燕丹妮,武心悅,王博恒,郝紅科,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊凌 712100

2 國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃院,杭州 310021

黃土高原位于中國半濕潤、干旱與半干旱區(qū)過渡帶,水資源短缺,生態(tài)環(huán)境脆弱,對氣候變化響應(yīng)敏感,是我國水土保持重點(diǎn)區(qū)域[1—2]。黃河中游流經(jīng)的黃土高原,是入黃泥沙的主要來源,因此黃土高原植被覆蓋度對水土流失的防治關(guān)系到黃河流域的可持續(xù)發(fā)展[3—4]。一方面,植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,在截留降雨、增加土壤入滲、減少水土流失以及指示全球氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)變化方面有重要作用[5—7];另一方面,植被破壞導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化將加劇水土流失,造成黃河下游河道泥沙不斷淤積[8—9]。雖然大規(guī)模人工造林提高了黃土高原植被覆蓋度,但也有證據(jù)表明在人類活動(dòng)和氣候變化雙重影響下,大規(guī)模的植被恢復(fù)使得降水被植被冠層截留蒸發(fā),部分造林密度較大的區(qū)域土壤呈區(qū)域性干燥化[10—12]。因此,在氣候變化和人類活動(dòng)影響下,黃土高原區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化日趨復(fù)雜,如何量化植被變化特征及其歸因?qū)^(qū)域生態(tài)安全至關(guān)重要。

氣候變化和人類活動(dòng)被公認(rèn)為是影響黃土高原植被覆蓋度變化的兩個(gè)重要因素[13—14]。土地利用類型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等數(shù)據(jù)常作為人類活動(dòng)的重要指標(biāo)量化人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的貢獻(xiàn)率[15—16]。溫度、降水和輻射作為主要的氣候因素已被廣泛的用作驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度變化的氣候指標(biāo)[17]。此外,地貌、植被類型等自然因素也作為影響氣候驅(qū)動(dòng)力的限制性因素應(yīng)用于對植被覆蓋度變化的影響因素量化中[18]。也有研究針對多因子交互作用,判斷和說明多種氣象因子共同作用下和獨(dú)立作用下對植被歸一化植被指數(shù)(NDVI)的解釋度[19—21]。除此之外,為探究退耕還林對植被恢復(fù)的影響效果,利用基于面板數(shù)據(jù)修正標(biāo)準(zhǔn)誤差(PCSE)修正的面板數(shù)據(jù)模型將退耕還林面積作為表征退耕還林影響力的指標(biāo)[22]。這些研究都有力地推動(dòng)了對植被覆蓋度變化與氣候變化及人類活動(dòng)耦合關(guān)系的認(rèn)識。目前對于氣候變化與人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的貢獻(xiàn)率還存在一定的不確定性,這與研究基于的時(shí)間尺度、參與擬合關(guān)系的驅(qū)動(dòng)因素以及植被覆蓋度變化與氣候因素?cái)M合關(guān)系的可靠性有關(guān)[23]。

以往研究中,利用多元統(tǒng)計(jì)方法建立植被覆蓋度與氣候變化之間的關(guān)系,忽略了植被覆蓋度與氣候因素之間復(fù)雜的交互作用。在全球氣候變化加劇的情況下,受多種環(huán)境因子影響的植被覆蓋度變化并不是完全的線性關(guān)系,例如當(dāng)增溫超過光合作用的最適溫度時(shí),溫度對植被的生長產(chǎn)生抑制作用,升溫促進(jìn)土壤水分蒸散,形成干旱環(huán)境,也會抑制植被的生長[24—26]。目前被廣泛應(yīng)用的多元?dú)埐罘治龇?大多在當(dāng)期受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響的時(shí)間段內(nèi),建立植被覆蓋度與氣候變化之間的關(guān)系[27—30]。這一關(guān)系的建立忽略了前期氣候變化對植被覆蓋度的潛在影響。黃土高原地區(qū)的氣候變化和人類活動(dòng)交互作用顯著,簡單的線性關(guān)系不能很好的建立植被覆蓋度變化與人類活動(dòng)之間的關(guān)系[31—32]。在退耕還林工程實(shí)施以前,人類活動(dòng)主要為長期農(nóng)業(yè)行為,對植被覆蓋度的影響是微弱的,植被覆蓋度變化主要受氣候影響[33]。1999年之后,退耕還林工程的實(shí)施使得黃土高原的植被覆蓋狀況得到了明顯改善,人類活動(dòng)顯著增強(qiáng),成為影響黃土高原植被覆蓋度變化的主要因素[34]。利用線性模型尚不能很好地量化氣候變化和人類活動(dòng)對植被變化的影響,亟待尋找新的量化方法研究黃土高原植被動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

黃土高原是我國生態(tài)安全屏障的重要組成部分,也是我國退耕還林工程重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域。本研究以退耕還林工程1999年為界限,利用非線性隨機(jī)森林算法建立1982—1998年植被覆蓋度與氣候變化的關(guān)系,并用這一關(guān)系量化1999—2015年受氣候變化驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化,植被覆蓋度觀測值與預(yù)測值的殘差值為人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化。本研究的目的是:(1)探究退耕還林工程前后植被覆蓋度的時(shí)空變化格局;(2)建立具有高擬合結(jié)果的植被覆蓋度變化與氣候因素關(guān)系;(3)量化氣候變化與人類活動(dòng)對黃土高原植被覆蓋度變化的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果能為量化氣候變化和人類活動(dòng)對植被覆蓋度的影響提供新思路,為黃土高原地區(qū)生態(tài)建設(shè)提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

黃土高原(100°83′—114°52′E、33°68′—41°27′N)位于中國西北部(圖1),橫跨青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西和河南七省區(qū),海拔高度81—5010 m,總面積約65萬km2,總?cè)丝诩s8600萬。黃土高原屬東南濕潤季風(fēng)氣候向西北內(nèi)陸干旱氣候的過渡區(qū),從東南向西北氣候依次為半濕潤氣候、半干旱氣候和干旱氣候,冬季和春季寒冷干燥,夏季和秋季炎熱且多極端降雨。年均溫為9—12℃,空間分布不均勻,西部地區(qū)溫度低于東部地區(qū),年均降雨量100—800 mm。植被類型主要有草地、灌叢、農(nóng)田、落葉闊葉林和常綠針葉林。黃土高原是我國典型的水土流失地區(qū),也是退耕還林的重點(diǎn)地區(qū)[35—37]。為有效治理和解決嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)退化和水土流失問題,中國政府實(shí)施了全球規(guī)模最大的退耕還林還草生態(tài)治理工程。1999年,四川、陜西、甘肅3省率先開展了退耕還林試點(diǎn)示范工程[38]。2002年,在試點(diǎn)成功的基礎(chǔ)上,退耕還林工程全面啟動(dòng)[39]。

圖1 黃土高原2000年土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為植被覆蓋度指標(biāo),NDVI數(shù)據(jù)集來源于GIMMS NDVI3g V1.0 全球數(shù)據(jù)產(chǎn)品(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)。時(shí)間序列為1981—2015年,空間分辨率為8 km,時(shí)間分辨率為15 d。溫度與降水?dāng)?shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為1月。日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)集來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn),空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為1月。土地利用數(shù)據(jù)集來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為1 km。通過Python進(jìn)行空間插值重采樣將NDVI、溫度、降水、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為8 km,并通過平均值計(jì)算獲取1982—2015年逐月NDVI、溫度、降水、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 植被覆蓋度變化趨勢分析

基于線性回歸分析法,建立1982—1998年逐月NDVI與1、2、3月滯后溫度、降水和日照時(shí)數(shù)的線性關(guān)系,得到NDVI與氣候因素的時(shí)滯關(guān)系。逐像元計(jì)算植被覆蓋度與時(shí)間的趨勢線變化斜率(Slope),得到植被覆蓋度的變化趨勢。利用Pearson相關(guān)系數(shù)來判斷相關(guān)性:

(1)

式中,Xi表示第i年的NDVI平均值,n為研究期總年數(shù)。Slope>0和Slope<0分別表示NDVI隨時(shí)間遞增和遞減。并對植被覆蓋度變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),P<0.05表示變化顯著,P>0.05表示變化不顯著。

1.4 植被覆蓋度與氣候因素偏相關(guān)性分析

應(yīng)用偏相關(guān)系數(shù)反映1982—1998年植被覆蓋度與相應(yīng)滯后氣溫、降水和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性:

(2)

式中,ryj,ck表示排除c、k影響后,y與j的二階偏相關(guān)系數(shù),ryj,c、ryk,c、rjk,c分別表示排除c影響后y與j、y與k、j與k之間的一階偏相關(guān)系數(shù),顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)。

1.5 隨機(jī)森林算法

利用隨機(jī)森林算法擬合1982—1998年氣候變化驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化。隨機(jī)森林是由很多決策樹構(gòu)成的,通過對部分樣本進(jìn)行訓(xùn)練,森林中的每一顆決策樹分別進(jìn)行判斷和分類,決策樹中分類結(jié)果最多的那一個(gè)分類結(jié)果將作為隨機(jī)森林的最終結(jié)果[40]?；赑ython 3.9軟件,利用隨機(jī)森林算法對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測,本文設(shè)置參數(shù)n_estimators=200, random_state=0,其它參數(shù)使用默認(rèn)值。訓(xùn)練1982—1996年逐月NDVI與滯后氣候因素(溫度、降水和日照時(shí)數(shù))之間的非線性關(guān)系,并將1997—1998年逐月NDVI與滯后氣候因素(溫度、降水和日照時(shí)數(shù))作為測試集,驗(yàn)證模型精度:

(3)

1.6 殘差閾值法

利用殘差閾值法劃分出1999—2015年人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化,首先計(jì)算未被模擬到的植被覆蓋度變化值,即NDVI觀測值與隨機(jī)森林算法預(yù)測值之差:

NDVIres=NDVIobs-NDVIpre

(4)

式中,NDVIpre和NDVIobs分別為1999—2015年基于隨機(jī)森林學(xué)習(xí)算法的NDVI預(yù)測值和基于遙感影像的NDVI觀測值,NDVIres表示1999—2015年未被模擬到的植被覆蓋度變化值。計(jì)算1982—1998年殘差值的平均值(μ)與n倍標(biāo)準(zhǔn)差(σ),氣候變化導(dǎo)致的波動(dòng)范圍為[μ-n×σ,μ+n×σ]。若1999—2015年殘差值落入[μ-n×σ,μ+n×σ]范圍內(nèi),則認(rèn)為氣候因素是主要的驅(qū)動(dòng)因子,反之,殘差值落到范圍外,則為人類活動(dòng)是主要的驅(qū)動(dòng)因素。

(5)

式中,對于n一般取值為1,2和3(本研究n取2),n的取值越大表明氣候因素驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度波動(dòng)性越大。對于大部分的網(wǎng)格,其研究月份中近50%的時(shí)間,殘差落入[μ-n×σ,μ+n×σ]范圍內(nèi),氣候因素驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度變化的效果屬于正常的波動(dòng)范圍。在超過正常波動(dòng)范圍以外的(-∞,μ-n×σ)認(rèn)為人類活動(dòng)對植被覆蓋度的影響為消極,相應(yīng)的,在超過正常波動(dòng)范圍以外的(μ+n×σ, +∞)認(rèn)為人類活動(dòng)對植被覆蓋度的影響為積極。依據(jù)n的取值對人類活動(dòng)的影響程度進(jìn)行細(xì)致劃分,n值越大表示波動(dòng)越劇烈,對植被覆蓋的影響程度越深,將人類活動(dòng)細(xì)致劃分為六類:人類重度消極影響,人類中度消極影響,人類輕度消極影響,人類輕度積極影響,人類中度積極影響和人類重度積極影響。對于氣候因子為主要驅(qū)動(dòng)因子的區(qū)域,利用Pearson分析的時(shí)間變化趨勢為判斷氣候驅(qū)動(dòng)效果的依據(jù)。Slope為正,氣候因子對植被覆蓋度的影響是積極的;Slope為負(fù),氣候因子對植被覆蓋度的影響是消極的。

1.7 技術(shù)路線

本研究主要分為三步(圖2)。首先,利用偏相關(guān)分析法分析1982—1998年逐月植被覆蓋度與滯后氣候因素的偏相關(guān)關(guān)系,驗(yàn)證植被覆蓋度與氣候因素的相關(guān)性。其次,驗(yàn)證隨機(jī)森林算法對植被覆蓋度與氣候因素關(guān)系的擬合效果。利用隨機(jī)森林算法訓(xùn)練1982—1996年植被覆蓋度與氣候因素的關(guān)系,基于這一模擬好的關(guān)系,利用氣象因素預(yù)測1997—1998年的植被覆蓋度,根據(jù)預(yù)測值與觀測值計(jì)算擬合精度。最后,對1999—2015年生長季植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行歸因分解。利用隨機(jī)森林算法預(yù)測1999—2015年受氣候變化驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化,即植被覆蓋度變化預(yù)測值。植被覆蓋度的觀測值與預(yù)測值之差為殘差值,根據(jù)植被覆蓋度殘差值(1999—2015年)是否處于[μ-n×σ,μ+n×σ]波動(dòng)范圍內(nèi)判斷主要的驅(qū)動(dòng)因子是氣候變化還是人類活動(dòng)。前兩步分析針對全年逐月數(shù)據(jù),第三步2000—2015年植被變化的歸因針對生長季(5—10月)分析。

圖2 技術(shù)路線

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原植被覆蓋度空間變化

1982—1998年,黃土高原植被覆蓋度整體上呈增長趨勢(圖3)。97.81%的區(qū)域植被覆蓋度隨時(shí)間呈現(xiàn)增長趨勢,其中,顯著增長區(qū)域占總面積的54.68%。2.19%的區(qū)域植被覆蓋度隨時(shí)間呈現(xiàn)減少趨勢,但沒有呈現(xiàn)顯著減少趨勢的區(qū)域。減少區(qū)域主要發(fā)生在山西中部、內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏部分區(qū)域。這表明黃土高原大部分地區(qū)植被覆蓋度隨時(shí)間呈現(xiàn)增長趨勢。1999—2015年,黃土高原植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)增長趨勢,96.42%的區(qū)域隨時(shí)間呈現(xiàn)增長趨勢,顯著增長區(qū)域占總面積的85.11%,3.56%的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢。減少區(qū)域主要發(fā)生在寧夏北部、陜西南部、內(nèi)蒙古和河南部分區(qū)域。1999—2015年與1982—1998年相比,植被覆蓋度增長的區(qū)域更多,增長的趨勢也更顯著,這表明1999年開始國家實(shí)施的“退耕還林”等維護(hù)生態(tài)安全的政策促進(jìn)了黃土高原植被覆蓋度的增加。

圖3 1982—1998年、1999年—2015年植被覆蓋度空間變化及顯著性(P<0.05)

2.2 植被覆蓋度與氣候變化關(guān)系及擬合精度

黃土高原1982—1998年逐月NDVI與降水和日照時(shí)數(shù)存在1個(gè)月的滯后效應(yīng),而溫度與當(dāng)期的植被覆蓋度相關(guān)性更好。對植被覆蓋度變化與相應(yīng)的滯后氣候因素進(jìn)行偏相關(guān)性分析。在整體上,黃土高原植被覆蓋度與溫度、降水和日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)出很高的相關(guān)性(圖4),溫度與植被覆蓋度的相關(guān)性高于降水和日照時(shí)數(shù),與溫度顯著正相關(guān)的植被覆蓋度區(qū)域面積大于降水和日照時(shí)數(shù)。不同氣候因素對植被覆蓋度的影響具有空間異質(zhì)性,溫度與植被覆蓋度相關(guān)性空間分布與降水相反,溫度與植被覆蓋度相關(guān)性高的區(qū)域,降水與植被覆蓋度的相關(guān)性低。黃土高原植被覆蓋度與溫度呈正相關(guān)的區(qū)域占99.44%,表現(xiàn)為顯著正相關(guān)的區(qū)域占98.49%,表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占0.15%。表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)和無顯著相關(guān)性的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古東勝市西北部。黃土高原植被覆蓋度與降水呈正相關(guān)的區(qū)域占94.50%,其中表現(xiàn)為顯著正相關(guān)的區(qū)域占87.47%,表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占1.15%。表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)和無顯著相關(guān)性的區(qū)域主要分布在陜西南部、山西南部和河南的部分區(qū)域。黃土高原植被覆蓋度與日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)的區(qū)域占93.63%,其中表現(xiàn)為顯著正相關(guān)的區(qū)域占83.36%,表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占1.84%。表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在陜西南部、山西和河南的部分區(qū)域,其它大部分區(qū)域表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。這表明1999年以前,黃土高原超過80%的區(qū)域植被覆蓋度與氣候因素呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 1982—1998年植被覆蓋度與滯后溫度,降水及日照時(shí)數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)及顯著性(P<0.05)

1982—1998年植被覆蓋度與氣候變化關(guān)系的整體訓(xùn)練精度達(dá)到80%以上,表明隨機(jī)森林算法整體上較好地模擬了植被覆蓋度和氣候變化之間的關(guān)系。99.71%的區(qū)域測試精度達(dá)到0.5以上,表明隨機(jī)森林算法模擬的植被覆蓋度和氣候變化之間的關(guān)系能夠較好的應(yīng)用于測試集。盡管0.01%的區(qū)域存在過擬合(R2<0),整體上隨機(jī)森林算法較好得擬合了氣候變化與植被覆蓋度之間的關(guān)系(圖5)。

圖5 隨機(jī)森林學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練精度與測試精度

2.3 黃土高原植被覆蓋度變化歸因分析

2000—2015年,氣候因素對植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)逐漸減弱,人類活動(dòng)對植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)逐漸增加(圖6)。氣候變化對植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)面積占比由90.12%降低為34.67%。人類活動(dòng)對植被覆蓋度的積極驅(qū)動(dòng)面積占比由8.68%增加為64.62%。氣候變化對植被覆蓋度的消極驅(qū)動(dòng)面積占比降低了42.58%,積極驅(qū)動(dòng)面積占比降低了12.86%。人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的影響逐步加深,在2012—2013年達(dá)到頂峰,2014年以后,人類活動(dòng)的影響逐漸減弱,氣候變化對植被覆蓋度的影響開始增強(qiáng)。氣候驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度變化的地區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古臨河市南部和東勝市西部、陜西南部、山西東南部、河南以及青海部分區(qū)域,在這些區(qū)域植被覆蓋度存在降低趨勢(圖7)。人類活動(dòng)積極影響的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古東勝市東部、寧夏部分區(qū)域、陜西北部、山西東北部,接著向甘肅東部、青海、山西中部擴(kuò)展,并且影響程度逐步加深,這些區(qū)域植被覆蓋度增加趨勢較大。人類活動(dòng)的消極影響面積占比呈現(xiàn)波動(dòng)性,主要分布在內(nèi)蒙古東勝市西部、寧夏北部和中部、甘肅平?jīng)鍪?這些區(qū)域植被增長趨勢較弱或呈現(xiàn)降低趨勢。

圖6 2000—2015年生長季(5—10月)氣候變化與人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度變化的面積占比

圖7 2000、2005、2010、2015年生長季(5—10月)植被覆蓋度驅(qū)動(dòng)因子空間分布

3 討論

本研究在考慮時(shí)滯效應(yīng)的基礎(chǔ)上,驗(yàn)證了退耕還林實(shí)施以前,植被覆蓋度變化與氣候變化之間顯著相關(guān),溫度、降水和日照時(shí)數(shù)與植被覆蓋度具有顯著相關(guān)性的區(qū)域面積占比大于80%。利用非線性隨機(jī)森林算法量化的植被覆蓋度變化與氣候變化關(guān)系具有較好的擬合效果。退耕還林工程開始實(shí)施以后,植被覆蓋度的增加趨勢更快。并對退耕還林工程實(shí)施前后,植被覆蓋度變化進(jìn)行歸因分析,在退耕還林工程開始實(shí)施以后的2000—2015年生長季,人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)面積呈現(xiàn)增長趨勢,氣候變化對植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)面積呈現(xiàn)降低趨勢。本文提出的量化氣候變化與人類活動(dòng)對黃土高原植被覆蓋度影響的方法不僅能夠描述氣候因子與人類活動(dòng)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系,而且能夠一定程度上避免氣候變化和人類活動(dòng)的交互作用對歸因分析的干擾,因此可以較為清晰地區(qū)分影響黃土高原植被覆蓋度變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

1982—2015年黃土高原植被覆蓋度呈“整體升高,局部退化”的趨勢,且提升面積顯著大于退化面積,本研究結(jié)果與前人研究結(jié)論一致[41—42]。本研究對比1999年前后,植被覆蓋度的顯著增長區(qū)域擴(kuò)張,表明“退耕還林”以來,植被覆蓋度得到極大改善[43—45]。溫度、降水與日照時(shí)數(shù)與植被覆蓋度變化在黃土高原的大部分區(qū)域呈顯著正相關(guān)[46]。除內(nèi)蒙古東勝市西北部,其它大部分區(qū)域溫度與植被覆蓋度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。溫度的升高會引起植物生長期提前、生長季加速以及生長期延長,進(jìn)而促進(jìn)植被覆蓋度的增長[47—49]。降水在除了陜西南部、山西南部和河南的部分區(qū)域以外的其它大部分區(qū)域,都表現(xiàn)出與植被覆蓋度變化顯著的正相關(guān)關(guān)系。日照時(shí)數(shù)在陜西南部、山西和河南的部分區(qū)域以外的其它大部分區(qū)域,都表現(xiàn)出與植被覆蓋度顯著的正相關(guān)關(guān)系。一方面,溫度、降水和日照時(shí)數(shù)的增長,促進(jìn)了植被的光合作用[50]。此外,溫度與降水對植被覆蓋度整體上均表現(xiàn)出顯著的正相關(guān),這與形成對植被生長有利的“暖濕化”氣候有關(guān)[51—52]。本研究結(jié)果顯示,溫度對植被覆蓋度的促進(jìn)效果要高于降水,之前研究也得出黃土高原植被覆蓋度與溫度有最大相關(guān)性[53]。1982—1998年,內(nèi)蒙古東勝市北部、山西中部、甘肅和寧夏以及陜西的部分區(qū)域的植被覆蓋度均呈現(xiàn)減少趨勢,這些區(qū)域的植被覆蓋度主要與氣候因素相關(guān),表明氣候因素在部分區(qū)域表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng),這與溫度升高促進(jìn)地面水分蒸發(fā),加劇土壤干化,從而影響植被的生長有關(guān)[54—55]。降水導(dǎo)致云量增加,輻射減少,進(jìn)而影響植被的光合作用,不利于植被生長[56]。日照時(shí)數(shù)在溫度和降水表現(xiàn)負(fù)相關(guān)的區(qū)域也呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。當(dāng)日照時(shí)數(shù)超過植被生長的需求限度會產(chǎn)生光抑制效應(yīng),從而抑制植被的生長[57]。

總體上,2000—2015年生長季,人類活動(dòng)對黃土高原植被覆蓋度產(chǎn)生的積極影響面積和影響程度逐漸增加,氣候變化對植被覆蓋度的影響面積逐漸減少。在內(nèi)蒙古東勝市西部、寧夏西部和甘肅平?jīng)鍪兄車闹脖桓采w度發(fā)生顯著減少的區(qū)域,主要的驅(qū)動(dòng)因素是人類消極影響。一方面,快速的城市化進(jìn)程導(dǎo)致這些區(qū)域許多耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,對植被生長產(chǎn)生負(fù)干擾[58—59];另一方面,在實(shí)際生產(chǎn)中存在的不同程度“偷牧”現(xiàn)象對草地退化產(chǎn)生了一定的影響[60]。在陜西南部和河南西北部以及山西的部分區(qū)域,主要驅(qū)動(dòng)植被覆蓋度減少的因素是氣候因素。在這些區(qū)域,植被覆蓋度與降水和日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在除上述以外的其它大部分區(qū)域,植被覆蓋度變化呈現(xiàn)顯著的增加趨勢,植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)因子具有空間異質(zhì)性。位于陜西北部的安塞縣和吳旗縣人類活動(dòng)的積極影響最顯著,植被覆蓋度也表現(xiàn)出顯著的增加趨勢,這與該區(qū)屬于退耕還林試點(diǎn)區(qū),土地資源豐富,國家資助力度大有關(guān)[61]。此外,農(nóng)村勞動(dòng)力在陜西省北部和青海省對植被覆蓋度具有顯著促進(jìn)作用,糧食總產(chǎn)量的增加對西部甘肅、寧夏等省份植被恢復(fù)成效有促進(jìn)作用[62]。2000—2015年,氣候變化對植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)面積占比由90.12%降低為34.67%,人類活動(dòng)對植被覆蓋度的積極驅(qū)動(dòng)面積占比由8.68%增加為64.62%。表明“退耕還林”工程的實(shí)施改善了黃土高原的植被覆蓋度[43]。之前的研究也表明,近30年來,黃土高原植被覆蓋度整體上呈現(xiàn)增加趨勢,人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)率逐漸增大[63—64]。

本研究考慮了氣候因素對植被覆蓋度變化的時(shí)滯效應(yīng),利用一種新的思路量化氣候變化與人類活動(dòng)對植被覆蓋度變化的影響。然而,隨機(jī)森林算法對植被覆蓋度和氣候因子之間關(guān)系的擬合精度存在空間差異,在寧夏北部、內(nèi)蒙古西臨河市和包頭市南部、山西的部分地區(qū)擬合精度較低,可能導(dǎo)致隨機(jī)森林算法建立的模型弱化了這些區(qū)域植被覆蓋度與氣候因子之間的關(guān)系,從而影響歸因分析中對主要驅(qū)動(dòng)因子的劃分。此外,本研究只基于氣候因素和人類活動(dòng)兩個(gè)主要因素進(jìn)行劃分,沒有將地形因素、土壤類型和植被類型等自然環(huán)境因子考慮在內(nèi),這需要在未來的研究中進(jìn)一步探討。本文研究發(fā)現(xiàn)2013年以后,人類活動(dòng)對植被覆蓋度的影響力度開始減少,氣候變化對植被覆蓋度的影響開始增加。這一趨勢在未來是否會延續(xù),以及造成這種趨勢的原因值得進(jìn)一步研究和討論。

4 結(jié)論

本研究考慮了氣候因素對植被覆蓋度變化的時(shí)滯效應(yīng),利用非線性隨機(jī)森林算法擬合1982—1998年受人類活動(dòng)影響較小時(shí)間段的植被覆蓋度變化與氣候變化的關(guān)系,利用這一關(guān)系預(yù)測1999—2015年植被覆蓋度變化與氣候變化的關(guān)系,對植被覆蓋度殘差值設(shè)立閾值,超出閾值范圍的殘差值即為人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)的植被覆蓋度變化值,進(jìn)而量化氣候變化和人類活動(dòng)對黃土高原植被覆蓋度變化的影響。結(jié)果表明:

(1)1982—2015年黃土高原植被覆蓋度呈現(xiàn)“整體增加,局部降低”的趨勢,以1999年“退耕還林”為界限,“退耕還林”之后的植被覆蓋度增長趨勢要大于“退耕還林”之前的植被覆蓋度增長趨勢。

(2)1999年以前,黃土高原大部分區(qū)域氣候因素(溫度、降水、日照時(shí)數(shù))與植被覆蓋度之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān),溫度相較于降水和日照時(shí)數(shù)對植被覆蓋度的影響更大。隨機(jī)森林算法能夠較好的模擬植被覆蓋度與氣候因子之間的關(guān)系。

(3)1999年以后,氣候因子的主導(dǎo)作用逐漸降低,人類活動(dòng)的積極效應(yīng)逐漸增加,并且人類活動(dòng)表現(xiàn)出更積極的趨勢,人類消極作用發(fā)生的時(shí)間和區(qū)域具有不確定性。