耿慶玲,陳曉青,赫曉慧,*,田智慧

1 鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,鄭州 450052 2 鄭州大學(xué)中國氣象科學(xué)研究院-鄭州大學(xué)生態(tài)氣象聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450052

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,植被在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維持地表能量平衡等方面起著關(guān)鍵作用[1—2],但對(duì)外界環(huán)境的變化也較為敏感[3]。長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測和評(píng)估植被變化及其驅(qū)動(dòng)要素對(duì)于理解全球變化的影響,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的有效管理具有重要價(jià)值[4]。植被變化通常受氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用[5],受景觀環(huán)境異質(zhì)性與人為干擾強(qiáng)度差異的影響[6],不同植被類型對(duì)驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)程度有所差別[7—8]。因此,針對(duì)不同植被類型時(shí)空格局演變及歸因進(jìn)行研究,可有效促進(jìn)對(duì)區(qū)域植被動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理解。

全球環(huán)境變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系研究是近年來全球變化領(lǐng)域的核心內(nèi)容之一[9—10]。研究表明,在氣候變暖影響下,全球植被,尤其是北半球植被呈顯著增強(qiáng)趨勢[11]。但是,由于不同植被類型對(duì)全球變化的敏感性不同,其驅(qū)動(dòng)要素存在較大差異。如在1982—2015年期間,北半球除常綠闊葉林外,其它類型植被生長主要受降水影響[12],而在中國,落葉闊葉林、開放灌叢和草原則均與氣溫和降水呈正相關(guān)關(guān)系,但對(duì)氣溫的響應(yīng)更加強(qiáng)烈[13]。因此,揭示不同植被類型的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候因素的響應(yīng)特征,對(duì)于理解陸地與大氣的交互作用具有重要意義,也成為氣候變化背景下國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)[14—15]。但除氣候因素外,不同植被類型受到人為因素的影響也不同[16—17]。不少學(xué)者已對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)特定類型植被變化的相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行了量化,如草地、沼澤、荒漠等[18—21]。但是,對(duì)植被類型進(jìn)行區(qū)分更有利于揭示植被變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[6]。例如,在西北干旱區(qū),人類活動(dòng)更多的改善了農(nóng)作物、荒漠、草地和高山植被等,但對(duì)森林、灌木、沼澤等植被類型的退化作用較大；而氣候變化對(duì)除沼澤外的各種植被類型的恢復(fù)作用均較大[22]；在西南喀斯特地區(qū),氣候因素僅可以解釋8.5%的年均NDVI的變化情況,但是對(duì)草地的影響幾乎是農(nóng)田的影響的4倍[23]?？傮w來看,目前的研究大多局限于單一植被類型,且不同地區(qū)植被生長的最重要驅(qū)動(dòng)因素仍不清楚,現(xiàn)階段尚缺乏對(duì)中國不同植被類型時(shí)空變化及其歸因特征系統(tǒng)而全面的認(rèn)識(shí)。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是反映植被生長狀態(tài)及其覆蓋度的有效指標(biāo)[24—25],目前在植被變化監(jiān)測的研究中得到了廣泛應(yīng)用。因此本文基于2000—2015年中國植被NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù),定量分析了不同植被類型動(dòng)態(tài)變化特征及其對(duì)驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)程度。旨在揭示2000—2015年我國不同植被類型的改善和退化狀況,定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)在不同植被類型改善和退化過程中的相對(duì)貢獻(xiàn),以期為系統(tǒng)認(rèn)識(shí)氣候和人為因素對(duì)我國植被變化的影響,深入理解不同類型植被改善和退化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供科學(xué)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2000—2015年植被NDVI數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為1km。該數(shù)據(jù)集基于SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),具有空間分辨率高、對(duì)植被變化敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢,適合于大尺度和中尺度植被變化的研究[26]。為消除低植被覆蓋區(qū)域土壤背景值的干擾,將NDVI值<0.1的區(qū)域劃定為無植被區(qū)并進(jìn)行剔除[27]。

氣象數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)獲取,包括2000—2015年中國地區(qū)的年降水量和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。空間分辨率為1km,基于全國2400多個(gè)氣象站點(diǎn)日觀測數(shù)據(jù),采用平滑樣條函數(shù)法進(jìn)行空間插值得到。

2000年中國植被類型數(shù)據(jù)集來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),空間分辨率為1km。為充分了解我國主要植被類型對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)情況,按照植被類型的一級(jí)分類,將植被分為森林、灌叢、草原、農(nóng)作物、沼澤、荒漠植被等6種類型(圖1)。

圖1 中國不同植被類型的空間分布Fig.1 Spatial distribution of different vegetation types in China

2000年與2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為1km。按照土地利用類型的一級(jí)地類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種類型。另外,在ArcGIS 10.3平臺(tái)下,將所有數(shù)據(jù)重投影為WGS84/Albers Equal Area Conic投影。

1.2 方法

1.2.1趨勢分析法

趨勢分析采用的是一元線性回歸分析法,該方法能夠減少偶發(fā)性因素對(duì)植被生長狀態(tài)的影響,可以準(zhǔn)確地反映出植被長期的變化趨勢[28]。因此,利用此方法分析2000—2015年中國植被的時(shí)空變化特征。計(jì)算公式為：

(1)

式中,slope表示NDVI變化趨勢；n表示研究時(shí)序；i為年序號(hào),等于1到n的整數(shù)；NDVIi表示第i年的NDVI值；當(dāng)slope>0,表示植被趨于改善,反之則退化。利用F檢驗(yàn)判斷趨勢的顯著性。計(jì)算公式為：

(2)

1.2.2氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)NDVI變化的相對(duì)貢獻(xiàn)分析

驅(qū)動(dòng)因素對(duì)NDVI變化的相對(duì)貢獻(xiàn)分析通過結(jié)合殘差分析法和情景模擬評(píng)估方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。殘差分析法是衡量氣候和人為影響因子對(duì)植被變化作用程度的一種常用方法。該方法通過逐像元建立NDVI與氣候因素的多元回歸模型,得到NDVI預(yù)測值,即氣候因素對(duì)植被變化的影響。在不考慮其他因素的情況下,將NDVI殘差值視為人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響。將該方法與趨勢分析法相結(jié)合,可以削弱由于植被飽和效應(yīng)而產(chǎn)生的對(duì)NDVI值的影響[29],其具體表達(dá)式如下:

NDVIp=a×T+b×P+C

(3)

NDVIh=NDVIo-NDVIp

(4)

式中,NDVIp表示NDVI預(yù)測值；NDVIh表示NDVI殘差值；NDVIo表示NDVI觀測值；a、b和c分別對(duì)應(yīng)多元回歸模型中年均溫、年降水和常數(shù)項(xiàng)的回歸系數(shù)；T和P分別為年均氣溫和年降水量。

情景模擬評(píng)估方法是根據(jù)計(jì)算的NDVIo、NDVIp、NDVIh的變化趨勢(slopeo、slopep、slopeh)構(gòu)建不同的情景,定量評(píng)估驅(qū)動(dòng)因素在植被改善和退化中相對(duì)貢獻(xiàn)的一種方法[30],所構(gòu)建的情景如表1所示。當(dāng)slopeo>0,表示植被趨于改善,反之則退化；當(dāng)slopep>0,表示氣候變化促進(jìn)植被生長,反之則抑制；當(dāng)slopeh>0,表示人類活動(dòng)促進(jìn)植被生長,反之則抑制。

表1 不同情景下驅(qū)動(dòng)因素對(duì)植被變化相對(duì)作用的計(jì)算方法Table 1 The calculation method of the relative effects of driving factors on vegetation change under different scenarios

2 結(jié)果

2.1 2000—2015年中國植被NDVI的時(shí)空變化特征

從時(shí)間上看,中國植被覆蓋狀況在2000—2015年間呈現(xiàn)不斷改善特征,NDVI呈波動(dòng)上升趨勢(增速為0.0034/a)。同時(shí),NDVI上升趨勢的階段性變化特征明顯,其中與起始年份差值在0—5年期間為快速上升階段,增速為0.0074/a；在5—15年期間則為緩慢上升階段,增速為0.0024/a。另外,整個(gè)研究期間,NDVI的變化范圍在0.483—0.542之間,平均值為0.516,最低值出現(xiàn)在起始年份2000年(圖2)。

圖2 2000—2015年中國植被NDVI年際變化 Fig.2 Inter-annual variations of NDVI in China during 2000—2015

從空間分布上看,中國大部分地區(qū)NDVI呈增加趨勢,具有增加趨勢的區(qū)域占植被總面積的84.1%,且這種趨勢以顯著性增加(P<0.05)為主,占比為52.6%,主要分布在黃土高原、東北平原、長白山脈、小興安嶺、云貴高原、天山山脈以及塔里木盆地北部邊緣地區(qū)。中國植被NDVI呈減少趨勢的面積比例相對(duì)較小,占15.9%,且減少趨勢以不顯著降低為主,占13.5%,主要分布在內(nèi)蒙古高原西南部和新疆東北部地區(qū)；呈顯著降低趨勢(P<0.05)的面積占植被總面積的2.4%,主要集中在我國中東部一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū),如長三角城市群及部分省會(huì)城市中心區(qū)域(圖4)。

圖3 2000—2015年中國植被NDVI變化趨勢Fig.3 NDVI change trend in China during 2000—2015

圖4 NDVI變化趨勢顯著性的空間分布Fig.4 Spatial distribution of NDVI trend significance

從不同植被類型上看,6種主要植被類型NDVI呈增加趨勢的比例均遠(yuǎn)高于呈減少趨勢的比例(圖5)。增長比例從高到低依次為：森林>灌叢>沼澤>農(nóng)作物>草原>荒漠植被。森林和灌叢植被NDVI顯著增加(P<0.05)的區(qū)域分布范圍較廣,分別占其總面積的82.4%和79.3%,對(duì)于沼澤植被而言,61.5%的區(qū)域呈顯著增加趨勢。同時(shí),在所有植被類型中,荒漠植被NDVI呈現(xiàn)退化態(tài)勢的比例最多,但植被退化主要呈不顯著降低趨勢,占荒漠植被總面積的30.3%；草原和農(nóng)作物NDVI呈現(xiàn)降低趨勢的比例幾乎相當(dāng),分別占其總面積的17.3%和15.8%,但農(nóng)作物NDVI的降低狀況更加嚴(yán)重,呈顯著降低(P<0.05)趨勢的比例最高,占農(nóng)作物總面積的5.0%。

圖5 中國不同植被類型NDVI變化趨勢Fig.5 NDVI change trend of different vegetation types in China

2.2 不同植被類型NDVI對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)

氣候因素對(duì)植被變化的驅(qū)動(dòng)作用如圖6所示,2000—2015年,氣候變化導(dǎo)致植被NDVI呈增加和降低趨勢的面積分別占植被總面積的72.8%和27.2%。從植被變化狀況來看,僅在氣候因素的影響下,植被NDVI變化趨勢以不顯著變化為主。其中呈不顯著增加趨勢的比例最大,占植被總面積的59.5%,主要分布在內(nèi)蒙古高原東北部、黃土高原和東南丘陵的西部地區(qū)；呈不顯著降低趨勢的比例次之,占24.8%,主要分布在內(nèi)蒙古高原中部、青藏高原西南部、祁連山脈、華北平原等地區(qū)。

人類活動(dòng)導(dǎo)致植被NDVI呈增加和降低趨勢的面積分別占植被總面積的84.4%和15.6%(圖6)。其中,呈顯著增加(P<0.05)趨勢的面積占44.7%,主要分布在黃土高原、長白山脈、天山山脈、東北平原和云貴高原東部地區(qū)；呈不顯著增加趨勢的面積占39.7%,主要分布在青藏高原和云貴高原西北部地區(qū)；而呈顯著降低(P<0.05)趨勢的比例最小,占植被總面積的2.0%,主要集中在長三角城市群及部分省會(huì)城市中心區(qū)域；呈不顯著降低趨勢的區(qū)域主要分布在青藏高原西北部和內(nèi)蒙古高原等地區(qū),占13.6%。

圖6 2000—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)中國植被變化的影響Fig.6 Effects of climate change and human activities on vegetation change in China during 2000—2015

對(duì)于不同植被類型而言,由于植被與氣候因素作用關(guān)系的復(fù)雜性,不同類型植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征存在顯著差異。沼澤和灌叢植被受到氣候變化的積極影響相對(duì)較大,氣候變化導(dǎo)致這兩種植被類型NDVI顯著增加(P<0.05)的區(qū)域分別占其總面積的25.4%和18.5%；對(duì)于森林和草原,17.7%和14.7%的區(qū)域呈顯著增加趨勢；在農(nóng)作物植被中,呈顯著增加趨勢的比例為9.6%；荒漠植被呈顯著增加趨勢的比例最小,僅占7.1%。值得注意的是,草原和荒漠植被受到氣候變化的消極影響較大,植被NDVI呈顯著降低(P<0.05)趨勢的比例相對(duì)較高,分別占其總面積的3.7%和4.4%(圖7)。

此外,由圖7可知,在人類活動(dòng)的積極干預(yù)下,森林和灌叢植被的覆蓋狀況得到明顯改善,植被NDVI呈顯著增加(P<0.05)趨勢的面積分別占其總面積的69.6%和68.1%；對(duì)于農(nóng)作物和沼澤,52.1%和45.1%的區(qū)域呈顯著增加趨勢；在草原植被覆蓋區(qū)域,呈顯著增加趨勢的面積占27.7%；而荒漠植被呈顯著增加趨勢的比例最小,僅占19.9%。從植被退化狀況來看,人類活動(dòng)對(duì)草原和農(nóng)作物NDVI降低的影響遠(yuǎn)大于其他植被類型。其中,草原植被NDVI呈顯著降低(P<0.05)趨勢的比例最高,占其總面積的17.4%,其次為農(nóng)作物,植被NDVI呈顯著降低趨勢的面積占其總面積的4.3%。

圖7 2000—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)中國不同植被類型NDVI變化的影響Fig.7 Effects of climate change and human activities on NDVI change of different vegetation types in China during 2000—2015

2.3 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)不同植被類型NDVI變化的相對(duì)貢獻(xiàn)

由圖8可知,在我國植被改善區(qū)域,氣候變化發(fā)揮的作用相對(duì)較小,貢獻(xiàn)率僅為23.6%,在大多數(shù)地區(qū),氣候變化對(duì)植被改善的貢獻(xiàn)率主要集中在0—20%范圍內(nèi)。氣候貢獻(xiàn)率在80%—100%范圍內(nèi)的面積較小,僅占植被改善面積的5.5%,主要分布在內(nèi)蒙古高原東南部、云貴高原西北部、青海南部等地區(qū)；與氣候因素相比,人類活動(dòng)對(duì)我國植被改善起到關(guān)鍵作用,貢獻(xiàn)率為76.4%,且在大部分地區(qū)的相對(duì)貢獻(xiàn)率達(dá)到60%以上,其中貢獻(xiàn)率在80%以上的區(qū)域占植被改善區(qū)面積的57.6%,主要分布在黃土高原、天山山脈、塔里木盆地北部邊緣、長白山脈、云貴高原東北部、東南丘陵西南部等地區(qū)。

圖8 2000—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被改善的相對(duì)貢獻(xiàn)Fig.8 Relative contributions of climate change and human activities to vegetation improvement during 2000—2015

在植被退化區(qū)域,盡管氣候變化對(duì)植被變化的貢獻(xiàn)率較植被改善區(qū)而言有所提高但仍低于人類活動(dòng)的作用(二者的相對(duì)貢獻(xiàn)分別為40.0%和60.0%)。其中,氣候變化對(duì)植被NDVI退化的貢獻(xiàn)率在80%—100%范圍內(nèi)的面積相對(duì)較大,占植被退化面積的25.3%,主要分布在青藏高原西南部、準(zhǔn)噶爾盆地和內(nèi)蒙古高原中部等地區(qū)；人類活動(dòng)對(duì)植被NDVI退化的貢獻(xiàn)率在80%以上的面積同樣較大,占植被退化面積的44.5%,主要分布在內(nèi)蒙古高原的西南部和東北部、華北平原、長江中下游平原、青藏高原東北部等地區(qū)(圖9)。

圖9 2000—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被退化的相對(duì)貢獻(xiàn)Fig.9 Relative contributions of climate change and human activities to vegetation degradation during 2000—2015

對(duì)于各植被類型而言,在我國植被改善區(qū)域,人類活動(dòng)對(duì)NDVI變化的貢獻(xiàn)率均明顯高于氣候變化的貢獻(xiàn)率。其中,人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)作物NDVI增長的貢獻(xiàn)率最大,為80.7%；其次為灌叢、森林、荒漠植被和草原,其貢獻(xiàn)率均在70%以上；人類活動(dòng)對(duì)沼澤植被的相對(duì)貢獻(xiàn)最小,但貢獻(xiàn)率仍接近70%(為69.3%)。在我國植被退化區(qū)域,草原和荒漠植被受到氣候變化和人類活動(dòng)的相對(duì)作用較為均衡,兩者對(duì)草原和荒漠植被退化的貢獻(xiàn)率分別為46.7%、53.3%和48.9%、51.1%。但在沼澤和農(nóng)作物植被NDVI降低過程中,人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率明顯較高,分別為72.9%和72.7%,氣候變化的貢獻(xiàn)率僅為27.1%和27.3%。同時(shí),人類活動(dòng)對(duì)森林、灌叢植被退化的貢獻(xiàn)率也相對(duì)較大,分別為68.5%、67.6%(圖10)。總體而言,人類活動(dòng)在我國不同植被類型NDVI增加和減少過程中的相對(duì)影響均較大。

圖10 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)中國不同植被類型NDVI變化的相對(duì)貢獻(xiàn)Fig.10 The relative contributions of climate change and human activities to NDVI change of different vegetation types in China

3 討論

在氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用下,2000—2015年間中國植被總體覆蓋狀況得到明顯改善,并且不同植被類型NDVI的變化趨勢均以增加為主,這一結(jié)果與已有研究中我國主要植被類型呈動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)綠趨勢這一結(jié)論相一致[31—32]。在對(duì)植被NDVI變化的歸因分析中發(fā)現(xiàn),人類活動(dòng)在不同植被類型改善和退化中的相對(duì)貢獻(xiàn)均較大。一方面,這與提高農(nóng)業(yè)綜合管理水平和生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目實(shí)施下的管理成效有關(guān)[33—34]；但另一方面,過度放牧及快速城市化等人類活動(dòng)對(duì)植被生長也產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響[35]。如內(nèi)蒙古高原的科爾沁沙地和長三角地區(qū)的植被NDVI在研究期間呈顯著下降趨勢(圖9)。

不同水熱條件在一定程度上決定了植被景觀格局,相應(yīng)地,不同植被類型對(duì)熱量條件與土壤水分變化的響應(yīng)存在較大差異[14]。在研究時(shí)段內(nèi),我國森林和灌叢植被的增加趨勢較為明顯,尤其是在黃土高原地區(qū)(圖3)。盡管這很大程度上與近年來大規(guī)模實(shí)施的三北防護(hù)林體系建設(shè)工程、退耕還林(草)工程和天然林保護(hù)工程等生態(tài)建設(shè)工程有關(guān),但該地區(qū)暖濕化的氣候趨勢也在一定程度上促進(jìn)了植被的生長與恢復(fù)[36]。沼澤植被的生長狀況也相對(duì)較好,這與近幾十年來全球氣候變暖的變化趨勢密切相關(guān)。氣溫上升使得部分沼澤分布區(qū)多年凍土融化,植被生長的土壤環(huán)境得到改善,氣候變化對(duì)沼澤植被生長產(chǎn)生了較強(qiáng)的正效應(yīng)[37]。然而,氣候因素對(duì)部分植被類型的負(fù)面作用也不容忽視,尤其是草原和荒漠植被的退化受氣候變化的影響相對(duì)較大(圖10),氣候驅(qū)動(dòng)下的植被退化區(qū)域分別位于準(zhǔn)噶爾盆地和青藏高原西南部、內(nèi)蒙古高原中部地區(qū),這些區(qū)域?qū)儆谖鞅备珊蹬c半干旱地區(qū),氣溫和降水量是影響植被生長狀況的主要限制性因素。在研究期間,年降水量顯著降低(圖11),導(dǎo)致干旱趨勢進(jìn)一步加劇,進(jìn)而對(duì)植被生長產(chǎn)生了不利影響[38]。與其他植被類型相比,草原和荒漠植被生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱,植被退化的風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖11 2000—2015年中國年降水量及年均氣溫變化趨勢空間分布Fig.11 Spatial distribution of change trend of annual precipitation and annual mean temperature in China during 2000—2015

圖12 2000—2015年間土地利用變化在各植被類型中的面積占比Fig.12 The proportion of land use change area in various vegetation types during 2000—2015

圖13 2000—2015年間土地利用變化對(duì)NDVI變化的影響Fig.13 Effects of land use change on NDVI change during 2000—2015

除氣候環(huán)境中的水熱條件外,人類活動(dòng)也是決定植被空間分布格局及動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因素。人類活動(dòng)對(duì)植被NDVI變化具有雙重作用,尤其是對(duì)于農(nóng)作物和草原。就農(nóng)作物而言,NDVI的增加主要受到人為因素影響,現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)工程在農(nóng)作物生長過程中起到明顯促進(jìn)作用[39],但在長三角城市群及部分省會(huì)城市附近,人為干擾對(duì)農(nóng)作物的破壞程度逐漸增強(qiáng)[40],因此,在糧食安全的戰(zhàn)略背景下,人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)作物帶來的負(fù)面影響應(yīng)當(dāng)引起足夠重視；草原主要分布在我國北方地區(qū),人類活動(dòng)對(duì)草原恢復(fù)的貢獻(xiàn)達(dá)到72.2%,這說明“退牧還草”計(jì)劃等生態(tài)項(xiàng)目對(duì)草原恢復(fù)具有顯著的正向作用。但是,應(yīng)當(dāng)引起注意的是,在內(nèi)蒙古高原西南部地區(qū),人類活動(dòng)對(duì)草地植被的破壞較為劇烈(圖9)。Mu等[41]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)放牧壓力并沒有得到緩解,而是隨著生態(tài)脆弱區(qū)圍封草地面積的增加和牲畜數(shù)量的增長,放牧壓力變得更加集中。此外,沼澤植被受到放牧活動(dòng)的影響也較大,青藏高原西南部地區(qū)的沼澤大多分布在牧區(qū),沼澤植被受到人類活動(dòng)的干擾更為強(qiáng)烈[42]。目前,控制放牧強(qiáng)度仍然是植被生態(tài)保護(hù)建設(shè)中的必要措施。

另外,人類活動(dòng)也會(huì)造成土地利用類型和利用方式發(fā)生變化,進(jìn)而對(duì)植被覆蓋面積和生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響,因此明晰土地利用變化的影響程度對(duì)于合理認(rèn)識(shí)植被動(dòng)態(tài)變化及其成因分析具有重要意義。本文通過量化土地利用變化對(duì)植被NDVI變化的貢獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[43],僅有2.3%的區(qū)域土地利用類型發(fā)生變化,且各類型土地發(fā)生變化的占比均較低(圖12)。由土地利用類型變化導(dǎo)致的NDVI的變化僅占NDVI變化的2.7%(圖13)。這一方面與所用數(shù)據(jù)的空間分辨率有關(guān)。盡管2000年以后,我國啟動(dòng)了一系列重大生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程,如退耕還林(草)項(xiàng)目,且城市發(fā)展迅速,這些確實(shí)在一定程度上會(huì)對(duì)我國的生態(tài)系統(tǒng)格局產(chǎn)生影響。然而,柵格數(shù)據(jù)中的單元格屬性值僅代表主要的土地覆蓋類型,進(jìn)而忽視了柵格內(nèi)部的空間異質(zhì)性。所以,柵格數(shù)據(jù)的空間分辨率越低,對(duì)空間信息的表達(dá)越有限。但是,較高的空間分辨率盡管對(duì)反映空間異質(zhì)性具有更高的代表性,卻增加了計(jì)算的難度。因此,選擇合適的空間尺度是研究相關(guān)問題的關(guān)鍵。本研究采用1km空間分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行全國尺度的植被變化分析,盡管在一定程度上忽視了土地利用變化的空間異質(zhì)性,但是仍能體現(xiàn)其整體的空間信息特征。另一方面,這一結(jié)果也間接表明了2000—2015年間,我國植被覆蓋發(fā)生顯著變化主要是由于土地利用管理方式的改變或生態(tài)保護(hù)措施下帶來的生態(tài)系統(tǒng)功能的提升,而不是土地利用類型變化導(dǎo)致的。如退耕還林(草)項(xiàng)目盡管會(huì)產(chǎn)生一定的耕地轉(zhuǎn)化,但是這一項(xiàng)目也涵蓋了封山育林、禁牧、天然林保護(hù)等自然恢復(fù)形式。而農(nóng)作物植被的變化則可能與農(nóng)業(yè)管理水平的提高或作物種類的改變有關(guān)。宋乃平等[44]通過對(duì)鹽池縣植被變化及其驅(qū)動(dòng)力的分析顯示,相比于土地利用類型變化,土地利用方式改善對(duì)植被動(dòng)態(tài)的影響更為關(guān)鍵,且前者對(duì)NDVI變化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者。因此假設(shè)在1km尺度上土地利用類型變化對(duì)NDVI變化的貢獻(xiàn)可以忽略。盡管這會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的不確定性,但是研究結(jié)果對(duì)于深入理解不同類型植被動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制這一問題仍具有一定參考價(jià)值。對(duì)于更明確的土地利用變化對(duì)植被NDVI的影響還需結(jié)合更高分辨率的空間數(shù)據(jù),這也是未來研究中需要進(jìn)一步解決的問題。

4 結(jié)論

本文基于2000—2015年SPOT VGT/NDVI數(shù)據(jù),在剔除非植被區(qū)域的基礎(chǔ)上,利用趨勢分析、殘差分析和情景模擬評(píng)估法研究了中國植被NDVI的時(shí)空變化特征,并進(jìn)一步明確了不同植被類型NDVI對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)兩種關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素的響應(yīng)。結(jié)果表明:

(1)2000—2015年我國植被覆蓋狀況得到明顯改善,NDVI呈波動(dòng)上升趨勢,增速為0.0034/a。其中2000—2005年為快速上升階段,增速為0.0074/a；2005—2015年為緩慢上升階段,增速為0.0024/a。

(2)在氣候變化和人類活動(dòng)的影響下,森林、灌叢和沼澤植被呈現(xiàn)綠化趨勢的比例較大,其中,森林植被的改善狀況最佳?；哪脖?、草原和農(nóng)作物受到兩者的負(fù)面影響較為明顯,荒漠植被呈現(xiàn)退化趨勢的比例最多,但植被退化以不顯著降低趨勢為主,占其總面積的30.3%。值得注意的是,農(nóng)作物NDVI的降低程度最為嚴(yán)重,呈極顯著降低和顯著降低趨勢的比例最高。

(3)隨著人為影響的日益加劇,植被對(duì)人類活動(dòng)表現(xiàn)出較高的敏感性。在我國植被改善區(qū)域,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被NDVI變化的相對(duì)貢獻(xiàn)分別為23.6%和76.4%；而在植被退化區(qū)域,兩者對(duì)植被變化的相對(duì)貢獻(xiàn)分別為40.0%和60.0%。這說明在16a時(shí)間尺度上,人類活動(dòng)是我國植被覆蓋變化的決定性因素,未來在對(duì)植被的保護(hù)和管理中不僅僅要關(guān)注人類活動(dòng)的積極影響,對(duì)人為干擾也應(yīng)予以足夠重視。

(4)不同類型植被對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)情況存在顯著差異。人類活動(dòng)對(duì)改善區(qū)植被的相對(duì)貢獻(xiàn)依次為：農(nóng)作物>灌叢>森林>荒漠植被>草原>沼澤；對(duì)于退化區(qū)植被,其相對(duì)貢獻(xiàn)為：沼澤>農(nóng)作物>森林>灌叢>荒漠植被>草原?？偟膩碚f,人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)作物和灌叢植被的影響遠(yuǎn)大于草原和荒漠植被,因此對(duì)植被類型加以區(qū)分,更有利于揭示植被變化的影響機(jī)制。