2001—2020年贺兰山东麓荒漠草原植被覆盖度演变

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00035

摘要/Abstract

摘要：

贺兰山是中国荒漠和荒漠草原分界线，其东麓洪积扇上分布荒漠草原，在维持生态系统稳定性方面发挥着积极作用。本文研究了其植被覆盖度（Fraction Vegetation Coverage， FVC）时空变化，分析影响植被盖度变化的主要因子。利用Landsat卫星遥感数据，基于像元二分模型反演了2001—2020年贺兰山东麓洪积扇区荒漠草原植被覆盖度，分析其空间格局和时空变化特征，采用Sen+Mann-Kendall趋势分析、Hurst指数和参数最优地理探测器模型对其驱动因素进行分析。结果表明：（1）FVC空间上呈现出西北高东南低的趋势，以极低植被覆盖度和低植被覆盖度为主。多年FVC均值为33.38%，总体植被覆盖度处于较低水平。（2）2001—2020年FVC呈现显著增加趋势（P<0.01），年均增长率为2.34%，整体表现为西北部和东南部呈改善趋势，改善的区域占植被覆盖总面积的93.24%；植被覆盖度的平均变异系数为0.394，整体相对稳定，空间上东部和中部变化表现最为剧烈，具有显著的空间差异。（3）研究区植被覆盖度的反持续性较强，Hurst指数平均值为0.495，大于0.5的区域占44.77%；从空间分布上看，研究区南部、西部Hurst指数较高，植被变化的持续性较高，东部、北部Hurst指数较低，植被变化的持续性较低。（4）年降水量和土地利用类型是影响贺兰山东麓洪积扇区荒漠草原植被覆盖度空间分布的主要因子，交互探测表明年降水量、海拔、日照时数和空气湿度的交互作用Q值最大，水热因子组合对植被盖度影响增强显著；风险探测表明各驱动因子对研究区植被生长的影响均有其适宜的范围。本研究有助于揭示不同因子对贺兰山东麓洪积扇区荒漠草原植被变化的驱动机制。

关键词: 荒漠草原, 植被覆盖度, 时空分异, OPGD模型, 驱动因素

Abstract:

Helan Mountain is the boundary between deserts and desert grasslands in China. Desert grasslands are distributed on the alluvial fan at its eastern foot， playing a positive role in maintaining ecosystem stability. Research is conducted on the spatiotemporal changes in fraction vegetation coverage （FVC）， and the main factors affecting vegetation coverage changes are analyzed. This study utilized Landsat satellite remote sensing data and inverted the vegetation coverage of desert grasslands in the alluvial fan area of the eastern foothills of Helan Mountains from 2001 to 2020 based on a pixel binary model. The spatial pattern and spatiotemporal variation characteristics were analyzed， and the driving factors were analyzed using Sen+Mann Kendall trend analysis， Hurst index， and parameter optimal geographic detector model. The results indicate that：（1） FVC shows a trend of "higher in the northwest and lower in the southeast" in space， mainly characterized by extremely low vegetation coverage and low vegetation coverage. The average annual FVC is 33.38%， and the overall vegetation coverage is at a relatively low level. （2） From 2001 to 2020， FVC showed a significant increase trend （P<0.01）， with an average annual growth rate of 0.25%. Overall， the northwest and southeast showed an improvement trend， with the improved area accounting for 93.24% of the total vegetation coverage area； The average coefficient of variation of vegetation coverage is 0.394， which is relatively stable overall. The eastern and central regions show the most drastic changes in space， with significant spatial differences. （3） The anti sustainability of vegetation coverage in the study area is strong， with an average Hurst index of 0.495， and 44.77% of the areas are greater than 0.5； From a spatial distribution perspective， the Hurst index is higher in the southern and western parts of the study area， indicating a higher sustainability of vegetation change， while the Hurst index is lower in the eastern and northern parts， indicating a lower sustainability of vegetation change. （4） The annual precipitation and land use type are the main factors affecting the spatial distribution of vegetation coverage in desert grasslands in the alluvial fan area of the eastern foothills of Helan Mountain. The interaction detection table shows that the impact of next year's precipitation on vegetation coverage is enhanced after the superposition of other factors， while the impact of topography and slope orientation on vegetation coverage is significantly enhanced； Risk detection indicates that each driving factor has an appropriate range of impacts on vegetation growth in the study area. This study helps to reveal the driving mechanisms of different factors on vegetation changes in desert grasslands in the alluvial fan area of the eastern foothills of Helan Mountains.

Key words: desert steppe, vegetation coverage, spatio-temporal differentiation, OPGD model, driving factor

中图分类号:

Q948

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图/表 16

图1 研究区地理位置

Fig.1 Geographical location of study region

表1 探测因子

Table 1 Probe factor

类型	探测因子	指标	单位	类型	探测因子	指标	单位
地形	X₁	坡向	—	气候	X₆	年均气温	℃
	X₂	坡度	°	气候	X₇	空气湿度	%
	X₃	海拔	m	地貌	X₈	地貌类型	—
气候	X₄	年降水量	mm	植被	X₉	植被类型	—
气候	X₅	日照时数	h	人类活动	X₁₀	土地利用类型	—

图2 2001—2020年平均植被覆盖度（FVC）年际变化趋势

Fig.2 Changes and trends of FVC mean from 2001 to 2020

表2 植被覆盖度变化量统计

Table 2 Statistics of changes in vegetation coverage

级别	2001年		2020年		面积变化量 /km²	变化率 /%
级别	面积/km²	百分比/%	面积/km²	百分比/%	面积变化量 /km²	变化率 /%
极低	175.60	96.43	49.75	27.32	-125.85	69.11
低	5.17	2.84	124.34	68.28	119.17	65.44
中等	0.99	0.54	6.65	3.65	5.66	3.11
高	0.29	0.16	1.15	0.63	0.856	0.47
极高	0.05	0.03	0.18	0.10	0.13	0.07

图3 2001—2020年植被覆盖度等级的年际变化

Fig.3 Annual changes in areas with a different FVC from 2001 to 2020

图4 2001—2020年植被覆盖度空间分布的年际变化

Fig.4 Annual changes in the distribution of vegetation coverage from 2000 to 2020

图5 多年平均植被覆盖度（FVC）空间分布和各等级面积占比

Fig.5 Average FVC spatial distribution and area proportion of each class

表3 植被覆盖度变化趋势分析分级及面积占比

Table 3 FVC change trend analysis classification and area ratio

$S F V C$	U值	FVC趋势	面积/km²	比例/%
≥0.0005	≥1.96	明显改善	49.14	22.40
≥0.0005	-1.96<U<1.96	轻微改善	155.41	70.84
-0.0005~0.0005	-1.96<U<1.96	稳定不变	4.33	1.97
<-0.0005	-1.96<U<1.96	轻微下降	9.82	4.48
<-0.0005	U<-1.96	明显下降	0.68	0.31

表3 植被覆盖度变化趋势分析分级及面积占比

Table 3 FVC change trend analysis classification and area ratio

$S F V C$	U值	FVC趋势	面积/km²	比例/%
≥0.0005	≥1.96	明显改善	49.14	22.40
≥0.0005	-1.96<U<1.96	轻微改善	155.41	70.84
-0.0005~0.0005	-1.96<U<1.96	稳定不变	4.33	1.97
<-0.0005	-1.96<U<1.96	轻微下降	9.82	4.48
<-0.0005	U<-1.96	明显下降	0.68	0.31

图6 2001—2020年植被覆盖度变化趋势

Fig.6 Trend of the FVC from 2001 to 2020

图7 变异系数空间分布

Fig.7 Spatial distribution of coefficient of variation

表4 不同像元Hurst指数分级百分比

Table 4 Percentage of areas of Hurst index classes

Hurst指数	持续性	面积占比/%
0<H<0.3	显著反向持续性	0.34
0.3≤H<0.5	反向持续性	48.78
H=0.5	无后效性	6.10
0.5<H<0.7	正向持续性	44.36
0.7<H≤1	显著正向持续性	0.41

图8 Hurst指数空间分布

Fig.8 The spatial distribution of Hurst index

图9 连续型因子离散化过程

Fig.9 Continuous factor discretization process

图10 2001—2020年植被覆盖度因子探测结果（P<0.001）

Fig.10 Result of the FVC factor detector from 2001 to 2020 （P<0.001）

图11 2001—2020年各因子交互检测Q值注：X1为坡度，X2为坡向，X3为海拔，X4为年降水量，X5为日照时数，X6为年均气温，X7为空气湿度，X8为土地利用类型，X9为地貌类型，X10为植被类型

Fig.11 Q values of the FVC interaction detector from 2001 to 2020

表5 2000—2020年不同土地利用类型转换的植被覆盖度变化

Table 5 FVC changes of different types of land use conversion from 2000 to 2020

2020年	2000年
2020年	裸地	耕地	草地	未利用地	水体
裸地	0.07（0.82）	0.2539（0.01）	0.1533（3.96）	0.0700（0.43）	—
耕地	—	0.1573（0.45）	0.0542（0.76）	0.0801（0.03）	—
草地	0.0400（0.18）	0.4047（1.01）	0.1597（90.59）	0.0991（0.87）	0（<<0.01）
未利用地	0（<<0.01）	0.2825（0.0021）	0.1379（0.04）	0.1338（0.85）	0（0.0044）

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