2001—2021年川西高原植被NDVI时空变化及影响因素分析.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:王叶兰杨鑫郝利娜.年川西高原植被 时空变化及影响因素分析.自然资源遥感():.(.():.)年川西高原植被 时空变化及影响因素分析王叶兰 杨 鑫 郝利娜(.成都理工大学地球科学学院成都 .地球勘探与信息技术教育部重点实验室成都)摘要:川西高原是青藏高原与四川盆地间重要的生态屏障生态坏境脆弱敏感研究其植被归一化植被指数()动态变化及其驱动因子对监测生态环境质量具有重要现实意义 以 年 数据为基础结合气象数据、地表因子数据以及人类活动数据利用趋势分析、指数以及地理探测器分析时空尺度下川西高原植被 的分布特征探索影响 变化的主要驱动因子 结果表明 年川西高原.的区域植被 表现为波动上升趋势 高程是影响植被 的最主要因子其解释力为.其次为 积温与气温 影响因子间交互作用为非线性增强与双因子增强其中相对湿度高程的 值最高为.的因子组合对川西高原植被 空间分布的影响存在显著差异 研究结果有助于研究植被生长的驱动机制可为川西高原植被保护提供参考关键词:川西高原 地理探测器 时空变化 驱动因子中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:中国博士后科学基金第 批特别项目“重大工程背景下黄土高原生态地质环境脆弱性评价”(编号:)和中国博士后科学基金项目(二等)“近 年黑方台黄土滑坡与农作物更替时空耦合机制分析”(编号:)共同资助第一作者:王叶兰()女硕士研究生研究方向为植被生态遥感:.通信作者:杨 鑫()男博士副教授研究方向为“”技术在地学中的应用:.引言植被覆盖是陆地生态系统的重要组成部分植被在沙漠化防治、水土保持和生态环境改善等方面起到至关重要的作用 归一化植被指数()广泛应用于长时间序列的植被覆盖变化监测同时受到自然因素和人为因素的共同影响 黄土高原和三江源等区域植被 的主要驱动因子是气候京津风沙源治理区主要受到人类生态工程建设的影响 除此之外地形和土壤等也是影响植被覆盖的重要因素 赵婷等通过地形差异修正法分析了秦岭山地植被覆盖的地形分异特征 张英洁等发现土壤是影响长白山苔原带植被 的重要因子 自然因子对植被 的影响具有空间异质性及交互作用因此分析植被 的驱动机制需要进一步研究多因子的协同作用川西高原海拔高生态环境脆弱是长江上游重要的生态屏障作为青藏高原与四川盆地之间的生态过渡带川西高原植被对青藏高原与四川盆地生态平衡起到至关重要的作用 因此研究川西高原植被 时空格局变化十分重要 近年来国内学者在川西高原植被动态变化及其影响因素方面开展了大量研究工作 目前大部分研究主要应用的是趋势分析、偏相关分析以及残差分析方法分析了植被变化特征及单因子对植被的影响仅有少部分研究通过偏相关和复相关分析考虑了因子间的协同影响但这种交互作用是一个复杂的响应过程并不存在严格统计标准的线性关系难以定量判断各个因素对植被覆盖变化的影响 王劲峰等提出的地理探测器是探测空间分异性与驱动力的一种统计学方法可定量分析驱动因子对植被 空间分布的影响与其他统计方法相比地理探测器不仅可以探测数值型数据也可以探测定性数据同时还可以探测两因子之间的交互作用 目前已有学者有效运用该模型对中亚、黄河流域、岷江上游、祁连山和内蒙古等不同类型地区植第 期王叶兰等:年川西高原植被 时空变化及影响因素分析被 驱动机制进行了研究 因此本文选取地貌地形复杂、生态环境脆弱的川西高原作为研究区基于 年 数据采用空间转移矩阵、趋势分析和 指数分析了川西高原植被 的时空变化特征应用地理探测器定量分析了驱动因子对植被 空间分异的作用并探测最适宜植被生长的因子范围以期为川西高原植被覆盖恢复、水土保持和生态环境保护提供参考 研究区概况川西高原位于四川省西部地理坐标在 之间包括四川省甘孜藏族自治州与阿坝藏族羌族自治州的 个县级市和 个县(图)面积约.川西高原是横断山脉和青藏高原的一部分分为川西山地和()高程及气象站点分布()土地利用类型图 研究区位置.川西北高原 地势西高东低平均海拔为 地貌类型多样多为高原、山地 气候类型以高原气候为主由于海拔差异气候垂直变化较显著 土壤类型复杂丰富共包含 个土类 植被类型多样以草甸、灌丛、针叶林以及阔叶林为主 研究数据与方法.数据源及预处理本文共收集 年的 类基础数据:数 据、气象数据、地表数据及人类活动数据(表)表 影响因子指标.类型影响因子气象因子气温()降水量()相对湿度()日照()积温()积温()地表因子高程()坡度()坡向()地貌类型()植被类型()土壤类型()人 类活动 因子人口密度()()表 数据源及预处理.数据类型数据来源产品分辨率预处理美国国家航空航天局 利用 软件和 软件进行格式转换、重投影、裁剪、重采样及最大值合成法合成不同时间尺度的 数据集(可有效消除云、雾的影响)气象数据中国气象数据网(:/.)中国地面气候资料日值数据集:气温、降水量、相对湿度和日照研究区及周边的 个气象台站利用 软件以海拔为协变量对气象数据进行插值生成 空间分辨率栅格数据 积温、积温中国科学院资源科学与数据中心(:/.)中国气象背景数据集 利用 软件进行裁剪及重采样自 然 资 源 遥 感 年(续表)数据类型数据来源产品分辨率预处理高程、坡度、坡向地理空间数据云(:/.)数字高程模型 利用 软件进行裁剪拼接和重采样地貌类型中国科学院资源科学与数据中心(:/.)中华人民共和国地貌图集(万)植被类型中国科学院资源科学与数据中心(:/.)万中国植被图集 土壤类型中国科学院资源科学与数据中心(:/.)万中华人民共和国土壤图 人口密度、四川省统计局(:/.)四川省统计年鉴利用 软件基于各行政单元进行计算.研究方法.变化趋势分析为更直观地分析川西高原 的动态变化通过等间距法将 细分为 个层次:低(.)、中低(.、中(.、中高(.以及高(.)植被覆盖度 采用 趋势分析和 检验方法逐像元分析 年川西高原 变化趋势并利用 指数法分析 未来变化趋势)趋势分析和 检验 斜率估计是一种非参数估计方法受异常值影响小广泛应用于长时段变化研究 其计算公式为:时表示植被 呈现增加趋势反之则为退化趋势 是一种非参数统计检验方法作用是判断趋势的显著性 在给定显著性水平 下当/时表示研究序列在 水平上存在显著变化本文取 .)指数 指数可用于判断植被 的未来变化趋势其取值范围 为具体计算原理见文献 当 .时表示未来变化趋势与过去相反 当 .时 为随机序列 当.积温 气温 植被类型 土壤类型 积温 地貌类型 降水量 日照 相对湿度 人口密度 坡度 坡向(表)高程的 值最大解释力达到了.说明高程是影响川西高原植被 空间分布的主要因子、人口密度、坡度和坡向的 值很小解释力不强均在.以下 综上可知地形因子和气象因子对川西高原植被生长的影响较大而人类活动因子对川西高原植被生长的影响较小表 影响因子的 值.因子 值.因子交互作用与显著性差异分析影响因子交互作用与生态探测情况如表 所示 由表 可知因子之间的交互作用为非线性增强与双因子增强说明多个因子同时作用时不是简单的相加过程 高程相对湿度的 值最大为.表明高程和相对湿度交互作用主导了川西高原植被 空间分布 此外高程与日照、降水量、积温、气温等的交互作用对植被 的影响也较显著解释力均超过.其次是 积温、气温与其他因子的交互作用解释力达.以上 坡度、坡向与人类活动因子的单因子解释力较低但与其他因子的交互作用均大于单因子解释力 进一步说明高程作为植被 空间分布的主导因子并且在同其他因子的交互作用下对植被 空间分布影响更大 另外的因子组合对川西高原植被 空间分布的作用具有显著性差异仅有 的因子组合对 空间分布的作用不具有显著性差异 高程、植被类型和土壤类型与其他因子对植被 空间分布的作用皆存在显著差异进一步说明了高程的解释力比其他自然因子强第 期王叶兰等:年川西高原植被 时空变化及影响因素分析表 影响因子交互作用及生态探测.因子.加粗表示 个因子对 的影响无显著差异.因子指示作用分析由于日照、相对湿度、人口密度、坡度及坡向即使在交互作用下对植被 的解释力也较低因此选取气温、降水量、积温、积温、高程、地貌类型、植被类型及土壤类型基于风险探测器模块确定各影响因子促进植被生长的适宜类型或范围(表)表 影响因子适宜类型或范围(置信水平).因子 适宜类型或范围 均值气温/.降水/.积温/.积温/.高程/.地貌类型中起伏山.植被类型草丛.土壤类型棕壤、黄棕壤、暗棕壤、黄褐土.随着气温的升高和降水量的增加 均值逐渐升高在气温为.、降水量为.时 均值达到最大 均值随 积温、积温的增加呈现先逐渐增高后降低的波动变化趋势在 积温为 .和 积温为.时 均值达到最大 随高程升高 均值出现先逐渐增长后快速降低的趋势在高程为 时达到最大值.进一步表明植被 受高程控制明显 植被类型为草丛时植被覆盖最好 地貌与土壤类型主要通过影响植被类型分布进而影响植被 变化地貌类型中的中起伏山植被 均值最高 土壤类型中的淋溶土最适宜植被生长包括棕壤、黄棕壤和褐土等 讨论川西高原植被 整体表现为上升趋势与前人的研究结果一致 植被 呈上升趋势的区域主要分布在西北部的色达、石渠、阿坝县、红原、壤塘以及甘孜等县这些区域人类活动较少植被类型以林草地为主抵御水土流失等灾害能力较强植被稳定性较好 同时也得益于该地区多年来积极推进生态文明建设 植被 呈下降趋势的区域主要分布在冰川积雪覆盖区域以及东部的小金、黑水、九龙、金川、理县、汶川以及松潘等人类活动较强的区县冰川积雪覆盖区的植被对气候变化较敏感在全球变暖的影响下气温升高使得冰川积雪消融因此在地形起伏大、植被覆盖度低的高海拔区域易造成水土流失而汶川等地受到地震等灾害影响植被根系遭到破坏加剧植被退化由地理探测结果可知川西高原地区影响植被 变化的因素主要是气象因子与地形因子这也印证了郑勇等的研究结果 对具有时序特征的气象因子分析其变化趋势(图)可以看出气温、降水量以及日照均呈波动上升趋势年均气温每年上升.(.)年均降水量每年上升.(.)日照时数每年上升.(.)气候逐渐变暖与 波动上升趋势一致(./.)(图()相对湿度呈下降趋势与 变化趋势相反 这也进一步说明了是气温、降水量、日照是植被 变化的影响因素且因子解释力大小为气温 降水量 日照 相对湿度 人类活动因子对 的影响较小原因是川西高原地区人口密度较小人类活动强度较弱自 然 资 源 遥 感 年图 气候因子变化趋势.受数据分辨率的限制和区域尺度的制约本文未能定量分析生态工程措施等对 变化的影响在今后的研究中如何更精准地定量研究各因子对 的影响尤其是生态工程等措施的作用需要进一步加强 地理探测器可以定量分析各因子对 的影响但连续型因子的分级无明确标准其分类结果会影响模型运算结果该方法在分析 影响因素时会受尺度效应和分层效应的影响如何选取更适宜的分类方法仍需进一步研究 结论)总体上川西高原东北部植被覆盖较高西部较低 年和 年高、中高植被覆盖度区域占比较高分别为.和.反映了川西高原 年 来植被覆盖状况良好)年间川西高原植被 呈波动上升趋势速度为./其中春季和冬季上升趋势最明显 同时改善趋势区域面积占整个研究区的.在研究区东部表现较明显 指数平均值为.持续性改善区域最广泛多分布在研究区东北部面积占比为.持续性退化区域需进一步加强植被恢复、退耕还林等生态建设工作)各因子对植被 影响程度为:高程 积温 气温 植被类型 土壤类型 积温 地貌类型 降水量 日照 相对湿度 人口密度 坡度 坡向 其中高程的解释力最大是影响植被 的主要因子为.其次为 积温与气温解释力相当且均超过.)影响因子对植被 空间分布的交互作用为非线性增强与双因子增强其中相对湿度高程的 值最高达.的因子组合对川西高原植被 空间分异的解释力存在显著性差异通过 统计检验得到各指标最适宜植被生长发育的范围或类别为:高程为 的中起伏山地植被类型为草丛土壤类型为淋溶土气温在.之间降水量在.之间可为川西高原植被恢复工程提供一定参考参考文献():赵丽娅赵哈林.我国沙漠化过程中的植被演替研究概述.中国沙漠():.():.李玉山.黄土高原森林植被对陆地水循环影响的研究.自然资源学报():.():.李钰溦贾 坤魏香琴等.中国北方地区植被覆盖度遥感估算及其变化分析.国土资源遥感():.:./.():.:./.郑朝菊曾 源赵玉金等.近 年中国西南地区植被覆盖度动态变化.国土资源遥感():.:./.():.:./.张含玉方怒放史志华.黄土高原植被覆盖时空变化及其对气候因子的响应.生态学报():.():.刘宪锋任志远林志慧等.年三江源区植被覆盖时空变化特征.地理学报():.():.严恩萍林 辉党永峰等.年京津风沙源治理区植被覆盖时空演变特征.生态学报():.():.赵 婷白红英邓晨晖等.年秦岭山地植被覆盖变化地形分异效应.生态学报():.第 期王叶兰等:年川西高原植被 时空变化及影响因素分析 .():.张英洁靳英华谷晓楠等.长白山苔原带植被变化与土壤微生物、酶活性及土壤肥力的相关性.生态学杂志():.():.彭文甫张冬梅罗艳玫等.自然因子对四川植被 变化的地理探测.地理学报():.():.郑 勇杨武年刘 冲等.川西高原近 植被覆盖变化遥感动态监测及驱动力分析.遥感技术与应用():.():.谢慧君张廷斌易桂花等.川西高原植被 动态变化特征及对气候因子的响应.水土保持通报():.():.王劲峰徐成东.地理探测器:原理与展望.地理学报():.:.():.王 伟阿里木赛买提吉力力阿不都外力.基于地理探测器模型的中亚 时空变化特征及其驱动因子分析.国土资源遥感():.:./.():.:./.付含培王让虎王晓军.年黄河流域 时空变化及驱动力分析.水土保持研究():.():.祝 聪彭文甫张丽芳等.年岷江上游植被覆盖度时空变化及驱动力.生态学报():.():.张 华李 明宋金岳等.基于地理探测器的祁连山国家公园植被 变化驱动因素分析.生态学杂志():.():.张思源聂 莹张海燕等.基于地理探测器的内蒙古植被 时空变化与驱动力分析.草地学报():.():.姜晓剑刘小军黄 芬等.逐日气象要素空间插值方法的比较.应用生态学报():.():.袁丽华蒋卫国申文明等.年黄河流域植被覆盖的时空变化.生态学报():.():.():.蔡博峰于 嵘.基于遥感的植被长时序趋势特征研究进展及评价.遥感学报():.():.范 娜谢高地张昌顺等.年至 年澜沧江流域植被覆盖动态变化分析.资源科学():.():.左丽媛高江波.基于地理探测器的喀斯特植被 定量归因.生态环境学报():.():.徐 勇郑志威郭振东等.年长江流域植被 动态变化及影响因素探测.环境科学():.():.孟 琪武志涛杜自强等.基于地理探测器的区域植被覆盖度的定量影响 以京津风沙源区为例.中国环境科学():.:.():.自 然 资 源 遥 感 年 荣 欣易桂花张廷斌等.年川西高原植被 海拔梯度变化及其对气候变化的响应.长江流域资源与环境():.():.郑朝菊曾 源赵玉金等.世纪 年代以来中国西南地区土地覆被变化.生态学报():.():.朱昌丽张继飞赵宇鸾等.青藏高原东缘典型流域生态系统服务的地形梯度效应 以岷江上游为例.长江流域资源与环境():.:.():.():.(.):.().:.(.).:(责任编辑:李 瑜)