2010～2022年贵阳市植被覆盖率变化趋势及驱动因子分析

朱剑 田野

（1.贵阳市测绘院，贵州 贵阳 550027；2.贵州省地质矿产勘察开发局，贵州 铜仁 554300）

1 引言

植被作为生态系统的重要组成部分，在水循环、能量转换、物质流动、碳存储等方面起着至关重要的作用[1-3]。贵阳市位于我国西南部地区，属亚热带（副热带）高原季风湿润气候区，雨量充沛、雨热同季，良好的自然环境造就了贵阳市丰富的生物资源，植物种类多达3000 余种。监测贵阳市植被动态变化有助于了解该区域生态环境变化、植被覆盖及土地利用变化情况，对维护贵阳市生态环境安全与可持续发展有重要意义。

利用遥感技术可以对植被动态变化进行监测，已成为快速获取植被历史及现状信息的重要手段，长时序遥感影像的对比性监测更能直接反映植被覆盖率空间分布以及时序变化特征。NDVI（归一化植被指数）是目前应用最广的植被指数之一，在植被长时序的时空变化监测分析方面得到了广泛应用[3,4]。但由于植被类型、气候等因素影响，不同区域内植被覆盖率时空变化也存在一定的差异，对不同区域内植被趋势变化规律及其对环境因子的驱动机制尚缺乏较为深入的研究。

本文基于2010～2022 年多期Landsat 数据计算贵阳市长时序植被覆盖率，采用Sen-MK 趋势分析法对贵阳市植被覆盖率变化进行逐像元分析；然后，结合年均降雨、年均温度数据，分析植被与环境因子变化的时空相关性，引入高程数据研究地形因素对植被覆盖率空间分布格局的影响，综合分析贵阳市植被覆盖率时空演变特征以及与自然因素变化的关联性。

2 数据与方法

2.1 研究区概况及数据

贵阳市为我国西南部地区重要的中心城市之一，截至2022 年统计信息显示，贵阳市土地总面积达804336.6 公顷，其中，城市/建制城镇用地仅有23959.26 公顷，占贵阳市土地总面积的3%；林地面积有339346.05 公顷，园地面积有11775 公顷，林地、园地共占比44%，生态用地资源丰富。此外，贵阳市境内流经10 千米以上的河流共有98 条，水资源丰富，适宜植被生长。

在综合分析贵阳市植被生长特点的基础上，研究选用的遥感影像主要为Landsat4-5、Landsat8，该数据空间分辨率为30 米，来源于地理空间数据云，经辐射定标、大气校正等处理后，可通过波段计算获取贵阳市NDVI 数据，进而计算贵阳市植被覆盖率，并收集贵阳市各年份土地利用数据辅助分析各地类NDVI 值分布情况。

研究主要选用地形数据（高程值）、年均降雨、年均温度等主要影响植被分布以及植被生长的自然因子作为贵阳市植被覆盖率变化驱动机制探究的主要驱动因子，其中，地形数据与土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn），同期气象数据来源于国家青藏高原科学数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供的中国1km 分辨率逐月平均气温数据集和中国1km 分辨率逐月降水量数据集。使用ArcGIS 10.2 对数据进行裁剪与栅格计算，得到2010～2022 年贵阳市1km 年均温度和年累计降水量数据集。

2.2 归一化植被指数（NDVI）

遥感影像具有宏观性、范围性监测能力，适宜完成对植被生长的动态变化监测。归一化植被指数（Normalized Digital Vegetation Index，NDVI）基于遥感影像的红光波段与近红外波段观测值计算得到，具体计算公式如式（1）所示，NDVI 能够很好地反映植被长势情况，是应用最为广泛的植被指数，常用于监测植被生长状态、植被覆盖度。本文以每年的植被生长期为时间节点，获取贵阳2010 年、2014 年、2018 年、2022 年Landsat 遥感影像数据，通过公式（1）计算贵阳市各年份NDVI 分布状况图。

公式（1）中，PNIR为Landsat 遥感数据的近红外波段反射率，PR为Landsat 遥感数据的红外波段反射率，NDVI为归一化植被指数。

2.3 植被覆盖率的计算

为了区分植被覆盖层、人工用地建设层，通过波段计算获取2010～2022 年每年植被生长期的NDVI 数据，综合2010 年、2014 年、2018 年、2022 年各年份的土地利用数据，利用统计法确定建设用地、裸地与植被覆盖层的最优阈值，划分裸地、建设用地与植被层，进而基于NDVI 数据完成植被覆盖度计算，具体计算公式如下：

本次研究中，NDVImin与NDVImax分别代表裸地（无植被覆盖区fv= 0）与完全植被覆盖区（fv= 1）的区域NDVI值。本文根据贵阳市2018 年土地利用数据，选择裸地区域NDVI最小值作为NDVImin，选择林区NDVI最大值作为NDVImax。NDVImin和NDVImax值分别为0.034、0.74，并通过公式（2）计算各时期贵阳市植被覆盖率。

2.4 趋势分析法

一元线性回归分析方法在一定程度上可消除特定年份极端气候的影响[2]，因此采用该方法建立年（i）与fvi之间的线性回归关系，用于研究不同时段草地fv的年际变化特征。公式如下：

公式（3）中，θslop为fv趋势斜率；i代表年份；fvi为第i年的fv；n为研究期。θslop＞0 表示fv呈增加趋势，θslop＜0 表示fv呈减小趋势。

2.5 植被覆盖率与环境因素的相关分析

地理探测器是探测和利用空间分异性的工具，包括因子探测器、交互探测器、风险探测器以及生态探测器四个模块。本文主要利用因子探测器、交互探测器分析驱动因子Xi对植被覆盖率变化的解释力[5]，用q值度量，计算公式如下：

公式中，h= 1，…，L为变量土地利用程度或驱动因子的分层；Nh和N分别为层h和研究区的单元数；；、δ2分别为h层和研究区植被覆盖率的方差和。W和T分别为层内方差之和（Within Sum of Squares）和全区总方差（Total Sum of Squares）。

3 结果与分析

3.1 贵阳市植被覆盖率的时空分布特征

为详细了解贵阳市植被覆盖率信息，本文基于Landsat 数据以及贵阳市2010～2022 年土地利用数据，结合公式（2）进行分析计算，获取贵阳市2010～2022 年植被覆盖率信息，并采用自然间断点法对植被覆盖率值进行分级显示，贵阳市2010～2022 年植被覆盖率时序空间分布如图1 所示。分析图1 可知：

图1 贵阳市2010～2022年植被覆盖率时空分布

（1）贵阳市整体植被覆盖率值在[0.03～0.9]范围，植被覆盖率较高，且高值区域占据贵阳市85%以上的面积 ；

（2）2010～2014 年间贵阳市植被覆盖率呈下降趋势，最大值由2010 年的0.91 下降至2014 年的0.81，且2014 年各等级植被覆盖率值明显低于2010 年；

（3） 2014～2022 年间，贵阳市植被覆盖率呈逐渐提升状态，2022 年植被覆盖率最大值略低于2010 年，但2022 年整体覆盖率呈明显提升现象。

3.2 植被覆盖率时序变化趋势分析

为了更直接地反映贵阳市各区域植被覆盖率时序演变趋势，本文采用Sen-MK 一元趋势分析法对贵阳市2010 年、2014 年、2018 年、2022 年四期植被覆盖率变化进行综合分析，以便对植被覆盖率年际演变特征进行研究。贵阳市2010～2022 年fv趋势变化与显著性分析如图2 所示。

图2 贵阳市2010～2022年 fv 趋势变化与显著性分析

分析图2 可知：

（1）贵阳市植被覆盖率年际变化存在正向提升以及负向减少两个状态，且θslop＞0 呈正向提升的区域占据总面积的59.8%，θslop＜0 即fv呈减少的区域仅占总面积的41.2%，该区域主要集中在城市或建制城镇等人类活动较为频繁的区域；

（2）fv年际θslop分布在-1.17～-0.17 范围的区域仅占贵阳市总面积的11.3%，而θslop分布在0.35～1.16范围增长迅速的区域占据贵阳市总面积的26.7%，表明贵阳市植被覆盖率整体呈上升趋势。

3.3 植被覆盖率时序变化驱动机制分析

前人研究表明植被覆盖度多受地形、气象等因素影响[6-8]，因此，为了更深入地研究分析贵阳市2010～2022 年植被覆盖率时序变化特征及其背后驱动机制，将贵阳市植被覆盖率作为因变量，将贵阳市2010 年、2014 年、2018 年、2022 年的年均温度、年均降雨值，以及贵阳市高程数据等自然因素数据作为影响因子，引入地理探测器的因子探测器、交互探测器两大驱动因子分析模块进行分析。

单因子贡献率分析结果如表1 所示，高程因子、年均降雨、年均温度对贵阳市植被覆盖率均有显著性影响，而且因子贡献率年均降雨＞年均温度＞高程。这说明区域自然因子对植被动态变化具有一定的影响力，其中对贵阳市植被覆盖率变化的影响以年均降雨与年均温度为主，两者对植被覆盖率变化的贡献度在80%以上，而高程因素对植被覆盖率变化的贡献率仅为0.274。

表1 单因子贡献率

交互探测器用于分析不同驱动因子Xi之间交互作用，以及对因变量贡献率的变化。即不同驱动因子X1、X2之间协同作用时，能够提升或减弱对因变量的解释能力。

因子交互贡献率分析结果如表2 所示，对比表1可以发现，单因子贡献率明显低于因子交互贡献率。年均降雨与年均温度的交互作用得到极大提升，由单一因子的0.45、0.41 提升至0.57；年均降雨与高程因子的交互作用贡献率达到0.50。由此可知，自然因素并不是独立影响贵阳市植被覆盖率变化，而是多因子协同作用于贵阳市植被覆盖率变化。

表2 各因子交互贡献率

4 结论

本文结合GIS 与RS 技术，基于Landsat 数据、土地利用数据，对贵阳市2010 年、2014 年、2018 年、2022 年植被覆盖率信息进行时序演变特征分析，得到以下结论：

（1）贵阳市整体植被覆盖率值在[0.03～0.9]，植被覆盖率高，生态环境良好。

（2）Sen-MK 趋势分析结果显示，2010～2022 年，贵阳市植被覆盖率有59.8%的区域呈上升趋势，仅有41.2%呈下降趋势，且下降区域为主要的人为生活区，表明人类活动对植被等生态用地具有一定的破坏性。

（3）采用地理探测器对贵阳市植被覆盖率进行驱动机制分析，可以发现，年均降雨、年均温度对植被具有较为显著的影响，贡献度达80%以上，而且因子交互作用对贵阳市植被覆盖率贡献度有所提升，表明自然因素并不是独立影响贵阳市植被覆盖率变化，而是多因子协同作用。但本文仅注重分析了自然因子对植被覆盖率变化的影响，由于未收集到GDP、路网数据等代表人文活动的因子，后续还需引入更多影响因素进行更为全面深入的研究。