1998-2013年釜溪河流域植被覆蓋時(shí)空演變及其驅(qū)動(dòng)因子研究

王二麗, 劉小芳, 候亞妮，陳光建，萬(wàn)新

(1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000；2.四川理工學(xué)院江河流域生態(tài)環(huán)境的集成感知與應(yīng)用院士(專(zhuān)家)工作站，四川自貢643000)

1998-2013年釜溪河流域植被覆蓋時(shí)空演變及其驅(qū)動(dòng)因子研究

王二麗1,2, 劉小芳1,2, 候亞妮1,2，陳光建1，萬(wàn)新1

(1.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000；2.四川理工學(xué)院江河流域生態(tài)環(huán)境的集成感知與應(yīng)用院士(專(zhuān)家)工作站，四川自貢643000)

植被覆蓋是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一?；?998-2013年SPOT VEGETATION數(shù)據(jù)集，采用趨勢(shì)分析、偏相關(guān)分析及計(jì)算Hurst指數(shù)等方法，反演了釜溪河流域NDVI分布的時(shí)空格局及其變化趨勢(shì)；并結(jié)合該地區(qū)同期降水量和溫度數(shù)據(jù)，利用相關(guān)系數(shù)法對(duì)釜溪河流域植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。研究表明1998-2013年間釜溪河流域植被覆蓋表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，增速為0.24%/16a；Hurst指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，流域內(nèi)植被反向變化特征強(qiáng)于同向特征，結(jié)合NDVI趨勢(shì)圖，未來(lái)植被改善區(qū)域面積所占比例為60.98%，持續(xù)退化面積所占比重為5.97%，主要分布于自貢市南部及其他環(huán)繞城鎮(zhèn)地區(qū)；植被覆蓋變化主要以非氣候因子驅(qū)動(dòng)型為主，其面積所占比例為88.48%，而影響植被生長(zhǎng)的氣候因子中氣溫的作用強(qiáng)于降水的作用。

植被覆蓋變化；Hurst指數(shù)；偏相關(guān)性分析；驅(qū)動(dòng)因子；釜溪河流域

引言

植被不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是水循環(huán)、生物化學(xué)等能量循環(huán)的重要媒介，在減少溫室氣體排放、調(diào)節(jié)碳平衡、維持氣候穩(wěn)定方面具有十分重要的作用[1-2]，由于其對(duì)氣候變化的敏感性，植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化已成為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同地域，利用植被指數(shù)對(duì)植被相關(guān)變化及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行了深入的探討[4-7]，研究結(jié)果均表明氣候?qū)χ脖簧L(zhǎng)起到了重要作用，但部分地區(qū)植被變化的決定性因子與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。毛德華[8]等研究表明溫度是影響東北地區(qū)不同植被類(lèi)型NDVI最重要的因子，而嚴(yán)恩萍[9]等研究成果表明對(duì)于京津風(fēng)沙源重點(diǎn)治理區(qū)植被覆蓋上升最主要的驅(qū)動(dòng)因素是人類(lèi)活動(dòng)。不同區(qū)域植被變化驅(qū)動(dòng)力通常有所不同，大多數(shù)研究在選擇研究區(qū)域時(shí)主要集中于省市[10]、各類(lèi)生態(tài)區(qū)[11-12]、國(guó)家[13]及全球[14]等更為宏觀(guān)的層面，但對(duì)以流域?yàn)閱卧M(jìn)行研究的并不多見(jiàn)[15]。

釜溪河流經(jīng)四川省威遠(yuǎn)縣、自貢市，是沿途區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及生活用水的主要來(lái)源，而近些年隨著工業(yè)建設(shè)，流域生態(tài)環(huán)境狀況愈下，部分區(qū)域植被退化嚴(yán)重，亟需快速監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行應(yīng)對(duì)管理。為探究釜溪河流域植被覆蓋情況，本文采用SPOT VEGETATION數(shù)據(jù)集，研究流域1998-2013年植被覆蓋變化，同時(shí)結(jié)合氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，分析流域植被氣候變化的響應(yīng)特征，并嘗試對(duì)植被變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，旨在為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

釜溪河在沱江下游右岸，由旭水河和威遠(yuǎn)河在自貢市境內(nèi)鳳凰壩雙河口處匯成干流，河長(zhǎng)190公里，天然落差360余米，于富順縣釜溪口匯入沱江。流域面積3490平方公里，地勢(shì)自西北向東南傾斜。釜溪河流域?qū)儆趤啛釒貪駳夂?，具有冬暖、春早、夏熱、秋涼四季分明的特點(diǎn)，年平均氣溫約為18 ℃，年平均降水量為1000 mm～1080 mm，集中在6-9月份。研究區(qū)域如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所選NDVI數(shù)據(jù)集來(lái)源于SPOT VGT數(shù)據(jù)分發(fā)中心，時(shí)間跨度為2000年到2013年。根據(jù)公式NDVI=DN×0.004-0.1將像元值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的NDVI值，并采用最大值合成法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行處理，獲取逐月最大NDVI。降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)月平均溫度和月降水資料，進(jìn)行Kriging空間插值，獲取與NDVI數(shù)據(jù)集像元大小一致、投影相同的氣象柵格圖像，并通過(guò)數(shù)據(jù)裁剪獲得流域月平均溫度和月降水量數(shù)據(jù)。

2.2趨勢(shì)分析

一元線(xiàn)性回歸分析針對(duì)每個(gè)柵格點(diǎn)逐像元擬合NDVI的斜率，反映植被覆蓋時(shí)空演變特征[16]。計(jì)算公式為：

(1)

式中：n為監(jiān)測(cè)時(shí)間序列的長(zhǎng)度，NDVIi第i年NDVI的均值；slope是趨勢(shì)線(xiàn)增加的斜率。

2.3偏相關(guān)分析

地理要素之間的相關(guān)關(guān)系密切程度的測(cè)定，主要是通過(guò)對(duì)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)完成。用以度量除卻其他因素影響，而研究單獨(dú)兩個(gè)要素之間的相互關(guān)系的密切程度，稱(chēng)為偏相關(guān)系數(shù)[17]。計(jì)算公式為

(2)

式中：rxy,z為變量固定后變量x和y的偏相關(guān)系數(shù)，rxy、rxz、ryz分別表示變量x和y、變量x和變量z、變量y和變量z的相關(guān)系數(shù)。

2.4復(fù)相關(guān)分析

多要素間相關(guān)程度的測(cè)定通過(guò)復(fù)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中：Rx,yz表示因變量x和自變量y,z的復(fù)相關(guān)系數(shù)，rxz,y表示固定變量后y變量x和z的偏相關(guān)系數(shù)，rxy表示變量x和變量y的相關(guān)系數(shù)。

2.5 Hurst指數(shù)及R/S分析

Hurst指數(shù)是描述自然界自相似性和長(zhǎng)期依賴(lài)性最有效的方法[18]，由Hurst提出的重標(biāo)極差法(R/S)是目前估測(cè)Hurst指數(shù)最常用的方法[19]，其計(jì)算主要過(guò)程[20]：

(1)將時(shí)間序列{ξ(τ)}(τ=1,2,3,...,n)分解為τ個(gè)子時(shí)間序列X(t)，其中t=1,...,τ。

(2)計(jì)算每個(gè)子時(shí)間序列的均值：

(4)

其中，τ=1,2,3,...,n。

(3)計(jì)算累計(jì)離差：

(5)

其中，t=1,...,τ。

(4)計(jì)算極差：

R(τ)=maxX(t,τ)-minX(t,τ)

(6)

其中，t=1,...,τ，τ=1,2,3,...,n。

(5)計(jì)算時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差：

(7)

其中，τ=1,2,3,...,n。

(6)求取H：

(8)

根據(jù)Hurst及Mandelbrot等人的研究[20-21]，Hurst指數(shù)H的值域范圍在0～1之間，當(dāng)H值等于0.5時(shí)，表明所研究的時(shí)間序列沒(méi)有持續(xù)性，為隨機(jī)序列；當(dāng)H大于0.5時(shí)，該時(shí)間序列表現(xiàn)出一致性，而H小于0.5時(shí)，則呈現(xiàn)相反的跡象。

3 結(jié)果與分析

3.1植被覆蓋時(shí)間變化特征

1998-2013年釜溪河NDVI變化趨勢(shì)如圖2所示，研究區(qū)域內(nèi)植被覆蓋表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但并不顯著(R2=0.1001)。2013年較1998年相比NDVI值增加0.038，平均每年以0.0024速度增加。1998年到2004年植被變化較為劇烈，呈波浪式推進(jìn)，2004年達(dá)到最高值0.752，之后幾年植被覆蓋略有起伏，2011年下降較為明顯，整體的植被覆蓋呈現(xiàn)良好狀態(tài)。

圖2 1998-2013年釜溪河流域NDVI值變化趨勢(shì)

3.2植被覆蓋空間變化特征

3.2.1 植被空間分布特征

以每年最大NDVI值計(jì)算得到釜溪河流域NDVI均值，空間分布圖如圖3(a)所示，16年均值為0.66，最大值為0.73。釜溪河流域植被覆蓋格局整體呈現(xiàn)片狀聚集的分布特征，高值區(qū)主要分布于流域南部、威遠(yuǎn)河上游及自貢市北部地區(qū)，環(huán)繞旭水河、威遠(yuǎn)河中間夾集區(qū)也有較高的NDVI值分布，由于這些區(qū)域主要以耕地、林地為主，植被長(zhǎng)勢(shì)較好，NDVI值較大；而低值區(qū)則主要分布于自貢市區(qū)、威遠(yuǎn)河中游(威遠(yuǎn)縣城)及旭水河中上游(榮縣縣城)部分地區(qū)，該區(qū)域土地利用類(lèi)型均以城鎮(zhèn)用地為主，植被NDVI值較小。

圖3 1998-2013釜溪河流域NDVI空間分布及變化趨勢(shì)圖

為監(jiān)測(cè)釜溪河流域植被覆蓋變化特征，計(jì)算1998-2013年植被NDVI趨勢(shì)，并將結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分類(lèi)，NDVI變化趨勢(shì)空間分布圖如圖3(b)所示。明顯改善區(qū)域主要分布于流域東北部，該地區(qū)地形較高，受人類(lèi)活動(dòng)干預(yù)較少，特別是近年退耕還林等政策的實(shí)施使得區(qū)域植被覆蓋度得到明顯的提高。而嚴(yán)重退化區(qū)域與植被覆蓋度較低區(qū)域相一致，主要以環(huán)繞城鎮(zhèn)地區(qū)為主。中度退化及輕微退化區(qū)域則集中于旭水河中下游、威遠(yuǎn)河中下游及釜溪河中下游地區(qū)。釜溪河流域NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果表明流域植被覆蓋所改善的面積大于退化面積，整體改善呈上升趨勢(shì)，這與文中3.1所述植被時(shí)間變化特征相一致。流域植被覆蓋所改善的面積(27.44%)大于退化面積(25.74%)，流域內(nèi)保持不變的面積所占比重46.82%。

表1 釜溪河流域NDVI變化趨勢(shì)

3.2.2流域未來(lái)趨勢(shì)特征

上述分析主要針對(duì)近16年來(lái)釜溪河流域植被空間和時(shí)間上的分布特征，但未來(lái)趨勢(shì)變化特征并不明朗，為此進(jìn)一步計(jì)算植被NDVI的Hurst指數(shù)，以指示其未來(lái)變化趨勢(shì)，Hurst空間分布圖如圖4(a)所示。釜溪河流域植被NDVI的Hurst指數(shù)值域區(qū)間為[0.22,0.75]，平均值為0.46，其中Hurst指數(shù)大于0.5的像元數(shù)所占百分比為33.24%，表明研究區(qū)域植被反向變化特征強(qiáng)于同向特征。將釜溪河流域Hurst指數(shù)與趨勢(shì)slope圖進(jìn)行疊加，NDVI變化特征如圖4(b)所示，統(tǒng)計(jì)顯示流域內(nèi)由退化區(qū)域轉(zhuǎn)為改善區(qū)域所占面積為46.23%，主要分布于旭水河、威遠(yuǎn)河、釜溪河中下游地區(qū)。而由改善轉(zhuǎn)為退化區(qū)域所占面積為32.99%，持續(xù)退化面積所占比重為5.97%，主要分布于自貢市南部及其它環(huán)繞城鎮(zhèn)地區(qū)。持續(xù)增加面積所占比重為14.75%，以流域邊緣地區(qū)分布居多。

圖4 Hurst指數(shù)空間分布圖及NDVI變化特征

3.3氣溫、降水變化特征

1998-2013年釜溪河流域平均年氣溫為18.02 ℃，平均年降水量為9608.23 mm，流域平均氣溫變化及降雨量變化如圖5所示。流域氣溫和降水總體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯，而年平均氣溫增長(zhǎng)顯著程度(R2=0.2671)遠(yuǎn)大于年降水量增長(zhǎng)程度(R2=0.0021)。平均氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從2000年最低氣溫(17.11 ℃)至2002年持續(xù)增長(zhǎng)，2003年略有下降后流域氣溫一直遞增到2006年出現(xiàn)峰值(18.94 ℃)，2009年出現(xiàn)次高溫后氣溫略有下降。年降雨量變化較為反復(fù)，2013年降雨量為頂峰達(dá)到13104.78 mm，2006年降雨量為低谷值7080.64 mm，其余時(shí)段降雨量波動(dòng)較為劇烈。

圖5 1998-2013年釜溪河流域平均氣溫變化及降雨量變化

3.4 NDVI與氣候間的關(guān)系

根據(jù)研究區(qū)域氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算NDVI與氣溫和降水的偏相關(guān)系數(shù)，偏相關(guān)系數(shù)空間分布如圖6所示。結(jié)果顯示，NDVI與氣溫的相關(guān)性為0.532(-0.58～0.88)，與降水的相關(guān)性為0.28(-0.60～0.72)。盡管流域內(nèi)NDVI與氣溫和降水的相關(guān)性并不高，但NDVI與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)大于NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)，這在一定程度表明釜溪河流域植被生長(zhǎng)受氣溫的影響要強(qiáng)與降水的影響。

圖6 NDVI與氣溫、降水偏相關(guān)系數(shù)空間分布

流域內(nèi)NDVI最高值出現(xiàn)在2004年，最低值出現(xiàn)在2000年，而同期的氣溫?cái)?shù)據(jù)最低值與NDVI最低值相符，均出現(xiàn)在2000年，但氣溫最高值與NDVI最高值年份有所差異，出現(xiàn)在2006年。NDVI在2006年后呈現(xiàn)緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì)，但在2011年陡然下降，該年份降水量出現(xiàn)一個(gè)較小值，但氣溫與同期相比并沒(méi)有太大差異。這在一定程度上表明流域內(nèi)植被覆蓋變化并不僅僅是氣候因素主導(dǎo)作用的結(jié)果，同時(shí)NDVI與氣溫和降水的偏相關(guān)系數(shù)較低也能從側(cè)面闡述氣候因子與NDVI變化趨勢(shì)并不一致的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步闡明氣候因子與NDVI的關(guān)系，計(jì)算復(fù)相關(guān)系數(shù)以反映NDVI與降水、溫度間的復(fù)相關(guān)程度，復(fù)相關(guān)系數(shù)空間分布結(jié)果如圖7(a)所示。釜溪河流域平均復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.34，復(fù)相關(guān)系數(shù)較大區(qū)域主要分布于威遠(yuǎn)河中上游。同時(shí)參照陳云浩、王永財(cái)[22-23]等研究植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)分區(qū)原則及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)釜溪河流域植被覆蓋變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分區(qū)。流域植被覆蓋驅(qū)動(dòng)分區(qū)結(jié)果如圖7(b)所示，10.1%區(qū)域?qū)儆跉鉁仳?qū)動(dòng)型，主要呈片狀集中于流域東北部、威遠(yuǎn)河上游地帶。降水驅(qū)動(dòng)型面積僅占流域面積的0.38%，零星狀分布于旭水河中下游地帶。降水和氣溫驅(qū)動(dòng)型所占流域面積的1.04%，主要位于威遠(yuǎn)河中部?jī)缮綂A集處。而非氣候因子驅(qū)動(dòng)型所占比例最大為88.48%，基本覆蓋整個(gè)流域。以上分析表明，釜溪河流域植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化在一定程度、一定區(qū)域范圍內(nèi)受到氣候因素的變異，但主要驅(qū)動(dòng)因素還是非氣候因子主導(dǎo)作用。已有研究表明退耕還林等生態(tài)工程的實(shí)施，使得流域植被覆蓋率上升，而城市擴(kuò)展將導(dǎo)致城市周?chē)脖辉獾狡茐闹脖桓采w率降低[24]，這與釜溪河流域城鎮(zhèn)NDVI值較小且有持續(xù)惡化趨勢(shì)相一致。

圖7 復(fù)相關(guān)系數(shù)分布及驅(qū)動(dòng)力分區(qū)圖

4 結(jié)論與討論

本文以SPOT VEGETATION數(shù)據(jù)集，輔以趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)及偏相關(guān)分析等方法，反演釜溪河流域1998-2013年NDVI分布時(shí)間、空間格局及其變化趨勢(shì)，并結(jié)合該地區(qū)同期降水量和溫度數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)釜溪河流域植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。研究表明釜溪河流域植被覆蓋表現(xiàn)出上升、改善趨勢(shì)。流域植被反向變化特征強(qiáng)于同向特征，植被生長(zhǎng)受氣溫的影響強(qiáng)于降水影響，而植被覆蓋驅(qū)動(dòng)因素分區(qū)中非氣候因子驅(qū)動(dòng)型所占比例為88.48%。

2001年，自貢市委市政府提出“東進(jìn)南移”城市發(fā)展戰(zhàn)略，隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，使得自貢市南部和東部地區(qū)呈現(xiàn)由改善區(qū)域轉(zhuǎn)為退化區(qū)域及持續(xù)退化區(qū)域的趨勢(shì)。城市發(fā)展早期由于缺少對(duì)環(huán)境的保護(hù)易導(dǎo)致植被遭到較嚴(yán)重的破壞，相關(guān)部門(mén)應(yīng)該做好城市可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃，增加園林綠化面積，加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的治理，提升植被覆蓋度。城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快促進(jìn)人口的聚集，而人類(lèi)對(duì)于生態(tài)環(huán)境的干預(yù)程度遠(yuǎn)高于氣候因子的作用，更應(yīng)在保護(hù)環(huán)境中發(fā)揮正向主導(dǎo)作用。針對(duì)植被覆蓋度持續(xù)下降區(qū)域，政府部門(mén)應(yīng)積極實(shí)施生態(tài)工程，引導(dǎo)農(nóng)民合理種植農(nóng)作物，退耕還林，擴(kuò)大植被覆蓋率，防止水土流失及生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化。

植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，文中僅針對(duì)釜溪河流域近16年植被空間格局變化進(jìn)行了探討，如有更長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)則可進(jìn)一步揭示流域植被時(shí)空變化及其歸因。植被覆蓋變化必然受到除氣候之外的因素影響，本文中僅僅對(duì)氣候因素進(jìn)行了重點(diǎn)闡述和說(shuō)明，并未明確其他因素在流域植被動(dòng)態(tài)變化中所產(chǎn)生的影響，如何定量區(qū)分其他因素如人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被空間格局的變化及其影響仍是進(jìn)一步需要探討的內(nèi)容。

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TheSpatiotemporalChangesofVegetationCoverandClimateFactorDriversofVariationinFuxiRiverBasinFrom1998-2013

WANGErli1,2,LIUXiaofang1,2*,HOUYani1,2,CHENGuangjian1,WANXin1

(1.School of Computer Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China; 2.Sichuan Provincial Academician(Expert) Workstation-Integrated Perception and Application of Eco-Environment in River Basins, Zigong 643000, China)

Vegetation coverage is an important index to evaluate the environment. On the basis of SPOT VEGETATION from 1998 to 2013, distribution, spatial pattern and trends of NDVI were analyzed by the methods of trend analysis, Hurst exponent and partial correlation analysis in Fuxi River Basin. Combined with precipitation and temperature, vegetation cover change driving factors were analyzed using correlation coefficient. The result indicates that vegetation cover shows a rising trend and the growth rate is 0.24%/16a. Hurst exponent shows that the reverse characteristics of vegetation coverage change are stronger than the same characteristic in Fuxi River Basin, and 60.98% of the total area will follow a continuous increasing trend with the slope of NDVI. The proportion of persistent degradation area is 5.97%, mainly distributed in the southern part of Zigong and surrounding towns. Vegetation cover change is mainly driven by non-climatic factors, which accounting for 88.48% of the entire area. The growth of vegetation is more effected by temperature than precipitation in the climatic factors.

vegetation coverage; Hurst index; partial correlation analysis; driven factor; Fuxi River Basin

TP79

A

2017-07-21

四川省科技廳項(xiàng)目(2017GZ0303)；自貢市科技局項(xiàng)目(2016DZ11)；江河流域生態(tài)環(huán)境的集成感知與應(yīng)用院士(專(zhuān)家)工作站項(xiàng)目(2016YSGZZ02)；企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2016WYY01)；四川省智慧旅游研究基地項(xiàng)目(ZHY17-01)

王二麗(1991-)，女，河北石家莊人，碩士，主要從事環(huán)境遙感方面的研究，(E-mail)welsuse@163.com

1673-1549(2017)05-0083-07

10.11863/j.suse.2017.05.15