域經(jīng)濟(jì)以及城市化水平的發(fā)展，建設(shè)用地面積擴(kuò)張使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變[30]，建設(shè)用地持續(xù)占用植被資源是導(dǎo)致植被蓋度下降的原因[2]。人類活動對植被生長產(chǎn)生的抑制作用，是導(dǎo)致草原、荒漠、高山植被等植被類型的部分區(qū)域出現(xiàn)較弱反持續(xù)趨勢的原因。

另外，本文只研究了氣候因子中的氣溫降水對NDVI變化的影響，太陽輻射、相對濕度、蒸散發(fā)、極端天氣事件、干旱指數(shù)[31-32]等自然條件對NDVI的影響有待于進(jìn)一步研究。因此，在后續(xù)研究中，對驅(qū)動因素的選取應(yīng)不斷完善。經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口素質(zhì)提高能夠減輕人類活動對植被帶來的負(fù)面影響[33]，但本文只通過殘差研究了人類活動，有待于進(jìn)一步從人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會經(jīng)濟(jì)層面分析人類活動的影響。

5 結(jié)論

(1)2001—2020年間葉爾羌河流域不同植被類型NDVI都呈現(xiàn)上升趨勢，20年來，NDVI均值由大到小依次為栽培植被、草甸、草原、荒漠、森林、高山植被。森林、高山植被、草甸增速顯著，栽培植被變化率最低。且不同植被類型NDVI變化具有良好一致性。

(2)研究區(qū)NDVI變化趨勢以穩(wěn)定為主，改善趨勢次之。森林植被的穩(wěn)定面積所占比例最大，為45.54%，栽培植被、荒漠的改善區(qū)域面積所占比重都較大，但不同植被類型的趨勢具有一定的異質(zhì)性。

(3)研究區(qū)未來31.34%的區(qū)域NDVI變化呈可持續(xù)趨勢，森林、荒漠等部分區(qū)域存在生態(tài)退化風(fēng)險，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，提高NDVI變化穩(wěn)定性，保護(hù)生態(tài)建設(shè)成果。

(4)不同植被類型NDVI與降水量和氣溫整體上均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中，草原和荒漠的NDVI與氣溫變化為顯著正相關(guān)，栽培植被的NDVI與氣溫極顯著正相關(guān)，氣溫對各植被類型NDVI的影響更為明顯。

(5)人類活動對產(chǎn)生積極影響最顯著的是草甸，對荒漠、栽培植被的影響相對顯著。