2001-2020年貴州省氣候變化及人類活動對植被變化的影響

皮貴寧，賀中華，2，3，游 漫，張 浪，楊銘珂

(1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴陽 550001；2.貴州師范大學國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴陽 550001；3.貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室，貴陽 550001)

植被作為地球陸地生態系統中不可或缺的一部分，既是調節全球氣候變化、連接生物、大氣和土壤等的參與者，同時其生長狀況、時空變化形態等也可以反映出地球自然界各生態系統的健康狀況。目前，可供使用的植被指數已經極其豐富，其中植被遙感數據在對地面植被的監測和應用中效果最為顯著；在眾多的植被遙感數據中，MODIS-EVI植被遙感影像在針對高植被覆蓋區時，相比較NDVI是以植被飽和為條件來降低大氣影響這一不穩定因素，其敏感性更強，且計算方法更加具有科學性，主要體現為對抗大氣干擾和背景雜質時的不敏感優勢。Huete等和Crabbe等研究表明，NDVI和EVI具有較強的相關性，且EVI值一般小于NDVI值；王正興等研究表明，MODIS-EVI的絕對優勢體現在傾向于表達低值部分，且呈現出正態分布，不容易達到飽和狀態，這對于探究以中高植被覆蓋度為主的貴州省植被時空變化趨勢更加具有合理性。

21世紀以來，氣候變化已經成為全球研究的熱點和重點；隨著全球變暖狀況不斷加強，以及極端氣候事件的頻繁發生，氣象干旱現象的發生頻率和強度也在不斷增多，而氣象干旱則是導致水文干旱和農業干旱等的本質原因。因此，本文基于研究區氣象站點實測數據獲取得到表征區域干濕氣候變化的有力指標—標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)，研究表明，該指數對于監測地區氣象干旱發生的強度具有較好的效果；Vicente-Serrano等提出，SPEI在維持SPI、PDSI等多種干旱指標對長時間、多空間尺度下的氣溫和降水具有高敏感度的同時，還考慮到降水和蒸散因子的影響；李偉光等和Yang等使用氣象站點數據計算出SPEI指數，并對我國的氣象干旱發生強度和變化趨勢進行詳細分析，我國部分區域的確存在普遍干旱現象，結果與實際情況吻合。

大多學者在對植被覆蓋情況的演變研究過程中，主要是針對氣候因子的考慮，而忽略人為因素也是影響植被變化趨勢的一個重要因子。在探究人類活動對植被生長狀況的影響方面，大多常用植被遙感影像和實測數據進行相關分析或基于殘差分析方法探究其對植被生長狀況變化趨勢的影響。如田智慧等利用NDVI及同期氣象數據探究結果表明，黃河流域植被得到改善時的人類活動貢獻率高于氣候變化貢獻率；彭凱鋒等基于同樣的方法利用GLASS植被覆蓋產品和氣候因子發現，三江源國家公園的降水對植被變化的影響程度遠高于人類活動；趙維清等應用NDVI及夜間燈光亮度數據值研究表明，人類經濟活動是影響湖北省植被變化的重要驅動力；也有學者利用GIMMS NDVI數據研究表明，長江流域植被的改善主要是由于生態恢復工程的實施。

貴州省作為典型的喀斯特區域，喀斯特地質地貌類型豐富多樣，生態環境比較脆弱，石漠化狀況日益突出。因此，為改善貴州省生態建設狀況，自2000年開始實施退耕還林還草生態工程項目，在2004—2010年左右先后實行石漠化治理和封山育林等治理項目，獲得極其顯著的效果，而植被的生長狀況變化趨勢也正是反映一個地區的生態環境改善是否成功的重要標志。在全國氣候變化紛繁復雜的前提下，為探究貴州省植被變化規律及其與氣候變化和人類活動之間的相關關系，本文采取Sen趨勢分析和M—K檢驗、Hurst指數分析和殘差分析等方法對其進行定量分析研究，以加強對植被和氣候及人類活動三者之間的認識，為下一步開展喀斯特區域生態工程項目提供客觀的科學依據。

1 研究區概況

貴州省是中國西南喀斯特地區之一，總面積約17.62萬km，處于東經103°36′—109°35′，北緯24°37′—29°13′，海拔介于130～2 990 m，空氣溫暖濕潤，降水量在不同的季節差異性較為顯著，屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候區。省內植被種類豐富多樣，且區域分異性明顯，生態環境良好，是全國首批達到國家標準生態文明建設試驗區的地區之一。社會經濟活動對自然資源環境的影響力也在持續上升，因此實施貴州省生態恢復和保護任務勢在必行。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

于2021年3月下載來源于NASA MODIS陸地產品根據統計算法生成的MODIS13Q1系列數據中的MODIS EVI(enhanced vegetation index，增強型植被指數)作為植被遙感數據，時間跨度為2001—2020年的4—10月，時間分辨率為16天，空間分辨率為250 m。結合貴州省的實際植被生長狀況，采用平均值法獲取貴州省每年植被生長季的EVI均值影像，并剔除掉影像中的缺測值和空值后，進行拼接、掩膜提取、重投影等處理，得到貴州省20年來生長季內共280期植被遙感影像。

選取標準化降水蒸散發指數(SPEI)作為判斷氣象干旱影響程度指標，源數據來源于中國氣象科學數據網(http://cdc.cma.gov.cn)所提供的2001—2020年貴州省31個標準化氣象站點的逐日觀測數據，分別挑選出逐日氣溫、降水及各站點經緯度等數據，對其連續性進行校驗，并對每個氣象站點中不符合研究內容的異常和缺測數值進行修訂和增補后，采用平均值法獲得各站點各年的逐月均值數據集。將各站點數據按年順序進行排列后，利用相關算法和軟件工具計算出干旱指數SPEI。

2.2 研究方法

2.2.1 Theil-Sen Median斜率估算分析和Mann-Kendall顯著性檢驗 Sen趨勢分析耦合M—K顯著性檢驗是判斷具有時間序列數據變化趨勢的一種重要手段，與其他趨勢分析方法相比，該方法的優勢在于不要求數據滿足某一類固定分布，不受異常值影響，抗噪性較強，是一種相對比較穩妥的非參數斜率估算方法。利用Sen趨勢度()和Mann—Kendall檢驗分別計算數據變化趨勢及構建統計量。

(1)的計算公式為：

(1)

式中：、為序列數據。若>0時表示上升趨勢；<0表示下降趨勢，并且運用Mann—Kendall方法來進行趨勢檢驗。

(2)統計量計算公式為：

(2)

其中，sgn具體表示為

(3)

式中：為時間序列的第個值；為數據序列長度；sgn為符號函數。研究表明，當≥8時，基本上服從正態分布，方差表示為：

(4)

式中：為第組的數據點數目。因此標準化統計量則表示為：

(5)

2.2.2 Hurst指數分析 Hurst指數是表述自然界內長時間存在的自相似性和長期依賴性現象的絕佳方法，目前在氣候學、水文學和地質學及經濟學等領域具有廣泛應用。本文基于R/S重標極差分析方法監測研究區在長時間序列下變量的未來變化趨勢。

定義時間序列EVI，=1，2，3，4，…，，為任意正整數，則有：

(1)差分序列

ΔEVI=EVI-EVI-1

(6)

(2)均值序列

(7)

(3)累計離差

(8)

(4)極差和標準差

()=max1≤≤()-min1≤≤()

(=1,2,…,)

(9)

(=1,2,…,)

(10)

最后，Hurst指數的計算結果為：

()()≌

(11)

若∝，表明在該研究區探究的時間序列內存在Hurst變化趨勢，并依據Hurst指數(值)的大小判斷貴州省在未來植被EVI的持續性走向。一般來說，值大致分為3種情況：當0<<0.5時，表明當前的時間序列具有長期相關性，未來的發展趨勢與過去相反，值越小，反持續性越強；當=0.5時，表明過去的發展對未來變化趨勢沒有影響，時間序列表現為隨機序列；當0.5<<1時，表明當前時間序列具有長期依賴性，未來的變化趨勢和過去保持高度一致，值越大，持續性越強。

2.2.3 殘差分析 本文基于殘差分析方法將氣候變化和人類活動對植被的生長狀況的影響進行分離。此方法計算步驟具體有3點：(1)計算植被指數EVI預測值(EVI)，分別以EVI和氣溫、降水為因變量和自變量，計算出三者之間的線性回歸模型參數，通過氣候因子及模型參數計算得到EVI的預測值，該值即表示為氣候變化對EVI的影響；(2)計算EVI實測值與預測值EVIcc之間的差值，即EVE殘差值(EVI)，用來表示近20年來人類活動對植被生長狀況的影響程度；(3)通過一元線性回歸方法對20年的歷年殘差值進行時空特征變化分析。具體計算過程為：

EVI=×+×+

(12)

EVI=EVI-EVI

(13)

式中：EVI表示回歸方程預測值；EVI表示為遙感影像實際觀測值；EVI為殘差值；、、為回歸模型參數；Pre和Tem分別表示為植被生長季累計降水量和平均氣溫。

3 結果與分析

3.1 貴州省植被EVI的時空變化趨勢

3.1.1 貴州省空間分布特征 從2001—2020年貴州省生長季EVI均值空間分布(圖1)來看，EVI值在總體水平上呈現出比較明顯的空間分異性，表現出自西向東逐漸遞增趨勢，研究區大部分區域以中植被覆蓋和中低植被覆蓋程度為主。貴州省EVI平均植被覆蓋值為0.37，中植被覆蓋面積占整個研究區的75.29%，主要集中分布在貴州省東部非喀斯特區域，以黔東南和黔南為主要地區；中低植被覆蓋面積占整個研究區24.34%，主要分布在以喀斯特區域為主的黔西南西部、六盤水和安順大部分區域及畢節西部地區；而僅占有整個研究區面積0.29%的低植被覆蓋區域則主要分布在貴陽市周邊，這是由于近年來貴陽市經濟發展迅速，人口密度大，人類活動頻繁而導致植被覆蓋程度降低。

圖1 2001-2020年貴州省EVI均值空間分布

3.1.2 時空變化分布特征 由2001—2020年貴州省EVI年際變化趨勢空間分布(圖2)可知，EVI變化斜率為正的面積占研究區大部分區域，表明貴州省植被變化趨勢以增加為主，最大值可達0.015 2 a；其增加面積為149 608.40 km，占整個研究區總面積的84.97%，其中輕微增加和顯著增加面積占比分別為69.03%和15.94%，主要變化區域為貴州省西南區域及北部和西部地區；EVI變化斜率為負，表明植被變化趨勢表現為降低，其減小面積為26 470.28 km，占整個研究區的15.03%，最小值僅為-0.025 1 a，且以輕微降低為主，分布在貴州省的各個區域，其中以貴陽市和遵義市為主要聚集地區，這是由于在近20年來兩地的經濟發展比較迅速，以及大量人口遷移等原因造成。

圖2 2001-2020年貴州省EVI年際變化趨勢空間分布

通過Hurst指數分析可知，貴州省Hurst指數的均值為0.43，其植被覆蓋變化表現為正向持續性序列(>0.5)的面積占比為19.23%，反向持續性序列(<0.5)的面積占比為80.77%。為了進一步分析貴州省植被覆蓋變化在未來的變化趨勢，本文對研究區2001—2020年的植被變化趨勢結果與基于重標極差分析的Hurst指數結果進行空間像元的疊加耦合分析。結果(圖3，表1)表明，貴州省未來植被變化表現為持續性增加和持續性降低的面積占比分別為16.09%和3.14%，反持續性增加和反持續降低分別占區域總面積的69.23%和11.54%，表明貴州省植被覆蓋在未來的變化趨勢有所轉變。從空間結構來看，占比最大的反持續性輕微增加區域(57.07%)均勻地分布在除黔東南的凱里中部和畢節中西部地區外的其他區域，表明貴州省植被增長程度已經進入了逐漸飽和階段，未來的植被變化可能會出現暫時的停緩狀況，值得密切關注。持續性降低主要分布在以貴陽為中心的小部分區域，持續性增加則以西部畢節及黔西南大部分地區為主。

表1 貴州省植被未來變化趨勢類型及面積占比

圖3 貴州省植被生長未來變化趨勢空間分布

3.1.3 時空變化顯著性分析 對貴州省2001—2020年生長季EVI變化的顯著性狀況進行逐像元的Theil-Sen趨勢分析并耦合Mann—kendall檢驗方法(圖4)。結果表明，EVI變化具有較明顯的空間差異性，通過顯著性為0.05的M—K趨勢檢驗面積為80 246 km，約占區域總面積的45.57%。由Sen趨勢計算的結果并結合貴州省的實際植被變化趨勢情況，將通過M—K檢驗的估算結果劃分為5種類型(表2)。研究區以改善為主要變化趨勢，占總面積的95.66%，其中輕微改善區域為77.22%，顯著改善區域為18.44%，主要分布于貴州北部遵義、畢節及黔西南等由于近年來大力度的退耕還林還草及石漠化治理而得到極大改善區域。通過M—K檢驗的輕微退化和顯著退化區域僅占總面積的3.02%和1.34%，主要分布在貴陽、遵義南部及凱里東北部等人口活動頻繁、經濟發展較為快速的區域，但不存在通過檢驗且呈現出基本不變趨勢的區域。

表2 研究區植被變化趨勢類型分級及結果統計

圖4 2001-2020年貴州省生長季EVI均值的Sen趨勢空間分布

3.2 氣候變化對植被EVI的影響

3.2.1 標準化降水蒸散指數(SPEI)與植被EVI相關關系 由于標準化降水蒸散指數的主要數據源為降水和氣溫因子，因此對貴州省2001—2020年的降水和氣溫進行變化趨勢分析(圖5)可知，貴州省的降水、氣溫因子在20年間的變化趨勢總體上表現為上升，降水的斜率略高于氣溫。貴州省的平均降水量為98.91 mm，在2011年出現顯著的干旱現象，其全年平均降水量僅為70.61 mm，隨后呈增長態勢。多年氣溫平均值為16.20 ℃，最低氣溫出現在2012年，為15.28 ℃；2020年則達到最高平均氣溫，為17.96 ℃。

圖5 2001-2020年貴州省降水、氣溫年際變化

在基于2001—2020年貴州省年尺度SPEI的基礎上，結合年生長季EVI進行基于空間像元的Pearson相關系數分析(圖6)。結果表明，貴州省的植被生長狀況對氣候變化的響應以正相關為主，約占區域總面積的73%，其中極顯著正相關僅占有整個研究區域的2.58%，顯著正相關為24.44%，而有46.05%的面積表現為不顯著正相關，零散地分布在貴州省的部分區域，以畢節和凱里的中西部、貴陽東部、都勻北部及遵義西南部的邊緣地區為主。而研究區負相關面積占比僅26.94%，其中極顯著負相關和顯著負相關占整個區域的3.67%，占區域總面積23.67%的不顯著負相關區域則主要分布在遵義的中東部和畢節東部，以及六盤水、興義和銅仁大部分地區。

圖6 2001-2020年貴州省生長季EVI與年SPEI相關分析空間分布

3.2.2 氣候因子對植被EVI的影響 在對年尺度的SPEI與植被EVI進行相關性分析的基礎上，進一步對2001—2020年貴州省生長季EVI與氣候因子(降水、氣溫)之間的偏相關關系進行逐像元分析，并進行顯著性檢驗。統計結果(圖7)顯示，降水、氣溫要素對研究區內植被的變化表現出較明顯的空間差異性，生長季EVI與降水、氣溫的偏相關系數均值分別為0.227和-0.131。EVI與降水的偏相關分析且通過0.05顯著性檢驗的面積僅占區域總面積的8.32%，EVI與氣溫的偏相關分析并通過顯著性檢驗的面積占總面積的9.72%，表明貴州省生長季EVI同降水、氣溫的關系并不緊密。

圖7 2001-2020年生長季EVI與年降水、氣溫偏相關空間分布

從空間上看，EVI與降水的偏相關系數以正為主，其中以顯著正相關占比最大，為60.28%，主要分布在畢節中部、都勻與貴陽和黔東南交界處，以及遵義的西南部邊緣地區。而EVI同氣溫的偏相關系數則以負為主，顯著負相關占研究區的面積比最大，為48.73%，以黔東南州的凱里中部和西南部為主?？傮w來看，貴州省生長季EVI與降水以正相關關系為主，與氣溫以負相關為主，兩者對研究區植被生長的影響相差不大。由于兩者達到0.05顯著性水平的面積占比較小，可知2個氣候因子對貴州省植被生長的影響程度并不顯著。

3.3 人類活動對植被EVI的影響

除氣候變化對生長季植被的生長有影響外，人類活動對植被生長的影響也具有重要意義。因此研究基于殘差分析法探究人類活動對貴州省EVI的影響。根據統計分析所得貴州省EVI殘差值(圖8)可知，2008年之前，人類活動對植被的影響值為負，對植被生長表現為消極的抑制作用；在2008—2013年，人類活動對植被的影響表現為正負相間以及在2013年以后主要以積極的促進作用為主，說明人類活動在某種程度上對植被生長具有積極影響。因此，將貴州省植被受人類活動的影響程度大致劃分為5類，并依據其所占研究區域總面積比例由大到小依次為輕微改善、基本不變、輕微退化、顯著改善、顯著退化。

圖8 2001-2020年貴州省植被EVI殘差值變化

在空間分布上(圖9)具體表現為：(1)輕微改善所占區域總面積比最大，為77.84%，占研究區內人類活動對EVI起積極促進作用的96.83%，其次為顯著改善區域，占比為2.55%，主要分布在貴州省遵義北部、畢節，以及西南地區的六盤水、興義、安順等地；(2)基本不變的區域占總面積的12.68%，但其分布范圍相對比較集中，主要分布在貴州省黔東南地區和黔南都勻的北部和東南部區域；(3)相較于改善區域面積比而言，輕微退化和顯著退化區域所占面積比較小，僅為6.56%和0.37%，且分布范圍較為分散，均勻散落在整個研究區域，但主要以貴陽、遵義的南部，及都勻和凱里的交界處為集中區域。這主要是由于該區域屬于貴州省經濟發展較為快速、人口流動性較大的地區，且工業設施完備、城市擴張迅速等原因導致林地轉用為居民建設用地、農用地等造成貴州省植被生長狀況退化。

圖9 2001-2020年貴州省人類活動對生長季植被EVI的影響空間分布

4 討 論

貴州省是典型的喀斯特地區，地形地貌較為復雜，因此植被的時空變化特征具有顯著的差異性。貴州省2001—2020年植被遙感影像EVI均值為0.37，植被的變化趨勢以增長為主，空間分布上主要以貴州省西南區域、北部及西部區域為主，這與劉陽等和周習會的研究結果相一致。這是由于自2001—2020年以來貴州省陸續開展了“退耕還林還草”“石漠化綜合治理”等生態項目工程，使畢節、黔西南州的植被生長狀況有極大改善。研究結果表明，貴州省的植被時空變化趨勢在未來可能會由于達到過飽和狀態而呈現出逐步降低趨勢，因此對于貴州省植被在未來的變化趨勢，及其受何種驅動力因素的影響值得深入探究，同時該結論也可為貴州省在未來實施一系列生態整治工程提供客觀的理論依據。

經研究發現，年際尺度上的SPEI和EVI之間呈現顯著的正相關性，但本文所得出的氣候因子降水、氣溫與EVI之間相關性的強弱與其他研究的結論有所差異，原因可能在于本文使用的是MODIS-EVI影像，而其他研究者大多使用的是NDVI數據，表明貴州省植被生長狀況與獨立氣候因子間的相關性不如氣候綜合要素對其的影響力強?；跉埐罘治龅娜祟惢顒訉VI的影響以正面的積極作用為主導，植被改善區域以遵義北部、西部及西南部地區為主，這與實際的研究結果相符，但仍有部分區域由于城市化進程的加速發展而破壞原有植被的生長趨勢，其中尤以貴陽、遵義周邊地區及黔東南部分地區為典型植被退化區。

本文對于探究研究區內的植被時空動態變化對氣候變化的響應程度還處于基礎階段，僅考慮降水和氣溫因子，未考慮其他氣候因子與植被生長狀況間的相關性和滯后性結果，并且對氣象干旱指數SPEI的選擇也僅為年際尺度，未考慮不同植被類型對不同時間尺度氣象干旱指數的響應問題。本文雖探究人類活動對植被的影響程度，但貴州省地形地貌具有較大的特殊性，對于更加精細的人類活動對植被生長的影響范圍和發生強度等還未進行深入分析。因此對于貴州省不同植被類型的生長可能會受到更多其他因子影響的分析是下一步需要探究的重點。

5 結 論

(1)近20年來，貴州省植被以中植被覆蓋為主，占研究區的79.29%，主要分布在黔南和黔東南地區；在時空變化趨勢上，EVI增加的區域以貴州省北部、西南部地區為主，占研究區總面積的84.97%；下降的區域主要集中于貴陽市和遵義市及其周邊，占總面積的15.03%；總體上仍以輕微增加占比最大。

(2)經Sen趨勢分析并通過M—K檢驗的估算結果是以改善為主要變化趨勢，顯著退化僅占研究區總面積的1.34%。線性趨勢與Hurst指數的疊加結果表明，貴州省植被在未來的變化趨勢以反持續性增加為主，占研究區總面積69.23%，在空間分布上占據貴州省大部分區域。

(3)氣候因子降水和氣溫與EVI在年際尺度上的偏相關均值分別為0.227和-0.131，分別呈現出顯著正相關和顯著負相關關系，但通過顯著性檢驗的面積占比較低，總體上EVI與氣候因子相關性不強；并且SPEI與EVI的相關關系表明貴州省植被生長狀況與氣候變化之間的正相關遠高于負相關。

(4)人類活動對EVI的影響以積極的改善作用為主的區域占研究區總面積的80.39%，以消極的抑制作用為主的區域占研究區總面積的6.93%，表明人類社會經濟活動對EVI以積極促進作用為主。