近21年吳忠市植被覆蓋時(shí)空變化及氣候驅(qū)動(dòng)力分析

王軍川 ，林中雪 ，馬娟利，李治葦，徐來(lái)超，劉 源 ，張 萍 ，曹 兵

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏銀川 750021；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古磴口 015200；4.寧夏大學(xué)研究生院，寧夏銀川 750021)

植被作為生產(chǎn)者是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，植被覆蓋度(FVC)是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)面積的百分比[1]，對(duì)其定量計(jì)算的應(yīng)用使其成為衡量植被狀況的重要指標(biāo)之一。以植被覆蓋度為指標(biāo)研究植被的變化特征，已成為評(píng)價(jià)某一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康的必要條件。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)植被覆蓋度的研究已經(jīng)十分成熟，最為常用的方法是利用植被指數(shù)估算植被蓋度，這種以遙感手段為依托的快捷方法已成為當(dāng)前區(qū)域生態(tài)建設(shè)和監(jiān)測(cè)等的重要手段。Park等[2]分析了韓國(guó)河岸帶植被的時(shí)空變化情況；張彥彬等[3]基于MODIS數(shù)據(jù)，揭示了山西省六大煤田區(qū)的植被時(shí)空變化情況，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。上述研究都表明氣候因素在植被覆蓋度時(shí)空變化中扮演重要角色。

寧夏吳忠市位于黃河流域上游，有著豐富的自然資源，但21世紀(jì)以來(lái)該市部分地區(qū)人為破壞植被導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)。鑒于此，筆者選擇該市為研究區(qū)，借助Google Earth Engine(GEE)平臺(tái)海量的地理空間數(shù)據(jù)，揭示全市植被的時(shí)空變化規(guī)律，并進(jìn)行氣候驅(qū)動(dòng)力分析，以期為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)對(duì)策和保護(hù)措施提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況吳忠市位于寧夏回族自治區(qū)東部，占地面積2.14萬(wàn)km2，地理坐標(biāo)為105°17′～107°47′E、36°34′～38°15′N，下轄2區(qū)、1市、2縣(圖1)。該市屬中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10 ℃左右，年均降水量200 mm以上，年均蒸發(fā)量2 000 mm左右。植被類型豐富多樣。

圖1 吳忠市地理位置Fig.1 Geographical location of Wuzhong City

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源通過(guò)編程語(yǔ)言JavaScript調(diào)用GEE平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中免費(fèi)提供的美國(guó)陸地衛(wèi)星中5號(hào)(專題制圖儀，TM)和8號(hào)(陸地成像儀，OLI)的地表反射率(surface reflectance,SR)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這2顆衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)周期都為16 d，空間分辨率為30 m。篩選成像時(shí)間為目標(biāo)年份遙感影像(已經(jīng)經(jīng)過(guò)幾何校正、大氣校正等)，為了進(jìn)一步消除云層與積雪的影響，需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去云處理后以中值合成最小云量影像，最終通過(guò)計(jì)算公式獲取目標(biāo)年份植被覆蓋度數(shù)據(jù)。各年年均氣溫、年降水量來(lái)源于國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心 (NCEP) 氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng) (CFS)，也通過(guò)在GEE里代碼調(diào)用實(shí)現(xiàn)。

1.3 研究方法

1.3.1像元二分模型法。該研究的植被覆蓋度計(jì)算基于像元二分模型[4]。原理是將一個(gè)影像中任一像元的值由有植被覆蓋部分地表和無(wú)植被覆蓋部分地表組成的形式來(lái)表示，最后得到的植被覆蓋度公式如下：

式中,NDVI為像元?dú)w一化植被指數(shù)，NDVIsoil為無(wú)植被或裸土像元的NDVI，NDVIveg為純植被像元的NDVI。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際狀況，該研究提取累計(jì)頻率為0.5% 以內(nèi)的所有值計(jì)算平均值作為NDVIsoil，提取累計(jì)頻率為99.5% 以上的所有值計(jì)算平均值作為NDVIveg。

1.3.2空間自相關(guān)分析。這種分析方法的原理是確定某一變量是否在空間上相關(guān)，其相關(guān)程度如何。一般情況，一個(gè)變量的值會(huì)隨著測(cè)定距離的變化而變化，如果測(cè)定距離縮小而變量的測(cè)定值更為不同則表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān)；反之如果測(cè)定距離縮小而變量的測(cè)定值更為相似則表現(xiàn)為空間正相關(guān)；當(dāng)測(cè)定值沒(méi)有空間依賴性則表現(xiàn)出空間隨機(jī)性或沒(méi)有空間相關(guān)性。

莫蘭指數(shù)一般是用來(lái)度量全局空間相關(guān)性的重要指標(biāo)，其值為-1～1。值為正數(shù)表示空間正相關(guān)性，越接近1，表明空間相關(guān)性越明顯；值為負(fù)表示空間負(fù)相關(guān)性，其值接近-1，表明空間差異越大；值為0時(shí)空間呈隨機(jī)性[5]。分析后得到p值表示這一聚集過(guò)程隨機(jī)創(chuàng)建的概率，接近0，說(shuō)明聚集的隨機(jī)性概率極低；z值就是標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，也可表示離散程度。

熱點(diǎn)分析是構(gòu)建在統(tǒng)計(jì)推斷中常用的零假設(shè)檢驗(yàn)的思想之上的，是一種分析變量空間分布聚集程度的分析方法[6]。ArcGIS中的熱點(diǎn)分析工具的目標(biāo)就是識(shí)別出具有統(tǒng)計(jì)顯著性聚類的區(qū)域，能顯著聚類就說(shuō)明存在空間上的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度年際變化從圖2可以看出，2000—2020年吳忠市年均FVC變化起伏不定，只有2002—2004、2009—2011年2個(gè)階段FVC趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，3年平均值分別為0.245 6和0.270 3。FVC從2000年的0.191 6增長(zhǎng)至2020年的0.311 7，增大了約0.120 1，整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。FVC較大的年份是2013年和2016—2020年，其中2018年達(dá)到了極值。同時(shí)，根據(jù)寧夏的植被覆蓋度劃分等級(jí)[7]可以看出，近21年吳忠市已從低植被覆蓋度區(qū)轉(zhuǎn)為中植被覆蓋度區(qū)。

圖2 2000—2020年吳忠市年均FVC變化Fig.2 Change of annual average FVC in Wuzhong City from 2000 to 2020

2.2 植被覆蓋度空間變化

2.2.1整體與局部。從圖3可以看出，全市年均FVC空間分布規(guī)律主要為減小的地區(qū)在北部居多，基本不變的地區(qū)集中在青銅峽市和利通區(qū)的中北部地區(qū)，而吳忠市南部和中部地區(qū)大多呈增大趨勢(shì)。各縣級(jí)地區(qū)具體情況：青銅峽市FVC減小的區(qū)域較多，其他縣區(qū)增大的區(qū)域較多，特別是紅寺堡區(qū)和同心縣，而鹽池縣和利通區(qū)呈現(xiàn)與整個(gè)吳忠市相同的變化趨勢(shì)，即南增北減。

圖3 2000—2020年吳忠市平均FVC空間分布Fig.3 The spatial distribution of mean FVC in Wuzhong City from 2000 to 2020

吳忠市各縣級(jí)地區(qū)每5年各年份FVC變化情況如表1所示，近21年各縣級(jí)地區(qū)FVC整體上均有所增加，其中紅寺堡區(qū)的增長(zhǎng)量最大，達(dá)0.177 2，青銅峽市的增長(zhǎng)量最小，為0.088 5。2000—2005年，除青銅峽市外，其余縣區(qū)的FVC均呈減小趨勢(shì)；2005—2010年5個(gè)縣級(jí)地區(qū)均明顯增大趨勢(shì)；2010—2015年鹽池縣、紅寺堡區(qū)、同心縣FVC呈減小趨勢(shì)，而利通區(qū)和青銅峽市則呈增大趨勢(shì)；2015—2020年各地區(qū)FVC均顯著增大。截至2020年，吳忠市各縣區(qū)全部成為中植被覆蓋度地區(qū)，植被覆蓋度從大到小依次為鹽池縣>利通區(qū)>青銅峽市>同心縣>紅寺堡區(qū)。

表1 吳忠市各縣級(jí)地區(qū)年均FVC變化情況Table 1 Annual average FVC in each county area of Wuzhong City

2.2.2空間聚集性。該研究先對(duì)2020年吳忠市植被覆蓋度進(jìn)行莫蘭指數(shù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，莫蘭指數(shù)為0.225 43，表明吳忠市植被覆蓋度在全局呈集聚趨勢(shì)；p值為0，z值為65左右，但方差很小，表明該市植被覆蓋度聚集的隨機(jī)性概率極低。

通過(guò)熱點(diǎn)分析，得出吳忠市的植被覆蓋度高值、低值以及高低值分布情況(圖4)，從圖4可以看出，面積上呈現(xiàn)出冷點(diǎn)區(qū)域>熱點(diǎn)區(qū)域>不明顯區(qū)域，熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在吳忠市西部，特別是西北部部分區(qū)域(青銅峽市東北部和利通區(qū)北部)顯示了極高的聚集性，其次是紅寺堡區(qū)北部和同心縣西部部分區(qū)域，鹽池縣只有中心一小片區(qū)域呈現(xiàn)聚集。

圖4 吳忠市植被覆蓋度熱點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of hot spots of FVC in Wuzhong

2.3 氣候驅(qū)動(dòng)力分析吳忠市植被覆蓋度與氣溫之間的相關(guān)性如圖5所示，二者整體呈線性負(fù)相關(guān)，植被覆蓋度隨著氣溫的升高而減少，兩者決定系數(shù)(R2)為0.156。近21年氣溫整體在11～13 ℃，年均溫為11.65 ℃。

圖5 年均氣溫與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.5 Correlation between annual average temperature and FVC

植被覆蓋度與降水之間的相關(guān)性如圖6所示，二者呈線性正相關(guān)，植被覆蓋度隨著降雨量的增加而增加，兩者決定系數(shù)(R2)為0.450(P<0.05)。降雨量整體在150～400 mm，21年間平均降雨量為289 mm。

圖6 年降水量與植被覆蓋度的關(guān)系Fig.6 Correlation between annual precipitation and FVC

3 討論

近21年吳忠市植被覆蓋度整體呈穩(wěn)中向好趨勢(shì)，其主要有以下2個(gè)方面原因：一方面，植被的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)水，該研究發(fā)現(xiàn)該市植被覆蓋度與降水量呈線性正相關(guān)，即隨著降水量增加，植被覆蓋度越大；另一方面，眾多研究表明，人為因素對(duì)植被變化的影響程度很大[8-11]。從政策來(lái)講，2003年以來(lái)寧夏成為我國(guó)第3個(gè)實(shí)行全境禁牧的省區(qū)[12]，而吳忠市部分地區(qū)正好處于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，禁牧必然對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育起促進(jìn)作用；之后的數(shù)年里，人們?cè)郊诱J(rèn)識(shí)到生態(tài)文明建設(shè)的重要性，建立自然保護(hù)區(qū)、退耕還林還草等各類植被恢復(fù)與保護(hù)措施層出不窮。

4 結(jié)論

(1)從時(shí)間上看，近21年吳忠市植被生長(zhǎng)良好，植被覆蓋度整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且該市已由低植被覆蓋度地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w度地區(qū)，各縣級(jí)地區(qū)的植被覆蓋度整體上變化趨勢(shì)與全市情況大致相同。

(2)從空間上看，近21年全市植被覆蓋度主要呈現(xiàn)南部整體增大、北部減小或不變的趨勢(shì)。減小區(qū)域主要以青銅峽市、利通區(qū)和鹽池縣為主，基本不變區(qū)域集中在青銅峽市和利通區(qū)。其中，同心縣和紅寺堡區(qū)整個(gè)地區(qū)都以植被覆蓋度增大為主，利通區(qū)和鹽池縣空間上變化相似，主要呈現(xiàn)南增北減趨勢(shì)，而青銅峽市植被覆蓋度以減小和不變地區(qū)居多。全市植被覆蓋度在全局呈集聚趨勢(shì)，但聚集的隨機(jī)性概率極低。

(3)年均植被覆蓋度與年降水量有一定關(guān)系，呈線性正相關(guān)(R2=0.450)，而氣溫對(duì)植被覆蓋度影響不大。