1998-2018年藏北申扎縣植被NDVI時空變化及其影響因素

張曉克， 孟宏志

(1.河海大學公共管理學院，江蘇 南京 211100；2.河海大學環境與社會研究中心，江蘇 南京 211100)

增進民生福祉是我國經濟社會發展的根本目標，而民生福祉與生態系統服務之間是一種相互依存的密切關系[1]，植被作為陸地自然生態系統的一個重要組成部分，其在交換能量、穩定氣候和調節碳平衡等方面發揮了關鍵作用[2]，在生態系統建設中扮演著尤為重要的角色。歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index,NDVI)作為一個衡量地表植被覆蓋度和初級生產力的強有力的良好指標，被廣泛應用于檢測區域植被動態變化及其對氣候的反饋等研究之中[3]。在青藏高原的NDVI時空變化方面，國內學者已做了大量研究，卓嘎等[4]的研究結果表明2000—2016年間青藏高原NDVI值在不同研究時段呈增加趨勢；張江等[5]通過對近30年來青藏高原高寒草地的NDVI值變化的研究，得出青藏高原高寒草地生長季的NDVI整體上是呈增長、改善的趨勢，空間上有局部區域呈退化趨勢。

目前國內外學者關于影響NDVI變化的驅動因素方面的研究，集中于NDVI與地形、氣候和人類活動等驅動因素的相關性[6-10]。植被作為陸地自然生態系統的重要組成部分，其形成與變化在一定程度上與其所處的區域和地理條件有著密切的聯系，地形條件是直接影響植被生境的關鍵因素，通過對高程、坡度、坡向等地形影響因子的研究可以掌握植被的空間變化規律，已成為揭示植被變化規律的重要研究方法[11-13]。劉梁美子等[14]通過對黔桂區域喀斯特山區年均NDVI與地形效應的研究，發現研究區年均NDVI隨高程和坡度的增加呈單峰曲線狀的變化趨勢。劉曉婉等[15]在對雅魯藏布江流域NDVI與高程因子的關聯性進行研究時，發現研究區NDVI整體上呈現出隨高程的增加而線性減小的變化趨勢。研究生態系統對氣候響應的時空模式尤為重要，植被動態變化及其對氣候的響應是確定陸地生態系統氣候變化機制的關鍵[16]。韓炳宏等[17]研究發現青藏高原NDVI與氣候因子呈顯著正相關，其中與氣溫的相關性是最高的。此外，許多學者的研究表明人類活動對植被的影響也十分深刻[6,18-19]，拉巴等[19]應用主成分分析的方法，找出1982—2014年藏北地區植被NDVI變化的主要的驅動因子分別是年均降水量、年均氣溫及年末牲畜存欄量這3個因子。

青藏高原是我國重要的自然資源庫區和國家生態安全戰略屏障，擁有豐富的水資源、草地資源和多樣性生物資源，具有重要的生態系統服務功能，但在氣候變化和人類壓力下，生態系統變得較為脆弱[20-21]。近年來，國內外學者們大多基于全球、全國或較大尺度區域范圍展開對植被生長變化的研究，其研究結果無法細化到各小范圍區域內植被生長的具體變化趨勢，也無法針對性地提供生態治理與改善的具體依據。本文選取位于我國藏北高原腹地南部的申扎縣作為研究對象，申扎縣人口密度較高、經濟相對發達，具有較強的代表性[22]。基于1998—2018年申扎縣NDVI、地形和氣象等數據，本文采用線性回歸、殘差分析等研究方法分析申扎縣NDVI年際時空變化特征及其與當地的地形、氣候、人類活動的關聯性，以期為申扎縣及生態環境與其相似的周邊縣域的生態治理與改善提供科學依據，為評價植被變化狀況及和其它生態環境相關領域的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西藏自治區那曲市申扎縣位于西藏中部，地理坐標為東經87°40′～89°48′，北緯30°10′～32°10′，平均海拔4 750 m，總面積25 546 km2。地處藏北高原腹地南部、岡底斯山和色林錯之間，四周與雙湖縣、班戈縣、尼瑪縣、念青唐古拉山接壤，縣內包含盆地、丘陵和高山等多種地貌，設有色林錯國家級自然保護區及申扎高寒草原與濕地生態系統觀測試驗站。申扎縣屬于高原亞寒帶半干旱季風氣候地區，其氣候特征是寒冷干燥，年均氣溫在0℃左右，全年平均氣溫最低的月份是1月，1月的日平均氣溫為—9℃，年平均霜日數長達280 d，年八級以上大風日數多達104.3 d。高寒草原和高寒草甸是申扎縣的主要植被類型，高寒草原以紫花針茅(Stipapurpurea)為主，草層高度為10～20 cm，植被蓋度30%～40%，主要分布于海拔4 900 m以下區域；高寒草甸以矮生嵩草(Kobresiahumilis)為主，草層高度20～30 cm，植被蓋度為70～90%，主要分布于海拔較高的山地陰坡；高山冰緣植被以風毛菊(Saussureajaponica(Thunb.) DC)、紅景天(RhodiolaroseaL.)等為主，草層高度5～15 cm，植被蓋度小于10%，主要分布于海拔5 300 m以上區域。全縣總人口2萬，其中鄉村從業人員達1.2萬，是一個純牧業縣，以飼養牦牛、綿羊和山羊為主[22-24]。

1.2 數據來源與預處理

本文所使用的1998—2018年申扎縣年度和生長季NDVI數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)發布的基于SPOT/VEG(1998—2018年)數據，采用最大值合成法得到的中國年度和生長季植被NDVI空間分布數據集，空間分辨率是1 km。另外，考慮到申扎縣植被的生長情況，本研究將申扎縣植被生長季規定為5—9月[23]。

高程數據來源于資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)的30 m ASTER GDEM數據產品，本文對DEM數據進行校正和裁剪后得到申扎縣高程分布數據，再利用ArcGIS 10.7中的“Slope”和“Aspect”函數得到坡度和坡向數據。將申扎縣NDVI生長季均值按不同的地形因子進行平均，可得到不同高程、坡度和坡向的生長季平均NDVI變化。

氣象數據來源于氣象數據網(http://data.cma.cn)提供的應用空間插值法得到的全國年平均氣溫、年降水量數據集，其已對氣象站點觀測數據進行對比、擬合和修正，本文對其進行裁剪后得到申扎縣氣象數據[25]。

申扎縣鄉村從業人口數量和年末牲畜存欄量數據來自于西藏統計年鑒(2000—2019)各縣(市、區)主要統計指標。其中，牲畜統計數據按照1頭大牲畜等于5只羊單位的比例，統一換算為標準羊單位[26]。

1.3 研究方法

1.3.1線性傾向率 為定量分析1998—2018年申扎縣NDVI值年際變化趨勢，本文采用一元線性回歸分析法，基于像元尺度，計算每個像元的NDVI與時間的回歸斜率[27]。其計算公式為:

(1)

式(1)中：n為研究年數，本文中n=21；i為21年中的第i年；NDVIi為第i年的NDVI值；θslope為研究時間段內NDVI與時間回歸趨勢線的斜率，若θslope>0，說明該區域NDVI在這21年間總體上是呈增加的變化趨勢，反之，則表示呈減少的變化傾向。

1.3.2相關系數 本文利用相關系數來研究NDVI變化與氣候這一影響因子之間的相關程度，計算公式為：

(2)

1.3.3殘差分析法 殘差分析是一種通過計算實測值與預測值之間的誤差來判斷數據的可靠性，進而分析其他干擾因素的數據分析方法，它是由Evans和Geerken提出的[28-29]。本文將NDVI與氣候因子構建的線性回歸模型模擬出的NDVI值與實際的NDVI值進行比較，從時間序列中去除氣候因子的影響，得到表征人類活動對NDVI變化的影響的殘差值，通過殘差值的大小來確定趨勢的大小、方向和顯著性[30-31]，如果殘差趨勢不顯著，NDVI變化可以用氣候變量解釋，否則表明NDVI變化可能受到了人類活動的影響。計算公式為：

NDVI模擬=ax1+bx2+c殘差=NDVI實測-NDVI模擬

(3)

式(3)中：NDVI模擬表示利用氣候變量進行回歸后預測出的NDVI模擬值，x1和x2分別表示氣溫和降水這兩項氣候因子。若殘差>0，表明人類活動對植被生長變化產生正面影響，植被條件的改善可能歸因于人類的保護和恢復工作；若殘差<0，則表明該地區的人類活動對植被生長變化產生了負面影響。

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1.3.4自然間斷點分級法 自然間斷點分級法是對一組數據內的相似數據值進行恰當分類，在差異相對較大的數據值處設置邊界，使各類之間的差異最大化的一種分類方式[32]。

2 結果與分析

2.1 NDVI年際時空變化特征

基于1998—2018年申扎縣年均NDVI數據，運用一元線性回歸趨勢分析法得到1998—2018年申扎縣平均NDVI隨時間變化的趨勢圖(圖1)，由擬合出的方程式中斜率為0.004 1可知，1998—2018年申扎縣NDVI整體呈波動性上升趨勢，從NDVI值最小(0.239)的1998年起，21年間增長了37.23%，年均增長率為1.595%，最大值(0.343)出現在2017年。由r=0.828，P<0.01可知，1998—2018年申扎縣NDVI與年份呈顯著性正相關，說明在1998—2018年這一時段內申扎縣NDVI值增加顯著，生態環境質量得到有效改善。

圖1 1998—2018申扎縣年均NDVI值隨時間變化趨勢Fig.1 Trend of average NDVI in Xainza over time from 1998 to 2018

基于像元尺度，通過利用線性傾向率擬合出1998—2018年申扎縣NDVI空間變化，根據自然間斷點分級法和實際數據分布狀況，確定|0.01|和|0.002|為分界點，將計算結果分為5個等級：顯著減少(slope≤—0.01)、輕微減少(—0.010.01)。圖2中，NDVI呈增長趨勢的區域面積最大，其占比高達總面積的71.89%；占總面積24.57%的區域植被NDVI幾乎不變，相對保持穩定，主要分布在申扎縣的東北部；只有3.54%的區域在研究時段內是呈下降趨勢的，其中0.79%的區域呈顯著下降趨勢。

2.2 NDVI隨地形變化特征分析

2.2.1不同高程帶的生長季NDVI變化特征分析 按一定的梯度將高程分為6個高程帶(圖3)，申扎縣的高程總體上大致呈現出北低南高的分布趨勢，觀察圖3a可知，申扎縣高程范圍在4 350～6 429 m之間，最低的高程帶4 350～4 600 m主要分布在北部。由圖3b可知，大部分區域(35.4%)處于4 600～4 900 m這一高程帶上，處于5 800～6 429 m范圍的區域面積最小，只占0.4%。4 900～5 200 m這一高程帶的NDVI值最高(0.266 2)，NDVI最小值(0.004 6)則出現在5 800 m以上的高程帶。在低于5 200 m的高程帶上NDVI均值總體上是隨高程的增加而增加的，在5 200 m以上的高程帶上，NDVI均值則隨高程的增加而減少，其中5 500 m以上的高程的降低趨勢較為急劇。

圖2 1998—2018年植被NDVI變化空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of NDVI changing trend from 1998 to 2018

圖3 高程帶分布(a)及不同高程帶的面積占比及生長季平均NDVI變化(b)Fig.3 Elevation distribution(a) and different elevation range area and average NDVI of growing season(b)

2.2.2不同坡度的生長季NDVI變化特征分析 按一定的梯度將坡度分為6個坡度帶(圖4)，由圖4a可以看出，申扎縣的坡度范圍在0°～62.4°之間，高低坡度相間分布，但總體來看，北部坡度較低，東西來看，西部的坡度要高于東部區域。觀察圖4b可知，有近65%的區域坡度低于10°，因此可以說大部分區域地勢較緩。NDVI隨坡度的增加呈現單峰曲線狀的變化趨勢，10°～15°這一坡度帶的NDVI均值(0.232 1)最高，坡度大于25°的坡度帶NDVI均值(0.116 4)最低，在坡度低于15°的坡度帶上NDVI均值總體上大致是隨坡度的增加而增加的，而在坡度大于15°的坡度帶上，NDVI均值則隨坡度的增加而減少，尤其在20°以上的坡度帶的NDVI值隨著坡度的增加迅速下降。

圖4 坡度分布(a)及不同坡度帶面積占比及生長季平均NDVI變化(b)Fig.4 Slope distribution(a) and different slope area and average NDVI of growing season(b)

2.2.3不同坡向的生長季NDVI變化特征分析 根據張建亮等[33]的研究，將申扎縣坡向按一定度數劃分為四類(圖5)。由圖5b知，陰坡的面積占比最大(36.71%)，半陽坡的面積占比最小(19.49%)。陽坡因光照資源較為豐富，較其它坡向而言能夠更好地促進植物生長，因此其NDVI均值(0.220 6)最大，其次為半陽坡(0.214 4)、半陰坡(0.205 7)，陰坡的光照資源最少，其NDVI均值(0.177 1)最小。但總體來說，各坡向上的NDVI值差異不大，特別是半陰坡、半陽坡和陽坡。

圖5 坡向分布(a)及不同坡向面積占比及生長季平均NDVI變化(b)Fig.5 Aspect distribution(a) and different aspect area and average NDVI of growing season(b)

2.3 NDVI年際變化影響機制

2.3.1NDVI隨氣候因子變化特征分析 申扎縣在1998—2018年間的年均降水量范圍在358.41～679.01 mm之間，年均氣溫在—3.70℃～1.39℃之間，通過分析研究區內的1998—2018年NDVI與降水、氣溫的年際相關關系(圖6)及其顯著性P檢驗，得出研究時段內NDVI變化趨勢與降水變化呈正相關，但兩者的相關性不顯著(r=0.271，P=0.234)，與氣溫變化呈正向顯著相關(r=0.556，P=0.009)。這說明申扎縣NDVI均受降水、氣溫的正相關影響，且與氣溫的相關性較降水高，這與韓炳宏等[17]對2001—2018年青藏高原植被生長狀況與氣候因子相關性的研究結果相似，從圖7知，氣溫每升高1℃，NDVI增加0.291；降水量每增加100 mm，NDVI增加0.224。

圖6 年際NDVI與年均降水(a)和年均氣溫(b)對比分析Fig.6 Comparison analysis of interannual NDVI with precipitation(a) and temperature(b)

圖7 NDVI與氣象因子的關系Fig.7 Relationship between NDVI and climatic factors

2.3.2NDVI對人類活動的響應分析 本文采用多元線性回歸的方法對NDVI預測值進行估算，以反映氣候因素(包括氣溫和降水)的影響，從實際NDVI值和預測NDVI值的差異中獲得殘余量，再利用趨勢分析對年際殘差進行分析。通過對1998—2018年申扎縣NDVI實際值與模擬值的對比得出研究時期內NDVI的殘差值(圖8)，從殘差值的變化情況來看，2001—2002年殘差轉為正值后便持續9年為負值，直至2012年轉為正值后便持續為正，并于2017年出現了殘差最大值。總體而言，1998—2018年間NDVI殘差值呈增長趨勢，與時間變化呈正向趨勢，兩者呈顯著相關(r=0.540，P<0.05)，這表明2012年后人類活動對植被生長產生了正向作用。由圖9可知，年末牲畜存欄量自2011年起便開始總體呈現出下降的趨勢，從2011年的102.61萬只下降到2018年的88.95萬只。

圖8 申扎縣1998—2018年NDVI殘差隨時間變化特征Fig.8 Characteristics of NDVI residual variation in Xainza from 1998 to 2018

為區分人為影響和氣候控制，根據由氣溫和降水擬合的多元線性回歸模型計算出申扎縣NDVI殘差趨勢(圖10a)，再根據自然間斷點分級法，將殘差趨勢分為顯著負殘差趨勢、不顯著殘差趨勢和顯著正殘差趨勢等3類(圖10b)，間斷值為—0.037 2和0.038 3。有顯著殘差變化趨勢的區域意味著擬合的多元線性回歸模型不能很好地解釋這些地區的植被變化，這有可能歸因于人類活動[34]，根據像元統計后得出，申扎縣55.86%的區域的殘差變化趨勢不顯著，NDVI與人類活動成正、負顯著相關的區域占比分別為24.13%，20.01%，說明空間上，申扎縣的人類活動的正作用總體上大于負作用。由圖11可知，呈顯著負殘差的區域(20.01%)中超一半是位于4 900 m以下(10.68%)的較低海拔地域和坡度低于15°(13.63%)的緩坡區域，人類活動正作用明顯的區域則主要分布在5 200 m以下的高程(22.47%)及坡度低于10°(18.31%)的區域。

圖9 1999—2018年申扎縣鄉村從業人員數量和年末 牲畜存欄量Fig.9 Number of rural workers and year-end livestock stocks in Xainza from 1999 to 2018

圖10 申扎縣1998—2018年NDVI殘差變化空間分布Fig.10 Spatial distribution of residual trend of NDVI in Xainza from 1998 to 2018

圖11 各高程段(a)、坡度段(b)不同殘差變化趨勢占總面積的比例Fig.11 Proportions of different residual trends in the total area of each elevation(a) and slope section(b)

3 討論

3.1 NDVI時空變化及其與地形、氣候因素的關系

通過對1998—2018年申扎縣NDVI時空數據分析，表明申扎縣NDVI總體呈增長的趨勢，生態環境質量得到有效改善。空間上，總體呈增長趨勢的區域面積明顯大于呈下降趨勢區域面積，這與之前學者對青藏高原植被變化的研究結果相一致[4-5]。

申扎縣NDVI隨地形變化的特征與劉梁美子等[14]的研究結果相似，年均NDVI值是隨高程和坡度的增加呈現出單峰曲線狀的變化趨勢，這種單峰曲線狀變化趨勢可能是由于較低高程帶和緩坡地帶的人類活動干擾較多，而海拔較高的地帶和陡坡的生長環境較為惡劣，由此導致了中等高程帶和坡度帶NDVI值最高。而與劉曉婉等[15]的研究結果不同的原因可能是研究區域植被生長環境、研究時段、研究區面積等方面的差異。

研究時段內申扎縣植被生長均受降水、氣溫的正相關影響，但與氣溫的相關性較降水高，這與以往學者的研究結果也是較為相似的[17,35]，說明申扎縣植被生長對氣溫的敏感性較高。但需注意的是自上世紀五十年代以來，青藏高原一直呈快速增暖趨勢，這可能會引起一系列水文與地質災害[36]，今后可基于氣候變化數據進一步探討氣候對陸地生態系統的綜合影響，為統籌“山水林田湖草”系統建設提供指導。

3.2 人類活動對NDVI的影響

植被的年際生長變化不僅受氣候因素的影響，而且還會受到人為活動等其他驅動因素的影響，通過利用殘差趨勢分析法對人類活動進行分析，結果得出1998—2018年間申扎縣NDVI殘差值呈增長趨勢，與時間變化呈正向顯著相關，從2012年開始，人類活動總體上對植被生長產生了正作用。

通過分析研究區內的1999—2018年NDVI與年末牲畜存欄量的年際相關關系及其顯著性P檢驗，得出NDVI變化趨勢與年末牲畜存欄量呈顯著負相關(r=-0.531，P<0.05)，說明牲畜量的增加總體上對植被生長產生負作用。而人口數量主要通過退耕還草、禁牧輪牧休牧或過度放牧等方式間接影響草地NDVI，區分其不同行為方式產生的影響還需更加詳盡的社會經濟統計數據或野外跟蹤調查數據，這也是當前間接驗證殘差分析結果的模型還有待進一步研究的原因[37]。申扎縣NDVI與人類活動成負顯著相關的區域主要是位于4 900 m以下的較低海拔地域和坡度低于15°的緩坡區域(圖11)，這些區域可能是鄉村從業人員的主要活動區或放牧集中區，隨著申扎縣地區經濟的發展，1999—2018年間申扎縣的鄉村從業人員數量總體上呈現增長的趨勢(圖9)，由此帶來不斷加大的人類活動干擾也可能會對部分區域的植被生長產生負面影響。24.13%的區域NDVI與人類活動成正顯著相關，主要分布在5 200 m以下的高程及坡度低于10°的區域(圖11)，而由圖9可知，申扎縣的年末牲畜存欄量自2011年起便開始總體呈現出下降的趨勢，這與近年來西藏地區“禁牧工程”和“草原生態保護補助獎勵”等多個生態保護重點工程的有效實施密不可分[38]。

4 結論

1998—2018年申扎縣植被NDVI總體上呈現出波動上升的趨勢，年均增長率為1.595%，呈增長趨勢的區域面積占比達71.89%。申扎縣年均NDVI值隨高程和坡度的升高呈現單峰曲線狀的變化趨勢，峰值分別位于4 900～5 200 m和10°～15°；陽坡的NDVI值最大，但總體上各坡向的NDVI差異不大。氣候變化對申扎縣NDVI整體起正作用，NDVI與氣溫的正相關性及顯著性較降水高。從2012年起，申扎縣人類活動主要對植被生長產生正面積極影響。整體而言，1998—2018年申扎縣NDVI呈增長趨勢，這與其暖濕化的氣候變化和地方生態工程的有效實施密不可分。