2001-2020年川西高原植被EVI時空變化特征及氣候因子驅(qū)動力分析

鐘鼎杰, 楊存建

(1.四川師范大學(xué) 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室,成都 610068; 2.四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 成都 610068)

植被作為地球生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成，在地表物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換過程中充當(dāng)重要角色[1]，是維系地球生態(tài)系統(tǒng)和人類生存環(huán)境不可或缺的條件[2]，在地球生態(tài)系統(tǒng)研究中充當(dāng) “指示器”的作用。近年來，在全球氣候變化以及社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，生態(tài)環(huán)境問題日益突出，植被覆蓋動態(tài)變化監(jiān)測及其對氣候變化的響應(yīng)成為目前全球變化的主流研究方向[3]。歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)和增強植被指數(shù)(EVI)是目前最常用的兩種植被指數(shù)，它們都能反映植被生長變化情況[4]。NDVI目前應(yīng)用較為廣泛，但其在植被變化的研究中存在一定問題。植被EVI對NDVI的算法進(jìn)行了改進(jìn)，改善了NDVI大氣噪聲去除不徹底、低植被覆蓋區(qū)易受土壤背景的干擾、高植被覆蓋區(qū)的易飽和現(xiàn)象、“最大值合成法”難以選取最佳像元等問題[5-6]。使得EVI不僅能對低植被覆蓋區(qū)的植被進(jìn)行很好的區(qū)分[7]，還能對高植被覆蓋區(qū)植被的生長變化情況進(jìn)行監(jiān)測[8]。

近年來，隨著全球生態(tài)環(huán)境問題的加劇，國內(nèi)外眾多學(xué)者基于MODIS-EVI數(shù)據(jù)對不同地區(qū)的植被覆蓋時空變化進(jìn)行了研究。Setiawan等[9]基于2001—2007年MODIS-EVI數(shù)據(jù)對印度尼西亞爪哇島植被覆蓋變化進(jìn)行了研究，得出MODIS數(shù)據(jù)的高時間分辨率對于研究植被覆蓋變化及未來變化趨勢預(yù)測都具有顯著優(yōu)勢的結(jié)論。朱林富等[10]對重慶市的植被覆蓋度時空分布特征進(jìn)行了分析，得出不同植被覆蓋類型存在較大的季節(jié)和空間分布差異的結(jié)論。李美麗等[11]對西南地區(qū)近15 a植被覆蓋和EVI時空變化特征進(jìn)行分析，得出2000—2015年西南地區(qū)植被EVI整體呈波動增加趨勢的結(jié)論。

川西高原位于青藏高原東南緣，由第一臺階向第二臺階的過渡地帶，區(qū)域內(nèi)海拔高差大、地形復(fù)雜，氣候區(qū)域差異明顯。同時，川西高原是長江、黃河上游的水源涵養(yǎng)地[12]，生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候變化敏感性高[13]。在全球氣候變化和區(qū)域氣候變化的背景下，植被變化引起的自然、社會效應(yīng)，將對川西高原生態(tài)、環(huán)境安全和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響。在此背景下，亟需對該地區(qū)植被覆蓋時空變化進(jìn)行研究。目前，已有學(xué)者在該地區(qū)開展了相關(guān)研究。李元春等[14]基于NDVI數(shù)據(jù)對甘南和川西北地區(qū)草地植被變化趨勢及驅(qū)動因素進(jìn)行研究，得出2000—2018年生長期NDVI呈上升趨勢，氣溫、降水對研究區(qū)NDVI變化主要呈正向驅(qū)動的結(jié)論。謝慧君等[15]通過MOD09A1數(shù)據(jù)對川西高原植被NDVI進(jìn)行反演，得出川西高原整體NDVI以不顯著改善趨勢為主的結(jié)論。鄭勇等[16]基于2000—2017年川西高原MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，對植被覆蓋度的變化及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行研究，得出川西高原植被覆蓋度整體上呈小幅度波動增加的趨勢的結(jié)論。以上學(xué)者的研究大多采用NDVI數(shù)據(jù)，且并未結(jié)合地形因子來研究植被的垂直分布特征，存在一定的局限性。因此，本文基于MODIS-EVI數(shù)據(jù)集、DEM數(shù)據(jù)，對川西高原2001—2020年植被EVI時空變化特征進(jìn)行分析，并探究不同海拔高程下植被EVI的分布和變化特征。以期為川西高原植被覆蓋監(jiān)測與評估，以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

川西高原位于四川盆地以西，地處青藏高原東南緣，介于97°21′—104°26′E，27°58′—34°19′N，面積約2.37×105km2，主要包括川西北高原和川西山地。研究區(qū)內(nèi)地形起伏大，海拔介于770～7 556 m，平均海拔4 090 m，南北走向的高山與深切河谷平行延伸。受地形影響，川西高原氣候區(qū)域差異明顯。整體來看，川西高原光照充足，干濕季分明，年均溫4～12℃，年降水量500～900 mm[17]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

氣象格點數(shù)據(jù)采用ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)，來源于歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)，空間分辨率為0.1°。選取2001—2020年每月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，并將其氣空間分辨率插值到250 m。該數(shù)據(jù)集在青藏高原的可信度已得到驗證[18]，并已被部分國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用于冰雪融化時間、地表溫度等研究。

地形數(shù)據(jù)采用NASA發(fā)布的ASTER GDEM V2版數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，將所有數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣至250 m，并轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的投影坐標(biāo)系(WGS-84-UTM-zone-47)下。本文考慮到5 000 m以上區(qū)域為山岳冰川和永久性積雪分布區(qū)，不參與研究，通過DEM數(shù)據(jù)將該區(qū)域劃分為無值區(qū)。

2.2 研究方法

2.2.1 最大值合成法 通過最大值合成法(MVC)合成月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)，能降低云、大氣、太陽高度角對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。本研究采用最大值合成法獲取川西高原生長季植被EVI的年最大值，公式為：

MEVIij=max(EVIij)

(1)

式中:MEVIij為第i年第j月的最大EVI值；EVIij為第i年第j月的EVI值,i的取值范圍為1～20,j的取值范圍為1～12。

2.2.2 趨勢分析 基于一元線性回歸分析方法分析2001—2020年川西高原植被EVI動態(tài)變化趨勢。

(2)

式中:θslope是回歸方程的斜率；n為統(tǒng)計時段的累計年數(shù),若θslope>0,表示過去20 a植被EVI呈上升趨勢;反之,植被EVI有下降趨勢;若θslope=0則認(rèn)為植被EVI無變化。采用F檢驗法對植被EVI的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗,根據(jù)檢驗結(jié)果將變化趨勢分為6個等級。

2.2.3 相對年際變化率 本文采用EVI相對年際變化率表征近20 a來川西高原生長季植被EVI的總體變化情況，計算公式如下：

(3)

式中:RCEVI為EVI相對年際變化率；θslope為EVI變化斜率；n為統(tǒng)計時段的累計年數(shù)；EVIi為EVI年均值。

基礎(chǔ)理論視角的精益服務(wù)研究整合了顧客價值理論、服務(wù)生產(chǎn)力理論、標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)與個性化服務(wù)等優(yōu)質(zhì)服務(wù)理論，修正了服務(wù)頻譜，確定了精益服務(wù)在服務(wù)頻譜中的位置（如圖1），回應(yīng)了服務(wù)企業(yè)的服務(wù)目標(biāo)和服務(wù)邊界問題。將顧客價值理論與服務(wù)生產(chǎn)力理論納入精益服務(wù)理論的體系中，是源于對顧客驅(qū)動力與服務(wù)企業(yè)經(jīng)濟(jì)體本質(zhì)的認(rèn)同，其中顧客價值是精益服務(wù)的價值追求，而服務(wù)生產(chǎn)力則是精益服務(wù)的產(chǎn)能邊界，將二者放在同一個理論框架下體現(xiàn)了精益服務(wù)理論中顧客與服務(wù)企業(yè)二維視角的基本立場和基本理論邏輯，即精益服務(wù)理論認(rèn)為好的服務(wù)不僅能為顧客創(chuàng)造優(yōu)秀的價值，更能為服務(wù)企業(yè)帶來持久的經(jīng)營利潤。⑨

2.2.4 相關(guān)性分析 本文基于像元尺度進(jìn)行川西高原EVI與氣候因子的相關(guān)性分析研究，線性相關(guān)系數(shù)計算公式為：

(4)

本文基于線性相關(guān)分析結(jié)果，對與植被EVI相關(guān)性較強的氣溫、降水因子分別進(jìn)行偏相關(guān)分析，計算公式如下：

(5)

式中:x為EVI值；y為氣溫；z為降水量；Rxy，Rxz，Ryz分別為EVI與氣溫、EVI與降水以及氣溫與降水的線性相關(guān)系數(shù)。本文采用t檢驗法進(jìn)行偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗。

復(fù)相關(guān)分析結(jié)合兩個或多個影響因子進(jìn)行計算，綜合考慮各類影響因素的共同作用[19]。計算公式為：

(6)

式中:Rxy為EVI與氣溫的線性相關(guān)系數(shù)；Rxz,y為EVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)。本文采用F檢驗法進(jìn)行復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 川西高原植被EVI空間分布特征

川西高原2001—2020年生長季植被EVI空間分布特征如圖1所示，近20 a來該地區(qū)植被EVI均值介于0～0.88。川西高原植被EVI受地形起伏的影響，整體上呈現(xiàn)出由西南向東北遞增的空間分布格局，具有明顯的空間異質(zhì)性。植被EVI低值區(qū)主要分布于雀兒山、岷山、大雪山、沙魯里山、邛崍山等高海拔山地，這些區(qū)域海拔相對較高，EVI均值偏低。植被EVI高值區(qū)主要分布于川西高原北部山原地區(qū)、沙魯里山脈兩側(cè)以及高原東部靠近盆地的河谷地區(qū)。這些區(qū)域海拔較低，EVI值較高。

圖1 川西高原2001-2020年生長季植被EVI空間分布

3.2 川西高原植被EVI時空變化特征

3.2.1 生長季植被EVI年際變化特征 為分析研究區(qū)生長季植被EVI年際變化特征，本文基于一元線性回歸分析方法，對川西高原2001—2020年生長季植被EVI的變化趨勢進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行顯著性檢驗(表1)。顯著性統(tǒng)計結(jié)果共分為6級：極顯著減少、顯著減少、不顯著減少、不顯著增加、顯著增加、極顯著增加(圖2A)。近20 a來，川西高原EVI整體上呈波動增加趨勢，增長速率為1.0%/10 a(圖3A)，植被EVI年際變化率介于-4.26%～13.58%(圖2B)。對于植被EVI變化趨勢的整體空間分布特征而言，川西高原有63.92%的區(qū)域植被EVI呈增加趨勢。其中EVI呈極顯著增加、顯著增加的區(qū)域分別占川西高原總面積的4.02%，6.09%，主要分布于高原東部海拔較低的河谷地帶以及高原西北部巴顏喀拉山南麓等地區(qū)。EVI呈極顯著減少、顯著減少區(qū)域面積占比分別為1.11%，1.82%，集中分布于高原西北部雅礱江上游以及南部雅礱江中游的兩河口地區(qū)，零星分布于高原內(nèi)部城鎮(zhèn)地區(qū)。

3.2.2 不同海拔高程下EVI分布與變化特征 川西高原地形起伏較大，南北走向的高山與深切河谷平行延伸。同時，不同海拔高程下水熱條件在存在較大差異?；诖?，為進(jìn)一步探究川西高原生長季植被EVI分布的地形差異，將研究區(qū)分為6個高程帶：<2 500 m，2 500～3 000 m，3 000～3 500 m，4 000～4 500 m，4 500～5 000 m(本文將海拔5 000 m以上地區(qū)視為無值區(qū))。整體上，川西高原植被EVI隨著海拔的增高而降低(圖3B)。

表1 川西高原EVI變化趨勢顯著性統(tǒng)計結(jié)果

圖2 川西高原2001-2020年生長季植被EVI變化趨勢及年際變化率空間分布

近20 a來，不同海拔高程下川西高原生長季植被EVI變化都呈增加趨勢，變化速率以及增加趨勢的顯著性都有明顯的差異(圖4)。其中，在<2 500 m，2 500～3 000 m兩個海拔高程區(qū)間，植被EVI呈顯著增加趨勢，增長速率為分別為3.7%/10 a，1.9%/10 a。該區(qū)域海拔相對較低，水熱條件良好，適宜于植被的生長，近20 a來EVI增加較快。在3 000～4 500 m的海拔范圍內(nèi)，隨著海拔的增高，溫度逐漸降低，熱量條件不充分，植被生長受到一定限制，3 000～3 500 m，3 500～4 000 m，4 000～4 500 m 3個海拔高程區(qū)間內(nèi)植被增長速率分別為0.8%/10 a，0.6%/10 a，0.8%/10 a，增加趨勢不顯著。

研究區(qū)內(nèi)4 500～5 000 m的高海拔地區(qū)，近年來隨著全球氣候變暖導(dǎo)致的冰川和永久性積雪消融加劇，水熱條件得到一定改善，增加趨勢較為顯著，增長速率為1.2%/10 a。

圖3 川西高原2001-2020年生長季植被EVI變化趨勢和多年EVI均值隨海拔變化情況

圖4 川西高原2001-2020年各海拔高程區(qū)間內(nèi)植被EVI變化情況

3.3 川西高原植被EVI對氣候因子的響應(yīng)

通過一元線性回歸分析方法對2001—2020年川西高原氣溫、降水動態(tài)變化逐像元進(jìn)行趨勢分析，可知近20 a川西高原來年均溫整體呈增加的趨勢，增溫速率約為0.31℃/10 a；年累積降水量同樣呈增加趨勢，整體以6.46 mm/10 a的速度增加。

基于川西高原植被EVI與年均溫的偏相關(guān)分析得出，二者的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.85～0.90(圖5A)。植被EVI與氣溫呈正相關(guān)、不顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的6.93%，49.49%；與氣溫呈負(fù)相關(guān)、不顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占比分別為3.42%，40.16%。從空間分布上來看，植被EVI與氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布于川西高原東北部、東南部等海拔較低的地區(qū)；植被EVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域集中分布于雅礱江流域，并零散分布于整個高原內(nèi)部(圖5C)。川西高原植被EVI與年累積降水量的結(jié)果表明，兩者的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.86～0.89(圖5B)。整體上，植被EVI與降水呈正相關(guān)、不顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的11.21%，52.88%；與氣溫呈負(fù)相關(guān)、不顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積占比分別為2.54%，33.37%。從空間分布上來看，植被EVI與降水呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布于川西高原西北部以及高原內(nèi)部河谷地帶；植被EVI與氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域零散分布于整個高原內(nèi)部(圖5D)。

圖5 川西高原2001-2020年植被EVI與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果

3.4 川西植被EVI變化的驅(qū)動因素分析

氣候條件是影響植被覆蓋生長與分布的主要環(huán)境因子，其中以氣溫和降水對植被影響最為重要。川西高原植被EVI與氣溫、降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0～0.91(圖6A)。復(fù)相關(guān)系數(shù)高值區(qū)主要分布于川西高原西北部、東北部河流上游源區(qū)以及研究區(qū)東部、南部河谷地區(qū)。為進(jìn)一步研究氣溫、降水與植被EVI變化的關(guān)系，本文采用植被定量因子變化的驅(qū)動分區(qū)方法(表2) ，對與川西高原的植被EVI變化有關(guān)的影響因子進(jìn)行驅(qū)動力分析。驅(qū)動分區(qū)結(jié)果表明(圖6B)，川西高原約有21.87%的地區(qū)，植被EVI受氣候因子驅(qū)動。其中受氣溫驅(qū)動的區(qū)域，約占川西高原總面積的7.05%，主要分布于高原東北部的若爾蓋濕地以及東部河谷地帶。受降水驅(qū)動的區(qū)域范圍相對較大，面積占比約10.08%，主要分布于研究區(qū)西北部河流上游源區(qū)、高原東部和南部的河谷地區(qū)。研究區(qū)內(nèi)受溫度和降水共同強驅(qū)動的區(qū)域相對較少，面積占比約2.00%，零散分布于整個研究區(qū)內(nèi)。受氣溫、降雨共同(弱)驅(qū)動的區(qū)域零散分布整個川西高原，面積占比約2.74%，分布特征不明顯。整體而言，川西高原大部分地區(qū)植被EVI變化受非氣候因子的驅(qū)動，面積占比約78.13%。

表2 川西高原植被EVI變化驅(qū)動因素分區(qū)準(zhǔn)則

圖6 川西高原2001-2020年生長季植被EVI與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)和驅(qū)動因素分區(qū)

4 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)近20 a來，在青藏高原整體呈“暖濕化”發(fā)展趨勢下[20-21]，川西高原植被EVI呈波動上升趨勢。與榮欣等[12]研究結(jié)果基本一致。川西高原是四川省退耕還林政策實施的重點區(qū)域，近20 a來，在天然林保護(hù)工程的實施下，以及退耕還林、還草生態(tài)建設(shè)政策工作的推行下[15]，川西高原的植被覆蓋得到了一定改善。植被改善較為明顯的區(qū)域主要集中于高原東北部、岷江上游以及嘉陵江上游的河谷地區(qū)[22-23]。受人類活動的影響，川西高原部分區(qū)域植被退化明顯。其中，雅礱江上游石渠縣地勢平坦，是本文研究區(qū)內(nèi)畜牧業(yè)最發(fā)達(dá)的區(qū)域[24]，長期的過度放牧導(dǎo)致了該地草地退化嚴(yán)重[25]。雅礱江中游兩河口地區(qū)植被退化較為嚴(yán)重，與該地興修大型水利工程密切相關(guān)[26]。川西高原部分城鎮(zhèn)及周邊人口密集地區(qū)近年來受人口增長、城鎮(zhèn)擴張等因素的影響，植被退化也相較明顯[15,27]。

氣溫、降水是川西高原植被生長的主要影響因素，本文通過植被EVI變化與氣溫、降水的偏相關(guān)分析，得到研究區(qū)植被EVI整體上受氣溫、降水共同影響，但具有一定的空間異質(zhì)性的結(jié)論。在本文研究區(qū)內(nèi)，一些研究認(rèn)為氣溫對植被變化的影響更大[12,15]。也有研究認(rèn)為，植被覆蓋對降水變化更加敏感[13,16,28]。本研究發(fā)現(xiàn)，川西高原生長季植被EVI變化受降水影響的范圍更廣。楊達(dá)等[28]認(rèn)為在青藏高原氣候相對濕潤的區(qū)域植被變化主要受氣溫影響；而在氣候相對干旱的區(qū)域，降水對植被變化的影響更明顯。川西高原西北部年降水量相對較少、年均溫較低[29]，近20 a來該地區(qū)降水量顯著增加，對植被EVI變化產(chǎn)生正向影響。川西高原東部、南部的干暖河谷，年均溫相對較高，生態(tài)環(huán)境脆弱，降水是該地區(qū)植被生長的主要氣候因子[30]。川西高原東北部若爾蓋濕地、西北部長沙貢瑪濕地、北部果根塘濕地、南部塔公草原、西部毛埡草原等高寒草地分布區(qū)域，植被EVI變化受氣溫的影響較大。本文植被EVI變化的驅(qū)動因素分析表明，在0.05置信水平檢驗下，川西高原植被受氣溫、降水驅(qū)動的區(qū)域僅占整個研究區(qū)的21.87%，大部分地區(qū)受非氣候因子驅(qū)動。說明人類活動在川西高原生態(tài)環(huán)境演變的過程中起到了重要作用[12,16,24,28]。近年來，隨著川西高原各項重大生態(tài)修復(fù)工程的不斷開展，植被生長在人類活動的正向和負(fù)向作用的影響下，對氣候變化響應(yīng)的敏感程度具有一定差異。在未來川西高原的社會發(fā)展過程中，繼續(xù)加強植被生態(tài)保護(hù)措施、提升百姓生態(tài)保護(hù)意識、實施植被覆蓋“網(wǎng)格化”管理、建立智能化的植被覆蓋變化監(jiān)測平臺是需要重點關(guān)注的內(nèi)容。

5 結(jié) 論

本文基于川西高原2001—2020年MODIS-EVI數(shù)據(jù)集，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，分析近20 a來川西高原植被EVI的時空變化特征，并探究不同海拔高程下植被EVI的分布和變化特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象格點數(shù)據(jù)，進(jìn)行川西高原植被EVI對氣候變化的響應(yīng)及驅(qū)動因素研究，得出以下結(jié)論：

(1) 從植被EVI空間分布特征來看，近20 a來川西高原植被EVI均值介于0～0.88。整體上植被EVI呈現(xiàn)出由西南向東北遞增的空間分布格局，具有明顯的空間異質(zhì)性。從垂直分布特征來看，植被EVI隨著海拔的增高而降低。

(2) 川西高原近20 a植被EVI呈波動增長趨勢，增長速率為1.0%/10 a，植被EVI的相對年際變化率介于-4.26%～13.58%。在整個研究區(qū)內(nèi)，有86.91%的區(qū)域EVI基本保持不變。植被EVI增加顯著的區(qū)域占川西高原總面積的10.18%，主要分布于海拔較低的河谷地帶。植被EVI減少顯著的區(qū)域占川西高原總面積的2.91%，主要分布于受人類活動影響較大的地區(qū)。

(3) 近20 a，川西高原不同海拔高程下植被EVI都呈波動增加趨勢，變化速率以及增加趨勢的顯著性都有明顯的差異。在<2 500 m，2 500～3 000 m，4 500～5 000 m這3個海拔高程區(qū)間內(nèi)，植被EVI增加趨勢顯著。

(4) 通過川西高原植被EVI與氣溫和年累積降水量的偏相關(guān)分析可知，植被EVI與氣溫和降水呈正向相關(guān)的區(qū)域面積占比分別為56.42%，64.09%。川西高原植被EVI變化的氣候因子驅(qū)動力分析表明，在0.05置信水平檢驗下，川西高原大部分地區(qū)植被EVI變化受非氣候因子的驅(qū)動，植被受氣候因子驅(qū)動的地區(qū)面積僅占研究區(qū)總面積的21.87%。其中，受氣溫驅(qū)動的區(qū)域面積占比約7.05%，受降水驅(qū)動的區(qū)域面積占比約10.08%，受溫度和降水共同強驅(qū)動的區(qū)域面積占比約2.00%，受溫度和降水共同(弱)驅(qū)動的區(qū)域面積占比約2.74%。