宁夏草地绿度时空变化图谱及驱动因素分析

杨航,马彩虹,滑雨琪,李聪慧,刘园园

(宁夏大学地理科学与规划学院,银川 750021)

草地作为陆地生态系统的重要成员,在生态防护等方面发挥着重要作用[1]。草地绿度是表征草地覆盖度的重要参数,能较好反映草地覆盖度的年内和年际变化特征,归一化植被指数(NDVI)是草地绿度最佳指示因子之一[2]。宁夏降水较少,草地覆盖度低,NDVI不会出现饱和现象,即NDVI越大,草地绿度越高。气温和降水是影响草地绿度的关键气候因子,学者们利用遥感数据在草地生长对气候变化响应方面开展了广泛研究,如趋势分析[3]、相关分析[4]和偏相关分析等[5]。气温和降水对草地绿度的影响具有明显的空间分异[6],东北地区气温为关键气候因子[7],西北一带降水为主导因子[8],青藏高原气温占主导地位主要分布在中部和东南部,降水占主导地位主要分布在东北部和西部[9]。同时不同类型和地形的草地对气温和降水响应具有差异,如荒漠草地和平原草地受降水影响较大,草甸草地和坡面草地受气温影响较大[10]。近年来,随着人类活动的加强,草地生长状况直接或间接受到人类活动的影响,部分地区影响速度和强度超过自然因素,剥离气候因素影响,定量分析人类活动对草地生长的影响迫在眉睫[11-12]。准确及时掌握草地绿度的时空变化,探究气候变化和人类活动对其作用,不但有利于草地生态系统健康,更促进了陆地生态系统协调发展[13]。

地学信息图谱是一种时空复合分析方法,它是由我国地理学家陈述彭院士首次提出[14],在地理学中得到广泛应用,如山地垂直带信息图谱[15]、土地利用变化信息图谱[16]、自然景观要素信息图谱[17]、地貌信息图谱等[18]。部分学者将其引入到植被变化的研究中,如韩磊等根据植被覆盖地学图谱发现延安植被以持续变化为主[19],郑惠茹等通过建立退耕还林前后的植被恢复演替图谱,发现研究区植被恢复遵循旱生进展演替的一般规律[20]。草地作为一种季节性植被,是气候变化和人类活动的承担者和反馈者,在很大程度上表征区域环境状况[21]。利用地学信息图谱探究其时空变化及性质,可将草地绿度多维时空信息以图谱单元的形式动态化和可视化,对定量开展长时间序列草地绿度变化空间格局与时序特征的集成研究具有重要意义。

宁夏作为草地资源大省,草地面积占全省面积的43%,具有重要的经济和生态价值[22]。学者对草地研究多集中在青藏高原、新疆、内蒙古一带,对宁夏草地绿度的研究鲜有报道。因此,本研究基于2000—2020年草地NDVI,结合气象和土地利用数据,采用地学信息图谱等方法对宁夏不同类型草地绿度时空分布及变化特征进行多时间尺度的研究,并探究草地绿度的驱动因素。旨在保护宁夏草地资源和促进生态系统的可持续发展,为宁夏实现碳达峰、碳中和目标提供一定的决策参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区位于中国西北内陆,地处北纬35°14′—39°23′N,东经104°17′—107°29′E,总面积6.64×104km2。属于温带大陆性气候,干旱少雨,年均气温5.20～8.19℃,年降水量为183～677 mm。依据自然环境条件和生态基础,将其划分为北部绿色发展区、中部封育保护区、南部水源涵养区[23]。宁夏地处北方温带草原地区,天然草地资源丰富。荒漠草地广泛分布在宁夏北部和中部的风沙带上,典型草地主要分布在宁夏中部和南部的黄土丘陵区,草甸草地主要分布在宁夏南部的六盘山一带[24](图1)。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview diagram of the study area

1.2 数据来源与预处理

草地逐年NDVI数据来自中国30 m 逐年NDVI最大值数据集,逐月NDVI数据来自中国月度1 km 植被指数(NDVI)空间分布数据集,均采用最大值合成法生成,来源于资源环境科学与数据中心(https:∥www.resdc.cn/)。气温和降水数据是分辨率为1 km 的逐月平均数据集,来源于国家地球系统科学数据中心(http:∥www.geodata.cn/)。将草地NDVI、降水和温度数据集在Arc GIS中进行投影、掩膜、重采样等统一成空间分辨率为30 m、行数和列数分别为1055,10 768,投影为Krasovsky_1940_Albers数据集。

1.3 研究方法

1.3.1 地学信息图谱 地学信息图谱可以同时表达地理空间结构特征及时间动态变化等,草地绿度地理信息图谱是基于遥感、地理信息系统及空间分析方法,对研究区草地图斑进行提取,并获得草地绿度变化信息。

1.3.2 变异系数 变异系数表示数据的离散程度,可用来表示草地绿度变化的波动状况。计算公式为:

式中:CV为草地绿度变异系数;σNDVI为标准差;NDVIavg为均值。变异系数越小,草地绿度波动程度越小,草地绿度变化越稳定,反之则表明草地绿度越不稳定。

1.3.3 Hurst指数法 Hurst(H)指数可以定量描述草地绿度时间序列的持续性或反持续性。当0＜H＜0.5时,表示草地绿度未来变化状况与过去变化趋势相反,H越小反持续性越强;当H=0.5时,草地绿度不具有持续性;当0.5＜H＜1时,表示草地绿度未来变化状况与过去变化趋势相同,H越大持续性越强。具体计算方法参见文献[25]。

1.3.4 趋势分析 采用Sen+Mann-Kendall分析法研究宁夏草地绿度年际变化趋势[26],公式如下:

式中:NDVIk,NDVIi为连续的NDVI数据序列;n为年份;S为检验统计量;Zc为标准化检验统计量。当1＜i＜k＜n时,Q表示草地绿度变化幅度的大小,Q＜0时,表示草地绿度呈下降趋势;反之则表示上升趋势。

1.3.5 偏相关分析 偏相关分析相较于相关性分析,可以消除其他气候因子对草地绿度的影响,仅研究一个气候因子对草地绿度的作用,可识别出影响草地绿度变化的关键气候因子。公式如下:

式中:rxy.z为剥离z后x和y的偏相关系数;rxy,rxz,ryz分别为x,y,z两个因子之间的相关系数,本研究逐像元分析草地绿度和温度、降水的偏相关性。

1.3.6 多元回归残差分析 多元回归残差分析法由Evans and Geerke提出[27],可以剥离气候因素影响,定量评估人类活动对草地绿度的影响程度。公式如下:

式中:NDVIobs和NDVIpre分别为草地绿度的观测值和预测值;NDVIres为草地绿度变化的残差;NDVIpre表示气候因素对草地绿度的影响;Tmean和Ptotal分别为年均温和年累计降水量;a,b和c为参数。

2 结果与分析

2.1 草地绿度时序变化特征

2000—2020年宁夏草地绿度呈波动上升趋势,绿度变化与年份相关,相关系数0.607,绿度由0.25上升到0.38,增长速率为0.007/a,宁夏草地绿度得到显著提升(图2)。不同草地类型绿度均呈波动上升趋势,草甸草地上升速率最大为0.011/a;典型草地次之为0.009/a;荒漠草地上升最为缓慢,速率为0.004/a。不同草地类型年均绿度大小为:草甸草地(0.63)＞典型草地(0.39)＞宁夏草地(0.34)＞荒漠草地(0.26)。在此基础上对宁夏草地月均绿度进行分析,宁夏草地、典型草地、荒漠草地8月绿度最大,依次为0.32,0.36,0.24,草甸草地7月份月绿度最大为0.59;宁夏草地、典型草地、荒漠草地和草甸草地2月份绿度最低,依次为0.11,0.12,0.10,0.15。月均草地绿度整体呈倒“U”型,不同类型草地绿度最大值相差较大,最小值相近。

图2 2000-2020年宁夏草地年均(左)和月均(右)绿度变化趋势Fig.2 Change trend of annual(left)and average(right)green degree in Ningxia grassland from 2000 to 2020

2.2 草地绿度空间差异特征

2.2.1 草地绿度年度信息图谱特征分析 以2000年为基准年研究2001—2020年各年较基准年草地绿度增减变化(图3)。研究时段内,多数年份草地绿度较基础年呈增加态势,2011—2020年较2001—2010年相对于基准年绿度提升显著且稳定。2018年绿度增加最显著,该年年均降水量较基准年增加了11.65 mm,气温增加0.39℃,表现为暖湿,有利于草地绿度提升;2005年草地绿度较基准年降低最显著,主要在黄河和清水河沿线区域,该年降水量较2000年减少8.00 mm,温度增加0.40℃,降水较少在一定程度上导致绿度降低。境内贺兰山、罗山、六盘山呈显著增长趋势,增长趋势较其他区域显著,以“三山”为主的自然保护区通过生态修复和环境整治取得一定成效,草地绿度得到一定提升。

2.2.2 草地绿度月度信息图谱特征分析 受气候、地形等因素的影响,宁夏草地绿度总体上呈“南高北低”的空间分布格局(图4)。南部分布有六盘山,受地形影响降水较多,草地类型主要为草甸草地和典型草地,草地绿度较高。中部为干旱带,降雨较少,且有小范围的沙漠分布,草地类型主要为典型草地,草地绿度居中。北部因贺兰山阻断暖湿气流向西发展,局部区域降水较多,黄河沿岸的银川平原降水量较少,草地类型主要为荒漠草地,同时由于经济发达、人口集聚和农畜产业等,草地覆被情况较差,研究期内草地绿度最低。年内变化表现为3—8月宁夏草地绿度提升且由南向北渐次推进,9月至次年2月草地绿度值降低且空间呈现为由北向南逐渐褐化。

图4 2000-2020年宁夏月度草地绿度空间分布图谱Fig.4 Monthly spatial distribution map of grassland greenness in Ningxia from 2000 to 2020

2.3 草地绿度趋势指数时空变化图谱特征

2.3.1 草地绿度变化图谱特征 运用Theil-Sen Median趋势法分析2000—2020年宁夏草地绿度年际变化趋势的空间特征(图5A—5B),Mann-kendall显著性检验为草地绿度通过极显著(p＜0.01)与显著(p＜0.1)的检验(表1)。草地绿度总体上呈增加趋势,绿化趋势由南到北递减。计算表明,97.76%的宁夏草地绿度呈增加趋势,极其显著增加趋势面积占比最大为48.78%,主要分布在草甸草地和典型草地;宁夏草地绿度显著增加和不显著增加面积占比分别为28.40%,20.58%,主要分布在荒漠草地和中部的典型草地;宁夏草地绿度减少区域面积较少,占比为2.24%,主要分布在北部荒漠草地。草甸草地和典型草地无绿度减少趋势,荒漠草地无极其显著减少趋势。

表1 宁夏草地绿度变化趋势的显著性统计Table 1 Significance statistics of the change trend of grassland greening in Ningxia%

图5 2000-2020年宁夏草地绿度变化稳定性、可持续性和变化趋势信息图谱Fig.5 Information map of stability,sustainability and change trend of grassland greenness change in Ningxia from 2000 to 2020

2.3.2 草地绿度稳定性图谱特征 2000—2020年宁夏草地绿度变化较大,变异系数介于0.03～0.61,平均值为0.22,表明21年宁夏草地绿度整体处于高波动状态(图5C)。草甸草地波动最低,典型草地次之,荒漠草地最高。宁夏草地绿度稳定性空间分异显著,北部主要为高波动,中部和南部局部区域因地形和气候等因素呈现出高低波动并存。草地绿度高波动面积占比最大为67.60%,主要分布在典型草地和荒漠草地(表2)。荒漠草地广布在沿黄经济带上,受人为因素如经济活动和农业生产的影响较大;典型草地主要分布在中部干旱带,受自然因素如干旱、极端天气等的影响较大。相对高波动面积占比为22.75%,主要分布在中部和南部的典型草地。中等波动、低波动和相对低波动面积占比较小,分别为6.97%,0.32%,2.37%,主要分布在六盘山一带的草甸草地,自然条件较好,受人类干扰小。

表2 2000-2020年宁夏草地绿度变化稳定性Table 2 Stability of grassland greening in Ningxia from 2000 to 2020%

2.3.3 草地绿度可持续性特征 2000—2020年宁夏草地绿度Hurst指数处于0.19～0.91之间,均值为0.48,呈“南高北低”的空间格局(图5D),结合稳定性分析结果,宁夏草地绿度整体上不具有稳定可持续的绿化趋势。荒漠草地和典型草地Hurst指数均值分别为0.47,0.49,不具备可持续的绿化趋势;草甸草地Hurst指数均值为0.53,可持续性高于其他草地类型,具备的可持续绿化趋势。

2.4 草地绿度对气候变化和人类活动响应

2.4.1 草地绿度对气候变化的响应 草地绿度与气温表现为正负相关并存(图6,表3)。草地绿度与气温呈正相关的区域占65.65%,主要分布在草甸草地、典型草地、贺兰山和香山一带,其中具有显著(p＜0.1)和极显著(p＜0.01)负相关分别为1.31%和0%,零星分布在中部典型草地。草地绿度与气温呈负相关的区域面积占比为34.35%,其中不显著负相关面积占比最大为33.93%,主要分布在荒漠草地和典型草地北部。草地绿度和降水整体上呈正相关,正相关区域的面积占比达到99.46%,其中40.73%为极其显著正相关,主要分布在荒漠草地和典型草地的北部;显著正相关的面积占比为34.80%,广泛分布在中部和南部的典型草地;不显著正相关的面积为23.93%,主要分布贺兰山、六盘山、白芨滩和哈巴湖一带。草地绿度与降水呈负相关的区域面积占比较小为0.53%。

表3 草地绿度与气温和降水的偏相关显著性统计Table 3 Significance statistics of partial correlation between grassland greenness and temperature and precipitation %

图6 草地绿度与气温和降水的偏相关分析Fig.6 Partial correlation analysis between grassland greenness and air temperature and precipitation

气候因素影响草地绿度的面积占比为99.04%,气温和降水共同驱动区域面积占比为30.99%,主要分布在贺兰山、哈巴湖、罗山和六盘山等自然保护区(图7)。受降水驱动为主的地区面积占比最大为67.10%,成片分布在荒漠草地南部和典型草地;受气温驱动为主的地区面积占比较小为0.95%,零星分布在北部和中部分界线周围和宁夏的最南部;0.96%的区域不受气温和降水的驱动,零星分布在白芨滩和香山一带。研究期内温度和降水均呈上升趋势,表现为暖湿化,在一定程度上促进草地绿度提升。

图7 温度-降水对宁夏草地绿度驱动因素分区及较基准年变化趋势Fig.7 Temperature-precipitation on the driving factors of grassland greenness in Ningxia and the trend of changes compared with the base year

2.4.2 草地绿度对人类活动的响应 残差分析法能剥离气候因素的作用,有效测算人类活动对草地绿度的影响程度,宁夏草地绿度受人类活动影响的正面效应远大于负面效应(图8)。草地绿度多元回归残差总体呈上升趋势,2000年以来实施的退耕还草、封山禁牧等生态工程积极促进了宁夏草地的绿化趋势,人类活动正向效应明显,面积占比达97.01%。残差为负的区域为人类活动对草地绿度产生破坏作用的区域,面积占比为2.99%,主要分布在贺兰山一带,贺兰山煤矿开采区的修复工程在一定程度上改善了生境质量,但贺兰山脆弱的生态环境也引起人类活动对草地绿度的反作用。随着城市化速率的加快,部分草地转化为建设,致使城市周边区域草地绿度降低。

图8 2000-2020年宁夏草地绿度多元残差分析Fig.8 Analysis of multiple residues of grassland greening in Ningxia from 2000 to 2020

土地利用对草地绿度变化具有明显的正负效应。一方面,城市化降低了草地绿度,另一方面,退耕还草和草地面积增加促进了草地绿度的提升。2000—2020年,宁夏土地类型发生变化的面积约251 862.62 hm2,耕地转出面积最多为113 617.63 hm2,47.75%转移为高覆盖度草地,27.23%转移为低覆盖度草地;中覆盖度草地转入面积较多为90 805.75 hm2,主要由耕地(58.96%)和低覆盖度草地(23.21%)转入。21年低覆盖度草地、中覆盖度草地、高覆盖度草地面积分别增加了16 171.28 hm2,52 159.81 hm2,23 425.39 hm2,耕地、水域、未利用土地面积减少,分别减少了86 856.01 hm2,1 459.32 hm2,18 793.79 hm2(表4—5)。

表4 2000-2020年宁夏草地正向效应区域土地利用变化转移矩阵Table 4 Land use change transfer matrix in Ningxia grassland positive effect area from 2000 to 2020 hm2

表5 2000-2020年宁夏草地负向效应区域土地利用变化转移矩阵Table 5 Land use change transfer matrix in Ningxia grassland negative effect area from 2000 to 2020 hm2

残差变化为正的区域土地利用转移主要表现为低覆盖度草地、中覆盖度草地和高覆盖度草地面积分别增加16 499.63 hm2,50 873.75 hm2,22 994.77 hm2,耕地和未利用土地面积分别减少了84 794.00 hm2,18 475.24 hm2;宁夏草地绿度残差变化为负的区域中主要表现为低覆盖度草地面积减少328.35 hm2,建设用地面积增加1 661.70 hm2。

3 讨论

本文对宁夏不同类型草地绿度时空分异和变化趋势进行了定量分析,不同类型草地绿度均呈上升态势,上升速率存在差异,48.78%的草地呈极其显著增加趋势,这一结果与刘洋洋等对中国草地研究中宁夏区域部分的结果一致[28]。研究期内宁夏气候表现为暖湿化,在一定程度上促进了草地植被的生长。气温和降水的高位、低位震荡,使得草地绿度表现出年际波动[5],采用地学信息图谱分析法对草地绿度变化进行研究,能够比较发现草地绿度变化的空间异质性特征。宁夏草地绿度、变化趋势、稳定性、可持续性均呈“南高北低”的空间格局,与秦格霞等对中国北方草地宁夏区域部分研究的空间格局相似[29],宁夏由南到北依次处于半湿润区、半干旱区、干旱区,气温“南低北高”、降水“南多北少”,使得南部草甸草地的长势优于北部的荒漠草地。草地绿度与气温呈正相关的面积占比为65.65%,与降水呈正相关的面积占比为99.46%,草地绿度变化受降水驱动的面积占比为67.10%,表明草地绿度受降水的影响更大,对降水更敏感,这与前人研究结论一致,即半干旱区与干旱区降水为草地绿度变化的主导气候因子[7]。

宁夏草地绿度变化受气候和人类活动共同作用,不同区域、不同草地类型的驱动因素和相对作用强度具有明显的空间分异[30]。位于六盘山一带的草甸草地绿化趋势稳定可持续,草地绿度与气温和降水呈不显著正相关,六盘山作为西北生态安全屏障,坚持实施退耕还林还草,封山禁牧等生态工程,人类活动是绿度提升的主导因素。典型草地绿度与降水呈极其显著正相关,绿度年际与月度变化受气候因素影响较大,残差系数为正表征人类活动促进了绿度提升,绿度提升受气候和人类活动共同驱动,以降水驱动为主。荒漠草地绿度与降水极其显著和不显著正相关并存,与气温不显著正负相关并存,荒漠草地主要分布在黄河生态经济带上,在保护生态的前提下促进经济发展,人类活动以正向驱动为主,荒漠草地受气候和人类活动共同作用,相对作用强度主要受气候因素影响。宁夏草地绿化以气候驱动为主,局部区域表现为气候和人类活动共同作用。多年回归残差系数呈波动上升趋势,人类活动对草地绿度正向驱动强度加大,表明如三北防护林建设、退耕还草、封山禁牧等生态工程促进了草地绿度提升。残差为负的区域主要分布在贺兰山一带,多年的煤矿开采使得该区域生境脆弱,对生态措施敏感且易产生反作用,人类活动是宁夏草地退化的主导因素。生态脆弱区的草地以自我恢复为主,人工修复为辅。

研究期内,宁夏草地面积和绿度均得到提升,部分耕地和建设用地转为草地,反映宁夏草地生态质量的提升。草地绿度和绿化趋势空间上呈“南高北低”,应进一步有针对性地促进荒漠草地和典型草地绿度提升。草地绿度变化波动较大且绿化趋势不持续,宁夏地处生态脆弱区,生态环境较为恶劣,易受干旱、大风等自然灾害影响,在推进草地资源提升时,要降低自然灾害对草地绿化和生态工程的破坏,提高草地绿度韧性。草地绿度时空变化是多种因素共同作用的结果,本文探索了研究期内逐年气温和降水对宁夏草地逐年绿度的影响,非生长季、气温降水的滞后效应和未纳入分析的其他气候因子均在一定程度上影响气温和降水对草地绿度的偏相关分析,在分析人类活动对草地绿度影响程度方面也存在一定偏差,今后将综合考虑研究的时间尺度和多种气候因素的作用。本文仅关注了气候对草地整体绿度的影响,后期研究将重视草地绿度提升对局地气候的响应。

4 结论

本研究基于NDVI、气象、土地利用等数据,分析了2000—2020年宁夏不同类型草地绿度时空变化及气候因子和人类活动的驱动。主要结论如下:

(1)宁夏草地绿度呈波动上升趋势,草甸草地绿度最高且增速最快为0.011/a,荒漠草地绿度最低且增速最慢为0.004/a。月均草地绿度整体呈倒“U”型,草甸草地7月份绿度最高为0.59,2月份绿度最低为0.15,其他草地类型均8月份绿度最高,2月份最低。

(2)宁夏草地绿度空间分异显著,呈“南高北低”的格局,以贺兰山、罗山、六盘山为首的自然保护区的绿度优于其他区域。3—8月宁夏草地绿度提升由南向北推进,9月至次年2月渐次降低由北向南推移。

(3)宁夏草地绿度呈增加趋势的面积占比为97.76%,典型草地和草甸草地全部表现为增加趋势,96.69%的荒漠草地表现为增加趋势,宁夏草地绿度极其显著增加占比最大为48.78%。荒漠草地和典型草地表现为不稳定不持续的绿化趋势,需要在后期管理中减少人类活动对其的扰动,草甸草地表现为稳定可持续的绿化趋势。

(4)99.46%和65.65%宁夏草地绿度分别与降水和气温呈正相关,67.10%区域以降水驱动为主,降水为主导气候因子。宁夏草地绿化以气候驱动为主,局部区域表现为气候和人类活动共同作用,残差分析表明人类活动对草地绿度以正向驱动为主。