山西省植被蓋度變化特征及其驅(qū)動因素分析

韓 璇，姚柳杉，高曉麗，2，肖 娟，宋浩泉

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.有機旱作山西省重點實驗室，山西 太原 030031）

0 引言

植被是連接土壤、水分和大氣的“紐帶”，是反映植被生長狀況與生態(tài)建設(shè)效果的動態(tài)指標(biāo)[1]，常用的植被指數(shù)有NDVI、EVI、GVI和RVI等[2]。諸多學(xué)者利用NDVI對植被的動態(tài)變化進行了研究，衛(wèi)宇婷[3]對1986—2015年期間山西省的NDVI和氣候數(shù)據(jù)分析表明，山西省植被指數(shù)累計值與氣候因子均呈正相關(guān)關(guān)系；張利華[4]利用SWAT模型和ArcGIS軟件分析顯示堵河流域NDVI在空間上表現(xiàn)為南高北低的空間異質(zhì)性，且NDVI隨海拔的上升而增加；Wan[5]利用NDVI對我國森林植被覆蓋度的穩(wěn)定性分析表明在在低濃度和高濃度情況下，分別有78.9%和61.8%的森林植被覆蓋是相對穩(wěn)定的；何云玲[6]對云南地區(qū)2000—2016年的NDVI分析表明研究區(qū)內(nèi)2000—2016年期間的NDVI整體呈增加的趨勢，且NDVI與氣溫呈正相關(guān)，降水次之；劉啟興[7]研究認(rèn)為人類活動對黃河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有一定的影響，由人類活動導(dǎo)致的NDVI增加的區(qū)域占總面積的比例是55%。但是，NDVI采用了非線性拉伸的方式，增強了近紅外波段和紅外波段反射率的對比度，導(dǎo)致采用NDVI指數(shù)的靈敏度偏低[8]。

植被蓋度（VC）考慮了茂盛植被覆蓋區(qū)和裸地的情況，其計算過程包含了NDVI的最大值和最小值，結(jié)果更加穩(wěn)定、代表性更廣泛。

國內(nèi)外學(xué)者對植被蓋度展開了大量的研究，胡承江[9]等利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，城市建設(shè)的大規(guī)模提速導(dǎo)致VC降低，而隨著生態(tài)環(huán)境意識的提高和相關(guān)政策的實施，VC逐漸增加；何亮[10]等利用MODIS數(shù)據(jù)分析表明，2001—2017年期間北洛河流域VC整體呈上升趨勢，且黃土丘陵溝壑區(qū)增加幅度較大。黃翌[11]對大同市的VC研究得出1999—2010年期間大同礦區(qū)植被蓋度呈“下降—振蕩上升—迅速上升”的趨勢，且空間差異先增大后減小。Yao[12]利用NDVI數(shù)據(jù)集對1982—2013年黃土高原的生態(tài)變遷分析表明，1982—1999和2000—2013期間的VC均表現(xiàn)為顯著增加；Zhang[13]利用統(tǒng)計方法分析得出VC表現(xiàn)出一定的時空差異性[14，15]。植被蓋度在時空上的差異與氣候、地形和人類活動等密切相關(guān)，Coban[16]通過結(jié)構(gòu)方程建模（SEM）法得出人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值以及地形對VC的影響較大；Liu[17]結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）分析門頭溝的植被蓋度的影響因素表明，高海拔植物更穩(wěn)定，退化程度低，而陡坡與西北面植物更容易退化；陳寶強[18]對晉西黃土區(qū)的研究顯示35°以上陡坡的VC隨坡度的增大而減小。

本研究將山西省劃分為北中南三個區(qū)域，采用最大值合成法和趨勢分析法對MODIS數(shù)據(jù)進行VC的時空分布特征研究，并采用相關(guān)性分析法和殘差分析法對氣象、地形和人類活動等影響因素進行歸因分析，以期為山西省的分區(qū)治理提供一定的指導(dǎo)依據(jù)，提高生態(tài)建設(shè)效率。

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃土高原東翼，東臨河北，西望陜西，南接河南，北連內(nèi)蒙古，占地面積約15.67萬km2，是黃土覆蓋的山地型高原，海拔多高于1 500 m，區(qū)域內(nèi)山地、丘陵占2/3以上，區(qū)內(nèi)氣候變化較敏感、脆弱。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為7℃～14℃，年降水量為360～520 mm。本文按氣候差異將山西省劃分為晉北、晉中、晉南3個地理分區(qū)，其中，晉北地區(qū)包括大同、朔州和忻州三市，晉中（山西省中部）地區(qū)包括呂梁、太原、晉中、陽泉和晉中五市，晉南地區(qū)包括臨汾、長治、運城和晉城四市。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心（https:/data.cma.cn），包含山西省范圍內(nèi)16個站點（圖1）在2015—2019年期間的平均溫度、日最高溫度和日最低溫度；數(shù)字高程模型（DEM）采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）提供的分辨率為1 km的DEM數(shù)據(jù)，利用軟件ENVI5.3對DEM數(shù)據(jù)進行了不同坡度、坡向和海拔范圍的提取和劃分；土地利用數(shù)據(jù)亦來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），包括1998—2018年的土地利用分類數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，主要劃分為水域、農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地、林草地和未利用土地五大類。

2.2 計算與分析方法

圖1 山西省位置及其氣象站點分布圖

2.2.1VC的計算方法

VC指植被總體或各個體在地面上的垂直投影面積與研究區(qū)域面積之比的百分?jǐn)?shù)，可以反映植被的茂密程度和植物進行光合作用面積的大小，采用像元二分法模型（式1）對植被蓋度進行提取[19]。

式中：VC為植被蓋度；NDVImax和NDVImin分別為山西省內(nèi)NDVI的最大值和最小值。

2.2.2 分析方法

（1）時間變化趨勢

趨勢分析法被廣泛應(yīng)用在時間序列的分析上，具有較好的穩(wěn)定性[20-22]。對每個像元1998—2018年各年份平均VC的時間變化趨勢采用趨勢分析法[23]。該方法可以消除研究時段內(nèi)偶發(fā)性異常因素對植被長勢的影響[7]。若趨勢率小于0，則說明該時段內(nèi)植被呈減少趨勢，反之則說明為增加趨勢，趨勢率計算公式如下:

式中：xi表示研究時段內(nèi)第i個年份；b為變化趨勢線的斜率；a為截距；FCg為各個像元的VC；R為單個像元變化率；xi和xn分別為研究時段的起始和終止年份。

（2）空間分布特征

本文為了進一步消除云、大氣等異常值的影響[24]，利用最大值合成法（MVC）把21年內(nèi)的植被蓋度數(shù)據(jù)進行最大值合成，運用ENVI軟件，獲取研究時段內(nèi)最大植被蓋度值來代表研究時段內(nèi)植被蓋度最好的狀況[25]。

（3）影響因素分析

相關(guān)性分析。運用spss22.0對1998—2018年山西省晉南、晉北、晉中三個區(qū)域的植被蓋度與同期氣象數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析和顯著性檢驗，相關(guān)性系數(shù)r的計算公式如下：

式中：r為相關(guān)系數(shù)；yi表示從1998—2018年內(nèi)第n年的氣象要素值；y為多年氣象要素的平均值。

殘差分析。氣象因子對VC變化影響顯著，利用多元線性回歸模型擬合出受氣象因子影響的VC，進一步計算該擬合值與真實VC之間的差值，并將其作為人類活動因素，用以分析人類活動對山西省VC變化的影響，該方法為殘差分析[26]。計算公式如下：

式中：ε為殘差值；Creal為真實VC；Cpre為VC的預(yù)測值。

ε＞0，說明人類活動產(chǎn)生積極影響；ε＜0，說明人類活動產(chǎn)生負(fù)面影響；ε=0說明人類活動影響比較微弱。

3 結(jié)果與分析

3.1 山西省VC的空間分布特征

山西省VC整體上呈現(xiàn)為由西北部向東南部逐漸增加的分布特征。由圖2可知，研究區(qū)VC基本上表現(xiàn)為北低南高、西低東高的分布特征，并在中部局部地區(qū)出現(xiàn)一定的突變，與劉淼[27]對山西省1988—2000年期間VC的空間分布特征相一致。西北部與內(nèi)蒙古相接，氣候干旱，風(fēng)沙較多，植被生長環(huán)境惡劣，VC較低；中心部位為山西省省會，城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展速度較快、污染較為嚴(yán)重、降水量也較少，使中部VC低于周圍區(qū)域；河流地區(qū)往往具有較高的VC，這是由于植物在河流附近具有充足的水源，生長旺盛，但同時又受人類活動影響，導(dǎo)致VC未達到最大值；而海拔高的區(qū)域受到的人類活動干擾影響較小，植被的保存率較大，使高海拔地區(qū)的VC達到最大。VC的空間分布與地方發(fā)展和人類活動具有較為密切的關(guān)系。

圖2 山西省年均VC的空間分布特征

3.2 山西省植被蓋度VC隨時間的年際變化特征

山西省及其各個區(qū)域21年來的年平均VC整體呈上升趨勢，但各區(qū)域的增長效果不同。如圖3所示，其中21年間，全省VC的年平均增長速率為0.005 5，晉南、晉中和晉北VC的年增長速率分別為0.005 4、0.006 0和0.005 0。VC的增長與省內(nèi)所實施的重大生態(tài)工程密切相關(guān)，如1999年啟動的退耕還林工程，2000年啟動的天然林保護工程植被恢復(fù)項目、山西省三北防護林建設(shè)以及太行山綠化工程，生態(tài)工程建設(shè)使山西省VC逐漸提高。

晉中、晉南植被蓋度波動趨勢基本同步，與晉北存在有一定的差異。各區(qū)域的年平均VC最小值均出現(xiàn)在1999—2000年間，晉南、晉中、晉北在1999—2000年期間的VC分別為0.419 7、0.384 0和0.284 0，在21世紀(jì)后均呈較穩(wěn)定的上升趨勢，晉中、晉南的VC均于2018年達到了0.549 2和0.543 9的峰值，由于2000—2010年期間，晉北地區(qū)為風(fēng)沙源水利水保項目區(qū)，晉北地區(qū)荒漠化現(xiàn)象減輕，使晉北地區(qū)VC最大值出現(xiàn)在2011年，為0.429 4。

圖3 山西省及各區(qū)域VC的年際變化規(guī)律

3.3 氣象因素對山西省VC的影響分析

山西省VC與氣象因子之間的相關(guān)性依次為日照時數(shù)＞降雨＞平均風(fēng)速＞氣溫，且與降雨具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與日照時數(shù)具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。如表1所示，山西省VC與最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、降雨和日照時數(shù)的相關(guān)性系數(shù)依次為0.206 0、0.011 0、-0.025 0、0.361 0、0.484 0和-0.595 0。不同地區(qū)VC與各氣象因子的相關(guān)性具有一定的差異，晉北、晉中和晉南地區(qū)與降雨分別表現(xiàn)出極顯著、顯著和不顯著的正相關(guān)關(guān)系，水分虧缺地區(qū)的VC隨降雨量的增加而增加；晉南和晉北的VC與日照時數(shù)具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而晉中地區(qū)的VC與日照時數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著；晉南地區(qū)的VC與平均風(fēng)速表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而晉北和晉中地區(qū)VC則與平均風(fēng)速表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速較小地區(qū)的VC隨風(fēng)速的增加而增加；晉南和晉北地區(qū)的VC與各氣溫分別表現(xiàn)為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫較低地區(qū)，氣溫越高，該區(qū)域VC越低，氣溫較高地區(qū)，氣溫越高，該區(qū)域VC越高。

山西省VC與降水具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，山西省位于缺水區(qū)，水分對植被的生長具有主導(dǎo)作用，這與諸多學(xué)者以相關(guān)分析、殘差分析和驅(qū)動分區(qū)法的結(jié)果相一致，劉詠梅[28]研究認(rèn)為陜北黃土高原VC與降雨因子響應(yīng)高于氣溫，穆少杰[19]等分析得出內(nèi)蒙古地區(qū)VC與降雨量的相關(guān)性更大。山西省VC與日照時數(shù)之間的相關(guān)性最強，這與其他學(xué)者認(rèn)為VC多與降雨量和氣溫相關(guān)[29，30]的結(jié)果有所不同，可能是由于山西整體氣溫偏低，對植物的生長具有一定的限制，而日照產(chǎn)生的熱量為植物的生長提供了重要的條件，導(dǎo)致日照成為山西省VC影響最大的氣象因素。

3.4 人類活動對山西省VC的影響分析

人類活動對山西省VC的影響兼具正貢獻和負(fù)貢獻，且總體上相抵消。由表2和表3可知，人類活動對山西VC的影響總體上表現(xiàn)為0。其中，人類活動對晉南地區(qū)VC的影響表現(xiàn)為負(fù)貢獻，貢獻率為-0.12%，人類活動與城鎮(zhèn)用地的變化是導(dǎo)致植被覆蓋下降的重要驅(qū)動因素[31]，晉南地區(qū)建設(shè)用地面積增加了1 436 km2，是晉南地區(qū)VC減小的重要驅(qū)動因子之一；生態(tài)工程的實施在一定程度上改變了晉北和晉中地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，人類活動對晉北和晉中地區(qū)VC的影響均為正貢獻，貢獻率分別為0.30%和0.08%。

3.5 地形因子對VC的影響

表2 山西VC的殘差分析

表3 1995-2018年山西土地利用變化情況 單位：km2

3.5.1 海拔

山西省VC基本上隨海拔的增加而降低。由表4可知，區(qū)域內(nèi)VC依次為H1＞H3＞H2＞H4＞H5，不同海拔范圍內(nèi)的VC表現(xiàn)為隨海拔增加而逐漸上升的變化趨勢，上升速率隨海拔升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。低海拔地區(qū)受人類活動影響較大，高海拔地區(qū)坡地徑流較大，保水率較差，因此，在逐年生態(tài)建設(shè)的情形下，低海拔和高海拔地區(qū)仍表現(xiàn)為較小的增長率。

表4 山西省不同高程地區(qū)的VC

3.5.2 坡度

山西省VC隨坡度的增加而降低。從表5可知，區(qū)域內(nèi)平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡和險坡上的VC分別為0.308 8、0.147 8、0.012 2、0.001 6、0.001 1和0.001 0，不同坡度上年際間VC表現(xiàn)為上升的變化趨勢，上升速率基本上隨坡度的增加而減小。坡度在0°～5°的范圍內(nèi)產(chǎn)生水土流失的可能較小，保水率強，導(dǎo)致VC較高；大于15°時，降雨時容易形成地表徑流，加重了該范圍內(nèi)水土流失強度，植物保水率查，導(dǎo)致VC較低。

表5 山西省不同坡度區(qū)的VC

3.5.3 坡向

不同坡向的VC依次為半陽坡＞半陰坡＞陽坡＞陰坡。如表6所示，區(qū)域內(nèi)半陽坡、半陰坡、陽坡和陰坡坡向范圍內(nèi)的VC分別為0.166 0、0.154 0、0.091 0和0.078 0，各坡向年際間VC均呈增加的趨勢。由于山西省屬于干旱半干旱地區(qū)，年降水量較少，陽坡上的蒸發(fā)量高、耗水量大，水分虧缺易導(dǎo)致植物死亡；陰坡蒸發(fā)量小，但光照不足，僅適合低矮的蕨類和藤本等低VC植物的生長[32，33]，因此，陽坡和陰坡坡向范圍內(nèi)的VC較低。

表6 山西省不同坡向范圍內(nèi)的VC

4 結(jié)論

第一，山西省植被蓋度整體上呈現(xiàn)為由西北部向東南部逐漸增加的分布特征，21年年際間的年平均VC呈上升趨勢。全省VC的年平均增長速率為0.005 5，晉南、晉中和晉北VC的年增長速率分別為0.005 4、0.006 0和0.005 0。

第二，山西省植被蓋度與各氣象因子之間的相關(guān)性依次為日照時數(shù)＞降雨＞平均風(fēng)速＞氣溫，人類活動兼具正影響與負(fù)影響。區(qū)域內(nèi)VC與降雨呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與日照時數(shù)具有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；人類活動對晉北、晉南和晉中地區(qū)VC的貢獻率分別為0.30%、-0.12%和0.08%。

第三，隨著海拔和坡度的增加，山西省VC逐漸降低，不同坡向的VC依次為半陽坡＞半陰坡＞陽坡＞陰坡。