3.1 植被NDVI年际变化特征
根据重庆市2001—2018年各年份NDVI均值得到研究区多年年际变化趋势(图2)。结果表明,重庆市近18 a来植被NDVI年均变化率为0.61%,整体上呈现出波动上升趋势,这与魏来等[30]对重庆市植被覆盖变化研究的结论基本保持一致。2006年、2011年NDVI突然下降,主要是由于2006年和2011年的重度干旱影响植被的生长[31-32],这与叶勤玉等[33]关于重庆植被覆盖度时空变化的研究结论一致。2012—2018年NDVI又出现两次明显的降低,其中2014年NDVI的下降,与春旱[34]、秋季连阴雨[35]有关; 2016年NDVI的下降则与当年1月南方长时间的低温雨雪冰冻天气[36-37]不利于植被发育具有一定关系。
3.2 植被NDVI空间分布特征
由重庆市2001—2018年NDVI多年均值空间分布(图3A)可知,研究区内NDVI值超过0.55的区域占总面积的70.59%,其主要分布在渝东北、渝东南以及主城区以南的区县,其中极高值(NDVI>0.65)聚集地多为高海拔地区的森林和灌丛,与山脉走势一致; 而主城区及外围西北向NDVI值相对较低,这些区域多为城市用地或农业耕地,易受人类活动影响; 总体而言,重庆植被NDVI呈现出沿长江由东北向西南逐渐递减的分布格局。由NDVI变化趋势显著性检验(图3B)可知,整体上重庆植被覆盖增加显著,NDVI呈极显著增加、显著增加区域占总面积的85.15%。结合NDVI与森林面积年际变化比较(图3C)可知,2001—2017年森林面积增长趋势与植被年均NDVI较为一致,在此期间森林面积增长了53.45%,截至2017年森林面积达到3.82×104 km2,这表明重庆植被大面积恢复显著可能与生态工程建设有关,如2002年“退耕还林工程”[38]的全面实施、2008年“重庆森林工程总体规划”[39-40]的推进,对植被恢复起到极大的促进作用。而NDVI呈极显著退化、显著退化仅占1.48%,其主要集中于主城区以及零散分布于主城区外围和长江沿岸城市一带,这主要是因为城市化过程中城市基础设施大量占用地表造成植被显著退化。结合NDVI标准差(图3D)可以看出,研究区内SD极高值区(SD>0.075)与NDVI退化区域及城市用地分布大致吻合,这表明城市扩张对植被覆盖变化的影响较为剧烈; 而SD低值区(SD<0.045)则主要分布于渝东北边缘、渝东南的高海拔森林和灌木区,这类地区由于植被覆盖较高、人口分布稀疏、城市化进程缓慢,植被覆盖变化趋于稳定。
图3 重庆市2001-2018年NDVI多年均值、变化趋势显著性检验、与森林面积年际变化比较及标准差
3.3 植被NDVI与气候因子的偏相关分析
由NDVI和气候因子的偏相关系数分布(图4A,图4B)可知,2001—2018年重庆植被NDVI与年降水的平均偏相关系数为0.294,呈正、负相关的区域分别占总面积的88.63%,11.37%; 与年均温的平均偏相关系数为0.105 4,呈正、负相关的区域分别占65.75%,34.25%。在空间分布上,两类气候因子同时呈正相关的区域出现在由城口、云阳、奉节沿长江西南向,经主城区,至荣昌、永川这一带,这些区域由于海拔较低、靠近水源,为重庆农作物主要种植区域,其种植作物多为水稻、玉米、柑橘等,对水热条件依赖性较强,这与李雪梅等[19]对重庆植被与降水、气温的相关性的研究结论较为一致。张兰等[41]在三峡库区植被与气候因子的相关分析中发现,农作物因季节性种植特点使其对温度、降水的响应较敏感。结合t检验可知,NDVI与降水的偏相关系数通过0.05显著性水平检验的区域占18.67%; 与气温的偏相关系数通过0.05显著性水平检验的区域占8.84%,两类区域主要位于万州至长寿、涪陵、武隆的农作物和森林区域。总体而言,重庆植被NDVI与降水和气温均以正相关为主,正、负相关共存,通过显著性检验的区域虽较小,但两类气候因子对植被发育均有着一定作用,同时说明重庆植被发育还受到除气候因子以外的因素作用。
图4 重庆市2001-2018年NDVI与降水(A)及气温(B)的偏相关系数
3.4 气候因子与人类活动对NDVI年际变化的贡献
偏相关系数描述了植被与气候因子之间的相关性,但无法量化气候因子对植被覆盖变化的贡献。因此,本文采用基于偏导数的方法计算各类气候因子对重庆植被NDVI年际变化的贡献。由气候因子对NDVI年际变化的贡献分布(图5A,图5B)可知,2001—2018年降水对重庆植被NDVI年际变化的平均贡献为0.000 7/a,其促使NDVI增加、下降的区域分别占91.47%,8.53%; 气温对NDVI年际变化的平均贡献为0.000 6/a,其促使NDVI增加、下降的区域分别占80.71%,19.29%。从空间分布上可以看出,降水、气温均促使NDVI增加的区域占据重庆大部分地区,两类气候因子贡献的极高值区(PRE*>0.003,TEM*>0.003)多位于长江沿岸附近; 而渝东南地区两类气候因子的贡献偏向具有明显的差异。结合渝东南NDVI与气候因子偏相关系数均为负相关及以森林为主的特征可以看出,当地可能由于森林蒸散量较大[42],降水偏少,气温降低,有利于减缓植被蒸散速度和保持土壤湿度[43-44],从而促进植被生长。
根据降水、气温对NDVI贡献的结果,进一步计算得到气候因子和人类活动对重庆植被NDVI年际变化的贡献分布(图6A,图6B)。结果表明,2001—2018年NDVI平均年际变化率为0.006 1/a,气候因子平均贡献为0.001 3/a,人类活动平均贡献为0.004 8/a,相比之下,人类活动对植被覆盖变化的积极影响更为强烈。Liu等[45]结合残差分析和土地利用变化理论研究重庆植被NDVI变化过程中亦发现人类活动对重庆植被恢复起主导作用。气候因子促使NDVI增加、下降的区域分别占93.52%,6.48%,其中极高值区(CF>0.003)大部分集中于万州至长寿、涪陵一带,其余则零散分布在主城区以南及渝东南,这些区域多为地势较为平坦的农作物种植区,对气候响应敏感。人类活动促使NDVI增加、下降的区域分别占95.97%,4.03%,绝大部分区域的植被受到人类活动的积极影响,结合封地育林、造林和城镇建设用地面积统计(图7)可知,重庆近18 a来一直在推进封地育林、退耕还林、人工造林等生态工程,这进一步佐证重庆植被显著改善很大程度上受益于人类活动——生态工程建设。Qu等[15]在长江流域植被研究中也指出生态工程的实施可促进植被恢复,改善流域生态环境。师贺雄等[46]研究认为退耕还林工程提高了长江中上游地区的植被覆盖度和生态效益。而人类活动导致NDVI下降的极低值区(UF<-0.007)则分布于主城区及周围和长江沿岸城市一带,结合城镇建设用地面积逐年增长的特征可以发现,城市扩张是造成当地植被退化的主要因素。易浪等[23]研究认为人口持续增长、快速城市化会导致经济发达地区植被减少,所以在经济发展较快的地区人类活动对植被生长有着抑制作用。总体而言,降水、气温和人类活动对重庆植被NDVI年际变化的贡献均以促进作用为主,但人类活动对NDVI的贡献高于气候因子的贡献。而两类驱动因子平均贡献相差较大,这是由于人类活动对植被覆盖变化的影响时间短、作用强,诸如生态修复工程短期内可见成效; 而自然因素对植被的作用缓慢且稳定,需长期的影响方可改变植物的生长状况。
图6 气候因子和人类活动对重庆植被NDVI年际变化的贡献
