朱林富，謝世友，楊華，馬明國,4，夏軍

(1.樂山師范學院 旅游與地理科學學院，四川 樂山 614000；2.西南大學 重慶金佛山喀斯特生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學觀測研究站， 重慶 400715；3.重慶師范大學 長江上游濕地科學研究重慶市重點實驗室，重慶 401331；4.西南大學 遙感大數(shù)據(jù)應用重慶市工程研究中心，重慶 400715)

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，是大氣圈、水圈和土壤圈之間的自然“紐帶”[1-2]。植被覆蓋度對區(qū)域的植被覆蓋狀況具有很好的指示作用，是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合衡量指標之一。植被指數(shù)是反演植被覆蓋度的主要遙感數(shù)據(jù)，目前常用的主要有NDVI和EVI。相比于NDVI，EVI在大氣干擾、土壤背景以及合成算法上均進行了改進[3-5]，克服了NDVI易飽和的問題[5-10]，對地表植被覆蓋度較高和較低區(qū)域的植被覆蓋狀況均具有很好的區(qū)分能力[4-5,11-14]，在生態(tài)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等涉及植被覆蓋監(jiān)測的領域具有廣闊的應用前景[5,14]。

四川作為長江上游的主要生態(tài)屏障，對長江中下游的生態(tài)安全乃至經(jīng)濟發(fā)展意義重大[6,15-16]。在全球氣候變暖的背景下，長期以來的毀林開荒、過度放牧等人類活動造成了四川地表植被破壞，從而導致水土流失、局部環(huán)境惡化、自然災害頻發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題[2,16-17]。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)發(fā)展理念，四川省積極推進新一輪退耕還林還草、天然林保護等植被恢復工程[2,16]。在植被生態(tài)恢復工程的成效評估中，區(qū)域植被覆蓋度變化監(jiān)測是重要內(nèi)容之一。

四川地形地貌復雜，生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性高，是我國生態(tài)氣候變化敏感區(qū)，其植被覆蓋變化狀況以及影響因素受到普遍關(guān)注[2,18]。目前，關(guān)于植被變化的研究主要集中在NDVI時空變化特征[3,17-21]以及與氣候[1,6,17-24]、地形[1,6,25]等因子之間的關(guān)系，而選取EVI計算植被覆蓋度并采用殘差分析來定量分析氣候變化與人類活動對植被覆蓋度變化的貢獻的研究還較少[6,16]。本文借助于Google Earth Engine云平臺和ArcGIS軟件，以MODIS-EVI和氣象數(shù)據(jù)為基礎，運用像元二分模型、趨勢分析、相關(guān)分析和殘差分析等方法定量研究氣候變化與人類活動對四川省2000—2015年植被覆蓋度變化的影響，這將有助于從宏觀上評估氣候變化和人類活動對植被恢復的影響，以期為未來生態(tài)植被恢復和持續(xù)健康發(fā)展提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川位于中國西南地區(qū)，東西約1 075 km，南北約921 km，面積48.6 × 104km2。區(qū)域內(nèi)地形復雜，地貌多樣，主要分為四川盆地、川西北高原和川西南山地。地勢西高東低，西部多為海拔4 000 m以上的高原和山地，東部多為海拔1 000～3 000 m的盆地和丘陵。

四川的氣候類型主要有亞熱帶濕潤半濕潤季風氣候和高寒氣候等。植被類型主要有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠和落葉混交林、溫帶針闊混交林、寒帶針葉林以及高山草甸等。森林覆蓋率為39.6%，草地植被覆蓋率為85.6%。土地利用類型以林牧業(yè)用地為主，占土地總面積的68.90%，主要分布在西部高山高原和盆地周圍山地區(qū)域；耕地占土地總面積的13.86%，主要分布在東部盆地和低山丘陵區(qū)域；園地占土地總面積的1.50%，主要分布在盆地丘陵和西南山地區(qū)域；交通用地和建設用地占土地總面積的3.93%，主要分布在經(jīng)濟較發(fā)達的平原和丘陵區(qū)域。

四川下轄21個市(州)、183個縣(市、區(qū))，是全國最大的彝族聚居區(qū)、全國第二大藏族聚居區(qū)、全國唯一的羌族聚居區(qū)。截至2020年，四川省常住人口8 367.5×104人，其中少數(shù)民族人口568.8×104人。四川是我國西部經(jīng)濟大省，2020年地區(qū)生產(chǎn)總值4.86 × 1012元，居全國第六位。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

MODIS-EVI數(shù)據(jù)來源于Google Earth Engine云平臺(https://earthengine.google.com)。Google Earth Engine是遙感數(shù)據(jù)計算分析處理的云平臺，在獲取全球范圍遙感空間數(shù)據(jù)方面具有非常大的優(yōu)勢[26-27]。本研究通過GEE平臺，調(diào)用JavaScript API，在線裁剪、最大值合成、投影轉(zhuǎn)換并根據(jù)像元二分模型計算四川省2000—2015年植被覆蓋度[28]。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。該數(shù)據(jù)集以全國2 400多個氣象站點的日觀測數(shù)據(jù)為基礎，經(jīng)過整理和計算，然后采用Anusplin軟件空間插值處理生成，其時間范圍為1980—2015年，包括全國逐年年均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)，投影為Clarke_1866_Albers，空間分辨率為1 000 m。本研究以四川矢量范圍為掩膜提取2000—2015年的氣溫和降水數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984投影、250 m空間分辨率。

1.3 植被覆蓋度測算

植被覆蓋度通常采用像元二分模型計算，其原理是假設每一個像元包含的信息是由植被信息和非植被信息線性加權(quán)合成[29-31]。若某一像元中植被所占面積比為FVC，則非植被所占面積比為1-FVC。如果某一像元全部為植被覆蓋，則為純植被覆蓋像元(EVIveg)；如果某一像元無植被覆蓋，則為純非植被覆蓋像元(EVIsoil)。植被覆蓋度的計算公式[32]如下。

FVC=(EVI-EVIsoil)/(EVIveg-EVIsoil)

①

本研究選取像元數(shù)累計百分比0.5%的為純非植被覆蓋像元值，99.5%的為純植被覆蓋像元值。像元二分模型削弱了大氣、植被結(jié)構(gòu)和土壤背景值的影響，得到了廣泛的應用[29,33]。

1.4 植被覆蓋度變化趨勢分析

趨勢分析通常采用最小二乘擬合直線回歸模型來預測一組數(shù)據(jù)隨時間變化的趨勢[34-35]，其計算公式如下。

②

式中：i表示年序號，i=1,2,3,...,n；FVCi表示第i年的植被覆蓋度；K為植被覆蓋度的變化斜率,K>0表示植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢,K<0表示植被覆蓋度呈現(xiàn)退化趨勢。

結(jié)合數(shù)據(jù)情況并參考相關(guān)研究[36]，將2000—2015年植被覆蓋度的變化程度分為7級，分別是嚴重退化、中度退化、輕微退化、基本不變、輕微改善、中度改善和明顯改善(表1)。

表1 2000—2015年四川省植被覆蓋度變化程度分級標準Tab.1 The grading standards for vegetation coverage change in Sichuan Province from 2000 to 2015

1.5 植被覆蓋度與降水、氣溫的相關(guān)性

采用空間偏相關(guān)分析來研究植被覆蓋度與降水、氣溫在像元尺度上的相關(guān)性[37-38]。首先分別計算植被覆蓋度、降水和氣溫的之間的簡單相關(guān)系數(shù)，計算公式如下。

③

偏相關(guān)系數(shù)計算公式如下。

④

式中:R123是基于R3的R1與R2的偏相關(guān)系數(shù)，R12、R23、R13分別是R1與R2、R2與R3、R1與R3的簡單相關(guān)系數(shù)。

偏相關(guān)系數(shù)的顯著性可以通過t檢驗來判斷，其計算公式如下。

⑤

式中:Rij為偏相關(guān)系數(shù)，n為樣本數(shù)，m為要素個數(shù)。查t檢驗分布表臨界值ta，t>ta，說明顯著偏相關(guān)；t

1.6 氣候與人類活動對植被覆蓋度的貢獻率

1.6.1 綜合貢獻率

植被覆蓋度與降水、氣溫之間具有正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，本研究選取通過顯著性檢驗(P<0.005)的像元，然后提取對應的植被覆蓋度、降水和氣溫值，再根據(jù)其相關(guān)性分為正正、正負、負正、負負4種類型，最后建立多元回歸模型。然后利用模型計算出植被覆蓋度的預測值，即氣候因子的貢獻部分。一般情況下，植被覆蓋度的實際值與預測值之間的差值，則可以看作是人類活動的貢獻部分[39]。其計算公式如下。

FVCC=a×P+b×T+c

⑥

FVCH=FVC-FVCC

⑦

式中：FVC代表植被覆蓋度實際值，F(xiàn)VCC代表植被覆蓋度預測值，F(xiàn)VCH代表植被覆蓋度殘差值，a是FVC與累計降水量P的回歸系數(shù)，b是FVC與平均氣溫T的回歸系數(shù)，c是回歸常數(shù)項。

1.6.2 相對貢獻率

根據(jù)公式②分別計算FVCC和FVCH的斜率以表征其變化趨勢，其變化趨勢分別表示氣候變化和人類活動對植被覆蓋度的影響[34]，并將其分為明顯抑制、中度抑制、輕微抑制、基本無影響、輕微促進、中度促進、明顯促進等共7個等級(表2)。

在植被覆蓋度變化過程中，氣候變化或人類活動的相對貢獻率可以通過FVCC或FVCH在t到t+1時段內(nèi)的變化趨勢來衡量。本研究根據(jù)表3分別計算在植被覆蓋度在改善或退化趨勢下的氣候變化與人類活動的相對貢獻率[34-35]。相對貢獻率計算公式如下。

⑧

式中：Ci表示i的相對貢獻率，Ki表示i的變化斜率，K表示植被覆蓋度的變化斜率，i代表的是FVCC或FVCH。

表2 氣候變化與人類活動對植被覆蓋度的影響程度分級標準Tab.2 The Grading standard for the impact of climate change and human activities on vegetation coverage

表3 氣候變化與人類活動對植被覆蓋度變化的相對貢獻率Tab.3 The relative contribution of climate factors and human activities in vegetation coverage change

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度變化趨勢

2000—2015年，四川省年均植被覆蓋度較高的區(qū)域主要分布在四川盆地邊緣山地以及川西北高原的若爾蓋、紅原與阿壩一帶，植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在城市、河流以及高山積雪等地(圖1a)。在21個地市(州)中，植被覆蓋度最高的是雅安(64.03%)，最低的是甘孜(50.34%)。

在植被覆蓋度變化趨勢中(圖1b)，植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢的面積占研究區(qū)總面積的43.95%，呈現(xiàn)退化趨勢的面積占研究區(qū)總面積的40.57%，基本不變的面積占研究區(qū)總面積的15.48%，這說明四川植被覆蓋度總體呈現(xiàn)改善趨勢。其中：植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯改善趨勢的面積占10.38%，主要是四川盆地周圍的山地區(qū)域；植被覆蓋度呈現(xiàn)嚴重退化趨勢的面積占9.63%，主要是成都平原和川西高原地區(qū)；植被覆蓋度基本不變的區(qū)域主要是水體與積雪覆蓋區(qū)域。在21個市(州)中，成都、甘孜和阿壩等3個市(州)的植被覆蓋度變化呈現(xiàn)退化趨勢，廣元、瀘州和廣安等11個市(州)的植被覆蓋度變化呈現(xiàn)改善趨勢。

圖1 2000—2015年四川年均植被覆蓋度及其變化趨勢空間分布注：審圖號：GS(2019)3333號。下同。Fig.1 The spatial distribution of average vegetation coverage and change trend in Sichuan from 2000 to 2015

2.2 植被覆蓋度與氣候因子的關(guān)系

2000—2015年，四川省年均降水量最高值為達州的1 297.4 mm，最低值為甘孜的839.7 mm；年均氣溫最高值為自貢的18.2 ℃，最低值為甘孜的2.9 ℃。

植被覆蓋度與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)在-0.942 1～0.938 9之間，均值為0.004 4(圖2a)。其中，植被覆蓋度與年降水量呈正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的50.71%，呈顯著正相關(guān)的占6.43%(P<0.05)，主要分布在南充、巴中、廣元等地；植被覆蓋度與年降水量呈負相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)總面積的49.29%，呈顯著負相關(guān)的占6.21%(P<0.05)，主要分布在攀枝花、樂山、涼山等地。

圖2 2000—2015年四川植被覆蓋度與氣候要素的相關(guān)性Fig.2 The correlation between vegetation coverage and climate factors in Sichuan from 2000 to 2015

植被覆蓋度與年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)在-0.933 6～0.923 4之間，均值為0.021 9(圖2b)。其中，植被覆蓋度與年均氣溫呈正相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)總面積的53.51%，呈顯著正相關(guān)的占5.98%(P<0.05)，主要分布在自貢、巴中、達州等地；植被覆蓋度與年均氣溫呈負相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)總面積的46.49%，呈顯著負相關(guān)的占4.99%(P<0.05)，主要分布在成都、綿陽、雅安等地。

2.3 氣候變化與人類活動對植被覆蓋度的影響

2000—2015年，植被覆蓋度預測值的變化斜率為-0.016 5～0.027 1，均值為0.000 7，這說明氣候變化對植被覆蓋度變化起促進作用(圖3a)?？傮w上，四川省有48.84%的面積顯示氣候變化對植被覆蓋度的變化無明顯影響；氣候變化對植被覆蓋度變化產(chǎn)生抑制作用的面積占研究區(qū)總面積的19.65%，其中起明顯抑制作用的占12.22%，主要分布在川西的高原和山地區(qū)域；氣候變化對植被覆蓋度變化產(chǎn)生促進作用的面積占研究區(qū)總面積的31.51%，其中起明顯促進作用的占21.83%，主要分布于川東和川南的丘陵區(qū)域。

植被覆蓋度殘差值的變化斜率為-0.074 7～0.040 9，均值為-0.000 6，這說明人類活動對植被覆蓋度變化起抑制作用(圖3b)。總體上，四川省有7.68%的面積顯示人類活動對植被覆蓋度變化無明顯影響；人類活動對植被覆蓋度變化產(chǎn)生抑制作用的面積占研究區(qū)總面積的50.01%，其中起明顯抑制作用的占32.06%，主要分布在四川盆地和川西高原部分區(qū)域；人類活動對植被覆蓋度變化產(chǎn)生促進作用的面積占42.31%，其中起明顯促進作用的占25.49%，主要分布在四川盆地周圍的山地區(qū)域。

圖3 2000—2015年氣候變化與人類活動對四川植被覆蓋度變化趨勢的影響Fig.3 The impact of climatic change and human activities on vegetation coverage changes in Sichuan from 2000 to 2015

從圖4可知，在植被覆蓋度改善變化中，由氣候變化和人類活動共同影響的面積占研究區(qū)總面積的10.66%，單獨由氣候變化影響的面積占9.36%，單獨由人類活動影響的面積占23.93%；在植被覆蓋度退化變化中，由氣候變化和人類活動共同影響的面積占研究區(qū)總面積的8.82%，單獨由氣候變化影響的面積占4.87%，單獨由人類活動影響的面積占26.88%。

在21個市(州)中，氣候變化和人類活動對植被覆蓋度變化的影響存在較大的差異。其中，氣候變化的影響在-0.61×10-3(綿陽)～3.09×10-3(巴中)之間，人類活動的影響在-3.79×10-3(成都)～2.68×10-3(瀘州)之間。除了攀枝花、德陽、涼山、阿壩、甘孜外，其余地區(qū)的植被覆蓋度變化均是由氣候變化和人類活動共同驅(qū)動?？傮w上，有2個地區(qū)(阿壩和甘孜)顯示氣候變化對植被覆蓋度變化基本無影響，3個地區(qū)(攀枝花、涼山和德陽)顯示人類活動對植被覆蓋度變化基本無影響；18個地區(qū)顯示氣候變化對植被覆蓋度變化起促進作用，其中輕微、中度和明顯促進作用的分別有8、9和1個；11個地區(qū)顯示人類活動對植被覆蓋度變化起抑制作用，其中輕微、中度和明顯抑制作用的分別有6、4和1個。此外，氣候變化對植被覆蓋度變化起抑制作用的是綿陽(輕微抑制)，人類活動對植被覆蓋度變化起促進作用的地區(qū)有7個。

圖4 2000—2015年四川省植被覆蓋度變化的驅(qū)動因素空間分布Fig.4 The spatial distribution of drivers of vegetation coverage changes in Sichuan from 2000 to 2015

2.4 氣候變化與人類活動的相對貢獻

從圖5可知，氣候變化對植被覆蓋度變化的綜合貢獻率為27.83%，其中貢獻率低于10%的面積占64.05%，貢獻率大于50%的面積占27.71%。人類活動對植被覆蓋度變化的綜合貢獻率為72.17%，其中貢獻率低于10%的面積占19.85%，貢獻率大于50%的面積占72.29%。

在植被改善區(qū)域，氣候變化的綜合貢獻率為33.42%，其中貢獻率低于10%的面積占56.78%，貢獻率大于50%的面積占33.53%。人類活動的綜合貢獻率為66.58%，其中貢獻率低于10%的面積占23.36%，貢獻率大于50%的面積占66.47%。

在植被退化區(qū)域，氣候變化的綜合貢獻率為21.86%，其中貢獻率小于10%的面積占69.15%，貢獻率大于50%的面積占21.46%。人類活動綜合貢獻率為78.14%，其中貢獻率低于10%的面積占13.46%，貢獻率大于50%的面積占78.54%。

在21個市(州)中，氣候變化對植被覆蓋度變化的貢獻率在13.12%～48.55%之間，人類活動對被覆蓋度變化的貢獻率在51.45%～86.88%之間。在植被覆蓋度改善變化中，氣候變化貢獻率在14.96%～70.30%之間，其中貢獻率超過50%的地區(qū)是南充和巴中；人類活動貢獻率在29.70%～85.04%，其中貢獻率超過50%的地區(qū)有19個，瀘州最高，其次是綿陽(84.91%)，第三是德陽(78.65%)。在植被覆蓋度退化變化中，氣候變化貢獻率在0%～30.67%之間，最高的是綿陽；人類活動貢獻率在69.33%～100%之間，最高的是遂寧和南充。

圖5 2000—2015年氣候變化與人類活動對四川植被覆蓋度變化的貢獻率空間分布Fig.5 The spatial distribution of the contribution of climatic change and human activities to vegetation coverage change in Sichuan from 2000 to 2015

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

在全球氣候變暖的大背景下，四川2000—2015年期間的降水呈減少趨勢、氣溫呈增加趨勢。由于降水或氣溫與植被覆蓋度之間存在正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，因此降水和氣溫對植被覆蓋度的影響具有“雙重性”。從本研究結(jié)果可以看出，氣候變化對植被覆蓋度的影響總體表現(xiàn)為促進作用，但仍有48.84%區(qū)域表現(xiàn)為無明顯影響、19.65%的區(qū)域表現(xiàn)為抑制作用，究其原因是降水和氣溫組合之后存在增強、抵消和減弱的情況，從而顯示出氣候變化對植被覆蓋度變化具有促進、無明顯影響、抑制的“三重性”。

近年來，四川持續(xù)加強生態(tài)省建設，促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，人類活動對植被覆蓋度的影響也在不斷深入。一方面，在退耕還林、退牧還草和天然林保護等生態(tài)工程實施的四川盆地周圍山地區(qū)域，植被覆蓋度呈改善趨勢；另一方面，在經(jīng)濟發(fā)展與城鎮(zhèn)化影響下，四川盆地以及川西高原部分區(qū)域植被覆蓋度呈減少趨勢。研究中發(fā)現(xiàn)，人類活動的影響要大于氣候變化，是四川近年來植被覆蓋度變化的主要影響因素，特別是人類活動的貢獻率較高的瀘州、綿陽、南充等四川省重要的省域經(jīng)濟副中心城市。同時，氣候變化的影響也不容忽視，尤其是在川西高原和高山地區(qū)。此外，氣候變化和人類活動共同作用既可以促進植被覆蓋度的改善，也會導致植被覆蓋度的減少，只是在不同的區(qū)域其貢獻率不同而已。在后續(xù)植被生態(tài)恢復中要因地制宜，根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況及時調(diào)整策略以達到最好的恢復效果。

關(guān)于植被覆蓋度反演模型參數(shù)與精度。本文在建立植被覆蓋度與降水、氣溫的反演模型時嘗試采用根據(jù)相關(guān)性分類型建立的思路，并計算獲得了其相應的參數(shù)。這是考慮到降水和氣溫對植被的影響均存在抑制或促進作用，分類型建立從理論上更具有科學和合理性，但其普適性在實際應用中還有待進一步的檢驗或改進。此外，由于數(shù)據(jù)獲取原因，建立模型時僅選取了降水和氣溫兩個因子，后續(xù)研究可以考慮加入更多的因子，如濕度、日照時數(shù)、氣壓、蒸散發(fā)等等，進一步提高反演模型的精度。

四川生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性高，植被覆蓋度影響因素多、影響機制復雜。因條件限制，本文僅選取了2000—2015年時間段的MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進行研究，從氣候變化和人類活動兩個大的方面分析了其對植被覆蓋度變化的影響，從宏觀層面上了解氣候變化和人類活動在植被覆蓋度變化中的相對作用。但氣候變化和人類活動涉及的具體要素較多，在后續(xù)研究中還需要對氣候因子和人類活動做進一步的細分，并結(jié)合更長時間序列的數(shù)據(jù)來探究植被覆蓋度變化中更加詳細具體的驅(qū)動因子。

3.2 結(jié)論

(1)四川植被覆蓋度總體上為改善趨勢，但空間差異明顯。植被覆蓋度較高的區(qū)域主要在四川盆地邊緣山地以及川西北高原的若爾蓋、紅原與阿壩一帶，植被覆蓋度較低的區(qū)域主要在城市、河流以及高山積雪等地。植被覆蓋度明顯改善的主要是四川盆地周圍的山地區(qū)域，嚴重退化的面積主要是成都平原和川西高原地區(qū)。

(2)氣候變化與人類活動對植被覆蓋度的影響存在促進、無明顯影響、抑制的“三重性”。其中，氣候變化明顯抑制的主要是川西的高原和山地區(qū)域，明顯促進的主要是川東和川南丘陵區(qū)域；人類活動明顯抑制的主要是四川盆地和川西高原部分區(qū)域，明顯促進的主要是四川盆地周圍的山地區(qū)域。

(3)植被覆蓋度的改善和減少是氣候變化與人類活動共同作用，但人類活動的影響要大于氣候變化的影響。在面積上，氣候變化和人類活動共同影響的面積占19.48%，單獨由氣候變化影響的面積占14.23%，單獨由人類活動影響的面積占50.81%。在貢獻率上，氣候變化和人類活動的貢獻率分別為27.83%和72.17%，人類活動貢獻率較高的地區(qū)主要是四川省域經(jīng)濟副中心城市。