基于地理探测器的宁夏植被覆盖度时空变化特征及其驱动因子分析

2022-09-02李梦华韩颖娟赵慧王云霞

生态环境学报 2022年7期

李梦华，韩颖娟 *，赵慧，王云霞

1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002

植被是陆地生态系统的重要组成部分，在土壤圈、水圈、大气圈和生物圈之间起着纽带作用（Meyer et al.，1992；Arora，2002；Suzuki et al.，2007；陈效逑等，2009），也在水土保持、防风固沙、水源涵养、气候调节、环境改善以及维持全球生态系统稳定及能量循环中发挥着不可替代的作用（Núnez et al.，2006；吕一河等，2015；韩春等，2019）。植被覆盖度是单位面积内植物地上部分在地面的垂直投影面积占统计总面积的比值（Gitelson et al.，2002），是反映地表植被群落生长态势的重要指标和描述生态系统的重要基础数据（赵明伟等，2019）。掌握植被覆盖度的时空变化规律并探讨其变化驱动力，对评价区域生态环境质量和维护生态平衡具有重要意义（祝聪等，2019）。

目前，获取植被覆盖度主要方法有地面测量法和遥感测量法（陈云浩等，2001；秦伟等 2006）。地面测量法能够获取观测点的准确数据，但空间代表性有限，用于大范围观测时费时费力（马娜等，2012；庞国伟等，2019；刘瑞瑶等，2022）。随着遥感技术的发展，研究者以植被光谱信息与地面测量数据之间的相关关系为基础，发展出了一系列遥感测量法，包括回归模型法、混合像元分解模型法和机器学习法（叶静芸，2017；赵燕红等，2021）。目前，遥感手段可以十分方便、快速和准确地提取植被覆盖信息及其动态变化，已成为长时间尺度和大空间范围监测地表植被覆盖信息时空分布和变化格局的主要手段（张喜旺等，2015）。

宁夏地处干旱半干旱地区，大部分地区干旱少雨，植被稀少，生态环境十分脆弱。因此，在全球气候变化和人类活动日益加剧的双重背景下，探讨宁夏植被覆盖度的时空变化特征，定量评估气候、地形地貌和人类活动等多方面因素对宁夏植被的影响，对科学评价宁夏生态治理工程效益和区域生态系统恢复及其可持续发展具有重要的理论和现实指导意义。近年来不少学者对宁夏植被进行了研究，如裴志方等（2018）研究得出2000—2016年宁夏植被覆盖整体向良好方向发展，呈现极低植被→低植被→中植被→高植被覆盖转移趋势；沙文生等（2020）基于TM遥感影像分析了2002—2016年宁夏草地植被覆盖度动态变化特征，发现宁夏地区草地覆盖度呈升高趋势；张元栋等（2017）采用相关系数法探讨了宁夏植被对降水的响应，认为植被生长季归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）平均值与降水的相关系数呈线性增加趋势；黄悦悦等（2019）从季节尺度上分析了植被NDVI与气象因子的关系，研究得出降水量和湿润指数是影响植被生长的主要因素；吴加敏等（2020）采用偏相关分析法，发现宁夏沿黄城市带植被覆盖度变化与气温具有较强的负相关性，与降水具有较强的正相关性；赵慧等（2021）研究发现NDVI与春季、夏季、年降水量相关性较显著，与平均气温相关性较弱。关于宁夏植被覆盖度变化的大多数研究主要集中于时空变化规律及其与降水、气温等自然因子的简单相关性分析，忽略了其他气候因素、地形地貌以及人类活动等因子对植被覆盖度的影响，且对于影响因素之间的协同作用研究较少。

地理探测器是探测空间分异性的方法，能有效探测其潜在影响因子，可以识别植被覆盖度空间分异的主要影响因子，并揭示不同因子之间的交互作用，可用于植被覆盖度影响因子的探测分析（张翀等，2021）。因此，基于MOD13Q1 NDVI数据，研究宁夏 2000—2020年植被覆盖度时空变化特征，运用地理探测器模型定量评估气候、地形地貌和人类活动等多因素对宁夏植被覆盖度空间分异的驱动作用，并研究不同因子之间的交互作用对其时空变化的影响，为区域生态环境的恢复与建设提供参考和依据。

1 研究区概况

宁夏地处中国西北内陆黄河上游地区，位于104°17′—109°39′E、35°14′—39°23′N。地形复杂，地势南高北低。气候类型多样，自北向南分布有干旱、半干旱和半湿润区，年降水量在 175—650 mm 之间，平均气温在1.5—9.9 ℃之间。植被类型丰富，自然植被自南端森林草原带，向北依次过渡为干草原带、荒漠草原带和荒漠植被带。

2 数据与方法

2.1 因子选择

宁夏地形复杂，气候、植被类型差异明显，20世纪 90年代中后期开始实施了一系列的生态治理工程，明显地改变了区域植被的分布格局与类型（杜灵通等，2015）。已有研究表明，坡度、海拔等地形地貌因子对植被覆盖影响显著（张思源等，2020；孟琪等，2021），年均温、年降水量、生长季均温、生长季降水、最高气温、最低气温、日照时数等影响水热条件的气候因子，是影响植被生长的重要因素（王倩等，2015；吴跃等，2020；高思琦等，2022）；人口密度、GDP、土地利用等人类活动因子同样具有一定的解释力（王静等，2020；张翀，2021）。综合考虑区域代表性、系统性与科学性，选取气候因素、地形地貌因素和人类活动因素共12个因子对宁夏植被覆盖度空间分布的影响进行探测（表1）。

表1 宁夏植被覆盖度影响因子Table 1 Influencing factors of fractional vegetation cover in Ningxia

2.2 数据来源及处理

本文采用的数据来源及预处理方法如表 2所示。在运行地理探测器模型时，需对各因子进行离散化处理，其中土地利用数据根据一级类别，进行离散化处理；其他因子均采用自然间断点分级法进行离散化处理。通过 ArcGIS的随机选点功能选取1000个随机点，提取植被覆盖度及其对应的探测因子数据，以植被覆盖度为变量，12个因子数据为变量进行探测。

表2 数据来源与预处理Table 2 Data source and data preprocessing

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

本研究基于像元二分模型对研究区植被覆盖度（FVC）进行计算（吴跃等，2020），利用 MOD13Q1 NDVI数据估算植被覆盖度的公式如下：

式中：

和——区域内 NDVI的最大和最小值。的取值范围为0—1，本文采用等间距分类法（聂桐等，2021），将FVC分为低植被覆盖区、中低植被覆盖区、中植被覆盖区、中高植被覆盖区和高植被覆盖区5类。

2.3.2 趋势分析法

基于一元线性回归模型对 2000—2020年间宁夏逐年植被覆盖度变化进行逐像元趋势分析（王伟等，2019），计算公式为：

式中：

——植被覆盖度变化趋势斜率；

——研究时段的年数；

——第年的FVC值。当为正值时，植被覆盖度呈增大趋势，反之呈下降趋势。

2.3.3 地理探测器

地理探测器是由王劲峰等（2017）提出的通过探测事件空间分层异质性以揭示其背后驱动因子的一种统计学方法，常用于空间分层异质性的影响因素与作用机制的研究。地理探测器主要包括因子探测器、交互作用探测器、风险探测器和生态探测器4个模块。本文主要应用地理探测器的因子探测器及交互作用探测器模块。

（1）因子探测器主要用来探测植被覆盖度的空间分层异质性和不同因子对植被覆盖度空间分异性的解释程度，其解释力大小用值衡量，根据值大小可看出各因子对植被覆盖度影响的大小，能够直观判断植被覆盖度的主导因子。值表达式为：

式中：

值——各因子对植被覆盖度的解释力，值域为[0, 1]，值越大表明空间分层异质性越强，因子对植被覆盖度的解释力也越强，地理探测器软件在生成值的同时会对进行显著性检验；

——自变量的分层，=1, 2, …,；

N和——层和全区的单元数；

——总体的方差；

——层内方差之和；

——区域总方差。

（2）交互作用探测器主要用于识别不同因子两两交互作用对植被覆盖度的影响。通过对比单因子值及交互作用值即可判断因子间交互影响类型，交互作用判据如表3所示。

表3 植被覆盖度影响因子交互作用类型Table 3 Interaction types of influencing factors of fractional vegetation cover

3 结果分析

3.1 植被覆盖度动态变化

3.1.1 植被覆盖度时间变化特征

通过分析 2000—2020年宁夏植被覆盖度变化趋势、逐年均值及各等级植被覆盖度面积占比可知，2000—2020年宁夏植被覆盖度变化趋势斜率（）在-0.056—0.048之间，其中 81.79%地区＞0（通过 0.05显著性检验），植被覆盖度呈增大趋势（图1）；2000—2020年宁夏植被覆盖度平均值亦呈增大趋势，其中 2018年平均植被覆盖度最大，达0.49；低植被覆盖区面积占比出现极显著减少，2020年减少至7%；中低植被覆盖区面积占比略有减少；中、中高、高植被覆盖区面积占比呈增加趋势，分别由 2000年的 10%、6%、1%增加至 2020年的22%、23%、8%（图2）。

图1 2000—2020年宁夏植被覆盖度变化趋势空间分布Figure 1 Spatial distribution of change trend of FVC in Ningxia from 2000 to 2020

图2 2000—2020年宁夏植被覆盖度变化Figure 2 Changes of fractional vegetation cover (FVC) in Ningxia from 2000 to 2020

3.1.2 植被覆盖度空间分布特征

从2000—2020年（间隔10 a及多年平均）宁夏植被覆盖度空间分布图中可知（图3），植被覆盖度高值区主要位于沿黄灌区和南部山区，中部干旱带植被覆盖度较小。2000年植被覆盖度最低，低、中低植被覆盖区面积占比较高；2010年中低、中植被覆盖区面积占比显著增加，主要表现为中部干旱带中低及中植被覆盖区增加，南部山区中植被覆盖区增加；2020年植被覆盖度最高，中部干旱带中植被覆盖区面积占比进一步增加，南部山区中高植被覆盖区明显增加。

图3 2000—2020年宁夏植被覆盖度分布Figure 3 Distribution of fractional vegetation cover in Ningxia from 2000 to 2020

3.2 探测因子影响力分析

3.2.1 植被覆盖度探测因子影响力

利用因子探测器分别探测2000、2005、2010、2015和2020年12个探测因子对宁夏植被覆盖度分布的影响。图4所示为5个年份植被覆盖度空间分析解释力值指标，结果表明，整体上气候因素作用大于人类活动因素，地形地貌因素中海拔的影响较大，坡度的影响较小；从因子影响力排序来看，对植被覆盖度影响较大的因子为年降水量、生长季均温、生长季降水量和海拔。

图4 2000—2020年探测因子q值变化Figure 4 Variation of q value of detection factors in 2000-2020

3.2.2 植被覆盖度探测因子时间变化

2000—2020年年降水量、生长季降水量、生长季均温、最高气温对植被覆盖度空间分异的影响力呈增加趋势，增幅分别为47.92%、56.73%、39.69%和88.36%；海拔的影响力不断减弱；坡度和土地利用影响力无明显变化。总体上，气候因素对宁夏植被覆盖度的影响越来越大，而地形地貌因素的影响减弱。

3.3 探测因子交互作用分析

利用交互探测器探测驱动因子之间影响植被覆盖度变化的相互关系（表4），研究发现，（1）地形地貌因子中，坡度与其他因子存在非线性增强作用；海拔与人口密度存在非线性增强作用，与其他因子存在双因子增强作用。（2）人类活动因子中，GDP与其他因子存在双因子增强作用；人口密度与土地利用、日照时数存在非线性增强作用，与其他因子存在双因子增强作用；土地利用与最低气温、生长季降水量存在双因子增强作用，与其他因子存在非线性增强作用。（3）气象因子中，气象因子之间交互作用呈现相互增强作用。

表4 因子交互作用探测Table 4 Factor interaction detection

各因子对宁夏植被覆盖度影响存在交互作用，因子之间交互作用呈现相互增强和非线性增强关系，不存在相互独立起作用的因子。其中，土地利用与生长季均温结合对宁夏植被覆盖度空间分布的影响力最大（=0.635）。地形地貌因子和人类活动因子在与气候因素相互作用之后，影响力有了很大幅度的提升。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 植被覆盖度动态变化

宁夏位于中国西北地区东部，地处黄河上游地区及沙漠与黄土高原的交界地带，地形复杂，气象、地形地貌和人类活动等因素共同作用，对区域内植被覆盖产生重要的影响。从时空变化来看，2000—2020年宁夏植被覆盖度呈增加趋势，中、中高植被区面积占比显著增加；随着城市扩张，2000—2020年有 1.91%地区植被覆盖度呈下降趋势；在空间上，宁夏南北区域植被覆盖高、中部较低。随着气候暖湿化和退耕还林、退牧还草、“三北”防护林、农田防护林、草原防护林、天然林保护工程等一系列生态建设工程实施，明显改善了区域植被覆盖情况（杜灵通等，2015；裴志方等，2018）。中部干旱带受降水等影响，植被覆盖度较低，需要继续加强生态工程建设；同时利用有利天气条件，及时开展人工增雨作业，为植被生长提供水分条件。

4.1.2 植被覆盖度的驱动机制

2000—2020年间，各年份探测出气候因素均为主导因素，其中年降水量、生长季均温、生长季降水量解释力均排名靠前，由此可见，降水是宁夏植被覆盖度空间分异的主要驱动力，这与前人的研究结果一致（黄悦悦等，2019；吴加敏等，2020；赵慧等，2021）。但各驱动因子值在时间维度上发生了较大变化，气候因素对宁夏植被覆盖度的影响越来越大，而地形地貌因素的影响减弱。其中气候因素中年降水量、生长季降水量、生长季均温、最高气温对植被覆盖度空间分异的影响力明显呈增大趋势，这是因为宁夏处于干旱半干旱区域，植被生长受气候因素限制，暖湿化有利于植被生长（叶培龙等，2020）。而随着生态建设工程的实施，森林草原景观格局趋于稳定，植被群落也相对稳定，海拔对植被覆盖空间分异影响力减弱。

4.1.3 不足与展望

本文对宁夏植被覆盖度空间分布的影响因素进行了探究，从气候因素、地形地貌因素及人类活动因素选取了多种影响因子来分析其对植被覆盖度空间分布的影响作用。选择的影响因子数量较少，特别是人类活动因素只选取了GDP、人口密度、土地利用3个因子，但人类活动对于植被覆盖的影响十分复杂，特别是随着生态建设及城市化的不断发展，如生态措施、人口迁移、农业政策等均会对植被覆盖造成一定影响。在接下来的研究中可以选取更多的影响因子，进一步深入探讨宁夏植被覆盖度变化的驱动因素。