基于不同地貌類型區(qū)甘南州植被覆蓋時(shí)空變化及其影響因素研究

馬 玥，王錄倉①，趙瑞東，常 飛

(1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；3.深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 深圳 518000)

在全球氣候變化和人類活動(dòng)日益加劇的大背景下，地球植被的動(dòng)態(tài)變化成為各領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，植被系統(tǒng)因其變化與地形地貌、土壤、氣候等相適應(yīng)而成為評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的重要指標(biāo)[2]。植被覆蓋度(fractional vegetation coverage，F(xiàn)CV)能夠用于很好地監(jiān)測(cè)地面植被的生長情況[3]，研究相關(guān)動(dòng)態(tài)變化及影響因素對(duì)于定量分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律和開展生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)具有重要意義[4]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于植被覆蓋的研究數(shù)據(jù)多以遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主，歷經(jīng)了LANDSAT—AVHRR—SPOT—MODIS的不斷轉(zhuǎn)變。就植被大范圍監(jiān)測(cè)研究而言，主要廣泛使用的是歸一化差值植被指數(shù)(normalization difference vegetation index，NDVI)和增強(qiáng)植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)等遙感植被指數(shù)[5]，其中，EVI指數(shù)是在NDVI指數(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)了其算法和合成方法，很好地克服NDVI存在的易飽和等問題[6]，可用于植被生長環(huán)境監(jiān)測(cè)、植被覆蓋變化研究等方面。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于植被覆蓋研究已取得較多成果，如EVRENDILEK等[7]根據(jù)NDVI和EVI數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了植被覆蓋的差異；QIU等[8]研究表明EVI數(shù)據(jù)能同時(shí)反映高植被覆蓋區(qū)植被覆蓋情況和區(qū)分高低植被覆蓋區(qū)。在人類活動(dòng)日益加劇、全球氣候發(fā)生變化的情況下，甘南藏族自治州(簡稱甘南州)也出現(xiàn)草地退化、荒漠化和沙化等現(xiàn)象[9]，這引起了各界學(xué)者的關(guān)注與研究。馬琳雅[10]建立了生長季植被覆蓋反演模型，分析了2000—2011年甘南地區(qū)植被覆蓋與物候期的時(shí)空變化特征；蔡棟[11]評(píng)估了甘南草地生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)?？傮w來看，目前的大部分研究主要以MODIS EVI數(shù)據(jù)為支撐，多采用規(guī)避誤差能力較弱的一元線性回歸趨勢(shì)分析法來研究植被覆蓋度[12]，且將影響因素歸咎于自然因素(尤其是氣候因素)，雖然張卓等[13]認(rèn)為人類活動(dòng)也是制約甘南州植被增長的關(guān)鍵因素，但并沒有針對(duì)對(duì)植被覆蓋變化有明顯作用的人類活動(dòng)因素進(jìn)行說明。

甘南州地處青藏高原東北邊緣與黃土高原、秦巴山地的過渡區(qū)，氣候類型多樣，地貌復(fù)雜多變，地貌類型與水文、土壤、氣候、生物等具有密切關(guān)系，并且在不同尺度上影響氣候、植被等自然要素的空間格局和分異規(guī)律[14]。由于地貌類型的不同，甘南州不同區(qū)域地表植被覆蓋度與生態(tài)環(huán)境差異十分明顯。因此，以甘南州植被主要生長期6—8月MODIS EVI數(shù)據(jù)為支撐，應(yīng)用核密度分析、像元二分模型、Theil-Sen Median趨勢(shì)法和Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法，分析了2000—2018年甘南州不同地貌植被覆蓋時(shí)空變化及其影響因素，旨在為甘南州生態(tài)環(huán)境演變和影響機(jī)制研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘南州位于甘肅省西南部，地處青藏高原東北邊緣、中國地勢(shì)第一級(jí)階梯向第二級(jí)階梯的過渡地帶[15]，地勢(shì)西北高東南低，地形復(fù)雜多變，海拔高度分布在1 100～4 900 m之間，大部分地區(qū)在3 000 m以上，主要植被類型有高寒草甸、高寒灌叢草甸和山地森林等。根據(jù)甘南州地形地貌及植被特點(diǎn)，將其劃分為西北部山原區(qū)(Ⅰ)、東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)和南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)3類地貌類型區(qū)(圖1)。其中，東部山地丘陵區(qū)面積最大，約占42%，范圍包括合作市、臨潭縣和卓尼縣全境及碌曲縣、夏河縣部分區(qū)域，其地處甘南高原與黃土高原的過渡地帶，氣候高寒陰濕，農(nóng)林牧兼營；西北部山原區(qū)面積約占37%，為廣闊的草甸草原，地域包括瑪曲縣全境、碌曲縣大部及夏河縣部分地區(qū)，主要分界在郎木寺(碌曲)—瑪艾鎮(zhèn)(碌曲)—甘加鎮(zhèn)(夏河)以西，平均海拔在3 300 m以上，是甘肅省主要牧區(qū)；南部岷迭山谷區(qū)面積最小，約占21%，是以岷迭山系與白龍江流域構(gòu)成區(qū)域?yàn)橹?，包括迭部縣、舟曲縣全境，地形切割劇烈、坡陡壁峭、溝谷幽深，是甘肅省重要林區(qū)之一[16]。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

MOD13Q1數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(NASA)最新發(fā)布的第6版MODIS陸地三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，數(shù)據(jù)可通過NASA對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(https:∥modis.gsfc.nasa.gov/about/)下載。首先對(duì)MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[17](利用MODIS重投影工具從MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品中提取所有EVI波段，再根據(jù)研究區(qū)行政區(qū)劃對(duì)EVI波段進(jìn)行重采樣、鑲嵌、投影及格式轉(zhuǎn)換等)，然后提取甘南州2000—2018年盛草時(shí)期每年6—8月EVI數(shù)據(jù)。以MODIS LST產(chǎn)品中獲取的MOD11A2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過拼接、投影轉(zhuǎn)換和裁剪等操作后，提取甘南州2000—2018年每年6—8月地表溫度(LST)數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為90 m。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于CHIRPS(Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station Data)全球范圍降雨數(shù)據(jù)集提供的降水?dāng)?shù)據(jù)(https:∥www.chc.ucsb.edu/data/chirps)，該數(shù)據(jù)融合了衛(wèi)星降水與地面氣象站降水?dāng)?shù)據(jù)，可以提供衛(wèi)星網(wǎng)格點(diǎn)降水用于趨勢(shì)分析等，選取2000—2018年每年4—8月降水量平均值。人口、農(nóng)作物播種面積、牲畜等數(shù)據(jù)來源于2000—2018年甘南州統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1核密度分析

核密度分析是用于計(jì)算要素在其周圍鄰域中密度的工具，是以點(diǎn)要素計(jì)算每單位面積的量值，并將各個(gè)點(diǎn)或折線擬合為平滑錐狀表面的分析方法[18]，可利用核密度曲線對(duì)EVI動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行分析，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，F(xiàn)(x)為研究區(qū)域內(nèi)EVI分布的核密度估計(jì)值；k為核函數(shù)；i為研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)地區(qū)；h為核密度函數(shù)的搜索半徑；n為EVI數(shù)量總數(shù)；x-xi為點(diǎn)樣本x到樣本xi處距離。

2.2.2像元二分模型

植被覆蓋度(FCV，VFC)是用于衡量一個(gè)區(qū)域地表植被覆蓋情況的重要指標(biāo)，與EVI有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，EVI數(shù)據(jù)可以通過像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。像元二分模型是假設(shè)遙感傳感器觀測(cè)到的一個(gè)圖像光譜信息(EVI)是由植被光譜信息(IEV,veg)和非植被光譜信息(IEV,soil)兩部分經(jīng)一元線性加權(quán)合成，而其中各部分權(quán)重是各自面積在像元中所占比率，如植被覆蓋度可以看作是植被權(quán)重。植被覆蓋度計(jì)算公式[19-20]為

(2)

式(2)中，IEV,i為該時(shí)期某像元EVI值；IEV,veg值包含植被的類型和結(jié)構(gòu)等信息；IEV,soil值包含土壤等的類型、顏色和濕度等非植被信息。

2.2.3Theil-Sen Median趨勢(shì)分析

Theil-Sen Median趨勢(shì)分析是用于模擬每個(gè)柵格數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，客觀地反映一段時(shí)間序列下植被演化趨勢(shì)的方法，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在穩(wěn)定、不要求原樣本服從一定分布、不受異常值干擾、規(guī)避數(shù)據(jù)誤差的能力較強(qiáng)方面[21]。Theil-Sen Median趨勢(shì)分析方法用于計(jì)算n(n-1)/2個(gè)數(shù)據(jù)組合的斜率的中位數(shù)(SEVI)，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，IEV,j和IEV,i分別為像元j年和i年EVI值。當(dāng)SEVI>0時(shí)，表示研究期內(nèi)EVI呈增長趨勢(shì)；當(dāng)SEVI<0時(shí)，表示呈退化趨勢(shì)。

2.2.4Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall是用于判斷趨勢(shì)顯著性的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)為不受少數(shù)異常值干擾且原樣本無需服從一定分布[22]，計(jì)算公式如下：

設(shè)定{IEV,i} =i=2 000, 2 001, …, 2 018，定義Z統(tǒng)計(jì)量為

(4)

其中，

(5)

(6)

(7)

式(4)～(7)中，IEV,i和IEV,j分別為像元i年和j年EVI值；n為時(shí)間序列長度；sgn為符號(hào)函數(shù)；統(tǒng)計(jì)量Z的取值范圍為(-∞, +∞)。在給定顯著性水平α上，當(dāng)|Z|>u1-α/2時(shí)(在給定顯著性水平上，在正態(tài)分布表中查得臨界值為u1-α/2)，表示研究序列在α水平上存在顯著變化[23]。

將Theil-Sen Median趨勢(shì)分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)相結(jié)合，是對(duì)顯著性水平檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)的科學(xué)闡述，它能有效地反映EVI時(shí)空變化特征和用于判斷植被覆蓋在時(shí)間序列下的數(shù)據(jù)趨勢(shì)。由于基本不存在SEVI嚴(yán)格等于0的區(qū)域，所以將-0.000 5≤SEVI≤0.000 5的區(qū)域劃分為穩(wěn)定區(qū)，將SEVI>0.000 5的區(qū)域劃分為改善區(qū)，將SEVI<-0.000 5的區(qū)域劃分為退化區(qū)。將Mann-Kendall檢驗(yàn)在α=0.05置信水平上的顯著性結(jié)果劃分為顯著變化(Z>1.96或Z<-1.96)和不顯著變化(-1.96≤Z≤1.96)。將檢驗(yàn)結(jié)果疊加后進(jìn)行分級(jí)，從而將EVI變化趨勢(shì)劃分為明顯改善、輕微改善、基本穩(wěn)定、輕微退化和嚴(yán)重退化5種類型(表1)。

表1 研究區(qū)分級(jí)結(jié)果

2.2.5多元線性回歸模型

植被覆蓋度變化是自然和人為因素共同作用的結(jié)果，其基礎(chǔ)和關(guān)鍵性因素是氣候發(fā)生變化，影響植被生長和分布。而植物生長時(shí)的光合作用、呼吸作用和土壤有機(jī)碳的積累分解，都是通過溫度和降水來有效調(diào)控和影響的。同時(shí)，人類活動(dòng)可以局部改變植被生長的立地條件，削弱植被生長對(duì)氣候的依賴性，從而影響植被覆蓋度變化的過程和格局[24]。多元線性回歸模型是僅考慮各個(gè)自變量和因變量是線性作用的條件下，研究一個(gè)因變量和多個(gè)自變量之間線性關(guān)系的模型。如果出現(xiàn)非線性的影響條件，模型則可以通過變量代換將非線性因素進(jìn)行擬合后使用。多元線性回歸模型可用于分析不同地貌區(qū)EVI變化的影響因素。多元線性回歸模型一般如下表達(dá)：

yi=α+β1x1i+β2x2i+…+βkxki+ei。

(8)

式(8)中，yi為因變量；α為截距；β為偏回歸系數(shù)，表示在其他變量不變的情況下，第i個(gè)變量變化一個(gè)單位所引起的因變量變化值；ei為殘差。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘南州不同地貌類型區(qū)EVI時(shí)間變化趨勢(shì)

3.1.1EVI時(shí)間變化趨勢(shì)

甘南州是典型的高寒地區(qū)，其草地植被多在5月開始返青，6—8月長勢(shì)迅速。因此，為研究甘南州植被覆蓋區(qū)域EVI隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，選取各年6—8月EVI均值對(duì)當(dāng)年植被覆蓋狀態(tài)進(jìn)行分析(圖2)。

EVI為增強(qiáng)植被指數(shù)。

由圖2可知，2000—2018年甘南州草地生長季總EVI變化幅度不大，2000—2018年增長趨勢(shì)為0.001 a-1，EVI均值呈現(xiàn)先上升再下降后又上升的趨勢(shì)，表明植被整體生長狀況開始好轉(zhuǎn)。2000—2018年甘南州不同地貌類型區(qū)EVI呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，其中，西北部山原區(qū)EVI增長趨勢(shì)最低(0.000 8 a-1)，屬于小幅度增長；而東部山地丘陵區(qū)EVI增長趨勢(shì)最高，增長趨勢(shì)為0.001 1 a-1，近19 a EVI指數(shù)增長0.096 2；南部岷迭山谷區(qū)EVI增長趨勢(shì)為0.000 9 a-1，近19 a EVI指數(shù)增長0.078 5，整體上呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢(shì)?？傮w來看，甘南州EVI指數(shù)在2015年出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而西北部山原區(qū)2015年EVI指數(shù)下降幅度最大，這可能與瑪曲縣是整個(gè)甘南州植被覆蓋度較高的區(qū)域有關(guān)，其對(duì)全州EVI狀況有明顯影響，而2015年降水偏少，從而導(dǎo)致西北部山原區(qū)、東部山地丘陵區(qū)草地生物量均有所下降。

3.1.2EVI時(shí)間變化分析

利用核密度曲線對(duì)甘南州不同地貌類型區(qū)2000、2010和2018年EVI進(jìn)行核密度分析，描述EVI動(dòng)態(tài)變化過程，從而反映植被覆蓋度在2000、2010和2018年之間發(fā)生的變化(圖3)。由圖3可知，西北部山原區(qū)2000年EVI集中分布于0.45～0.63之間，2010年EVI集中分布于0.55～0.68之間，2018年EVI集中分布于0.50～0.72之間，其EVI的核密度曲線峰度隨時(shí)間推移呈下降變化，與2000年相比，2010年西北部山原區(qū)EVI曲線進(jìn)一步向右移動(dòng)，而較2010年“高聳式”分布逐漸向2018年“扁平式”分布演變。由圖3可知，2000年東部山地丘陵區(qū)EVI集中分布于0.35～0.62之間，2010年EVI集中分布于0.38～0.65之間，2018年EVI集中分布于0.45～0.75之間，丘陵區(qū)EVI曲線峰度進(jìn)一步下降，其曲線逐漸向右移動(dòng)，與2000年EVI峰度的“高聳式”相比，2010、2018年曲線峰度進(jìn)一步下降。由此可見，西北部山原區(qū)和東部山地丘陵區(qū)植被覆蓋向高水平等級(jí)發(fā)展，該區(qū)域植被覆蓋度逐漸增加，且山原區(qū)植被覆蓋度略高于丘陵區(qū)植被覆蓋度。由圖3可知，2000年南部岷迭山谷區(qū)EVI集中分布于0.38～0.65之間，2010年EVI集中分布于0.40～0.62之間，2018年EVI集中分布于0.46～0.73之間，其EVI核密度概率曲線逐漸向右移動(dòng)，其EVI概率曲線均呈現(xiàn)“扁平式”分布特征?？梢钥闯?，2010—2018年，南部岷迭山谷區(qū)曲線向右移動(dòng)較為明顯，表明該區(qū)域在此期間植被覆蓋變化明顯，向高水平等級(jí)發(fā)展，但其“扁平式”特征明顯，則表明該區(qū)域植被覆蓋呈高低相間分布?？偟膩碚f，從各年份EVI曲線峰值可以看出，3個(gè)地貌區(qū)EVI呈現(xiàn)明顯向右移動(dòng)的趨勢(shì)，其植被覆蓋情況呈現(xiàn)改善趨勢(shì)。其中，南部岷迭山谷區(qū)EVI區(qū)間跨度較大，植被變化趨勢(shì)較明顯，而西北部山原區(qū)和東部山地丘陵區(qū)EVI區(qū)間跨度基本保持不變，且東部山地丘陵區(qū)EVI核密度曲線峰度進(jìn)一步下降，概率曲線整體上呈向右移動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)一步表明該區(qū)域植被覆蓋改善較為緩慢或基本穩(wěn)定不變。

圖3 2000、2010和2018年甘南州不同地貌區(qū)增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)演變趨勢(shì)

3.2 甘南州不同地貌區(qū)植被覆蓋空間變化趨勢(shì)

3.2.1植被覆蓋類型轉(zhuǎn)換的空間分異

通過像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度(FCV)，并對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行等級(jí)劃分，以分析植被的整體生長空間分異情況。在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，將植被覆蓋度劃分為低覆蓋度(0～20%)、較低覆蓋度(>20%～40%)、中等覆蓋度(>40%～60%)、較高覆蓋度(>60%～80%)和高覆蓋度(80%～100%)5個(gè)等級(jí)[25]。由圖4可知，甘南州不同植被覆蓋度類型南北差異明顯，從西南部向東北部植被覆蓋度逐漸遞減，近19 a平均植被覆蓋度為57.02%。西北部山原區(qū)(Ⅰ)植被覆蓋類型主要為高寒草甸草地，植被生長狀況良好，以較高覆蓋度類型為主，平均植被覆蓋度為61.01%；東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)為半農(nóng)半牧區(qū)，該區(qū)域南部主要為牧草地，中北部主要為大夏河、洮河兩岸的河谷耕地，植被覆蓋度從南向北呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，以中等覆蓋度類型為主，該區(qū)域平均植被覆蓋度為55.33%；在南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)，不同區(qū)域植被覆蓋類型存在較大差異，其中，在白龍江河谷間的耕地以較低覆蓋度類型為主，而兩側(cè)山地以林地為主(陽坡為灌木叢，陰坡為森林)，以較高覆蓋度類型為主，該區(qū)域平均植被覆蓋度為53.37%。

圖4 2000、2010和2018年甘南州不同地貌區(qū)植被覆蓋度類型空間格局

對(duì)于2000和2018年兩期甘南州FCV遙感圖，利用ArcGIS軟件計(jì)算得到2000—2018年植被覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣(表2和圖5)。由表2可知，近19 a間甘南州植被覆蓋類型發(fā)生轉(zhuǎn)移變化的總面積為17 400.18 km2，其中，2000—2018年高覆蓋類型轉(zhuǎn)入面積中占比最大的為較高覆蓋類型(面積為601.88 km2)，其次為中等覆蓋類型(589.71 km2)，這兩者分別占總轉(zhuǎn)換變化量的比例為3.46%和3.39%，這兩種覆蓋類型改變最主要的區(qū)域?yàn)槲鞅辈可皆瓍^(qū)(Ⅰ)和東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)，表明研究期間高覆蓋類型區(qū)主要是由較高覆蓋類型與中等覆蓋類型轉(zhuǎn)變而來；2000—2018年較高覆蓋類型轉(zhuǎn)入面積中占比主要是中等覆蓋類型(12 849.05 km2)，這類變化區(qū)域主要分布在西北部山原區(qū)(Ⅰ)和東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)，占總轉(zhuǎn)出量的73.84%；2000—2018年中等覆蓋類型轉(zhuǎn)入面積中占比最大的是較低覆蓋類型(1 847.37 km2)，這類變化區(qū)域主要分布于東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)的大夏河和洮河兩岸地區(qū)，以及南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)白龍江兩岸，其次為較高覆蓋類型(786.27 km2)，這類變化類型主要分布于西北部山原區(qū)(Ⅰ)，兩者各自占總轉(zhuǎn)出量的比例為10.62%和4.52%；2000—2018年較低覆蓋類型轉(zhuǎn)入面積中占比最大的是中等覆蓋類型(270.37 km2)，這類變化類型主要分布于西北部山原區(qū)(Ⅰ)，占總轉(zhuǎn)出量的比例為1.55%；低覆蓋類型近19 a間發(fā)生的覆蓋類型轉(zhuǎn)換量較低。

表2 2000—2018年不同地貌區(qū)植被覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換面積統(tǒng)計(jì)

圖5 2000—2018年甘南州主要植被覆蓋類型轉(zhuǎn)換

3.2.2植被覆蓋空間變化的發(fā)展趨勢(shì)

基于趨勢(shì)分析方法，逐像元分析研究區(qū)2000—2018年植被覆蓋度的空間變化趨勢(shì)。將SEVI和Z值結(jié)果依據(jù)表1進(jìn)行分級(jí)分類，得到甘南州2000—2018年植被覆蓋變化分布(圖6)。2000—2018年甘南州植被覆蓋改善區(qū)面積約占54%(指占全州總面積，下同)，退化區(qū)面積約占37%，基本穩(wěn)定區(qū)面積約占9%。改善區(qū)中明顯改善區(qū)面積占3.9%，輕微改善區(qū)面積占50.1%；退化區(qū)中嚴(yán)重退化區(qū)面積約占2.22%，輕微退化區(qū)面積約占34.78%。

圖6 2000—2018年甘南州不同地貌類型區(qū)植被覆蓋變化趨勢(shì)

由此可見，甘南州盛草期絕大部分區(qū)域植被覆蓋度較高且隨時(shí)間推移而得到明顯改善。植被覆蓋改善和退化區(qū)域在空間分布上具有異質(zhì)性(指生態(tài)和格局在空間分布的不均勻性與復(fù)雜性)，由南向北植被覆蓋從退化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦纳?。退化區(qū)主要集中分布在西北部山原區(qū)的瑪曲以及南部岷迭山谷區(qū)的迭部、舟曲西部等地；穩(wěn)定不變區(qū)和改善區(qū)主要分布在東部山地丘陵區(qū)的合作、夏河和臨潭等地。甘南州草地植被類型豐富、蓋度高，是天然放牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。自2013年起，甘南州90%以上的草地出現(xiàn)“三化”，特別是西北部山原區(qū)的瑪曲、碌曲和夏河最嚴(yán)重，其中，瑪曲縣境內(nèi)出現(xiàn)大約30處大型沙化點(diǎn)，夏河和碌曲的超載放牧和生態(tài)破壞使得草地鹽漬化現(xiàn)象逐漸加重[26]。盡管退牧、休牧和輪牧政策實(shí)施后，草原恢復(fù)取得一定效果[27]，但長期的超載放牧使得草地生態(tài)系統(tǒng)很難在短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)[28]。

3.3 不同地貌類型區(qū)植被覆蓋的影響因素

結(jié)合甘南州實(shí)際，運(yùn)用多元線性回歸模型分析不同地貌類型區(qū)植被覆蓋變化的影響因素。以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎(chǔ)單位，將3個(gè)地貌類型區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分，建立地貌區(qū)單元后選取平均增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI_mean)作為因變量，自變量選取人口密度(PopDensity，反映人口壓力)、農(nóng)作物播種面積占比(NZW_BL，反映人類強(qiáng)度和對(duì)高寒牧區(qū)天然植被的改造力度)、牲畜單位密度(SCdensity，反映草場實(shí)際壓力和牲畜平衡關(guān)系)、平均地表溫度(LST_mean)、6—8月平均降水量(perc_mean)、平均坡度(slop_mean)和平均地表粗糙度(rug_mean)等因素，用于刻畫植被生成的立地條件與植被覆蓋的影響因素。

由表3可知，由于自然環(huán)境的差異和人類活動(dòng)強(qiáng)度的不同，這些因素對(duì)甘南州不同地貌區(qū)增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)的影響程度有明顯區(qū)別。首先，就植被退化較集中的西北部山原區(qū)(Ⅰ)來說，牲畜單位密度和溫度是主要影響因素，兩者均與EVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，影響的回歸系數(shù)(即Beta系數(shù))分別為-1.051 和-0.863，其可能原因是該地區(qū)植被以草地覆蓋類植被為主，故地區(qū)放牧活動(dòng)較多。對(duì)于植被退化較明顯的南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)來說，其地形條件復(fù)雜，山高谷深且地形切割程度大，EVI的影響因素主要為降水、地表粗糙度、牲畜單位密度，3者均與植被EVI呈負(fù)向關(guān)系，以自然因素影響為主，如地形變化越大的區(qū)域，其植被EVI水平就越低[29]?？梢钥闯鰧?duì)于植被退化集中的區(qū)域，自然與人文因素均有明顯影響。

表3 甘南州不同地貌類型區(qū)增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)的多元回歸分析

相關(guān)研究表明，在甘南草原地區(qū)植被覆蓋變化與溫度變化、人類活動(dòng)(尤其是放牧活動(dòng))有關(guān)，兩者均是影響該區(qū)植被EVI變化的重要因素[13]。在EVI變化相對(duì)穩(wěn)定和改善的東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)，降水、坡度等自然因子對(duì)該區(qū)域植被EVI變化影響較大，其中，降水正向影響植被EVI，其影響系數(shù)為0.321，而坡度對(duì)EVI具有負(fù)向影響，系數(shù)為-1.210，這可能與該區(qū)域氣候條件和地形條件有關(guān)。有研究表明，在甘南州東北部山區(qū)植被覆蓋變化與坡度有很大關(guān)系，特別是與坡向、坡度等地形因子有關(guān)，陽坡陰坡植被生長環(huán)境、條件均受影響[28]?？偟膩砜?，甘南州不同地貌區(qū)自然環(huán)境和人類活動(dòng)強(qiáng)度均存在較大差異，這導(dǎo)致甘南州不同地貌區(qū)域植被覆蓋的影響因素差異十分明顯。

4 結(jié)論

基于MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的MODIS EVI數(shù)據(jù)，研究了甘南州不同地貌類型區(qū)EVI時(shí)空變化趨勢(shì)和影響因素，得出如下主要結(jié)論：

(1)2000—2018年甘南州植被覆蓋EVI均值呈先上升再下降后又上升的趨勢(shì)，表明植被整體生長狀況開始好轉(zhuǎn)。就不同地貌類型區(qū)而言，西北部山原區(qū)EVI在研究期內(nèi)增長趨勢(shì)為0.000 8 a-1；東部山地丘陵區(qū)為0.001 1 a-1；南部岷迭山谷區(qū)增長趨勢(shì)為0.000 9 a-1，近19 a EVI指數(shù)整體上呈現(xiàn)較好的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)甘南州植被覆蓋度(FCV)南北差異明顯，呈現(xiàn)由西南部向東北部逐漸遞減的趨勢(shì)，其中，西北部山原區(qū)(Ⅰ)植被以較高覆蓋度類型為主，平均植被覆蓋度為61.01%；東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)植被以中等覆蓋度類型為主，該區(qū)平均植被覆蓋度為55.33%；在南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)植被呈現(xiàn)較低覆蓋度類型與較高覆蓋度類型的相間分布，該區(qū)平均植被覆蓋度為53.37%。

(3)甘南州植被覆蓋改善比例(約54%)高于植被退化比例(37%)，表明植被整體趨勢(shì)趨于好轉(zhuǎn)，整體穩(wěn)定性呈增加趨勢(shì)，也有部分地區(qū)出現(xiàn)退化現(xiàn)象且大多為輕微退化現(xiàn)象。植被覆蓋退化區(qū)主要集中分布在西北部山原區(qū)的瑪曲、碌曲及南部岷迭山谷區(qū)的迭部等地；植被覆蓋改善區(qū)主要分布在東部山地丘陵區(qū)。

(4)多元線性回歸分析結(jié)果表明，由于甘南州不同地貌區(qū)自然環(huán)境和人類活動(dòng)強(qiáng)度均存在較大差異，從而導(dǎo)致自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)因子是影響西北部山原區(qū)(Ⅰ)植被EVI的主要因素，而自然環(huán)境因子是影響東部山地丘陵區(qū)(Ⅱ)、南部岷迭山谷區(qū)(Ⅲ)植被EVI的主要因素。