2000-2021年新疆植被覆盖度变化及驱动力

2024-02-29蔡朝朝

水土保持研究 2024年1期

马楠, 白涛,2, 蔡朝朝,2

(1.新疆农业大学计算机与信息工程学院, 乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业信息化工程技术研究中心,乌鲁木齐 830052)

植被是陆地地表生态系统的重要组成部分,是保障大气、水分和土壤等其他生态要素紧密相连的关键基底[1]。气候因素、地表因素等环境因素对植被生长过程影响重大,其中,气温和降水等气候因素对植被影响最为直接[2]。因此,研究区域植被动态变化及其与环境因素的响应机制,科学认识植被覆盖的空间格局和变化特征,对了解区域环境质量演变、水土保持、生态环境保护具有重要的应用价值[3]。

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是反映植被生长状况的重要指标,在很大程度上展现区域植被覆盖动态变化过程,现已被广泛应用于区域植被的动态监测[4]。国内外诸多学者基于长时间序列的NDVI数据,在不同空间尺度下进行植被覆盖时空变化方面的研究,主要聚焦于区域尺度下NDVI动态变化趋势和与气候因子的响应机制。如张志强[5]、郭昆明等[6]研究了区域植被覆盖的时空变化与气候因子的关系,得出降水是影响植被覆盖变化的决定性因素的结论。庞家泰等[7]研究了渭河流域植被覆盖变化特征,结果表明降水、气温对植被覆盖度的相关性影响存在明显的地域特征。综上表明,气候因素是影响植被覆盖变化的重要原因。

新疆位于我国西北边陲,地处西部干旱区,地形地貌复杂,南北气候差异明显,生态系统较为脆弱[8]。随着经济高速发展,制约地区经济发展[9]的重要因素是脆弱的生态系统,因此,对新疆地区的植被覆盖趋势变化进行科学监测有益于新疆生态系统的恢复与发展。姜萍等[10]研究了新疆植被NDVI时空变化特征及其定量归因,结果表明土壤水分条件、径流系数和潜在蒸发量对新疆植被变化的影响最为直接。孙琪等[11]基于不同土地利用类型探讨了新疆植被水分利用效率的时空变化特征与气候因素的响应。崔灿等[12]研究了新疆荒漠植被的分布变化及驱动因素,结果表明影响荒漠植被演变的最主要因素是降水。综上可知,新疆植被覆盖变化不仅受到气候因素影响,还受到地表因素等其他环境因素的影响。

已有研究对新疆植被覆盖变化进行相关分析,然而不同植被类型下的植被生长状况、植被变化与地表因素的响应机制及其未来趋势演变还未做充分探讨。本文基于Google Earth Engine(GEE)平台,利用2000—2021年MODIS遥感影像数据,采用趋势分析、均值法、Hurst指数、偏相关性分析法等对研究区植被覆盖动态变化特征及其气候、地表因素的响应进行研究,以期为今后合理开发利用新疆地区植被资源提供参考依据。

1 研究区及数据处理

1.1 研究区概况

研究区位于中国西北部(73°40′—96°18′E,34°25′—48°10′N),全区面积166万km2,约占中国国土总面积的1/6。“三山夹两盆”是新疆区域内独特的地貌,“三山”自北向南依次是阿尔泰山、天山和昆仑山,“两盆”是南部的塔里木盆地和北部的准噶尔盆地,分别是中国第一、二大内陆盆地[13]。研究区内植被类型分为九大类,其中荒漠植被面积占比最大,达到52.63%,草原植被面积占比次之为15.68%,草甸植被面积占比13%,高山植被面积占比9.21%,栽培植被面积占比5.03%,针叶林面积占比2.63%,阔叶林面积占比0.85%,灌丛面积占比0.75%,沼泽植被占比最小,低至0.22%(图1)。

图1 研究区植被类型分布

1.2 数据来源及处理

NDVI数据由美国航空航天局NASA提供的MODIS植被指数产品MOD13A2(1 km分辨率16 d合成植被指数),数据的时间跨度为2000—2021年,基于GEE平台对遥感数据进行处理,主要包括数据集选择、研究区裁剪、时间跨度和波段选择、影像合成等。原始数据为TIF格式,新疆行政区划边界矢量数据和植被类型空间分布数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

ERA5是欧洲中期天气预报中心全球气候第五代大气再分析资料,其数据具有时间跨度长的优点[14],与其他气候再分析资料相比在新疆地区[15]具有更好的适用性。本文的气象因素和地表因素的数据来源于GEE平台提供的ERA5-Land Monthly Averaged-ECMWF Climate Reanalysis数据集,空间分辨率为11 132 m,时间分辨率为月,原始数据为TIF格式,选取的波段为降水(total_precipitation)、气温(temperature_2 m)、土壤湿度(volumetric_soil_water_layer_1)和径流(runoff)数据。

2 研究方法

2.1 均值法

均值法是估算植被覆盖指标的重要方法[16]。采用公式(1)将新疆生长季(4—10月)植被NDVI均值作为年均植被NDVI值,得到2000—2021年新疆植被年均NDVI,记作NDVIi,

(1)

式中:NDVIi表示第i年的植被NDVI年均值;NDVIij表示为第i年的第j月的植被NDVI值(i的取值范围为1～22,j的取值范围为1～7)。

2.2 趋势分析法

采用一元线性回归方法分析新疆地区2000—2021年植被生长季(4—10月)NDVI变化趋势。分析结果可以反映该地区NDVI随时间变化的特征,计算公式为:

(2)

式中:θslope为斜率,若为正数,则表明NDVI呈上升趋势,若为负数,则表明NDVI呈下降趋势;n代表参与回归方程的年数, NDVIi表示第i年的NDVI年均值。

2.3 Hurst指数

Hurst指数可描述未来短时间内变化趋势的可持续性,可以更好地分析年际变化特征。Hurst指数由英国水文专家Hurst提出,现已应用于地质、遥感和水文等领域[17]。本文采用重标极差分析法(R/S)[18]计算Hurst指数,分析研究区内未来短期的植被变化趋势,其基本原理由以下几部分组成

差分序列:

ΔNDVI=NDVIi-NDVIi-1

(3)

均值序列:

(4)

累计离差:

(5)

极差:

(6)

标准差:

(7)

式中:NDVIi为第i年的年均NDVI;n表示正整数,以任意正整数m定义该时间序列。Hurst指数值(H)总体处于[0,1],当0≤H<0.5时,表明时间序列具有反持续性,将来总体趋势和过去相反;当H=0.5时,表示时间序列处于独立状态,与过去趋势无关;当H>0.5时,表明时间序列具有持续性,且H值越接近1,持续性越强。

2.4 Theil-Sen Median趋势分析和Mann-Kendall统计检验方法

Theil-Sen Median趋势分析是一种稳健的非参数统计的趋势统计方法,该方法的优点在于不受异常值干扰,可减少离群数据和测量等造成的误差,在长时间序列趋势分析中广泛应用[19],计算公式为

(8)

式中:n分别代表气温、降水、土壤湿度和径流四要素;βn分别表示四要素的变化趋势;Xn,i和Xn,j表示第i年和第j年要素n的值,当βn>0时,表示要素n呈增加趋势,当βn<0时,表示要素n呈下降趋势。

Mann-Kendall属于非参数检验方法,该方法对数据分布要求低,受异常值影响较少[20],在生态趋势变化研究中广受好评。其计算公式为

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:Z为显著性统计量;var为方差函数;S为2000—2021年要素时序数据;m为年份间隔;sgn为符合函数。显著性水平α=0.05,则临界值为±1.96,当Z的绝对值大于1.65,1.96,2.58时,表示趋势分别通过了信度为90%,95%和99%的显著性检验,综上将显著性水平分为9个等级,极显著增加(β>0,2.580,1.960,1.650,Z≤1.65)、无变化(β>0,Z=0)、不显著减少(β<0,Z≤1.65)、微显著减少(β<0,1.65

2.5 偏相关分析法

多要素之间的关系很复杂,简单相关系数已不能真实反映某要素与另一要素的相关性。而偏相关系数可以暂时不考虑其他要素的影响,单独分析两要素之间的相关程度[21]。本研究采用逐像元偏相关分析法对气温、降水、土壤湿度、径流对新疆植被 NDVI变化的影响,计算公式[22]如下,

(13)

式中:r12,34,…,(p-1)是在控制要素3,要素4,…,要素p的条件下,要素1与要素2之间的偏相关系数。在本研究中,p表示最大要素个数为5(即指NDVI,气温,降水、土壤湿度和径流)。根据所计算的结果选取T检验对其显著性进行检验,置信区间统一设置为95%,将偏相关性的显著性水平分为两个等级,即显著正相关和显著负相关。

3 结果与分析

3.1 新疆植被覆盖的时间变化特征

3.1.1 年际变化本研究计算并统计了新疆地区全域和面积占比超过10%的植被类型(草原植被、荒漠植被和草甸植被)的22 a生长季NDVI年均值,年际曲线见图2。新疆全域NDVI年均值以0.001 4/a波动增长,变化范围在0.150～0.183,从整体来看年均NDVI总体偏低且呈波动增长趋势。其中,草甸植被的年际变化率与全域变化率相近,草原植被的年际变化率最低,年均值以0.000 94/a波动缓慢增长,这是由于受草原灌丛化[23]现象影响。在22年间,2007年、2013年和2017年所有植被类型均有显著增长波动,这与当年气温[24]与降水的波动有着密切关系。草甸植被较全域NDVI年均值偏高,最高可达0.218,草原植被较全域NDVI年均值差异不显著,荒漠植被NDVI年均值相较其他植被类型最低,主要归因于分布的地理位置与气候因素。

图2 新疆不同植被类型NDVI年均值年际变化

3.1.2 年内变化 2000—2021年新疆全域和面积占比超过10%的植被类型的NDVI年内变化(图3)。总体来看,变化趋势均呈倒U型,1—3月的月均NDVI值偏低呈缓慢增长趋势,随着气温上升4—7月的月均NDVI值呈增加趋势,在7月到达峰值,随着气温回落8—10月的月均NDVI值呈下降趋势,11—12月的月均NDVI值偏低呈缓慢降低趋势。全域NDVI月均值介于0.036～0.164,波动较为平缓;草甸植被的NDVI月均值波动最大,介于0.058～0.404,3—6月增长迅速,8—10月回落迅速;草原植被次之,NDVI月均值介于0.045～0.028,2—5月增长迅速,7—12月持续回落;荒漠植被波动最小且NDVI月均值偏低,归因于地理位置和水分条件。

图3 新疆不同植被类型NDVI年均值年内变化

3.2 新疆植被覆盖的空间分布特征

新疆地区2000—2021年生长季NDVI年均值的空间分布(图4)和NDVI年均值面积占比(表1)具有显著差异。从全域来看,NDVI年均值偏低且77.9%在0.1～0.3波动,由于新疆地区的特殊地貌,加之大西洋和北冰洋的气流致使西部地区的降水多于东部地区,植被覆盖在空间分布上出现西北部高,东南部低的特点。其中,荒漠植被NDVI年均值的91.62%在0～0.3波动,主要分布在阿勒泰中南部、塔城东部、昌吉回族自治州北部以及塔里木盆地周边;草甸植被NDVI年均的66.3%在0.3～1波动,主要分布在阿尔泰山脉周边和天山山脉周边以及塔城地区西北部,由于山脉雪水灌溉的植被NDVI值偏高;草原植被NDVI年均的54.35%在0～0.3波动,主要分布在哈密市中部、阿克苏地区北部、和田地区南部与巴音郭楞蒙古自治州的最北部与最南部。

表1 新疆不同植被类型的生长季NDVI年均值的取值范围及其面积占比

图4 新疆不同植被类型的2000-2021年生长季NDVI年均值分布

3.3 新疆植被覆盖趋势变化

为进一步分析新疆地区多年NDVI空间动态变化特征,通过逐项元计算其22年生长季的NDVI变化率slope值,参照已有研究[25]结合研究实际,将slope划分为严重退化(slope≤-0.03)、中度退化(-0.030.03),分析不同植被类型slope值的空间分布(图5)及其面积占比。

图5 新疆不同植被类型的2000-2021年生长季NDVI变化趋势分布

22年间新疆地区全域slope值在-0.036～0.052变化,其中slope值小于零的像元数占比为14.8%,slope值大于零的像元数占比为85.2%,新疆地区NDVI值总体呈上升趋势。荒漠植被、草甸植被和草原植被的变化趋势为基本不变的像元数占比均超过90%,退化趋势的像元数占比均未超过1%。其中,荒漠植被的轻微改善、中度改善和明显改善主要分布在阿勒泰地区、博乐市—精河县—乌苏市—克拉玛依市—沙湾县—昌吉回族自治州一带连线、伽师县—阿拉尔市—库车市—库尔勒市一带连线;草甸植被的轻微改善、中度改善和明显改善主要分布在天山山脉以南的英吉沙县、岳普湖县、伽师县、巴楚县、阿瓦提县北部、阿克苏市北部、库尔勒市和博湖县北部;草原植被的轻微改善、中度改善和明显改善占比极低。

3.4 新疆植被覆盖未来趋势变化

本研究针对22年间新疆地区NDVI持续性变化进行分析,新疆地区hurst指数平均值为0.44,hurst指数大于0.5的像元数占24.34%,小于0.5的像元数占75.66%,新疆植被变化的反向持续性强于正向持续性。为进一步探究新疆植被变化的未来趋势预测研究,本文结合植被覆盖变化趋势结果slope和Hurst指数分析结果,将未来趋势划分为以下4种情况:当slope>0且Hurst<0.5时,该研究区未来趋势表示为持续改善;当slope>0且Hurst<0.5时,该研究区未来趋势表示为改善到退化;当slope<0且Hurst>0.5时,该研究区未来趋势表示为持续退化;当slope<0且Hurst<0.5时,该研究区未来趋势表示为退化到改善。

新疆的植被覆盖未来趋势变化(图6)的主体为改善到退化,未来变化不容乐观,与陈国龙等[26]的研究结果保持一致。其中,荒漠植被持续改善的像元数占比20.94%,主要分布在北疆以及塔里木盆地周边依次向外递减,退化到改善像元数占比7.38%,主要分布在天山山脉以北以及塔里木盆地北部,持续退化趋势占比极低;草甸退化到改善的像元数占比19.99%,主要集中在阿尔泰山山脉、天山山脉周边,持续改善趋势像元数占比22.31%,主要分布在阿勒泰地区、巴音郭楞蒙古自治州中部—阿克苏地区中部—喀什地区中部连线;草原的退化到改善和持续改善趋势的像元数占比32.6%,主要分布在阿勒泰地区中部、塔城地区西北部、哈密市—昌吉回族自治州—巴音郭楞蒙古自治州北部—伊犁哈萨克自治州一带连线以及昆仑山山脉周边。

3.5 新疆植被覆盖变化驱动力分析

3.5.1 降水、气温、土壤湿度和径流趋势分析降水和气温是影响新疆植被覆盖变化的主要因素,但是在不考虑空间分异性的条件下,径流和土壤湿度[10]对新疆植被NDVI的影响远大于其他要素。基于此,本文选取了2000—2021年气温、降水、土壤湿度和径流的年际数据,借助MATLAB采用Theil-Sen Median方法逐像元对四要素的趋势进行分析,并结合Mann-Kendall方法对各要素的趋势变化进行显著性检验。总体来看(图7),气温的上升趋势占比96.12%,降水、土壤湿度和径流的主要趋势均为下降趋势,占比依次为66.08%,68.67%,66.32%,其中,气温和降水不存在无变化趋势,土壤湿度和径流无变化趋势占比极低,分别为0.45%和0.82%。从不同要素来看,气温的不显著上升趋势占比最高达75.05%,降水、土壤湿度和径流的不显著下降趋势都占主体,分别是57.1%,56.78%和55.92%。

图7 MK显著性检验趋势

3.5.2 降水、气温、土壤湿度和径流的偏相关分析基于降水、气温、土壤湿度和径流对22 a间生长季新疆地区植被年际NDVI的逐像元偏相关系数计算,通过T检验的显著性检验图(图8)如下。结果表明,研究区植被NDVI与气温的偏相关系数在-0.857～0.899波动,与降水的偏相关系数在-0.973～0.910波动,与土壤湿度的偏相关系数在-0.902～0.889波动,与径流的偏相关系数在-0.891～0.996波动,均空间分布差异显著。

图8 通过T检验的气温、降水、土壤湿度和径流显著性分级及分布

结合显著性检验结果来看,气温呈显著正相关的像元数占比为86.71%,主要分布在塔城地区南部—昌吉回族自治州—乌鲁木齐市—吐鲁番市连线、巴音郭楞蒙古自治州东南部,显著负相关占比偏低主要分布在新疆北部地区;降水呈显著正相关的像元数占比为59.69%,主要分布在北疆及喀什地区北部、且末县南部和若羌县东南部,显著负相关占比40.31%,主要分布在精河县—乌苏市—沙湾县—玛纳斯县—呼图壁县—昌吉市一带、鄯善县、哈密市及昆仑山山脉周边;土壤湿度呈显著正相关的像元数占比为57.72%,主要分布在阿尔泰山脉附近、塔城地区西北部、巴音郭勒蒙古自治州北部,显著负相关占比42.28%,主要分布在福海县南部、沙湾县北部、玛纳斯县北部、伊吾县、哈密市的伊州区及喀什地区北部;径流呈显著正相关的像元数占比为67.59%,主要分布在塔城地区南部、哈密市伊州区东部、若羌县与克孜勒苏柯尔克孜自治州,显著负相关占比32.41%,主要分布在和布克赛尔蒙古自治县、叶城县、麦盖提县和皮山县;综合来看,气温、降水、土壤湿度和径流显著正相关都占主体。

从植被类型来看(表2),各植被类型的NDVI年均值与气温、降水、土壤湿度呈显著负相关性的像元数占比均大于正相关性的像元数占比,除草甸植被外,荒漠植被、草原植被均与径流呈显著负相关性的像元数占比均大于正相关性的像元数占比,草甸植被反之。

表2 不同植被类型的NDVI与各影响因子显著相关性面积占比Table 2 Area proportion of significant correlation between NDVI of different vegetation types and each impact factor

其中,荒漠植被与径流、降水正相关显著,与土壤湿度、气温负相关显著;草甸植被与径流正相关显著,与气温、降水负相关显著;草原植被与土壤湿度正相关显著,与气温负相关显著。

4 讨论

新疆位于我国西北部,生态环境脆弱。植被覆盖变化是受气候、地表因素等因素共同作用的结果,其中,降水[27]和气温[28]对植被覆盖变化的显著影响已经得到了大量研究证明。由于土壤水分是植被耗水的直接来源,加之干旱区与半干旱区的植被对土壤湿度的敏感度更高,土壤湿度[29]对新疆植被变化具有显著影响。已有研究表明,径流[10]在不考虑空间的分异性时,对新疆植被NDVI的影响最大,这是由于径流可以为植被根部提供水分,这与水分是植被生长重要因素的事实一致。

已有研究显示,新疆地区处于干旱半干旱区,植被生长对降水量较为敏感[30],这与本文气温与植被相关性最高不一致,分析认为原因有三:一是新疆地区以荒漠植被为主,土壤水分难以长期保存,气温升高会加速植被表面蒸发[10],影响其生长发育,致使植被与降水相关性减弱;二是部分地区年平均降雨量高,过多的降雨致使持续低温天气、加之云量增加导致辐射量降低[31],植被的光合作用被抑制,使得植被与降水呈负相关 ;三是植被生长所需水分来源不仅只有大气降水,雪山融水、地下水、人为灌溉等都可为植被生长提供水分,新疆地区降水主要集中在高海拔地区,高海拔地区多为土壤湿度高蒸散发小的林地资源,故该区域降水对植被生长的影响减少。

本研究分析了2000—2021年新疆地区NDVI时空变化,并对影响因素进行了分析,但植被覆盖变化是多种因素共同作用的结果,本研究在影响因素的选择上具有局限性,未考虑气候因子的滞时效应、人为因素、土地利用变化等环境因素的影响,还需进行更加深入的讨论,提高研究的理论参考价值。