川西高原植被NDVI變化研究

摘 要：【目的】為較全面掌握川西高原植被NDVI動態變化及驅動因素。【方法】以MODIS-NDVI為基礎數據，借助Sen+MK和地理探測器模型對其2000—2020年變化規律展開探討。【結果】①川西高原植被NDVI整體呈現自西南向東北方向傾斜，植被NDVI數值整體相對更高；②近20年，全域植被NDVI數值無顯著變化趨勢的地區全域面積占比約75%；③高程、年平均氣溫和土壤類型主導了川西高原植被NDVI的空間布局，解釋力在35%以上。【結論】川西高原近20年植被整體生長狀態良好，自然因素對其植被空間布局的影響顯著。

關鍵詞：植被NDVI；地理探測器；川西高原

中圖分類號：Q948" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0094-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.019

Study on NDVI Changes of Vegetation in Western Sichuan Plateau

CHENG Bo ZHOU Xianyang YAO Kun DIDI Keniu YU Lei FAN Xiao

（School of Resources and Environment， Xichang University， Xichang 615000，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to comprehensively understand the NDVI dynamic changes and driving factors of vegetation in the western Sichuan plateau. [Methods] This study conducted a discussion on its change rules from 2000 to 2020 based on MODIS-NDVI data， using Sen+MK and geographic detector models. [Findings] The results are as follows： ①The NDVI values of vegetation on the western Sichuan plateau as a whole show a slope from southwest to northeast， and the NDVI values of vegetation are relatively higher as a whole; ②In the past 20 years， the area with no significant change trend in NDVI values of vegetation throughout the region accounts for about 75%；③Elevation， annual average temperature， and soil type are the dominant factors affecting the NDVI spatial layout of vegetation in the study area， with an explanatory power of over 35%. [Conclusions] The overall growth of vegetation on the western Sichuan plateau in the past 20 years is good， and natural factors have a significant impact on its spatial layout of vegetation.

Keywords： vegetation NDVI; geographic detectors; western sichuan plateau

0 引言

植被是陸地生態系統的重要組成部分之一，是實現土壤、大氣和能量進行物質交換的重要“紐帶”［1-2］。受全球氣候變暖、降雨豐沛季節性分布不均、不合理資源開采等自然和人類活動的干擾，區域植被生長狀態和覆蓋程度均發生著顯著變化［3］。因此，及時、全面了解區域植被NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數）的變化規律，并對影響其改變的因素展開探討，有助于區域植被的保護與恢復［4-5］。

近年來，隨著遙感技術的不斷發展和完善，利用遙感獲取植被指數完成其變化的監測分析已成為當前研究熱點之一［6］。植被NDVI作為描述植被生長狀態與覆蓋度的綜合指標之一，在相關領域被廣泛應用［7］。王麗霞等［8］基于分辨率為500 m的MODIS數據完成渭河流域2000—2015年植被NDVI時空變化規律探究，分析了氣候因子對其變化的影響；鄭勇等［9］基于NDVI數據實現川西高原近20年植被覆蓋變化與驅動分析，發現18年內區域植被覆蓋整體呈現好轉的發展趨勢；張華等［10］基于地理探測器完成祁連山地區2000—2019年植被NDVI的變化規律與驅動，發現其近20年內植被處于逐漸好轉的發展趨勢，自然因子是影響NDVI變化的主要因素；王葉蘭等［11］對川西高原2001—2021年植被NDVI的時空變化規律，發現全域大部分地區植被NDVI數值呈升高的變化趨勢，高程對其影響作用最顯著。以上成果均對區域植被NDVI的變化具有重要價值。

川西高原是四川生態西部高原的重要建設區，加強對該地區植被覆蓋及生長狀態的監測十分必要。目前針對川西高原開展的研究相對較少，因此本研究基于MODIS-NDVI，結合Sen氏斜率、MK檢驗及地理探測器，探討該地區近20年植被NDVI變化規律及驅動因素。

1 研究區概況

川西高原地處青藏高原東南緣，主要包括甘孜和阿壩州兩個地級市，面積約2.3×106" km2。地勢呈現自西北向東南傾斜的狀態，西北相比東南地區海拔整體相對較高，為典型的高原氣候，冬季寒冷漫長，雨旱分明。

2 數據與方法

2.1" 數據來源與預處理

研究所用的植被NDVI為MOD13Q1產品成果，重訪周期為16天，分辨率為250 m。對基礎數據進行投影變換、鑲嵌、裁剪等預處理，為消除云、霧和氣溶膠等噪聲對數據精度的干擾，采用最大合成對數據進行進一步處理，最終采用的各年植被NDVI成果為年最大合成結果。

2.2 研究方法

2.2.1 Sen氏斜率。為解釋2000—2020年川西北高原植被NDVI隨時間的變化規律，以Sen氏斜率對其進行計算[12]，表達式如式（1）。

2.2.2 MK檢驗。相比傳統的F或者T數據顯著性檢驗方法，MK檢驗不需要數據滿足特定的分布形態，能夠有效降低像元數值缺失或異常對計算結果準確性的干擾［13］。

研究結合參考前人成果［13-14］，將植被NDVI斜率的顯著性檢驗結果分為：極顯著退化（Slopelt;0，P≤0.01）、顯著退化（Slopelt;0，0.01≤P≤0.05）、無顯著退化（Slopelt;0，P≥0.05）、無顯著改善（Slope＞0，P≥0.05），顯著改善（Slope＞0，0.01≤P≤0.05）和極顯著改善（Slope＞0，P＜0.01）。

2.2.3 地理探測器。地理探測器作為分析變量空間分異并對其背后驅動力進行解釋的工具，其不需要自變量和因變量之間滿足某種特定假設關系，已被廣泛應用于地理現象影響因素的探索分析［15-17］。因子探測器用于分析各因素對植被NDVI空間布局的影響作用，模型如式（2）和式（3）。

3 結果分析

3.1 分布格局

川西高原植被NDVI平均值分布如圖1所示，分析可知：該地區植被覆蓋在空間上整體呈現出明顯的分布差異性，呈現出自西南向東北傾斜方向，植被整體生長狀態逐漸變化好，覆蓋狀況整體有相對較好地發展趨勢。

參考前人成果［12］及NDVI分布規律，以等間距分類將該地區植被NDVI分為5個等級。結合圖1可知，低和中低植被NDVI覆蓋區全域面積占比僅約3.22%，結合地形、土地和植被等數據，它們主要分布于海拔幾乎接近5 000 m以上的高山地區，這些地域地勢險峻，主要被裸巖石質地、沙地或裸土地覆蓋，除部分區域分布有極少許高山稀疏植被外，大多地區幾乎為無植被生長區；中植被NDVI覆蓋區全域面積占比約7.70%，它們主要集中分布于石渠縣北部、新龍縣西部和東南部、稻城縣東南與理塘縣界交界處，此外在九龍縣、康定市和道孚縣等部分地區也有零散分布，結合相關資料分析可知，這些區域海拔高度范圍在4 500～5 000 m之間，主要分布的植被種類包括高寒草甸、灌叢和高山稀疏植被等，土地景觀類型以低覆蓋度草地和灌木林地為主，同時少部分區域還有中覆蓋度草地；相比下，中高和高植被NDVI覆蓋區在全域的分布范圍最廣全域面積占比達89.08%，在全域海拔小于4 500 m的地區均有分布，受區域海拔整體呈現出西北向東南逐漸降低的趨勢變化的影響，這些范圍內東部植被覆蓋狀況整體較好。

3.2 趨勢發展

結合Sen計算結果，川西高原植被NDVI斜率及顯著性檢驗如圖2所示。分析可知，2000—2020年，川西高原植被NDVI斜率計算數值為負數的像元數量全域占比約29.65%，它們大部分零散分布于高原西北部、北部、南部和東南部地區；約70.35%的地區植被NDVI斜率數值大于零，客觀程度表明在整個研究期內川西高原植生長整體呈現良好的發展態勢。

結合顯著性檢驗對該地區植被NDVI斜率變化結果展開進一步分析可知：整個研究時段內，全域植被NDVI呈現數值極顯著（退化或改善）改變的地區全域面積占比約6.62%，而在極顯著改變的地區中有0.64%的區域植被NDVI呈現退化的發展狀態，植被NDVI極顯著退化區主要分布于石渠和色達縣中部，而極顯著改善區則主要分布于高原東北部的若爾蓋、阿壩、紅原、九寨溝及松潘等縣；植被NDVI顯著改善或退化地區全域面積占比約11.19%，它們主要環繞極顯著改變區形成緩沖帶，分布范圍不斷向外進行擴張；相比之下，21年內植被NDVI斜率呈現無顯著退化或改善地區在全域分布范圍最廣，全域面積占比達到75.47%，面積分布已在全域占據絕對優勢；整個2000—2020年，川西高原植被NDVI數值呈現極顯著、顯著改善及無顯著改善區域地區已占據全域總面積的82.72%。

3.3 影響因素分析

為了解各影響因素對川西高原植被NDVI空間布局的影響，利用因子探測器對其進行計算，結果見表1。

分析可知，各因子對川西北高原植被NDVI空間布局的影響作用也呈現顯著差異，解釋力從大到小分別為高程＞平均氣溫＞土壤類型＞植被類型＞土地利用類型＞降雨量＞坡度＞GDP＞坡向＞人口密度。高程對研究區植被NDVI空間布局的解釋力最強，q的數值達到0.472 2位列各影響因素之首，該地區為青藏高原東南緣，是“世界屋脊”的重要組成部分，海拔數值的差異對氣溫、日照強度及時長等自然環境均有顯著影響，因此它在本研究選取的指標中對植被NDVI布局的影響作用最明顯。平均氣溫和土壤類型對植被NDVI布局的影響作用基本相似，q值分別為0.356 6和0.341 1，解釋力均在35%左右。適宜的溫度對促進植被的生長起到積極促進作用，相反溫度過高或過低反而會對植被生長狀態產生抑制作用，該地區平均氣溫呈現東部和南部相對較高的特點，川西高原北部和西部地區平均氣溫相對較低，年均氣溫主要維持在10 ℃以下不利于植被生長，而東部和南部年平均氣溫卻在10 ℃～25 ℃之間是較適宜植被生長的區間，因此東部和南部地區植被生長狀態相比下更好，這也促成了平均氣溫會對植被NDVI的布局產生影響。土壤作為植被生長的基礎，作為物質能量交換的重要基質場所，整個高原土壤類型多達24種且呈現顯著的垂直地帶性，隨著海拔的增高土壤的營養成分和類型也發生急劇改變，從適宜其生長的類型向抑制其生長的種類轉變，因此土壤類型對植被NDVI空間布局影響作用較顯著。植被類型和土地利用類型對植被NDVI布局的影響作用也基本相似，q值分別為0.228 8和0.216 5，解釋力均在20%左右。不同類型的植被對生境的要求有著顯著的差異，生長狀態自然也會存在顯著區別，而土地類型是人類活動作為人類活動的典型代表，全域超過70%的地區分布著林草地，林草地分布范圍若發生改變則植被生長則會變化。除去以上提交的指標外，剩余指標中降雨量和坡度的解釋力分別為5.89%和1.45%影響作用均非常有限，而GDP、坡向和人口密度的影響作用則幾乎可忽略不計。

4 結論

川西高原是長江上游重要的生態屏障，本研究以MODIS數據為基礎，對其2000—2020年植被NDVI的空間分布、變化規律及布局影響因素展開分析，主要結果如下。

①受先天自然環境的影響，川西高原植被NDVI空間布局變化規律顯著，全域整體呈現東部相比西部、北部相比南部植被NDVI數值較高的特征。

②21年內，植被NDVI無顯著改變、顯著改善和極顯著改善區在全域面積占比已超過85%，川西高原植被NDVI整體呈現良好的發展態勢。

③各驅動因素對川西高原植被NDVI空間布局影響作用差異顯著。高程對植被NDVI空間布局的解釋力均在45%以上，平均氣溫和土壤類型解釋力在35%左右，植被類型和土地利用類型的解釋力在20%～30%之間，剩余其余指標的解釋力均在10%以下。

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