黃河源區青海省瑪多縣2000—2014年NDVI變化及氣候驅動因子

范微維, 易桂花,2, 張廷斌,3,4, 別小娟, 王 琦

(1.成都理工大學 地球科學學院, 四川 成都 610059; 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所, 四川 成都 610041; 3.成都理工大學 工程技術學院,四川 樂山 614007; 4.地學空間信息技術國土資源部重點實驗室, 四川 成都 610059)

黃河源區青海省瑪多縣2000—2014年NDVI變化及氣候驅動因子

范微維1, 易桂花1,2, 張廷斌1,3,4, 別小娟1, 王 琦1

(1.成都理工大學 地球科學學院, 四川 成都 610059; 2.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所, 四川 成都 610041; 3.成都理工大學 工程技術學院,四川 樂山 614007; 4.地學空間信息技術國土資源部重點實驗室, 四川 成都 610059)

[目的] 研究黃河源區青海省瑪多縣2000—2014年NDVI的變化及其驅動因子氣候的變化，為瑪多縣生態環境保護和土地資源規劃提供決策依據。[方法] 利用瑪多縣及其周邊地區9個氣象站生長季氣象資料和MOD13Q1/NDVI遙感影像數據集，采用最大值合成法、趨勢分析法和相關分析方法，分析NDVI的變化及氣候驅動因子。[結果] 近15 a瑪多縣NDVI整體上呈增加趨勢，增速為0.012/10 a；瑪多縣65.84%區域的植被覆蓋保持在基本不變狀態，改善區域(27.47%)大于退化區域(6.69%)；NDVI與生長季氣溫和降水均呈正相關關系，其中生長季降水對NDVI的影響更大；研究區內NDVI變化主要受非氣候因子驅動影響，占研究區面積的83.61%，受氣候驅動影響的面積僅占16.39%，其中，氣溫降水綜合驅動型占3.93%，氣溫驅動型占2.74%，降水驅動型占9.72%。[結論] 2000—2014年非氣候因素是影響瑪多縣植被NDVI變化的決定性因素。

NDVI; 植被覆蓋; 氣候變化; 驅動因子; 瑪多縣

文獻參數： 范微維，易桂花，張廷斌，等.黃河源區青海省瑪多縣2000—2014年NDVI變化及氣候驅動因子[J].水土保持通報，2017,37(1)：335-340.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.059; Fan Weiwei, Yi Guihua, Zhang Tingbin, et al. Variation of NDVI and its climatic driving factors in Maduo County of Qinghai Province in Yellow River source region during 2000—2014[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：335-340.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.059

植被是生態系統的重要組成部分，是土壤、大氣和水分的自然紐帶，在全球變化中起著不可替代的作用[1-2]。氣候因素是植物生長和發育的重要條件，近年來，對植被與氣候要素關系的研究在全球變化研究中占有重要地位，已成為全球氣候變化研究的熱點之一[3-7]。遙感數據具有覆蓋區域面積大、地表分辨率高、多時相重復觀測等特點，是區域植被變化研究的重要手段[8]，在眾多的遙感數據產品中，歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)是地表植被覆蓋和光合作用有效輻射吸收能力的一個較好指標[3]，能夠在大范圍內連續、準確地反映植被覆蓋狀況和生長狀況[9]。

瑪多縣位于青海省果洛藏族自治州，地理坐標范圍位于33°50′—35°40′N，96°55′—99°20′E，總面積為26 099 km2，是黃河上游最大的水源涵養區和主要產流區，有“千湖之縣”的美稱。由于瑪多縣嚴酷而獨特的自然環境，該區也是三江源地區生態環境最敏感和最脆弱的地區之一[10]。區內植被類型比較簡單，以高寒草原、高寒草甸和高山稀疏植被為主[11]，生態系統非常脆弱，對氣候變化敏感且響應迅速。自20世紀80年代以來，受全球氣候變暖的影響，氣候表現為暖干化趨勢，加之超載放牧、鼠害泛濫以及采藥開礦等人類活動較為頻繁，黃河源地區開始出現生態環境惡化的現象，引發高寒草原、高寒草甸退化、土地沙漠化等一系列生態環境問題。進入21世紀以后研究區出現暖濕化趨勢[12-15]，但是氣候變化對瑪多縣植被生長的影響研究則較少。那么，在長期氣候變暖背景下，研究瑪多縣近15 a NDVI的時空變化特征和規律，氣候變化對植被NDVI的影響范圍和幅度，以及氣候與非氣候因素影響植被NDVI的定量評價等問題，對理解全球變化對區域生態環境的影響具有重要的意義。基于此，本文擬以MOD13Q1/NDVI數據為基礎，研究2000—2014年黃河源區瑪多縣NDVI的時空變化特征及其對氣溫和降水的響應，以期為瑪多縣生態環境保護和土地資源規劃提供決策依據。

1 數據資料與研究方法

1.1 數據源及預處理

研究區植被生長季為5—9月[9]，故選用2000—2014年每年第129—273 d的16 d合成數據MOD13Q1。MOD13Q1遙感影像數據是由美國對地觀測計劃EOS/Terra衛星攜帶的中分辨率成像光譜儀MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)獲取的，空間分辨率為250 m。利用MODIS MRT(modis reprojection tool)處理工具對MOD13Q1數據進行鑲嵌、數據格式轉換、投影轉換(投影坐標為WGS_1 984_UTM_Zone_47 N)。為減少NDVI數據系列的噪聲[16]，采用國際上慣用的最大值合成法(MVC)對生長季16 d合成NDVI影像取最大值作為月NDVI數據。

氣候數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.gov.cn/)，包括清水河、石渠、達日、果洛、興海、都蘭、諾木蘭、瑪多和曲麻萊等9個氣象站點2000—2014年的月氣溫和月降水量資料，運用ArcGIS的地統計分析模塊對氣象數據進行Kriging空間插值，生成與NDVI數據空間分辨率一致、投影相同的柵格數據。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢分析 趨勢分析是通過對一組隨時間變化的變量進行線性回歸分析，從而預測其變化趨勢的方法0。該方法可計算研究區域時段內每個柵格點NDVI的變化趨勢，反映該區域植被NDVI變化的方向和速率[3,17]。計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：n——監測年數；MNDVIi——第i年生長季NDVI最大值；θslope——NDVI的回歸斜率；如果θslope>0，則說明在研究時間段中NDVI的變化趨勢是增加，反之則減少，θslope=0說明NDVI沒有變化。

1.2.2 偏相關分析 由于在實際地理系統中影響要素因子比較多，一個要素的變化必然會引起其他各要素的變化，故研究某一要素對另一要素的影響時可用偏相關來表示兩要素的密切程度。偏相關系數計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：rxy,z——將變量z固定后變量x和變量y之間的偏相關系數，即xy相關中剔除了z的影響；rxy，rxz，ryz——變量x和y，變量x和z，變量y和z的相關系如式(3)。

(3)

偏相關系數顯著性檢驗采用t檢驗方法，計算公式如式(4)。

(4)

式中：n——樣本數；m——自變量個數。

1.2.3 復相關分析 研究幾個要素與某一要素的密切程度可用復相關法分析法實現。基于NDVI與降水和氣溫的復相關系數計算公式如式(5)所示。

(5)

復相關的顯著性檢驗采用F檢驗法，計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：n——樣本數；k——自變量個數。

2 結果與分析

2.1 瑪多縣植被NDVI時空變化特征

由瑪多縣2000—2014年5—9月NDVI值得到對應年生長季NDVI最大值和平均值。統計結果表明，近15 a瑪多縣植被NDVI最大值和NDVI平均值變化趨勢基本一致，呈波動上升趨勢(圖1)。其中NDVI均值、最大值都在2003年出現極小值分別為0.28，0.48，在2010年出現極大值分別為0.35，0.55。其中NDVI最大值、均值在2003年前呈緩慢下降趨勢，而后開始上升，2004—2007年都沒有明顯的變化，在2008年 NDVI最大值、均值都降低明顯，2008—2010年NDVI最大值、均值又都逐漸上升，在2010年后NDVI最大值、均值都降低、但變化趨勢較穩定，植被覆蓋沒有明顯變化。

圖1 2000—2014年瑪多縣植被NDVI變化趨勢

同時，經統計瑪多縣生長季NDVI平均值、最大值的線性傾向率分別為0.012/10 a，0.004/10 a，說明近15 a瑪多縣植被覆蓋整體上表現呈增長趨勢。

對每年生長季5期NDVI月合成數據取最大值，得到一年中植被覆蓋的最佳狀態，為了展示NDVI最大值空間分布，對2000—2014年的NDVI最大值取平均，得到NDVI最大值多年均值的空間分布圖(圖2)。瑪多縣NDVI總體上表現出較強的空間異質性，NDVI值整體由東南向西北呈遞減趨勢。受季風影響，瑪多縣東南部地區降水較多、熱量豐富有較好的水熱條件，植被生長對于水熱條件的依賴性較強，瑪多縣氣候因子自西北向東南存在明顯的梯度變化，且有大面積的濕地，有利于植被生長，因此NDVI高值區主要分布在瑪多縣南部馬查理鎮和黃河鄉地勢較低和多湖泊地區，植被類型為高寒草甸；另外在瑪多縣東部花石峽鎮內海拔相對較高地區也為NDVI高值區，植被類型為高寒草甸以及高山植被。而瑪多縣西北地區水熱條件較差，土地類型主要為草原以及荒漠，所以NDVI低值主要分布在北部的扎陵湖鄉和花石峽鎮附近，植被類型以高寒草原為主；另外在研究區中部呈條帶狀分布的荒漠地區也為NDVI低值區，植被類型以高寒草原為主。

對研究區內逐柵格像元進行趨勢分析，得到研究區15 a NDVI變化趨勢的空間分布狀況(圖2)，在ArcGIS中采用標準差法對結果進行分類[18]，本文將研究區域劃分為顯著退化、輕微退化、基本不變、輕微改善和顯著改善5個等級(表1)，以便更加直觀的反映瑪多縣植被變化的空間差異。因在使用ArcGIS標準差分類時，以1倍標準差分類結果自動分為6類，即slope<-0.023 4，-0.023 4

結果表明：NDVI變化率格局為由東南向西北逐漸上升，2000—2014年研究區植被覆蓋顯著退化區域占0.58%，零星分布在瑪多縣西南部；輕微退化區域占6.57%，主要分布在瑪多縣瑪查理鎮、黃河鄉以及花石峽鎮，海拔在4 200～4 900 m，地勢相對平坦，人口分布較集中；基本不變區域占總面積比重最大(63.54%)，全區均有分布；輕微改善區域占28.96%，分布全區；顯著改善區域占0.35%，集中在扎陵湖和鄂陵湖周圍。在研究時間段內，瑪多縣水、熱條件變好，同時由于三江源國家自然保護區的建立，大量生態環境保護工程如退耕還草、退牧還草、鼠害治理等措施的實施，初見成效，對區內植被覆蓋狀況的改善發揮了積極作用。文中計算的所有面積百分比都不包含水域面積。

圖2 2000—2014年瑪多縣植被NDVI最大值空間分布及變化趨勢

類型變化范圍百分比/%顯著退化slope≤-0.01330.58輕微退化-0.0133

2.2 瑪多縣植被生長季NDVI與降水量、平均氣溫之間的關系及驅動分析

利用研究區瑪多氣象站點1953—2014年的氣候

數據，采用3 a移動平均法得到研究區生長季平均氣溫和降水量趨勢，近62 a瑪多氣象站生長季平均氣溫以0.22 ℃/10 a速率升高，降水量以8.29 mm/10 a速率增加。其中，2000—2014年瑪多縣生長季氣溫和降水量增速均高于20世紀50年代以來歷史水平(圖3)。

近15 a，多年生長季平均氣溫為5.8 ℃，平均多年生長季降水量為300.1 mm。生長季氣溫升高、降雨量增加，改善了區內水熱條件，從而促使植被NDVI向增長趨勢發展。

圖3 基于氣象監測站點的區域生長季降水及平均氣溫均值變化趨勢

為全面分析研究區植被NDVI與氣候要素的關系，采用研究區周圍9個氣象站點的插值氣象資料與NDVI開展逐像元相關分析，分別得到植被NDVI與生長季氣溫、降水量的偏相關、復相關系數。偏相關分析結果表明(圖4)，研究區內植被NDVI與生長季平均氣溫呈正相關的區域占總面積的92.77%(圖4a)，說明生長季平均氣溫對植被的生長起促進作用，其中通過0.05顯著性檢驗水平的區域占13.68%。NDVI與生長季降水呈正、負相關的區域分別占79.68%，20.32%，降水對研究區植被生長整體上表現為促進作用；其中通過0.05顯著性檢驗的區域占21.02%，主要分布在扎陵湖和鄂陵湖區(圖4b)。整體而言，瑪多縣植被NDVI與生長季氣溫和降雨量呈正相關關系，且對生長季降雨量的響應更為敏感。

圖4 瑪多縣NDVI與生長季平均氣溫和降水量偏相關系數分布

參考國內眾多學者研究的中國植被覆蓋變化的驅動分區方法[19]，結合研究區的情況，對瑪多縣植被覆蓋變化進行驅動分析。分類準則見表2，分類結果見圖5。

表2 植被覆蓋驅動分區準則

注:rNDVIT,P，rNDVIP,T分別為NDVI與氣溫、降水的偏相關系數；RNDVI,TP表示NDVI與氣溫和降水的復相關系數；t，F分別表示t，F檢驗的統計量值；t0.05和F0.05分別為t檢驗和F檢驗的0.05顯著性水平。

氣溫驅動型占研究區面積的2.74%，以扎陵湖和鄂陵湖以北最為明顯，該區以NDVI低值為主，土地類型主要為沙地和草地，植被類型為高寒草甸和高寒草原。降水驅動型占9.72%，主要分布于扎陵湖、鄂陵湖附近，其它零星分布在研究區北部，主要為NDVI低值，土地類型主要為沙地和草地，植被類型為高寒草甸以及高寒草原。

氣溫降水驅動型占3.93%，零星分布在研究區的西南地區，主要為植被NDVI高值區，覆蓋類型主要為灌木叢和高寒草甸。非氣候因子驅動型所占比例最大為83.61%，呈片狀分布在研究區大部分地區。研究區屬于放牧大縣、人類活動頻繁、鼠害嚴重[12-14]，非氣候因子對植被覆蓋變化的影響較大。

圖5 2000—2014年瑪多縣植被覆蓋變化驅動因子分布

受氣溫驅動以及降水驅動影響的地區主要分布在研究區北部，植被變化趨勢類型以輕微改善為主。該區位于高海拔地區，生態環境相對較差；自2004年以來實施的生態移民等相關政策，這些地區受人類活動影響程度降低。受氣溫驅動地區分布著大量的沼澤濕地，表現為氣溫驅動為主；而受降水驅動的地區多為沙地和覆蓋度低的草地，植被生長態勢主要取決于降水。氣溫降水驅動型主要分布在研究區南部海拔較高的地區，受人類活動影響程度低，植被變化趨勢以基本不變和輕微退化為主。

3 結 論

(1) 2000—2014年，瑪多縣NDVI整體呈上升趨勢，增速為0.012/10 a。植被覆蓋率較大的地區主要分布在瑪多縣南部的馬查理鎮和黃河鄉地勢較低和多湖泊地區。植被覆蓋率低的地區主要分布在瑪多縣北部扎陵湖鄉和花石峽鎮。瑪多縣65.84%的區域植被覆蓋保持在基本不變的狀態，改善區域(27.47%)大于退化的區域(6.69%)。

(2) 2000—2014年瑪多縣氣溫、降水量均呈上升趨勢。偏相關分析結果表明，研究區NDVI總體上與氣溫、降水呈正相關關系，其中NDVI與氣溫正相關中通過0.05顯著性檢驗的區域占13.68%，而與降水量呈正相關且通過0.05顯著性檢驗的區域占21.02%，說明生長季降水對研究區植被生長的影響略高于氣溫。

(3) 瑪多縣植被NDVI驅動因子分析結果表明，非氣候因子驅動型占83.61%，氣溫驅動型占2.74%，降水驅動型占9.72%，氣溫降水綜合驅動型占3.93%；2000—2014年瑪多縣植被NDVI變化主要受非氣候因子驅動。

本文以降水和氣溫作為氣候驅動因子對瑪多縣進行驅動分析，在時間尺度上僅考慮了年際變化的水平，未將植被生長對水熱條件的滯后性納入考慮。故在以后的研究中，植被演變的因子分析應考慮到研究區域范圍和研究的時間尺度，結合多種影響因子進行綜合分析，以揭示植被覆蓋變化的規律和原因。

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Variation of NDVI and Its Climatic Driving Factors in Maduo County of Qinghai Province in Yellow River Source Region During 2000—2014

FAN Weiwei1, YI Guihua1,2, ZHANG Tingbin1,3,4, BIE Xiaojuan1, WANG Qi1

(1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu,Sichuan610041,China; 3.CollegeofEngineering&Technical,ChengduUniversityofTechnology,Leshan,Sichuan614007,China; 4.KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesofChina,Chengdu,Sichuan610059,China)

[Objective] The objective of this study is to analyze the vegetation dynamics and the impacts of climate change on vegetation cover in Maduo County of Qinghai Province, in order to provide decision basis for the ecological environment protection and planning of land resources. [Methods] MODIS13Q1/NDVI time series data, mean air temperature and precipitation data from 9 associated weather stations in growing-season during 2000 to 2014 were collected. Methods including maximum value synthesis, trend line analysis, correlation analysis, partial correlation analysis and multiple correlation analysis were applied. [Results] At temporal scale, NDVI had increased gradually at a rate of 0.012/10 a, which showed a good development trend for the vegetation cover in this region. At spatial scale， 65.84% area of vegetation coverage remained unchanged basically, while the increased and decreased area covered by 27.47% and 6.69% of this area, respectively. NDVI changes in the study area were mainly driven by non-climatic factors, which accounted for 83.61% of the area of the study area. In contrast, only 16.39% of the area was affected by climatic factors, of which, 3.96% was driven by a combined climatic factor of both air temperature and precipitation, 2.74% was driven by temperature and 9.72% was driven by precipitation. [Conclusion] Human activities are the key factors that affect the vegetation changes in Maduo County during the period from 2000 to 2014.

NDVI; vegetation cover; climate change; driving factor; Maduo County

2016-03-25

2016-06-12

國家科技支撐項目“重點領域氣候變化影響與風險評估技術研發與應用”(2012BAC19B05)

范微維(1989—),女(漢族),四川省廣安市人,碩士研究生,主研究方向為生態遙感。E-mail:1282985955@qq.com。

易桂花(1982—),女(漢族),四川省南充市人,博士,副教授,主要從事生態遙感研究。E-mail:yigh@cdut.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0335-06

Q948