李夢(mèng)華 ，韓穎娟 *，趙慧 ，王云霞

1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈之間起著紐帶作用（Meyer et al.，1992；Arora，2002；Suzuki et al.，2007；陳效逑等，2009），也在水土保持、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)、環(huán)境改善以及維持全球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及能量循環(huán)中發(fā)揮著不可替代的作用（Núnez et al.，2006；呂一河等，2015；韓春等，2019）。植被覆蓋度是單位面積內(nèi)植物地上部分在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)總面積的比值（Gitelson et al.，2002），是反映地表植被群落生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的重要指標(biāo)和描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（趙明偉等，2019）。掌握植被覆蓋度的時(shí)空變化規(guī)律并探討其變化驅(qū)動(dòng)力，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和維護(hù)生態(tài)平衡具有重要意義（祝聰?shù)龋?019）。

目前，獲取植被覆蓋度主要方法有地面測(cè)量法和遙感測(cè)量法（陳云浩等，2001；秦偉等 2006）。地面測(cè)量法能夠獲取觀測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但空間代表性有限，用于大范圍觀測(cè)時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力（馬娜等，2012；龐國(guó)偉等，2019；劉瑞瑤等，2022）。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，研究者以植被光譜信息與地面測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，發(fā)展出了一系列遙感測(cè)量法，包括回歸模型法、混合像元分解模型法和機(jī)器學(xué)習(xí)法（葉靜蕓，2017；趙燕紅等，2021）。目前，遙感手段可以十分方便、快速和準(zhǔn)確地提取植被覆蓋信息及其動(dòng)態(tài)變化，已成為長(zhǎng)時(shí)間尺度和大空間范圍監(jiān)測(cè)地表植被覆蓋信息時(shí)空分布和變化格局的主要手段（張喜旺等，2015）。

寧夏地處干旱半干旱地區(qū)，大部分地區(qū)干旱少雨，植被稀少，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。因此，在全球氣候變化和人類活動(dòng)日益加劇的雙重背景下，探討寧夏植被覆蓋度的時(shí)空變化特征，定量評(píng)估氣候、地形地貌和人類活動(dòng)等多方面因素對(duì)寧夏植被的影響，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)寧夏生態(tài)治理工程效益和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及其可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)寧夏植被進(jìn)行了研究，如裴志方等（2018）研究得出2000—2016年寧夏植被覆蓋整體向良好方向發(fā)展，呈現(xiàn)極低植被→低植被→中植被→高植被覆蓋轉(zhuǎn)移趨勢(shì)；沙文生等（2020）基于TM遙感影像分析了2002—2016年寧夏草地植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)寧夏地區(qū)草地覆蓋度呈升高趨勢(shì)；張?jiān)獥澋龋?017）采用相關(guān)系數(shù)法探討了寧夏植被對(duì)降水的響應(yīng)，認(rèn)為植被生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）平均值與降水的相關(guān)系數(shù)呈線性增加趨勢(shì)；黃悅悅等（2019）從季節(jié)尺度上分析了植被NDVI與氣象因子的關(guān)系，研究得出降水量和濕潤(rùn)指數(shù)是影響植被生長(zhǎng)的主要因素；吳加敏等（2020）采用偏相關(guān)分析法，發(fā)現(xiàn)寧夏沿黃城市帶植被覆蓋度變化與氣溫具有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，與降水具有較強(qiáng)的正相關(guān)性；趙慧等（2021）研究發(fā)現(xiàn)NDVI與春季、夏季、年降水量相關(guān)性較顯著，與平均氣溫相關(guān)性較弱。關(guān)于寧夏植被覆蓋度變化的大多數(shù)研究主要集中于時(shí)空變化規(guī)律及其與降水、氣溫等自然因子的簡(jiǎn)單相關(guān)性分析，忽略了其他氣候因素、地形地貌以及人類活動(dòng)等因子對(duì)植被覆蓋度的影響，且對(duì)于影響因素之間的協(xié)同作用研究較少。

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性的方法，能有效探測(cè)其潛在影響因子，可以識(shí)別植被覆蓋度空間分異的主要影響因子，并揭示不同因子之間的交互作用，可用于植被覆蓋度影響因子的探測(cè)分析（張翀等，2021）。因此，基于MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)，研究寧夏 2000—2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征，運(yùn)用地理探測(cè)器模型定量評(píng)估氣候、地形地貌和人類活動(dòng)等多因素對(duì)寧夏植被覆蓋度空間分異的驅(qū)動(dòng)作用，并研究不同因子之間的交互作用對(duì)其時(shí)空變化的影響，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與建設(shè)提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏地處中國(guó)西北內(nèi)陸黃河上游地區(qū)，位于104°17′—109°39′E、35°14′—39°23′N。地形復(fù)雜，地勢(shì)南高北低。氣候類型多樣，自北向南分布有干旱、半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)，年降水量在 175—650 mm 之間，平均氣溫在1.5—9.9 ℃之間。植被類型豐富，自然植被自南端森林草原帶，向北依次過(guò)渡為干草原帶、荒漠草原帶和荒漠植被帶。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 因子選擇

寧夏地形復(fù)雜，氣候、植被類型差異明顯，20世紀(jì) 90年代中后期開始實(shí)施了一系列的生態(tài)治理工程，明顯地改變了區(qū)域植被的分布格局與類型（杜靈通等，2015）。已有研究表明，坡度、海拔等地形地貌因子對(duì)植被覆蓋影響顯著（張思源等，2020；孟琪等，2021），年均溫、年降水量、生長(zhǎng)季均溫、生長(zhǎng)季降水、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)等影響水熱條件的氣候因子，是影響植被生長(zhǎng)的重要因素（王倩等，2015；吳躍等，2020；高思琦等，2022）；人口密度、GDP、土地利用等人類活動(dòng)因子同樣具有一定的解釋力（王靜等，2020；張翀，2021）。綜合考慮區(qū)域代表性、系統(tǒng)性與科學(xué)性，選取氣候因素、地形地貌因素和人類活動(dòng)因素共12個(gè)因子對(duì)寧夏植被覆蓋度空間分布的影響進(jìn)行探測(cè)（表1）。

表1 寧夏植被覆蓋度影響因子Table 1 Influencing factors of fractional vegetation cover in Ningxia

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文采用的數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理方法如表 2所示。在運(yùn)行地理探測(cè)器模型時(shí)，需對(duì)各因子進(jìn)行離散化處理，其中土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)一級(jí)類別，進(jìn)行離散化處理；其他因子均采用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法進(jìn)行離散化處理。通過(guò) ArcGIS的隨機(jī)選點(diǎn)功能選取1000個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，提取植被覆蓋度及其對(duì)應(yīng)的探測(cè)因子數(shù)據(jù)，以植被覆蓋度為變量，12個(gè)因子數(shù)據(jù)為變量進(jìn)行探測(cè)。

表2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理Table 2 Data source and data preprocessing

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

本研究基于像元二分模型對(duì)研究區(qū)植被覆蓋度（FVC）進(jìn)行計(jì)算（吳躍等，2020），利用 MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)估算植被覆蓋度的公式如下：

式中：

和——區(qū)域內(nèi) NDVI的最大和最小值。的取值范圍為0—1，本文采用等間距分類法（聶桐等，2021），將FVC分為低植被覆蓋區(qū)、中低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)、中高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)5類。

2.3.2 趨勢(shì)分析法

基于一元線性回歸模型對(duì) 2000—2020年間寧夏逐年植被覆蓋度變化進(jìn)行逐像元趨勢(shì)分析（王偉等，2019），計(jì)算公式為：

式中：

——植被覆蓋度變化趨勢(shì)斜率；

——研究時(shí)段的年數(shù)；

——第年的FVC值。當(dāng)為正值時(shí)，植被覆蓋度呈增大趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)。

2.3.3 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是由王勁峰等（2017）提出的通過(guò)探測(cè)事件空間分層異質(zhì)性以揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，常用于空間分層異質(zhì)性的影響因素與作用機(jī)制的研究。地理探測(cè)器主要包括因子探測(cè)器、交互作用探測(cè)器、風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器和生態(tài)探測(cè)器4個(gè)模塊。本文主要應(yīng)用地理探測(cè)器的因子探測(cè)器及交互作用探測(cè)器模塊。

（1）因子探測(cè)器主要用來(lái)探測(cè)植被覆蓋度的空間分層異質(zhì)性和不同因子對(duì)植被覆蓋度空間分異性的解釋程度，其解釋力大小用值衡量，根據(jù)值大小可看出各因子對(duì)植被覆蓋度影響的大小，能夠直觀判斷植被覆蓋度的主導(dǎo)因子。值表達(dá)式為：

式中：

值——各因子對(duì)植被覆蓋度的解釋力，值域?yàn)閇0, 1]，值越大表明空間分層異質(zhì)性越強(qiáng)，因子對(duì)植被覆蓋度的解釋力也越強(qiáng)，地理探測(cè)器軟件在生成值的同時(shí)會(huì)對(duì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；

——自變量的分層，=1, 2, …,；

N和——層和全區(qū)的單元數(shù)；

——總體的方差；

——層內(nèi)方差之和；

——區(qū)域總方差。

（2）交互作用探測(cè)器主要用于識(shí)別不同因子兩兩交互作用對(duì)植被覆蓋度的影響。通過(guò)對(duì)比單因子值及交互作用值即可判斷因子間交互影響類型，交互作用判據(jù)如表3所示。

表3 植被覆蓋度影響因子交互作用類型Table 3 Interaction types of influencing factors of fractional vegetation cover

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

3.1.1 植被覆蓋度時(shí)間變化特征

通過(guò)分析 2000—2020年寧夏植被覆蓋度變化趨勢(shì)、逐年均值及各等級(jí)植被覆蓋度面積占比可知，2000—2020年寧夏植被覆蓋度變化趨勢(shì)斜率（）在-0.056—0.048之間，其中 81.79%地區(qū)＞0（通過(guò) 0.05顯著性檢驗(yàn)），植被覆蓋度呈增大趨勢(shì)（圖1）；2000—2020年寧夏植被覆蓋度平均值亦呈增大趨勢(shì)，其中 2018年平均植被覆蓋度最大，達(dá)0.49；低植被覆蓋區(qū)面積占比出現(xiàn)極顯著減少，2020年減少至7%；中低植被覆蓋區(qū)面積占比略有減少；中、中高、高植被覆蓋區(qū)面積占比呈增加趨勢(shì)，分別由 2000年的 10%、6%、1%增加至 2020年的22%、23%、8%（圖2）。

圖1 2000—2020年寧夏植被覆蓋度變化趨勢(shì)空間分布Figure 1 Spatial distribution of change trend of FVC in Ningxia from 2000 to 2020

圖2 2000—2020年寧夏植被覆蓋度變化Figure 2 Changes of fractional vegetation cover (FVC) in Ningxia from 2000 to 2020

3.1.2 植被覆蓋度空間分布特征

從2000—2020年（間隔10 a及多年平均）寧夏植被覆蓋度空間分布圖中可知（圖3），植被覆蓋度高值區(qū)主要位于沿黃灌區(qū)和南部山區(qū)，中部干旱帶植被覆蓋度較小。2000年植被覆蓋度最低，低、中低植被覆蓋區(qū)面積占比較高；2010年中低、中植被覆蓋區(qū)面積占比顯著增加，主要表現(xiàn)為中部干旱帶中低及中植被覆蓋區(qū)增加，南部山區(qū)中植被覆蓋區(qū)增加；2020年植被覆蓋度最高，中部干旱帶中植被覆蓋區(qū)面積占比進(jìn)一步增加，南部山區(qū)中高植被覆蓋區(qū)明顯增加。

圖3 2000—2020年寧夏植被覆蓋度分布Figure 3 Distribution of fractional vegetation cover in Ningxia from 2000 to 2020

3.2 探測(cè)因子影響力分析

3.2.1 植被覆蓋度探測(cè)因子影響力

利用因子探測(cè)器分別探測(cè)2000、2005、2010、2015和2020年12個(gè)探測(cè)因子對(duì)寧夏植被覆蓋度分布的影響。圖4所示為5個(gè)年份植被覆蓋度空間分析解釋力值指標(biāo)，結(jié)果表明，整體上氣候因素作用大于人類活動(dòng)因素，地形地貌因素中海拔的影響較大，坡度的影響較小；從因子影響力排序來(lái)看，對(duì)植被覆蓋度影響較大的因子為年降水量、生長(zhǎng)季均溫、生長(zhǎng)季降水量和海拔。

圖4 2000—2020年探測(cè)因子q值變化Figure 4 Variation of q value of detection factors in 2000-2020

3.2.2 植被覆蓋度探測(cè)因子時(shí)間變化

2000—2020年年降水量、生長(zhǎng)季降水量、生長(zhǎng)季均溫、最高氣溫對(duì)植被覆蓋度空間分異的影響力呈增加趨勢(shì)，增幅分別為47.92%、56.73%、39.69%和88.36%；海拔的影響力不斷減弱；坡度和土地利用影響力無(wú)明顯變化?？傮w上，氣候因素對(duì)寧夏植被覆蓋度的影響越來(lái)越大，而地形地貌因素的影響減弱。

3.3 探測(cè)因子交互作用分析

利用交互探測(cè)器探測(cè)驅(qū)動(dòng)因子之間影響植被覆蓋度變化的相互關(guān)系（表4），研究發(fā)現(xiàn)，（1）地形地貌因子中，坡度與其他因子存在非線性增強(qiáng)作用；海拔與人口密度存在非線性增強(qiáng)作用，與其他因子存在雙因子增強(qiáng)作用。（2）人類活動(dòng)因子中，GDP與其他因子存在雙因子增強(qiáng)作用；人口密度與土地利用、日照時(shí)數(shù)存在非線性增強(qiáng)作用，與其他因子存在雙因子增強(qiáng)作用；土地利用與最低氣溫、生長(zhǎng)季降水量存在雙因子增強(qiáng)作用，與其他因子存在非線性增強(qiáng)作用。（3）氣象因子中，氣象因子之間交互作用呈現(xiàn)相互增強(qiáng)作用。

表4 因子交互作用探測(cè)Table 4 Factor interaction detection

各因子對(duì)寧夏植被覆蓋度影響存在交互作用，因子之間交互作用呈現(xiàn)相互增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)關(guān)系，不存在相互獨(dú)立起作用的因子。其中，土地利用與生長(zhǎng)季均溫結(jié)合對(duì)寧夏植被覆蓋度空間分布的影響力最大（=0.635）。地形地貌因子和人類活動(dòng)因子在與氣候因素相互作用之后，影響力有了很大幅度的提升。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化

寧夏位于中國(guó)西北地區(qū)東部，地處黃河上游地區(qū)及沙漠與黃土高原的交界地帶，地形復(fù)雜，氣象、地形地貌和人類活動(dòng)等因素共同作用，對(duì)區(qū)域內(nèi)植被覆蓋產(chǎn)生重要的影響。從時(shí)空變化來(lái)看，2000—2020年寧夏植被覆蓋度呈增加趨勢(shì)，中、中高植被區(qū)面積占比顯著增加；隨著城市擴(kuò)張，2000—2020年有 1.91%地區(qū)植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)；在空間上，寧夏南北區(qū)域植被覆蓋高、中部較低。隨著氣候暖濕化和退耕還林、退牧還草、“三北”防護(hù)林、農(nóng)田防護(hù)林、草原防護(hù)林、天然林保護(hù)工程等一系列生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施，明顯改善了區(qū)域植被覆蓋情況（杜靈通等，2015；裴志方等，2018）。中部干旱帶受降水等影響，植被覆蓋度較低，需要繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)工程建設(shè)；同時(shí)利用有利天氣條件，及時(shí)開展人工增雨作業(yè)，為植被生長(zhǎng)提供水分條件。

4.1.2 植被覆蓋度的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

2000—2020年間，各年份探測(cè)出氣候因素均為主導(dǎo)因素，其中年降水量、生長(zhǎng)季均溫、生長(zhǎng)季降水量解釋力均排名靠前，由此可見(jiàn)，降水是寧夏植被覆蓋度空間分異的主要驅(qū)動(dòng)力，這與前人的研究結(jié)果一致（黃悅悅等，2019；吳加敏等，2020；趙慧等，2021）。但各驅(qū)動(dòng)因子值在時(shí)間維度上發(fā)生了較大變化，氣候因素對(duì)寧夏植被覆蓋度的影響越來(lái)越大，而地形地貌因素的影響減弱。其中氣候因素中年降水量、生長(zhǎng)季降水量、生長(zhǎng)季均溫、最高氣溫對(duì)植被覆蓋度空間分異的影響力明顯呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)閷幭奶幱诟珊蛋敫珊祬^(qū)域，植被生長(zhǎng)受氣候因素限制，暖濕化有利于植被生長(zhǎng)（葉培龍等，2020）。而隨著生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施，森林草原景觀格局趨于穩(wěn)定，植被群落也相對(duì)穩(wěn)定，海拔對(duì)植被覆蓋空間分異影響力減弱。

4.1.3 不足與展望

本文對(duì)寧夏植被覆蓋度空間分布的影響因素進(jìn)行了探究，從氣候因素、地形地貌因素及人類活動(dòng)因素選取了多種影響因子來(lái)分析其對(duì)植被覆蓋度空間分布的影響作用。選擇的影響因子數(shù)量較少，特別是人類活動(dòng)因素只選取了GDP、人口密度、土地利用3個(gè)因子，但人類活動(dòng)對(duì)于植被覆蓋的影響十分復(fù)雜，特別是隨著生態(tài)建設(shè)及城市化的不斷發(fā)展，如生態(tài)措施、人口遷移、農(nóng)業(yè)政策等均會(huì)對(duì)植被覆蓋造成一定影響。在接下來(lái)的研究中可以選取更多的影響因子，進(jìn)一步深入探討寧夏植被覆蓋度變化的驅(qū)動(dòng)因素。

4.2 結(jié)論

本研究利用MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，基于趨勢(shì)分析法和地理探測(cè)器模型，分析了寧夏植被覆蓋度時(shí)空變化特征及其影響因子的驅(qū)動(dòng)作用。研究結(jié)論如下：

（1）21年來(lái)，寧夏植被覆蓋度呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，低、中低植被覆蓋區(qū)面積占比減少，中、中高、高植被覆蓋區(qū)面積占比呈增加趨勢(shì)，植被覆蓋狀況整體呈現(xiàn)明顯的改善趨勢(shì)；在空間分布上，研究區(qū)植被覆蓋總體呈現(xiàn)出南北高、中部低的特征。

（2）寧夏植被覆蓋度的空間分布由多種因素共同作用，氣候因素作用大于人類活動(dòng)因素，地形地貌因素中海拔的影響較大、坡度的影響較??；其中年降水量、生長(zhǎng)季均溫、生長(zhǎng)季降水量和海拔對(duì)植被覆蓋度空間分布的影響最大，表明氣候因素是影響寧夏植被覆蓋度的主導(dǎo)因素。

（3）各因子對(duì)寧夏植被覆蓋度空間分布的影響存在交互作用，因子之間交互作用呈現(xiàn)相互增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)關(guān)系，交互解釋力最強(qiáng)的是土地利用與生長(zhǎng)季均溫。