高思琦, 董國濤, 蔣曉輝, 聶 桐, 郭欣偉, 黨素珍

(1.西北大學 城市與環(huán)境學院, 西安 710127; 2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院, 鄭州 450003; 3.黑河水資源與生態(tài)保護研究中心, 蘭州 730030)

植被具有連接大氣、水分、土壤和人類社會的作用[1]，研究區(qū)域的植被覆蓋狀況有利于區(qū)域的生態(tài)保護，歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠真實地反映地表植被覆蓋狀況[2]。三江源生態(tài)環(huán)境脆弱，已有學者對三江源植被和氣候之間的關系進行了研究，研究方法多為相關分析法。李輝霞等[3]運用回歸模型發(fā)現(xiàn)三江源植被變化的決定性因素是氣候變化，人類活動只有短期的影響；孫慶齡等[4]運用Pearson相關分析法研究認為三江源不同地區(qū)影響NDVI變化的主要氣候因子不同；饒品增等[5]運用偏相關分析法發(fā)現(xiàn)氣候變化使三江源植被NDVI增加；劉憲鋒等[6]運用偏性關系數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)氣候暖濕化使三江源區(qū)植被覆蓋增加。

以往研究中對三江源NDVI自然驅動力的研究多局限于氣溫、降水等氣候要素，而地形、土壤等其他自然因素對NDVI也有一定影響[7]。三江源面積廣闊，自然環(huán)境復雜多樣，具有空間異質(zhì)性，不同自然因素對NDVI的影響不同且具有交互作用。王勁峰等[8]提出的地理探測器模型可以探測空間分異性及其驅動力，并可以探測因子之間的交互作用。目前已有學者將地理探測器應用于植被覆蓋影響因子的研究中。彭文甫等[9]研究發(fā)現(xiàn)自然因子對四川植被NDVI的影響存在交互作用；裴志林等[10]發(fā)現(xiàn)降水是黃河上游地區(qū)FVC空間分布的主要影響因素；Nie等[11]研究發(fā)現(xiàn)自然因素和人為因素聯(lián)合作用對陜北黃土高原植被影響更大；任立清等[12]認為日照時數(shù)對黑河上游NDVI變化影響最大；肖建勇等[13]研究發(fā)現(xiàn)地形氣候、人類活動分別主導非喀斯特地區(qū)和喀斯特地區(qū)的植被生長。

由于研究時間尺度不同，以往對于三江源植被變化趨勢的研究有兩種不同的結論：張鐿鋰等[14]認為1982—2001年植被覆蓋度呈下降趨勢；于秀娟等[15]認為2000—2009年植被呈退化趨勢；張翀等[16]認為1999—2010年植被覆蓋呈改善趨勢。以往的研究時序較短，不能完整地反映三江源植被的變化。因此本文運用一元線性回歸法分析三江源1982—2015年共34 a的NDVI時空變化特征，運用地理探測器模型定量研究三江源植被的空間分異性，探究NDVI空間分布的自然驅動因子，并確定適宜植被生長的自然因子范圍(類型)。

1 研究區(qū)概況

三江源(圖1)位于青海省南部，是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，地勢西高東低，平均海拔3 500～4 800 m，氣候屬于高原大陸性氣候，氣溫和降水由東南向西北遞減。地理位置為北緯31°39′—36°16′，東經(jīng)89°24′—102°23′，包括玉樹、果洛、海南、黃南4個藏族自治州的21個縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，總面積38.1萬km2，植被類型以高寒草甸、高寒草原和高山植被為主，三江源地區(qū)是我國重要的生態(tài)屏障，生態(tài)環(huán)境脆弱[17]，因此對于三江源生態(tài)的保護十分重要。

圖1 三江源區(qū)示意圖

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

研究采用三江源NDVI、DEM、氣候、地貌類型、土壤類型、植被類型等數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)來源于時空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺，采用1982—2015年空間分辨率為8 km，時間分辨率為16 d的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)[18]，進行最大值合成；年均溫、年降水量數(shù)據(jù)采用三江源地區(qū)及周邊共26個氣象站點1982—2015年的實測逐日氣象數(shù)據(jù)，通過反距離權重法插值獲得；土壤類型、植被類型、地貌類型數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)；DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，使用GDEMV 2 30 m的分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，高程、坡度、坡向由DEM數(shù)據(jù)計算獲取。以上數(shù)據(jù)均按照三江源矢量邊界提取，通過重采樣處理，與8 km的NDVI數(shù)據(jù)像元大小保持一致。

2.2 研究方法

2.2.1 植被NDVI等級劃分 使用1982年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期GIMMS植被NDVI數(shù)據(jù)，按照等間距方法[19]將NDVI值劃分為5個等級，分別為低(≤0.2)、中低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、中高(0.6～0.8)和高(>0.8)。

2.2.2 NDVI趨勢變化分析 一元線性回歸分析法可以分析影像中每個柵格的變化趨勢[20]，利用ArcGIS的柵格計算器對1982—2015年三江源NDVI進行一元線性回歸，研究三江源NDVI在1982—2015年的變化趨勢，按自然間斷點法將趨勢分為7類：明顯退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微提高、中度提高、明顯提高。公式[21]為：

(1)

式中:n為研究累計年數(shù)(本研究中n=34);變量i從1到n;NDVIi為第i年的NDVI值;slope為趨勢線斜率:若slope>0,則植被覆蓋呈增加趨勢;若slope<0,則植被覆蓋呈下降趨勢;若slope=0,則植被覆蓋無明顯變化。

2.2.3 信息提取 利用ArcGIS創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，根據(jù)三江源范圍，生成全區(qū)范圍內(nèi)8 km×8 km格網(wǎng)，共5 870個中心點作采樣點，提取空間上的屬性值，將其代入地理探測器處理。

2.2.4 自然因子分級 本文選取坡度、坡向、高程、土壤類型、植被類型、地貌類型、年均溫、年降水量8個自然因子分析三江源NDVI變化的自然驅動因子，利用自然斷點法[22]將坡向、高程、植被類型、年均溫、年降水量劃分9級，坡度劃分7級，土壤類型劃分為10類，地貌類型劃分為6類。

2.2.5 地理探測器模型 地理探測器是可以探測空間分異性及驅動因素的方法[8]。包括因子探測器、交互探測器、風險探測器以及生態(tài)探測器。因子探測用于探測自然因子對NDVI空間分布的解釋力，用q值表示，q值越大，自然因子對NDVI的影響力越大。本研究中自變量X為自然因子Xs(s=1,2,3,4,5,6,7,8)，見表1，因變量Y為NDVI；交互探測用于探測自然因子間的交互作用；風險探測用于判斷適宜植被生長的自然驅動因子范圍(類型)；生態(tài)探測用于判斷自然因子對NDVI影響力是否有明顯差異。

表1 自然因子

3 結果與分析

3.1 三江源NDVI時空變化特征

3.1.1 三江源NDVI時間變化特征 本研究選取1982—2015年NDVI年均值表示三江源每年的植被覆蓋狀況，整體變化趨勢為不顯著上升，這與錢拴等[23]的研究結果一致，NDVI均值由1982年的0.454上升到2015年的0.458，上升速率為0.002/10 a，NDVI最大和最小值分別出現(xiàn)在2010年和1995年，分別為0.493，0.430(圖2)。以上結果表明1982—2015年三江源植被覆蓋度正在緩慢提升。

3.1.2 三江源NDVI空間變化特征 三江源NDVI分布東南高西北低(圖3)，治多縣、唐古拉鄉(xiāng)、共和縣以及曲麻萊縣和瑪多縣的北部植被覆蓋度較低，這些區(qū)域大部分為高寒草原；囊謙縣、玉樹縣、稱多縣、班瑪縣、久治縣、達日縣、甘德縣、河南縣、澤庫縣、同德縣、興?？h南部以及瑪沁縣東部植被覆蓋較高，植被主要為高寒草甸以及灌叢，水熱條件較好，海拔相對較低。從不同分區(qū)來看，黃河源區(qū)和瀾滄江源區(qū)NDVI值較高，長江源區(qū)較低，說明黃河源區(qū)、瀾滄江源區(qū)植被覆蓋較好，長江源區(qū)較差。長江源區(qū)海拔較高，氣溫低，降水量少，而黃河源區(qū)與瀾滄江源區(qū)自然條件較好，因此植被覆蓋度好于長江源區(qū)。

圖2 1982-2015年NDVI變化趨勢

圖3 1982年與2015年NDVI空間分布

3.1.3 三江源NDVI變化趨勢分析 1982年和2015年高、中高植被覆蓋區(qū)分別占三江源面積的33%，31%以上，低、中低總共分別占42%，41%左右。1982—2015年低和高植被覆蓋區(qū)面積減小，其他均增大，其中，低植被覆蓋區(qū)面積減少最多，中植被覆蓋區(qū)面積增幅達2.78%(表2)。雖然三江源NDVI值整體呈上升趨勢，但仍以中低、中、中高植被覆蓋度為主，面積均占25%以上，高植被覆蓋度占比最小，且有所下降，因此三江源植被覆蓋仍較低。

1982—2015年各等級NDVI均有轉化(表3)。各等級均有明顯轉出，轉出區(qū)域主要為中高植被覆蓋度，轉入?yún)^(qū)域主要為中低、中和中高植被覆蓋區(qū)，中植被覆蓋度面積由24%增加到27%，而高植被覆蓋度面積由7%減少到4%。

表2 1982-2015年NDVI動態(tài)變化

表3 1982-2015年NDVI變化轉移矩陣 km2

1982—2015年三江源植被覆蓋整體呈增加趨勢(圖4)，說明三江源植被正在逐步恢復。植被增加的面積占比最大，主要分布在三江源西部和北部，面積約為14.5萬km2，占總面積37.86%，植被類型以草原、草甸和高山植被為主，地貌類型主要為平原、臺地、丘陵和小起伏山地；植被減少區(qū)域主要集中在中部和南部，面積達12.6萬km2，占比32.87%，地貌類型主要為山地；植被基本不變的區(qū)域在全區(qū)域均有分布(表4)?？傮w上三江源NDVI變化趨勢為北部和西部增加南部和中部減少，這與劉憲鋒等[6]對變化趨勢的研究結果一致。

圖4 1982-2015年NDVI變化趨勢分布

從不同分區(qū)來看，長江源區(qū)NDVI總體呈上升趨勢，但長江源區(qū)海拔高，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被恢復較慢[24]；黃河源區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)整體緩慢升高、局部退化的趨勢；瀾滄江源區(qū)植被覆蓋呈下降趨勢。

表4 1982-2015年NDVI變化趨勢

3.2 自然因子影響力分析

3.2.1 自然因子影響力 因子探測器結果(表5)顯示各自然因子對三江源NDVI影響大小為：年降水量(0.551)>年均溫(0.465)>植被類型(0.410)>高程(0.352)>地貌類型(0.216)>土壤類型(0.148)>坡度(0.141)>坡向(0.055)。

年降水量q值最大，解釋力在55%以上，因此年降水量是影響三江源植被空間分布的主導自然因子；年均溫、植被類型和高程因子解釋力均在30%以上，為次要自然驅動因子；地貌類型、土壤類型和坡度解釋力超過10%；坡向的單個因素解釋力很小。

表5 自然因子的q值

3.2.2 自然因子影響力時間變化 所有自然因子q值均隨時間波動變化，除植被類型因子外，其他因子2015年的因子影響力都比1982年高。其中，年降水量的q值相對變化較明顯，整體呈波動變化，1982—1995年、2000—2005年以及2010—2015年q值明顯增大，1995—2000年及2005—2010年的q值大幅減小，2000年均溫和植被類型因子影響力大于年降水量影響力，其他因子的q值隨時間變化較小(圖5)。地貌、高程、坡度、坡向因子由于地形多年間不會發(fā)生太大變化，植被以及土壤類型多年間變化不大，因此q值變化較小；年均溫一直處于上升趨勢，對NDVI的影響變化不大；年降水量q值的波動變化可能與三江源區(qū)降水的周期性波動有關。

圖5 1982-2015年自然因子q值變化

3.3 自然因子影響力差異分析

生態(tài)探測反映各自然因子對三江源NDVI的影響有無明顯差異。結果顯示除土壤類型與坡度對NDVI的影響無明顯差異外，其他因子對NDVI的影響均有明顯差異。其中，年降水量對三江源NDVI的影響與坡度、坡向、高程、土壤類型、植被類型、地貌類型、年均溫的影響均有明顯差異，因子探測顯示，年降水量是影響三江源地區(qū)NDVI變化的主導因子，而生態(tài)探測的結果進一步證明了年降水量的影響比其他自然因子強。

3.4 自然因子適宜性分析

運用風險探測確定適宜植被生長的自然因子范圍(類型)，適宜的范圍(類型)對植被生長非常重要，NDVI值越大，越適合植被的生長。

NDVI均值總體上隨年降水量的增加而增加，在年降水量最大的578～708 mm范圍時達最大值；隨年均溫的增加NDVI均值先增大后減小，在1.65～3.82℃達到最高值，氣候因子在上述范圍促進了三江源植被的生長。隨土壤、植被、地貌類型的不同，NDVI均值波動變化，其中半淋溶土、針葉林、中起伏山地最適宜三江源植被生長。地形是影響植被覆蓋的重要自然因子，適宜的地形條件，能促進植被生長，隨坡度的不同，NDVI均值先增大后減小，在35°～45°坡度NDVI均值達最高值；隨三江源地區(qū)高程升高，NDVI均值先增大后減小，在3 446～3 851 m的高程范圍內(nèi)NDVI均值最大；隨坡向變化，NDVI均值波動變化，波動幅度較小，在67.5°～112.5°(東)坡向達最大值，三江源在以上地形范圍內(nèi)植被生長較好(表6)。

表6 自然因子適宜范圍或類型

3.5 自然因子交互作用分析

地理探測器可以揭示自然因子間對NDVI的交互作用。結果顯示年降水量因子與其他因子交互作用q值偏高，其中與高程、年均溫、植被類型交互作用q值最大(表7)，所有自然因子交互作用均增強了單因子對NDVI的影響力，呈現(xiàn)相互增強和非線性增強關系，其中坡向與高程、年均溫的交互作用呈現(xiàn)非線性增強的關系，其余自然因子的交互作用均呈現(xiàn)相互增強的關系(表8)。年降水量因子是影響三江源NDVI變化的主導因子，而年降水量與年均溫、高程、植被類型交互作用能夠進一步增加其對三江源NDVI的影響力。

表7 自然因子交互作用探測

表8 自然因子交互結果

4 討 論

4.1 年降水量對NDVI的影響分析

降水對植被生長有重要的作用，因子探測顯示年降水量是影響三江源NDVI空間分布的主導因子，這與趙芳等[25]的研究結果一致。而朱文會[26]、唐紅玉[27]等研究認為氣溫是影響三江源NDVI的主導因子，研究結果的差異可能與研究時間尺度不同或采用的NDVI空間分辨率不同有關。

三江源NDVI空間分布與年降水量分布格局基本一致，將年降水量劃分為9個分區(qū)，三江源的NDVI值隨年降水量增加而增大，在578～708 mm范圍內(nèi)達到最高值(NDVI=0.771)，表明這一年降水量范圍有利于植被生長。探測結果顯示，578～708 mm降水量與其他范圍降水量的NDVI均值有明顯差異，因此，三江源年降水量在578～708 mm范圍時植被覆蓋最好。交互探測顯示與其他因子交互作用能進一步增強年降水量對NDVI的影響。三江源通過人工降雨促進植被生長，而使植被覆蓋度增加的主要原因是氣候變暖導致的水分變化[28]。

4.2 年均溫對NDVI的影響分析

年均溫對三江源NDVI也有重要的影響。將年均溫劃分為9個分區(qū)，隨年均溫的升高，NDVI均值先增大后減小，在1.65～3.82℃范圍達到最高值(NDVI=0.682)，1.65～3.82℃的氣溫范圍與其他范圍的NDVI均值之間均有明顯差異，因此年均溫在1.65～3.82℃范圍時三江源植被覆蓋最好。年均溫與其他因子的交互作用增強年均溫對NDVI的影響。溫度變化會引起區(qū)域內(nèi)其他因子的變化，在適宜植被生長的溫度范圍內(nèi)，氣溫越高，植被覆蓋越好，超出這一范圍，將阻礙植被生長。

以上研究結果表明，氣候因子是驅動三江源NDVI空間分布的主要自然因素，符合李輝霞等[3]的研究結果。三江源年降水量、年均溫均由東南向西北遞減，而年降水量空間分布與NDVI的空間分布格局明顯一致，20世紀80年代開始氣溫快速上升，年降水量也呈增加趨勢[29]。邵全琴等[30]在評估三江源的生態(tài)恢復時認為年均溫及年降水量的提高促進了植被的生長。研究發(fā)現(xiàn)未來三江源將逐漸趨于暖干化，這將不利于植被的生長[6]。

4.3 植被類型對NDVI的影響分析

三江源植被類型主要為高寒草甸和高寒草原，植被類型與年降水量交互作用后，進一步增強了植被類型對NDVI的影響力。將植被類型劃分為9個分區(qū)，NDVI均值在針葉林植被類型區(qū)達到最高值(NDVI=0.714)，針葉林與闊葉林、灌叢的NDVI均值沒有明顯的差異，與其他植被類型區(qū)有明顯差異，因此，針葉林的植被覆蓋最好，這與宋冬梅等[31]的研究結果一致。針葉林面積較小，但均位于NDVI高值區(qū)，說明針葉林地區(qū)植被生長好。高寒草甸對三江源植被覆蓋有重要影響，由于高寒草甸類植被覆蓋度低，因此三江源區(qū)整體植被覆蓋度較低[32]。

4.4 高程對NDVI的影響分析

高程影響自然要素的空間分布以及人類活動。將高程劃分為9個分區(qū)，隨高程升高，NDVI先增大后減小，在3 446～3 851 m范圍達到最高值(NDVI=0.744)，3 446～3 851 m的高程與其他高程區(qū)NDVI均值均存在明顯差異，所以三江源在高程為3 446～3 851 m的范圍內(nèi)，植被覆蓋最好，3 851 m以上NDVI隨高程升高而降低。陳瓊等[33]研究認為，3 500～3 800 m范圍內(nèi)海拔相對較低，降水、氣溫條件較好，因此NDVI值最大；3 800 m以上隨高程升高，自然條件變差，因此NDVI值減小。

4.5 地貌類型對NDVI的影響分析

三江源地貌類型多樣，地貌類型影響植被的分布。將地貌類型劃分為6個分區(qū)，NDVI均值在中起伏山地的地貌類型區(qū)達到最高值(NDVI=0.602)，中起伏山地與其他地貌類型區(qū)的NDVI均值之間有明顯差異，表明三江源的中起伏山地植被覆蓋最好。中起伏山地主要分布在三江源南部，水熱條件較好，海拔相對適宜，有利于植被生長。

4.6 其他自然因子協(xié)同作用對NDVI的影響分析

因子探測結果顯示，土壤類型、坡度及坡向單因子對三江源NDVI影響較小，但這些因子與年降水量、年均溫、植被類型、高程、地貌類型交互作用可以增強對NDVI的影響。

土壤是植被生長的基礎，將土壤類型劃分為10個分區(qū)，NDVI均值在半淋溶土的土壤類型區(qū)達到最高值，半淋溶土與其他土壤類型區(qū)NDVI均值之間有顯著性差異，因此，半淋溶土的植被覆蓋最好。三江源半淋溶土主要分布在山地，植被主要為針葉林和灌叢，半淋溶土肥力較強，有利于植被生長。在本研究中認為土壤類型對三江源地區(qū)植被變化影響較小，但與其他因子交互作用可以增強影響力，土壤溫度適度升高能夠促進植被生長[34]。

將坡度分為7個分區(qū)，隨坡度增大，NDVI均值先升高后降低，在35°～45°范圍內(nèi)達到最高值，該坡度范圍主要為灌叢和高寒草甸，35°～45°坡度范圍與25°～35°以及>45°的坡度區(qū)NDVI均值沒有明顯差異，與其他坡度區(qū)有明顯差異，因此，35°～45°的坡度范圍三江源植被生長狀況較好。坡度影響地表徑流，影響植被生長，在本研究中植被覆蓋度最高的區(qū)域坡度較大，可能是由于緩坡人口較多，受人類活動影響較大，反而植被覆蓋度低，隨著坡度增加，人類影響減小，植被覆蓋相對較高。通過將坡度與NDVI進行空間疊加后發(fā)現(xiàn)，6°～25°坡度范圍內(nèi)中高、高植被覆蓋度占比最大，但同樣該范圍內(nèi)低、中低植被覆蓋度面積也最大，甚至在6°～15°范圍內(nèi)低、中低植被覆蓋度面積遠遠大于中高、高植被覆蓋度面積，因此整體NDVI值不高。坡向影響光照，進而改變植被生長的水熱條件，由q值可以看出，坡向對三江源NDVI影響極小。將坡向分為9個分區(qū)，隨坡向的不同，NDVI均值小幅度波動變化，其中東坡NDVI值最大，與西、西北坡向區(qū)NDVI沒有明顯差異，與其他坡向區(qū)有明顯差異，因此，三江源東坡的植被覆蓋最好。陽坡植被受人類活動影響較大，陰坡受降水溫度等環(huán)境影響，植被覆蓋較低。

5 結 論

(1) 三江源植被NDVI分布東南高西北低，多年變化趨勢為西部和北部增加，中部和南部減少；1982—2015年NDVI均值總體上呈緩慢增加趨勢，增速為0.2%/10 a，低、高植被覆蓋區(qū)面積減少，其他面積均增加。

(2)1982—2015年各自然因子對NDVI空間分布影響程度的大小為：年降水量>年均溫>植被類型>高程>地貌類型>土壤類型>坡度>坡向。其中，年降水量解釋力在55%以上，成為影響三江源植被NDVI空間分布的主導自然因子；年均溫、植被類型和高程解釋力在30%以上，對NDVI也有較大影響，為次要影響因子；其他因素解釋力較小。

(3) 各自然因子之間對NDVI的影響存在相互增強和非線性增強的交互作用，不存在減弱和獨立作用的因子，年降水量與高程、年均溫、植被類型交互作用對NDVI影響力最大。

(4) 研究分析了1982—2015年三江源植被NDVI變化狀況，揭示了驅動NDVI空間分布的自然因子，確定了各自然因子適宜植被生長的范圍(類型)，對三江源的生態(tài)保護和發(fā)展具有重要意義。