西南地區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力解析

曾興蘭,陳田田,2*

西南地區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力解析

曾興蘭1,陳田田1,2*

(1.重慶師范大學(xué),三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331；2.重慶市三峽庫區(qū)地表生態(tài)過程野外科學(xué)觀測研究站,重慶 401331)

以歸一化植被指數(shù)(NDVI)、土地利用、氣候數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ),綜合集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、偏相關(guān)分析、分段線性回歸等方法,在明晰區(qū)域植被變化特征的基礎(chǔ)上闡明氣候變化和城市擴(kuò)張兩大驅(qū)動(dòng)要素對植被動(dòng)態(tài)的影響.結(jié)果顯示,1990～2018年,西南地區(qū)NDVI呈波動(dòng)上升趨勢,植被變綠趨勢明顯,在空間上表現(xiàn)東南高、西北低的分布格局.相較于太陽輻射和降水,氣溫對區(qū)域植被生長的影響力及范圍均較大,約占區(qū)域總面積的64.6%,主要分布在研究區(qū)中部以及西部.西南地區(qū)土地城市化、經(jīng)濟(jì)城市化和人口城市化隨時(shí)間推移均呈增加趨勢,且空間分布格局較一致;在縣域尺度上,經(jīng)濟(jì)、人口城市化與植被生長呈先增后降的非線性關(guān)系,土地城市化與植被生長呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;在柵格尺度上,三類城市化與植被生長的關(guān)系保持不變,但是非線性閾值以及線性斜率差異明顯.

植被綠化；氣候；城市化；尺度；西南地區(qū)

地表植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,是吸收碳的重要載體,能有效應(yīng)對氣候變化,為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯提供了重要途徑[1-2].因此,植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測及其反饋成為重要研究內(nèi)容.

歸一化植被指數(shù)(NDVI)能準(zhǔn)確地表征植被覆蓋度、反映植被生長狀況,已被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究[3].目前,使用較普遍的NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括MODIS NDVI、GIMMS3g NDVI和SPOT-VGT NDVI等,其通常含有不同的頻率和噪聲[4-5],使得研究結(jié)果存在偏差.為此,學(xué)者提出了一系列時(shí)間序列分解技術(shù)對NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu),例如小波變化[6]、多條樹輪年表[7]、Fourier分析[8]等,以獲取更準(zhǔn)確的年際變化信息.其中,以集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)方法應(yīng)用最廣泛[9-10].基于準(zhǔn)確的NDVI信息,學(xué)者們對植被生長的時(shí)空變化特征、驅(qū)動(dòng)機(jī)制等進(jìn)行了研究[11-12].在時(shí)空變化趨勢上發(fā)現(xiàn),從上世紀(jì)90年代開始植被整體呈增加趨勢并表現(xiàn)出了非線性特征,空間上也呈現(xiàn)出了明顯的分異特征[13-14].在驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面發(fā)現(xiàn),降水、氣溫等氣候因素是造成植被變化的主要因素[15-16],同時(shí)以城市擴(kuò)張、人口集聚和生態(tài)修復(fù)為特征的人類活動(dòng)也是導(dǎo)致植被變化的重要因素[17-18].這些研究厘清了植被變化對氣候和人類活動(dòng)的響應(yīng)過程,為后續(xù)相關(guān)研究提供了科學(xué)參考.

西南地區(qū)是我國喀斯特地貌的集中分布區(qū),其植被是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要組成部分.在大規(guī)模的生態(tài)造林與植被恢復(fù)背景下,該區(qū)域已成為中國乃至全球重要的生態(tài)碳匯潛力區(qū)[19],以0.36%的全球陸地面積貢獻(xiàn)著5%的全球植被地上生物量[20].目前,關(guān)于西南地區(qū)植被覆蓋的研究已較多,學(xué)者們普遍認(rèn)為區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)出了明顯上升趨勢,與此同時(shí)植被生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力也顯著增強(qiáng)[21-22].但在對植被變化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行解析時(shí),大多選取的是氣溫和降水這2個(gè)氣象因子[23-24].實(shí)際上,影響西南地區(qū)植被變化的氣象因素較為復(fù)雜,相關(guān)研究指出西南地區(qū)水汽少、低云量,太陽輻射對植被生長的影響也較為突出[25].同時(shí),在人為驅(qū)動(dòng)因素的選取中,現(xiàn)有研究主要側(cè)重于生態(tài)修復(fù)對區(qū)域植被變化的影響,較少關(guān)注城市化及城市發(fā)展帶來的植被變化問題[26-27].事實(shí)上,自西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來,西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展,人口集聚程度逐漸擴(kuò)大.這種快速的城市化不僅導(dǎo)致土地利用/覆被變化,而且會對區(qū)域的植被、水文、氣候、生物多樣性等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,并引發(fā)一系列生態(tài)和社會問題[28-29].因此,有必要明晰城市擴(kuò)張對區(qū)域植被造成的影響.

基于此,本文以西南地區(qū)為例,首先通過EEMD獲得長時(shí)間序列NDVI,以表征植被生長狀況,并對1990～2018年西南地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行檢測與分析;然后,采用二階偏相關(guān)系數(shù)探討氣溫、降水和太陽輻射對植被NDVI的影響,并進(jìn)行氣候主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素分區(qū);最后,基于分段線性回歸,從不同尺度揭示植被動(dòng)態(tài)變化對城市擴(kuò)張的響應(yīng),確定其影響閾值,以期為西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)支持.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)包括四川省、云南省、重慶市、貴州省和廣西壯族自治區(qū)共5個(gè)省份(97°21′E～ 112°04′ E、20° 54′N～34°19′N,圖1),總面積約1.37× 106km2,約占中國陸地面積14.27%[30].全區(qū)年均氣溫在-2.8～23.9℃,降水量在54.6～2675.6mm,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候;區(qū)域平均海拔較高,呈現(xiàn)北高南低的分布格局,且地形地貌復(fù)雜,植被類型豐富.研究區(qū)作為中國西南部的腹地,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化加快,區(qū)域經(jīng)濟(jì)得以迅速發(fā)展,但同時(shí)也出現(xiàn)了明顯的生態(tài)環(huán)境問題,例如,水土流失、石漠化等.為緩解生態(tài) -經(jīng)濟(jì)沖突、確保生態(tài)安全屏障,區(qū)域?qū)嵤┝朔雷o(hù)林建設(shè)、退耕還林(草)、天然林保護(hù)修復(fù)等多項(xiàng)生態(tài)工程,以生態(tài)環(huán)境的保護(hù)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.

圖1 研究區(qū)范圍及地形示意

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的NDVI數(shù)據(jù)集來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn),通過最大合成月NDVI數(shù)據(jù),求均值獲得年NDVI數(shù)據(jù),其時(shí)間尺度為1990～2018年,空間分辨率為5km.建設(shè)用地面積來源于中國土地利用數(shù)據(jù)集(https://www. zenodo.org/),該數(shù)據(jù)集時(shí)間尺度為1990～2020年,空間分辨率為30m.人口城市化采用人口數(shù)據(jù)空間分辨率為1km的人口數(shù)量(https://www.worldpop. org/).GDP數(shù)據(jù)由資源與環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供(https://www.resdc.cn/Default.aspx),空間分辨率為1km,由于數(shù)據(jù)的時(shí)間限制,1995～2019數(shù)據(jù)被用于反映西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展.根據(jù)研究區(qū)實(shí)際狀況選擇氣溫、降水和太陽輻射作為影響NDVI變化的主要?dú)夂蛞蛩?1990～2018年西南地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)來自國家青藏高原數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh- hans/),空間分辨率為1km.最后基于NDVI數(shù)據(jù),將本文所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系和5km分辨率.

1.3 研究方法

1.3.1 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD) EEMD是一種將具有非線性、非平穩(wěn)信號的長時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分解,以獲取有用信息的模型.該模型主要利用高斯白噪聲的特性,將白噪聲添加到原始數(shù)據(jù),使原始數(shù)據(jù)在不同尺度具有連續(xù)性,避免了模態(tài)混合的問題,能夠得到信號的各個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(IMF)分量[31].截止到目前,EEMD已被廣泛地運(yùn)用于氣候[32]、海平面[33]、植被[34]等相關(guān)研究中.

對于某一序列0(),EEMD的分解步驟如下:

(1)給原始數(shù)據(jù)0()添加高斯白噪聲n(),得到新的序列().

(2)對新序列進(jìn)行EEMD分解,得到一組IMF分量.

(3)繼續(xù)重復(fù)以上2個(gè)步驟,每次加入不同的白噪聲,直到滿足IMF停止標(biāo)準(zhǔn).

(4)進(jìn)行次后,原始數(shù)據(jù)被分解為一個(gè)殘差項(xiàng)()和一系列從高頻到低頻的IMF,平均每次得到的IMF分量,得到最終分解結(jié)果.

基于此,本文利用EEMD對西南地區(qū)長時(shí)間序列NDVI進(jìn)行分解,得到噪聲、年際變化分量和年分量,本文主要對年際變化分量進(jìn)行分析.

1.3.2 趨勢分析 該方法主要用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)長期變化是否存在連續(xù)增長或連續(xù)減少的趨勢,用斜率Slope表示[35].其公式如下:

式中:slope為趨勢線的斜率;為年份;NDVI為第年的NDVI均值.

1.3.3 二階偏相關(guān)分析 偏相關(guān)分析是通過控制其他變量的影響,研究兩變量之間的凈相關(guān)性.本文采用二階偏相關(guān)分析溫度、降水和太陽輻射對植被NDVI變化的影響.其公式如下[36]:

式中:R表示消除因子和的影響,計(jì)算和之間的二階偏相關(guān)系數(shù);R,x、R,x、R,x具有類似定義;R>0表示氣候因子與NDVI呈正相關(guān);R<0表示氣候因子與NDVI呈負(fù)相關(guān).

1.3.4 城市化 本文將區(qū)域城市化分為經(jīng)濟(jì)城市化、人口城市化和土地城市化3種類型.以5km的漁網(wǎng)計(jì)算建設(shè)用地面積占區(qū)域總面積的比重,表征土地城市化.對人口、經(jīng)濟(jì)密度的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,獲取其對應(yīng)的5km柵格數(shù)據(jù),以此表征人口城市化和經(jīng)濟(jì)城市化.

1.3.5 分段線性回歸 本文采用分段線性回歸識別長時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)折點(diǎn),并在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后分別使用線性擬合對不同階段數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析[37].其公式如下:

式中:是區(qū)縣NDVI均值的回歸斜率;代表城市化指標(biāo);是城市化水平的轉(zhuǎn)折點(diǎn);0和1為系數(shù);是誤差項(xiàng).

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NDVI時(shí)空變化特征

基于EEMD的NDVI分解結(jié)果(圖2a),得到噪聲是無用信息,年分量是短期的季節(jié)趨勢,本文著重研究NDVI年際分量的時(shí)空變化趨勢.在時(shí)間上分析(圖2b),1990～2018年西南地區(qū)植被NDVI均值整體表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢,以0.0038a-1的速度增加,植被綠化特征明顯(2=0.6574).同時(shí),西南地區(qū)植被NDVI的變化具有明顯的非線性特征,最高值出現(xiàn)在2017年,最低值出現(xiàn)在1994年.其中,高值區(qū)的出現(xiàn)一定程度上反映了生態(tài)修復(fù)措施對植被恢復(fù)的積極作用,低值區(qū)的產(chǎn)生可能與此期間發(fā)生的極端天氣有關(guān).

就西南地區(qū)植被NDVI均值的空間分布而言(圖3a),發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的NDVI均值在空間上存在差異,空間上整體呈現(xiàn)東南高,西北低分布格局,其平均值在0～0.76之間,同時(shí)NDVI值在0.4～0.5占比51.44%,約占研究區(qū)一半的面積,可見,1990～2018年西南地區(qū)植被均值整體處于中等水平.從圖3(b)中得到西南地區(qū)植被NDVI年際變化的slope在-0.0064～0.0103之間,98.6%區(qū)域的植被slope>0,植被上升的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部、西北部以及南部;1.4%區(qū)域的植被slope<0,零星分布在四川盆地西部的中心城市及周邊地區(qū).

圖2 1990～2018年西南地區(qū)NDVI分解及年際分量變化趨勢

圖3 1990～2018年西南地區(qū)NDVI 空間分布及變化斜率

2.2 植被NDVI與氣候因素的偏相關(guān)分析

由圖4可知,1990～2018年西南地區(qū)年均溫度、年降水量和太陽輻射均呈上升趨勢,增加速度分別為0.0183℃/a、0.7563mm/a和0.1384W/a,說明西南地區(qū)存在變暖變濕的跡象.同時(shí),氣溫年增速最大,為1.7576%,其次是太陽輻射和降水,年增速分別為0.0680%、0.0092%.

從植被與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)可知(圖5),植被NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)范圍在-0.67～0.81,其中,系數(shù)大于0表示氣溫對植被生長具有促進(jìn)作用,約占研究區(qū)面積的68.82%,主要分布在研究區(qū)東部和西部;系數(shù)小于0表示氣溫對植被生長具有抑制作用,主要分布在研究區(qū)東北和南部.植被NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)范圍在-0.62～0.80,系數(shù)大于0的區(qū)域約占研究區(qū)面積68.81%,主要分布在研究區(qū)東北部和西南部.植被NDVI與太陽輻射的偏相關(guān)系數(shù)范圍在-0.69～0.79,系數(shù)大于0的區(qū)域約占研究區(qū)面積66.86%,主要分布在研究區(qū)中部和南部.整體來看,氣溫、降水、太陽輻射與植被NDVI的偏相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.3046、0.0955、0.0924,說明氣溫對植被變化的影響最大.同時(shí),在柵格尺度上,對影響系數(shù)進(jìn)行絕對化處理,取絕對值的最大因素作為影響區(qū)域植被NDVI的主導(dǎo)因素(圖6),發(fā)現(xiàn)約占研究區(qū)面積64.6%的區(qū)域主要受到氣溫因素驅(qū)動(dòng),分布在研究區(qū)中部和西部;主要受太陽輻射因素驅(qū)動(dòng)的區(qū)域約占研究區(qū)面積23.4%,分布在研究區(qū)南部;主要受降水因素驅(qū)動(dòng)的區(qū)域約占研究區(qū)面積11.9%,分布在研究區(qū)東北部.總的來說,氣候變化是西南地區(qū)植被良好發(fā)展的一個(gè)重要原因.

圖4 1990～2018年西南地區(qū)溫度、降水量和太陽輻射變化趨勢

圖5 西南地區(qū)植被NDVI與氣候因子偏相關(guān)關(guān)系空間分布

圖6 不同區(qū)域植被變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素及其面積占比

2.3 1990～2018年城市化時(shí)空變化趨勢及多尺度下與植被NDVI關(guān)系

就西南地區(qū)城市化的變化而言(圖7),近30a西南地區(qū)城市化整體上呈持續(xù)增長趨勢,并表現(xiàn)出明顯的階段性.經(jīng)濟(jì)城市化分為兩個(gè)階段,2008年之前GDP密度呈緩慢上升趨勢,2008年之后GDP密度呈快速上升趨勢.土地城市化在1990～2018年期間快速增長,建設(shè)用地不斷擴(kuò)張.人口城市化可分為3個(gè)階段,其中,1990～1994年和2010～2018年兩個(gè)時(shí)段人口城市化呈直線上升趨勢,1994～2010年期間基本呈現(xiàn)波動(dòng)式上升趨勢.總的來說,經(jīng)濟(jì)城市化相較于土地城市化和人口城市化增長幅度更大.

圖7 1990～2018年西南地區(qū)城市化時(shí)間變化特征

西南地區(qū)三類城市化的整體分布格局基本一致,均表現(xiàn)為從城市中心向外遞減(圖8).在局部地區(qū),其中,經(jīng)濟(jì)城市化和土地城市化從西南地區(qū)的城市中心區(qū)向外圍地區(qū)逐漸下降,人口城市化相較于經(jīng)濟(jì)城市化和土地城市化,空間集聚特征更加明顯.三類城市化變化趨勢均顯著的區(qū)域主要集中在省會中心城市,以省會城市中心向外圍輻射遞減,其中區(qū)域GDP密度最高值為89309.76萬元/km2,人口密度最高值為123767.82人/km2,建設(shè)用地占比最高為92%.

圖8 1990～2018年西南地區(qū)城市化的空間格局

在縣域尺度上(圖9),經(jīng)濟(jì)和人口城市化對區(qū)域植被的影響呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系.小于閾值時(shí),城市化進(jìn)程對植被NDVI產(chǎn)生積極影響;但大于閾值,植被NDVI隨著城市化的發(fā)展而下降.其中,經(jīng)濟(jì)城市化閾值118.81萬元/km2,人口城市化閾值40.26人 /km2.土地城市化與植被之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即植被生長隨著建設(shè)用地比例增加而呈現(xiàn)下降趨勢.整體來看,在研究初期階段,經(jīng)濟(jì)、人口城市化對植被生長的促進(jìn)作用,能夠彌補(bǔ)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對植被帶來的負(fù)面影響.

在柵格尺度上(圖10),經(jīng)濟(jì)和人口城市化對植被生長影響也存在閾值,相較于縣域尺度閾值發(fā)生了變化,經(jīng)濟(jì)城市化閾值變?yōu)?40.19萬元/km2,人口城市化閾值變?yōu)?5.36人/km2.當(dāng)小于閾值,經(jīng)濟(jì)城市化、人口城市化對植被產(chǎn)生了積極影響;大于閾值,植被出現(xiàn)明顯下降,但植被的下降趨勢明顯逐漸減弱.土地城市化與植被呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,其負(fù)相關(guān)斜率為-0.0112.

圖9 西南地區(qū)植被變化與經(jīng)濟(jì)城市化、人口城市化和土地城市化的相關(guān)性

圖10 柵格尺度城市化空間格局與NDVI動(dòng)態(tài)關(guān)系

3 討論

西南地區(qū)植被是我國地表覆蓋的重要組成部分,其生長狀況是陸地生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵,對緩解氣候變暖有重要作用.基于此,本文分析了1990～ 2018年西南地區(qū)植被的時(shí)空變化趨勢,發(fā)現(xiàn)近30a西南地區(qū)的NDVI顯著增加,這與人類重視生態(tài)環(huán)境建設(shè)使得過去30a中國城市變得更綠的結(jié)論相吻合[38],一定程度上反映生態(tài)修復(fù)對區(qū)域環(huán)境的積極作用.同時(shí),本文選取氣溫、降水、太陽輻射3個(gè)氣候因素剖析氣候變化對植被NDVI的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)植被生長受到氣候變化的顯著影響,溫度、降水和太陽輻射的變化對區(qū)域植被生長產(chǎn)生了積極作用,但各因素對植被生長的影響存在空間異質(zhì)性,這與相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果較一致[39-40].分析區(qū)域主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素發(fā)現(xiàn),氣溫是影響西南地區(qū)植被的主要因素,達(dá)64.6%,主要分布在研究區(qū)中部和北部.這主要是因?yàn)樵鰷啬芗訌?qiáng)植被的光合作用以及延長植被的生長季[41].但也有學(xué)者指出增溫對植被的作用并非是線性增強(qiáng)的關(guān)系,過高的溫度可能會抑制植被生長[42].因此,西南喀斯特地區(qū)應(yīng)密切關(guān)注增溫對植被生長的影響.總體而言,研究時(shí)段西南地區(qū)的植被在氣候變化下大幅增加,但不可否認(rèn),氣候變化對植被具有雙重影響,這取決于氣候條件、氣候趨勢的具體組合.

當(dāng)然,人類活動(dòng)也是影響西南地區(qū)植被變化的主要驅(qū)動(dòng)力.雖然已有大量研究定量論證了生態(tài)工程對植被恢復(fù)的顯著作用,但人口集中、城市景觀向農(nóng)村地區(qū)擴(kuò)張等城市化過程,也會造成某些自然生境的喪失、耕地減少和城市熱島等問題[43].基于此,本文選取人口密度、GDP密度和建設(shè)用地比例三類指標(biāo)分析了植被動(dòng)態(tài)對城市化的響應(yīng).結(jié)果表明植被與人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化呈非線性關(guān)系,且城市化的影響具有閾值效應(yīng).小于閾值,城市CO2濃度增加以及熱島效應(yīng)加劇,促使城市氣溫升高,延長植被生長季,與植被生長呈正相關(guān),這與許多研究結(jié)果相似[44-45];大于閾值,隨著大氣中CO2濃度持續(xù)增加,加劇植被呼吸作用,植被生長呈緩慢下降趨勢[46].也就是說,過度的城市發(fā)展不會帶來植被的持續(xù)增長,甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)面影響.區(qū)縣經(jīng)濟(jì)城市化閾值為118.81萬元/km2,人口城市化閾值為40.26人/km2,各個(gè)區(qū)域需要根據(jù)現(xiàn)有城市化水平進(jìn)行調(diào)整.例如小于閾值時(shí),城市仍可以進(jìn)行規(guī)劃建設(shè),但要將環(huán)境保護(hù)滲透進(jìn)城市建設(shè)過程中.大于閾值后,就要在一定程度上限制土地的過度城市化,在區(qū)域全面推進(jìn)“無廢城市”、“海綿城市”等建設(shè)工作,促進(jìn)環(huán)境治理體系建設(shè),推動(dòng)城市環(huán)境質(zhì)量提高.同時(shí),在分析不同空間尺度下城市化與植被生長的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),相較于縣域尺度,柵格尺度下經(jīng)濟(jì)城市化和人口城市化的閾值更大.其中,經(jīng)濟(jì)城市化的閾值從縣域尺度118.81萬元/km2變成柵格尺度140.19萬元/km2,人口城市化閾值從縣域尺度的40.26人/km2變成了柵格尺度的45.36人/km2.這是因?yàn)樵诟窬W(wǎng)尺度,區(qū)域要素更具多樣性;而在縣域尺度上,平均效應(yīng)使得要素同質(zhì)化增強(qiáng)[47].未來需要系統(tǒng)地理解各尺度下城市化與植被NDVI的聯(lián)系與區(qū)別,探究其關(guān)系隨尺度變化的規(guī)律,并針對性進(jìn)行城市環(huán)境管理及生態(tài)建設(shè).

實(shí)際上,本研究也存在一些不足.一方面由于篇幅原因,本文僅從全域尺度分析植被變化趨勢,但不同植被類型、不同巖性的植被生長狀況不同[48],未來有必要在多尺度下對植被覆蓋變化開展深入研究.另一方面,城市化是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,本研究中采用分段線性方法來探索人口、經(jīng)濟(jì)和土地城市化對植被動(dòng)態(tài)的影響,缺乏不同城市發(fā)展階段對植被變化的影響研究[49].

4 結(jié)論

4.1 1990～2018年西南地區(qū)植被NDVI呈波動(dòng)上升趨勢,增速為0.0038a-1;同時(shí),區(qū)域植被NDVI的分布具有明顯的空間異質(zhì)性,高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西南以及東南部.

4.2 相較于降水和太陽輻射,氣溫與植被NDVI間的偏相關(guān)系數(shù)更高(0.3046),說明氣溫對西南地區(qū)植被NDVI增長的作用更明顯;同時(shí),氣溫影響的范圍也最廣,約占研究區(qū)面積的64.6%,主要分布于研究區(qū)中部和西部.

4.3 西南地區(qū)城市發(fā)展整體呈擴(kuò)張趨勢,空間上表現(xiàn)為以省會城市中心向外輻射遞減.經(jīng)濟(jì)城市化和人口城市化對區(qū)域植被生長存在明顯的約束效應(yīng),隨著尺度的縮小,閾值呈現(xiàn)變大的趨勢.

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Analysis of the driving forces of vegetation dynamic changes in southwest China.

ZENG Xing-lan1, CHEN Tian-tian1,2*

(1.Chongqing Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China；2.Chongqing Field Observation and Research Station of Surface Ecological Process in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 401331, China)., 2023,43(12)：6561～6570

Based on the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), land use and climate datasets, this study analyzed the trend of change in vegetation growth and clarified the impact of climate change and urban expansion on vegetation dynamics in southwest China by the ensemble empirical mode decomposition, partial correlation analysis and segmented linear regression. The results showed that the NDVI in the southwest China fluctuating increased, indicating an obvious vegetation greening trend; spatially, the regions with high NDVI were distribution in the southeast part and the regions with low NDVI were concentrated at the northwest part. Compared to the solar radiation and precipitation, the influencing scale and degree of temperature on regional vegetation growth was relatively large, accounting for approximately 64.6% of the study area, mainly distributed in the central and western parts of the study area. The land urbanization, economy urbanization and demographic urbanization increased over time, and the spatial distribution of these three urbanizations was relatively consistent. At the county scale, the correlation between economic urbanization, demographic urbanization and vegetation growthincreased firstly and then decreased, showing a nonlinear characteristic; while there was a negative correlation between land urbanization and vegetation growth. At the grid scale, the relationship between these three urbanization and vegetation growth remains unchanged; but there weresignificant differences in the thresholds of nonlinear relationship and the slope of linear relationship. This study can provide scientific reference for implementing more precise ecological management measures and achieving sustainable socio-economic developmentin this region.

vegetation greening；climate；urbanization；scale；southwest China

X173;Q948

A

1000-6923(2023)12-6561-10

曾興蘭,陳田田.西南地區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力解析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6561-6570.

Zeng X L, Chen T T. Analysis of the driving forces of vegetation dynamic changes in southwest China [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6561-6570.

2023-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(42001090);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJQN202000512);重慶市教委社科規(guī)劃項(xiàng)目(2020BS45)

* 責(zé)任作者, 副教授, chentiantian@cqnu.edu.cn

曾興蘭(1997-),女,四川成都人,重慶師范大學(xué)碩士研究生,主要從事土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)方面的研究. 2021110514079@stu.cqnu.edu.cn.