宁夏植被覆盖变化对水热因子与人类活动的响应

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植被是陆地生态系统的主体,不仅在稳定生态环境、调节全球气候方面起关键作用,而且通过物质交换和能量循环为其他生物提供了生存必须的资源,是生态系统中不可替代的一部分。植被具有明显的水土保持功能和生长周期变化,受多种因素共同影响,因此探究植被覆盖动态变化规律,是进行生态恢复与防止水土流失的重要路径。同时在全球气候变化背景下,植被的覆盖变化信息对评估地区环境状况、调节生态系统平衡、预防水土流失具有重大的理论价值和现实意义。黄河是中华民族的母亲河,推动黄河流域生态保护和高质量发展是以习近平同志为核心的党中央确定的重大国家战略,关乎中华民族伟大复兴千秋大计。2020年6月,习近平总书记视察宁夏时明确指示要“努力建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区”,因此,宁夏的生态保护建设具有重要意义。本文以全球气候变化为背景,采用MODIS EVI数据、气象数据和土地利用数据,从年、月、半月、季节、生长季等不同时间尺度,利用最大值合成法、趋势线分析法、变异系数分析、Hurst指数等方法,探讨了宁夏植被覆盖时序变化、空间分布、趋势变化、稳定性和持续性,并利用相关性分析、偏相关性分析、时滞性分析、残差分析法、土地利用类型等方法,探究植被覆盖变化对水热因子和人类活动的响应规律,以期为宁夏生态环境保护提供一定的决策参考。主要结论如下:(1)2001-2018年宁夏植被覆盖有明显改善,增强型植被指数(EVI)呈现波动增长的状态,由 0.115 增长至 0.17,年均增长率为 0.0022,其中 2001-2002、2005-2007、2008-2010、2011-2012、2015-2018为增加趋势;植被覆盖度由中低覆盖和低覆盖转化为中低覆盖和中高覆盖植被;年内植被生长具有明显的生物节律,1-3月EVI值较为平缓,4-8月EVI值陡然增加,直至7月出现一个顶峰值0.23,9-12月份EVI值迅速回落,1 1-12月植被覆盖度持续缓慢下降,最低值0.08出现在1月;四季和生长季的变化趋势与年变化趋势基本相同,夏季EVI值增长速率最快,年均增长率0.004,生长季年均增长率为0.003。从区域来看,各时段EVI值及趋势均表现为南部山区最高,中部干旱带其次,北部引黄灌区最低。(2)宁夏植被覆盖分布呈现“南北高,中间低”的特征,EVI像元平均值0.14,整体平均年增长率为0.0021,植被整体呈现良好的改善趋势;研究时段内95.2%的地区的植被覆盖处于增加状态,植被覆盖度提高一级的面积为2.22× 106 hm2、提高两级的为2.55 × 106 hm2、提高三级及以上的为1.2× 106 hm2,比例依次为38.47%、22.26%、和1.88%;宁夏EVI值的标准差在16-1632之间,平均值为193,整体波动性和空间差异性较小,整体表现自南向北稳定性逐步提高的分布;宁夏整体Hurst指数范围在0.11-1.02之间,平均值为0.52,说明研究区域EVI指数具有持续的变化趋势,未来植被覆盖变化稳中有升,其中未来持续改善的区域面积为1.84× 106hm2(27.64%),持续少量改善的区域面积为3.55 × 105hm2(5.34%),持续稳定的区域面积最大为2.93 × 106hm2(44.17%),持续少量退化的区域面积为9.75 × 105hm2(13.69%)。从区域来看,北部引黄灌区的植被覆盖最低,种植区和非种植区差异性较大,前者覆盖度明显高于后者,中部干旱带的平均数值与北部接近,整体分布更为均匀,南部山区覆盖度最高,稳定性和持续性上均好于前两区域。(3)宁夏年际EVI与温度、湿度的相关系数分别为0.03和-4.29,与两者的年际相关性不明显,逐月EVI与温度、湿度的相关系数分别为0.76和0.54,偏相关系数分别为0.92和0.67,时滞相关系数分别为0.82和0.05,月值EVI和温度呈现较强的相关性且存在时滞相关性,与湿度相关性不明显。EVI与温度的相关系数较低的地区分布在沙坡头区、贺兰山和六盘山的局部地区,大部分区域都在0.8以上,北部种植区和南部泾源县在0.7左右。EVI与降雨量的相关系数较高的地区分布在盐池县和永宁县等地,其余相关性均不高,尤其是沙坡头区和同心县偏低。将温度和湿度与植被覆盖度的相关性进行叠加分析,温度和湿度中等正相关和强正相关相互转化的区域占总面积的97.57%,其余相关性转化占比过低对结果影响较小,总体而言,温度和湿度对植被生长起协同正相关关系,但影响大小有差异,且存在有南向北递减的特征。(4)2000—2018年宁夏土地利用格局发生了显著变化。耕地、草地面积持续减少,林地和建设用地则持续增加,水域面积先不变后增加,未利用地面积则是在先增加后减少。从转移特征来看,耕地转出面积为最大,其次是草地,转移过程最为显著的是耕地转为草地(占19.32%),其次为草地转为耕地(占12.82%)。研究时段内总体表现为人类活动对植被恢复起正向作用。计算结果表明,人类活动对宁夏植被覆盖整体起正向作用的区域占93%,主要分布在南部山区和中部干旱带的部分区域,起负向作用的区域占7%,主要位于北部引黄灌区的种植区域。温度和湿度对研究区植被覆盖贡献0.1的区域占26.7%,贡献0.15的区域占52.6%,贡献0.2的占26.2%,贡献0.25的区域占12.8%,贡献在0.35以上的区域占3.7%,贡献区域除北部种植区较高以外,其余贡献度从北向南逐渐增加。
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