基于地理探测器的三江源植被变化及自然驱动因子分析

高思琦, 董国涛, 蒋晓辉, 聂 桐, 郭欣伟, 党素珍

(1.西北大学 城市与环境学院, 西安 710127; 2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院, 郑州 450003; 3.黑河水资源与生态保护研究中心, 兰州 730030)

植被具有连接大气、水分、土壤和人类社会的作用[1]，研究区域的植被覆盖状况有利于区域的生态保护，归一化植被指数(NDVI)能够真实地反映地表植被覆盖状况[2]。三江源生态环境脆弱，已有学者对三江源植被和气候之间的关系进行了研究，研究方法多为相关分析法。李辉霞等[3]运用回归模型发现三江源植被变化的决定性因素是气候变化，人类活动只有短期的影响；孙庆龄等[4]运用Pearson相关分析法研究认为三江源不同地区影响NDVI变化的主要气候因子不同；饶品增等[5]运用偏相关分析法发现气候变化使三江源植被NDVI增加；刘宪锋等[6]运用偏性关系数法研究发现气候暖湿化使三江源区植被覆盖增加。

以往研究中对三江源NDVI自然驱动力的研究多局限于气温、降水等气候要素，而地形、土壤等其他自然因素对NDVI也有一定影响[7]。三江源面积广阔，自然环境复杂多样，具有空间异质性，不同自然因素对NDVI的影响不同且具有交互作用。王劲峰等[8]提出的地理探测器模型可以探测空间分异性及其驱动力，并可以探测因子之间的交互作用。目前已有学者将地理探测器应用于植被覆盖影响因子的研究中。彭文甫等[9]研究发现自然因子对四川植被NDVI的影响存在交互作用；裴志林等[10]发现降水是黄河上游地区FVC空间分布的主要影响因素；Nie等[11]研究发现自然因素和人为因素联合作用对陕北黄土高原植被影响更大；任立清等[12]认为日照时数对黑河上游NDVI变化影响最大；肖建勇等[13]研究发现地形气候、人类活动分别主导非喀斯特地区和喀斯特地区的植被生长。

由于研究时间尺度不同，以往对于三江源植被变化趋势的研究有两种不同的结论：张镱锂等[14]认为1982—2001年植被覆盖度呈下降趋势；于秀娟等[15]认为2000—2009年植被呈退化趋势；张翀等[16]认为1999—2010年植被覆盖呈改善趋势。以往的研究时序较短，不能完整地反映三江源植被的变化。因此本文运用一元线性回归法分析三江源1982—2015年共34 a的NDVI时空变化特征，运用地理探测器模型定量研究三江源植被的空间分异性，探究NDVI空间分布的自然驱动因子，并确定适宜植被生长的自然因子范围(类型)。

1 研究区概况

三江源(图1)位于青海省南部，是长江、黄河和澜沧江的发源地，地势西高东低，平均海拔3 500～4 800 m，气候属于高原大陆性气候，气温和降水由东南向西北递减。地理位置为北纬31°39′—36°16′，东经89°24′—102°23′，包括玉树、果洛、海南、黄南4个藏族自治州的21个县和格尔木市的唐古拉乡，总面积38.1万km2，植被类型以高寒草甸、高寒草原和高山植被为主，三江源地区是我国重要的生态屏障，生态环境脆弱[17]，因此对于三江源生态的保护十分重要。

图1 三江源区示意图

2 研究数据与方法

2.1 数据来源及预处理

研究采用三江源NDVI、DEM、气候、地貌类型、土壤类型、植被类型等数据。NDVI数据来源于时空三极环境大数据平台，采用1982—2015年空间分辨率为8 km，时间分辨率为16 d的GIMMS NDVI3g数据[18]，进行最大值合成；年均温、年降水量数据采用三江源地区及周边共26个气象站点1982—2015年的实测逐日气象数据，通过反距离权重法插值获得；土壤类型、植被类型、地貌类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)；DEM数据来源于中国科学院地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)，使用GDEMV 2 30 m的分辨率数字高程数据，高程、坡度、坡向由DEM数据计算获取。以上数据均按照三江源矢量边界提取，通过重采样处理，与8 km的NDVI数据像元大小保持一致。

2.2 研究方法

2.2.1 植被NDVI等级划分 使用1982年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7期GIMMS植被NDVI数据，按照等间距方法[19]将NDVI值划分为5个等级，分别为低(≤0.2)、中低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、中高(0.6～0.8)和高(>0.8)。

2.2.2 NDVI趋势变化分析 一元线性回归分析法可以分析影像中每个栅格的变化趋势[20]，利用ArcGIS的栅格计算器对1982—2015年三江源NDVI进行一元线性回归，研究三江源NDVI在1982—2015年的变化趋势，按自然间断点法将趋势分为7类：明显退化、中度退化、轻微退化、基本不变、轻微提高、中度提高、明显提高。公式[21]为：

(1)

式中:n为研究累计年数(本研究中n=34);变量i从1到n;NDVIi为第i年的NDVI值;slope为趋势线斜率:若slope>0,则植被覆盖呈增加趋势;若slope<0,则植被覆盖呈下降趋势;若slope=0,则植被覆盖无明显变化。

2.2.3 信息提取 利用ArcGIS创建渔网工具，根据三江源范围，生成全区范围内8 km×8 km格网，共5 870个中心点作采样点，提取空间上的属性值，将其代入地理探测器处理。

2.2.4 自然因子分级 本文选取坡度、坡向、高程、土壤类型、植被类型、地貌类型、年均温、年降水量8个自然因子分析三江源NDVI变化的自然驱动因子，利用自然断点法[22]将坡向、高程、植被类型、年均温、年降水量划分9级，坡度划分7级，土壤类型划分为10类，地貌类型划分为6类。

2.2.5 地理探测器模型 地理探测器是可以探测空间分异性及驱动因素的方法[8]。包括因子探测器、交互探测器、风险探测器以及生态探测器。因子探测用于探测自然因子对NDVI空间分布的解释力，用q值表示，q值越大，自然因子对NDVI的影响力越大。本研究中自变量X为自然因子Xs(s=1,2,3,4,5,6,7,8)，见表1，因变量Y为NDVI；交互探测用于探测自然因子间的交互作用；风险探测用于判断适宜植被生长的自然驱动因子范围(类型)；生态探测用于判断自然因子对NDVI影响力是否有明显差异。

表1 自然因子

3 结果与分析

3.1 三江源NDVI时空变化特征

3.1.1 三江源NDVI时间变化特征 本研究选取1982—2015年NDVI年均值表示三江源每年的植被覆盖状况，整体变化趋势为不显著上升，这与钱拴等[23]的研究结果一致，NDVI均值由1982年的0.454上升到2015年的0.458，上升速率为0.002/10 a，NDVI最大和最小值分别出现在2010年和1995年，分别为0.493，0.430(图2)。以上结果表明1982—2015年三江源植被覆盖度正在缓慢提升。

3.1.2 三江源NDVI空间变化特征 三江源NDVI分布东南高西北低(图3)，治多县、唐古拉乡、共和县以及曲麻莱县和玛多县的北部植被覆盖度较低，这些区域大部分为高寒草原；囊谦县、玉树县、称多县、班玛县、久治县、达日县、甘德县、河南县、泽库县、同德县、兴海县南部以及玛沁县东部植被覆盖较高，植被主要为高寒草甸以及灌丛，水热条件较好，海拔相对较低。从不同分区来看，黄河源区和澜沧江源区NDVI值较高，长江源区较低，说明黄河源区、澜沧江源区植被覆盖较好，长江源区较差。长江源区海拔较高，气温低，降水量少，而黄河源区与澜沧江源区自然条件较好，因此植被覆盖度好于长江源区。

图2 1982-2015年NDVI变化趋势

图3 1982年与2015年NDVI空间分布

3.1.3 三江源NDVI变化趋势分析 1982年和2015年高、中高植被覆盖区分别占三江源面积的33%，31%以上，低、中低总共分别占42%，41%左右。1982—2015年低和高植被覆盖区面积减小，其他均增大，其中，低植被覆盖区面积减少最多，中植被覆盖区面积增幅达2.78%(表2)。虽然三江源NDVI值整体呈上升趋势，但仍以中低、中、中高植被覆盖度为主，面积均占25%以上，高植被覆盖度占比最小，且有所下降，因此三江源植被覆盖仍较低。

1982—2015年各等级NDVI均有转化(表3)。各等级均有明显转出，转出区域主要为中高植被覆盖度，转入区域主要为中低、中和中高植被覆盖区，中植被覆盖度面积由24%增加到27%，而高植被覆盖度面积由7%减少到4%。

表2 1982-2015年NDVI动态变化

表3 1982-2015年NDVI变化转移矩阵 km2

1982—2015年三江源植被覆盖整体呈增加趋势(图4)，说明三江源植被正在逐步恢复。植被增加的面积占比最大，主要分布在三江源西部和北部，面积约为14.5万km2，占总面积37.86%，植被类型以草原、草甸和高山植被为主，地貌类型主要为平原、台地、丘陵和小起伏山地；植被减少区域主要集中在中部和南部，面积达12.6万km2，占比32.87%，地貌类型主要为山地；植被基本不变的区域在全区域均有分布(表4)。总体上三江源NDVI变化趋势为北部和西部增加南部和中部减少，这与刘宪锋等[6]对变化趋势的研究结果一致。

图4 1982-2015年NDVI变化趋势分布

从不同分区来看，长江源区NDVI总体呈上升趋势，但长江源区海拔高，生态环境脆弱，植被恢复较慢[24]；黄河源区植被覆盖呈现整体缓慢升高、局部退化的趋势；澜沧江源区植被覆盖呈下降趋势。

表4 1982-2015年NDVI变化趋势

3.2 自然因子影响力分析

3.2.1 自然因子影响力 因子探测器结果(表5)显示各自然因子对三江源NDVI影响大小为：年降水量(0.551)>年均温(0.465)>植被类型(0.410)>高程(0.352)>地貌类型(0.216)>土壤类型(0.148)>坡度(0.141)>坡向(0.055)。

年降水量q值最大，解释力在55%以上，因此年降水量是影响三江源植被空间分布的主导自然因子；年均温、植被类型和高程因子解释力均在30%以上，为次要自然驱动因子；地貌类型、土壤类型和坡度解释力超过10%；坡向的单个因素解释力很小。

表5 自然因子的q值

3.2.2 自然因子影响力时间变化 所有自然因子q值均随时间波动变化，除植被类型因子外，其他因子2015年的因子影响力都比1982年高。其中，年降水量的q值相对变化较明显，整体呈波动变化，1982—1995年、2000—2005年以及2010—2015年q值明显增大，1995—2000年及2005—2010年的q值大幅减小，2000年均温和植被类型因子影响力大于年降水量影响力，其他因子的q值随时间变化较小(图5)。地貌、高程、坡度、坡向因子由于地形多年间不会发生太大变化，植被以及土壤类型多年间变化不大，因此q值变化较小；年均温一直处于上升趋势，对NDVI的影响变化不大；年降水量q值的波动变化可能与三江源区降水的周期性波动有关。

图5 1982-2015年自然因子q值变化

3.3 自然因子影响力差异分析

生态探测反映各自然因子对三江源NDVI的影响有无明显差异。结果显示除土壤类型与坡度对NDVI的影响无明显差异外，其他因子对NDVI的影响均有明显差异。其中，年降水量对三江源NDVI的影响与坡度、坡向、高程、土壤类型、植被类型、地貌类型、年均温的影响均有明显差异，因子探测显示，年降水量是影响三江源地区NDVI变化的主导因子，而生态探测的结果进一步证明了年降水量的影响比其他自然因子强。

3.4 自然因子适宜性分析

运用风险探测确定适宜植被生长的自然因子范围(类型)，适宜的范围(类型)对植被生长非常重要，NDVI值越大，越适合植被的生长。

NDVI均值总体上随年降水量的增加而增加，在年降水量最大的578～708 mm范围时达最大值；随年均温的增加NDVI均值先增大后减小，在1.65～3.82℃达到最高值，气候因子在上述范围促进了三江源植被的生长。随土壤、植被、地貌类型的不同，NDVI均值波动变化，其中半淋溶土、针叶林、中起伏山地最适宜三江源植被生长。地形是影响植被覆盖的重要自然因子，适宜的地形条件，能促进植被生长，随坡度的不同，NDVI均值先增大后减小，在35°～45°坡度NDVI均值达最高值；随三江源地区高程升高，NDVI均值先增大后减小，在3 446～3 851 m的高程范围内NDVI均值最大；随坡向变化，NDVI均值波动变化，波动幅度较小，在67.5°～112.5°(东)坡向达最大值，三江源在以上地形范围内植被生长较好(表6)。

表6 自然因子适宜范围或类型

3.5 自然因子交互作用分析

地理探测器可以揭示自然因子间对NDVI的交互作用。结果显示年降水量因子与其他因子交互作用q值偏高，其中与高程、年均温、植被类型交互作用q值最大(表7)，所有自然因子交互作用均增强了单因子对NDVI的影响力，呈现相互增强和非线性增强关系，其中坡向与高程、年均温的交互作用呈现非线性增强的关系，其余自然因子的交互作用均呈现相互增强的关系(表8)。年降水量因子是影响三江源NDVI变化的主导因子，而年降水量与年均温、高程、植被类型交互作用能够进一步增加其对三江源NDVI的影响力。

表7 自然因子交互作用探测

表8 自然因子交互结果

4 讨 论

4.1 年降水量对NDVI的影响分析

降水对植被生长有重要的作用，因子探测显示年降水量是影响三江源NDVI空间分布的主导因子，这与赵芳等[25]的研究结果一致。而朱文会[26]、唐红玉[27]等研究认为气温是影响三江源NDVI的主导因子，研究结果的差异可能与研究时间尺度不同或采用的NDVI空间分辨率不同有关。

三江源NDVI空间分布与年降水量分布格局基本一致，将年降水量划分为9个分区，三江源的NDVI值随年降水量增加而增大，在578～708 mm范围内达到最高值(NDVI=0.771)，表明这一年降水量范围有利于植被生长。探测结果显示，578～708 mm降水量与其他范围降水量的NDVI均值有明显差异，因此，三江源年降水量在578～708 mm范围时植被覆盖最好。交互探测显示与其他因子交互作用能进一步增强年降水量对NDVI的影响。三江源通过人工降雨促进植被生长，而使植被覆盖度增加的主要原因是气候变暖导致的水分变化[28]。

4.2 年均温对NDVI的影响分析

年均温对三江源NDVI也有重要的影响。将年均温划分为9个分区，随年均温的升高，NDVI均值先增大后减小，在1.65～3.82℃范围达到最高值(NDVI=0.682)，1.65～3.82℃的气温范围与其他范围的NDVI均值之间均有明显差异，因此年均温在1.65～3.82℃范围时三江源植被覆盖最好。年均温与其他因子的交互作用增强年均温对NDVI的影响。温度变化会引起区域内其他因子的变化，在适宜植被生长的温度范围内，气温越高，植被覆盖越好，超出这一范围，将阻碍植被生长。

以上研究结果表明，气候因子是驱动三江源NDVI空间分布的主要自然因素，符合李辉霞等[3]的研究结果。三江源年降水量、年均温均由东南向西北递减，而年降水量空间分布与NDVI的空间分布格局明显一致，20世纪80年代开始气温快速上升，年降水量也呈增加趋势[29]。邵全琴等[30]在评估三江源的生态恢复时认为年均温及年降水量的提高促进了植被的生长。研究发现未来三江源将逐渐趋于暖干化，这将不利于植被的生长[6]。

4.3 植被类型对NDVI的影响分析

三江源植被类型主要为高寒草甸和高寒草原，植被类型与年降水量交互作用后，进一步增强了植被类型对NDVI的影响力。将植被类型划分为9个分区，NDVI均值在针叶林植被类型区达到最高值(NDVI=0.714)，针叶林与阔叶林、灌丛的NDVI均值没有明显的差异，与其他植被类型区有明显差异，因此，针叶林的植被覆盖最好，这与宋冬梅等[31]的研究结果一致。针叶林面积较小，但均位于NDVI高值区，说明针叶林地区植被生长好。高寒草甸对三江源植被覆盖有重要影响，由于高寒草甸类植被覆盖度低，因此三江源区整体植被覆盖度较低[32]。

4.4 高程对NDVI的影响分析

高程影响自然要素的空间分布以及人类活动。将高程划分为9个分区，随高程升高，NDVI先增大后减小，在3 446～3 851 m范围达到最高值(NDVI=0.744)，3 446～3 851 m的高程与其他高程区NDVI均值均存在明显差异，所以三江源在高程为3 446～3 851 m的范围内，植被覆盖最好，3 851 m以上NDVI随高程升高而降低。陈琼等[33]研究认为，3 500～3 800 m范围内海拔相对较低，降水、气温条件较好，因此NDVI值最大；3 800 m以上随高程升高，自然条件变差，因此NDVI值减小。

4.5 地貌类型对NDVI的影响分析

三江源地貌类型多样，地貌类型影响植被的分布。将地貌类型划分为6个分区，NDVI均值在中起伏山地的地貌类型区达到最高值(NDVI=0.602)，中起伏山地与其他地貌类型区的NDVI均值之间有明显差异，表明三江源的中起伏山地植被覆盖最好。中起伏山地主要分布在三江源南部，水热条件较好，海拔相对适宜，有利于植被生长。

4.6 其他自然因子协同作用对NDVI的影响分析

因子探测结果显示，土壤类型、坡度及坡向单因子对三江源NDVI影响较小，但这些因子与年降水量、年均温、植被类型、高程、地貌类型交互作用可以增强对NDVI的影响。

土壤是植被生长的基础，将土壤类型划分为10个分区，NDVI均值在半淋溶土的土壤类型区达到最高值，半淋溶土与其他土壤类型区NDVI均值之间有显著性差异，因此，半淋溶土的植被覆盖最好。三江源半淋溶土主要分布在山地，植被主要为针叶林和灌丛，半淋溶土肥力较强，有利于植被生长。在本研究中认为土壤类型对三江源地区植被变化影响较小，但与其他因子交互作用可以增强影响力，土壤温度适度升高能够促进植被生长[34]。

将坡度分为7个分区，随坡度增大，NDVI均值先升高后降低，在35°～45°范围内达到最高值，该坡度范围主要为灌丛和高寒草甸，35°～45°坡度范围与25°～35°以及>45°的坡度区NDVI均值没有明显差异，与其他坡度区有明显差异，因此，35°～45°的坡度范围三江源植被生长状况较好。坡度影响地表径流，影响植被生长，在本研究中植被覆盖度最高的区域坡度较大，可能是由于缓坡人口较多，受人类活动影响较大，反而植被覆盖度低，随着坡度增加，人类影响减小，植被覆盖相对较高。通过将坡度与NDVI进行空间叠加后发现，6°～25°坡度范围内中高、高植被覆盖度占比最大，但同样该范围内低、中低植被覆盖度面积也最大，甚至在6°～15°范围内低、中低植被覆盖度面积远远大于中高、高植被覆盖度面积，因此整体NDVI值不高。坡向影响光照，进而改变植被生长的水热条件，由q值可以看出，坡向对三江源NDVI影响极小。将坡向分为9个分区，随坡向的不同，NDVI均值小幅度波动变化，其中东坡NDVI值最大，与西、西北坡向区NDVI没有明显差异，与其他坡向区有明显差异，因此，三江源东坡的植被覆盖最好。阳坡植被受人类活动影响较大，阴坡受降水温度等环境影响，植被覆盖较低。

5 结 论

(1) 三江源植被NDVI分布东南高西北低，多年变化趋势为西部和北部增加，中部和南部减少；1982—2015年NDVI均值总体上呈缓慢增加趋势，增速为0.2%/10 a，低、高植被覆盖区面积减少，其他面积均增加。

(2)1982—2015年各自然因子对NDVI空间分布影响程度的大小为：年降水量>年均温>植被类型>高程>地貌类型>土壤类型>坡度>坡向。其中，年降水量解释力在55%以上，成为影响三江源植被NDVI空间分布的主导自然因子；年均温、植被类型和高程解释力在30%以上，对NDVI也有较大影响，为次要影响因子；其他因素解释力较小。

(3) 各自然因子之间对NDVI的影响存在相互增强和非线性增强的交互作用，不存在减弱和独立作用的因子，年降水量与高程、年均温、植被类型交互作用对NDVI影响力最大。

(4) 研究分析了1982—2015年三江源植被NDVI变化状况，揭示了驱动NDVI空间分布的自然因子，确定了各自然因子适宜植被生长的范围(类型)，对三江源的生态保护和发展具有重要意义。