基于MODIS的橫斷山區(qū)植被時(shí)空演變特征及地形效應(yīng)分析

白瑪曲西,普布多吉,卓 永②,次 珍,邊 瓊,黃 鵬,西繞卓瑪,玉 洛

(1.西藏昌都市氣象臺(tái),西藏 昌都 854000;2.西藏昌都市丁青縣氣象局,西藏 昌都 855700)

植被作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分,是地理環(huán)境的關(guān)鍵指示因子,它通過調(diào)節(jié)地表能量收支平衡、水循環(huán)和化學(xué)循環(huán)等,可以較好地反映當(dāng)?shù)氐乃岷屯寥赖壬鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量,因此被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中[1-3]。遙感影像由于具有空間尺度大、時(shí)間序列長(zhǎng)和間隔周期短等特點(diǎn),已成為監(jiān)測(cè)區(qū)域和大尺度植被變化的主要數(shù)據(jù)源[1,4],其中,歸一化植被指數(shù)(NDVI)耦合了地物的紅外和紅光波段光譜信息,是表征植被生長(zhǎng)狀態(tài)和地表綠度的最佳指標(biāo)之一[5]。近年來,有關(guān)植被NDVI時(shí)空變化及其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)響應(yīng)特征的研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。

地形是決定植被生長(zhǎng)環(huán)境的主導(dǎo)因素之一,其中,海拔主要影響土壤的垂直地帶性,坡度影響地表徑流,坡向影響日照時(shí)長(zhǎng)、濕度和溫度,各地形因子之間的相互作用通過控制水熱格局進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)分布[2,4,6]。已有研究表明,地形因子對(duì)植被生長(zhǎng)分布的影響具有復(fù)雜性,不同地區(qū)影響植被的關(guān)鍵地形因子不盡相同[7-8]。在中國漢江流域,海拔高度和坡度是影響植被分布和長(zhǎng)勢(shì)的主要因素[9];在黔桂喀斯特山區(qū),植被NDVI受海拔高度影響較大,而隨坡度和坡向的變化并不明顯[6];而在伊拉克庫爾德斯坦地區(qū)植被分布格局主要受海拔高度和坡向的影響[10]。除此之外,同一地形因子對(duì)植被生長(zhǎng)分布的影響在不同地區(qū)也各不相同,如在西北地區(qū)砒砂巖區(qū),海拔小于1 000 m的區(qū)域植被最茂盛[2];而在西南地區(qū)重慶,海拔大于1 200 m的地區(qū)植被穩(wěn)定增加[4];在西南地區(qū)干熱河谷,幾乎都為亞熱帶干熱河谷稀樹灌叢帶,坡度影響很微弱[11];而在美國俄勒岡州東南部,坡度是影響植被多樣性的關(guān)鍵因子[12];在內(nèi)蒙古大青山自然保護(hù)區(qū),由于陰坡、半陰坡日照時(shí)數(shù)較短,蒸發(fā)過程相對(duì)弱,土壤水分和養(yǎng)分條件較好,發(fā)育有較大面積的白樺、蒙古櫟等喬木林及虎榛子等灌叢,植被覆蓋度較高[13];而在新墨西哥北部的雷東多山,由于陽坡日照時(shí)數(shù)長(zhǎng),吸收的熱量多,有利于促進(jìn)植被生長(zhǎng),因此,陽坡森林覆蓋度高于陰坡[14]。

橫斷山區(qū)橫跨中國西南一、二級(jí)地形階梯,是我國西部的地形急變帶[15],其地質(zhì)、地貌、氣候和土壤極其復(fù)雜,山川河谷眾多,植被生長(zhǎng)所需的光照、水分和土壤等分布各異,生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性較強(qiáng),植被受地形因子的影響尤為突出[16-17],研究橫斷山區(qū)植被時(shí)空演變特征及地形效應(yīng)可以很好地揭示其地域分布規(guī)律。然而,目前的研究成果多集中在NDVI時(shí)空變化與氣候、人類活動(dòng)等關(guān)系的探討上,且涉及橫斷山區(qū)的研究所使用的植被指數(shù)分辨率大多較粗,1、8 km的產(chǎn)品很難準(zhǔn)確描述橫斷山區(qū)地形起伏大的復(fù)雜山地環(huán)境。部分學(xué)者的研究時(shí)間序列相對(duì)較短。此外,結(jié)合地形效應(yīng)定量分析橫斷山區(qū)植被演變特征的研究尚不多見,運(yùn)用較高分辨率的NDVI并在長(zhǎng)時(shí)序上考慮不同地形絕對(duì)面積差異來評(píng)價(jià)植被變化趨勢(shì)的研究更是非常有限。

因此,該文基于250 m的MODIS植被指數(shù)遙感產(chǎn)品和90 m的數(shù)字高程模型(DEM)資料,采用Sen+M-K趨勢(shì)分析并結(jié)合地形差異修正方法,研究2000—2020年橫斷山區(qū)植被與地形因子的變化關(guān)系,揭示橫斷山區(qū)植被變化的地形差異和空間演變規(guī)律,以期更加合理地評(píng)價(jià)植被變化的地形效應(yīng),為橫斷山區(qū)生態(tài)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)與生態(tài)建設(shè)效益評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

橫斷山區(qū)(21.14° N～34.32° N,93.59° E～104.43° E)西鄰青藏高原,東連四川盆地,是中國第一階梯與第二階梯的分界地帶,是東亞、南亞和青藏高原3大地理區(qū)域的交匯處,也是我國長(zhǎng)江上游重要的生態(tài)屏障區(qū)[16-17]。橫斷山區(qū)海拔約為400～7 500 m,受亞歐板塊、印度板塊與太平洋板塊的擠壓作用,地形起伏較大,81.5%的區(qū)域相對(duì)高差大于1 000 m,地貌多高山深谷[17]。整體上,橫斷山區(qū)可劃分為七山夾六江,岷江、大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江和怒江由東至西縱貫其間,雪寶頂、四姑娘山、貢嘎山、格聶山、雀兒山、白馬雪山和梅里雪山屹立其間,是世界上罕見的高山地貌及其演化的代表地[17]。由于橫斷山區(qū)地形復(fù)雜,山嶺與河谷間氣候垂直分帶性也很明顯,集中了北半球南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶和暖溫帶等多種氣候類型[18]。橫斷山區(qū)植被類型也多種多樣,植被垂直地帶性顯著,從高到低依次為冰雪帶、草地、草甸、灌木、針葉林、闊葉林和耕地(圖1),因此其也被認(rèn)為是中國乃至全球山地垂直帶譜最大、最復(fù)雜的區(qū)域之一[19],是我國中西部地區(qū)重要的生態(tài)屏障和生態(tài)調(diào)節(jié)區(qū)。

審圖號(hào): GS(2022)5651號(hào)

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1NDVI數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)選用2000—2020年生長(zhǎng)季(5—9月)16 d合成的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1-NDVI,軌道號(hào)為H26V05、H26V06和H27V06,空間分辨率為250 m。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過表面的雙向反射率大氣校正,去除水、云、氣溶膠和云陰影的影響。收集了橫斷山區(qū)共220個(gè)時(shí)相的影像數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重投影和格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。為了更好地反映年植被覆蓋情況和消除數(shù)據(jù)中的誤差干擾,將每年幾期影像數(shù)據(jù)按最大值合成法(MVC)合成年數(shù)據(jù),最后掩膜得到研究區(qū)21年來逐年NDVI影像。數(shù)據(jù)可從美國LPDAAC(Land Process Distributed Active Archive Center)網(wǎng)站(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data /search.html)免費(fèi)獲得。

1.2.2DEM數(shù)據(jù)

DEM采用SRTM(shuttle radar topography mission)數(shù)據(jù),為V.003版本,來源于美國地質(zhì)勘探局(USGS;https:∥lpdaac.usgs.gov/products/srtmgl1v003/),空間分辨率為90 m。利用DEM數(shù)據(jù)研究不同地形因子與NDVI空間分布及變化特征之間的關(guān)系,為進(jìn)行疊加分析,將其重采樣和重投影成與NDVI數(shù)據(jù)一致的空間分辨率和投影,并利用ArcGIS軟件對(duì)DEM提取地形因子。由于自然界中植被的分布并不完全在等間距的高程和坡度中均勻分布,且不同植被類型也難以嚴(yán)格按照等間距的高程和坡度分布,加之自然間斷點(diǎn)分級(jí)法是基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組,對(duì)分類間隔加以識(shí)別,可對(duì)相似值進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M,并可使各個(gè)類之間的差異最大化。因此,該文通過自然間斷點(diǎn)法[10,20]對(duì)海拔、坡向和坡度3種地形因子進(jìn)行重分類,橫斷山區(qū)重分類后的海拔、坡向和坡度分布見圖2。

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1.3 研究方法

1.3.1Sen+M-K趨勢(shì)分析

對(duì)NDVI一般采用回歸分析或Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)分析,回歸分析要求時(shí)間序列符合正態(tài)分布,且結(jié)果容易受噪聲干擾。相比之下,Theil-Sen Median(Sen)趨勢(shì)分析是計(jì)算序列中的中位數(shù),可以用于很好地減少噪聲干擾,是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢(shì)計(jì)算方法[21]。但該趨勢(shì)分析本身不能實(shí)現(xiàn)序列趨勢(shì)的顯著性判斷。這兩種方法結(jié)合使用在時(shí)間序列趨勢(shì)分析中具有很大優(yōu)勢(shì),不僅可以用于有效地增強(qiáng)抗噪性,而且可以用于更準(zhǔn)確地檢驗(yàn)時(shí)間序列趨勢(shì)及其顯著性,計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[22]。筆者研究中,當(dāng)檢驗(yàn)中Z的絕對(duì)值大于1.65、1.96和2.58時(shí),表示趨勢(shì)通過的信度分別為90%、95%和99%。根據(jù)年際變化速率及其顯著性,參照前人研究結(jié)果[23-25],將植被NDVI變化趨勢(shì)劃分為5類:極顯著減少(Sen<0,α≥99%)、顯著減少(Sen<0,95%≤α<99%)、維持穩(wěn)定(不顯著增加與不顯著減少)(α<95%)、極顯著增加(Sen>0,α≥99%)和顯著增加(Sen>0,95%≤α<99%)。

1.3.2地形差異修正

植被變化隨地形的不同而呈現(xiàn)不同的變化特征。然而,在評(píng)價(jià)植被變化特征時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)某變化類型面積在某特定地形區(qū)的面積雖小,但相比于該變化類型在研究區(qū)所占面積比例卻較大,從而影響評(píng)價(jià)的合理性[4,26]。因此,為了明確特定地形因子對(duì)植被變化分布的影響,需要消除地形因子絕對(duì)面積差異的干擾,其計(jì)算公式為

K=(Sie/Se)/(Si/S)。

(1)

式(1)中,Sie為i變化類型在e地形特定條件下的面積,m2;Si為i變化類型總面積,m2;Se為e地形總面積,m2;S為研究區(qū)總面積,m2;Sie/Se為e地形下i變化類型面積比;Si/S為研究區(qū)i變化類型面積比。K>1,表示i變化類型在e地形呈優(yōu)勢(shì)分布;K=1,表示i變化類型在e地形分布平穩(wěn);K<1,表示i變化類型在e地形呈非優(yōu)勢(shì)分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)空分布及演變

2000—2020年橫斷山區(qū)植被NDVI分布區(qū)域差異明顯,突出表現(xiàn)為南高北低、低海拔地區(qū)大于高海拔山脈地區(qū)的特征,隨海拔變化規(guī)律性顯著,呈明顯的嶺谷差異。雪寶頂、四姑娘山、貢嘎山、格聶山、雀兒山、白馬雪山和梅里雪山高大山脈是植被NDVI低值區(qū),均值不足0.3,部分地區(qū)甚至小于0.1,而橫斷山區(qū)中南部的西雙版納、恩茅、臨滄、保山、大理、麗江、攀枝花、涼山、迪慶,山區(qū)西北部的阿壩等地區(qū)植被NDVI較高,均超過0.7,部分地區(qū)甚至超過0.9〔圖3(a)〕。這是由于橫斷山區(qū)南部受海洋季風(fēng)氣候的影響較為明顯,多闊葉林[19],因此NDVI值較高;北部大陸性氣候較強(qiáng),多草地和針葉林[19],NDVI值相對(duì)較低;而中部除受季風(fēng)氣候的影響外,同時(shí)還因地形作用受焚風(fēng)效應(yīng)和山谷風(fēng)的影響[19],多干熱河谷稀樹灌叢和荒漠裸地,因此NDVI低。此外,橫斷山區(qū)縱向的高山峽谷區(qū)特殊的地形條件和季風(fēng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的“水汽通道”作用導(dǎo)致水分、熱量沿河谷呈帶狀分布也是重要原因[27]。總體上,2000—2020年橫斷山區(qū)NDVI呈波動(dòng)增加趨勢(shì),年際變化速率為0.013 (10 a)-1(P<0.1)〔圖3(b)〕,說明橫斷山區(qū)植被整體呈改善趨勢(shì),但仍較為脆弱,易受氣候等因素的擾動(dòng),其中,2014年NDVI顯著降低與受厄爾尼諾影響導(dǎo)致的橫斷山區(qū)大范圍干旱密切相關(guān)[28]。

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圖4和表1顯示,橫斷山區(qū)64.13%的區(qū)域植被維持穩(wěn)定,極顯著增加和顯著增加區(qū)域面積占比分別為12.54%和11.77%,表明近21年來橫斷山區(qū)植被NDVI變化以穩(wěn)定和增加類型為主,其中,思茅市植被NDVI增加速率最快,平均增加速率為24.92×10-4a-1,其后依次是涼山州、麗江市、臨滄市、攀枝花市和怒江市,植被NDVI平均增加速率均超過20.00×10-4a-1。涼山州東部和西南部、麗江市中部、甘孜州北部以及橫斷山區(qū)南部局部地區(qū)植被NDVI增加趨勢(shì)最為明顯,年際增加速率超過50.00×10-4a-1;而橫斷山區(qū)北部、中部的局部地區(qū)植被NDVI呈減少趨勢(shì),尤其是迪慶、大理等地區(qū)植被NDVI減少區(qū)域面積占比超過2%,其中,甘孜北部局地、大理洱海及周邊、涼山中部,保山中部局地等地區(qū)植被NDVI呈顯著減少,減少速率超過100.00×10-4a-1。

表1 橫斷山區(qū)植被NDVI年際變化速率及顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

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2.2 NDVI地形效應(yīng)

受水熱條件差異的影響,橫斷山區(qū)植被NDVI在不同海拔差異明顯。海拔小于3 845 m時(shí),植被NDVI在0.82～0.84之間小幅波動(dòng),其中,海拔0～1 130 m地區(qū)植被NDVI最大,達(dá)0.84。海拔超過3 845 m后,植被NDVI呈階梯式減小,其中,海拔5 010 m以上地區(qū)植被NDVI最小,不足0.25(圖5)。由2000—2020年橫斷山區(qū)植被NDVI變化速率的海拔分異(圖5)可以看出,橫斷山區(qū)不同海拔梯度植被NDVI年際變化速率均呈增加趨勢(shì),其中,小于2 739 m高程帶NDVI年際增加速率較快,均超過18×10-4a-1;>2 739～4 132 m高程帶NDVI年際變化速率隨海拔上升呈階梯式減小,從16.60×10-4a-1減至6.77×10-4a-1;>4 132 m高程帶NDVI年際變化速率隨海拔上升呈階梯式增加,從6.77×10-4a-1增至18.01×10-4a-1。

圖5 橫斷山區(qū)多年平均NDVI和NDVI年際變化速率的海拔分異

植被變化的分布優(yōu)勢(shì)(K>1)區(qū)間也不同,在小于1 130 m區(qū)域植被極顯著減少類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,說明該區(qū)域植被極顯著減少占主導(dǎo),>1 130～3 162 m區(qū)域植被極顯著增加類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,>3 162～4 670 m區(qū)域植被維持穩(wěn)定占主導(dǎo),而>4 670 m區(qū)域無有效值占主導(dǎo)。此外,>2 739～3 534 m區(qū)域植被變化分布趨勢(shì)開始出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)和非優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)折,該地形區(qū)域植被比較脆弱,容易出現(xiàn)波動(dòng)(圖6)。在不同的海拔區(qū)域,植被變化以維持穩(wěn)定為主,植被減少類型比例較小。植被減少類型除了在海拔小于1 919 m區(qū)域內(nèi)和>3 162～4 132 m區(qū)域內(nèi)面積比例大于2%以外,其余各區(qū)域均小于2%,最低僅為0.19%。植被增加類型從39.57%逐漸減少至5.46%?？梢?隨著高程的變化,植被變化與自然環(huán)境和人為影響關(guān)系密切:在小于1 919 m區(qū)域,氣溫、水分等都適合植被生長(zhǎng),但是受人為干擾大,多為農(nóng)耕、開發(fā)建設(shè)區(qū),植被NDVI減少明顯;在>1 919～4 400 m地區(qū),因海拔高,人類活動(dòng)減少,是實(shí)施生態(tài)保護(hù)工程的主要區(qū)域,植被NDVI呈穩(wěn)定和增加趨勢(shì);在>4 670 m地區(qū),由于受云影響,缺乏有效的NDVI值。

圖6 橫斷山區(qū)不同變化類型植被K隨海拔的變化及面積占比

由橫斷山區(qū)不同坡向面積占比及NDVI多年平均值可知,橫斷山區(qū)不同坡向植被NDVI差異較小,植被NDVI均值為0.759～0.774。雖然橫斷山區(qū)坡向以東坡、西南坡、東北坡和西坡為主,其面積占比分別為13.29%、13.04%、13.03%和13.02%(圖7),但NDVI總體呈北坡大于南坡、西坡大于東坡的分布格局,其中,西北坡NDVI最高,為0.774,其后依次為西坡、北坡、東南坡、西南坡、南坡,NDVI分別為0.770、0.765、0.764、0.764和0.762,東北坡和東坡最小,均為0.759(圖7)。就NDVI變化趨勢(shì)而言,2000—2020年橫斷山區(qū)不同坡向NDVI均呈增加趨勢(shì),其中西北坡增加速率最快,為15.71×10-4a-1,其次是西坡、北坡、西南坡、南坡、東北坡和東南坡,NDVI增加速率分別為15.04×10-4、14.55×10-4、13.77×10-4、13.42×10-4、13.40×10-4和13.35×10-4a-1,東坡增加速率最慢,為12.94×10-4a-1(圖7)。

圖7 橫斷山區(qū)多年平均NDVI和NDVI年際變化速率的坡向分異

植被變化類型在平地區(qū)域的分布差異明顯,無有效值類型分布優(yōu)勢(shì)明顯(K=4.61),同時(shí),植被極顯著減少類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,植被穩(wěn)定不變類型在各坡向分布平穩(wěn)。這表明在平地區(qū)域MODIS植被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品仍存在較多無效值,而且平地更容易受到人類活動(dòng)影響而發(fā)生退化。當(dāng)坡向由北坡轉(zhuǎn)向西南坡,植被減少類型的分布在增加,而植被增加類型的分布則小幅波動(dòng);當(dāng)坡向由西南坡轉(zhuǎn)向西北坡時(shí),植被減少類型的分布在減少,而植被增加類型的分布則增多。其中,植被減少在西南坡占主導(dǎo),植被增加在西北坡占主導(dǎo),此外,東坡和西坡區(qū)域植被變化分布趨勢(shì)開始出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)和非優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)折,該地形區(qū)域植被比較脆弱,容易出現(xiàn)波動(dòng)(圖8)。就不同坡向而言,植被NDVI以維持穩(wěn)定為主,除了平地植被維持穩(wěn)定占比為47.73%外,其余坡向均在70%以上。植被增加在西北坡、西坡和北坡的占比較高,超過20.84%,而植被減少在西南坡、平地、南坡、東南坡和東坡占比較高,超過1.88%(圖8)。可見,橫斷山區(qū)不同坡向植被均以維持穩(wěn)定為主,但平地區(qū)域MODIS植被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品存在較多無效值,且平地區(qū)域植被退化顯著,這多與平地存在受人類活動(dòng)影響大的建設(shè)用地、水域等有關(guān)。西北坡、西坡和北坡的植被改善分布明顯,西南坡、平地、南坡、東南坡和東坡植被退化明顯。

圖8 橫斷山區(qū)不同變化類型植被K隨坡向的變化及面積占比

不同坡度會(huì)通過影響地表徑流、水土保持流失狀況進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)。橫斷山區(qū)多年平均NDVI和NDVI年際變化速率的坡度分異見圖9,研究區(qū)97.73%的像元坡度集中在0～30.9°,其中>3.8°～7.5°的像元占比最多,為17.95%。在0～30.9°之間,植被NDVI隨坡度增加呈階梯式增大,>30.9°～34.4°輕微減小,>34.4°～38.9°是NDVI峰值區(qū),而在坡度>38.9°區(qū)域,NDVI急劇減小,不足0.77(圖9)。2000—2020年橫斷山區(qū)不同坡度植被NDVI均呈增加趨勢(shì),其中坡度為>7.5°～10.6°區(qū)域增加速率最快,達(dá)15.59×10-4a-1,0～3.8°區(qū)域增加速率較慢,為11.28×10-4a-1,在其余坡度區(qū)域均隨坡度增加,NDVI增加速率呈階梯式減緩,其中,坡度為>38.9°～57.7°區(qū)域NDVI增加速率最慢,為9.49×10-4a-1(圖9)。

圖9 橫斷山區(qū)多年平均NDVI和NDVI年際變化速率的坡度分異

隨著坡度增加,植被維持穩(wěn)定類型、植被增加類型分布均逐漸降低,而植被減少類型在坡度為>3.8°～7.5°區(qū)域迅速降低,>7.5°～16.5°區(qū)域逐漸降低,>16.5°～57.7°區(qū)域逐漸增加,無效值持續(xù)穩(wěn)定增加。在坡度小于3.8°的區(qū)域,植被減少類型分布優(yōu)勢(shì)明顯(K>1.93),尤其是植被極顯著減少類型(K=3.55),而坡度為>3.8°～28.0°區(qū)域植被維持穩(wěn)定和增加類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,坡度為>34.4°～38.9°的區(qū)域植被顯著減少類型則呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)分布。此外,>22.2°～28.0°區(qū)域是植被變化分布趨勢(shì)開始出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)和非優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)折,該地形區(qū)域植被比較脆弱,容易出現(xiàn)波動(dòng)(圖10)。不同坡度范圍內(nèi),植被變化以維持穩(wěn)定和增加為主。無效值隨著坡度增加而逐漸增加,植被增加類型則逐漸減少。其中,植被減少類型在小于3.8°區(qū)域比例最大,為4.66%,在>16.5°～19.3°區(qū)域最小,為1.28%;植被維持穩(wěn)定類型的比例均在70%左右;植被增加類型從>3.8°～7.5°區(qū)域的22.04%逐漸減少到>38.9°區(qū)域的13.29%(圖10)?？梢?地勢(shì)平坦區(qū)域(<3.8°)是人類活動(dòng)的主要地區(qū),農(nóng)耕、工業(yè)建設(shè)均集中在此區(qū)域,植被減少分布明顯。坡度為>3.8°～25.1°區(qū)域土壤持水能力和養(yǎng)分最適宜植被生長(zhǎng),因此植被增加最明顯,而隨著坡度逐漸增大,地勢(shì)陡峭,人類活動(dòng)相對(duì)少,但土壤持水能力和養(yǎng)分逐漸變差,因此植被增加類型逐漸減弱。

圖10 橫斷山區(qū)不同變化類型植被K隨坡度的變化及面積占比

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

2000—2020年橫斷山區(qū)植被NDVI整體呈波動(dòng)增加趨勢(shì),與全球及我國其他地區(qū)的植被變化趨勢(shì)[1,5,22-23]一致,但仍存在較大的時(shí)空異質(zhì)性,這與氣候因子、地形因子和人類活動(dòng)[29]密切相關(guān)。在氣候變化背景下,橫斷山區(qū)呈整體暖濕化、局部暖干化的現(xiàn)象[30],良好的水熱條件促進(jìn)了植被生長(zhǎng),因此橫斷山區(qū)大部地區(qū)NDVI呈穩(wěn)定和增加趨勢(shì);植被NDVI顯著增加區(qū)域與生態(tài)自然保護(hù)區(qū)、涼山州等地區(qū)大力實(shí)施天保工程、退耕還林工程、生態(tài)護(hù)林員制度、生態(tài)脆弱區(qū)治理、草原生態(tài)獎(jiǎng)補(bǔ)和石漠化綜合治理工程等的生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)[29]具有良好的一致性,再次證明生態(tài)保護(hù)對(duì)橫斷山區(qū)植被的積極作用。橫斷山區(qū)中北部地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱,植被退化現(xiàn)象嚴(yán)重,這與該區(qū)域降水呈減少趨勢(shì),極端氣候事件顯著增加,干熱少雨、水土流失嚴(yán)重[31],超載過牧、鼠蟲害、亂砍亂伐[23]密切相關(guān);人為毀林開荒、城鎮(zhèn)建設(shè)和工業(yè)用地等人類活動(dòng)影響是導(dǎo)致南部大理等地區(qū)NDVI顯著減少的重要原因。雖然橫斷山區(qū)植被退化的面積比例小于3%,但該問題依然不容忽視。

在大尺度區(qū)域范圍內(nèi),高程是關(guān)鍵的地形因子,在橫斷山區(qū)海拔小于3 845 m的地區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)良好,這與胡實(shí)等[32]的研究結(jié)論一致,雖然不同海拔區(qū)間植被NDVI均呈改善趨勢(shì),但筆者研究發(fā)現(xiàn)橫斷山區(qū)小于1 130 m區(qū)域植被極顯著減少類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,>1 130～3 162 m區(qū)域植被極顯著增加類型分布優(yōu)勢(shì)明顯,>3 162～4 670 m區(qū)域植被維持穩(wěn)定占主導(dǎo)。這表明退耕還林、封山育林等生態(tài)工程使得高山植被受人為擾動(dòng)小,利于植被的恢復(fù)。而在低海拔地區(qū),由于人類活動(dòng)劇烈,森林轉(zhuǎn)變?yōu)橹T如建設(shè)用地等,導(dǎo)致植被NDVI降低[5-6,23]。橫斷山區(qū)南北走向的特殊地形對(duì)西南海洋季風(fēng)和東南海洋季風(fēng)產(chǎn)生層層阻擋,造成迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡水熱條件不同,自然垂直帶差異也明顯,同時(shí)海拔高度由南向北隨緯度增加而急劇升高,導(dǎo)致氣候南北分化?？傮w來看,28° N以南為亞熱帶和熱帶地區(qū),由于水濕條件分別從東西兩側(cè)往腹地金沙江流域逐漸降低[33],東、西坡分異顯著,具體表現(xiàn)為在101° E以西山地,西坡處于迎風(fēng)坡,濕潤(rùn)而多雨,多濕性的常綠闊葉林帶;而東坡為背風(fēng)坡,相對(duì)干燥,常為相對(duì)干性的針葉林帶;在101° E以東山地,受東南季風(fēng)的影響較大,東坡為迎風(fēng)坡而西坡為背風(fēng)坡,東坡相對(duì)西坡更濕潤(rùn)。而在28° N～29° N范圍內(nèi),這一地區(qū)由于高大山體對(duì)季風(fēng)的屏障作用、焚風(fēng)效應(yīng)和山谷風(fēng)的影響,是橫斷山區(qū)的干旱中心[16],因此不論東、西坡,都為亞熱帶干熱河谷稀樹灌叢帶,坡向分異不明顯。在29 °N以北為溫帶和寒帶地區(qū),多干旱高寒草原,海洋暖濕氣流的影響逐漸減弱,大陸性氣候逐漸加強(qiáng),東、西坡差異減小。至北部丘原地貌景觀區(qū),坡向差異逐漸轉(zhuǎn)換為南北坡的分異:南坡向陽,光照強(qiáng),蒸發(fā)大,晝夜變溫劇烈,一般為較干燥的生境;而北坡背陰,光照弱,水分蒸發(fā)慢,晝夜變溫平緩,土壤相對(duì)濕潤(rùn):因此北坡的植被更旺盛,NDVI更高。綜上,橫斷山區(qū)特殊的地形-氣候環(huán)境造成植被群落分布的多樣性和復(fù)雜性,多種影響在區(qū)域尺度上可以相互抵消,綜合造成橫斷山區(qū)整體的NDVI坡向差異較小。橫斷山區(qū)NDVI總體呈北坡大于南坡、西坡大于東坡的分布格局,西北坡NDVI值較西南坡高的一個(gè)重要原因可能是101° E以西地區(qū)面積占比較以東地區(qū)大,而29° N以北地區(qū)面積占比較以南地區(qū)大。一般而言,坡度越大的地區(qū)土壤持水性也越差,因此植被NDVI應(yīng)隨坡度增大而減小[20],但筆者研究中橫斷山區(qū)植被NDVI最高的區(qū)域反而不是坡度最小的區(qū)域,低坡度容易受到人類活動(dòng)的影響,植被NDVI反而較低,且植被NDVI顯著減少類型分布優(yōu)勢(shì)明顯。綜上,未來在橫斷山區(qū)進(jìn)行生態(tài)建設(shè)時(shí),應(yīng)充分考慮地形因子的限制條件,多重視低海拔、緩坡處植被生態(tài)治理。

橫斷山區(qū)地形復(fù)雜,生境異質(zhì)性強(qiáng),云霧天氣較多,可見光遙感監(jiān)測(cè)仍存在諸多限制。雖然筆者研究已經(jīng)通過年最大合成法來盡量避免云霧的影響,但仍存在許多無有效值區(qū),尤其是海拔大于4 670 m、坡度大于16.5°、坡向?yàn)槠降氐膮^(qū)域,后續(xù)研究需注意云霧影響帶來的誤差,確保研究結(jié)果更加客觀合理。

3.2 結(jié)論

(1)近21 a橫斷山區(qū)植被NDVI呈南高北低、低海拔地區(qū)大于高海拔山脈地區(qū)的分布格局,隨海拔變化規(guī)律性顯著,存在明顯的嶺谷差異。高海拔山脈地區(qū)植被NDVI不足0.3,而中南部低海拔地區(qū)植被NDVI超過0.9?？傮w上,2000—2020年橫斷山區(qū)植被NDVI呈波動(dòng)增加趨勢(shì),年際變化速率為0.013 (10 a)-1,64.13%的區(qū)域植被穩(wěn)定,極顯著增加和顯著增加區(qū)域占比分別為12.54%和11.77%,其中,思茅市、涼山州和麗江市等地區(qū)植被NDVI增加速率較快。

(2)地形因子對(duì)橫斷山區(qū)植被NDVI的影響明顯。NDVI在海拔小于3 845 m的區(qū)域小幅波動(dòng),超過3 845 m后呈階梯式減小;不同坡向植被NDVI差異較小,植被NDVI均值為0.759～0.774,但北坡大于南坡,西坡大于東坡,西北坡最大;植被NDVI在0～38.9°范圍隨坡度增加呈階梯式增大,而坡度高于38.9°后則急劇減小。

(3)橫斷山區(qū)不同海拔、坡向和坡度的植被NDVI年際變化速率均大于0,但在海拔小于1 919 m、坡度小于3.8°的平地區(qū)域植被NDVI年際增加速率較小,顯著退化分布明顯;在海拔為1 919～3 162 m,坡度為3.8°～25.1°,坡向?yàn)槲鞅逼?、西坡和北坡的區(qū)域植被NDVI以穩(wěn)定和增加為主;在海拔為2 739～3 534 m、坡度為22.2°～28.0°、坡向?yàn)闁|坡和西坡的過渡區(qū)域,植被變化分布趨勢(shì)開始出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)和非優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)折,植被NDVI易出現(xiàn)波動(dòng),是今后生態(tài)治理需要著重注意和加強(qiáng)的區(qū)域;在海拔大于4 670 m、坡度大于16.5°、坡向?yàn)槠降氐膮^(qū)域MODIS植被監(jiān)測(cè)產(chǎn)品仍存在較多無效值,后期研究需注意。