馬昊翔, 陳長(zhǎng)成, 宋英強(qiáng), 曄 沙, 胡月明,5

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 510642; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)地理信息工程研究所, 廣州 510642; 3.國(guó)土資源部 建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642;4.廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642; 5.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 西寧 810016)

草地是世界上分布最廣泛的植被類型之一，大約占據(jù)陸地面積20%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[1]。作為生物循環(huán)系統(tǒng)中的重要角色，草地為人類提供了重要的生態(tài)和社會(huì)服務(wù)，包括凈初級(jí)物質(zhì)生產(chǎn)、碳蓄積與碳匯、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持生物多樣性等功能[2]。然而，很多地區(qū)受全球氣候變化和人類活動(dòng)的干擾，尤其是對(duì)氣候變化敏感的高寒地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)呈現(xiàn)沙化退化趨勢(shì)，導(dǎo)致草地質(zhì)量衰退，生物多樣性降低，水土流失加劇，生產(chǎn)力和服務(wù)功能下降等負(fù)面影響，成為備受人類關(guān)注的環(huán)境生態(tài)問題之一[3-5]。近幾十年來，全球氣候持續(xù)變暖，人類活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大以及強(qiáng)度不斷加劇[6]，草地生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響下發(fā)生了顯著變化，其植被與兩者之間的關(guān)系研究成為各國(guó)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)和核心[7-10]。

植被覆蓋是監(jiān)測(cè)草地植被變化的敏感性指標(biāo)[11]，從一定程度上可以衡量草地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的狀況。利用植被指數(shù)等遙感模型獲取區(qū)域的植被信息，是目前定量監(jiān)測(cè)植被覆蓋變化的有效手段，其中增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)是在歸一化植被指數(shù)(NDVI)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，除了繼承歸一化植被指數(shù)(NDVI)的優(yōu)點(diǎn)，還改善了其高植被區(qū)飽和，大氣影響校正不徹底和土壤背景等問題[12]，提高了高生物區(qū)植被的敏感度，降低了土壤背景和大氣影響，對(duì)植被變化的監(jiān)測(cè)具有更高的靈敏性和優(yōu)越性，在草地退化監(jiān)測(cè)、草地資源定量分析等研究中應(yīng)用廣泛[13]。目前，EVI時(shí)間序列在草地植被變化的應(yīng)用研究有很多[14-16]，但主要集中在草地EVI與氣候因素的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)人類活動(dòng)影響的關(guān)注較少，且以定性描述分析為主，難以定量地區(qū)分氣候因素和人類活動(dòng)對(duì)草地植被變化的影響，從而限制了對(duì)草地植被覆蓋變化的正確認(rèn)識(shí)。

位于青藏高原東北部的青海省是我國(guó)高寒草地面積分布最廣泛的地區(qū)之一，也是中國(guó)五大牧區(qū)之一，生態(tài)脆弱性強(qiáng)，是氣候變化和人類活動(dòng)影響的敏感區(qū)域[17]，草地沙化退化現(xiàn)象明顯。因此，本文以青海省為研究區(qū)，提取2005—2014年增強(qiáng)型植被指數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，融合溫度和降水因素，運(yùn)用相關(guān)分析和殘差趨勢(shì)分析方法，分析青海省草地植被覆蓋時(shí)空變化特征，分離量化氣候因素和人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋變化的影響，為青海省草地植被恢復(fù)、生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于中國(guó)西北地區(qū)，青藏高原東北部，地理坐標(biāo)為89°35′—103°04′E，31°39′—39°19′N。全省東西長(zhǎng)約1 200 km，南北寬約800 km，面積72.23萬km2。青海地處亞歐大陸腹地，地勢(shì)西高東低，平均海拔在3 000 m以上，北部有祁連山，昆侖山系和阿尼瑪卿山橫貫中部，南部有唐古拉山，構(gòu)成青海地形地貌的基本骨架，其中分布河谷、盆地、高原和山地，形成祁連山地區(qū)、柴達(dá)木盆地和青南高原三大自然區(qū)域。境內(nèi)河流眾多，是黃河、長(zhǎng)江主要水系的發(fā)源地，素有“中華水塔”和“江河源頭”之稱。青海省氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶愿咴瓪夂?，特點(diǎn)以高寒干旱為主，多風(fēng)，日照長(zhǎng)，雨量少，平均溫度為-5～8.5℃，年均降水量為50～550 mm。

青海省草地資源豐富，是我國(guó)五大牧區(qū)之一，全省天然草地面積約4 053萬hm2，占全省土地面積的56%，居全國(guó)第4，其中可利用面積約占全省天然草地面積的87%。草地類型主要分為7類，包括溫性草原類、溫性荒漠類、高寒草原類、高寒草甸類、高寒荒漠類、低地草甸類、山地草甸類，其中高寒草甸類面積最大、分布最廣泛[18]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1) 本文中的EVI時(shí)間序列是采用了美國(guó)國(guó)家航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供16 d合成的MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)植被指數(shù)產(chǎn)品：MOD13Q1(MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250 m SIN Grid)，空間分辨率為250 m。獲取了研究區(qū)內(nèi)(地理范圍覆蓋全球正弦曲線投影系統(tǒng)中編號(hào)為h25v05和h26v05的兩個(gè)軌道數(shù)據(jù))2005—2014年共10 a的EVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，并利用MRT將覆蓋研究區(qū)的兩軌數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影和鑲嵌處理，投影轉(zhuǎn)換為Albers，像素大小為250 m×250 m，校正類型是最鄰近像元法。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過了一系列預(yù)處理來消除非植被的干擾。為了進(jìn)一步地消除云和大氣帶來的噪聲，本文進(jìn)行了低通濾波處理，剔除噪聲點(diǎn)，同時(shí)利用最大合成算法(maximum value composite,MVC)生成月最大EVI的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集。根據(jù)已有的研究[7]，由于非生長(zhǎng)季植被覆蓋度差，EVI數(shù)據(jù)易受到積雪和土壤反射等影響，因此選擇5—9月作為草地的生長(zhǎng)季，從5—9月的月最大EVI序列數(shù)據(jù)集中提取每一個(gè)像元的最大EVI值，構(gòu)建2005—2014年最大EVI的時(shí)間序列(記為EVImax)。

圖1 研究區(qū)位置及氣象站點(diǎn)分布

(2) 本文選取2005—2014年青海省區(qū)域內(nèi)37個(gè)氣象站點(diǎn)的月均溫和月降水氣象數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)國(guó)家氣象局和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。氣象數(shù)據(jù)與EVI植被指數(shù)同期，時(shí)間間隔單位為月。由于是在像元尺度上進(jìn)行分析，因此需根據(jù)37個(gè)氣象站點(diǎn)逐月的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)研究區(qū)的溫度和降水進(jìn)行空間插值，空間分辨率為250 m。溫度的插值采用基于經(jīng)緯度和DEM回歸[19]的方法進(jìn)行插值，得到生長(zhǎng)季(5—9月)平均溫度數(shù)據(jù)。降水的插值采用克里金插值，得到生長(zhǎng)季(5—9月)累積降水量數(shù)據(jù)。

(3) 土地利用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)采用土地利用變化遙感信息人機(jī)交互快速提取方法，解譯分辨率為100 m的青海省的Landsat 7 TM數(shù)字影像，得到青海省草地覆蓋數(shù)據(jù)。

(4) 青海省氣象分區(qū)數(shù)據(jù)是參考中國(guó)的主要?dú)夂蚍謪^(qū)[17]，將青海省劃分4個(gè)氣候區(qū)，分別為青南高原區(qū)、東部黃土高原區(qū)、環(huán)青海湖—祁連山區(qū)和柴達(dá)木盆地區(qū)。

2 研究方法

2.1 草地植被覆蓋度變化分析

本文首先利用2005年和2014年土地利用數(shù)據(jù)中的草地覆蓋數(shù)據(jù)作為掩膜提取青海省草地EVI像元。由于青海省植被數(shù)據(jù)存在不確定性，為了進(jìn)一步消除非植被因素、裸地、稀疏植被和常綠林等影響[7]，在土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文通過以下4個(gè)條件：(1) 2005年和2014年土地利用數(shù)據(jù)中土地利用類型均為草地的像元；(2) 生長(zhǎng)季(5—9月)EVI均值應(yīng)大于0.1；(3) 生長(zhǎng)季(5—9月)EVI最大值應(yīng)大于0.15；(4) EVI月最大值應(yīng)出現(xiàn)在7—9月，進(jìn)一步地篩選得到青海省生長(zhǎng)季草地EVI像元。

為了分析草地EVI逐年的空間變化規(guī)律和時(shí)空格局演變，本文利用青海省2005—2014年草地EVI數(shù)據(jù)集，采用回歸分析方法，在像元的基礎(chǔ)上以最小二乘法擬合草地EVI和年份的線性回歸系數(shù)，得到不同空間位置上植被綠度變化率，來反映草地EVI的變化方向和速率，其公式[20]為：

(1)

式中：GRC是植被綠度變化率，其反映了研究區(qū)草地植被覆蓋度的變化速率，n是監(jiān)測(cè)的時(shí)間序列長(zhǎng)度；n=10；i是年序號(hào)，取值范圍為1～10；MEVIi是第i年草地年最大EVI值。GRC為正，則說明草地EVI在10年間呈增加趨勢(shì)，反之則說明草地EVI在10年間呈降低趨勢(shì)；GRC的絕對(duì)值越大，說明草地EVI的變化幅度越大，反之說明草地EVI的變化幅度越小。

2.2 相關(guān)性分析

地理系統(tǒng)是一個(gè)多要素的復(fù)雜系統(tǒng)，一個(gè)要素的變化必然引起其他要素的變化，進(jìn)行地理要素之間的相關(guān)分析就是為了揭示地理系統(tǒng)中各要素之間相互關(guān)系的密切程度。在多要素的地理系統(tǒng)中，當(dāng)單獨(dú)研究?jī)蓚€(gè)要素之間的相互關(guān)系的密切程度時(shí)，可利用偏相關(guān)系數(shù)來測(cè)定，顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)；當(dāng)研究幾個(gè)要素同時(shí)與某一要素的相關(guān)關(guān)系的密切程度時(shí)，可利用復(fù)相關(guān)系數(shù)來測(cè)定，顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)[21]。草地EVI與平均溫度或累積降水量相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

草地EVI與平均溫度或累積降水量偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

T檢驗(yàn)計(jì)算公式為：

(5)

式中：ret,rer,rtr分別為草地EVI與溫度、草地EVI與降水、溫度與降水的單相關(guān)系數(shù)；ret·r為草地EVI與溫度的偏相關(guān)系數(shù)；rer·t為草地EVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)；r為偏相關(guān)系數(shù)；n為樣本數(shù)；m為自變量個(gè)數(shù)。

草地EVI與平均溫度和累積降水量復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

F檢驗(yàn)計(jì)算公式為：

(7)

式中：re·tr為草地EVI與平均溫度和累積降水量復(fù)相關(guān)系數(shù)；ret為草地EVI與溫度的單相關(guān)系數(shù)；rer·t為草地EVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)；r為復(fù)相關(guān)系數(shù)；n為樣本數(shù)；m為自變量個(gè)數(shù)。

2.3 基于EVI的殘差趨勢(shì)分析

殘差趨勢(shì)法是基于生態(tài)系統(tǒng)中凈初級(jí)生產(chǎn)力和氣候因素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析的。在長(zhǎng)時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)中，假設(shè)氣候變化是唯一的驅(qū)動(dòng)因素，采用基于像元的相關(guān)分析方法，檢測(cè)NDVI的殘差趨勢(shì)，從而剔除氣候因素的影響來分析人類活動(dòng)導(dǎo)致的植被覆蓋變化[22]。本文利用監(jiān)測(cè)植被變化能力更優(yōu)的EVI數(shù)據(jù)代替NDVI數(shù)據(jù)來進(jìn)行殘差趨勢(shì)分析，主要分為以下兩個(gè)步驟：

(1) 基于局部空間區(qū)域構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間序列EVI數(shù)據(jù)和氣候因素的回歸分析模型。本文采用平均氣溫和累積降水量?jī)蓚€(gè)氣候因素進(jìn)行回歸分析，即對(duì)每個(gè)像元建立EVI與氣溫和累積降水量的響應(yīng)關(guān)系，來模擬僅受氣候變化影響下每個(gè)像元的年EVI。但由于草地植被覆蓋數(shù)據(jù)存在空間非平穩(wěn)性，而且難以從歷史數(shù)據(jù)中獲取受人類活動(dòng)影響較小的樣點(diǎn)作為基準(zhǔn)，本文假設(shè)在一定局部空間范圍內(nèi)，植被、氣候、地形等自然條件是相似的，植被覆蓋度與氣溫和降水具有相同的響應(yīng)關(guān)系，該空間內(nèi)與氣溫和降水相關(guān)系數(shù)較高且生物量最大的像元可以看作是受人類活動(dòng)影響較小的樣點(diǎn)。因此，本文以每一個(gè)像元為中心設(shè)立5 km×5 km鄰域空間，即該鄰域空間內(nèi)植被、氣候、地形等自然條件是相似的，搜索該鄰域內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于0.7且EVImax最大的像元作為訓(xùn)練樣點(diǎn)，構(gòu)建2005—2014年氣候因素和年EVImax的回歸分析模型，分析氣溫和降水對(duì)EVI的綜合影響，模擬該區(qū)域僅受氣候變化影響下每個(gè)像元的年EVI，其公式如下：

(8)

(9)

(10)

將每個(gè)像元的殘差項(xiàng)按年序排列，以線性回歸擬合其年際變化趨勢(shì)，進(jìn)行人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋變化影響的趨勢(shì)分析，其公式如下：

ε=at+c

(11)

式中：ε為每個(gè)像元的EVI殘差項(xiàng)；a為擬合趨勢(shì)的斜率，如果a>0，則表明像元在去除氣候變化的影響下，人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋變化有正面的影響，如果a<0，則表明像元在去除氣候變化的影響下，人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋變化有負(fù)面的影響，如果a=0，則表明像元在去除氣候變化的影響下，人類活動(dòng)對(duì)草地植被覆蓋變化的影響較小。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海省生長(zhǎng)季草地EVI時(shí)空變化特征

3.1.1 青海省生長(zhǎng)季草地EVI時(shí)間變化特征 為了研究青海省生長(zhǎng)季草地植被覆蓋隨時(shí)間變化的特征，取2005—2014年EVI數(shù)據(jù)中草地EVI平均值，代表當(dāng)年的植被覆蓋狀況，得到10年間青海省不同區(qū)域生長(zhǎng)季草地EVI時(shí)序變化圖(圖2)。從圖2中可以看出，青海省草地EVI值為0.35～0.45，呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，年增長(zhǎng)速率為0.002 3，增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯(R2=0.3181，p>0.05)。

從不同氣候分區(qū)來看，生長(zhǎng)季草地EVI差異明顯，其中東部黃土高原區(qū)草地EVI平均值明顯高于其他地區(qū)，生長(zhǎng)季草地EVI平均值為0.441 2，說明東部黃土高原區(qū)草地植被覆蓋比其他地區(qū)要好；青南高原區(qū)和環(huán)湖及祁連山區(qū)生長(zhǎng)季草地EVI平均值比較接近，分別為0.409 3，0.381 4；柴達(dá)木盆地生長(zhǎng)季草地EVI平均值為0.246 5，是所有地區(qū)中最低的，說明總體上柴達(dá)木盆地是青海省草地植被覆蓋最低的地區(qū)。2005—2014年青南高原區(qū)、東部黃土高原區(qū)和柴達(dá)木盆地生長(zhǎng)季草地EVI均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，環(huán)湖和祁連山區(qū)草地EVI呈現(xiàn)退化趨勢(shì)。東部黃土高原區(qū)年變化速率為0.005 3，達(dá)到了0.01的顯著性水平，呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)；青南高原區(qū)、柴達(dá)木盆地年變化速率均為0.002 2，增加趨勢(shì)不明顯；環(huán)湖和祁連山區(qū)年變化速率為-0.001 4，退化趨勢(shì)不明顯。

圖22005-2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI變化趨勢(shì)

3.1.2 青海省生長(zhǎng)季草地EVI空間變化特征 盡管在年際變化上青海省生長(zhǎng)季草地EVI的變化趨勢(shì)不明顯，但卻存在明顯的空間差異。如圖3所示，青海省生長(zhǎng)季草地EVI的空間分布呈現(xiàn)東南部高，西北部低的分布特征。由東南至西北，平均EVI逐漸降低。其中青南高原區(qū)南部和東南部、環(huán)湖和祁連山區(qū)溫度較低，具有良好的降水條件，適合高寒草甸類、高寒草原類的植被生長(zhǎng)，具有較高的EVI值；東部黃土高原區(qū)多河谷，多盆地，氣候適宜，但由于城鎮(zhèn)密集，人口密度大，對(duì)草地植被的破壞較嚴(yán)重，因此EVI值較低；青南高原區(qū)北部和西部海拔較高，溫度較低，柴達(dá)木盆地夏季降水較少，蒸發(fā)量大，不利于草地植被的生長(zhǎng)，因此，這兩個(gè)區(qū)域的EVI值最低。

利用像元統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)10年間青海省EVI平均值進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：草地低植被覆蓋區(qū)(平均EVI值介于0.15～0.35)占草地總面積的40.38%；草地中植被覆蓋區(qū)(平均EVI值介于0.35～0.55)占草地總面積的42.61%，其中0.35～0.45的區(qū)域占20.93%，0.45～0.55的區(qū)域占21.68%；草地高植被覆蓋區(qū)(平均EVI值大于0.55)占17.01%，其中0.55～0.65的區(qū)域占13.46%，大于0.65的區(qū)域占3.55%。

由于草地EVI平均值只能反映草地植被覆蓋度的分布狀況，因此，根據(jù)公式(1)計(jì)算每一個(gè)像元10年來的植被綠度變化率，進(jìn)一步地分析青海省生長(zhǎng)季草地EVI的空間變化。根據(jù)草地植被變化趨勢(shì)的不同并參考自然斷裂法[23]，將研究區(qū)內(nèi)草地植被變化情況劃分為5種變化類型：明顯改善(Ⅰ級(jí)，GRC≥0.005)；輕微改善(Ⅱ級(jí)，0.002

圖32005-2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI均值空間分布

圖4 2005-2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI綠度變化程度表1 2005-2014年青海省草地EVI均值變化類型

3.2 青海省生長(zhǎng)季草地EVI對(duì)氣候變化的響應(yīng)關(guān)系

3.2.1 生長(zhǎng)季草地EVI與氣候因子的偏相關(guān)性分析 溫度和降水是青海省草地生長(zhǎng)的主要限制因子，對(duì)草地植被覆蓋的空間分布起著決定性的作用。通過計(jì)算2005—2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI與同期的平均溫度和累積降水量的復(fù)相關(guān)系數(shù)可知，其相關(guān)系數(shù)為0.738，通過p<0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明青海省生長(zhǎng)季草地EVI與溫度和降水密切相關(guān)。

為了進(jìn)一步分析溫度和降水對(duì)生長(zhǎng)季草地EVI影響的空間分布，本文采用偏相關(guān)分析方法逐像元的計(jì)算平均溫度和累積降水量與草地EVI的偏相關(guān)系數(shù)，得到結(jié)果如圖5所示，可以看出青海省生長(zhǎng)季草地EVI與平均溫度和累積降水量的關(guān)系是正相關(guān)和負(fù)相關(guān)并存。利用ArcGIS 10.2軟件對(duì)區(qū)域內(nèi)的像元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到生長(zhǎng)季草地EVI與平均溫度的偏相關(guān)系數(shù)為-0.881 3～0.891 7，生長(zhǎng)季EVI與累積降水量的偏相關(guān)系數(shù)為-0.882 4～0.883 0，空間差異明顯。同時(shí)計(jì)算得到生長(zhǎng)季草地EVI與平均溫度、累積降水量的平均偏相關(guān)系數(shù)分別為0.271 0，0.137 3，表明總體上生長(zhǎng)季草地EVI與平均溫度和累積降水量都呈正相關(guān)關(guān)系。

研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)季草地EVI與平均溫度呈正相關(guān)關(guān)系的占全區(qū)的72.02%，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的占27.98%；與溫度呈正相關(guān)關(guān)系的主要分布在青南高原區(qū)，環(huán)湖和祁連山區(qū)，其中31.34%的像元通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，集中分布在青南高原西部、扎陵湖和鄂陵湖環(huán)湖區(qū)域、阿尼瑪卿山東西側(cè)、茶卡—共和盆地西部和祁連山區(qū)北部，說明這些地區(qū)的草地EVI隨著溫度的升高而增大。這些地區(qū)屬于青海省典型的高寒區(qū)和山地區(qū)，海拔較高，平均海拔在4 500 m以上，溫度較低，平均溫度在-2℃以下，降水較為充沛，主要的草地植被類型為高寒草甸類和高寒草原類，對(duì)溫度的敏感性較高。當(dāng)溫度升高，有利于凍土層的融化，促進(jìn)草地植被的光合作用，有利于草地的生長(zhǎng)。因此，在這些地區(qū)，熱量是草地生長(zhǎng)的主要限制因子，溫度與生長(zhǎng)季草地EVI呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。而與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的主要分布在柴達(dá)木盆地和東部黃土高原區(qū)，其中7.15%的像元通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，集中分布在柴達(dá)木盆地東部、茶卡—鹽湖環(huán)湖區(qū)域、沙珠玉河流域和河湟谷地，說明這些地區(qū)的草地生長(zhǎng)隨著溫度的增加而退化。這是由于這些地區(qū)海拔較低，平均溫度較高，降水相對(duì)稀少，主要的草地類型為溫性草原類，當(dāng)溫度升高會(huì)使地表蒸發(fā)量進(jìn)一步增加，加劇該地區(qū)水分的缺乏，從而抑制草地的生長(zhǎng)。

研究區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)季草地EVI與累積降水量呈正相關(guān)關(guān)系的占全區(qū)的60.38%，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的占39.62%。與降水呈正相關(guān)關(guān)系的主要分布在青南高原區(qū)、柴達(dá)木盆地和青海湖環(huán)湖區(qū)域，其中24.67%的像元通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，集中分布在青南高原西部和北部，柴達(dá)木盆地東北部、青海湖西側(cè)和沙珠玉河流域，說明這些地區(qū)降水與草地EVI呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，降水是草地生長(zhǎng)主要限制性因素，原因是這些地區(qū)降水量相對(duì)高山區(qū)和北部高寒區(qū)較少，平均溫度較高，蒸發(fā)量比較大，對(duì)降水的敏感性較高。與降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的主要分布在環(huán)湖和祁連山區(qū)、青南高原區(qū)東北部，其中11.55%的像元通過顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)，集中分布在阿尼瑪卿山區(qū)和祁連山區(qū)，說明這些地區(qū)降水與草地EVI呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，降水越多反而導(dǎo)致草地的退化。這可能是因?yàn)檫@些地區(qū)屬于降水較為充沛的高寒山地區(qū)，降水量增多，云量增加，會(huì)導(dǎo)致太陽輻射減少，草地植被的光合作用減弱，導(dǎo)致草地生長(zhǎng)受到制約。

圖5 2005-2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水偏相關(guān)系數(shù)

3.2.2 不同變化類型生長(zhǎng)季草地EVI與氣候因子的驅(qū)動(dòng)關(guān)系 由于青海省生長(zhǎng)季草地EVI與氣候因素的相關(guān)性存在明顯的空間差異，因此本文進(jìn)一步地探討不同草地植被變化類型下草地EVI與氣候因素的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

柴達(dá)木盆地研究結(jié)果表明，基本不變區(qū)域(Ⅲ級(jí))和輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與降水的偏相關(guān)和與溫度、降水的復(fù)相關(guān)顯著，與溫度的偏相關(guān)不顯著，主要受溫度和降水共同驅(qū)動(dòng)影響，降水的影響比較大；輕微改善區(qū)域(Ⅱ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的復(fù)相關(guān)顯著，主要受溫度和降水共同驅(qū)動(dòng)影響；明顯退化區(qū)域(Ⅴ級(jí))和明顯改善區(qū)域(Ⅰ級(jí))與溫度、降水的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)均不顯著，說明氣候因素并不是主要的驅(qū)動(dòng)因素。

東部黃土高原區(qū)研究結(jié)果表明，基本不變區(qū)域(Ⅲ級(jí))和輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與降水偏相關(guān)顯著，與溫度的偏相關(guān)和與溫度、降水的復(fù)相關(guān)不明顯，主要受降水驅(qū)動(dòng)；明顯改善(Ⅰ級(jí))、明顯退化(Ⅴ級(jí))和輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)均不明顯，說明這些區(qū)域主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)。

環(huán)湖和祁連山區(qū)研究結(jié)果表明，明顯改善(Ⅰ級(jí))和輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的復(fù)相關(guān)顯著，主要受溫度、降水驅(qū)動(dòng)，其中明顯改善區(qū)域(Ⅰ級(jí))和輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))與降水的偏相關(guān)明顯，受降水的影響較大；基本不變區(qū)域(Ⅲ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度偏相關(guān)顯著，與降水偏相關(guān)和與溫度、降水的復(fù)相關(guān)不明顯，主要受溫度驅(qū)動(dòng)；輕微改善區(qū)域(Ⅱ級(jí))和明顯退化區(qū)域(Ⅴ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)均不明顯，說明該區(qū)域主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)。

青南高原區(qū)研究結(jié)果表明，基本不變區(qū)域(Ⅲ級(jí))和輕微改善區(qū)域(Ⅱ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的復(fù)相關(guān)顯著，說明這些區(qū)域主要受溫度、降水驅(qū)動(dòng)；輕微退化區(qū)域(Ⅳ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度偏相關(guān)顯著，與降水和與溫度、降水的復(fù)相關(guān)不明顯，說明該區(qū)域主要受氣溫驅(qū)動(dòng)；明顯改善區(qū)域(Ⅰ級(jí))和明顯退化區(qū)域(Ⅴ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的偏相關(guān)和復(fù)相關(guān)均不明顯，說明這些區(qū)域主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)。

值得注意的是，明顯改善(Ⅰ級(jí))和明顯退化區(qū)域(Ⅴ級(jí))生長(zhǎng)季草地EVI均值基本上與溫度、降水的相關(guān)性均不顯著，可能的解釋是這些區(qū)域主要是人類活動(dòng)比較大的城市區(qū)和畜牧區(qū)，除了氣候因素對(duì)草地生長(zhǎng)的影響之外，人類活動(dòng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)也比較劇烈。因此為了進(jìn)一步探討人類活動(dòng)對(duì)草地植被生長(zhǎng)的影響，利用殘差趨勢(shì)法分析去除氣候變化的人類活動(dòng)對(duì)草地植被生長(zhǎng)影響的空間分布。

3.3 青海省生長(zhǎng)季草地EVI與人類活動(dòng)的關(guān)系

本文基于局部回歸的殘差趨勢(shì)法計(jì)算反映人類活動(dòng)的殘差趨勢(shì)序列，得到2005—2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI的殘差趨勢(shì)圖(圖6)。殘差趨勢(shì)絕對(duì)值越大表明該區(qū)域草地生長(zhǎng)受人類活動(dòng)的干擾影響越大，其中人類活動(dòng)對(duì)草地生長(zhǎng)的影響主要有兩種表現(xiàn)形式：一是殘差趨勢(shì)值為正且越大，表明人類活動(dòng)對(duì)草地生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用(如生態(tài)工程等)，二是殘差趨勢(shì)值為負(fù)且越小，表明人類活動(dòng)對(duì)草地生長(zhǎng)具有破壞作用(如放牧、城市擴(kuò)張和采礦等)；殘差趨勢(shì)絕對(duì)值越小表明該區(qū)域草地生長(zhǎng)受人類活動(dòng)的干擾影響較小。

2005—2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI年平均殘差趨勢(shì)為0.005 7,表明人類活動(dòng)對(duì)青海省草地植被生長(zhǎng)呈正影響。從圖6中可以看出殘差趨勢(shì)絕對(duì)值大的區(qū)域集中在人口活動(dòng)強(qiáng)度比較大的城鎮(zhèn)區(qū)和放牧區(qū)。殘差趨勢(shì)呈顯著增加的集中分布在青南高原區(qū)西南部、扎陵湖—鄂陵湖區(qū)域、海南洲和東部黃土高原區(qū)的河湟谷地區(qū)域，表明該區(qū)域草地植被生長(zhǎng)不能僅僅用溫度和降水的變化解釋，很大程度上還受人類活動(dòng)的影響，且人類活動(dòng)對(duì)草地植被生長(zhǎng)起了促進(jìn)作用。殘差趨勢(shì)呈顯著減少的集中分布在雜多縣和治多縣交界處、囊謙縣、稱多縣、瑪多縣南部、阿尼瑪卿山兩側(cè)區(qū)域、班碼縣、久治縣和青海湖區(qū)域，表明這些區(qū)域的草地EVI持續(xù)減少，草地正面臨退化的風(fēng)險(xiǎn)，且主要是由人類活動(dòng)引起的。

圖7反映了不同變化類型下人類活動(dòng)對(duì)草地EVI變化的影響差異，圖中可知隨著草地退化程度的降低或草地改善程度的增加，草地EVI殘差趨勢(shì)值呈顯著降低或顯著增加的趨勢(shì)。明顯退化區(qū)域草地EVI殘差趨勢(shì)值基本小于0且差異明顯，說明在明顯退化區(qū)域(Ⅴ級(jí))，人類活動(dòng)對(duì)草地生長(zhǎng)起著主要的破壞作用；同樣的，明顯改善區(qū)域草地EVI殘差趨勢(shì)值基本在0以上且差異明顯，說明在明顯改善區(qū)域(Ⅰ級(jí))，人類活動(dòng)對(duì)草地生長(zhǎng)起著主要的促進(jìn)作用。此外通過比較圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn)，青海省生長(zhǎng)季草地EVI的變化趨勢(shì)和人類活動(dòng)的殘差趨勢(shì)在空間分布上十分相似，再通過表2的結(jié)果表明，明顯退化和明顯改善區(qū)域的生長(zhǎng)季草地EVI與溫度、降水的相關(guān)性均不明顯，說明草地生長(zhǎng)變化除了響應(yīng)氣候變化之外，很大程度上是受人類活動(dòng)的影響，尤其是在草地植被明顯變化的區(qū)域，人類活動(dòng)是影響草地植被覆蓋變化的主要限制因素。

表2 不同變化類型生長(zhǎng)季草地EVI均值與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)及復(fù)相關(guān)系數(shù)

注：*表示通過0.05的置信度檢驗(yàn)；**表示通過0.01的置信度檢驗(yàn)。

圖6 2005-2014年青海省生長(zhǎng)季草地EVI殘差變化趨勢(shì)

圖7 草地植被不同變化類型的殘差變化趨勢(shì)

4 討論與結(jié)論

(1) 2005—2014年青海省草地植被整體呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，生長(zhǎng)季草地EVI的年增長(zhǎng)速率為0.002 3，其中東部黃土高原區(qū)整體呈顯著增加趨勢(shì)，青南高原區(qū)、柴達(dá)木盆地整體呈增加趨勢(shì)，環(huán)湖和祁連山區(qū)整體呈退化趨勢(shì)。青海省草地EVI呈東南部高，西北部低的分布特征，草地植被改善區(qū)域集中分布在青南高原區(qū)西部、海南洲和東部黃土高原區(qū)的河湟谷地、扎陵湖和鄂陵湖環(huán)湖區(qū)域，祁連山區(qū)北部，草地植被退化區(qū)域集中分布在阿尼瑪卿山兩側(cè)、青海湖盆地區(qū)域、瑪多縣和稱多縣。

(2) 青海省生長(zhǎng)季草地EVI與溫度和降水密切相關(guān)，總體上與平均溫度和累積降水量均呈正偏相關(guān)關(guān)系，31.34%的像元與溫度呈顯著正相關(guān)，集中分布在青南高原西部、扎陵湖和鄂陵湖環(huán)湖區(qū)域、阿尼瑪卿山東西側(cè)、茶卡—共和盆地西部和祁連山區(qū)北部；24.67%的像元與降水呈顯著正相關(guān)，集中分布在青南高原西北部、柴達(dá)木盆地東北部、青海湖西側(cè)和沙珠玉河流域。因此，溫度和降水在一定程度上是草地植被生長(zhǎng)的主要限制因素，且對(duì)于高寒地區(qū)的青海省來說，溫度與EVI的關(guān)系更為密切。

(3) 青海省草地植被變化主要是氣候變化與人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。柴達(dá)木盆地(Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)區(qū)域)。環(huán)湖和祁連山區(qū)(Ⅰ級(jí)和Ⅳ級(jí)區(qū)域)、青南高原區(qū)(Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)區(qū)域)主要受氣溫和降水驅(qū)動(dòng)；東部黃土高原區(qū)(Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)區(qū)域)主要受降水驅(qū)動(dòng)；環(huán)湖和祁連山區(qū)(Ⅲ級(jí)區(qū)域)、青南高原區(qū)(Ⅳ級(jí)區(qū)域)主要受氣溫驅(qū)動(dòng)；其他區(qū)域主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)，人類擾動(dòng)對(duì)這些區(qū)域的草地植被覆蓋變化影響較大。人類活動(dòng)對(duì)青海省草地植被的生長(zhǎng)總體呈正影響，其中起著促進(jìn)作用的區(qū)域集中分布在青南高原區(qū)西南部、扎陵湖—鄂陵湖區(qū)域、海南洲和東部黃土高原區(qū)的河湟谷地區(qū)域，起著破壞作用的集中分布在雜多縣和治多縣交界處、囊謙縣、稱多縣、瑪多縣南部、阿尼瑪卿山兩側(cè)區(qū)域、班碼縣、久治縣和青海湖區(qū)域。在草地植被明顯變化的區(qū)域，人類活動(dòng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和破壞起著主導(dǎo)作用。

青海省草地植被覆蓋變化是氣候和人類活動(dòng)等因素共同耦合作用的結(jié)果。本文雖量化了人類活動(dòng)對(duì)草地植被變化的影響，但僅把人類活動(dòng)作為一個(gè)影響因子來考慮。而事實(shí)上，人類活動(dòng)也是一個(gè)多因素共同影響的整體，在多因素影響下，其對(duì)草地植被變化存在建設(shè)和破壞兩種不同的效應(yīng)。一方面是建設(shè)效應(yīng)[24]，如在青南高原區(qū)西部、扎陵湖—鄂陵湖區(qū)域，自2005年以來，國(guó)家批準(zhǔn)啟動(dòng)三江源自然生態(tài)保護(hù)和建設(shè)，建立了索加—曲麻河保護(hù)區(qū)和扎陵湖—鄂陵湖保護(hù)區(qū)，實(shí)施了退耕退牧還草、生態(tài)移民等多項(xiàng)重大工程，有效地改善草地的植被覆蓋狀況。另一方面是破壞效應(yīng)[25-26]，如在稱多縣、瑪多縣、阿尼瑪卿山區(qū)域，海拔比較高，地形較為復(fù)雜，不利用生態(tài)工程建設(shè)的實(shí)施，人類的活動(dòng)方式主要以放牧為主，超載放牧導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化；在青海湖區(qū)域，近年來環(huán)湖旅游資源和礦產(chǎn)資源得到有效的開發(fā)，但同時(shí)也給青海湖環(huán)湖區(qū)域的草地生態(tài)環(huán)境帶來了很大壓力。因此，在更小尺度上進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究，進(jìn)一步細(xì)化反映人類活動(dòng)的影響因素，量化各人為因素對(duì)青海省草地植被變化的相對(duì)影響仍有待深入地分析和探討。