寧夏草地綠度時空變化圖譜及驅動因素分析

楊航,馬彩虹,滑雨琪,李聰慧,劉園園

(寧夏大學地理科學與規劃學院,銀川 750021)

草地作為陸地生態系統的重要成員,在生態防護等方面發揮著重要作用[1]。草地綠度是表征草地覆蓋度的重要參數,能較好反映草地覆蓋度的年內和年際變化特征,歸一化植被指數(NDVI)是草地綠度最佳指示因子之一[2]。寧夏降水較少,草地覆蓋度低,NDVI不會出現飽和現象,即NDVI越大,草地綠度越高。氣溫和降水是影響草地綠度的關鍵氣候因子,學者們利用遙感數據在草地生長對氣候變化響應方面開展了廣泛研究,如趨勢分析[3]、相關分析[4]和偏相關分析等[5]。氣溫和降水對草地綠度的影響具有明顯的空間分異[6],東北地區氣溫為關鍵氣候因子[7],西北一帶降水為主導因子[8],青藏高原氣溫占主導地位主要分布在中部和東南部,降水占主導地位主要分布在東北部和西部[9]。同時不同類型和地形的草地對氣溫和降水響應具有差異,如荒漠草地和平原草地受降水影響較大,草甸草地和坡面草地受氣溫影響較大[10]。近年來,隨著人類活動的加強,草地生長狀況直接或間接受到人類活動的影響,部分地區影響速度和強度超過自然因素,剝離氣候因素影響,定量分析人類活動對草地生長的影響迫在眉睫[11-12]。準確及時掌握草地綠度的時空變化,探究氣候變化和人類活動對其作用,不但有利于草地生態系統健康,更促進了陸地生態系統協調發展[13]。

地學信息圖譜是一種時空復合分析方法,它是由我國地理學家陳述彭院士首次提出[14],在地理學中得到廣泛應用,如山地垂直帶信息圖譜[15]、土地利用變化信息圖譜[16]、自然景觀要素信息圖譜[17]、地貌信息圖譜等[18]。部分學者將其引入到植被變化的研究中,如韓磊等根據植被覆蓋地學圖譜發現延安植被以持續變化為主[19],鄭惠茹等通過建立退耕還林前后的植被恢復演替圖譜,發現研究區植被恢復遵循旱生進展演替的一般規律[20]。草地作為一種季節性植被,是氣候變化和人類活動的承擔者和反饋者,在很大程度上表征區域環境狀況[21]。利用地學信息圖譜探究其時空變化及性質,可將草地綠度多維時空信息以圖譜單元的形式動態化和可視化,對定量開展長時間序列草地綠度變化空間格局與時序特征的集成研究具有重要意義。

寧夏作為草地資源大省,草地面積占全省面積的43%,具有重要的經濟和生態價值[22]。學者對草地研究多集中在青藏高原、新疆、內蒙古一帶,對寧夏草地綠度的研究鮮有報道。因此,本研究基于2000—2020年草地NDVI,結合氣象和土地利用數據,采用地學信息圖譜等方法對寧夏不同類型草地綠度時空分布及變化特征進行多時間尺度的研究,并探究草地綠度的驅動因素。旨在保護寧夏草地資源和促進生態系統的可持續發展,為寧夏實現碳達峰、碳中和目標提供一定的決策參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

寧夏回族自治區位于中國西北內陸,地處北緯35°14′—39°23′N,東經104°17′—107°29′E,總面積6.64×104km2。屬于溫帶大陸性氣候,干旱少雨,年均氣溫5.20～8.19℃,年降水量為183～677 mm。依據自然環境條件和生態基礎,將其劃分為北部綠色發展區、中部封育保護區、南部水源涵養區[23]。寧夏地處北方溫帶草原地區,天然草地資源豐富?；哪莸貜V泛分布在寧夏北部和中部的風沙帶上,典型草地主要分布在寧夏中部和南部的黃土丘陵區,草甸草地主要分布在寧夏南部的六盤山一帶[24](圖1)。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview diagram of the study area

1.2 數據來源與預處理

草地逐年NDVI數據來自中國30 m 逐年NDVI最大值數據集,逐月NDVI數據來自中國月度1 km 植被指數(NDVI)空間分布數據集,均采用最大值合成法生成,來源于資源環境科學與數據中心(https:∥www.resdc.cn/)。氣溫和降水數據是分辨率為1 km 的逐月平均數據集,來源于國家地球系統科學數據中心(http:∥www.geodata.cn/)。將草地NDVI、降水和溫度數據集在Arc GIS中進行投影、掩膜、重采樣等統一成空間分辨率為30 m、行數和列數分別為1055,10 768,投影為Krasovsky_1940_Albers數據集。

1.3 研究方法

1.3.1 地學信息圖譜 地學信息圖譜可以同時表達地理空間結構特征及時間動態變化等,草地綠度地理信息圖譜是基于遙感、地理信息系統及空間分析方法,對研究區草地圖斑進行提取,并獲得草地綠度變化信息。

1.3.2 變異系數 變異系數表示數據的離散程度,可用來表示草地綠度變化的波動狀況。計算公式為:

式中:CV為草地綠度變異系數;σNDVI為標準差;NDVIavg為均值。變異系數越小,草地綠度波動程度越小,草地綠度變化越穩定,反之則表明草地綠度越不穩定。

1.3.3 Hurst指數法 Hurst(H)指數可以定量描述草地綠度時間序列的持續性或反持續性。當0＜H＜0.5時,表示草地綠度未來變化狀況與過去變化趨勢相反,H越小反持續性越強;當H=0.5時,草地綠度不具有持續性;當0.5＜H＜1時,表示草地綠度未來變化狀況與過去變化趨勢相同,H越大持續性越強。具體計算方法參見文獻[25]。

1.3.4 趨勢分析 采用Sen+Mann-Kendall分析法研究寧夏草地綠度年際變化趨勢[26],公式如下:

式中:NDVIk,NDVIi為連續的NDVI數據序列;n為年份;S為檢驗統計量;Zc為標準化檢驗統計量。當1＜i＜k＜n時,Q表示草地綠度變化幅度的大小,Q＜0時,表示草地綠度呈下降趨勢;反之則表示上升趨勢。

1.3.5 偏相關分析 偏相關分析相較于相關性分析,可以消除其他氣候因子對草地綠度的影響,僅研究一個氣候因子對草地綠度的作用,可識別出影響草地綠度變化的關鍵氣候因子。公式如下:

式中:rxy.z為剝離z后x和y的偏相關系數;rxy,rxz,ryz分別為x,y,z兩個因子之間的相關系數,本研究逐像元分析草地綠度和溫度、降水的偏相關性。

1.3.6 多元回歸殘差分析 多元回歸殘差分析法由Evans and Geerke提出[27],可以剝離氣候因素影響,定量評估人類活動對草地綠度的影響程度。公式如下:

式中:NDVIobs和NDVIpre分別為草地綠度的觀測值和預測值;NDVIres為草地綠度變化的殘差;NDVIpre表示氣候因素對草地綠度的影響;Tmean和Ptotal分別為年均溫和年累計降水量;a,b和c為參數。

2 結果與分析

2.1 草地綠度時序變化特征

2000—2020年寧夏草地綠度呈波動上升趨勢,綠度變化與年份相關,相關系數0.607,綠度由0.25上升到0.38,增長速率為0.007/a,寧夏草地綠度得到顯著提升(圖2)。不同草地類型綠度均呈波動上升趨勢,草甸草地上升速率最大為0.011/a;典型草地次之為0.009/a;荒漠草地上升最為緩慢,速率為0.004/a。不同草地類型年均綠度大小為:草甸草地(0.63)＞典型草地(0.39)＞寧夏草地(0.34)＞荒漠草地(0.26)。在此基礎上對寧夏草地月均綠度進行分析,寧夏草地、典型草地、荒漠草地8月綠度最大,依次為0.32,0.36,0.24,草甸草地7月份月綠度最大為0.59;寧夏草地、典型草地、荒漠草地和草甸草地2月份綠度最低,依次為0.11,0.12,0.10,0.15。月均草地綠度整體呈倒“U”型,不同類型草地綠度最大值相差較大,最小值相近。

圖2 2000-2020年寧夏草地年均(左)和月均(右)綠度變化趨勢Fig.2 Change trend of annual(left)and average(right)green degree in Ningxia grassland from 2000 to 2020

2.2 草地綠度空間差異特征

2.2.1 草地綠度年度信息圖譜特征分析 以2000年為基準年研究2001—2020年各年較基準年草地綠度增減變化(圖3)。研究時段內,多數年份草地綠度較基礎年呈增加態勢,2011—2020年較2001—2010年相對于基準年綠度提升顯著且穩定。2018年綠度增加最顯著,該年年均降水量較基準年增加了11.65 mm,氣溫增加0.39℃,表現為暖濕,有利于草地綠度提升;2005年草地綠度較基準年降低最顯著,主要在黃河和清水河沿線區域,該年降水量較2000年減少8.00 mm,溫度增加0.40℃,降水較少在一定程度上導致綠度降低。境內賀蘭山、羅山、六盤山呈顯著增長趨勢,增長趨勢較其他區域顯著,以“三山”為主的自然保護區通過生態修復和環境整治取得一定成效,草地綠度得到一定提升。

2.2.2 草地綠度月度信息圖譜特征分析 受氣候、地形等因素的影響,寧夏草地綠度總體上呈“南高北低”的空間分布格局(圖4)。南部分布有六盤山,受地形影響降水較多,草地類型主要為草甸草地和典型草地,草地綠度較高。中部為干旱帶,降雨較少,且有小范圍的沙漠分布,草地類型主要為典型草地,草地綠度居中。北部因賀蘭山阻斷暖濕氣流向西發展,局部區域降水較多,黃河沿岸的銀川平原降水量較少,草地類型主要為荒漠草地,同時由于經濟發達、人口集聚和農畜產業等,草地覆被情況較差,研究期內草地綠度最低。年內變化表現為3—8月寧夏草地綠度提升且由南向北漸次推進,9月至次年2月草地綠度值降低且空間呈現為由北向南逐漸褐化。

圖4 2000-2020年寧夏月度草地綠度空間分布圖譜Fig.4 Monthly spatial distribution map of grassland greenness in Ningxia from 2000 to 2020

2.3 草地綠度趨勢指數時空變化圖譜特征

2.3.1 草地綠度變化圖譜特征 運用Theil-Sen Median趨勢法分析2000—2020年寧夏草地綠度年際變化趨勢的空間特征(圖5A—5B),Mann-kendall顯著性檢驗為草地綠度通過極顯著(p＜0.01)與顯著(p＜0.1)的檢驗(表1)。草地綠度總體上呈增加趨勢,綠化趨勢由南到北遞減。計算表明,97.76%的寧夏草地綠度呈增加趨勢,極其顯著增加趨勢面積占比最大為48.78%,主要分布在草甸草地和典型草地;寧夏草地綠度顯著增加和不顯著增加面積占比分別為28.40%,20.58%,主要分布在荒漠草地和中部的典型草地;寧夏草地綠度減少區域面積較少,占比為2.24%,主要分布在北部荒漠草地。草甸草地和典型草地無綠度減少趨勢,荒漠草地無極其顯著減少趨勢。

表1 寧夏草地綠度變化趨勢的顯著性統計Table 1 Significance statistics of the change trend of grassland greening in Ningxia%

圖5 2000-2020年寧夏草地綠度變化穩定性、可持續性和變化趨勢信息圖譜Fig.5 Information map of stability,sustainability and change trend of grassland greenness change in Ningxia from 2000 to 2020

2.3.2 草地綠度穩定性圖譜特征 2000—2020年寧夏草地綠度變化較大,變異系數介于0.03～0.61,平均值為0.22,表明21年寧夏草地綠度整體處于高波動狀態(圖5C)。草甸草地波動最低,典型草地次之,荒漠草地最高。寧夏草地綠度穩定性空間分異顯著,北部主要為高波動,中部和南部局部區域因地形和氣候等因素呈現出高低波動并存。草地綠度高波動面積占比最大為67.60%,主要分布在典型草地和荒漠草地(表2)?；哪莸貜V布在沿黃經濟帶上,受人為因素如經濟活動和農業生產的影響較大;典型草地主要分布在中部干旱帶,受自然因素如干旱、極端天氣等的影響較大。相對高波動面積占比為22.75%,主要分布在中部和南部的典型草地。中等波動、低波動和相對低波動面積占比較小,分別為6.97%,0.32%,2.37%,主要分布在六盤山一帶的草甸草地,自然條件較好,受人類干擾小。

表2 2000-2020年寧夏草地綠度變化穩定性Table 2 Stability of grassland greening in Ningxia from 2000 to 2020%

2.3.3 草地綠度可持續性特征 2000—2020年寧夏草地綠度Hurst指數處于0.19～0.91之間,均值為0.48,呈“南高北低”的空間格局(圖5D),結合穩定性分析結果,寧夏草地綠度整體上不具有穩定可持續的綠化趨勢?；哪莸睾偷湫筒莸豀urst指數均值分別為0.47,0.49,不具備可持續的綠化趨勢;草甸草地Hurst指數均值為0.53,可持續性高于其他草地類型,具備的可持續綠化趨勢。

2.4 草地綠度對氣候變化和人類活動響應

2.4.1 草地綠度對氣候變化的響應 草地綠度與氣溫表現為正負相關并存(圖6,表3)。草地綠度與氣溫呈正相關的區域占65.65%,主要分布在草甸草地、典型草地、賀蘭山和香山一帶,其中具有顯著(p＜0.1)和極顯著(p＜0.01)負相關分別為1.31%和0%,零星分布在中部典型草地。草地綠度與氣溫呈負相關的區域面積占比為34.35%,其中不顯著負相關面積占比最大為33.93%,主要分布在荒漠草地和典型草地北部。草地綠度和降水整體上呈正相關,正相關區域的面積占比達到99.46%,其中40.73%為極其顯著正相關,主要分布在荒漠草地和典型草地的北部;顯著正相關的面積占比為34.80%,廣泛分布在中部和南部的典型草地;不顯著正相關的面積為23.93%,主要分布賀蘭山、六盤山、白芨灘和哈巴湖一帶。草地綠度與降水呈負相關的區域面積占比較小為0.53%。

表3 草地綠度與氣溫和降水的偏相關顯著性統計Table 3 Significance statistics of partial correlation between grassland greenness and temperature and precipitation %

圖6 草地綠度與氣溫和降水的偏相關分析Fig.6 Partial correlation analysis between grassland greenness and air temperature and precipitation

氣候因素影響草地綠度的面積占比為99.04%,氣溫和降水共同驅動區域面積占比為30.99%,主要分布在賀蘭山、哈巴湖、羅山和六盤山等自然保護區(圖7)。受降水驅動為主的地區面積占比最大為67.10%,成片分布在荒漠草地南部和典型草地;受氣溫驅動為主的地區面積占比較小為0.95%,零星分布在北部和中部分界線周圍和寧夏的最南部;0.96%的區域不受氣溫和降水的驅動,零星分布在白芨灘和香山一帶。研究期內溫度和降水均呈上升趨勢,表現為暖濕化,在一定程度上促進草地綠度提升。

圖7 溫度-降水對寧夏草地綠度驅動因素分區及較基準年變化趨勢Fig.7 Temperature-precipitation on the driving factors of grassland greenness in Ningxia and the trend of changes compared with the base year

2.4.2 草地綠度對人類活動的響應 殘差分析法能剝離氣候因素的作用,有效測算人類活動對草地綠度的影響程度,寧夏草地綠度受人類活動影響的正面效應遠大于負面效應(圖8)。草地綠度多元回歸殘差總體呈上升趨勢,2000年以來實施的退耕還草、封山禁牧等生態工程積極促進了寧夏草地的綠化趨勢,人類活動正向效應明顯,面積占比達97.01%。殘差為負的區域為人類活動對草地綠度產生破壞作用的區域,面積占比為2.99%,主要分布在賀蘭山一帶,賀蘭山煤礦開采區的修復工程在一定程度上改善了生境質量,但賀蘭山脆弱的生態環境也引起人類活動對草地綠度的反作用。隨著城市化速率的加快,部分草地轉化為建設,致使城市周邊區域草地綠度降低。

圖8 2000-2020年寧夏草地綠度多元殘差分析Fig.8 Analysis of multiple residues of grassland greening in Ningxia from 2000 to 2020

土地利用對草地綠度變化具有明顯的正負效應。一方面,城市化降低了草地綠度,另一方面,退耕還草和草地面積增加促進了草地綠度的提升。2000—2020年,寧夏土地類型發生變化的面積約251 862.62 hm2,耕地轉出面積最多為113 617.63 hm2,47.75%轉移為高覆蓋度草地,27.23%轉移為低覆蓋度草地;中覆蓋度草地轉入面積較多為90 805.75 hm2,主要由耕地(58.96%)和低覆蓋度草地(23.21%)轉入。21年低覆蓋度草地、中覆蓋度草地、高覆蓋度草地面積分別增加了16 171.28 hm2,52 159.81 hm2,23 425.39 hm2,耕地、水域、未利用土地面積減少,分別減少了86 856.01 hm2,1 459.32 hm2,18 793.79 hm2(表4—5)。

表4 2000-2020年寧夏草地正向效應區域土地利用變化轉移矩陣Table 4 Land use change transfer matrix in Ningxia grassland positive effect area from 2000 to 2020 hm2

表5 2000-2020年寧夏草地負向效應區域土地利用變化轉移矩陣Table 5 Land use change transfer matrix in Ningxia grassland negative effect area from 2000 to 2020 hm2

殘差變化為正的區域土地利用轉移主要表現為低覆蓋度草地、中覆蓋度草地和高覆蓋度草地面積分別增加16 499.63 hm2,50 873.75 hm2,22 994.77 hm2,耕地和未利用土地面積分別減少了84 794.00 hm2,18 475.24 hm2;寧夏草地綠度殘差變化為負的區域中主要表現為低覆蓋度草地面積減少328.35 hm2,建設用地面積增加1 661.70 hm2。

3 討論

本文對寧夏不同類型草地綠度時空分異和變化趨勢進行了定量分析,不同類型草地綠度均呈上升態勢,上升速率存在差異,48.78%的草地呈極其顯著增加趨勢,這一結果與劉洋洋等對中國草地研究中寧夏區域部分的結果一致[28]。研究期內寧夏氣候表現為暖濕化,在一定程度上促進了草地植被的生長。氣溫和降水的高位、低位震蕩,使得草地綠度表現出年際波動[5],采用地學信息圖譜分析法對草地綠度變化進行研究,能夠比較發現草地綠度變化的空間異質性特征。寧夏草地綠度、變化趨勢、穩定性、可持續性均呈“南高北低”的空間格局,與秦格霞等對中國北方草地寧夏區域部分研究的空間格局相似[29],寧夏由南到北依次處于半濕潤區、半干旱區、干旱區,氣溫“南低北高”、降水“南多北少”,使得南部草甸草地的長勢優于北部的荒漠草地。草地綠度與氣溫呈正相關的面積占比為65.65%,與降水呈正相關的面積占比為99.46%,草地綠度變化受降水驅動的面積占比為67.10%,表明草地綠度受降水的影響更大,對降水更敏感,這與前人研究結論一致,即半干旱區與干旱區降水為草地綠度變化的主導氣候因子[7]。

寧夏草地綠度變化受氣候和人類活動共同作用,不同區域、不同草地類型的驅動因素和相對作用強度具有明顯的空間分異[30]。位于六盤山一帶的草甸草地綠化趨勢穩定可持續,草地綠度與氣溫和降水呈不顯著正相關,六盤山作為西北生態安全屏障,堅持實施退耕還林還草,封山禁牧等生態工程,人類活動是綠度提升的主導因素。典型草地綠度與降水呈極其顯著正相關,綠度年際與月度變化受氣候因素影響較大,殘差系數為正表征人類活動促進了綠度提升,綠度提升受氣候和人類活動共同驅動,以降水驅動為主?；哪莸鼐G度與降水極其顯著和不顯著正相關并存,與氣溫不顯著正負相關并存,荒漠草地主要分布在黃河生態經濟帶上,在保護生態的前提下促進經濟發展,人類活動以正向驅動為主,荒漠草地受氣候和人類活動共同作用,相對作用強度主要受氣候因素影響。寧夏草地綠化以氣候驅動為主,局部區域表現為氣候和人類活動共同作用。多年回歸殘差系數呈波動上升趨勢,人類活動對草地綠度正向驅動強度加大,表明如三北防護林建設、退耕還草、封山禁牧等生態工程促進了草地綠度提升。殘差為負的區域主要分布在賀蘭山一帶,多年的煤礦開采使得該區域生境脆弱,對生態措施敏感且易產生反作用,人類活動是寧夏草地退化的主導因素。生態脆弱區的草地以自我恢復為主,人工修復為輔。

研究期內,寧夏草地面積和綠度均得到提升,部分耕地和建設用地轉為草地,反映寧夏草地生態質量的提升。草地綠度和綠化趨勢空間上呈“南高北低”,應進一步有針對性地促進荒漠草地和典型草地綠度提升。草地綠度變化波動較大且綠化趨勢不持續,寧夏地處生態脆弱區,生態環境較為惡劣,易受干旱、大風等自然災害影響,在推進草地資源提升時,要降低自然災害對草地綠化和生態工程的破壞,提高草地綠度韌性。草地綠度時空變化是多種因素共同作用的結果,本文探索了研究期內逐年氣溫和降水對寧夏草地逐年綠度的影響,非生長季、氣溫降水的滯后效應和未納入分析的其他氣候因子均在一定程度上影響氣溫和降水對草地綠度的偏相關分析,在分析人類活動對草地綠度影響程度方面也存在一定偏差,今后將綜合考慮研究的時間尺度和多種氣候因素的作用。本文僅關注了氣候對草地整體綠度的影響,后期研究將重視草地綠度提升對局地氣候的響應。

4 結論

本研究基于NDVI、氣象、土地利用等數據,分析了2000—2020年寧夏不同類型草地綠度時空變化及氣候因子和人類活動的驅動。主要結論如下:

(1)寧夏草地綠度呈波動上升趨勢,草甸草地綠度最高且增速最快為0.011/a,荒漠草地綠度最低且增速最慢為0.004/a。月均草地綠度整體呈倒“U”型,草甸草地7月份綠度最高為0.59,2月份綠度最低為0.15,其他草地類型均8月份綠度最高,2月份最低。

(2)寧夏草地綠度空間分異顯著,呈“南高北低”的格局,以賀蘭山、羅山、六盤山為首的自然保護區的綠度優于其他區域。3—8月寧夏草地綠度提升由南向北推進,9月至次年2月漸次降低由北向南推移。

(3)寧夏草地綠度呈增加趨勢的面積占比為97.76%,典型草地和草甸草地全部表現為增加趨勢,96.69%的荒漠草地表現為增加趨勢,寧夏草地綠度極其顯著增加占比最大為48.78%?；哪莸睾偷湫筒莸乇憩F為不穩定不持續的綠化趨勢,需要在后期管理中減少人類活動對其的擾動,草甸草地表現為穩定可持續的綠化趨勢。

(4)99.46%和65.65%寧夏草地綠度分別與降水和氣溫呈正相關,67.10%區域以降水驅動為主,降水為主導氣候因子。寧夏草地綠化以氣候驅動為主,局部區域表現為氣候和人類活動共同作用,殘差分析表明人類活動對草地綠度以正向驅動為主。