王 一, 郝利娜, 趙美齡, 許曉露, 李晨輝

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳、水循環(huán)和能量流動必不可少的中樞環(huán)節(jié)[1-2]，對氣候變化和人類活動的感知具有頗高敏感性[3]。在全球氣候變化和人類社會發(fā)展的背景下，監(jiān)測植被覆蓋變化和分析其影響因素，可揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的總體情況及其對自然環(huán)境、人類活動的響應(yīng)機制[4-5]，為確定合理的生態(tài)環(huán)境治理政策提供理論依據(jù)。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)與植被覆蓋度、生長條件、生物量和光合強度具有較強的相關(guān)性[6-7]，已作為表征地表植被覆蓋的指標(biāo)被廣泛運用于全球或區(qū)域植被研究中[8-10]。周金霖等[11]采用趨勢模擬和相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)植被覆蓋呈改善趨勢，且與氣溫降水相關(guān)性較強。鄭朝菊等[12]利用趨勢分析、相關(guān)分析和殘差分析法，對西南地區(qū)植被與氣候、人類活動的關(guān)系進行探討，結(jié)果表明西南地區(qū)植被覆蓋顯著增加，與秋季降水和夏季均溫相關(guān)性最好，且人類活動對植被生長起促進作用。Shi等[13]和鄧晨暉等[14]運用殘差分析法發(fā)現(xiàn)，人類活動分別對黃土高原和秦嶺植被的改善和破壞同時并存，但正影響大于負(fù)影響。而Qu等[15]和Yan等[16]認(rèn)為殘差分析通常只是區(qū)分不同的驅(qū)動因子，在定量氣候因子和人類活動對植被覆蓋變化的貢獻(xiàn)方面存在局限性，尤其在區(qū)分和比較個別氣候因子對植被的影響方面。

重慶作為長江上游地區(qū)的重要生態(tài)屏障和三峽庫區(qū)的主體區(qū)域，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，經(jīng)濟發(fā)展快速，加之人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響，使研究重慶植被覆蓋變化對維護長江流域的生態(tài)安全具有重要意義。朱林福等[17]采用趨勢分析和分布指數(shù)發(fā)現(xiàn)重慶植被覆蓋變化季節(jié)差異性明顯。劉燦等[18]和李學(xué)梅等[19]運用一元線性回歸分析和相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，重慶年均NDVI呈增長趨勢，且與氣溫、降水均呈顯著相關(guān)關(guān)系。已有的研究側(cè)重于重慶植被覆蓋變化的監(jiān)測和歸因，極少有學(xué)者對影響重慶植被的每個驅(qū)動因子進行分別量化。基于偏導(dǎo)數(shù)的方法曾常用于評價氣候因子對蒸發(fā)或水文動力學(xué)的影響[20-21]，其可量化每個驅(qū)動因子對事物變化的貢獻(xiàn)。因此，本文基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，采用趨勢分析及偏相關(guān)分析探究2001—2018年重慶植被NDVI的時空變化特征及其與氣候因子的相關(guān)性，并結(jié)合基于偏導(dǎo)數(shù)的方法量化和比較每個氣候因子和人類活動對植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)，旨在揭示重慶生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，為生態(tài)工程的規(guī)劃和實施提供決策參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國內(nèi)陸西南部，長江上游地區(qū)，地跨105°11′—110°11′E與28°10′—32°13′N，總面積約8.24萬km2，轄26個區(qū)、8個縣及4個自治縣。重慶境內(nèi)地勢起伏較大，由南北向長江河谷逐級降低，海拔高差超過2 700 m；地貌復(fù)雜，以山地、丘陵為主。重慶屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，冬暖夏熱，年平均氣溫在18℃左右；降水充沛，年降水量1 000～1 400 mm；其植被類型豐富，多以常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、常綠闊葉灌叢等為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究采用的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1來源于美國國家航空航天局(https:∥search.earthdata.nasa.gov/search)，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，時間跨度為2001年1月—2018年12月。利用MRT(MODIS Reproject Tools)軟件對該數(shù)據(jù)進行拼接、格式轉(zhuǎn)換和重投影等，并采用最大值合成法(MVC，maximum value composite)進一步消除云、大氣等因素干擾[22]，得到逐月NDVI數(shù)據(jù)，進而計算出2001—2018年逐年NDVI均值。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)，選取2001—2018年重慶及其周邊共52個氣象站點的逐年平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)(圖1)。剔除個別站點缺失或異常數(shù)據(jù)，采用克里金法(Kriging)對氣象數(shù)據(jù)進行空間插值[23]，并將其分辨率與NDVI數(shù)據(jù)保持一致。

圖1 重慶市氣象站點分布及高程

統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2001—2018年《重慶統(tǒng)計年鑒》(http:∥tjj.cq.gov.cn/)；海拔高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)提供的SRTM 90 m的DEM數(shù)據(jù)；土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬教授研究組提供的2017年全球30 m土地覆蓋數(shù)據(jù)(http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn/fromglc 2017v1.html)。為輔助后續(xù)研究，將重慶土地覆蓋類型歸為草地、灌叢、森林、農(nóng)作物、水體、城市及其他6種類型。

2 研究方法

2.1 趨勢分析

為了定量反映研究區(qū)內(nèi)植被NDVI的時空變化，采用一元線性回歸逐像元計算NDVI的年際變化趨勢，公式如下[24]：

(1)

式中:θslope為回歸斜率;n為監(jiān)測的總年份(n=18);i為時間變量(i=1～18);NDVIi為第i年NDVI均值。當(dāng)θslope>0,表示NDVI在研究時間段內(nèi)呈增加趨勢;反之,則呈下降趨勢。采用F檢驗法對其進行顯著性檢驗,根據(jù)檢驗結(jié)果分為5類:極顯著增加(θslope>0,p≤0.01)、顯著增加(θslope>0,0.010.05)、顯著退化(θslope≤0,0.01

2.2 標(biāo)準(zhǔn)差分析

標(biāo)準(zhǔn)差是衡量一組地理數(shù)據(jù)與平均值離散程度的一種方法，可以反映地理數(shù)據(jù)的穩(wěn)定或波動程度，公式如下[25]：

(2)

2.3 偏相關(guān)分析

為研究氣候因子對植被的影響，逐像元計算植被NDVI與氣溫和降水之間的偏相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)是在不考慮其他變量的影響下，分析剩下兩個變量的相關(guān)程度，公式如下[7,26]：

(3)

(4)

偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗采用t檢驗法，公式如下：

(5)

式中:n為樣本數(shù);m為自變量個數(shù)。根據(jù)t分布表,得到在α顯著性水平上的臨界值tα。若t>tα(n-m-1),表示偏相關(guān)顯著;反之,則不顯著。

2.4 氣候因子與人類活動對植被年際變化的貢獻(xiàn)

植被覆蓋變化是氣候和非氣候因子共同影響下的結(jié)果，本研究采用一種基于偏導(dǎo)數(shù)的方法量化氣候與非氣候因子對植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)，公式如下[27-29]：

=TEM*+PRE*+UF

=CF+UF

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI年際變化特征

根據(jù)重慶市2001—2018年各年份NDVI均值得到研究區(qū)多年年際變化趨勢(圖2)。結(jié)果表明，重慶市近18 a來植被NDVI年均變化率為0.61%，整體上呈現(xiàn)出波動上升趨勢，這與魏來等[30]對重慶市植被覆蓋變化研究的結(jié)論基本保持一致。2006年、2011年NDVI突然下降，主要是由于2006年和2011年的重度干旱影響植被的生長[31-32]，這與葉勤玉等[33]關(guān)于重慶植被覆蓋度時空變化的研究結(jié)論一致。2012—2018年NDVI又出現(xiàn)兩次明顯的降低，其中2014年NDVI的下降，與春旱[34]、秋季連陰雨[35]有關(guān)；2016年NDVI的下降則與當(dāng)年1月南方長時間的低溫雨雪冰凍天氣[36-37]不利于植被發(fā)育具有一定關(guān)系。

圖2 重慶市2001-2018年NDVI年際變化

3.2 植被NDVI空間分布特征

由重慶市2001—2018年NDVI多年均值空間分布(圖3A)可知，研究區(qū)內(nèi)NDVI值超過0.55的區(qū)域占總面積的70.59%，其主要分布在渝東北、渝東南以及主城區(qū)以南的區(qū)縣，其中極高值(NDVI>0.65)聚集地多為高海拔地區(qū)的森林和灌叢，與山脈走勢一致；而主城區(qū)及外圍西北向NDVI值相對較低，這些區(qū)域多為城市用地或農(nóng)業(yè)耕地，易受人類活動影響；總體而言，重慶植被NDVI呈現(xiàn)出沿長江由東北向西南逐漸遞減的分布格局。由NDVI變化趨勢顯著性檢驗(圖3B)可知，整體上重慶植被覆蓋增加顯著，NDVI呈極顯著增加、顯著增加區(qū)域占總面積的85.15%。結(jié)合NDVI與森林面積年際變化比較(圖3C)可知，2001—2017年森林面積增長趨勢與植被年均NDVI較為一致，在此期間森林面積增長了53.45%，截至2017年森林面積達(dá)到3.82×104km2，這表明重慶植被大面積恢復(fù)顯著可能與生態(tài)工程建設(shè)有關(guān)，如2002年“退耕還林工程”[38]的全面實施、2008年“重慶森林工程總體規(guī)劃”[39-40]的推進，對植被恢復(fù)起到極大的促進作用。而NDVI呈極顯著退化、顯著退化僅占1.48%，其主要集中于主城區(qū)以及零散分布于主城區(qū)外圍和長江沿岸城市一帶，這主要是因為城市化過程中城市基礎(chǔ)設(shè)施大量占用地表造成植被顯著退化。結(jié)合NDVI標(biāo)準(zhǔn)差(圖3D)可以看出，研究區(qū)內(nèi)SD極高值區(qū)(SD>0.075)與NDVI退化區(qū)域及城市用地分布大致吻合，這表明城市擴張對植被覆蓋變化的影響較為劇烈；而SD低值區(qū)(SD<0.045)則主要分布于渝東北邊緣、渝東南的高海拔森林和灌木區(qū)，這類地區(qū)由于植被覆蓋較高、人口分布稀疏、城市化進程緩慢，植被覆蓋變化趨于穩(wěn)定。

圖3 重慶市2001-2018年NDVI多年均值、變化趨勢顯著性檢驗、與森林面積年際變化比較及標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 植被NDVI與氣候因子的偏相關(guān)分析

由NDVI和氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)分布(圖4A，圖4B)可知，2001—2018年重慶植被NDVI與年降水的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.294，呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占總面積的88.63%，11.37%；與年均溫的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.105 4，呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占65.75%，34.25%。在空間分布上，兩類氣候因子同時呈正相關(guān)的區(qū)域出現(xiàn)在由城口、云陽、奉節(jié)沿長江西南向，經(jīng)主城區(qū)，至榮昌、永川這一帶，這些區(qū)域由于海拔較低、靠近水源，為重慶農(nóng)作物主要種植區(qū)域，其種植作物多為水稻、玉米、柑橘等，對水熱條件依賴性較強，這與李雪梅等[19]對重慶植被與降水、氣溫的相關(guān)性的研究結(jié)論較為一致。張?zhí)m等[41]在三峽庫區(qū)植被與氣候因子的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物因季節(jié)性種植特點使其對溫度、降水的響應(yīng)較敏感。結(jié)合t檢驗可知，NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域占18.67%；與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域占8.84%，兩類區(qū)域主要位于萬州至長壽、涪陵、武隆的農(nóng)作物和森林區(qū)域。總體而言，重慶植被NDVI與降水和氣溫均以正相關(guān)為主，正、負(fù)相關(guān)共存，通過顯著性檢驗的區(qū)域雖較小，但兩類氣候因子對植被發(fā)育均有著一定作用，同時說明重慶植被發(fā)育還受到除氣候因子以外的因素作用。

圖4 重慶市2001-2018年NDVI與降水(A)及氣溫(B)的偏相關(guān)系數(shù)

3.4 氣候因子與人類活動對NDVI年際變化的貢獻(xiàn)

偏相關(guān)系數(shù)描述了植被與氣候因子之間的相關(guān)性，但無法量化氣候因子對植被覆蓋變化的貢獻(xiàn)。因此，本文采用基于偏導(dǎo)數(shù)的方法計算各類氣候因子對重慶植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)。由氣候因子對NDVI年際變化的貢獻(xiàn)分布(圖5A，圖5B)可知，2001—2018年降水對重慶植被NDVI年際變化的平均貢獻(xiàn)為0.000 7/a，其促使NDVI增加、下降的區(qū)域分別占91.47%，8.53%；氣溫對NDVI年際變化的平均貢獻(xiàn)為0.000 6/a，其促使NDVI增加、下降的區(qū)域分別占80.71%，19.29%。從空間分布上可以看出，降水、氣溫均促使NDVI增加的區(qū)域占據(jù)重慶大部分地區(qū)，兩類氣候因子貢獻(xiàn)的極高值區(qū)(PRE*>0.003,TEM*>0.003)多位于長江沿岸附近；而渝東南地區(qū)兩類氣候因子的貢獻(xiàn)偏向具有明顯的差異。結(jié)合渝東南NDVI與氣候因子偏相關(guān)系數(shù)均為負(fù)相關(guān)及以森林為主的特征可以看出，當(dāng)?shù)乜赡苡捎谏终羯⒘枯^大[42]，降水偏少，氣溫降低，有利于減緩植被蒸散速度和保持土壤濕度[43-44]，從而促進植被生長。

圖5 降水和氣溫對重慶植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)

根據(jù)降水、氣溫對NDVI貢獻(xiàn)的結(jié)果，進一步計算得到氣候因子和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)分布(圖6A，圖6B)。結(jié)果表明，2001—2018年NDVI平均年際變化率為0.006 1/a，氣候因子平均貢獻(xiàn)為0.001 3/a，人類活動平均貢獻(xiàn)為0.004 8/a，相比之下，人類活動對植被覆蓋變化的積極影響更為強烈。Liu等[45]結(jié)合殘差分析和土地利用變化理論研究重慶植被NDVI變化過程中亦發(fā)現(xiàn)人類活動對重慶植被恢復(fù)起主導(dǎo)作用。氣候因子促使NDVI增加、下降的區(qū)域分別占93.52%，6.48%，其中極高值區(qū)(CF>0.003)大部分集中于萬州至長壽、涪陵一帶，其余則零散分布在主城區(qū)以南及渝東南，這些區(qū)域多為地勢較為平坦的農(nóng)作物種植區(qū)，對氣候響應(yīng)敏感。人類活動促使NDVI增加、下降的區(qū)域分別占95.97%，4.03%，絕大部分區(qū)域的植被受到人類活動的積極影響，結(jié)合封地育林、造林和城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積統(tǒng)計(圖7)可知，重慶近18 a來一直在推進封地育林、退耕還林、人工造林等生態(tài)工程，這進一步佐證重慶植被顯著改善很大程度上受益于人類活動——生態(tài)工程建設(shè)。Qu等[15]在長江流域植被研究中也指出生態(tài)工程的實施可促進植被恢復(fù)，改善流域生態(tài)環(huán)境。師賀雄等[46]研究認(rèn)為退耕還林工程提高了長江中上游地區(qū)的植被覆蓋度和生態(tài)效益。而人類活動導(dǎo)致NDVI下降的極低值區(qū)(UF<-0.007)則分布于主城區(qū)及周圍和長江沿岸城市一帶，結(jié)合城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積逐年增長的特征可以發(fā)現(xiàn)，城市擴張是造成當(dāng)?shù)刂脖煌嘶闹饕蛩?。易浪等[23]研究認(rèn)為人口持續(xù)增長、快速城市化會導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)植被減少，所以在經(jīng)濟發(fā)展較快的地區(qū)人類活動對植被生長有著抑制作用。總體而言，降水、氣溫和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)均以促進作用為主，但人類活動對NDVI的貢獻(xiàn)高于氣候因子的貢獻(xiàn)。而兩類驅(qū)動因子平均貢獻(xiàn)相差較大，這是由于人類活動對植被覆蓋變化的影響時間短、作用強，諸如生態(tài)修復(fù)工程短期內(nèi)可見成效；而自然因素對植被的作用緩慢且穩(wěn)定，需長期的影響方可改變植物的生長狀況。

圖6 氣候因子和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻(xiàn)

圖7 封地育林、造林和城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積統(tǒng)計

4 結(jié)論與展望

本文以MODIS-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對近18 a來重慶植被NDVI的時空變化特征進行探究，并分析氣候因子和人類活動對植被NDVI變化的貢獻(xiàn)。結(jié)論如下：(1) 2001—2018年，重慶植被NDVI年均變化率為0.61%，整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，2006年、2011年、2014年、2016年NDVI下降與干旱、連陰雨以及冰凍災(zāi)害有一定關(guān)系。(2) 近18 a來重慶植被覆蓋和恢復(fù)狀況較好，NDVI呈極顯著增加、顯著增加區(qū)域占總面積的85.15%，NDVI呈極顯著退化、顯著退化僅占1.48%，且森林面積增長趨勢與植被年均NDVI較為一致，這表明重慶植被大面積恢復(fù)顯著與生態(tài)工程建設(shè)密切相關(guān)。(3) 重慶植被NDVI與降水和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)均以正相關(guān)為主，兩類氣候因子同時呈正相關(guān)的區(qū)域為重慶農(nóng)作物主要種植區(qū)域，其植被生長特點使其對水熱條件依賴性較強。(4) 2001—2018年重慶大部分地區(qū)植被均受到降水、氣溫的促進作用，降水、氣溫平均貢獻(xiàn)分別為0.000 7/a，0.000 6/a。重慶植被NDVI平均年際變化率為0.006 1/a，氣候因子和人類活動平均貢獻(xiàn)分別為0.001 3/a，0.004 8/a，這表明人類活動對植被覆蓋變化的積極影響更為強烈，其封地育林、退耕還林等生態(tài)工程使重慶大面積植被得到顯著改善，而人類活動的城市擴張又導(dǎo)致城市區(qū)域的植被退化。

本研究主要以基于偏導(dǎo)數(shù)的方法解釋各個驅(qū)動因子對重慶植被NDVI的貢獻(xiàn)，但由于時間跨度和尺度有限，僅用18 a及年尺度數(shù)據(jù)探究重慶植被覆蓋變化，導(dǎo)致氣候因子對NDVI的貢獻(xiàn)結(jié)果可能有失精度。而自然因素對植被的影響需要長時間、多角度的觀測，因此在今后的研究中可以結(jié)合多源、多尺度以及更長時間的觀測數(shù)據(jù)分析植被對氣候因子的響應(yīng)；除此之外，植物的發(fā)育亦與濕度、光照、土壤養(yǎng)分和生態(tài)群落等因素有一定關(guān)系，其作用范圍及深度如何量化等問題有待研究。另一方面，由于人口持續(xù)增長，經(jīng)濟高速發(fā)展，人類為尋求高水平生活對自然界的影響越發(fā)強烈，故而引發(fā)全球變暖，極端氣候事件增多，最終反饋至人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。因此，如何細(xì)分人類行為對植被覆蓋變化的影響以及探究人類活動、氣候變化和植被覆蓋變化三者之間相互作用關(guān)系，對實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)作用。