基于GEE 的阿拉善左旗植被時空變化特征及驅動因子分析

衛鴻飛，張 唯*，吉宸佳，韓松潔

（1.中國地質大學（武漢） 地理與信息工程學院，湖北 武漢 430000）

植被覆蓋度是指在一個統計區域中，單位范圍內植物的垂直投影面積所占的比例。它是反映一定范圍內植被覆蓋度變化的主要尺度，能夠顯示一定區域的生態環境狀況，被廣泛用于描述陸地生態系統植被質量和變化[1]。研究植被覆蓋度變化趨勢，不僅可以預測未來氣候變化下的植被變化特征，而且有利于從宏觀層面對生態全面監測并實施改善[2]。

目前，基于長時間序列數據提取植被覆蓋度較成熟的模型是像元二分模型[3]。研究植被覆蓋度變化趨勢的方法主要分為線性回歸法和Theil-Sen 趨勢分析法。而相比于線性回歸法，Theil-Sen 趨勢分析法作為非參數估計方法，受異常值的影響較小，更適合用于研究較長時間序列的植被變化特征。例如王曉蕾[1]和徐勇[4]等分別運用該方法研究黃河流域和長江流域長時序的植被覆蓋時空變化趨勢，結果表明該方法可以較好地避免數據在時間序列上間斷不連續的影響。

隨著更多學者對更高空間分辨率和較長時間序列的數據進行研究分析，僅采用本地計算機的性能難以滿足要求。而高性能地球科學數據分析平臺（Google Earth Engine，GEE）既可以在處理大尺度較高分辨率數據時保證影像的質量，又可以在處理長時間序列的數據上大大縮短影像的處理時間[1]。姚春陽[5]等基于GEE云平臺對哈爾濱市的植被覆蓋度進行動態監測，證實GEE的云計算處理能力可以實現大面積、長時序的動態監測。本文基于GEE 平臺以MODIS-NDVI為數據源，研究阿拉善左旗2000—2020 年生長季植被覆蓋度的空間分布和時空變化特征，并分析氣象要素和人類活動對植被覆蓋度的驅動影響，從而為阿拉善左旗生態保護提供因地制宜的決策支持和科學指導。

1 研究區概況

阿拉善左旗地處內蒙古自治區阿拉善盟東部，總面積為80 412 km2，地理坐標為37°24′～41°53′S，103°21′～106°52′E，地勢東南高，西北低。阿拉善左旗屬于大陸性氣候，年降水量僅有80～220 mm，降雨主要集中在6～9 月，約占全年的62%；蒸發量較大，年蒸發量2 900～3 300 mm[6]；平均氣溫為8.7±0.7℃，7月最高氣溫可達41.1℃。

2 數據來源

遙感影像數據來源于美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA），通過GEE平臺（https://code.earthengine.google.com/）獲取了2000—2020 年MODIS 陸地植被指數產品MOD13A1，影像分辨率為500 m，時間分辨率為16 d。地形數據是通過GEE 平臺獲取的USGS/SRTMGL 數據。有研究表明植被的分布不是完全在等間距的高程和坡度均勻分布[7]。因此，本文利用ArcGIS 10.8 通過自然間斷法對高程因子進行重分類，再借助分區統計工具進行不同高程因子等級的植被覆蓋度變化分析。2000—2020 年阿拉善左旗的降水和氣溫數據來源于GEE 平臺的再分析資料ECMWF/ERA5/MONTHLY。ERA5再分析數據是歐洲中尺度天氣預報中心推出的最新大氣再分析資料，以0.25°×0.25°的網格覆蓋地球，該數據基于改進的三維變分技術[8]，有分辨率高、更新快等優點，故ERA5 降水數據被廣泛應用于水文監測觀測降水[9]。由于研究區內氣象站點數量極少，并且考慮到從柵格層面對氣象數據和植被覆蓋度進行各種分析，所以本文應用ERA5 數據進行實驗分析。

3 研究方法

3.1 植被覆蓋度

歸一化植被指數NDVI 常用于表現某區域內的植被生長狀況，而該指數與植被覆蓋度之間存在顯著的線性關系[10]，故成為科研人員使用最為廣泛的指數之一。本文基于GEE云平臺，以MODIS-NDVI數據為研究對象，采用像元二分模型計算阿拉善左旗的植被覆蓋度FVC（fractional vegetation cover，FVC）。計算公式如式（1）所示。

式中，N為普通像元的NDVI值；Nsoil為無植被像元的NDVI 值；Nveg為純植被像元的NDVI 值；Nsoil和Nveg的理論值分別接近于0 和1。本文以研究區域內0.5%置信度獲取NDVI 的上下限閾值，結合阿拉善左旗植被覆蓋情況，將Nsoil和Nveg分別取累計頻率為99.5%和0.5%時對應的NDVI值。

3.2 趨勢分析

Theil-Sen 趨勢分析法可以有效避免時間維度上數據缺失的影響，也可以有效降低異常值對數據的干擾[11]。Manna-Kendall檢驗能夠有效剔除異常值，適用于非正態分布的數據[12]。因此，本文將Theil Sen 趨勢分析與Manna-Kendall 檢驗相結合，基于GEE 云平臺分析阿拉善左旗生長季的植被覆蓋度的變化趨勢及其顯著性。計算公式如式（2）～（6）所示。

式 中，i，j為 時 間 序 列 年 數（1 ＜i＜j＜n）；FVCj，FVCi分別為i，j時間序列的FVC 值；SFVC為植被覆蓋度在時間維度的變化趨勢，SFVC＞0 為FVC呈上升趨勢，SFVC＜0為FVC呈下降趨勢。

式中，sgn(FVCj-FVCi)為插值函數； VAR(S)為方差；Z為統計量。

3.3 相關分析

本研究利用GEE云平臺，采用Person相關分析法分析基于像元尺度的植被覆蓋度與同期降水和氣溫之間的相關關系。Person相關系數和t檢驗計算公式如式（7）所示。

式中，Xi為植被覆蓋度；Yi為氣象要素降水和氣溫；E(X)和E(Y)分別為植被覆蓋度和氣象要素的均值；n為年數；Rxy為植被覆蓋度與氣象要素的相關系數；Rxy＞0呈正相關，Rxy＜0呈負相關，Rxy=0則不相關，表示降水或氣溫與植被覆蓋度不具有線性相關關系。采用t檢驗對相關系數進行顯著性檢驗，計算公式如式（8）所示。

式中，n為樣本數量，rxy為相關系數。

3.4 殘差分析

殘差分析法常用于計算人類活動對FVC 的影響[13]。本文基于GEE云平臺，先利用多元線性回歸模型計算出受降水和溫度影響的預測值FVC，再計算預測值與實際值之差[14]。殘差分析計算公式如式（9）所示。

式中，FVCr為利用NDVI計算出來的植被覆蓋度實測值；FVCp為受氣象要素影響的植被覆蓋度預測值；ε為殘差，ε＞0 表示人類活動對該地區的FVC 有積極作用，反之表示消極作用。

4 結果分析

4.1 FVC空間變化特征

根據《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190-2007）中對FVC 的分級標準[15]，FVC 被劃分為5 個等級，如表1，FVC 值越高則等級越高，代表植被覆蓋情況越好。

表1 植被覆蓋度等級表

2000—2020 年阿拉善左旗年平均生長季FVC 的空間分布特征存在明顯差異，家別立鎮、吉蘭泰鎮南部、巴彥浩特鎮東部等區域的植被覆蓋度較高，而烏力吉蘇木鄉、銀根蘇木、烏斯太鎮等區域的植被覆蓋度明顯較低。結合表1 可知，年平均生長季FVC 為中高等和高等級植被覆蓋度占整個阿拉善左旗區域的25.43%，主要分布在阿拉善左旗東南部和南部，而阿拉善左旗北部和西南部年均生長季FVC普遍較低。

利用Theil Sen-MK趨勢變化分析方法分析阿拉善左旗2000—2020年生長季的植被覆蓋變化趨勢，本文根據SFVC數值將變化趨勢分為退化、穩定和改善3類，根據Mann-Kendall 檢驗在5%置信度上的結果將顯著性分為顯著變化和不顯著變化。將趨勢分級結果與檢驗結果疊加，得到阿拉善左旗20 a的生長季FVC在像元尺度上的變化趨勢，變化趨勢劃分為5 種類型（如表2）。

表2 2000—2020年生長季FVC變化趨勢統計表

由表2 可知，2000—2020 年阿拉善左旗生長季FVC整體呈退化趨勢，退化區域占阿拉善左旗總面積的52.6%，其中幾乎全部面積呈現輕微退化趨勢，主要分布在阿拉善左旗的西南部和東北部。在退化區域中，大部分面積分布在騰格里沙漠和烏蘭布和沙漠，由于沙漠地區土質不利于植物的生長，并且常年氣候干旱，降雨量較少，故植被覆蓋度常年處于較低水平。雖然2001—2018年在沙漠邊緣地區開展了人工造林及飛播造林工程[16]，但由于技術尚不成熟以及歷年梭梭林生態區的破壞[17]，使得植被覆蓋度總體呈退化趨勢。

阿拉善左旗34.3%的區域植被覆蓋度呈現改善趨勢，幾乎全部面積呈現輕微改善趨勢，主要分布在阿拉善左旗的北部、南部及東部部分地區。其中，大部分改善區域主要得益于國家和政府在經濟上的支持和政策上的導向，比如深入實施草原獎補，退耕還草計劃，建設公益林補償政策，保護當地天然林政策，以及建設三北防護林等國家政策和重點工程[18]。在社會公益事業方面，阿拉善左旗是“螞蟻森林”項目實施的重點地區之一，其中梭梭樹林地主要分布在吉蘭泰鎮等區域，2017年從遙感影像上已經清晰可見點狀分布的梭梭樹地塊[19]，這也是使得吉蘭泰鎮部分地區植被覆蓋度呈輕微改善的原因之一。

4.2 FVC時間變化特征

如圖1所示，分析2000—2020年阿拉善左旗各等級FVC分布及面積比例變化可知，各等級FVC 隨時間變化呈波動狀態。其中低等級FVC 波動幅度最大，由2000 年的32%增加到2012 年的47%，達到頂峰后降低到2020 年的40%，而中低等由2000 年的26%持續降低到2016 年的16%，到2020 年又大幅升高到22%。整體而言，2000—2012 年低等級FVC面積占比持續升高，高等級FVC面積占比較穩定，在此年間植被覆蓋度下降相對較快，主要是由于中低等級FVC轉變為低等級FVC。2000—2012年由中低等轉變為低等FVC的區域主要是西南部騰格里沙漠覆蓋區域，并且該區域主要轉變為低等級FVC，說明該區域沙漠化日益嚴重。

圖1 2000-2020年各等級FVC時間變化趨勢

2012—2016 年，高等級和中高等FVC面積分別增加3%和2%，低等級和中低等FVC 面積分別減少5%和1%，在此年間植被覆蓋度有明顯改善現象，主要改善區域分布在阿拉善左旗中部區域。改善原因主要有以下幾點：①2013—2016年頒布了《阿拉善左旗草原生態保護補助獎勵機制實施辦法》，面向本地農牧民實施草地生態補貼激勵政策[20]。政策不僅引領了農牧民由原來的粗放型天然放牧轉變為集約型生產生活，同時也對生態保護措施有一定推動作用。②“十二五”期間制定了《阿拉善左旗草原功能區劃分方案》[21]，將巴彥浩特鎮、巴潤別立鎮、吉蘭泰鎮等10 個鎮劃分為草原生態保護建設區，規劃退牧還草項目區，在騰格里沙漠東緣設置人工撒播區和飛播區。這些功能區和工程方案大幅降低了草原退化沙化，為生態恢復起到重要作用。③形成了以梭梭、蓯蓉、葡萄等沙產業，通過發展沙產業可以有效降低風蝕強度，有效治理沙化土地。

4.3 FVC變化的驅動分析

4.3.1 氣候對FVC的影響

阿拉善左旗生長季降水和氣溫與FVC 的呈不顯著正相關的像元面積占比分別為50.5%、44.6%，均主要分布在巴彥諾日公蘇木鄉、吉蘭泰鎮、巴彥木仁蘇木鄉西部等區域。降水和氣溫與FVC 呈不顯著負相關的像元面積占比分別為44.6%、45.6%，主要分布在烏力吉蘇木鄉、銀根蘇木、超格圖呼熱蘇木等區域。

研究表明，氣象因子和人類活動是影響植被覆蓋變化的重要因素，其中降水和溫度是主控氣象因子，而隨著降水量和氣溫增大，FVC 將呈上升趨勢[22]。根據姜艷豐[23]等的研究結果表明，阿拉善左旗年降水量僅有80～220 mm，處于干旱與極干旱之間，20 a 來降水量和氣溫呈上升趨勢，潛在蒸散呈下降趨勢，氣象要素呈改善趨勢。但是根據阿拉善左旗20 a來各等級FVC的面積比例變化趨勢可知，年平均生長季FVC呈先下降后上升的浮動趨勢，并且降水和氣溫與FVC呈顯著相關的區域面積占比分別僅有4.9%、5.8%。絕大部分區域呈不顯著相關。綜上，在阿拉善左旗地區，氣象因子降水和氣溫對2000—2020年生長季FVC的影響程度不明顯，并不是主要驅動因子。

4.3.2 人類活動對FVC的影響

Jing[24]等研究表明NDVI的變化主要受到人類活動的驅動，而非氣候因子，故有必要研究人類活動對FVC的驅動影響。殘差為正表示人類活動對FVC具有正向作用，殘差值表示人類活動對FVC 的影響程度，絕對值越大影響程度越大。20 a來阿拉善左旗殘差結果均為正值并覆蓋全旗，表示在不考慮氣象因素的條件下，人類活動對植被覆蓋具有不同程度的正向積極作用，說明20 a來人們積極應對土地沙漠化和植被退化等生態環境問題。

根據實際情況，將人類活動對植被覆蓋的影響程度按殘差值劃分為3個等級：0～0.07（弱）、0.07～0.14（中）、0.14～0.4（強）。結果表明，人類活動影響程度較強和中等的區域面積占比為分別為10%、29.6%，分布區域面積占比較少，主要分布在吉蘭泰鎮、宗別立鎮、巴彥浩特鎮等區域。這些區域在這20 a里植被覆蓋呈改善趨勢。阿拉善左旗地廣人稀，全境約有15 萬人口，主要分布在阿拉善左旗東南部。十一五之后，開展實施“護城鎖邊”工程，在騰格里沙漠東南緣和烏蘭布和沙漠西南緣建設人工防風固沙林[25]，有效阻止沙漠的前移。另外，飛播造林技術的提高、沙產業的發展、社會公益活動“螞蟻森林”的組織，不僅在生態上改善了植被覆蓋，也在經濟發展上為當地農牧民提供了機會。

整體而言，盡管2000—2020年阿拉善左旗整體的生長季FVC有所降低，但是在2012年之后，隨著政府大力展開治沙活動、當地農牧民改變傳統畜牧方式以及社會公益事業的關注，人類活動影響較強的區域植被覆蓋度大幅提高。研究結果表明阿拉善地區人類活動對植被覆蓋度的升高有很大的促進作用，是該地區影響植被覆蓋較強的驅動因子。

4.3.3 高程對FVC的影響

植被生長的主要驅動因子存在著明顯的地域差異性[26]，而地形也可能是導致植被覆蓋度變化的限制因子。Zuo[27]等研究結果表明高程與降水的交互作用對植被變化的影響力較強。本文將高程統計分類結果分別與年平均生長季FVC 等級占比結果、年平均生長季FVC變化統計結果疊加，得到在不同高程下的FVC等級占比及變化趨勢占比結果（圖2、3）。

圖2 不同高程的年均生長季FVC等級占比

圖3 不同高程的年平均植被覆蓋度變化統計

根據圖2 結果可知FVC 各等級面積占比隨著高程的變化而有明顯的差異。其中低等級和高等級FVC的面積占比隨高程的升高而變化較大，低等級FVC 由97%降低到不足1%，高等級FVC 由不足1%增加到100%。阿拉善左旗生長季FVC 的趨勢變化隨著海拔的變化也有明顯的地形響應。明顯改善和明顯退化的面積占比變化最小，輕微退化和輕微改善的面積占比都隨著海拔的升高而先增高后減少，而穩定不變面積占比變化最大。

5 結 論

1）20 a以來，阿拉善左旗的植被覆蓋主要集中在西北部。2000—2020 年生長季FVC 整體呈下降趨勢，植被覆蓋呈明顯退化或明顯改善趨勢的像元面積占比不足1%，整體下降趨勢幅度不大。2012 年之后，受益于草地生態補貼激勵和草原功能劃分等相關政策，中部FVC 有明顯上升趨勢，至2016 年高等級FVC 面積占比增加3%，低等級FVC降低5%。

2）阿拉善左旗植被覆蓋度變化受降水和氣溫的影響并不明顯。其中降水的影響略高于氣溫，以降水為主導氣象因子的像元面積占比為52.6%，但分布較為零散。

3）2000—2020 年阿拉善左旗人類活動有助于植被的改善，殘值結果均為正值。其中影響程度較強的區域與FVC輕微改善區域的分布基本一致，表明“護城鎖邊”等相關政策在該地區的生態環境恢復中取得了良好成效。

4）20 a以來，阿拉善左旗的人類活動主要集中在海拔1 122～1 628 m 之間，該區域除沙漠外的FVC 均呈現輕微改善趨勢，平均改善面積占比為40%，表明人類活動有助于植被增加，有效抑制沙漠化進程。阿拉善左旗植被覆蓋度在不同海拔高度上呈現明顯差異，海拔越高植被覆蓋度越大，海拔939 m 以下低等級面積占比為97%，而海拔1 913 m 以上高等級面積占比為99%。因此，阿拉善左旗生態環境的恢復有必要針對不同海拔高度制定相應的措施，形成高效精準的沙漠化治理能力。

6 展 望

本文基于GEE平臺，實現了對阿拉善左旗20 a來的植被覆蓋度時空變化特征分析，并從氣象要素、人類活動和地形三方面分析了阿拉善左旗植被覆蓋變化的驅動影響。但由于數據等因素的限制，本文在研究人類活動方面不能具體分析相關政策、社會公益事業、礦區、文化旅游等條件對植被覆蓋度的影響，各種人類活動帶來的影響程度需要進一步考慮，從而為當地政府對不同地形條件實施方針政策提供基礎支撐。此外，本文選用ERA5 再分析數據作為氣象分析數據，其較低的空間分辨率會在一定程度上影響驅動因子分析的結果，后續將考慮使用區域高精度的氣象產品進行進一步分析。