肖建勇,王世杰,,白曉永,,*,周德全,田義超,李 琴,吳路華,錢(qián)慶歡,,陳 飛,,曾 成,

1 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所,環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550081 2 貴州師范大學(xué),地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng) 550000 3 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州省科技廳普定喀斯特研究綜合試驗(yàn)站,安順 562100

植被是連接大氣、水體和土壤的紐帶,也是陸地地表生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分[1-3]。揭示植被覆蓋的時(shí)空變化特征,并定量分析其變化與地理及氣候等因子的相關(guān)性,對(duì)于深入研究植被與氣候變化以及人類(lèi)活動(dòng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)、揭示區(qū)域環(huán)境狀況的演化過(guò)程并預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義[4-6]。

遙感數(shù)據(jù)已被越來(lái)越多地用于生態(tài)研究[7-10],NDVI是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的表征植被覆蓋的參數(shù)。通過(guò)NDVI的發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)可以反應(yīng)植被覆蓋度的變化,生產(chǎn)力和健康狀況[11-16]。Myneni和Tucker分別分析了1981—1991年和1981—1999年的NDVI變化,發(fā)現(xiàn)北半球植被活動(dòng)呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì),中緯度地區(qū)尤為明顯,并認(rèn)為該增強(qiáng)趨勢(shì)是因?yàn)闅夂蜃兣痆4,17]。方精云等利用NOAA-NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析中國(guó)植被情況,得出1982—1999年植被活動(dòng)在增強(qiáng)[18]；傅伯杰等采用FVC分析了2000—2010年中國(guó)植被覆蓋的變化,發(fā)現(xiàn)中國(guó)經(jīng)歷了植被改善和退化,具有很大的空間異質(zhì)性[19]。Tong等分析2001—2013年植被覆蓋的變化,發(fā)現(xiàn)中國(guó)國(guó)家和地方政府實(shí)施了一系列生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目使植被覆蓋得到了恢復(fù)[20]。馬士彬等以SPOT-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合植被類(lèi)型、氣象和石漠化數(shù)據(jù),分析了貴州省喀斯特區(qū)域植被變化及驅(qū)動(dòng)因素,認(rèn)為從宏觀角度分析植被變化與氣候變化的關(guān)系時(shí),必須權(quán)衡人為作用和氣候變化對(duì)植被變化的影響[21-22]。

以往研究普遍關(guān)注于植被整體的變化趨勢(shì)；大多數(shù)研究基于GIMMS,SPOT等低空間分辨率影像數(shù)據(jù)[23]；針對(duì)不同土地覆被類(lèi)型,不同海拔高度分析了植被覆蓋的特征；然而,不同的在地質(zhì)背景區(qū),土層厚度及風(fēng)化殼持水性等方面都存在顯著差異,這些差異制約著區(qū)域水土資源的空間配置和養(yǎng)分的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程,進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)[24-25]；同時(shí),在關(guān)于對(duì)植被時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)力因子的研究上,大量的學(xué)者只關(guān)注于海拔,降雨,溫度等自然因子對(duì)植被分布的影響[26-29]；在人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋空間分布的研究相對(duì)粗淺；然而,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋也有著顯著的影響[30-31]。中國(guó)南方是世界三大喀斯特集中連片分布區(qū)之一,喀斯特是中國(guó)南方乃至全球不可忽視的重要組成部分；空間上普遍存在著地質(zhì)背景的差異[32-34]；近些年來(lái),國(guó)家及地方政府開(kāi)展了許多生態(tài)環(huán)境修復(fù),治理工程[20]；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被的影響不容忽視,開(kāi)展植被覆蓋的研究對(duì)中國(guó)南方生態(tài)環(huán)境恢復(fù)情況評(píng)估具有重要意義。

鑒于此,本文以中國(guó)南方喀斯特關(guān)鍵帶區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于 MODIS-NDVI 250m分辨率的遙感數(shù)據(jù),揭示2000—2016年NDVI時(shí)空演變規(guī)律,分析不同地質(zhì)背景,多種土地覆被類(lèi)型NDVI的差異；采用趨勢(shì)分析法分析不同土地覆被的植被變化趨勢(shì),采用Hurst指數(shù)分析持續(xù)性；采用地理探測(cè)器定量分析地形(海拔,坡向,坡度),氣候(溫度,降雨,日照)等自然因子,燈光指數(shù)等人類(lèi)活動(dòng)因子對(duì)植被空間分布的影響；采用相關(guān)分析法,分析氣候變化對(duì)植被的驅(qū)動(dòng)。本文可為研究區(qū)喀斯特區(qū)域的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)

本文以中國(guó)南方喀斯特關(guān)鍵帶為研究區(qū),在行政區(qū)上包含云南省、貴州省、四川省、重慶市、湖北省、湖南省、廣西區(qū)、廣東省共八個(gè)省市區(qū)(97°21′—117°19′E,20°13′—34°19′N(xiāo)),總面積193.82萬(wàn)km2。該區(qū)地跨中國(guó)地貌的三級(jí)階梯,地勢(shì)西高東低,包含川西高原、云貴高原、橫斷山脈、四川盆地、洞庭湖平原、兩廣丘陵等多個(gè)一級(jí)地貌單元,地貌條件復(fù)雜。同時(shí)是世界三大喀斯特集中連片分布區(qū)之一,喀斯特區(qū)域占區(qū)域總面積的27.36%(圖1)。氣候兼具低緯氣候、季風(fēng)氣候、山原氣候的特點(diǎn),各地年平均氣溫在-1—25℃之間,年日照數(shù)在900—2600h之間,年降水量500—2500mm之間,自然環(huán)境類(lèi)型多樣,植被主要有針葉混交林,耕地植被,灌叢,高原草甸等。研究區(qū)存在普遍的土壤侵蝕,石漠化等生態(tài)問(wèn)題。

圖1 研究區(qū)地形圖、喀斯特及氣象站點(diǎn)分布圖、土地覆蓋類(lèi)型圖Fig.1 Topography,lithology and land use of the study area

1.2 數(shù)據(jù)及來(lái)源

本文中NDVI數(shù)據(jù)源于美國(guó)宇航局(NASA)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1。該數(shù)據(jù)基于最大值合成法,為16天合成的空間分辨率250m3數(shù)據(jù)產(chǎn)品,投影為正弦曲線(xiàn)投影。該研究選取2000—2016年的影像為對(duì)象。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心,DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云90m分辨率原始高程數(shù)據(jù)；夜間燈光指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心；土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(表1),土地覆被類(lèi)型參照《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的一級(jí)分類(lèi)劃分[35],考慮喀斯特地區(qū)灌叢和低矮樹(shù)林混雜難分,導(dǎo)致園地和林地的區(qū)分度低；數(shù)據(jù)空間分辨率低導(dǎo)致居民用地和交通用地區(qū)分度低等,本文將土地覆被類(lèi)型劃分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地、未利用地。

1.3 研究方法

探討NDVI的時(shí)空演變規(guī)律利用MOD13Q1的影像。首先,利用NASA提供的MODIS Reprojection Tools(MRT)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)批量進(jìn)行拼接和投影變換；采用均值處理,將每年23期影像合成年值。分析2000—2016年際變化情況；以17年NDVI的平均值代表研究區(qū)的平均植被覆蓋情況,分析研究區(qū)域NDVI的空間分布特征時(shí)；采用一元線(xiàn)性回歸方程斜率K值模擬植被覆蓋的年際變化趨勢(shì)；利用Hurst指數(shù)指示變化趨勢(shì)的變化持續(xù)性。采用空間分析等方法得到海拔,坡度,坡向地形空間分布數(shù)據(jù)；通過(guò)克里金空間插值法將研究區(qū)183個(gè)氣象站點(diǎn)每年氣象數(shù)據(jù)計(jì)算的得到基于像元的溫度,降雨,日照空間分布數(shù)據(jù),以夜間燈光指數(shù)表征人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的差異；基于以上7個(gè)因子,采用地理探測(cè)器定量分析因子對(duì)NDVI空間分布的影響；采用相關(guān)分析法,分析溫度,降雨,日照為代表的氣候變化對(duì)植被的驅(qū)動(dòng)(圖2)。

表 1 主要數(shù)據(jù)來(lái)源

圖2 技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.2 Flowchart of spatial-temporal evolution of vegetation and its driving Forces

1.3.1 一元線(xiàn)性回歸方程

NDVI的年際變化趨勢(shì),以各柵格多年數(shù)值最小次方線(xiàn)性回歸方程的斜率表示[36],具體公式如下:

(1)

式中k代表NDVI 的斜率,當(dāng)k> 0時(shí),說(shuō)明植被覆蓋17年間的變化趨勢(shì)是增加的；反之,則減少；k值越大表示NDVI變化越趨勢(shì)明顯。式中：n為17,i為年序號(hào),MNDVI,i為第i年的NDVI。當(dāng)前,k值變化趨勢(shì)的劃分并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),考慮研究區(qū)中NDVI的整體分布情況通過(guò)計(jì)算k值的變化,研究發(fā)現(xiàn)k值基本符合正態(tài)分布,便于研究,將植被覆蓋變化劃分為5個(gè)等級(jí),分別為：顯著退化(k≤-0.01)；輕度退化(-0.01≤k<-0.05)；穩(wěn)定不變(-0.05≤k<0.05)； 輕度改善(0.05≤k<0.01)顯著改善(k>0.01)[37]。

1.3.2 Hurst指數(shù)

Hurst 指數(shù)作為一種定量描述長(zhǎng)時(shí)間序列信息依賴(lài)性的有效方法[38],近年來(lái)在植被變化研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

考慮NDVI時(shí)間序列NDVIt,t=1, 2, 3, 4, ……,n, 對(duì)于任意正整數(shù)t≥1,定義該時(shí)間序列的均值序列：

(2)

計(jì)算累計(jì)離差為：

(3)

極差序列為：

(4)

標(biāo)準(zhǔn)差序列為：

(5)

計(jì)算Hurst指數(shù)如下：

(6)

(6)式中,H即為Hurst指數(shù),對(duì)于公式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)得到Hurst經(jīng)驗(yàn)公式?；跁r(shí)間序列并利用Hurst經(jīng)驗(yàn)公式得到一簇H值進(jìn)行最小二乘法擬合,得出的直線(xiàn)斜率即為修正后的Hurst指數(shù)(H)。

Hurst 指數(shù)(H值) 可以反映 NDVI 時(shí)間序列的隨機(jī)性或持續(xù)性特征,當(dāng)0.5

1.3.3 地理探測(cè)器

本文采用王勁峰等人研發(fā)的地理探測(cè)器,其原理是以空間變異理論、空間疊置技術(shù)和集合論為基礎(chǔ)[40],通過(guò)比較因變量與自變量因子地理圖層空間一致性,判定自變量因子對(duì)因變量取值變化貢獻(xiàn)大小的度量方法,度量指標(biāo)為因子貢獻(xiàn)力P：

(7)

1.3.4 相關(guān)分析法

植被與氣溫,降雨,日照,夜間燈光指數(shù)相互關(guān)系的測(cè)定主要是通過(guò)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算與檢驗(yàn)來(lái)完成的[41]。相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(8)

式中,n為樣本數(shù)；變量xi表示因子；變量yi表示NDVI；X,Y分別為變量xi和變量yi的均值；rxy為變量xi和變量yi的相關(guān)系數(shù)。本研究基于長(zhǎng)時(shí)間序列的氣候數(shù)據(jù),對(duì)氣溫,降雨,日照,夜間燈光指數(shù)和NDVI相關(guān)關(guān)系逐像元進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋的時(shí)空變化特征

2000—2016年間,研究區(qū)植被整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)率為0.0028/a。NDVI值在0.5420—0.5950之間波動(dòng),NDVI的17年平均值為0.5686,在研究時(shí)間內(nèi),2005和2012年的NDVI值最低；2016年的NDVI值最高。地質(zhì)背景的差異會(huì)影響植被的生長(zhǎng)水平[42,24],將喀斯特與非喀斯特區(qū)域分別統(tǒng)計(jì)分析。其中,喀斯特區(qū)域NDVI值在0.52—0.66之間波動(dòng),平均值為0.61,NDVI整體趨勢(shì)上升,增長(zhǎng)率為0.0028/a。非喀斯特區(qū)域NDVI值在0.5420—0.6100之間波動(dòng),平均值為0.5736,NDVI整體趨勢(shì)上升,增長(zhǎng)率為0.0036/a。非喀斯特區(qū)域NDVI的變化情況與喀斯特區(qū)域相似,年均值為0.5670；增長(zhǎng)率為0.0025/a,略低于喀斯特區(qū)域(圖3)。

由于自然條件和人類(lèi)活動(dòng)共同影響研究區(qū)植被覆蓋的空間格局,年平均NDVI表現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異,如圖3空間分布圖表明：研究區(qū)整體上植被覆蓋呈現(xiàn)東高西低,南高北低的空間分布特征。從土地覆被類(lèi)型來(lái)看,研究區(qū)的林地占比較高,且NDVI值主要分布在0.4—0.8區(qū)間,草地,耕地的NDVI值都主要分布0.4—0.6區(qū)間；城鎮(zhèn),水域的NDVI值都分布0.4—0.6區(qū)間；未利用地的NDVI值都分布較離散,整體值偏低。在喀斯特區(qū)域,NDVI整體空間分布與研究區(qū)相似。以有林地(0.5985)的NDVI值為最高,耕地(0.5526)次之,草地(0.5373),居民用地(0.5015),水域(0.4718),未利用地(0.2923)最低(表2)。非喀斯特區(qū)域表現(xiàn)出相同的規(guī)律,其中喀斯特區(qū)域林地和耕地的NDVI值除低于非喀斯特區(qū)域；草地,水域,建設(shè)用地及未利用地的NDVI值高于非喀斯特區(qū)域。

表2 統(tǒng)計(jì)不同土地覆被類(lèi)型的NDVI值

2.2 植被覆蓋變化趨勢(shì)特征分析

2000年至2016年間,植被覆蓋度呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)(即改善區(qū)域面積>退化面積)。顯著改善(13.17%)的植被主要分布在貴州西部,四川東南部,云南東北部的林地,草地,耕地區(qū)；輕度改善(47.02%)占比較大,在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布；顯著退化(2.71%)的區(qū)域主要集中于各省人口密集的建設(shè)用地區(qū)；輕度退化(14.35%)和穩(wěn)定不變(20.75%)的植被相對(duì)均勻的分布與各個(gè)省市和各個(gè)土地覆被類(lèi)型(如圖1,圖4和圖5)?？λ固貐^(qū)域的植被改善的比例(68.21%)略高于非喀斯特區(qū)域(57.17%)。

整個(gè)研究區(qū)的Hurst指數(shù)(從0—0.98),平均值為0.47,標(biāo)準(zhǔn)差為0.10。在本研究中,Hurst小于0.5的面積比例為(56.82%)(表3),意味著這些區(qū)域未來(lái)變化趨勢(shì)不具持續(xù)性。將NDVI的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與Hurst指數(shù)疊加,得到NDVI的變化特征分布圖(圖4)。持續(xù)性和顯著改善的植被覆蓋面積占研究區(qū)總面積的5.79%,主要位于貴州西部,四川東南部,云南東北部的草地,耕地區(qū)；持續(xù)性和顯著退化的植被覆蓋較少,所占比例為1.47%,分布與廣西東北部,湖南北部等居民用地區(qū),非喀斯特區(qū)域比喀斯特表現(xiàn)更為明顯；持續(xù)性和穩(wěn)定不變的植被覆蓋占9.85%,持續(xù)性和輕度改善的植被覆蓋占19.63%,持續(xù)性輕度退化的植被覆蓋占6.44%,變化趨勢(shì)不確定的植被覆蓋占56.82%,都相對(duì)均衡的分布于各個(gè)地貌類(lèi)型中(圖5)?？λ固貐^(qū)域的植被持續(xù)性改善的比例(27.03%)略高于非喀斯特區(qū)域(24.82%)。

圖4 2000—2016年研究區(qū)NDVI變化趨勢(shì)和變化趨勢(shì)特征圖Fig.4 Trends of NDVI and the distribution of NDVI variation characterin South of China from 2000 to 2016

2.3 植被覆蓋空間分布影響因素分析

分析NDVI的空間分布的驅(qū)動(dòng)力,本文選取地形因子：海拔,坡度,坡向；氣象因子：氣溫,降雨,日照；人類(lèi)活動(dòng)因子：夜間燈光指數(shù)。研究區(qū)的海拔值(-142—7143m)呈現(xiàn)從西北到東南的降低之勢(shì)(圖1)；坡度介于0—80°,陡坡主要位于研究區(qū)西北部的高山草地；東部及四川盆地耕地的坡度較緩。溫度(從-1.4—24.1℃),整體呈現(xiàn)從西北到東南的增大之勢(shì)。降雨(從500—2407mm)整體呈現(xiàn)從南到北的降低之勢(shì)。日照(800—2640h)以四川盆地省、貴州省日照值偏低,云南省,四川東部較高。夜間燈光指數(shù)表現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度；以廣州市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)人口稠密區(qū)最高,其他省會(huì)城市次之,人口稀少的西北部等地區(qū)最低(圖6)。

表3 植被NDVI變化趨勢(shì)特征面積比例

圖5 統(tǒng)計(jì)各種土地覆被類(lèi)型的NDVI變化趨勢(shì)及變化特征Fig.5 Statistics of NDVI trend and variation character by different land use types

圖6 研究區(qū)地區(qū)坡度空間分布圖,坡向空間分布圖,夜間燈光指數(shù)空間分布圖,溫度空間分布圖,降水量空間分布圖,日照空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of slope, aspect, night light, temperature, precipitation, sunshine in South of China

圖7 各因子對(duì)NDVI空間分布的影響力Fig.7 Influence of factors on the spatial distribution of NDVI

采用地理探測(cè)器分析因子對(duì)NDVI空間分布的驅(qū)動(dòng)力,整體而言,眾多因子中,海拔對(duì)NDVI的空間分布影響力最大,其次是氣溫,降水,夜間燈光指數(shù),日照,坡度,坡向。相比非喀斯特區(qū)域而言：喀斯特區(qū)域NDVI空間分布更易受到氣溫,降水,日照,夜間燈光指數(shù)影響(圖7)。從土地覆被類(lèi)型來(lái)：林地的NDVI空間分布受海拔,氣溫,坡度影響大；草地和未利用地的NDVI空間分布受海拔和氣溫影響較大；耕地的NDVI空間分布受海拔,氣溫和降水影響較大；建設(shè)用地的NDVI空間分布受夜間燈光指數(shù)影響最大；水域NDVI空間分布受此類(lèi)因子影響都不明顯(表4)。總而言之：海拔,氣溫,降水是研究區(qū)NDVI的主要驅(qū)動(dòng)因子；相比而言,喀斯特區(qū)域NDVI空間分布更易受氣候因子影響；非喀斯特區(qū)域NDVI空間分布更易受地形因子影響；建設(shè)用地 NDVI空間分布主要受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度影響。

2.4 植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素分析

基于研究區(qū)每年植被NDVI數(shù)據(jù),分別計(jì)算其與當(dāng)年平均氣溫,降雨,日照的相關(guān)系數(shù)。經(jīng)檢驗(yàn),研究區(qū)49.37%的植被NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)；主要分布于湖南,貴州,四川的中緯度地區(qū)。37.99%的植被NDVI與降水量的相關(guān)系數(shù)通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)；以四川盆地區(qū)為主。55.18%的植被NDVI與日照的相關(guān)系數(shù)通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)；主要分布在研究區(qū)東部(圖8)。在研究時(shí)段內(nèi),從年尺度來(lái)看：植被與日照的相關(guān)性最高,其次是溫度,降雨。從土地覆被類(lèi)型來(lái)看：草地和未利用地的植被變化植被受氣溫影響較大,分別有51.18%,67.89%的植被與氣溫顯著相關(guān)。耕地與降雨的相關(guān)性明顯,46.21%的植被與降雨量顯著相關(guān)。有林地與日照相關(guān)性明顯,62.82%的植被與日照顯著相關(guān)(表5)。

從地質(zhì)背景來(lái)看：喀斯特區(qū)域植被變化和溫度,降雨,日照的相關(guān)性更為顯著,分別有54.38%,40.23%,61.83%的植被NDVI的相關(guān)系數(shù)通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)。NDVI的變化受到氣候綜合變化的影響,但往往空間上氣溫,降水,日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)不一致。本文將氣溫,降水,日照時(shí)數(shù)與年均NDVI變化的相關(guān)性基于最大值合成法,以分析年均NDVI變化與氣候變化的顯著性水平分析。如圖8所示,在整個(gè)研究區(qū)內(nèi),NDVI與氣候變化正相關(guān)的面積占整個(gè)研究區(qū)的95.74%,其中達(dá)顯著正相關(guān)(P<0.05)的主要分布在東南部,包含四川東南部,湖南南部,廣西,廣東,重慶,貴州大部分地區(qū),約占56.61%。

表4 影響因子對(duì)NDVI空間分布的影響力

表5 統(tǒng)計(jì)不同土地覆被類(lèi)型下各因子與NDVI顯著相關(guān)的面積比

本文相關(guān)性水平通過(guò)了相關(guān)系數(shù)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)

圖8 研究區(qū)氣溫和NDVI相關(guān)系數(shù)空間分布圖；降水與NDVI的相關(guān)系數(shù)空間分布圖；日照與NDVI的相關(guān)系數(shù)空間分布圖；氣候變化與NDVI的相關(guān)系數(shù)空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of the correlation coefficients of temperature and NDVI; the correlation coefficients of precipitation and NDVI; the correlation coefficients of sunshine and NDVI; the correlation coefficients of climate change and NDVI in South of China

3 討論

3.1 NDVI空間分布分析

研究區(qū)植被在空間分布上有著較大差異,在以往的研究中普遍提出地形(海拔,坡度,坡向等),氣象(溫度,降雨,日照等),人類(lèi)活動(dòng)等因子的影響[43-44]；本文的認(rèn)識(shí)與以往研究結(jié)果相近。海拔和溫度是控制研究區(qū)NDVI空間分布的最主要因素。研究區(qū)整體上植被覆蓋呈現(xiàn)東高西低,南高北低的空間分布,主要原因是：研究區(qū)東西地形差異大,海拔由東向西增高,地貌東南以平原丘陵為主,西北以中高山居多；緯度和海拔綜合的原因?qū)е聳|南高,西北低的溫度差異[45-47]。從地質(zhì)背景來(lái)看,喀斯特區(qū)域林地和耕地的NDVI值除低于非喀斯特區(qū)域；草地,水域,建設(shè)用地及未利用地的NDVI值高于非喀斯特區(qū)域。主要原因在于：喀斯特地區(qū)山地面積占比大,土壤稀薄,保水差,林地中以低矮樹(shù)木居多,植被豐茂程度低；耕地以坡地居多,旱地為主,植被覆蓋度低；同時(shí),林地和耕地中存在石漠化現(xiàn)象[48-49]；非喀斯特區(qū)域的草地以研究區(qū)西北部的高山草地為主,NDVI值較低；在水域,建設(shè)用地,未利用地三類(lèi)土地覆被類(lèi)型中,喀斯特和非喀斯特間的NDVI無(wú)明顯差異。值得關(guān)注的是建設(shè)用地區(qū)NDVI空間分布受夜間燈光指數(shù)差異影響尤為明顯；主要原因是建設(shè)用和近周邊區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度差異較為明顯[50]。非喀斯特區(qū)域NDVI在空間分布上受地形因子影響較大；喀斯特區(qū)域NDVI在空間分布上受地形氣候因子和人類(lèi)活動(dòng)因子影響較大。原因在于：非喀斯特區(qū)域,土壤厚度肥力,以及下墊面保水條件優(yōu)于喀斯特區(qū)域[45,49],因此,地形成為非喀斯特區(qū)域植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素,氣候和人類(lèi)活動(dòng)成為喀斯特區(qū)域植被生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素。在地質(zhì)背景相對(duì)惡劣的喀斯特區(qū)域,應(yīng)適當(dāng)加大生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的力度。

3.2 NDVI變化歸因分析

2000—2016年,研究區(qū)植被整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),植被處在恢復(fù)階段,本文的認(rèn)識(shí)與以往的結(jié)論是一致的[19,20,43]。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響植被變化的主要原因[20],然而在研究時(shí)間內(nèi),降雨,氣溫,日照都沒(méi)有明顯的上升趨勢(shì)。因此,研究區(qū)植被的恢復(fù)主要?dú)w因于人類(lèi)活動(dòng)：隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,中國(guó)大部分農(nóng)民減少對(duì)土地的依賴(lài),降低了人類(lèi)不合理活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響；加上政府倡導(dǎo)退耕還林、石漠化綜合治理等生態(tài)環(huán)境治理工程,生態(tài)環(huán)境得到了保護(hù),這些項(xiàng)目的實(shí)施導(dǎo)致貴州西部,四川東南部,云南東北部的林地,草地,耕地的大面積顯著改善。值得關(guān)注的是：(1)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,加劇了城市的擴(kuò)張；導(dǎo)致以建設(shè)用地為主,有2.71%土地的植被覆蓋顯著退化的趨勢(shì)。(2)17年間,喀斯特區(qū)域NDVI的增長(zhǎng)率0.0036/a高于非喀斯特區(qū)域的0.0025/a。是因?yàn)榭λ固厣鷳B(tài)環(huán)境較為惡劣,政府在喀斯特區(qū)域?qū)嵤└嗟纳鷳B(tài)保護(hù)和治理政策[19]。(3)研究區(qū)在2005和2012年間的NDVI值極低,與以往研究一致,這是受氣候變化影響[29],研究區(qū)在2004,2005,2011和2012年的年均降雨量分別為1105,1120,976,1044mm(低于研究區(qū)多年平均降雨1164mm),其中,2011年我國(guó)平均年降水量創(chuàng)60年來(lái)新低；2005和2012日照分別為1565,1554h(低于研究區(qū)多年平均日照1670h)；2012的氣溫是15.9℃,接近與研究時(shí)間內(nèi)的最低值。這些是導(dǎo)致2005年,2012年NDVI值極低的關(guān)鍵原因。

3.3 局限性與展望

本研究由于MODIS數(shù)據(jù)的局限性,在計(jì)算2000年的年均NDVI值時(shí),采用2001年的1月份,2月份代替計(jì)算,對(duì)2000年的NDVI值有一定影響。大區(qū)域尺度上,不同空間位置植被動(dòng)態(tài)對(duì)氣候變化的響應(yīng)存在差異的滯后性；由于數(shù)據(jù)獲取的難度,本文基于年際尺度,以同年計(jì)算氣溫,降雨,日照與NDVI的相關(guān)性,存在一定的局限性。將來(lái)的研究中有望探明植被動(dòng)態(tài)對(duì)氣候因子的空間滯后差異。

4 結(jié)論

本研究基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù),利用NDVI時(shí)間序列,采用一元線(xiàn)性回歸方程斜率和Hurst指數(shù),地理探測(cè)器,相關(guān)分析；探討了研究區(qū)植被的時(shí)空演化特征及驅(qū)動(dòng)因素。得出主要結(jié)論如下：

(1)從2000—2016年間,研究區(qū)植被整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；年平均NDVI的增長(zhǎng)率是0.0028/a；喀斯特區(qū)域增長(zhǎng)率略高于非喀斯特區(qū)域。植被覆蓋的空間上呈現(xiàn)東高西低分布格局；林地的NDVI值最高,耕地次之,依次草地,居民用地,水域,未利用地最低；在林地和耕地中,非喀斯特區(qū)域的NDVI值比喀斯特高,其余的土地覆被類(lèi)型中都比喀斯特區(qū)域低；

(2)研究區(qū)的NDVI呈現(xiàn)整體改善趨勢(shì)；改善的地區(qū)植被覆蓋率占60.19%,而退化地區(qū)只占17.06%；草地,耕地區(qū)改善明顯,退化主要在水域和建設(shè)用地；Hurst指數(shù)顯示在研究區(qū)中NDVI變化趨勢(shì)呈持續(xù)性的約43.18%,持續(xù)性改善的NDVI(25.42%)大于持續(xù)性退化(9.71%)；相比非喀斯特區(qū)域,喀斯特區(qū)域改善及持續(xù)性改善情況更佳；

(3)整體而言,海拔對(duì)NDVI的空間分布影響力最大,溫度次之,依次為降雨,夜間燈光指數(shù)；相比而言,非喀斯特區(qū)域NDVI空間分布更易受地形因子影響；喀斯特區(qū)域NDVI空間分布更易受氣候差異及人類(lèi)活動(dòng)影響；

(4)研究區(qū)分別有49%,45%,61%的植被NDVI與氣溫,降雨,日照的相關(guān)系數(shù)通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)；相比而言,喀斯特區(qū)域植被生長(zhǎng)更易受氣候及人類(lèi)活動(dòng)變化影響。