叶尔羌河流域不同植被类型归一化植被指数的变化及驱动因素1)

关含笑 刘玉婷 张齐飞 庞朝悦

(喀什大学，新疆·喀什，844000) (山西师范大学) (喀什大学)

植物是生态系统的重要组成部分，在调节气候、维系生态平衡等方面发挥着非常重要的作用[1]。归一化植被指数(NDVI)作为植被生长状态的指示因子，可用于分析植被格局的动态演化和变迁[2-3]。国内外专家学者根据MODIS、NOAA-AVHRR、SPOT-VEGETATION、Landsat等数据，采用线性回归分析、泰尔森斜率估算(Theil-Senmedian斜率估算)、曼-肯德尔检验法(Mann-Kendall显著性检验)、变异系数结合相关性分析、地理探测器以及奇异值分解法(SVD)等方法，探究不同地区归一化植被指数的动态变化及其影响因素[4-7]，并且将研究成果广泛用于植被状况及生态环境监测[8]、作物长势监测及产量预测[9]、生态价值评估[10]等诸多领域。

新疆叶尔羌河流域深居欧亚大陆腹地，塔里木河流域南缘，生态环境脆弱且对气候变化敏感。植被的变化受多种因素的影响[11]，气温、降水等气候因素在植被的生长过程中发挥重要作用[12-13]，水热条件和植被类型的不同，导致植被变化存在较大的空间差异[14]，人类活动也会对植被生长产生抑制或促进的作用[11，15]。尤其2000年以来，中国区域的植被覆盖率因为退耕还林还草等政策实施增加明显，于是更需要探讨植被变化的影响因素，以此来判断新生态保护政策的合理性。目前，对叶尔羌河流域植被格局变化均从整体角度出发，将植被类型变化过程“粗略化”，没有充分解析不同植被类型连续变化的差异性，植被类型变化与归一化植被指数的相互关系，以及人类活动对植被变化的影响。因此，环境异质性和人为干扰的差异性(植被的物种组成、群落结构等[16])是不同植被类型变化的重要影响因素。因此，本文以叶尔羌河流域为研究区域，不同植被类型为研究对象，应用MODIS数据，分析叶尔羌河流域植被2001—2020年归一化植被指数的时空变化趋势，以及气象要素和人类活动对不同植被类型的归一化植被指数变化的影响。为新疆叶尔羌河流域荒漠化治理和生态环境可持续发展提供技术支持。

1 研究区概况

叶尔羌河流域位于我国新疆西南部，地理坐标为34°50′～40°31′N，74°28′～80°54′E。叶尔羌河发源于喀喇昆仑山脉，位于在塔里木盆地的西边缘，东靠塔克拉玛干大沙漠，西接布古里、托格拉克沙漠，南以喀喇昆仑山为屏障，北与天山南麓余脉相毗邻[17]，总面积大约为8.73×104km2(见图1)。叶尔羌河流域因三面环山，常年干旱少雨，平均降水量不足70 mm，且多集中于5—8月，年均气温12 ℃，日照时间长，蒸发强烈，四季及昼夜温差较大，属于典型的干旱荒漠大陆性气候[18]。叶尔羌河流域生态环境十分脆弱的地区，叶尔羌河流域内植被主要分为：森林、荒漠、高山植被、草原、草甸和栽培植被等6种主要类型。整个流域荒漠面积的比例为42.90%、高山植被面积的比例为18.09%、草甸与草原的面积的比例分别为14.26%、12.29%，栽培植被面积的比例为6.15%，森林面积占整个流域面积的比例仅为1.91%。

图1 叶尔羌河流域不同植被类型分布

2 研究方法

2.1 数据来源

归一化植被指数数据来源于美国航空航天局(NASA,https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)网站提供的250 m空间分辨率的2001—2020年MOD13Q1植被指数产品。利用Modis重投影工具(MRT)和ArcGIS等软件对2001—2020年各个年份23个时相的MODIS数据进行处理，主要包括校正、镶嵌、裁剪等，得到各帧归一化植被指数遥感影像图。气象数据选用新疆41个气象站点的气温及降水数据，利用matlab完成数据处理，采用反距离权重法进行空间插值，生成的栅格数据与归一化植被指数数据具有相同投影方式和空间分辨率[19]。植被类型数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心。根据植被地带性分布规律，将叶尔羌河流域植被划分为：森林、荒漠、草原、草甸、栽培植被和高山植被等6种植被类型[20]。

2.2 趋势分析法

趋势分析法是指通过构建一元线性回归方程，用时间序列线性拟合的方式对归一化植被指数的数值进行处理[21]。计算公式为：

式中：n为所研究时段的累计年数(n=20)；Xi为第i年最大化归一化植被指数值；K为归一化植被指数的线性斜率。当K>0表示归一化植被指数的变化趋势增加，反之减少。根据K的大小，将植被变化趋势分为：严重退化(K≤-0.009 0)、中度退化(-0.009 00.009 0)。

2.3 重新标度极差分析法(R/S分析法)与赫斯特指数(Hurst指数)

重新标度极差分析法[22]以及Hurst指数(H)可以定量描述归一化植被指数长时间序列的可持续性，判断植被未来演化趋势是否存在持续成分[21]，取值范围0～1。当0

采用Matlab编程对归一化植被指数值进行下列计算：

(5)赫斯特指数(H)：R(τ)/S(τ)=C(τ)H，H=(lnR(τ)-lnS(τ))/lnC(τ)，C(τ)为常数。

2.4 相关性及残差分析

相关分析是指在多个变量的相互作用中，控制其他变量影响，研究其中两个变量相关性程度的过程[11]。

式中：rxy为植被覆盖度与气温或降水量的相关系数，n为监测时间(20 a)，xi为第i年植被覆盖度，yi为第i年气温或降水量。

残差分析法可以将气候变化和人类活动对植被指数变化的影响进行分离，从而定量描述人类活动对归一化植被指数的影响[15]，公式如下：ε=Ir-Ip。式中，ε为残差，Ir为归一化植被指数真实值，Ip为归一化植被指数预测值。当ε>0时，表示人类活动具有正面影响；当ε<0时，表示人类活动为负面影响；当ε=0时，表示人类活动影响微弱。

3 结果与分析

3.1 叶尔羌河流域植被年际变化特征

由图2可知，从时间变化上看，叶尔羌河流域2001—2020年归一化植被指数总体的增加趋势较为明显，但存在一定的波动，整体上介于0.09～0.44，呈上升-下降-上升的趋势变化。在2001—2010年间，归一化植被指数不断波动增加，多种植被类型的归一化植被指数都在2013年后变化缓慢。不同植被类型的归一化植被指数均呈现增加趋势，且波动特征体现出良好的一致性。

图2 叶尔羌河流域归一化植被指数时空分布特征

由于植被种类以及生长情况不同，不同植被类型的归一化植被指数存在差异。20年来，归一化植被指数最大值出现在2017年的栽培植被(0.44)，最小值出现在2009年的高山植被(0.09)，不同植被类型的归一化植被指数均值由大到小依次为：栽培植被(0.40)、草甸(0.29)、草原(0.27)、荒漠(0.21)、森林(0.12)、高山植被(0.11)。

从空间分布来看，叶尔羌河流域植被的归一化植被指数空间分布存在差异，整体植被状况呈现北部优于南部，东部优于西部的特征。栽培植被及草甸主要分布在流域中东部等地区；草原在流域西北部分布范围较广，区域内植被状况良好；栽培植被的归一化植被指数常年与其他植被类型相比较高，草甸、草原次之。荒漠等植被覆盖较低的类型大面积分布在流域北部区域，天然植被稀疏，归一化植被指数较低。流域西部海拔较高区域为高山植被分布区，常年低温，植被生长环境苛刻，归一化植被指数最低。

3.2 叶尔羌河流域植被空间格局变化

3.2.1 空间格局变化趋势

由图3、表1可知，叶尔羌河流域植被格局总体呈现轻微改善和基本不变的趋势。且森林、高山植被、草原、草甸等多种类型植被的归一化植被指数均呈现不变或改善的趋势。不同植被类型改善区域的比例分别为：栽培植被67.87%、草原66.06%、草甸64.94%、荒漠64.16%、森林48.19%、高山植被44.92%。植被改善区域主要分布于研究区东北部草甸、荒漠和栽培植被分布区域，植被退化的区域主要分布在研究区中部栽培植被集中区域，栽培植被中退化趋势面积占比为14.19%，东北部也存在零星的退化区域，其余地区植被NDVI变化处于基本不变的趋势。

图3 2001—2020年叶尔羌河流域归一化植被指数的空间变化趋势

表1 叶尔羌河流域各植被类型归一化植被指数的变化趋势统计

3.2.2 叶尔羌河流域不同植被变化可持续性

由图4(a)可知，叶尔羌河流域2001—2020年各植被类型的赫斯特指数(Hurst指数)均低于0.5，表明叶尔羌河流域植被变化有很弱的反持续趋势。

图4 2001—2020年叶尔羌河流域赫斯特指数分布及可持续趋势

由表2可知，不同植被类型的Hurst指数由大到小依次为：草甸(0.471)、栽培植被(0.466)、森林(0.464)、荒漠(0.448)、草原(0.445)、高山植被(0.412)。草甸、栽培植被和森林的持续性序列比重相对较高，集中于流域中东部地区，持续性面积平均占比为31.34%。而荒漠、草原、高山植被等植被类型中的反持续面积比重超过可持续的两倍。叶尔羌河流域不同植被类型的归一化植被指数反持续性比重大于60%，但程度很弱。

由图4(b)根据Arcgis中测算面积的比例，24.44%的区域将持续改善，由退化到改善的区域占11.56%，4.49%的区域将持续退化，而59.5%的区域将由改善变为退化。未来植被变化较为复杂，反持续改善或退化多呈斑块状零散分布，持续改善主要在流域中东部草原、草甸等植被类型分布区域，由退化转为改善的零散分布在草甸和栽培植被区域，由改善转为退化的主要涉及荒漠、森林两种植被类型，持续退化面积较小，点状分布在荒漠。

3.3 叶尔羌河流域气候因子对植被变化的影响

由图5可知，不同植被类型的归一化植被指数对气候因子的敏感性存在差异。不同植被类型的归一化植被指数和降水量的正相关和负相关性相互并存，并且整体上呈现出正相关的关系。归一化植被指数与气温的相关系数为-0.81～0.94，与降水的相关系数为-0.58～0.74。

表2 不同植被类型的Hurst指数

图5 2001—2020年叶尔羌河流域归一化植被指数与气温(a)和降水量(b)的相关性空间分布

由表3可知，在叶尔羌河流域34%的地区，NDVI与气温存在显著的正相关关系(0.5≤r≤0.8)，主要分布在荒漠、草原等植被类型区域；极显著正相关(r≥0.8)的区域主要在栽培植被分布区，占整个区域的7%左右；在森林和高山植被类型中，NDVI与气温存在较弱的负相关关系(-0.3≤r≤0)，约为11%。荒漠、草原和栽培植被等植被类型中降水与NDVI之间呈正相关关系，部分植被如高山植被NDVI与气温之间存在较弱的负相关关系(-0.3≤r≤0)。

表3 2001—2020年叶尔羌河流域NDVI与气温和降水量的相关性频率分布

3.4 人类活动对植被变化的影响

由图6可知，2001—2020年6种植被类型的NDVI残差均为正，表明人类活动对叶尔羌河流域植被格局产生积极影响。按照残差的大小判断人类活动对不同植被类型NDVI产生的影响由大到小依次为：草甸(0.003 4)、栽培植被(0.003 2)、草原(0.002 3)、荒漠(0.002 2)、森林(0.001 4)和高山植被(0.001 2)。从空间分布来看，植被残差较高的区域有中东部草甸、荒漠和栽培植被以及西部荒漠的部分区域，残差趋势出现负值的区域同样在研究区中部的栽培植被、草甸分布区域等有零星分布。

图6 2001—2020年叶尔羌河流域人类活动影响力

4 讨论

从2001—2020年，叶尔羌河流域不同植被类型的NDVI变化趋势较为明显，其中栽培植被和草原的改善趋势比较明显，分别占其面积的67.87%和66.06%，表明自退耕还林等保护政策实施以来，区域内植被生长状况良好。

温度是影响植物物候最重要的气象因子[23]，气温升高使地温上升，加速植物内部化学反应，促进植物生长[24]。气温变化对植被生长的影响程度更高，由于海拔较高，相对于流域附近的水源条件，热量条件不充分，而温度对植物萌发生长产生较大影响，温度的上升能使植物提高光合作用和水分利用效率等，从而有利于NDVI增加，与李晓蕾等[12]的研究结果较为一致；尚华明等[25]研究也表明叶尔羌河主要以冰川补给为主，降水并不是影响植被生长的主要因子。因此，降水影响相对气温影响不明显，因此，NDVI与20年间气温变化呈现更高的相关性。崔利芳等[26]、Zhao et al.[27]研究表明，不同植被类型对外部条件的变化响应较为一致，水热条件较好的情况有利于植被生长，高寒山区气温上升可延长植被生长季并增加其光合作用，从而促进植被生长。森林、草原等的植被变化可持续性较弱，说明植被变化是受气候条件和人类活动共同影响，而非单因素持续作用产生的较强变化趋势，与Song et al.[28]研究结果一致。人类活动对荒漠、草甸、栽培植被的影响相对显著，表明生态恢复以及治理工程的实施所产生的生态效益正在呈现，通过改善土壤质量、缓解水土流失、提高植被总初级生产力等方式人为影响植被生长，使植被NDVI不断增加，并对生态环境的改善有良好的推动作用。人类活动对高山植被的影响相对较弱，主要原因是高海拔地区，人类活动相对较少。加强环境治理，坚持守住生态保护红线，不断提高生态环境治理水平，对生态环境保护和生态文明建设具有重大的作用[29]，呈现的NDVI变化是以气候要素为主与保护工程叠加的效应。随着叶尔羌河流域经济以及城市化水平的发展，建设用地面积扩张使生态系统发生改变[30]，建设用地持续占用植被资源是导致植被盖度下降的原因[2]。人类活动对植被生长产生的抑制作用，是导致草原、荒漠、高山植被等植被类型的部分区域出现较弱反持续趋势的原因。

另外，本文只研究了气候因子中的气温降水对NDVI变化的影响，太阳辐射、相对湿度、蒸散发、极端天气事件、干旱指数[31-32]等自然条件对NDVI的影响有待于进一步研究。因此，在后续研究中，对驱动因素的选取应不断完善。经济发展、人口素质提高能够减轻人类活动对植被带来的负面影响[33]，但本文只通过残差研究了人类活动，有待于进一步从人口密度、经济发展等社会经济层面分析人类活动的影响。

5 结论

(1)2001—2020年间叶尔羌河流域不同植被类型NDVI都呈现上升趋势，20年来，NDVI均值由大到小依次为栽培植被、草甸、草原、荒漠、森林、高山植被。森林、高山植被、草甸增速显著，栽培植被变化率最低。且不同植被类型NDVI变化具有良好一致性。

(2)研究区NDVI变化趋势以稳定为主，改善趋势次之。森林植被的稳定面积所占比例最大，为45.54%，栽培植被、荒漠的改善区域面积所占比重都较大，但不同植被类型的趋势具有一定的异质性。

(3)研究区未来31.34%的区域NDVI变化呈可持续趋势，森林、荒漠等部分区域存在生态退化风险，应继续加强生态环境保护力度，提高NDVI变化稳定性，保护生态建设成果。

(4)不同植被类型NDVI与降水量和气温整体上均呈现正相关关系，其中，草原和荒漠的NDVI与气温变化为显著正相关，栽培植被的NDVI与气温极显著正相关，气温对各植被类型NDVI的影响更为明显。

(5)人类活动对产生积极影响最显著的是草甸，对荒漠、栽培植被的影响相对显著。