基于地理探測器的內蒙古自然和人為因素對植被NDVI變化的影響

陳 寬,楊晨晨,白力嘎,陳 瑜,劉 銳,潮洛濛,*

1 內蒙古大學生態與環境學院, 呼和浩特 010021 2 內蒙古草地生態學重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地, 呼和浩特 010021 3 內蒙古師范大學內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室, 呼和浩特 010022

植被是陸地生態系統重要的組成部分[1],是陸地生態系統物質循環、能量流動、信息傳遞的重要樞紐[2]。植被覆蓋度變化表示著整個陸地生態系統一定程度上的波動或變化[3]。特別是在干旱半干旱地區,植被覆蓋度變化是監測和評價生態環境變化的一個重要指標[4],所以定量分析區域植被覆蓋度變化并探尋其驅動因素對于生態環境建設具有重要的意義。利用歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)研究植被生長狀況,已經被國內外學者廣泛應用[5-9]。引起植被覆蓋度變化的影響因素主要分自然和人為因素,特別是在我國社會經濟快速發展下,人為因素更加不可忽視[10]。

內蒙古是典型的干旱、半干旱地區,生態環境具有脆弱性和不穩定性。該區是我國北部的重要生態屏障,也是我國重要的農牧業生產基地。目前較多學者在內蒙古從不同的尺度和方法探索了自然或人為因素對于植被變化的研究[11-14]。Zhou等[15]用殘差趨勢分析法研究了蒙古高原植被變化驅動力；李仕冀等[16]在縣級尺度上,利用多重線性回歸模型分析了整個內蒙古地區鄉村人口遷出對植被NDVI的影響；史娜娜等[11]利用趨勢分析法研究了錫林郭勒植被NDVI時空變化；周錫飲等[17]基于GIMMS NDVI分析了1981—2006年蒙古高原植被覆蓋度變化。上述研究是以整個內蒙古或者以部分盟市為研究區,分析植被變化特征及單因子對植被的影響。并在因素分析方面,自然因素中以氣候因素為主,社會因素中以載畜量為主。而以盟市下一級行政單位旗縣區為研究對象,以及因子之間的交互作用對植被覆蓋度變化的影響研究較少。

內蒙古自治區旗縣區按照產業特點主要分為牧區、半農半牧區、農區和城區等類型。牧區以放牧為主,天然草地為主要植被類型,其余旗縣以非牧業為主[18]。不同的生活生產方式對生態系統的影響也有所不同。本文以旗縣區為研究單位,分為牧業旗縣區和非牧業旗縣區,利用地理探測器方法[19]分析自然因子(氣候、高程、土壤、植被類型、地貌類型)和人為因子(鄉村人口、鄉村勞動力、鄉村戶數、糧食產量、農牧民人均收入、牲畜數量)的單因子作用和雙因子交互作用對植被覆蓋度變化的影響。本研究進一步認清自然因子和人為因子對內蒙古植被變化中的作用,并且為實施地方經濟“生態優先,綠色發展”提供重要的科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區位于中國北部邊疆,界于37°24′—53°23′N, 97°12′—126°04′E之間,土地總面積約為118.3萬km2。內蒙古地域遼闊,地勢較高,全區地貌以蒙古高原為主體,具有復雜多樣的形態[20]。除東南部外,基本都是高原。內蒙古是我國北部的重要生態屏障,屬于干旱、半干旱氣候,是全球變化最為敏感的區域之一[21]。

內蒙古包括11個盟市,包括52個旗、17個縣、11個盟(市)轄縣級市、23個市轄區。牧業旗縣33個,這些牧業旗縣生產方式主要以牧業為主[18]。非牧業旗縣包括市轄區、農區或半農半牧地區,以非牧業產業為主(圖1)。牧業旗縣占內蒙古自治區總面積的67.75%,非牧業旗縣占32.25%。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源

植被NDVI、自然因素和行政矢量邊界數據來自于中國科學院資源環境科學數據(http://www.resdc.cn)。NDVI是年度植被指數,是基于連續時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛星遙感數據,采用最大值合成法生成。自然因素包括氣候、高程、土壤、植被、地貌類型。其中氣候數據是通過插值計算的分辨率為1 km×1 km的年降水量和年平均氣溫柵格圖。高程是基于最新的SRTM V4.1數據經重采樣生成的1 km數據。土壤、地貌和植被類型分布數據分別來源于中國土壤普查辦公室1995年編制《1∶100萬中華人民共和國土壤圖》、《中華人民共和國地貌圖集(1∶100萬)》和1∶100萬植被圖數字化生成的圖,分辨率為1 km；坡度、坡向由分辨率為1 km 的DEM數據計算獲取。人為因素數據來源于內蒙古統計年鑒,包括鄉村人口、鄉村勞動力、鄉村戶數、糧食產量、農牧民人均收入、牲畜數量(統一換算成羊單位：駱駝、馬、牛相當于5只綿羊,山羊則1只)。本研究根據內蒙古統計年鑒進行牧業旗縣與非牧業旗縣的劃分。

1.3 研究方法

1.3.1趨勢線分析

本研究采用趨勢線分析方法對研究時間段內NDVI、氣候和人為因素的變化趨勢進行分析[22],即以時間t為自變量,分別對 NDVI、年均氣溫、年降水量以及6個人為因素進行一元線性回歸分析。計算公式如下：

(1)

式中,Slope是2000—2015年NDVI、氣候或人為要素的線性回歸系數,即斜率,如果回歸系數為正,說明該變量在研究時段呈上升趨勢,反之,該變量呈下降趨勢；n為研究時段年數,i表示1到n,n=16；x為待分析變量(分別為生長季年均NDVI、年均溫、年降水量或人為因素)。

1.3.2植被NDVI變化等級劃分

為了更好地定量分析植被覆蓋度在時間上的變化,利用NDVI序列與時間的相關系數r判斷了植被覆被變化程度和性質,并且利用相關系數的大小進行顯著性判斷[23]。顯著性臨界值查相關系數檢驗臨界值表獲得(樣本數為16時,顯著性水平在0.05和0.01時臨界值分別為 0.468,0.590)。根據NDVI變化趨勢斜率及顯著性臨界值,將植被變化類型分為極顯著退化(斜率<0,顯著性臨界值≥0.590)、顯著退化(斜率<0,0.590>顯著性臨界值≥0.468)、無顯著變化(斜率(-∞,+∞),0.468>顯著性臨界值)、顯著改善(斜率>0,0.590>顯著性臨界值≥0.468)、極顯著改善(斜率>0,顯著性臨界值≥0.590)五類。

1.3.3指標選取與信息提取

(1)指標選取。探究植被NDVI變化因素,應該從自然和人為兩個方面綜合分析[24]。大量研究表明,內蒙古植被的變化與氣候因素高度相關,尤其是與降水量[25-26]。內蒙古地域遼闊,從東到西在土壤、植被、地質地貌上均有很大的差別,例如植被類型,從東部的針葉林到中部的草原,再到西部的荒漠[27]。所以本文選取了7類自然因素(年降水量、年平均氣溫、土壤類型、植被類型、地質地貌類型、坡度和坡面)。近年來人為因素對內蒙古植被NDVI的影響研究日趨見長。本文重點考慮鄉村地區的因素對植被NDVI的影響,盡管內蒙古城鎮人口不斷地在增長,但內蒙古城鎮面積占比很小,而且城鎮人口對于植被的影響相比于鄉村地區人口對植被的影響小很多。根據以往的研究,鄉村地區的指標大多數會選擇鄉村總人口、鄉村勞動力或牲畜數量。本文在以往研究的基礎上再加上了鄉村戶數、農牧民人均純收入和糧食產量。戶是家庭單位,在鄉村地區進行生產生活均是由戶單位來進行的,雖然內蒙古鄉村人口減少顯著,但在縣級尺度上,有些旗縣呈現鄉村人口減少,但戶數不變或增加的現象。本文將用糧食產量的變化來代表農業水平的發展程度。由于耕地在牧業旗縣里占比很少,所以本文踢出了在牧業旗縣里的糧食產量變化,以提高結果的準確性。所以本文選取了6類人為因素(鄉村總人口、鄉村勞動力、鄉村戶數、農牧民人均純收入、糧食產量和牲畜數量)。表1列出了全部因素及解釋。

表1 影響內蒙古植被NDVI變化的自然因素和人為因素

(2)信息提取。利用ArcGIS 10.3的Create Random Points功能生成間隔為2 km的隨機點,共19897隨機點。然后以隨機點來提取NDVI與各因素值(圖1)。

1.3.4地理探測器

地理探測器是王勁峰等人首次提出的一種探測空間分異性、揭示驅動因子的一種新的空間統計方法。地理探測器由4部分組成,分別是因子探測、交互作用探測、風險探測與生態探測,本文應用了前三個。

(1)空間分異及因子探測。探測y(NDVI)的空間分異性,以及探測各因子多大程度上解釋了屬性y(NDVI)的空間分異。用q值度量,表達式為：

(2)

(2)交互作用探測。識別不同自變量因子之間的交互作用,即評估因子x1和x2共同作用時是否會增加或減弱對因變量y的解釋力。評估的方法是首先分別計算兩種因子x1和x2對y的q值：q(x1)和q(x2),并且計算它們交互時的q值：q(x1∩x2),并對q(x1)、q(x2)與q(x1∩x2)進行比較。表2展現出了兩個因子之間的關系。

表2 兩個自變量交互作用的類型

(3)風險區探測。風險探測用于判斷兩個影響因子(包括自然和人為因子)子區域間的屬性均值是否有顯著的差別,用于尋找植被覆蓋度退化或改善區域。風險探測用t統計量來檢驗：

(3)

1.3.5數據的離散化

為了定量評價并且揭示自然和人為因子對植被覆蓋度的影響本文應用了地理探測器,地理探測器是針對離散數據的算法,所以對連續變量(本文13個自變量中,除了植被類型、土壤類型、地貌類型、坡向,其它均是連續變量)進行了離散化處理。本文采取自然斷點法[28],將坡度分為9類,其余因素分為10類(圖2，圖3)。

圖2 2000—2015年自然因子空間分布Fig.2 The spatial distribution of natural factors in 2000—2015

圖3 2000—2015年人為因子空間分布Fig.3 The spatial distribution of anthropogenic factor in 2000—2015

2 結果分析

2.1 植被NDVI時空變化

2000—2015年,16年間整個研究區NDVI在空間上增加和減少共存,總體上呈增加趨勢。空間上顯現出西部減少,東部與南部增加的趨勢,其余地區變化較小。研究時段內植被改善面積大于植被退化面積,其中極顯著改善面積達到了249842.65 km2,占整個內蒙古總面積的21.88%,顯著改善面積占10.88%,無變化64.38%,顯著退化1.88%,極顯著退化1.00%(表3)。在空間上植被退化與植被改善區域分布不均勻,退化區域主要分布在阿拉善盟的西北部和個別城鎮周圍(圖4)。牧業旗縣植被極顯著改善面積占比達到了9.65%,顯著改善7.24%,無變化79.34%,顯著退化2.56%,極顯著退化1.20%(表3)。牧業旗縣植被退化面積占比超過了整個研究區植被退化面積占比,表明牧業旗縣植被退化相對于整個研究區較嚴重；植被改善面積占比低于整個研究區改善面積占比,表明相對于整個研究區改善水平低于全局改善水平。非牧業旗縣植被極顯著改善面積占比達到了47.54%,顯著改善18.52%,無變化33.00%,顯著退化0.35%,極顯著退化0.57%(表3),可以看出植被改善區域主要分布在非牧業旗縣。

圖4 2000—2015年內蒙古基于NDVI年際變化趨勢及其顯著性的植被變化狀況空間分布Fig.4 Spatial distribution of vegetation change in Inner Mongolia from 2000 to 2015 based on the interannual variation trend of NDVI and its significance

表3 NDVI不同變化等級面積及占比

2.2 探測因子單因素分析

從整個研究區尺度來看,自然因素對植被NDVI變化的影響高于人為因素,各因子對植被NDVI變化影響程度排序為：年降水量>土壤類型>植被類型>糧食產量>牲畜數量>農牧民人均純收入>鄉村戶數>鄉村人口>地貌類型>鄉村勞動力>年平均氣溫>坡度>坡向。自然因素中年降水量、土壤類型及植被類型的影響最為顯著,年降水量與土壤類型的q值分別是0.2244和0.2232,解釋率在22%以上,植被類型q值為0.1720,解釋率在17%以上。人為因素中糧食產量和牲畜數量對植被NDVI變化的影響較大,其q值分別是0.1186和0.1182,解釋力在11%以上(表4)。

在牧業旗縣,自然因素對植被NDVI變化的影響高于人為因素。各因子q值從大到小排序依次為：年降水量>土壤類型>植被類型>農牧民人均純收入>牲畜數量>鄉村戶數>地貌類型>鄉村人口>鄉村勞動力>年平均氣溫>坡面>坡度。自然因素中年降水量、土壤類型q值較大,分別達到了0.2638和0.2346,解釋率均在23%以上,其次為植被類型,q值為0.1800,解釋率在18%以上。人為因素而言,農牧民人均純收入和牲畜數量影響較大,q值分別為0.1435和0.1167,解釋率在11%以上(表4)。

在非牧業旗縣,人為因素對植被NDVI變化的影響高于自然因素。各因素q值從大到小排列依次為：糧食產量>鄉村勞動力>年平均氣溫>土壤類型>年降水量>鄉村戶數>農牧民人均純收入>牲畜數量>鄉村總人口>地貌類型>坡度>植被類型>坡向。人為因素中糧食產量的影響最大,q值為0.1131,解釋率在11%以上；其次為鄉村勞動力,q值為0.0896,解釋率為7%以上。自然因素中年平均氣溫、土壤類型和年降水量的影響較大,q值依次為0.0875、0.0871和0.0781,解釋率均在7%以上(表4)。

表4 導致內蒙古牧業旗縣和非牧業旗縣植被NDVI變化的主要影響因素及q值

2.3 探測因子交互作用分析

在研究區植被NDVI變化中,雙因子之間的交互作用呈現出兩種關系,即非線性增強和雙因子增強,不存在獨立起作用的因子。

在牧業旗,雙因子之間的交互作用對植被NDVI變化的解釋率高的6組為(圖5)：鄉村戶數∩牲畜數量(0.480)>年降水量∩牲畜數量(0.439)>土壤類型∩農牧民人均純收入(0.422)>年降水量∩鄉村戶數(0.414)>鄉村勞動力∩牲畜數量(0.411)>年降水量∩鄉村戶數(0.403)。表明雙因子之間的交互作用中,鄉村戶數和牲畜數量因子之間交互作用的影響為最大,其次為年降水量和牲畜數量的自然因素和人為因素的交互作用。這與單因子分析的自然因子作用大人為因子作用的結果有所不同。

圖5 2000—2015年導致植被NDVI變化的因子之間交互作用探測Fig.5 Interaction detection between the factors leading to NDVI changes in vegetation from 2000 to 2015

在非牧業旗縣,因子之間的交互作用均呈現出非線性增強關系。雙因子之間的交互作用對植被NDVI變化的解釋率高的6組為(圖5)：土壤類型∩糧食產量(0.311)>年降水量∩土壤類型(0.296)>年降水量∩農牧民人均純收入(0.274)>年平均氣溫∩土壤類型(0.269)>鄉村勞動力∩農牧民人均純收入(0.266)>農牧民人均純收入∩糧食產量(0.265)?？梢园l現,因子之間的交互影響中,植被NDVI變化受糧食產量和土壤類型的雙因子交互作用最大,其次為年降水量和土壤類型的雙因子交互作用。

2.4 風險區探測

由于本文選取的影響植被NDVI變化的因素較多,所以風險區探測只列出了前6個主要因素(圖6)。將2000—2015年的年降水量變化趨勢、年平均氣溫變化趨勢、糧食產量趨勢和鄉村勞動力變化趨勢分10個分區,用數字1—10來表示。

從圖6可以看出隨著年降水量的增加趨勢NDVI呈增加趨勢,在牧業旗和非牧業旗縣NDVI變化趨勢達到5類型時達到最高值。還可以看出,植被NDVI變化趨勢隨著年降水量的增加趨勢也呈增加,這進一步證明了在內蒙古干旱半干旱地區降水是植被變化的主要驅動因素。

在牧業旗和非牧業旗縣,年平均氣溫對植被NDVI的影響截然不同。在牧業旗縣,植被NDVI變化趨勢在1類型時年均溫變化趨勢達到最高值,而且隨著年均溫的增加趨勢植被NDVI變化趨勢呈減少。在非牧業旗縣,植被NDVI變化趨勢在10類型時年均溫變化趨勢達到最高值,而且隨著年均溫的增加趨勢植被NDVI變化趨勢呈增加(圖6)。

在非牧業旗縣,9類型糧食產量變化趨勢時植被NDVI變化趨勢最高,而且隨著糧食產量的增加趨勢植被NDVI也呈增加趨勢(圖6)。已有研究表明,內蒙古農區植被的改善與農業種植水平的提高有很大的關系[29]。

圖6 不同分區植被NDVI變化趨勢Fig.6 NDVI variation trend of vegetation in different zones

在非牧業旗縣,隨著鄉村勞動力的增加植被NDVI變化趨勢也呈增加。研究表明,鄉村勞動力遷出對植被NDVI具有正影響[16]。但本文認為在內蒙古牧業旗以外的非牧業旗縣,隨著鄉村勞動力的增加趨勢植被NDVI變化趨勢也隨之增加。

在內蒙古全區包括有34種土類類型,另外還有江河、湖泊以及城區。在牧業旗縣大多數土壤類型的植被NDVI變化呈增加趨勢,其中湖泊NDVI增加趨勢最明顯,達到了0.0083。這可能是內蒙古湖泊退化導致的結果。已有研究表明農業開墾是內蒙古湖泊面積縮小的重要原因[30],耕地侵占湖泊水域,NDVI必然會增加,因為水體的NDVI值在0以下。灰棕漠土、漠境鹽土、龜裂土和荒漠風沙土的植被NDVI呈下降趨勢,這幾種土壤類型都屬于干旱區土壤,植被生境惡劣,易受各種因素的影響。

按植被大類把內蒙古植被分成針葉林、闊葉林、灌叢、荒漠、草原、草叢和草甸等。大部分植被類型的NDVI呈增加趨勢。在牧業旗縣和非牧業旗縣荒漠的植被NDVI變化趨勢始終最低。在牧業旗縣更是低于0,這表示荒漠植被退化顯著。

3 討論與結論

3.1 討論

(1)自然因素對研究區植被變化的影響。在本項研究中牧業旗縣植被覆蓋變化的主要影響因素為降水量。牧業旗縣面積是研究區總面積的67.75%,主要以放牧為主,草地為主要土地覆被/覆蓋類型。內蒙古自治區位于中國干旱半干旱區,主要植被為草原[31],草原區熱量條件相對充足,能夠滿足植被生長需要,降水量是植被生長狀況的主要氣候因素,溫度的作用不如降水量那樣明顯[32-33]。土壤對植被的影響在降水為主要限制因素的地區顯著[34-36],這與本文研究結果一致。土壤類型對生態系統的生產力產生起到決定作用,并且直接影響植被覆蓋度。非牧業旗縣植被覆蓋度變化主體為耕地。耕地地力與植被指數之間存在著較高的相關性[37]。土壤類型影響耕地生產潛力,而植物的光合效率和水分狀況決定了耕地產量,因此年降水量、土壤類型和年均溫為主要影響自然因子。

(2)人為因子對研究區植被覆蓋度的影響。內蒙古地區植被覆蓋度變化是由氣候變化和人類活動引起[38]。在內蒙古地區牧業旗縣植被覆蓋度的主要人為影響因素為戶數和牲畜數量。內蒙古地區“家庭聯產承包責任制”以后,草場以家庭戶(牧戶)為單元進行承包。兒女成家以后,從父母處獲取(分割)草場(通常是用網圍欄),滿足需求。相關的政府扶持政策都是按牧戶為單位進行分配,從而增加了牧戶數量,產生很多中小牧戶,而草場超載過牧的主體是中小牧戶[39]。此外草場承包和圍欄建設可能會產生 “狹地制約”的問題,使得牧戶的草場經營規模變得狹小,帶來草場的破碎化經營[40],草場經營面積越小,載畜量的草地面積單位越低[41]。在內蒙古地區牲畜密度的增加造成草地地上生物量減少引起植被覆蓋度變化[15]。在內蒙古地區農業的發展在一定程度上增加了該區域植被的恢復[33],因此在非牧業旗縣中,糧食產量是植被覆蓋度變化主要影響因素。

(3)研究區植被NDVI變化影響因素而言,政府實施的政策因子也起到了重要作用。自2000年以來我國在內蒙古地區實施了一系列生態恢復政策項目,包括退耕還林還草、天然草地保護、京津風沙源治理等生態保護工程,人工種草、生態補償、輪牧、鼠害防治等。這些生態項目的實施也很大程度上加速了植被NDVI的恢復和改善,其效果不可忽視[13]。在未來研究中,應該在人為因素中增加政策因子,更深入研究植被NDVI變化的驅動因素。

3.2 結論

(1)2000—2015年內蒙古植被覆蓋度時空變化明顯,總體上呈增加趨勢。在空間上呈現出西部減少,東部與南部增加趨勢,其余地區變化不明顯。不管在牧業旗縣還是非牧業旗縣植被NDVI都呈增加趨勢,但非牧業旗縣的植被NDVI改善區面積大于牧業旗縣的改善面積。

(2)整個研究區,年降水量和土壤類型是影響植被NDVI的主要驅動因素,解釋率在22%以上。在牧業旗縣和非牧業旗縣,前者也是年降水量和土壤類型是主要驅動因素,但在后者糧食產量是最主要的驅動因素。

(3)因子之間的交互影響均高于單因子的影響。在牧業旗,因子之間的交互作用呈現出非線性增強和雙因子增強關系,植被NDVI變化受鄉村戶數∩牲畜數量的交互影響最為突出。非牧業旗縣因子之間呈現出非線性增強的交互作用關系,植被NDVI變化受土壤類型∩糧食產量的交互影響最為明顯。