任立清

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

植被覆蓋變化能夠反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化［1］，研究植被覆蓋變化及其驅(qū)動力對于區(qū)域的生態(tài)保護具有重要意義。歸一化植被指數(shù)（NDVI）能夠真實地反映區(qū)域地表植被覆蓋狀況［2］，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被變化研究。劉春靜等［3］以中國新疆及中亞五國為例，研究了大陸干旱性氣候區(qū)植被覆蓋度變化特征；劉憲鋒等［4］認為西北地區(qū)植被變化與氣溫和降水量均呈弱的正相關(guān)性；董璐等［5］研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)植被NDVI 對氣溫變化的響應(yīng)逐漸降低；杜加強等［6］發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)植被變化在春、秋季受氣溫影響，夏季主要受降水量的影響；孫天瑤等［7］發(fā)現(xiàn)塔里木河流域植被NDVI與降水量的相關(guān)性更明顯；龐冉等［8］認為水分條件是吐魯番盆地大部分地區(qū)植被生長的主要限制因素。以上研究大多僅研究了氣候因素對植被覆蓋變化的影響，但實際上植被NDVI 還受土壤類型、植被類型、地形等自然因素［9］和土地利用類型等人為因素［10］影響，并且運用的相關(guān)分析方法無法定量反映出因子的空間異質(zhì)性，而王勁峰等［11］提出的地理探測器模型可以探測空間分異性并揭示其驅(qū)動力，目前已有學(xué)者將地理探測器應(yīng)用于植被覆蓋影響因子的研究中。彭文甫等［12］對四川植被的研究發(fā)現(xiàn)自然因子對植被NDVI的影響存在交互作用；裴志林等［13］發(fā)現(xiàn)黃河上游地區(qū)影響力氣候類自然因子>非氣候類自然因子>人為因子；祝聰?shù)龋?4］研究發(fā)現(xiàn)岷江上游植被覆蓋主要受海拔、氣溫、土壤類型、降水4 個因子的影響；陶帥等［15］發(fā)現(xiàn)宜賓市自然因素與人類活動共同作用對植被NDVI影響更加明顯；張翀等［16］運用地理探測器探測影響黃土高原植被覆蓋變化的人為主導(dǎo)因子。

艾比湖流域地處新疆西北地區(qū)，地形復(fù)雜，流域生態(tài)環(huán)境退化嚴重，且生態(tài)環(huán)境空間分異性明顯［17］。已有學(xué)者利用艾比湖流域的氣候［18-20］、高程［21］對植被NDVI 的影響做了研究，但缺乏對其他自然因子及人類活動因子的研究，且大多數(shù)運用的相關(guān)分析法，無法揭示艾比湖流域復(fù)雜的空間分異性并定量研究植被NDVI 變化的驅(qū)動因子，因此本文運用一元線性回歸分析法分析2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 時空變化特征，運用地理探測器模型研究艾比湖流域植被的空間分異性，并探究植被NDVI變化的自然和人為驅(qū)動因子及交互作用，為艾比湖流域生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆西北部，地理位置介于79°53′～83°53′E，44°02′～45°23′N之間，包括博樂市、精河縣、溫泉縣和阿拉山口市，面積2.5×104km2，博爾塔拉河、精河和奎屯河為三大主要支流（圖1）。艾比湖流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍邓可?、蒸發(fā)量大，年均氣溫5.6 ℃，年降水量181 mm，年均潛在蒸發(fā)量1500～2000 mm［22］。艾比湖是區(qū)域內(nèi)最大的湖泊，也是新疆第一大鹽水湖，由于自然和人為因素的共同影響，艾比湖面積正逐漸萎縮，蓄水量減少，流域趨于干旱化［23］。區(qū)域內(nèi)地貌類型多樣，大部分為平原，主要的植被類型為荒漠、草原和草甸，土壤類型以鈣層土、高山土和漠土為主，土地利用主要為草地和未利用土地。艾比湖流域是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境脆弱，對氣候變化和人類活動的響應(yīng)較為敏感［24］。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究采用艾比湖流域植被NDVI、數(shù)字高程模型（DEM）、氣候、土壤類型、地貌類型、植被類型、土地利用類型等數(shù)據(jù)。2000—2020年植被NDVI數(shù)據(jù)基于逐日植被NDVI 圖像最大值法合成16 d 植被NDVI，其空間分辨率為1 km（https://ladsweb.nascom.nasa.gov/）；年均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)采用裕民、阿拉山口、博樂、托里、克拉瑪依、溫泉、精河、烏蘇、炮臺、沙灣10 個氣象站點2000—2020 年的實測逐月氣象數(shù)據(jù)，采用反距離權(quán)重插值方法進行空間插值；土壤類型、植被類型、地貌類型、土地利用類型數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）；DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地 理 空 間 數(shù) 據(jù) 云（http://www.gscloud.cn/），使 用GDEMV2 30 m的分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，高程、坡度、坡向由DEM 數(shù)據(jù)計算獲取。以上數(shù)據(jù)均按照艾比湖流域矢量邊界掩膜提取，通過重采樣處理，與1 km的植被NDVI數(shù)據(jù)像元大小保持一致。

2.2 研究方法

2.2.1植被NDVI 最大值合成 最大值合成法是目前應(yīng)用最廣泛的植被NDVI 合成方法，為去除大氣等影響，選擇一定時間范圍內(nèi)的植被NDVI 最大值作為該時間范圍的植被NDVI值。本研究通過逐日植被NDVI圖像最大值合成獲得年植被NDVI圖像，年植被NDVI均值為年植被NDVI圖像中植被NDVI的均值。

2.2.2植被NDVI等級劃分 使用2000、2005、2010、2015、2020年MODIS植被NDVI數(shù)據(jù)，根據(jù)植被NDVI高低，按照等間距方法［25］將植被NDVI值劃分為5個等級，分別為低（0.0～0.2）、中低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、中高（0.6～0.8）和高（0.8～1.0）。

2.2.3植被NDVI 變化趨勢分析 一元線性趨勢分析法通過線性回歸分析變量的變化趨勢［26］。利用ArcGIS 的柵格計算器對2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 進行一元線性回歸，來研究艾比湖流域植被NDVI 在2000—2020 年的變化趨勢，按自然間斷點法將變化趨勢分為7 類：嚴重退化、中度退化、輕度退化、基本不變、輕度提高、中度提高、顯著提高。趨勢斜率公式［27］為：

式中：n為研究累計年數(shù)（本研究中n=21），其中i=1,2,…,n；NDVIi為第i年的植被NDVI 值。Slope 為趨勢線斜率，若Slope>0，則植被覆蓋呈增加趨勢；若Slope<0，則植被覆蓋呈下降趨勢；Slope=0，則植被覆蓋無明顯變化。

2.2.4信息提取 利用ArcGIS 創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，生成全區(qū)范圍內(nèi)7 km×7 km 格網(wǎng)，共499 個中心點作為采樣點，提取空間上對應(yīng)的X和Y屬性值，最后代入地理探測器處理。

2.2.5探測因子分級 本研究根據(jù)艾比湖流域的典型性，選取坡度、坡向、高程、土壤類型、植被類型、地貌類型、年均氣溫、年降水量、土地利用類型9 個因子分析艾比湖流域植被NDVI 變化的驅(qū)動因子。利用自然斷點法［28］將土壤類型劃分為12 類，將坡向、高程、年均氣溫、年降水量劃分為9類，將植被類型劃分為8類，地貌類型和坡度劃分7類，土地利用類型劃分為6類（圖2）。

圖2 探測因子分類圖Fig.2 Classifications of the detection factors

2.2.6地理探測器模型 地理探測器是探測空間分異性及其驅(qū)動因素的方法，包括4個探測器［11］。

（1）因子探測：探測植被NDVI 的空間分異性，用q值表示因子對植被NDVI 的影響力，q值越大表示因子對植被NDVI 的影響力越大，反之則越小。本研究中自變量X為因子Xs（s=1,2,…,9），因變量Y為植被NDVI，見表1。

表1 探測因子Tab.1 Detection factors

（2）交互作用探測：探測不同探測因子間的交互作用，評估方法見表2。

表2 探測因子交互作用類型Tab.2 Interaction types of the detection factors

（3）風(fēng)險區(qū)探測：用于判斷植被NDVI驅(qū)動因子適宜的范圍（類別）。

（4）生態(tài)探測：判斷探測因子對植被NDVI變化的影響力大小。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NDVI時空變化

2000—2020年艾比湖流域植被NDVI的年際變化具有增加的趨勢，增長速率為0.035·(10a)-1（圖3）。植被NDVI最大值出現(xiàn)在2016年，達到0.42，最小值出現(xiàn)在2000 年為0.32，研究區(qū)植被NDVI 多年均值為0.37。多年植被NDVI 變化在平均值周圍波動，向植被覆蓋增加的方向變化。將艾比湖地區(qū)植被NDVI劃分為5個等級并統(tǒng)計面積。結(jié)果顯示：植被NDVI 在0.0～0.2 范圍內(nèi)隨時間變化面積由2000年的10187.80 km2（面積占比為41.0%）降低至2020年的7067.91 km2（28.5%）；植被NDVI 處于0.2～0.4之間多年面積平均為6355.89 km2（26%）左右；植被NDVI 在0.4～0.6 范圍的面積由2000 年的4532.56 km2（18.3%）增長至2020 年的5266.52 km2（21.2%）；植被NDVI 在0.6～0.8 范圍的面積均大于3700 km2（15.0%），植被NDVI 大于0.8～1.0 的面積占比由2000 年 的375.44 km2（1.5%）上 升 至2020 年 的1961.88 km2（7.9%）。

圖3 2000—2020年艾比湖植被NDVI年際變化Fig.3 Annual changes of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

2000—2020 年艾比湖植被呈現(xiàn)出中部高四周低的空間分布特征（圖4）。植被NDVI 的高值區(qū)域主要集中在艾比湖中部區(qū)域以及西北部，該地區(qū)植被類型以草甸、栽培植被為主；植被NDVI的低值區(qū)域分布在東北部地區(qū)，植被類型多為荒漠。整體來看，艾比湖植被NDVI整體呈現(xiàn)改善的趨勢，改善區(qū)域主要分布在中部和西部地區(qū)。由圖5所示，顯著提高地區(qū)主要位于艾比湖中部，輕度退化區(qū)域主要位于艾比湖四周邊緣。但在艾比湖中部中心位置，仍有植被嚴重退化區(qū)域，可能與土地利用變化有關(guān)。

圖4 2000—2020年艾比湖植被NDVI空間變化Fig.4 Spatial changes of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

圖5 2000—2020年艾比湖植被NDVI空間變化趨勢Fig.5 Change trend of vegetation NDVI in Ebinur Lake during 2000—2020

3.2 植被NDVI影響因素分析

3.2.1因子探測分析 通過因子探測部分來衡量各自然、人文因子對植被NDVI的影響強度，q值越大，說明該因子對植被影響力越大。探測結(jié)果如圖6所示，各因子對植被NDVI的影響力排序為：土地利用類型（0.463）>植被類型（0.341）>土壤類型（0.274）>高程（0.139）>年降水量（0.089）>地貌類型（0.079）>年均氣溫（0.075）>坡度（0.026）>坡向（0.010）。土地利用類型、植被類型、土壤類型是主要影響因子，解釋力均超過25%，表明土地利用類型因素對艾比湖植被空間分布有較大影響。高程是次級影響因子，解釋力在10%以上；地貌類型、年均氣溫對艾比湖植被影響較小，與坡度、坡向因子相同，對植被分布存在間接影響。同時研究區(qū)內(nèi)降水較少，空間差異不明顯，對植被的空間分布直接影響較小。

圖6 因子探測結(jié)果Fig.6 Results of factor detector

3.2.2因子交互作用分析 交互探測結(jié)果表明（表3），雙因子交互作用對艾比湖植被NDVI 空間分布的影響力大于單因子作用，因子交互作用呈現(xiàn)非線性增強或雙因子增強效應(yīng)，不存在相互獨立起作用的因子。

由表3可知，土地利用類型與除土壤類型、植被類型外各因子之間呈現(xiàn)非線性增強效應(yīng)，顯著增強了土地利用類型對植被NDVI 空間分布的影響；植被類型與高程、土壤類型、地貌類型和土地利用類型之間的交互作用增強了二者對植被NDVI空間分布的影響，即存在雙因子增強關(guān)系。土壤類型與坡度、坡向、年均氣溫和年降水量的交互作用進一步說明土壤類型較大程度影響植被NDVI分布；坡度、坡向雖然對植被的直接影響較小，但是與其他因子之間的疊加效應(yīng)大大增強了單一因子對植被的影響。

表3 各因子交互作用Tab.3 Interaction of each factor

3.2.3因子顯著性差異分析 生態(tài)探測反映各因子對植被NDVI 的影響是否顯著，每2 種因子對植被NDVI 的影響是否有顯著差異。當2 種因子對植被NDVI的影響有顯著差異則標記為“Y”，否則標記為“N”（表4）。結(jié)果表明：土地利用類型與其他因子之間對植被NDVI 空間分布的影響均有顯著性差異，因子探測結(jié)果顯示，土地利用類型為植被NDVI 變化的主導(dǎo)因子，生態(tài)探測結(jié)果則進一步說明土地利用類型對植被NDVI的影響較大；植被類型與坡度、坡向和高程對植被空間分布有顯著性差異，土壤類型與植被類型之間對植被空間分布無顯著性差異，與其他因子對植被空間分布存在顯著差異，說明土壤類型與植被類型對植被NDVI影響程度相似且影響力較大；地貌類型、年均氣溫、年降水量均與土地利用類型、土壤類型、植被類型有顯著差異，坡度、坡向與高程、土地利用類型、土壤類型、植被類型有顯著差異，進一步說明這幾類因子對植被空間分布影響較小。

表4 生態(tài)探測結(jié)果Tab.4 Results of ecological detection

3.2.4因子適宜性分析 根據(jù)風(fēng)險探測結(jié)果，表示出各因子適應(yīng)范圍（類別）（表5）。25°～35°的坡度范圍、157.5°～202.5°的坡向、2177～2558 m 的高程范圍內(nèi)植被NDVI 均值最大，說明在上述地形因子范圍內(nèi)植被覆蓋較好；人為土的土壤類型、栽培植被、中起伏山地以及耕地的植被NDVI 值最大，植被生長狀況好；4.74～5.25 ℃的年均氣溫、228～245 mm 的年降水量范圍內(nèi)植被NDVI 值最大，說明在以上氣候因子范圍內(nèi)植被覆蓋度高。以上因子范圍（類別）有利于艾比湖流域植被生長。

表5 各因子適應(yīng)范圍（類別）Tab.5 Suitable ranges or types of each factor

根據(jù)因子風(fēng)險探測結(jié)果，選擇超過20%的因子進行詳細分析。將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用土地6類（表6），植被NDVI 均值在耕地和林地均達到0.5 以上。統(tǒng)計檢驗表明，耕地植被NDVI 均值達到最大值0.73，耕地與林地、城鄉(xiāng)工礦居民用地?zé)o顯著差異，與其他區(qū)存在顯著性差異。這說明耕地的植被生長較好，即在研究區(qū)內(nèi)耕地類型較適合植被生長。艾比湖流域生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響較大，耕地面積在不斷增加。由圖2土地利用類型空間分布所示，耕地集中于艾比湖流域中部位置，與2020年植被NDVI空間分布0.8～1.0范圍大體重疊。林地分布較為分散，自然保護區(qū)的建立對流域內(nèi)植被資源及生長起到保護和緩解作用。其中，草地面積在艾比湖流域占比最大，草甸、草原對于維持流域內(nèi)植被生長也具有重要的作用。

表6 不同土地利用類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.6 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different land use types

將植被類型劃分為其他、針葉林、灌叢、荒漠、草原、草甸、高山植被、栽培植被8類（表7），栽培植被NDVI 均值達到最大值0.71，栽培植被與灌叢無顯著差異，與其他區(qū)存在顯著性差異。植被NDVI均值在針葉林、灌叢、草甸和栽培植被達到0.5 以上，這4 類植被類型區(qū)域的植被NDVI 均值較大，植被生長較好。

表7 不同植被類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.7 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different vegetation types

將土壤類型按照“土壤發(fā)生分類”系統(tǒng)的土綱劃分為半淋溶土、鈣層土、干旱土、漠土、初育土、半水成土、水成土、鹽堿土、人為土、高山土、湖泊水庫、冰川雪被12類（表8），人為土植被NDVI 均值達到最大值0.76，人為土與半水成土無顯著差異，與其他分區(qū)存在顯著性差異。植被NDVI均值在半淋溶土、半水成土、人為土這3 類土壤類型中植被NDVI均值達到0.5以上，這4類土壤類型區(qū)域植被生長較好。半淋溶土主要分布在流域山地地區(qū)，半水成土以及人為土主要分布在流域平原地區(qū)（圖2）。半淋溶土具有較強的保肥能力，在山地區(qū)域保存少數(shù)的森林，為植被提供較好的發(fā)育條件。半水成土自然肥力較高，為植被生長提供部分水分來源。人為土是在人為影響下，土壤發(fā)生深刻變化，主要分布于河流附近，艾比湖流域人為土類型主要為灌漠土，人為灌溉和施肥輪作使漠土轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄粒c栽培植被類似，都是在人為影響下種植作物等，在人為因素控制下，為植被生長提供有利生長條件。

表8 不同土壤類型中植被NDVI均值及顯著性差異Tab.8 Mean values of vegetation NDVI and its significant difference in different soil types

4 討論

艾比湖流域自東南向西北高程加深，以平原地形為主，地勢平坦，山地地形主要分布在流域內(nèi)的北、西、南3 個邊緣。統(tǒng)計檢驗表明，高程在2177 m以下的區(qū)域植被NDVI 值隨高程升高而增大，2558 m以上區(qū)域植被NDVI值隨高程升高而減小，高海拔地區(qū)自然條件較差，植被覆蓋較少，低海拔地區(qū)放牧較多，受人類活動影響較大，高程在2177～2558 m范圍內(nèi)，植被NDVI達到最大值，該范圍內(nèi)水熱條件較好，適于植被生長，這符合鄧煜霖等［21］的研究結(jié)果。坡度在25°～35°，植被NDVI 值較大，主要分布在流域邊緣，主要植被類型為草原和草甸，在這個范圍內(nèi)，人類活動干預(yù)的影響較小，立地條件適合植被生長，且多是天然植被，坡度＜2°的區(qū)域主要為荒漠，植被生長較少，2°～25°區(qū)域坡度相對較緩，人類活動集中，植被NDVI值反而較低。

艾比湖流域處于干旱地區(qū)，氣溫、降水對植被生長有一定影響。降水對植被NDVI影響力略大于氣溫，符合姜紅濤等［19］、孫倩等［20］的研究結(jié)果，根據(jù)流域內(nèi)氣溫空間分布特征，氣溫隨緯度變化較小，南北之間差異不大。由于地勢是由西向東降低，年均氣溫空間特征是由東向西逐漸降低。統(tǒng)計檢驗結(jié)果表明，年均氣溫在4.74～5.25 ℃，年降水量在228～245 mm范圍內(nèi)植被生長較好，主要位于流域內(nèi)西北部。流域內(nèi)向西隨海拔高度的升高，年降水量逐漸增多，為植被生長提供水分條件。艾比湖流域針葉林主要位于山地地區(qū)，山地針葉林是流域內(nèi)的天然植被，在防止水土流失、水源保護方面起到重要作用。平原區(qū)栽培植被在人為操作下，能為植被根系提供穩(wěn)定環(huán)境，利于流域內(nèi)植被的恢復(fù)。流域灌木植被類能有效抑制生態(tài)環(huán)境惡化，同時能夠適應(yīng)流域內(nèi)惡劣的生態(tài)環(huán)境。本研究表明氣候因素對艾比湖流域植被空間分布的影響較小，人為因素起主導(dǎo)作用，這與王二麗等［18］的研究結(jié)果一致。隨著人類生態(tài)意識的不斷提高，建立生態(tài)保護區(qū)、人工植樹造林等措施的實施，增大了流域內(nèi)植被保護力度，將會使流域的生態(tài)脆弱問題得以緩解，使生態(tài)環(huán)境向不斷改善的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

（1）2000—2020 年艾比湖流域植被NDVI 呈現(xiàn)增加趨勢，增速為0.035·(10a)-1。2000—2020 年流域植被覆蓋面積，中等級（0.4～0.6）、中高等級（0.6～0.8）和高等級（0.8～1.0）植被面積增長明顯，艾比湖植被整體呈現(xiàn)改善的趨勢，改善區(qū)域主要分布在流域中部和西部地區(qū)，顯著提高地區(qū)主要位于流域中部。

（2）土地利用類型、植被類型和土壤類型因子是影響植被NDVI 空間分布的主要因素，高程是次級因素，年降水量、地貌類型、年均氣溫、坡度和坡向?qū)α饔騼?nèi)植被的空間分布直接影響較小，與自然因素相比，人為因素對艾比湖流域植被NDVI 變化起主導(dǎo)作用。

（3）生態(tài)探測表明土地利用類型、植被類型、土壤類型與其他因子共同作用存在顯著性差異，進一步表明這3 類因子對植被NDVI 空間分布影響力大。各因子之間交互作用對植被NDVI空間分布存在雙因子增強和非線性增強效應(yīng)，并非簡單的相互疊加作用，不存在獨立關(guān)系。

（4）根據(jù)風(fēng)險因子探測分析各因子促進植被生長的各因子的適宜范圍（類別）。其中，耕地土地利用類型，栽培植被植被類型，人為土土壤類型，高程2177～2558 m，年降水量228～245 mm，年均氣溫4.74～5.25 ℃，中起伏山地地貌類型，坡向157.5°～202.5°以及坡度25°～35°，適合植被生長。