岷江流域植被變化特征及其成因解析

李婷， 尹軍*， 劉玉婷， 衛孟茹， 伊明啟， 袁喆

(1.湖北大學資源環境學院， 區域開發與環境響應湖北省重點實驗室， 武漢 430062； 2.長江水利委員會長江科學院， 武漢 430010； 3.流域水資源與生態環境科學湖北省重點實驗室， 武漢 430010)

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，與地球的各個圈層相互作用，相互影響，在氣候調節，維持生態系統穩定等方面發揮著重要作用[1]。但同時，在與各個圈層的相互影響、相互作用的過程中，植被很容易受到外部自然環境的影響。氣候條件是影響植物生長的關鍵性條件，主要包括溫度、降水[2]，此外，人為因素也會在局部對植被的生長造成影響，如退耕還林、水土保持、城市化建設等。探究植被時空特征及與氣候和人類活動之間的關系，可為生態保護和國土資源優化利用提供科學參考[3]。

利用植被指數并應用相應的數學方法，能夠探究植被變化與人為活動、氣候因子等的相關關系。植被指數是對地表植被狀況的簡單、有效和經驗的度量。此類研究主要通過對歸一化植被指數NDVI數據、氣象數據等數據的處理，使用線性回歸、相關分析、歸因分析等方法做定量分析。

已有研究中表明：植被變化主要是受到氣候因子、人為活動因子的影響，而NDVI(normalized difference vegetation index)的變化主要與降水、氣溫兩大氣候因子的變化有關，但不同地區，NDVI變化的主導性氣候因子存在差異。降水豐富的地區，植被變化受氣溫的影響比較大。例如，Qu等[4-5]、劉珞丹等[6]對長江流域的植被變化進行研究，得出相同結論。他們認為長江流域水量豐富，降水對植被的影響較小，氣溫是該流域植被生長更為重要的制約因子。Qu等[5]進一步量化了氣溫、降水和太陽輻射對EVI(enhanced vegetation index)年際變化的平均貢獻率，氣溫貢獻度最大，為0.004 1/a。Zhang等[7]在對三江源地區植被變化及其歸因的研究中，指出降水、氣溫對NDVI的平均貢獻率分別為0.069、0.098。Guo等[8]指出海南島的氣溫對NDVI有較強的正效應。除此之外，鄱陽湖流域[9]、黔西南州[10]等區域的植被生長也與溫度有密切的關系。相反，在較為干旱的地區，降水則成為影響植被生長的關鍵因子。例如，內蒙古中部[11]、皇甫川流域[12]、伊拉克[13]、烏拉德草原[14]地區的NDVI與降水相關性較高，降水的多寡是直接影響植被生長優劣的決定性因子。

植被的生長過程不僅會受到氣候的影響，人為因素也會影響植被的生長。人類活動對植被的影響分為正面效應(如退耕還林還草等生態工程)和負面效應(如城市擴展、人為森林破壞等)[15]。正面效應如：仇寬彪等[16]說明封山育林、植樹造林等在內的政策因素以及區域人口數量增長、城市擴張等是影響太湖流域片年NDVI變化的主要原因。Chen[17]說明西南地區人類活動和氣候變化對植被NDVI變化的相對貢獻率分別為86%和14%,西南喀斯特地區分別為90%和10%。Zhan等[18]指出人類活動對漢江中下游地區區域植被覆蓋有正向影響。何航[15]指出生態功能保護區、防護林體系的建設促進了黃河流域地區的植被恢復。負面效應如：城市擴張、土地利用變化和生態功能保護區建設干擾等是漢中市[19]植被覆蓋下降的主要原因。Qu等[5]特別指出城市擴張使得長江流域沿線的大部分省會城市邊緣(特別是在上海和成都市)的植被呈明顯的退化趨勢。

一部分學者在研究植被覆蓋變化歸因的基礎上，進一步指出植被對氣候因子響應存在滯后性。植被對氣候因子響應存在明顯的滯后性，植被生長除了受當時的氣候因子影響外，前一段時間氣候條件的累積效應對植被的生長也產生很大的影響,并且不同地區植被對氣候因子的響應時段不盡相同[20]。

岷江是長江的上游支流，既是長江上游重要的生態屏障,同時也是成都平原的生態屏障和水源生命線[21]。岷江流域上段處于川西高原與四川盆地的過渡地帶，地勢起伏大，生態環境復雜。在人為影響和其他自然災害原因下，岷江上游流域植被覆蓋度結構趨于惡化，干涸河谷面積不斷變大[22]。岷江作為長江的一條支流，在長江流域發揮著重要的生態作用，對其植被變化的研究不僅對了解其時空變化具有重要意義，同時也可以防止植被退化，減少區域水土流失造成的經濟損失，在過去的研究中，主要針對的是岷江上游地區的干旱研究，但是整個岷江流域植被變化對降水和溫度的響應以及降水及氣溫對岷江流域植被動態的各自貢獻尚不清楚。現以岷江流域為研究區域，采用趨勢性分析法、相關分析法，歸因分析法，研究分析岷江流域的植被變化及其特征，并找出影響岷江流域植被變化的因子,為岷江流域土地利用開發，植被生態保護提供理論性支撐,為實現區域生態可持續發展提供了科學依據。

圖1 岷江流域地理位置Fig.1 Location of the Minjiang River basin

1 研究區概況

岷江是長江的一大支流，發源于四川省阿壩州松潘縣，在宜賓匯入長江，涉及10個市州，69個縣區，流域全境皆位于四川省內，流域面積達到12.5 km2。都江堰市以上為上游，都江堰市至樂山為中游，樂山至宜賓為下游，主要有黑水河、漁子溪、壽江等河流。岷江上游地帶北部屬岷山邛崍山高山區，中下游地帶屬四川盆地中部丘陵區(圖1)。上游屬高原氣候區，中下游屬亞熱帶氣候區，氣溫與降雨量均隨地勢由北向南遞增，水網密集，水文資源豐富，植被為亞熱帶常綠闊葉林，岷江上游主要以灌叢為主，岷江流域西部、東北區域分布少量荒漠，岷江流域的東南部以灌溉農田為主，岷江下游主要分布著林地。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 氣象數據

氣象數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)所提供的“中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)，使用岷江流域12個氣象站點1998—2018年日平均氣溫和日降水數據，在Arc.GIS10.7軟件對各站點逐年年氣溫值和年降水值，根據反距離權重法(inverse distance weight,IDW)進行插值分析，得到年尺度、空間分辨率為1 km×1 km的降水和氣溫柵格數據。

2.1.2 植被數據

本次研究采用中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)提供的基于連續時間序列的SPOT/VEGETA-TION NDVI衛星遙感數據，采用最大值合成法生成的1998年以來的年度植被指數數據集。

2.1.3 土地利用數據

本次研究采用中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)提供的1980年和2015年兩期七年數據，其遙感監測空間分布數據是基于美國陸地衛星Landsat TM影像，通過人工目視解譯生成，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型，空間分辨率為1 km×1 km。

2.1.4 全球夜間燈光數據

利用中國科學院資源環境科學與數(http://www.resdc.cn)提供的2000—2013年的DMSP/OLS全球夜間燈光數據分析岷江流域人為活動對其范圍植被長勢的影響，該數據的空間分辨率為1 km×1 km左右。

2.1.5 統計年鑒數據

通過國家統計局(https://data.stats.gov.cn/easYquery.htm?cn=E0103)，查找出四川省近年來的森林面積、施肥量、糧食產量、灌溉面積數據，用于研究人為因子對NDVI變化的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 一元線性回歸

一元回歸趨勢分析法是一組隨時間變化的變量進行回歸分析的方法，以此來預測其變化態勢，采用一元線性回歸分析可以分析每個柵格點的變化趨勢[6]。現采用一元線性回歸分析岷江流域植被NDVI的變化趨勢，即

(1)

2.2.2 相關性分析

相關分析是研究2個或2個以上處于同等地位的隨機變量間的相關關系的統計分析方法。分析岷江流域植被NDVI指數變化與對應氣象因素(降水、氣溫)之間的相關性，岷江流域內植被NDVI對氣候因子(降水和氣溫)變化響應。相關系數公式為

(2)

2.2.3 歸因分析

本文中使用NDVI指數變化來表征植被變化，且NDVI指數的變化是受到氣候因子以及人類活動的影響。但此次研究中，只考慮降水、溫度2個氣候因子與NDVI的關系。由于相關關系分析只能描述NDVI指數與氣候因素之間的可能關系，但是不能具體量化氣候因素對其年變化的貢獻，因而采用歸因分析量化每個要素對植被指數NDVI變化的貢獻值，彌補相關關系分析的不足。氣候因子的變化和人類活動對植被變化的貢獻的計算公式為

(3)

(4)

式(4)中：θSlope為變量Y隨變量X的變化率；n為時段長度；Xi和Yi為某一年份i對應的變量值。

3 結果分析

3.1 NDVI時空變化特征

3.1.1 NDVI空間分布及其變化特征

從全流域來看，1998—2018年期間岷江流域NDVI多年平均值的分布大致是從下游向上游依此減少。岷江下游地區NDVI指數都在0.74以上，主要植被類型為林地、耕地；成都、仁壽縣、自貢一帶NDVI指數為0.61～0.74，主要植被類型以耕地為主；岷江上游NDVI指數大致為0.47～0.61，主要植被類型以灌叢為主?？刀h南部、馬爾康縣、瑪沁縣零星地區的NDVI指數較低，為0.20～0.33，在康定縣南部NDVI指數低于0.20，主要植被類型以灌叢為主(圖2)。

圖2 岷江流域多年平均NDVI空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of average NDVI in the Minjiang River Basin

近20年來，岷江流域大部分地區植被有所恢復，NDVI呈現出增加趨勢的區域約占全流域面積的88.77%。其中，約有71.30%的區域NDVI呈現顯著增加的趨勢，NDVI在岷江下游和馬爾康縣、瑪沁縣的大部分區域的增幅較大，普遍為0.05/10 a～0.1/10 a之間。植被退化的區域主要分布在馬爾康縣中部區域，康定縣南部，成都市、資陽市附近。NDVI減少的區域占全流域面積11.23%，其中NDVI顯著減小的區域占3.06%，主要分布在成都市、資陽市附近，NDVI變化率為-0.1/10 a～-0.05/10 a(圖3)。

3.1.2 NDVI時間變化特征

從圖4可以看出，1998—2018年期間，岷江流域NDVI整體呈現出增加的趨勢，其變化率為0.043/10 a。但岷江流域各土地利用類型的NDVI變化存在一定差異。耕地、草地、林地和荒叢的NDVI變化率分別為0.032/10 a、0.016/10 a、0.054/10 a和0.044/10 a。

3.2 主要驅動因子時空變化特征及其與NDVI的相關性

3.2.1 氣候因子的變化及其與NDVI的相關性

岷江上游的瑪沁縣，馬爾康縣等地降水大致為638～758 mm，岷江下游地區降水偏多，大致為758～1 031 mm，特別是雅安市、樂山市等地區降雨量達到1 344～1 661 mm。整體來說，岷江流域的降水由東南向西北依次遞減(圖5)。降水變化呈下降趨勢，主要分布在岷江流域的西昌市，樂山東北部等區域，降水變化率為-5.07/a～-1.81/a，總體來看，整個岷江流域的降水變化呈現上升趨勢，東北部的變化率為4.73/a～7.99/a，成都北部區域與樂山附近其變化率最大，為11.26/a～14.52/a[圖6(a)]。岷江上游的瑪沁縣位于4 000 m的海拔高度，年均氣溫較低，為1.22～4.90 ℃，馬爾康縣多年均溫在7.54～9.71 ℃，綿陽市區周圍的多年均溫大致為7.54～14.05 ℃。岷江流域的下游地區：西昌市、昭通市、宜賓市等地區多年均溫11.81～14.05 ℃，自貢市、成都市、資陽市等地區多年均溫達到14.05～18.00 ℃，岷江流域偏西部的康定縣多年均溫在9.71～11.81 ℃，整體來說，岷江流域的氣溫由西北向東南遞增，在樂山市區周圍出現一個均溫特殊值：4.90～9.71 ℃(圖7)。岷江流域的溫度在康定縣中部、宜賓市附近逐漸降低，溫度變化率為-0.21/a～-0.1/a，在岷江流域上游溫度逐年升高，其變化傾斜率為0～0.07/a[圖6(b)]。

圖3 1998—2018年岷江流域地區NDVI變化趨勢及 顯著性檢驗空間分布圖Fig.3 The annual change trends in NDVI and the significance test results in the Minjiang River Basin from 1998 to 2018

圖4 1998—2018年岷江流域地區不同土地利用類型的NDVI變化Fig.4 Inter-annual variation of the NDVI from 1998 to 2018

圖6 岷江流域1998—2018年氣候因子變化傾斜率Fig.6 The trend of annual the climate factors in the Minjiang River Basin from 1998 to 2018

圖7 岷江流域1998—2018年多年平均溫度Fig.7 Average temperature of Minjiang River Basin from 1998 to 2018

1998—2018年，岷江流域的最低降雨量為770 mm，最高降雨量達到1 086 mm，年均降雨量均在750 mm以上，1998—2007年多年年均降水量呈下降趨勢，變化率為-15.8 mm /a，2007—2018多年年均降水量年呈上升趨勢，變化率為18.309/a?？傮w來說，多年平均降水量呈現上升趨勢[圖8(a)]。氣溫變化率為0.025 7 ℃/a，最低均溫8.62 ℃，最高均溫9.94 ℃[圖8(b)]。

圖8 1998—2018年岷江流域年均降水量及多年年均溫變化Fig.8 The changes of annual mean precipitation and annual mean temperature

從整個岷江流域來看，NDVI與氣溫呈現顯著的相關性，相關關系為0.512(P<0.05)；與降水相關性不顯著，相關系數為0.301(P=0.185)。降水和NDVI呈正相關區域主要分布在岷江流域中下游、東北部區域；呈負相關區域主要分布在岷江流域西部區域，數值大致為-0.79～-0.32。溫度與NDVI呈正相關區域主要分布在岷江流域上游區域及下游雅安市、西昌市、自貢市的部分區域，數值大致為0.48～1.29；呈負相關區域主要分布在宜賓市、昭通市、馬爾康縣的東北部地區、成都市區、康定縣、馬爾康縣、雅安市三市縣交界地區的岷江流域中部地區，數值為-0.84～-0.31(圖9)。NDVI與氣溫相關性顯著減少區域主要分布在：成都市、綿陽市、宜賓、昭通市區附近區域；康定縣、馬爾康縣、雅安市三市縣交界地區的岷江流域中部地區。顯著增加區域主要分布在：馬爾康縣的東南部以及岷江流域上游的大部分區域，下游內江市區附近；岷江流域西南部地區。NDVI和降水的顯著減少區域主要分布在：岷江中下游區域，以及岷江流域的東北部，而不顯著負相關區域分布在岷江流域的西部，成都市區附近(圖10)。逐柵格統計分析，NDVI與氣溫、降水顯著相關的區域分別占整個研究區的17.55%、29.01%。從相關系數的數值上看，NDVI與降水主要以正相關為主，相關系數多為0.2～0.4；而NDVI與氣溫相關系數多為0.1～0.3，呈普遍正相關(圖11)。

圖9 1998—2018年岷江流域地區氣候因子與NDVI 的相關系數空間分布Fig.9 Spatial distribution of correlation coefficients between the climate factors and NDVI in the Minjiang River Basin from 1998 to 2018

圖10 1998—2018年岷江流域地區氣候因子與 NDVI相關性顯著性檢驗Fig.10 The significance test results of correlation coefficients between the climate factors and NDVI

圖11 NDVI與氣候因子相關系數概率分布Fig.11 The probability distribution of correlation coefficients between NDVI and the climate factors

3.2.2 人類活動因子的變化及其與NDVI的相關性

人類活動的因素主要考慮到城市化、森林面積、谷物產量和施肥的變化。燈光指數的變化在一定程度上能反映岷江流域的城市化程度，也可以分析人為因素對岷江流域植被變化的影響。利用Arcgis分析了岷江流域的燈光指數變化，成都市區周圍燈光指數呈明顯的增加趨勢，增幅為3.21/a～4.01/a，資陽市、樂山市區周圍呈增加趨勢，但指數相對較小，為0.65/a～2.40/a，西昌市區少數地區燈光指數也有所增加，岷江流域上游少數零星地區燈光指數有所增加。總體來說，岷江流域的燈光指數的增加區域主要集中在岷江流域下游，靠近城市周邊的區域[圖12(a)]，同時隨著燈光指數變化速率變小，NDVI的指數變化速率是增加的[圖12(b)]。對比岷江流域多年平均NDVI格局及NDVI變化趨勢來看，燈光指數變化較大的區域也是NDVI平均值較低的區域，如成都周邊區域。同時，NDVI顯著增加區域，如，岷江流域下游地也是燈光指數變化較小的區域。

從1980—2015年的土地利用變化來看，城鎮用地的增加主要在成都市區周圍，增加也最為明顯，農村居民點有所增加，主要集中在岷江中下游地區，岷江上游及中游地區增加不明顯或無增加，其他建設用地基本分布在成都周邊地區，分布范圍較小。具體來看，其他建設用地面積較小，增加速率較慢；城鎮用地迅速增加，城市化進程不斷加快，農村居民點面積最大(該統計通過統計年度各用地類型的柵格個數變化表示土地利用情況的變化)。對比岷江流域NDVI變化趨勢圖來看，城市化的進程在一定程度上會影響NDVI的變化(圖13)。

如表1所示為2001—2019年四川省的糧食總產量、有效灌溉面積、化肥施用量等都在一定程度上有增加。增長率分別為16.35%、14.25%、4.83%。NDVI與其各項相關系數值分別為：0.769(P<0.01)、0.828(P<0.01)、0.533(P<0.05)。如表2所示為2004—2019年的森林面積呈現增長趨勢，增長率為25.52%，人工造林面積增長率為20.75%，森林覆蓋率增長率為11.70%，四川省人工造林總面積逐年上升，到2019年達到502.22萬hm2，岷江流域NDVI和人工林之間的相關系數值為0.864，并且呈現出0.01水平的顯著性,在一定程度上可說明造林面積的增加、人為灌溉種植是岷江流域NDVI指數增加的重要因素之一。

圖12 2000—2013年岷江流域燈光指數變化圖及其與NDVI變化的相關性圖Fig.12 Change of light index in Minjiang River basin from 2000 to 2013 and its correlation with NDVI change

圖13 1980年、2015年岷江流域土地利用情況及1980—2015年各類土地變化情況Fig.13 Land use in Minjiang River Basin in 1980 and 2015 Land change of different types from 1980 to 2015

表1 糧食產量、灌溉面積、化肥施用量變化

表2 四川省森林面積變化

3.3 NDVI變化歸因分析

3.3.1 氣候因子對NDVI變化的貢獻

1998—2018年期間岷江流域NDVI的變化率為0.043/10 a，其中，年均降水和年均氣溫的貢獻量分別為0.004/10 a、0.012/10 a，對岷江流域的NDVI變化的貢獻率分別為9.30%、27.91%，即氣候因子對NDVI變化的貢獻量為0.016/10 a，貢獻率為37.21%，以氣溫的影響最為明顯。對于NDVI顯著變化的這類地區，氣象因子對NDVI變化的影響普遍是正效應，其中降水貢獻量在0.001/10 a以上的區域占73.82%，氣溫貢獻量在0.01/10 a以上的區域占51.09%。在岷江流域，降水對于NDVI變化的貢獻量普遍較少，但貢獻量相對較高的區域主要分布在岷江上游區域，特別是靠近綿陽市的東北部，岷江流域的中部地區；氣溫對于NDVI變化貢獻較高，主要集中在岷江上游(主要以灌叢為主)和馬爾康縣的東南部(圖14)。

圖14 氣候因子對NDVI變化的貢獻量Fig.14 Contribution of the climate factors to changes in NDVI

3.3.2 人為因子對NDVI變化的貢獻

從整個岷江流域來看，人為因子對NDVI變化趨勢的貢獻量為0.027/10 a(圖15)。在岷江流域地區，人為因子促進植被恢復的地區約占87.99%，即人為因子的影響主要為正效應。人為因子對NDVI變化影響較大的地區(貢獻量在0.03/10 a以上)占 75.01%，主要集中在岷江流域下游地區，且以林地為主，主要受人工林面積擴大的影響。由國家統計局中森林資源統計數據可知，2004—2019年期間，四川省森林面積增加了180.25萬hm2，其中人工林面積的增加量為86.57萬hm2，占森林面積增加量的48.08%，即森林面積的增加近一半是源于人工造林。除此之外，2000—2019年期間，四川省的灌溉面積的增加了421.09×103hm2，糧食總產量增加了600.9×104t，也影響了NDVI指數增加。此外，人為因子導致植被退化的地區約占12.01%，在成都市區周邊，人為因子對NDVI變化的貢獻值在0.058/10 a～0.192/10 a，結合圖12和圖13來看，城鎮用地不斷擴張、農村居民點地不斷擴建，導致植被退化。

圖15 人為因子對NDVI變化的貢獻量Fig.15 Contribution of anthropogenic factors to changes in NDVI

4 結論

采用連續時間序列的SPOT/VEGETA-TION NDVI衛星遙感數據，分析1998—2018年年尺度的岷江流域植被變化特征，并量化氣候因子和人為因子對植被變化趨勢的貢獻，得到如下主要結論。

(1)1998—2018年，岷江流域地區NDVI指數呈現出波動上升的趨勢，增長率為0.043/10 a。NDVI顯著增加的區域和顯著減少的區域分別占岷江流域地區的71.3%和3.06%。顯著增加區域分布在岷江下游和馬爾康縣、瑪沁縣的大部分區域；顯著減少區域主要分布在成都市、資陽市附近。

(2)對于整個岷江流域地區，年均降水、年均氣溫和人類活動對NDVI變化的貢獻量分別為0.004/10 a、0.012/10 a、0.027/10 a，其中年均降水對NDVI變化的貢獻量最小，氣候因子和人為因子對NDVI變化的貢獻率分別為37.21%、62.79%，人為活動在岷江流域地區的植被恢復過程中起到了明顯的作用。