2001-2018年重慶植被NDVI變化及其對氣候因子和人類活動的響應

王 一, 郝利娜, 趙美齡, 許曉露, 李晨輝

(成都理工大學 地球科學學院, 成都 610059)

植被作為陸地生態系統中的碳、水循環和能量流動必不可少的中樞環節[1-2]，對氣候變化和人類活動的感知具有頗高敏感性[3]。在全球氣候變化和人類社會發展的背景下，監測植被覆蓋變化和分析其影響因素，可揭示區域生態環境變化的總體情況及其對自然環境、人類活動的響應機制[4-5]，為確定合理的生態環境治理政策提供理論依據。

歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)與植被覆蓋度、生長條件、生物量和光合強度具有較強的相關性[6-7]，已作為表征地表植被覆蓋的指標被廣泛運用于全球或區域植被研究中[8-10]。周金霖等[11]采用趨勢模擬和相關分析發現，西南地區植被覆蓋呈改善趨勢，且與氣溫降水相關性較強。鄭朝菊等[12]利用趨勢分析、相關分析和殘差分析法，對西南地區植被與氣候、人類活動的關系進行探討，結果表明西南地區植被覆蓋顯著增加，與秋季降水和夏季均溫相關性最好，且人類活動對植被生長起促進作用。Shi等[13]和鄧晨暉等[14]運用殘差分析法發現，人類活動分別對黃土高原和秦嶺植被的改善和破壞同時并存，但正影響大于負影響。而Qu等[15]和Yan等[16]認為殘差分析通常只是區分不同的驅動因子，在定量氣候因子和人類活動對植被覆蓋變化的貢獻方面存在局限性，尤其在區分和比較個別氣候因子對植被的影響方面。

重慶作為長江上游地區的重要生態屏障和三峽庫區的主體區域，該區域生態環境脆弱，經濟發展快速，加之人類活動對生態環境的影響，使研究重慶植被覆蓋變化對維護長江流域的生態安全具有重要意義。朱林福等[17]采用趨勢分析和分布指數發現重慶植被覆蓋變化季節差異性明顯。劉燦等[18]和李學梅等[19]運用一元線性回歸分析和相關分析發現，重慶年均NDVI呈增長趨勢，且與氣溫、降水均呈顯著相關關系。已有的研究側重于重慶植被覆蓋變化的監測和歸因，極少有學者對影響重慶植被的每個驅動因子進行分別量化。基于偏導數的方法曾常用于評價氣候因子對蒸發或水文動力學的影響[20-21]，其可量化每個驅動因子對事物變化的貢獻。因此，本文基于MODIS-NDVI數據，采用趨勢分析及偏相關分析探究2001—2018年重慶植被NDVI的時空變化特征及其與氣候因子的相關性，并結合基于偏導數的方法量化和比較每個氣候因子和人類活動對植被NDVI年際變化的貢獻，旨在揭示重慶生態環境現狀，為生態工程的規劃和實施提供決策參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

重慶市位于中國內陸西南部，長江上游地區，地跨105°11′—110°11′E與28°10′—32°13′N，總面積約8.24萬km2，轄26個區、8個縣及4個自治縣。重慶境內地勢起伏較大，由南北向長江河谷逐級降低，海拔高差超過2 700 m；地貌復雜，以山地、丘陵為主。重慶屬亞熱帶濕潤季風氣候，冬暖夏熱，年平均氣溫在18℃左右；降水充沛，年降水量1 000～1 400 mm；其植被類型豐富，多以常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、常綠闊葉灌叢等為主。

1.2 數據來源及預處理

本研究采用的MODIS植被指數產品MOD13Q1來源于美國國家航空航天局(https:∥search.earthdata.nasa.gov/search)，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，時間跨度為2001年1月—2018年12月。利用MRT(MODIS Reproject Tools)軟件對該數據進行拼接、格式轉換和重投影等，并采用最大值合成法(MVC，maximum value composite)進一步消除云、大氣等因素干擾[22]，得到逐月NDVI數據，進而計算出2001—2018年逐年NDVI均值。

氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)，選取2001—2018年重慶及其周邊共52個氣象站點的逐年平均氣溫和降水數據(圖1)。剔除個別站點缺失或異常數據，采用克里金法(Kriging)對氣象數據進行空間插值[23]，并將其分辨率與NDVI數據保持一致。

圖1 重慶市氣象站點分布及高程

統計數據來源于2001—2018年《重慶統計年鑒》(http:∥tjj.cq.gov.cn/)；海拔高程數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn/)提供的SRTM 90 m的DEM數據；土地覆蓋數據來源于清華大學地球系統科學系宮鵬教授研究組提供的2017年全球30 m土地覆蓋數據(http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn/fromglc 2017v1.html)。為輔助后續研究，將重慶土地覆蓋類型歸為草地、灌叢、森林、農作物、水體、城市及其他6種類型。

2 研究方法

2.1 趨勢分析

為了定量反映研究區內植被NDVI的時空變化，采用一元線性回歸逐像元計算NDVI的年際變化趨勢，公式如下[24]：

(1)

式中:θslope為回歸斜率;n為監測的總年份(n=18);i為時間變量(i=1～18);NDVIi為第i年NDVI均值。當θslope>0,表示NDVI在研究時間段內呈增加趨勢;反之,則呈下降趨勢。采用F檢驗法對其進行顯著性檢驗,根據檢驗結果分為5類:極顯著增加(θslope>0,p≤0.01)、顯著增加(θslope>0,0.010.05)、顯著退化(θslope≤0,0.01

2.2 標準差分析

標準差是衡量一組地理數據與平均值離散程度的一種方法，可以反映地理數據的穩定或波動程度，公式如下[25]：

(2)

2.3 偏相關分析

為研究氣候因子對植被的影響，逐像元計算植被NDVI與氣溫和降水之間的偏相關系數。偏相關是在不考慮其他變量的影響下，分析剩下兩個變量的相關程度，公式如下[7,26]：

(3)

(4)

偏相關系數的顯著性檢驗采用t檢驗法，公式如下：

(5)

式中:n為樣本數;m為自變量個數。根據t分布表,得到在α顯著性水平上的臨界值tα。若t>tα(n-m-1),表示偏相關顯著;反之,則不顯著。

2.4 氣候因子與人類活動對植被年際變化的貢獻

植被覆蓋變化是氣候和非氣候因子共同影響下的結果，本研究采用一種基于偏導數的方法量化氣候與非氣候因子對植被NDVI年際變化的貢獻，公式如下[27-29]：

=TEM*+PRE*+UF

=CF+UF

(6)

3 結果與分析

3.1 植被NDVI年際變化特征

根據重慶市2001—2018年各年份NDVI均值得到研究區多年年際變化趨勢(圖2)。結果表明，重慶市近18 a來植被NDVI年均變化率為0.61%，整體上呈現出波動上升趨勢，這與魏來等[30]對重慶市植被覆蓋變化研究的結論基本保持一致。2006年、2011年NDVI突然下降，主要是由于2006年和2011年的重度干旱影響植被的生長[31-32]，這與葉勤玉等[33]關于重慶植被覆蓋度時空變化的研究結論一致。2012—2018年NDVI又出現兩次明顯的降低，其中2014年NDVI的下降，與春旱[34]、秋季連陰雨[35]有關；2016年NDVI的下降則與當年1月南方長時間的低溫雨雪冰凍天氣[36-37]不利于植被發育具有一定關系。

圖2 重慶市2001-2018年NDVI年際變化

3.2 植被NDVI空間分布特征

由重慶市2001—2018年NDVI多年均值空間分布(圖3A)可知，研究區內NDVI值超過0.55的區域占總面積的70.59%，其主要分布在渝東北、渝東南以及主城區以南的區縣，其中極高值(NDVI>0.65)聚集地多為高海拔地區的森林和灌叢，與山脈走勢一致；而主城區及外圍西北向NDVI值相對較低，這些區域多為城市用地或農業耕地，易受人類活動影響；總體而言，重慶植被NDVI呈現出沿長江由東北向西南逐漸遞減的分布格局。由NDVI變化趨勢顯著性檢驗(圖3B)可知，整體上重慶植被覆蓋增加顯著，NDVI呈極顯著增加、顯著增加區域占總面積的85.15%。結合NDVI與森林面積年際變化比較(圖3C)可知，2001—2017年森林面積增長趨勢與植被年均NDVI較為一致，在此期間森林面積增長了53.45%，截至2017年森林面積達到3.82×104km2，這表明重慶植被大面積恢復顯著可能與生態工程建設有關，如2002年“退耕還林工程”[38]的全面實施、2008年“重慶森林工程總體規劃”[39-40]的推進，對植被恢復起到極大的促進作用。而NDVI呈極顯著退化、顯著退化僅占1.48%，其主要集中于主城區以及零散分布于主城區外圍和長江沿岸城市一帶，這主要是因為城市化過程中城市基礎設施大量占用地表造成植被顯著退化。結合NDVI標準差(圖3D)可以看出，研究區內SD極高值區(SD>0.075)與NDVI退化區域及城市用地分布大致吻合，這表明城市擴張對植被覆蓋變化的影響較為劇烈；而SD低值區(SD<0.045)則主要分布于渝東北邊緣、渝東南的高海拔森林和灌木區，這類地區由于植被覆蓋較高、人口分布稀疏、城市化進程緩慢，植被覆蓋變化趨于穩定。

圖3 重慶市2001-2018年NDVI多年均值、變化趨勢顯著性檢驗、與森林面積年際變化比較及標準差

3.3 植被NDVI與氣候因子的偏相關分析

由NDVI和氣候因子的偏相關系數分布(圖4A，圖4B)可知，2001—2018年重慶植被NDVI與年降水的平均偏相關系數為0.294，呈正、負相關的區域分別占總面積的88.63%，11.37%；與年均溫的平均偏相關系數為0.105 4，呈正、負相關的區域分別占65.75%，34.25%。在空間分布上，兩類氣候因子同時呈正相關的區域出現在由城口、云陽、奉節沿長江西南向，經主城區，至榮昌、永川這一帶，這些區域由于海拔較低、靠近水源，為重慶農作物主要種植區域，其種植作物多為水稻、玉米、柑橘等，對水熱條件依賴性較強，這與李雪梅等[19]對重慶植被與降水、氣溫的相關性的研究結論較為一致。張蘭等[41]在三峽庫區植被與氣候因子的相關分析中發現，農作物因季節性種植特點使其對溫度、降水的響應較敏感。結合t檢驗可知，NDVI與降水的偏相關系數通過0.05顯著性水平檢驗的區域占18.67%；與氣溫的偏相關系數通過0.05顯著性水平檢驗的區域占8.84%，兩類區域主要位于萬州至長壽、涪陵、武隆的農作物和森林區域。總體而言，重慶植被NDVI與降水和氣溫均以正相關為主，正、負相關共存，通過顯著性檢驗的區域雖較小，但兩類氣候因子對植被發育均有著一定作用，同時說明重慶植被發育還受到除氣候因子以外的因素作用。

圖4 重慶市2001-2018年NDVI與降水(A)及氣溫(B)的偏相關系數

3.4 氣候因子與人類活動對NDVI年際變化的貢獻

偏相關系數描述了植被與氣候因子之間的相關性，但無法量化氣候因子對植被覆蓋變化的貢獻。因此，本文采用基于偏導數的方法計算各類氣候因子對重慶植被NDVI年際變化的貢獻。由氣候因子對NDVI年際變化的貢獻分布(圖5A，圖5B)可知，2001—2018年降水對重慶植被NDVI年際變化的平均貢獻為0.000 7/a，其促使NDVI增加、下降的區域分別占91.47%，8.53%；氣溫對NDVI年際變化的平均貢獻為0.000 6/a，其促使NDVI增加、下降的區域分別占80.71%，19.29%。從空間分布上可以看出，降水、氣溫均促使NDVI增加的區域占據重慶大部分地區，兩類氣候因子貢獻的極高值區(PRE*>0.003,TEM*>0.003)多位于長江沿岸附近；而渝東南地區兩類氣候因子的貢獻偏向具有明顯的差異。結合渝東南NDVI與氣候因子偏相關系數均為負相關及以森林為主的特征可以看出，當地可能由于森林蒸散量較大[42]，降水偏少，氣溫降低，有利于減緩植被蒸散速度和保持土壤濕度[43-44]，從而促進植被生長。

圖5 降水和氣溫對重慶植被NDVI年際變化的貢獻

根據降水、氣溫對NDVI貢獻的結果，進一步計算得到氣候因子和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻分布(圖6A，圖6B)。結果表明，2001—2018年NDVI平均年際變化率為0.006 1/a，氣候因子平均貢獻為0.001 3/a，人類活動平均貢獻為0.004 8/a，相比之下，人類活動對植被覆蓋變化的積極影響更為強烈。Liu等[45]結合殘差分析和土地利用變化理論研究重慶植被NDVI變化過程中亦發現人類活動對重慶植被恢復起主導作用。氣候因子促使NDVI增加、下降的區域分別占93.52%，6.48%，其中極高值區(CF>0.003)大部分集中于萬州至長壽、涪陵一帶，其余則零散分布在主城區以南及渝東南，這些區域多為地勢較為平坦的農作物種植區，對氣候響應敏感。人類活動促使NDVI增加、下降的區域分別占95.97%，4.03%，絕大部分區域的植被受到人類活動的積極影響，結合封地育林、造林和城鎮建設用地面積統計(圖7)可知，重慶近18 a來一直在推進封地育林、退耕還林、人工造林等生態工程，這進一步佐證重慶植被顯著改善很大程度上受益于人類活動——生態工程建設。Qu等[15]在長江流域植被研究中也指出生態工程的實施可促進植被恢復，改善流域生態環境。師賀雄等[46]研究認為退耕還林工程提高了長江中上游地區的植被覆蓋度和生態效益。而人類活動導致NDVI下降的極低值區(UF<-0.007)則分布于主城區及周圍和長江沿岸城市一帶，結合城鎮建設用地面積逐年增長的特征可以發現，城市擴張是造成當地植被退化的主要因素。易浪等[23]研究認為人口持續增長、快速城市化會導致經濟發達地區植被減少，所以在經濟發展較快的地區人類活動對植被生長有著抑制作用。總體而言，降水、氣溫和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻均以促進作用為主，但人類活動對NDVI的貢獻高于氣候因子的貢獻。而兩類驅動因子平均貢獻相差較大，這是由于人類活動對植被覆蓋變化的影響時間短、作用強，諸如生態修復工程短期內可見成效；而自然因素對植被的作用緩慢且穩定，需長期的影響方可改變植物的生長狀況。

圖6 氣候因子和人類活動對重慶植被NDVI年際變化的貢獻

圖7 封地育林、造林和城鎮建設用地面積統計

4 結論與展望

本文以MODIS-NDVI數據為基礎，對近18 a來重慶植被NDVI的時空變化特征進行探究，并分析氣候因子和人類活動對植被NDVI變化的貢獻。結論如下：(1) 2001—2018年，重慶植被NDVI年均變化率為0.61%，整體呈現波動上升趨勢，2006年、2011年、2014年、2016年NDVI下降與干旱、連陰雨以及冰凍災害有一定關系。(2) 近18 a來重慶植被覆蓋和恢復狀況較好，NDVI呈極顯著增加、顯著增加區域占總面積的85.15%，NDVI呈極顯著退化、顯著退化僅占1.48%，且森林面積增長趨勢與植被年均NDVI較為一致，這表明重慶植被大面積恢復顯著與生態工程建設密切相關。(3) 重慶植被NDVI與降水和氣溫的偏相關系數均以正相關為主，兩類氣候因子同時呈正相關的區域為重慶農作物主要種植區域，其植被生長特點使其對水熱條件依賴性較強。(4) 2001—2018年重慶大部分地區植被均受到降水、氣溫的促進作用，降水、氣溫平均貢獻分別為0.000 7/a，0.000 6/a。重慶植被NDVI平均年際變化率為0.006 1/a，氣候因子和人類活動平均貢獻分別為0.001 3/a，0.004 8/a，這表明人類活動對植被覆蓋變化的積極影響更為強烈，其封地育林、退耕還林等生態工程使重慶大面積植被得到顯著改善，而人類活動的城市擴張又導致城市區域的植被退化。

本研究主要以基于偏導數的方法解釋各個驅動因子對重慶植被NDVI的貢獻，但由于時間跨度和尺度有限，僅用18 a及年尺度數據探究重慶植被覆蓋變化，導致氣候因子對NDVI的貢獻結果可能有失精度。而自然因素對植被的影響需要長時間、多角度的觀測，因此在今后的研究中可以結合多源、多尺度以及更長時間的觀測數據分析植被對氣候因子的響應；除此之外，植物的發育亦與濕度、光照、土壤養分和生態群落等因素有一定關系，其作用范圍及深度如何量化等問題有待研究。另一方面，由于人口持續增長，經濟高速發展，人類為尋求高水平生活對自然界的影響越發強烈，故而引發全球變暖，極端氣候事件增多，最終反饋至人類賴以生存的生態環境。因此，如何細分人類行為對植被覆蓋變化的影響以及探究人類活動、氣候變化和植被覆蓋變化三者之間相互作用關系，對實現區域生態可持續發展具有至關作用。