路 潔，王學(xué)鳳，曹永強

(1. 遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029； 2.中國水利水電科學(xué)研究院信息中心，北京 100048)

近年來我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，人類對資源的過度開發(fā)利用導(dǎo)致了嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，為確保國家經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，提出要將生態(tài)文明建設(shè)放到與經(jīng)濟發(fā)展同等重要的位置上。植被作為地球表層生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其生長發(fā)育和覆蓋狀況對揭示生態(tài)變化具有重要意義[1]。歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index，NDVI)具有區(qū)域覆蓋廣、時間序列長、應(yīng)用廣泛且實用性強的優(yōu)點，常用于反映地表植被發(fā)育狀況及植被覆蓋的時空演變特征[2]。氣候是制約植被生長的重要條件，植被對氣候變化特別是水熱狀況的變化極其敏感[3]。除氣候因子外，短期內(nèi)的植被覆蓋變化則主要是人類活動積極或消極影響的結(jié)果，且有研究表明，人類活動影響的程度和變化速率逐漸超過自然因素[4]。因此，在氣候變化和人類活動雙重作用下，植被覆蓋演變規(guī)律及其成因已成為國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注的科學(xué)熱點之一。

當(dāng)前，國內(nèi)外對地表植被的研究集中于進行區(qū)域尺度植被動態(tài)監(jiān)測、探究植被與氣候變化的互饋關(guān)系及引起植被變化的人為驅(qū)動機制等多個層面。在植被動態(tài)監(jiān)測方面，張成才等[5]利用遙感影像估算了伏牛山植被覆蓋度并揭示其時空演變特征，提供了一種求取植被覆蓋度的像元分解模型方法；劉憲鋒等[6]對1982—2012年中國植被覆蓋狀況進行研究，結(jié)果表明，整體上我國植被呈緩慢增加趨勢，但中高緯度山區(qū)植被存在下降趨勢。在影響因素方面，研究表明引起植被變化的因素眾多，包括氣溫、降水、日照等氣候因子的變化[7-8]、下墊面類型及所處地理位置的不同[9-10]以及人類活動的影響[11-12]；當(dāng)前氣候變暖使海陸熱力性質(zhì)發(fā)生變化，影響大氣環(huán)流及水循環(huán)，導(dǎo)致降水也出現(xiàn)區(qū)域差異[13]。此外，隨著人類活動對自然干預(yù)程度的加深，眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)人類活動對植被的影響也越來越顯著，如生態(tài)工程建設(shè)會促進植被生長和發(fā)育，而城市建設(shè)、森林砍伐等會對植被生長產(chǎn)生抑制作用[14]。過去對人類活動影響的研究多采用定性評價，鑒于此，Archer[15]提出了一種定量分析方法——殘差分析法，用實際NDVI與回歸分析后預(yù)測值的差值對氣候因素和人為因素進行分離。郭力宇等[16]以陜西省為研究區(qū)，探討了氣候變化與人類活動對植被覆蓋的影響，結(jié)果表明植被覆蓋對氣候變化響應(yīng)明顯，人類活動影響力在持續(xù)增強。

目前針對東北地區(qū)和遼寧省NDVI的研究有很多，已有研究多分析了遼寧省植被覆蓋變化及對氣候因子的響應(yīng)[17-22]，但針對人類活動對遼寧省植被影響的量化分析及未來植被生長的持續(xù)性特征方面還未做充分探討。遼寧省作為振興老工業(yè)基地國家戰(zhàn)略的重要組成部分，社會經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型發(fā)展給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來深遠(yuǎn)影響。本文基于2000—2019年NDVI數(shù)據(jù)及逐日氣象數(shù)據(jù)，采用趨勢分析、相關(guān)分析和殘差分析等方法定量揭示遼寧省植被變化及對水熱條件和人類活動的響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上運用趨勢系數(shù)和Hurst指數(shù)法分析遼寧省植被的未來變化趨勢，以期為遼寧省可持續(xù)發(fā)展、植被保護及生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

遼寧省位于中國東北的南部，地勢呈東西高、中部低的格局，東西兩側(cè)為山地丘陵，中部為平原。境內(nèi)雨熱同期，夏季溫和，冬季寒冷，年均降水量500～1 000 mm，在季風(fēng)氣候影響下呈現(xiàn)遼西北地區(qū)降水少，干旱頻發(fā)，東部山地降水多，中部降水適中，介于東西降水量之間的降水分布特征。年均氣溫7℃～11℃，東部沿海地區(qū)受海洋影響，日較差和年較差相對于內(nèi)陸地區(qū)較小。遼東、遼西山地以林地為主，遼西南以草地為主，遼中由于地勢平坦多為農(nóng)作區(qū)，以玉米、小麥為主[23]。

1.1 數(shù)據(jù)來源

選用2000—2019年遼寧省NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，其中NDVI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，空間分辨率為500 m；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)，包括逐日平均氣溫和降水量觀測數(shù)據(jù)。剔除數(shù)據(jù)不完整站點，最終選用記錄完整的23個氣象站，氣象站空間分布如圖1所示。環(huán)流因子包括多變量ENSO指數(shù)(MEI)、太平洋濤動(PDO)、北極濤動(AO)和北大西洋濤動(NAO)，均來源于美國國家海洋和大氣局(http：//www.esrl.noaa.gov/psd/ enso/mei)，表征太陽黑子活動狀況的太陽黑子相對數(shù)源于比利時皇家天文臺數(shù)據(jù)中心(http：//www. sidc.be/silso/datafiles)，時間跨度為2000—2019年。

圖1 遼寧省23個氣象站點空間分布

1.2 研究方法

1.2.1NDVI影響因素分析

影響植被覆蓋變化的因素主要包括氣候因素和人為因素。氣候因素分析中，主要采用相關(guān)分析法。相關(guān)分析法[24]可衡量兩變量間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的正負(fù)分別代表兩因子呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，絕對值越大越相關(guān)，反之則越不相關(guān)。本文通過逐柵格計算遼寧省2001—2019年NDVI與降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)，并進行P<0.05的顯著性水平檢驗。人類活動對植被的影響采用殘差分析法[25]進行分析，殘差值為正說明人類活動產(chǎn)生正效應(yīng)，為負(fù)說明人類活動產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，為零說明人類活動對植被產(chǎn)生較弱影響。大氣環(huán)流對植被的影響采用通徑分析方法[26]，通徑分析可以估算某一大氣環(huán)流因子對植被的直接影響，也可以估算某一大氣環(huán)流因子通過其他因子對植被的間接影響。

1.2.2Hurst指數(shù)法

Hurst指數(shù)法是基于重標(biāo)極差(R/S，其中R為極差，S為標(biāo)準(zhǔn)差)分析法得到的，可以反映某一時間序列對之前信息的依賴性，能夠有效預(yù)測時間序列未來的發(fā)展趨勢[27]。

考慮一個時間序列{ξt}(t= 1,2,…,N)，對于任意正整數(shù)τ≥1 ，定義均值序列：

(1)

其累積離差、極差、標(biāo)準(zhǔn)差公式分別為

(2)

(τ=1，2，…，N)

(3)

(4)

Hurst指數(shù)H可根據(jù)計算出的τ、R/S值，在雙對數(shù)坐標(biāo)系(lnτ，lnR/S)中用最小二乘法擬合得到。當(dāng)0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省NDVI時空分布特征

2.1.1年際變化特征

由圖2(a)可知，總體上，遼寧省年均NDVI以0.004/a的速率增長，2004年后植被覆蓋率通過顯著性檢驗，持續(xù)增加，20 a平均NDVI為0.788，可見植被覆蓋具有相對穩(wěn)定性，總體植被狀況良好。2000—2019年間，植被覆蓋程度最低的年份為2000年，其次為2002年，由圖2(b)和圖2(c)可以看出相比其他年份該時期遼寧省自然降水少，溫度較高，蒸散較強，由于省內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，植被受災(zāi)嚴(yán)重[28]。之后遼寧省植被增長明顯，2005年遼寧省開始實施了一系列生態(tài)文明建設(shè)工程，例如“遼河流域防護林體系建設(shè)工程” “綠色通道工程”等，隨著生態(tài)工程、城市綠化等工作的不斷開展，植被覆蓋逐漸好轉(zhuǎn)[29]。

圖2 2000—2019年遼寧省平均NDVI、降水量和絕對溫度的時間變化趨勢

2.1.2空間變化特征

為了解遼寧省植被隨時間變化的空間分布規(guī)律，將2004年設(shè)為基準(zhǔn)期，對突變年份前后進行對比分析。由圖3可知，遼寧省NDVI突變前的平均NDVI介于0～0.88之間，突變后的平均NDVI介于0.07～0.91之間，與2004年前相比，植被覆蓋增加明顯，且有逐漸向西擴展的趨勢，說明遼寧省近年來的生態(tài)工程效果顯著。其中NDVI在2個時間段的高值區(qū)都主要位于遼東山區(qū)，包括撫順、本溪、丹東、鞍山以及鐵嶺、遼陽、營口市東部，除此之外，遼西的朝陽、葫蘆島市西部植被覆蓋也較好，主要原因是遼寧省東部和西南部地區(qū)的植被多為落葉闊葉林與針闊混交林，原始林地沒有遭到破壞，植被覆蓋較好[20]。NDVI較低值區(qū)主要零星分布于遼中的沈陽、錦州、盤錦，遼西的朝陽、阜新、葫蘆島及遼南的大連，植被覆蓋度指數(shù)低于0.6，遼西北地區(qū)受蒙古高原冷空氣影響，降水量少，水分匱乏、旱災(zāi)頻發(fā)，不利于植被生長，此外沈陽、大連等地經(jīng)濟發(fā)達，城市擴張迅速，人類活動使森林遭到破壞，因此植被稀疏，與問青春等[30]的研究結(jié)果基本一致。

圖3 遼寧省突變前后植被蓋度的空間分布

2.2 氣候?qū)|寧省NDVI的影響

為了探討遼寧省植被演變與氣候水熱條件間的相關(guān)性，計算了像元尺度NDVI與多年平均降水量、氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見圖4。由圖4(a)可知，遼寧省大部分地區(qū)NDVI與降水呈正相關(guān)，其面積占總面積的93.45%，遼寧省屬于干旱半干旱區(qū)，因此降水量越多越有利于植被生長，但陰雨天增加的同時也會導(dǎo)致太陽輻射減少，使植被光合作用減弱，所以在部分區(qū)域表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)[20]。但整體來說相關(guān)性并不顯著，這種區(qū)域差異是由遼寧省降水分布不均導(dǎo)致的。遼西地區(qū)靠近內(nèi)陸，降水少，旱災(zāi)頻發(fā)，因此降水量是影響植被生長的主導(dǎo)因素，進一步說明遼西植物長勢變好與降水量的增多有關(guān)。

圖4 2000—2019年遼寧省NDVI與降水、氣溫的相關(guān)關(guān)系

由圖4(b)可知，NDVI與氣溫呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的面積分別占總面積的55.89%和44.11%。溫度越高越有利于植被生長，但當(dāng)溫度超過一定閾值時會產(chǎn)生負(fù)面影響，因為氣溫升高同時也會增加植物和地表土壤水的蒸散發(fā)，使其水分流失、土壤干化得不到水分補充。從空間分布看，遼寧省中東部氣溫與NDVI以正相關(guān)為主，西部為負(fù)相關(guān)關(guān)系，遼寧省東部植被以落葉闊葉林與針闊混交林為主，遼西除林地外還有草地分布，中部平原則以種植農(nóng)作物為主，不同植被類型對氣溫的響應(yīng)效果不同[29]。此外，溫度對植被生長發(fā)育的影響是綜合的，氣溫還可以通過影響光合、呼吸、蒸騰等代謝過程和有機物的合成和運輸來影響植物的生長，或直接影響土溫，通過水肥吸收和輸導(dǎo)的不同來影響植物的生長，因此其相關(guān)性存在差異[31]。

對比每個柵格氣溫、降水與NDVI相關(guān)系數(shù)絕對值后，可以得到最值相關(guān)系數(shù)空間分布及對應(yīng)的驅(qū)動因子(圖5)，用于分析植被對某一氣候因子響應(yīng)的敏感程度。由圖5(a)可知，遼寧省對降水、氣溫的最值相關(guān)系數(shù)絕對值都很大，說明遼寧省2000—2019年植被受氣候因子的影響都很大。結(jié)合圖5(b)可知，遼寧省植被受降水影響程度高于氣溫，其中NDVI變化受降水驅(qū)動的面積占總面積的68.02%，主要分布于遼西和遼南地區(qū)，遼西地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，且受蒙古高壓影響，干旱頻發(fā)，因此其生長對自然降水依賴性強，遼南植被類型屬于草原，對降水要求也較高。而NDVI受氣溫驅(qū)動的面積占31.98%，主要分布于遼中和遼東區(qū)域，該區(qū)域靠海，降水較多，水資源豐富，水分已經(jīng)滿足植被生長的要求，而且森林相比其他植被類型而言對氣溫要求較高[18]，充足的熱量資源對植被產(chǎn)生促進作用，因此氣溫驅(qū)動力大于降水。

圖5 2000—2019年遼寧省NDVI與降水、氣溫的最值相關(guān)系數(shù)及對應(yīng)驅(qū)動因素的空間分布

2.3 人類活動對遼寧省植被的影響及未來變化趨勢分析

為響應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)的號召，遼寧省在21世紀(jì)初開始積極實施退耕還林工程，并推出《遼寧省污染防治與生態(tài)建設(shè)和保護攻堅行動計劃(2017—2020年)》，成效顯著，人類活動對植被覆蓋演化影響意義重大，因此，本研究對NDVI進行殘差趨勢分析，使其影響程度得以量化。由圖6可知，近20 a遼寧省NDVI殘差均值呈上升趨勢，速率為0.003 3/a，其殘差值由負(fù)轉(zhuǎn)正，2007年前以消極作用為主，之后的大部分時間以積極作用為主，僅有2010年殘差值為負(fù)，說明在20 a間人類活動對遼寧省植被的影響由消極轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極，且人類活動的影響在逐漸加強。

圖6 2000—2019 年遼寧省 NDVI 殘差年際變化趨勢

由圖7可知，NDVI殘差趨勢系數(shù)為負(fù)的區(qū)域面積占總面積的12.48%，其中呈顯著下降的面積僅為3.66%，顯著下降區(qū)域集中分布于遼中沈陽等城市周邊，這些地區(qū)多屬于城鎮(zhèn)化水平比較高的區(qū)域，建設(shè)用地、交通用地等擠占了多數(shù)農(nóng)田、綠地，因此表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。NDVI殘差趨勢系數(shù)為正的區(qū)域面積占總面積的87.52%，顯著上升區(qū)域集中分布于遼西大片區(qū)域，并在遼東也有零星分布，這些區(qū)域遼寧省政府先后實施了很多生態(tài)建設(shè)工程，從而扭轉(zhuǎn)了當(dāng)?shù)亟邓?、干旱?yán)重等氣候方面的不足[29]。綜上所述，人類活動對遼寧省NDVI的積極影響大于消極影響，今后在保持成效的同時還應(yīng)加強生態(tài)工程建設(shè)，實現(xiàn)遼寧省可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

圖7 2000—2019年遼寧省 NDVI在人類變化影響下殘差變化趨勢及顯著性

趨勢系數(shù)可以用于反映在特定時間段內(nèi)NDVI的變化趨勢，R/S分析可以用于揭示未來的植被變化是否與過去變化趨勢保持一致，因此將趨勢變化圖和Hurst指數(shù)空間分布圖進行疊加，得到兩者耦合信息，可以達到合理預(yù)測未來植被變化趨勢的目的。參考前人研究成果[32]，將趨勢系數(shù)θslope=0作為植被改善和退化的標(biāo)準(zhǔn)，以Hurst指數(shù)H=0.5作為判斷NDVI變化是否繼續(xù)向同一方向變化的標(biāo)準(zhǔn)。θslope<0、H<0.5說明“由退化轉(zhuǎn)為改善”，即NDVI在過去一直為下降趨勢，但未來會有所改善；θslope>0、H<0.5說明“由改善轉(zhuǎn)為退化”，即NDVI在過去一直在增加，但將來會退化；θslope<0、H>0.5說明“持續(xù)退化”，即未來NDVI變化與過去的退化趨勢保持一致；θslope>0、H>0.5說明“持續(xù)改善”，即未來NDVI變化與過去的改善趨勢保持一致。由圖8(a)可以看出，遼寧省NDVI的H>0.5和H<0.5的面積分別占總面積的40.3%和59.70%，說明遼寧省NDVI未來變化的反持續(xù)性強于持續(xù)性。結(jié)合圖8(b)可知，在反持續(xù)變化中，退化面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改善面積，占到總面積的55.24%，其退化表現(xiàn)為分散于整個區(qū)域的空間分布狀況，說明在未來，我們更應(yīng)該繼續(xù)加強植被保育和退耕還林力度，盡量避免植被退化現(xiàn)象的出現(xiàn)。在持續(xù)性變化中，持續(xù)改善和持續(xù)退化的面積分別占總面積的33.71%和6.59%，這些區(qū)域植被類型多屬于林地，林地氣候調(diào)節(jié)功能較強，植被變化的持續(xù)性也相對較強。其中持續(xù)改善的區(qū)域主要集中于遼北、遼東，遼西省界周圍也有零星分布，可見這些地區(qū)實施的生態(tài)管理建設(shè)項目效果明顯。

圖8 遼寧省植被Hurst指數(shù)及未來變化趨勢

3 NDVI對大氣環(huán)流因子響應(yīng)分析

植被動態(tài)演變及成因分析一直是目前生態(tài)建設(shè)和全球變化延伸出來的熱點問題。在植被受氣候因素影響過程中，本文僅僅考慮了植被對水熱條件的響應(yīng)，但遼寧省植被演變的成因機制是非常復(fù)雜的，除受單一氣候因子變化影響外，還與極端氣候及大氣環(huán)流等因素有關(guān)[33-36]。通徑分析可估算某一因子對因變量的直接影響和間接影響，因此，選取太陽黑子相對數(shù)、SPEI指數(shù)及大氣環(huán)流指數(shù)，包括多變量ENSO指數(shù)(MEI)、太平洋濤動指數(shù)(PDO)、北極濤動指數(shù)(AO)和北大西洋濤動指數(shù)(NAO)，利用通徑分析量化了各因子對遼寧省植被的影響程度，結(jié)果表明(表1)，植被與太陽黑子相對數(shù)相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)達到-0.67，由上文分析可知水熱是影響植被生長的主要影響因子，而氣溫、降水等氣候因子的變化主要取決于太陽黑子活動，相關(guān)性強；其次為干旱指數(shù)，呈顯著正相關(guān)(R=0.58，P<0.05)，干旱強度過強會影響植被的生長代謝，對植被生長產(chǎn)生抑制作用；而其他環(huán)流因子與植被的相關(guān)系數(shù)大小依次為MEI、NAO、PDO、AO，雖然4個環(huán)流因子與NDVI的直接通徑系數(shù)都很小，但通過太陽活動的間接通徑系數(shù)都很大，說明太陽活動是影響植被生長的主要驅(qū)動因素。

表1 遼寧省植被與各影響因子的相關(guān)和通徑系數(shù)

綜上分析各因子與NDVI相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，太陽黑子相對數(shù)和大氣環(huán)流因子與NDVI指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，干旱與NDVI呈正相關(guān)，其中SPEI和太陽黑子相對數(shù)與NDVI的直接通徑系數(shù)分別達到0.64和-0.51，通過0.01和0.05顯著性檢驗，說明SPEI和太陽活動對NDVI的直接影響最大，而環(huán)流因子雖然直接作用小，但分析可知，大氣環(huán)流主要通過太陽黑子間接影響植被生長，因此，各因子之間也存在相互影響的情況，并共同作用于植被生長。

4 結(jié) 論

a.遼寧省年均NDVI以0.004/a的速率增長，總體植被狀況良好；2000—2019年遼寧省植被覆蓋呈輕微改善的范圍較大，主要位于遼東和遼西北部地區(qū)；植被退化面積占比小，主要分布于遼中沈陽市、遼陽市及沿海一帶，整體來看遼寧省生長季植被覆蓋情況好轉(zhuǎn)。

b.氣候因子變化是引起植被覆蓋度變化的重要驅(qū)動因子，整體而言，遼寧省植被對降水的響應(yīng)高于氣溫，受降水驅(qū)動的區(qū)域主要集中于遼西和遼南地區(qū)，受氣溫驅(qū)動的區(qū)域主要分布于遼中和遼東。

c.從殘差變化趨勢圖可以看出20 a間人類活動對遼寧省植被的影響由消極轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極，且人類活動的影響在逐漸加強；從Hurst指數(shù)可以看出遼寧省NDVI未來變化的反持續(xù)性強于持續(xù)性。在持續(xù)性變化中，持續(xù)改善的區(qū)域主要集中于遼北、遼東，遼西省界周圍也有零星分布；在反持續(xù)變化中，遼寧省植被未來退化面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改善面積，退化區(qū)域分散于整個遼寧省。