任立清, 董國濤, 谷佳賀, 薛華柱, 聶 桐

(1.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站, 烏魯木齊 830011; 2.黑河水資源與生態(tài)保護研究中心, 蘭州 730030;3.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454000; 4.西北大學 城市與環(huán)境學院, 西安 710127)

植被作為連接大氣圈、水圈、土壤圈物質循環(huán)與能量流動的關鍵樞紐[1-3]，對氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)具有重要的指示作用[4-5]。歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index,NDVI)已被廣泛應用于表現(xiàn)植被狀況[6]，可以較好地反映出植被覆蓋度、生物量、生產力等信息[7]，其數值越大代表植被的覆蓋狀況越好[8]，進而反映出生態(tài)系統(tǒng)結構和功能屬性特征。研究植被覆蓋的時空變化特征以及自然因子的響應，對于維護生態(tài)系統(tǒng)平衡和環(huán)境質量評估具有重要意義[9]。

遙感技術的快速發(fā)展使得大范圍、長時間序列的植被覆蓋空間分布特征及動態(tài)變化過程的監(jiān)測更加便捷[10]。目前，國內外學者在不同時空尺度上對地表植被時空變化規(guī)律進行了深入研究，主要集中在植被變化趨勢及其驅動力分析方面[11]，多年來一直是生態(tài)環(huán)境等領域研究的熱點。國內學者應用NDVI數據對眾多區(qū)域如秦巴山區(qū)[12]、祁連山區(qū)[13]、黃土高原[14]、西南山地[15]、黃河上游[16]等不同空間尺度的植被時空格局及其影響因子進行分析，發(fā)現(xiàn)影響NDVI變化的自然因子存在明顯的區(qū)域差異性。地理探測器模型[17]被廣泛應用于研究自然因子與植被覆蓋變化之間的規(guī)律與內在機理。彭文甫等[18]基于地理探測器分析了四川地區(qū)植被的空間分布規(guī)律以及自然因子變化對植被生長產生的重要影響；李金珂等[19]利用地理探測器模型研究秦巴山區(qū)植被NPP時空格局及演變特征，并對影響NPP的自然和人為因子進行量化研究；Guo等[20]在研究四川省山區(qū)喀斯特地區(qū)時使用地理探測器研究頁巖氣墊的NPP變化的推動因素；王偉等[21]分析了中亞地區(qū)1991—2015年NDVI的時空變化特征，并對NDVI的空間分布和變化趨勢進行因子探測、風險探測以及交互作用分析。

黑河上游是典型的寒區(qū)和旱區(qū)，植被生態(tài)脆弱，高山地區(qū)人類擾動小，影響生態(tài)系統(tǒng)的自然因素主要有氣候、地形地貌和土壤類型等。全球氣候變化一定程度影響了黑河上游植被生態(tài)系統(tǒng)[22]。國內學者針對黑河流域NDVI時空變化特征以及對地形、氣候變化等因素的響應方面開展了一些研究。研究多基于趨勢分析、相關性分析、數理統(tǒng)計等方法探討植被生長與氣候要素之間的關系，并闡明了不同區(qū)域背景下氣候因子對植被影響程度[22-25]。黑河上游區(qū)域地形多樣，植被覆蓋變化的驅動力更為復雜。已有研究雖然分析了NDVI的空間變化，但對于植被/土壤類型的不同所引起NDVI的變化響應差異以及氣候、地形、植被、土壤對其影響的綜合問題缺乏進一步解析。研究表明地理探測器是探測空間分異性及揭示驅動力的一種有效方法。因此，本文基于MODIS-NDVI 250 m分辨率遙感數據，利用地理探測器模型定量分析氣象、地形、土壤等自然因子對黑河上游植被時空變化的作用機理，為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護和環(huán)境建設提供科學指導。

1 研究區(qū)概況

黑河上游地區(qū)地處祁連山北麓中段(37°30′—39°41′N,97°28′—101°16′E)(圖1)，總面積為2.86萬km2，屬于高寒干旱半干旱氣候，年降水量為350～400 mm[26]，年平均氣溫在2℃左右，地表溫度略高于平均氣溫。研究區(qū)內多年平均風速為2.34 m/s，年均日照時數達2 934.66 h，相對濕度在0.50左右。黑河上游地形復雜多變，水熱梯度明顯，植被分布呈顯著的垂直地帶性[27]，植被以森林、灌木和高寒草甸為主[28]，是整個流域的水源涵養(yǎng)區(qū)[23]。

圖1 研究區(qū)位置

2 研究數據與方法

2.1 數據來源及預處理

本文所采用的植被NDVI數據為MODIS MOD13Q1產品，來源于美國國家航空航天局(NASA)，空間分辨率為250 m×250 m。該數據已經過水、云、氣溶膠等的去除處理，首先對其進行鑲嵌、格式和投影轉換，然后采用最大值合成法合成年NDVI數據；氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，選取2001—2017年黑河上游及周邊14個氣象站點，利用Kring方法插值為空間分辨率均為1 km影像；高程數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)中的SRTM 90 m DEM產品，坡度、坡向數據則基于DEM數據使用ArcGIS軟件生成；中國植被圖集和土壤類型空間分布數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.2 指標選取及信息提取

(1) 指標選取。為了更加全面分析自然因子對黑河上游植被變化的影響，本文選取氣候、植被、土壤、地形4大類11個自然因子來探索自然因子對黑河上游植被NDVI變化的影響(表1)。

表1 自然因子指標

(2) 信息提取。在ArcGIS 10.4中利用漁網工具，按照5 km×5 km格網生成采樣點1 140個，再獲取采樣點對應地理位置的氣象、植被、土壤和地形數據。為有效地避免人為因素的干擾利用自然間斷法將氣象因子劃分為9類、植被類型11類、土壤類型9類、高程6類、坡度7類、坡向9類。

2.2.3 地理探測器 地理探測器是一種通過探測要素的空間分層異質性來揭示其背后驅動力的方法，利用地理探測器計算的q值來判斷空間分異性的大小。

(1) 因子探測。用于探測因變量的空間分層異質性，同時反映各自變量在對因變量空間分層異質性的解釋程度。q的數值越大，對分異性的解釋能力越強，表達式為：

(1)

(2) 交互探測。交互探測用于識別不同風險因子(自變量)相互或者獨立對因變量的影響，原理是各自變量的q值計算出來之后，將各自變量進行兩兩疊加計算q值，并與原q值進行比較。兩因子的交互作用類型見表2。

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表2 交互作用類型

(3) 風險區(qū)探測。探測兩個子區(qū)間的屬性均值的差異性，用統(tǒng)計t來進行測量：

(2)

(4) 生態(tài)探測。F統(tǒng)計量用來表示自變量中兩因子對于因變量屬性空間分布影響的差異性。

(3)

(4)

式中：NX1，NX2分別為因變量X1和X2的樣本量；AX1和AX2分別為由X1和X2所形成的分層層內方差之和；L1，L2分別為自變量的分層數目。其中0假設H0:AX1=AX2。如果在α的顯著水平上拒絕H0，說明自變量對因變量的空間分布有顯著影響。

3 結果與分析

3.1 NDVI動態(tài)變化

由圖2可知，2001—2017年NDVI的年際變化呈波動增加趨勢，年增長速率為0.001 7。NDVI多年均值為0.46，最大值出現(xiàn)在2010年為0.49，2001年為最小值0.42。多年NDVI變化在均值上下波動，向植被覆蓋增加的方向變化。黑河上游地區(qū)植被低覆蓋面積占比由2001年23.83%降低到2017年的14.66%；中低覆蓋多年面積平均占比在26.55%左右；中等覆蓋面積占比由2001年的18.21%增長到2017年的22.48%，增長相對較為明顯；中高植被覆蓋區(qū)面積占比基本均大于30%，是研究區(qū)植被覆蓋的主要類型；高植被覆蓋面積占比較小，處于3%左右。

圖2 黑河上游2001-2017年NDVI年際變化

2001年和2017年黑河上游植被均呈現(xiàn)東南高、西北低的空間分布特征(圖3)。NDVI的高值區(qū)域主要集中在黑河上游東南部的八寶河流域，以高寒草甸、高寒草原、灌叢為主要的植被類型。NDVI的低值區(qū)域分布在西北部，植被類型多為半荒漠化草原。整體來看，黑河上游植被NDVI整體呈現(xiàn)改善的趨勢，改善區(qū)域主要位于研究區(qū)中部和北部。

圖3 2001年和2017年黑河上游NDVI空間分布格局

2001—2017年黑河上游流域植被NDVI年均值變化率空間分布見圖4，根據其變化率將植被變化分為嚴重退化、輕度退化、基本不變、輕度改善和高度改善5種情況，各類面積統(tǒng)計見表3。由圖4和表3可知，近17 a黑河上游植被變化在空間上整體呈比較穩(wěn)定的狀態(tài)，覆蓋度逐漸增加。其中37.16%的面積處于基本不變的狀態(tài)，輕度改善和高度改善的面積之和遠大于輕度退化、嚴重退化區(qū)，表明黑河上游植被覆蓋改善趨勢明顯。

圖4 植被NDVI變化率空間分布

表3 2001-2017年黑河上游NDVI變化統(tǒng)計

3.2 探測因子影響力分析

通過因子探測計算出來q值的大小可以說明該自然因子對植被生長解釋力的強弱。探測結果見圖5，各自然因子對植被NDVI的影響力排序為：日照時數(0.44)>高程(0.42)>降水(0.39)>相對濕度(0.38)>氣溫(0.22)>平均風速(0.21)>土壤類型(0.16)>植被類型(0.15)>地表溫度(0.10)>坡度(0.07)>坡向(0.01)。日照時數、高程、相對濕度、降水是主要影響因子，解釋力均超過35%，表明黑河上游植被發(fā)育與高程密切相關，同時水熱條件也是重要影響因素，這與已有研究結論一致[29]。氣溫、平均風速作為次級影響因子解釋力均在20%以上；土壤類型、植被類型、地表溫度解釋力超過10%，坡度、坡向的單個因素解釋力很小。

圖5 NDVI空間分布影響解釋力指標

3.3 探測因子顯著性差異分析

生態(tài)探測可以反映各因子對植被NDVI影響的統(tǒng)計差異性顯著，探測結果見表4。從表中可以看出：日照時數與高程對植被NDVI空間分布的影響無顯著性差異，其他因子對植被NDVI空間分布的影響具有顯著性差異；降水與相對濕度、高程對植被空間分布無顯著性差異，與其他因子對植被空間分布存在顯著差異；氣溫與平均風速、土壤類型對植被空間分布無顯著性差異，與其他因子對植被NDVI空間分布具有顯著性差異；植被類型與平均風速、地表溫度、土壤類型對植被空間分布無顯著影響，與其他因子存在顯著的差異。

表4 生態(tài)探測結果

3.4 探測因子交互作用分析

交互探測結果表明(表5)，雙因子交互作用對黑河上游植被NDVI空間分布的影響力大于單因子作用，因子之間的交互作用均呈現(xiàn)非線性增強或雙因子協(xié)同增強作用。由表5可知，高程與除坡向外各因子之間交互效應增強了二者對植被NDVI空間分布的影響，日照時數與除坡度、坡向外各因子之間的交互作用增強了二者對植被NDVI空間分布的影響，即存在顯著雙因子增強關系，這進一步表明了高程與日照時數的主導影響作用。降水與地表溫度、坡度和坡向交互作用顯著增強了降水對植被NDVI的影響。坡向、坡度與各因子之間交互作用顯著增強了坡度坡向對植被的影響，這說明坡度坡向雖然對植被的直接影響較小，但是與其他因子之間的疊加效應大大增強了單一因子對植被的影響。

表5 自然因子交互作用

3.5 探測因子適宜性分析

利用地理探測器風險因子探測分析得到適合植被生長的各自然因子的范圍(表6)，不同自然因子的植被NDVI均值差異明顯。統(tǒng)計檢驗表明，氣象因子對植被NDVI均值的影響存在一個最適宜范圍。隨著氣溫、相對濕度、降水、平均風速、日照時數、地表溫度的增加，分別在2.12～3.08℃，53%～55%，457.80～510.12 mm，2.30～2.38 m/s，2 571.65～2 726.74 h，7.14～8.03℃范圍內最適合植被生長，NDVI均值分別達到0.572，0.617，0.661，0.620，0.650，0.576。在黑河上游區(qū)域，熱量成為限制高海拔地區(qū)的主要因子，日照時數和地表溫度的最佳范圍為植被生長提供一個良好的熱量條件。

表6 自然因子適應類型或范圍

高程因子作為影響植被空間分布的第二大因子，在研究區(qū)內隨高程的變化，植被的類型和生長具有明顯的地帶性，坡度坡向的不同會給植被生長帶來明顯的差異。統(tǒng)計檢驗表明，隨著高程的增加NDVI均值呈現(xiàn)先增后減的趨勢，結合已有研究[25]，高程為3 400 m時植被指數最高，而后植被指數減小。本研究得出高程在3 008～3 471 m范圍內適合植被生長，NDVI均值達到0.601。黑河上游源區(qū)位于祁連山，降水隨高程增加而增加，與研究結果保持一致[30-31]，隨著降水量的增加，NDVI均值不斷增大。水熱條件的良好耦合關系對促進植被生長提供基礎條件。坡向通過影響日照時數和接受的太陽輻射量從而影響坡面溫度；在北方地區(qū)背向也會影響不同坡向的水分含量，對坡面植被的生長造成一定的影響。坡度通過地表陡緩程度對植被生長產生影響。風險探測結果表示，坡度在<2°，坡向為北坡時最適合植被生長，NDVI均值分別達到0.509，0.506。坡度坡向雖在本研究中單一因子的影響力較小，但與其他因子的交互作用大大增強了單一因子的影響力。

植被、土壤類型的不同會引起NDVI均值的波動變化。黑河上游主要植被類型有針葉林、灌叢、草原、草甸等，其中針葉林NDVI均值最大達到0.640。植被生長的基本條件是水分的充裕情況，植被的空間分布情況往往受限于土壤含水量，而土壤水分又受到地形和太陽輻射的影響。土壤類型主要分為半淋溶土、鈣層土、干旱土、漠土、初育土、半水成土、水成土、高山土、冰川雪被9類，其中半水成土最適合植被生長，為黑河上游植被提供生長需要的水分，NDVI均值達到0.732。

4 討論與結論

4.1 討 論

黑河上游地區(qū)處于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和氣候變化的敏感區(qū)，是探究影響植被變化因素的理想區(qū)域。面對生態(tài)環(huán)境問題日益惡化，如土地荒漠化、草場退化和水資源短缺等，實施了一系列生態(tài)系統(tǒng)修復工程，植被覆被發(fā)生了顯著變化。本文結果表明：2001—2017年黑河上游植被NDVI增加范圍廣、趨勢明顯，植被改善的區(qū)域占總面積的49.25%，空間上呈東南高西北低的分布特征。自生態(tài)保護方案實施以來，黑河上游地區(qū)植被覆蓋得到較好的改善[23-24]。

本研究中，日照時數、高程和降水是影響黑河上游NDVI變化主要自然因子，并且影響力表現(xiàn)為日照時數>高程>降水。由此說明：黑河上游地形復雜多變，光熱條件可顯著影響植被的生長[32]，日照時數的增加可以使植被最大有效化地進行光合作用[33]；黑河上游植被分布垂直地帶性較為明顯，從高到低依次是高山灌叢草甸、青海云杉林、針闊混交林、山地荒漠和山地草原。張立峰[34]、李國亮[32]等研究了黑河流域植被變化以及對地形因子的響應，海拔高度對植被的生長有明顯的影響；黑河上游水分主要來自山區(qū)降雨、冰川積雪融水，其中降雨占比超過90%，降水的空間分布在很大程度上決定了水分的空間分布情況，植被的生長受水分條件的制約，體現(xiàn)了植被隨水而生的特點[35]。水資源充沛的條件有利于植被的生長，以草本為主的類型則受到降水量的作用更加顯著。

4.2 結 論

(1) 黑河上游植被時空變化顯著。2001—2017年植被NDVI年際變化呈波動增加趨勢，植被由低覆蓋向高覆蓋轉化，中高覆蓋的面積占比最高；空間分布呈東南高西北低，植被改善區(qū)域主要分布在中部和西北部地區(qū)。

(2) 各因子對植被NDVI的影響程度：日照時數>高程>降水>相對濕度>氣溫>平均風速>土壤類型>植被類型>地表溫度>坡度>坡向。其中，日照時數和高程成為影響植被變化的主要自然因子且解釋力超過40%；其次是降水和相對濕度指數解釋力均在30%以上。

(3) 植被NDVI空間分布情況對于自然因子的響應具有明顯的差異，除日照時數與高程，降水與相對濕度、高程，氣溫與平均風速、土壤類型，植被類型與平均風速、地表溫度、土壤類型外，其余各因子之間對植被NDVI變化影響均具有顯著的差異。

(4) 黑河上游地區(qū)植被生長受到自然因子之間的交互影響，因子之間均呈現(xiàn)相互增強和非線性增強的關系。

(5) 風險因子探測分析發(fā)現(xiàn)促進植被生長的各主要因子最適宜范圍：半水成土，針葉林植被類型，氣溫為2.12～3.08℃，降水為457～510 mm，日照時數為2 571.65～2 726.74 h，平均風速為2.30～2.38 m/s，相對濕度為53%～55%，地表溫度為7.14～8.03℃范圍內，高程為3 008～3 471 m，坡度<2°，坡向為北坡適合黑河上游植被生長。該成果為高海拔地區(qū)植被生長變化的驅動因素分析提供了參考和借鑒。