六盤山貧困區生長季植被覆蓋變化及其對水熱條件的響應

袁倩穎，馬彩虹,2，文琦,2，李學梅

(1.寧夏大學資源環境學院，銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室，銀川 750021；3.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331)

0 引言

植被在凈化空氣、保持水土、調節維持區域生態穩定等方面發揮著不可替代的作用，研究植被覆蓋變化及其驅動效應，對了解大氣循環、氣候變化、環境保護等具有重要意義[1-2]。學術界十分關注環境因子對植被的影響的研究也有很多[3-7]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)能夠較好地反映植被的類型和覆蓋度，已被廣泛應用于植被時序變化研究。研究發現，美國北部草原及中部大平原植被生長與降水正相關，與春季潛在蒸散量呈負相關[8]；阿帕拉契亞山區年均NDVI與氣溫正相關，與降水負相關，且部分月份與二者存在時滯效應[9]；西遼河流域生長季NDVI與降水正相關，與氣溫負相關[10]；氣溫和降水對祁連山NDVI的滯后作用略有差異[11]；塔里木河流域降水與生長季NDVI顯著正相關，與溫度負相關[12]；陜北地區氣溫和降水與NDVI顯著正相關[13]；新疆地區NDVI對氣溫的響應以時滯一個月為主，對降水的響應以時滯2個月為主[14]；吉林西部地區NDVI與土壤濕度明顯正相關，對降水的響應存在1—2月的滯后性[15]?？梢?，當前研究以水熱環境因子與NDVI的偏相關分析為主，且研究結論存在明顯的區域差異[16-18]；水熱因子以降水、土壤濕度、溫度較多。

六盤山集中連片特殊困難地區(以下簡稱六盤山貧困區)是黃河流域中上游生態脆弱、貧困程度較深的一個區域。如何化解生態與經濟發展的瓶頸是影響黃河流域高質量發展的重要命題。監測該區域植被覆蓋度的變化，是破解該命題的重要任務之一。目前鮮少見到以六盤山貧困區為對象開展此類研究，僅能見到對該片區相關的部分區域諸如寧夏[19]、甘肅中東部[20]、青海[21]等省區的研究，且研究結論不一。如黃悅悅等[19]認為，寧夏的植被覆蓋呈整體增加趨勢，降水和濕潤指數對植被的影響大于氣溫；趙鴻雁等[20]發現甘肅中東部植被生長季NDVI與氣溫和降水均為正相關，對氣溫的變化最為敏感；代子俊等[21]發現青海省植被生長季NDVI與溫度明顯正相關，與降水的相關性不明顯。本文采用地表溫度(land surface temperature,LST)和土壤濕度指標，基于地理信息系統(geographic information system,GIS)空間分析方法，分析生長季植被覆蓋時序變化特征，探究LST和土壤濕度對植被覆被的耦合效應，以期為區域生態保護與高質量發展提供一定的參考依據。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

2011 年國家在全國范圍內劃定了14個連片特困山區，其中，六盤山貧困區位于黃河流域中上游，跨越寧夏、甘肅、陜西、青海四省(區)，包含61個縣(區市)的16.6萬km2土地，98%的范圍屬黃河流域(圖1)，地形破碎，山川溝壑縱橫，又因地處黃河流域中上游，黃河干流及多條重要支流流經本區。該區域屬于我國西北干旱半干旱氣候區，氣溫從東南向西北逐漸降低，降水從南向北逐漸減少且年降水量少、蒸發量大，干旱缺水，嚴重生態環境脆弱，是我國水土流失最為嚴重的地區之一。研究區貧困程度深，按照農民人均純收入2 300元的扶貧標準，2011年區域內(不含彬縣、白銀區、平川區、秦州區、華亭縣、崇信縣、西峰市與平安縣)扶貧對象為642萬人，貧困發生率為35%，高出全國22.3個百分點。貧困和生態脆弱的雙重制約，使六盤山貧困區成為黃河流域環境保護和高質量發展的重要限制區。

圖1 研究區域Fig.1 Study area

1.2 數據源及預處理

本文選用LST和土壤濕度為反映區域水熱條件的指標，LST數據來自美國航空航天局提供的MODIS11A2月度數據，空間分辨率為1 km，包括2001—2018年生長季(4—10月)數據共計126景，土壤濕度數據來自中國氣象數據網的中國地面氣候資料月值數據集，精度為0.01%，利用ArcGIS軟件中的模塊進行空間插值得到柵格氣象數據[22-23]；NDVI數據為250 m空間分辨率、16 d時間分辨率的MODIS13Q1產品，共計238景，該數據經過大氣校正、幾何糾正、去云等預處理，能較好地排除無關因素的影響反映植被覆蓋狀況。分別利用MRT(MODIS Reprojection Tool)、ENVI5.5和ArcGIS10.6對圖像進行重投影、波段計算和研究區裁剪[24-25]。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計量模型及分級標準

采用最大值合成算法(maximum value composites，MVC)得到NDVI年數據，進一步消除天氣成分、太陽角度等的影響[26-27]，采用像元二值模型計算植被覆蓋度[28-30]。選取置信度5%進行計算，裸土像元值選取像元累積概率5%附近的像元值，植被NDVI值選取累積概率95%附近的像元值。公式分別為：

NDVIi=max(NDVIj)，

(1)

(2)

ρNDVI=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)，

(3)

表1 植被覆蓋度分級標準Tab.1 Classification standard of vegetation coverage

2.2 空間偏相關分析法

偏相關分析能夠排除已知其他因素的影響來衡量兩要素之間的相互關系[31-33]，計算公式分別為：

(4)

(5)

3 結果與分析

3.1 生長季植被覆蓋動態變化分析

從2001—2018年，六盤山貧困區生長季的植被覆蓋度呈現出波動增長態勢，區域平均植被覆蓋度由0.28增長到0.45，年均增長率2.83%(圖2)，反映出植被覆蓋情況逐漸變好的態勢。其中，2001—2007年、2008—2010年、2012—2014年分別在0.34，0.36和0.40左右徘徊；2001—2002年、2007—2008年、2011—2012年、2016—2018年迅速增加，年漲幅在0.4左右；2014—2016年小幅度減少，由0.41減少至0.38。

圖2 2001—2018年六盤山貧困區生長季植被覆蓋度年變化Fig.2 Annual changes of vegetation coverage in growing season in Liupanshan poverty area from 2001 to 2018

3.2 植被覆蓋空間格局特征分析

六盤山貧困區生長季植被覆蓋度表現出由東南向西北的梯度性降低特征(圖3)。2018年，高覆蓋區域4.59×106hm2(占27.66%)，中覆蓋2.63×106hm2(占15.83%)，中低覆蓋3.04×106hm2(占18.34%)，低覆蓋3.73×106hm2(占22.47%)，荒漠2.61×106hm2(占15.70%)。這種梯度變化格局，與我國海陸熱力梯度的變化的態勢一致，反映出水熱條件對植被覆被變化的影響明顯。

圖3 2018年六盤山貧困區生長季植被覆蓋空間格局Fig.3 Spatial pattern of vegetation cover in growing season in Liupanshan poverty area in 2018

3.3 植被覆蓋空間變化態勢分析

研究時段內植被覆蓋總體改善而局部惡化，部分區域沒有發生明顯變化(圖4)。植被覆蓋改善的區域主要分布在中部，包括寧夏的彭陽縣、固原縣與甘肅省的華池縣、慶陽縣等地。其中，提高1級的面積為7.34×106hm2、提高2級的為5.93×106hm2、提高3級及以上的為6.4×105hm2，比例依次為35.69%，14.76%和1.46%。植被覆蓋降低的區域為2.4×105hm2，占3.87%，主要位于青海省的湟源縣、湟中縣、互助土族自治縣，陜西省的扶風縣，甘肅省的甘谷縣等地。沒有發生明顯變化的區域為7.34×106hm2，約占研究區域的44.22%，主要分布在東南邊緣的高覆蓋區和西北的荒漠區。

圖4 六盤山貧困區生長季植被覆蓋度變化Fig.4 Vegetation coverage in growing season in Liupanshan poverty area

3.4 生長季植被覆蓋對水熱條件的敏感性分析

3.4.1 月度尺度下的敏感性分析

由于進行多年數據平均會縮小數值區間，造成差異性降低、相關關系減弱，所以選取特定年份進行年內生長季分析，而通過不同年份數據分析結果的比較，發現2018年植被覆蓋度較高，能更好地表現出植被對水熱條件的響應及年內規律，具有一定代表意義。因此選取2018年生長季植被覆蓋度與土壤濕度、LST的年內變化進行標準化處理分析之間的響應關系(圖5)，結果表明，植被覆蓋度的年內波動與土壤濕度、LST均保持一致性，相關系數分別為0.75和0.92，且都通過了95%的置信度檢驗，反映出月尺度下植被覆蓋度與土壤濕度和LST變化響應敏感。

圖5 六盤片區生長季植被覆蓋度及其LST、土壤濕度的標準化指數Fig.5 Standardized index of growing season vegetation coverage,land surface temperature and soil moisture in Liupanshan poverty area

3.4.2 空間的敏感性分析

植被覆蓋度與LST的偏相關系數平均值為0.1，呈現微弱的正相關關系，系數為正的區域面積稍大于為負值的區域，系數較高的區域分布在研究區中部和甘肅省湟源縣等地，較低的區域主要分布在甘肅省白銀區和秦安縣等地，其余地區正負數值混雜出現(圖6(a))。植被覆蓋度與土壤濕度的偏相關系數平均值為0.44，正相關關系相對明顯，系數為正的區域面積明顯多于為負值的區域，系數較低的區域主要分布在甘肅省古浪縣和合水縣、陜西省長武縣等地(圖6(b))。在甘肅省北部區縣和秦安縣、青海省化隆縣等地二者呈現出一定的反向關聯特征。土壤濕度對植被覆蓋度的影響十分顯著，研究區南部降水相對豐富，當地表的溫度升高時，土壤內累積的含水量即可達到植被生長發育所需的條件。與之相對的北部地區降水量較少且蒸發量較大，LST的累積水平相對較高，植被已適應生長在溫度偏高的自然環境，因此當自然溫度與光照達到植被生長的臨界條件時，水分便成為該地區植被萌發生長的主要限制條件，植物在生長季內依賴更多的水分進行發育，氣候越干旱植物對水越是敏感，所以土壤濕度對北部植物的影響要大于LST。

(a)植被覆蓋度與LST的偏相關性 (b)植被覆蓋度與土壤濕度的偏相關性

3.5 植被覆蓋度對水熱因子響應的空間耦合類型

疊加分析結果表明，六盤山貧困區土壤濕度和LST對植被生長的作用類型在空間上表現為協同正相關、協同負相關、反向相關3大類型(圖7)。具體來說，由西北至東南大致分為3部分，兩端區域主要為協同負相關、反向相關關系，中部區域表現出協同正相關。其中，土壤濕度和LST對植被覆蓋度均為正相關的區域面積最大，為7.14×106hm2(占43.04%)，主要分布于貫穿六盤山貧困區東北至西南的條狀地帶如西吉縣、會寧縣，以及青海省的湟源縣、湟中縣等地；均為負相關的區域面積最小為8.8×105hm2(占5.28%)，零星分布在古浪縣、海原縣、扶風縣等地的部分區域；反向關聯區域中，植被覆蓋度與LST為負相關、與土壤濕度為正相關的區域面積較大為6.13×106hm2(占36.92%)，主要位于片區西北部的景泰縣、永登縣，南部的靜寧縣、泰安縣等地，植被覆蓋度與LST為正相關、與土壤濕度為負相關的區域面積為2.45×106hm2(占14.76%)，主要分布于隴縣、華亭縣、合水縣等地。

圖7 2018年生長季LST與土壤濕度對植被覆蓋度交互影響Fig.7 Interaction of land surface temperature and soil moisture on vegetation coverage in 2018 growing season

在LST和土壤濕度對植被生長的交互影響的過程中，二者的影響均為正相關的區域，LST的偏相關系數均值為0.47，土壤濕度的均值為0.59；LST為正相關、土壤濕度為負相關的區域，LST的偏相關系數均值為0.51，土壤濕度的均值為-0.42；LST為負相關、土壤濕度為正相關的區域，LST的偏相關系數均值為-0.45，土壤濕度的均值為0.71；LST和土壤濕度均為負相關的區域，LST的偏相關系數均值為-0.33，土壤濕度的均值為-0.4?？傮w上，94.72%的區域土壤濕度對植被生長的影響大于LST(表2)，因此，土壤水分條件的改善對研究區生態環境建設與修復至關重要。

表2 2018年生長季LST、土壤濕度對植被生長相關性Tab.2 Correlation of land surface temperature and soil humidity on vegetation coverage in 2018 growing season

4 結論與討論

4.1 結論

本文利用MODIS NDVI數據進行影像預處理，通過像元二值模型計算出植被覆蓋度對2001—2018年六盤山貧困區生長季植被覆蓋度時間及空間變化進行分析，并采用偏相關系數分析方法探究了植被覆蓋度與LST和土壤濕度的相關性，主要結論如下：

1)2001—2018年六盤山貧困區植被覆蓋度逐漸增大，生長季植被覆蓋度由0.28提升到0.45，但表現出明顯的階段性特征，快速提升階段和平穩波動階段交替進行。

2)生長季植被覆蓋度呈現為由東南向西北的梯度降低特征。2018年，研究區生長季植被覆蓋度均值為0.45，南部地區數值基本大于0.6，中部在0.4左右，北部大部分地區在0.1以下。研究時段內六盤山貧困區植被覆蓋整體改善，局部退化。其中，植被覆蓋改善的面積占51.91%，無顯著變化區域占44.22%，退化面積占3.87%。

3)植被覆蓋度與LST和土壤濕度的年內變化緊密相關；空間上，LST和土壤濕度對植被覆蓋的作用類型表現為協同正相關、協同負相關、反向相關三大類型，總體上以協同正相關為主。

4)土壤濕度對植被生長的影響明顯大于LST的影響。植被與土壤濕度的偏相關系數大于植被與LST的偏相關系數的像元占94.72%。因此，土壤水分條件的改善對研究區生態環境建設與修復至關重要。

4.2 討論

1)六盤山貧困區生長季植被覆蓋度呈現波動增長態勢，空間分布差異明顯，整體呈改善趨勢顯著，這主要與近20 a來國家實施的“退耕還林工程”和沙漠化治理工程有關，說明生態建設已取得一定成效，但在研究時段內，約3.87%的區域植被在生長季出現了退化，需要引起高度警惕與關注。在人類活動增強和全球氣候變暖的大背景下，植被覆蓋度的變化仍存在不確定性，這些區域植被退化的機理需要進一步探究。

2)植被覆蓋的時空動態變化受到多重因子綜合影響，且單個因子與植被之間存在的時滯效應和不同因子對植被存在的交互效應，更增加了探究植被覆蓋度對各因子敏感性的難度。本研究在年尺度下的空間分析中發現，六盤山貧困區43.04%的范圍中，存在LST和土壤濕度對植被生長的正向協同作用，但也有部分區域同時呈現為負向協同相關性，還有些區域存在植被覆蓋與LST正相關時，與土壤濕度負相關；反之，當植被覆蓋與LST負相關時，與土壤濕度正相關。這種現象的存在，反映出植被覆蓋與LST和土壤濕度的相關性存在十分復雜的交互作用。后續研究中，將進一步探討時間尺度、植被覆被類型、地形因子等諸多因素的影響。