衡嘉堯, 王宏衛(wèi), 樊 影, 王正偉, 高一薄, 伊素燕
(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830046)
植被覆被的變化對于干旱區(qū)綠洲較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)具有一定的影響[1]。在迅速的全球環(huán)境變化下,植被覆蓋變化容易受到氣候和人類活動(dòng)的共同影響,地表植被對氣象因素和人類活動(dòng)干擾響應(yīng)已成為全世界研究的熱點(diǎn)問題[2]。塔里木盆地北緣綠洲地處我國西北干旱區(qū),屬于生態(tài)敏感性較強(qiáng)的區(qū)域,同時(shí)也是該區(qū)人類生產(chǎn)生活的聚集區(qū)域,綠洲區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)聚落慢慢形成。因此,分析綠洲區(qū)內(nèi)植被覆被時(shí)空變化特征并探討氣象要素和人類活動(dòng)要素對其變化的影響對干旱區(qū)綠洲植被的治理與恢復(fù)提供重要的理論依據(jù)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)在植被生物量監(jiān)測[3]、植被群落組成與分類、自然災(zāi)害災(zāi)情評估、土地利用和覆被變化等研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4-5]。此外,作為遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),NDVI覆蓋范圍廣[6],其數(shù)據(jù)具有時(shí)序特征[7],為地理學(xué)者提供了一種定量分析地表植被變化的方法。塔里木盆地北緣綠洲區(qū)是典型的大陸性暖溫帶干旱氣候,北邊有天山作為屏障,其植被分布特點(diǎn)為:南部平原植被覆被度低,山地垂直帶明顯,森林面積有限,總體植被覆蓋度較低,生態(tài)系統(tǒng)脆弱[8]。根據(jù)徐長春等[9-10]對新疆NDVI的研究表明,區(qū)域整體NDVI主要呈增長趨勢,并且與溫度、日照長度與降水等因素有關(guān);劉超等[11]利用1999—2014年的NDVI數(shù)據(jù)分析天山北坡前山帶降水分布型對荒漠植被的影響;張文強(qiáng)等[12]利用RF模型對北疆干旱區(qū)綠洲植被變化與驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模擬分析;但對于塔里木盆地北緣綠洲植被變化特征及其響應(yīng)因素研究較少,值得注意的是,上述研究都是在單一尺度探討NDVI的變化特征,且注重氣候要素對覆被變化的影響,缺乏對人類活動(dòng)對覆被變化影響定量分析。鑒于此,本文利用2000—2018年基于MODIS的NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù),探究塔里木盆地北緣綠洲NDVI及不同覆被類型NDVI的時(shí)空變化規(guī)律,分析不同覆被類型與環(huán)境要素的響應(yīng)關(guān)系,并探討人類活動(dòng)要素對綠洲區(qū)植被覆被變化的直接和間接影響,旨在為塔里木盆地北緣綠洲區(qū)生態(tài)功能維護(hù)和各項(xiàng)生態(tài)保護(hù)措施的開展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。
塔里木盆地北緣綠洲位于新疆天山南麓、塔里木盆地以及世界第二大沙漠塔克拉瑪干沙漠的北部,東部與巴音郭楞蒙古自治州相鄰地。理坐標(biāo)78°08′—89°58′E,39°31′—43°36′N。東西走向塔里木河貫穿綠洲區(qū),南北走向有阿克蘇河、渭干河、迪娜河與開都河。研究區(qū)由阿克蘇綠洲和巴州北部綠洲組成,是溫帶大陸性干旱氣候且地處塔克拉瑪干沙漠北緣[13],其南部植被覆蓋率較低。該綠洲區(qū)地形地貌多樣,氣候干燥,降水稀少,夏季炎熱,冬季干冷[14],年溫差和日溫差較大,年日照時(shí)數(shù)為2 658~4 440 h,晝夜溫差大,無霜期較長。
NDVI數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云的植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A1,時(shí)間分辨率16 d,空間分辨率500 m×500 m,時(shí)間序列為2000年1月至2018年12月。利用最大值合成法MVC(maximum value composites)對全年數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而獲得的NDVI年最大值,代表當(dāng)年植被覆蓋最優(yōu)狀態(tài)。該方法可有效降低云層、氣溶膠等因素的干擾,尤其是排除了綠洲區(qū)冬春季積雪對植被觀察的影響[15],進(jìn)一步提高NDVI數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.com)中2015年中國100萬植被類型空間矢量數(shù)據(jù)[16],根據(jù)國家植被分類系統(tǒng)中植被型組劃分出針葉林、闊葉林、灌叢、草原、草甸、濕地、高山植被與荒漠,并結(jié)合塔里木盆地北綠洲區(qū)人工植被劃分出栽培植物。由于研究區(qū)屬于地處沙漠邊緣,因此綠洲區(qū)包括部分沙漠區(qū)域。鑒于本文的關(guān)注重點(diǎn)為多年植被覆蓋區(qū),因此水體和沙漠地不再作為研究對象進(jìn)行探討。氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.com)的氣象空間插值數(shù)據(jù)集,作投影轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)掩膜處理,提取出與NDVI投影坐標(biāo)和分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。在分析研究區(qū)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)時(shí),采用ArcGIS做柵格均值化處理,獲得氣象數(shù)據(jù)的區(qū)域平均值。人類活動(dòng)數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[17]和《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》[18],綜合塔里木盆地北緣綠洲自然條件與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),選取人口、牲畜數(shù)量、林業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)總產(chǎn)值和固定資產(chǎn)投資6個(gè)指標(biāo)作為分析對象。
2.2.1 NDVI變化趨勢分析 通過對柵格采用一元回歸趨勢分析可直觀地看到研究時(shí)序內(nèi)植被NDVI覆蓋動(dòng)態(tài)變化的空間特征[19],計(jì)算公式為:
(1)
式中:n為研究時(shí)間序列年數(shù),即19 a(2000—2018年);i代表年序號; NDVIi代表第i年最大化NDVI值;θ為趨勢線斜率,代表單個(gè)像元NDVI的變化趨勢,當(dāng)θ>0時(shí),表明該目標(biāo)像元19 a間植被覆蓋趨于改善;反之,則說明此像元植被生長呈退化趨勢。
2.2.2 相關(guān)分析 通過探求環(huán)境要素與植被NDVI間的相互關(guān)系,分析影響塔北綠洲區(qū)植被NDVI的影響程度。本研究采用相關(guān)分析法分析NDVI對氣象要素的響應(yīng)程度。表達(dá)式為:
(2)
2.2.3 偏相關(guān)分析 考慮到植被覆被變化受多種要素的共同影響,各要素間可能并不相互獨(dú)立,運(yùn)用偏相關(guān)分析對要素之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行測度,可單獨(dú)分析單個(gè)要素對植被NDVI的影響。根據(jù)年均溫、年降水量與NDVI的相關(guān)系數(shù),計(jì)算氣象要素與NDVI的偏相關(guān)系數(shù)[20]:
(3)
式中:rab,c為剔除要素c后a與b的偏相關(guān)系數(shù);rab,rac,rbc分別代表要素a與要素b、要素a與要素c、要素b與要素c的相關(guān)系數(shù)。
2.2.4 通徑分析 將環(huán)境要素與NDVI相關(guān)系數(shù)分解為要素對植被NDVI的直接效應(yīng)與間接效應(yīng)[21-22]。參考杜家菊等[23]的研究方法,通過影響因子與植被NDVI的通徑分析,研究各主控因子對NDVI的直接作用(通徑系數(shù))和間接作用(間接通徑系數(shù)),間接通徑系數(shù)公式如下:
∑rijPi=rxixj·Pxj
(4)
式中:∑rijPj為間接通徑系數(shù);rxixj為形態(tài)性狀xi和xj之間的相關(guān)系數(shù);Pxj為影響因子xj對NDVI的通徑系數(shù)。
決定系數(shù)是將環(huán)境要素對NDVI的綜合作用進(jìn)行排序[24],利用相關(guān)系數(shù)和通徑系數(shù),根據(jù)下列公式計(jì)算影響因子對綠洲區(qū)植被NDVI的決定系數(shù),表達(dá)式為:
(5)
式中:dxi代表環(huán)境要素xi的決定系數(shù),當(dāng)Pxi>0時(shí),代表環(huán)境要素對植被NDVI作用為協(xié)同,反之,作用為限制。
采用最大值合成法(MVC)獲得每一年植被NDVI后作加權(quán)平均處理,得到該年度綠洲區(qū)的平均NDVI值,分析其年際變化特征。從圖1可以看到,2000—2018年塔里北緣綠洲不同植被類型NDVI總體處于波動(dòng)上升態(tài)勢,植被覆蓋有所增加。研究各時(shí)段不同植被NDVI時(shí)序變化中,2000—2003年均處于逐步上升趨勢,自2003年開始有大幅度下降,之后處于波動(dòng)下降趨勢,至2009年不同植被類型NDVI開始呈大幅度上升趨勢,濕地、針葉林、草甸、闊葉林在2011年達(dá)到最大值,草原、高山植被和荒漠在2010年達(dá)到峰值。草原、濕地、針葉林與灌叢NDVI波動(dòng)幅度較大,荒漠和栽培植物NDVI增加顯著。從表1可知,塔里木盆地北緣綠洲NDVI增長速率為0.033/10 a,植被覆蓋類型的增長速率由高到低依次為栽培植物、灌叢、闊葉林、草甸、荒漠、草原、濕地、針葉林和高山植被,變化速率依次為0.073/10 a,0.064/10 a,0.052/10 a,0.043/10 a,0.041/10 a,0.03/10 a,0.024/10 a,0.023/10 a和0.018/10 a。
圖1 塔里木盆地北緣綠洲2000-2018年不同覆被類型年均NDVI變化
一元回歸趨勢線法直觀地反映了塔里木盆地北緣綠洲植被NDVI在空間上的變化特征(表1)。從圖2可以看到塔北綠洲區(qū)NDVI變化斜率和變化顯著性,研究區(qū)植被NDVI整體呈增加趨勢,北部海拔較高區(qū)域和中部聚落區(qū)域NDVI存在退化現(xiàn)象。其中,柯坪縣、烏什縣、阿克蘇市、阿瓦提縣中部、拜城縣南部、新和縣、庫車縣中部與北部地區(qū)、輪臺(tái)縣北部與南部地區(qū)、焉耆回族自治縣東部、和靜縣東南部、和碩縣南部與中部部分地區(qū)、尉犁縣南部和東部部分地區(qū)植被覆蓋度明顯改善;溫宿縣西南部、庫車縣南部、輪臺(tái)縣中部、和靜縣、博湖縣和尉犁縣北部部分地區(qū)植被覆蓋有明顯退化現(xiàn)象。統(tǒng)計(jì)得出塔里木盆地北緣綠洲NDVI增加區(qū)域面積239 732.09 km2,占區(qū)域總面積的89.75%,增加幅度達(dá)到顯著水平(p<0.05)以上的面積為60 619.05 km2,占研究區(qū)總面積的22.69%(表2)。
表1 塔里木盆地北緣綠洲不同植被類型NDVI年際線性變化
表2 塔里木盆地北緣綠洲各覆被類型NDVI變化顯著性
圖2 塔里木盆地北緣綠洲2000-2018年NDVI變化趨勢及其顯著性空間分布
其中前3種植被類型高于塔北綠洲區(qū)平均水平;按植被NDVI增加幅度的顯著水平以上(p<0.05)的面積占比排序,依次為針葉林(50.35%)、高山植被(46.55%)、濕地(41.68%)、草原(34.48%)、草甸(24.73%)、灌叢(14.69%)、闊葉林(14.58%)、荒漠(10.92%)和栽培植物(10.87%)。從NDVI增加面積來看,荒漠、栽培植物與草甸對塔北綠洲區(qū)植被改善貢獻(xiàn)最大。
3.3.1 氣象要素的年際變化 圖3為塔里木盆地北緣綠洲區(qū)19 a間降水和氣溫的變化趨勢圖。19 a間年均降水量表現(xiàn)出波動(dòng)微降趨勢,下降速率為27.22 mm/10 a,未通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn),其中在2007年降水異常偏高達(dá)到峰值,在2015年達(dá)到谷值,其余年份降水量均達(dá)呈波動(dòng)變化狀態(tài);氣溫方面,綠洲區(qū)19 a間的氣溫呈波動(dòng)下降狀態(tài),下降速率為0.772 ℃/10 a,通過顯著性檢驗(yàn),其中氣溫的峰值在2008年達(dá)到8.96 ℃,谷值在2015年僅為6.22 ℃,在2002,2004,2009,2013和2016年氣溫均處于較高狀態(tài),在2003,2012和2018年處于較低水平。
圖3 塔里木盆地北緣綠洲2000-2018年年均降水量和年均氣溫變化趨勢
3.3.2 植被NDVI對自然要素的響應(yīng)特征 分析像元尺度的上的19 a間NDVI與降水的相關(guān)系數(shù)。結(jié)果表明,塔里木北緣綠洲區(qū)植被NDVI和降水不相關(guān)區(qū)域占75.82%,說明降水與綠洲區(qū)NDVI相關(guān)關(guān)系并不顯著,這與徐應(yīng)濤[25]、王濤[26]、丁玥等[27]人研究結(jié)論一致。值得注意的是,與氣溫呈正相關(guān)植被NDVI主要分布在塔里木河流域[28]。塔北綠洲區(qū)NDVI與降水呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占極少,僅占綠洲區(qū)0.42%??傮w來看,塔里木盆地北緣綠洲NDVI與降水量特征相關(guān)性并不顯著。由圖4可以看出,2000—2018年NDVI與氣溫的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,塔里木盆地北緣綠洲NDVI與氣溫負(fù)相關(guān)為主導(dǎo)(72.15%),其中顯著負(fù)相關(guān)占研究區(qū)面積的9.27%,主要分布在塔里木河流域和開都河流域,這與張晉霞等[9]人研究結(jié)論一致;呈正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)的1.85%,主要分布在塔北綠洲北部高山植被與草甸區(qū)域,其中呈顯著正相關(guān)僅占區(qū)域總面積的0.14%??傮w來看,氣溫變化對塔里木盆地北緣綠洲植被NDVI具有負(fù)面效應(yīng),尤其是氣溫降低促進(jìn)流域附近植被覆蓋度增加。
圖4 塔里木盆地北緣綠洲2000-2018年NDVI與年均降水量、年均氣溫的相關(guān)性空間分布
為分析不同植被類型對氣象要素的響應(yīng)情況,對綠洲區(qū)2000—2018年各個(gè)植被類型進(jìn)行相關(guān)分析和偏相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)可得(表3),塔里木盆地北緣綠洲NDVI與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.605 2,呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05),除了濕地、高山植被和針葉林外,其余覆被類型均相關(guān)系數(shù)均通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)。相比氣溫,降水對不同覆被類型的NDVI均未達(dá)到顯著性水平,不同覆被類型的NDVI與降水量間的相關(guān)系數(shù)與綠洲區(qū)整體情況基本一致,說明降水對塔北綠洲各植被變化相關(guān)性較弱。從偏相關(guān)分析看到,排除年均溫的影響,年均降水量對不同覆被類型NDVI(除荒漠和濕地)由抑制轉(zhuǎn)為協(xié)同作用,但并不顯著,說明溫度的變化影響了植被生長對降水的響應(yīng)方向,其可能的原因是氣溫的降低使得蒸騰作用減少,即使降雨量下降植物亦能保持水分。
表3 塔里木北緣盆地綠洲NDVI與自然要素的相關(guān)系數(shù)
植被生長變化是不僅是氣象要素的影響,它是環(huán)境要素的綜合作用[29]。這些環(huán)境要素還包括生產(chǎn)生活方式、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等人為環(huán)境要素。本研究選取人口、牲畜數(shù)量、林業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)總產(chǎn)值、工業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資6個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為人為環(huán)境要素。其中,林業(yè)總產(chǎn)值代表林業(yè)生產(chǎn)使用情況,側(cè)面反映當(dāng)年林業(yè)發(fā)展?fàn)顩r,牧業(yè)總產(chǎn)值代表了畜牧業(yè)的生產(chǎn)情況,牲畜數(shù)量代表了綠洲區(qū)放牧強(qiáng)度,工業(yè)總產(chǎn)值代表了工業(yè)化和現(xiàn)代化的發(fā)展水平,人口數(shù)量和固定資產(chǎn)投資反映了社會(huì)發(fā)展水平。
將NDVI作為因變量,降水量(X1)、氣溫(X2)、人口(X3)、牲畜數(shù)量(X4)、林業(yè)總產(chǎn)值(X5)、牧業(yè)總產(chǎn)值(X6)、固定資產(chǎn)投資(X7)、工業(yè)總產(chǎn)值(X8)這8個(gè)要素作為自變量,建立最優(yōu)化多元回歸方程:
Y=-0.008X2+4.167×10-4X5-
3.114×10-5X6+0.313
(R2=0.939,p<0.05)
(5)
說明氣溫、林業(yè)總產(chǎn)值與牧業(yè)總產(chǎn)值對研究區(qū)NDVI存在顯著效應(yīng)(p<0.05),其余因素對NDVI影響不顯著,在逐步回歸分析中剔除?;诨貧w方程,對氣溫、林業(yè)總產(chǎn)值、牧業(yè)總產(chǎn)值進(jìn)行通徑分析,從表4可以看到,氣溫對植被NDVI的直接通徑系數(shù)為-0.394,間接通徑系數(shù)為0.123,說明氣溫對塔里木北緣綠洲NDVI存在負(fù)面作用,通過其他要素從抑制轉(zhuǎn)為協(xié)同。林業(yè)總產(chǎn)值直接通徑系數(shù)為0.612,說明林業(yè)總產(chǎn)值對綠洲區(qū)NDVI具有很好的正效應(yīng)。牧業(yè)總產(chǎn)值直接通徑系數(shù)為-0.527,間接通徑系數(shù)為-0.148,說明牧業(yè)產(chǎn)值的增加對植被NDVI變化具有抑制作用,但通過其他要素對植被抑制降低。此外,氣溫、林業(yè)總產(chǎn)值和牧業(yè)總產(chǎn)值的決定系數(shù)分別為0.353,0.227和0.160,說明氣溫對NDVI的綜合作用最強(qiáng),林業(yè)總產(chǎn)值次之,牧業(yè)總產(chǎn)值對NDVI作用較弱,其中林業(yè)總產(chǎn)值為主要協(xié)同要素,氣溫為主要限制要素。
表4 塔里木盆地北緣綠洲植被NDVI與環(huán)境要素的通徑分析
塔里木盆地北緣綠洲屬于大陸性暖溫帶干旱氣候[13],北有天山作為屏障,南受塔克拉瑪干沙漠影響,干旱少雨,自然環(huán)境較為惡劣,生態(tài)環(huán)境十分脆弱,因此對其植被覆被的變化特征和影響因素具有探究價(jià)值。結(jié)果表明,塔里木北緣綠洲區(qū)不同植被類型NDVI增加面積均大于60%,總體趨于上升狀態(tài),地表生態(tài)逐漸改善??傮w來看,本文植被NDVI變化趨勢的結(jié)果與歐亞大陸得出的植被覆蓋變化結(jié)論基本一致[30]。氣溫和降水是影響植被覆蓋的主要自然要素[31]。塔里木盆地北緣綠洲區(qū)氣溫對植被NDVI的影響遠(yuǎn)大于降水。其原因可能有兩個(gè)因素導(dǎo)致,綠洲區(qū)屬于大陸性暖溫帶干旱氣候,降水量稀少,因此降水量的變化特征對塔北綠洲區(qū)植被的影響很小。此外,氣溫的降低會(huì)導(dǎo)致蒸騰作用的減少,在一定程度上削弱了降水對植被的直接作用[32];綠洲區(qū)南部處于塔克拉瑪干沙漠北部,多為荒漠植被,荒漠植被旱化特征明顯,大多依靠地下水或者降水轉(zhuǎn)化的土壤水供給植被,因此對年際降水量的響應(yīng)較低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),不同覆被類型對降水的響應(yīng)普遍不顯著,該現(xiàn)象在灌叢、闊葉林和高山植被較為明顯,分別探究其成因,首先,灌叢和闊葉林對降水的響應(yīng)低主要因其發(fā)達(dá)根莖深入土壤,植被的生長取決于深層土壤水含量,與年均降水量關(guān)系較小[33];其次,高山植被位于高山帶,具有耐寒性[34],其對于降水的依賴性遠(yuǎn)低于氣溫的變化。除此之外,排除氣溫的影響后,降水對不同植被NDVI的影響由不顯著抑制轉(zhuǎn)為不顯著促進(jìn)作用,說明在塔北綠洲區(qū)氣溫會(huì)影響降水對植被的作用方向。
(1) 2000—2018年,塔里木盆地北緣綠洲植被NDVI增加區(qū)域面積為2.39×105km2,占區(qū)域總面積的89.76%,綠洲區(qū)NDVI整體呈波動(dòng)上升趨勢,增速為0.033/10 a。在空間尺度上表現(xiàn)為研究區(qū)中部至南部整體呈增加趨勢,植被覆蓋度有所好轉(zhuǎn),北部和中部的部分地區(qū)存在退化區(qū)域。
(2) 研究時(shí)段內(nèi),綠洲區(qū)19 a間的氣溫呈波動(dòng)下降狀態(tài),下降速率為0.772 ℃/10 a,通過了0.05顯著性檢驗(yàn);降水方面,19 a間表現(xiàn)出波動(dòng)微降趨勢,下降速率為272.17 mm/10 a,基本處于平衡趨勢狀態(tài)。氣象要素中,綠洲區(qū)植被NDVI與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.605 2,負(fù)相關(guān)區(qū)域站綠洲區(qū)總面積72.15%。綠洲區(qū)NDVI與降水量相關(guān)性并不顯著,對植被的生長影響較低。
(3) 在人為環(huán)境要素中,林業(yè)總產(chǎn)值和牧業(yè)總產(chǎn)值是影響植被NDVI的主控因子,其中林業(yè)總產(chǎn)值綠洲區(qū)NDVI具有很好的正效應(yīng),牧業(yè)總產(chǎn)值增加對植被NDVI變化具有抑制作用。
綜合分析,氣溫、林業(yè)總產(chǎn)值和牧業(yè)總產(chǎn)值是綠洲區(qū)NDVI變化的主控因子,其中氣溫對植被變化綜合作用最強(qiáng),林業(yè)總產(chǎn)值作用次之,牧業(yè)總產(chǎn)值作用最弱。