基于Mann—Kendall的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被時(shí)空變化分析

羅倩+劉曉暄+蘇偉

摘要：中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是時(shí)農(nóng)時(shí)牧過(guò)渡帶，植被生態(tài)特征是反映區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的重要指標(biāo)，分析該區(qū)域的植被生態(tài)特征的時(shí)空變化規(guī)律具有重要意義?；跁r(shí)間序列MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和土地覆被數(shù)據(jù)，利用均值法、分段線性回歸法和Mann-Kendall趨勢(shì)分析法，對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2001-2013年間各種植被的生態(tài)特征時(shí)間變化情況、不同生態(tài)脆弱區(qū)的空間差異情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在時(shí)間尺度上，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被生態(tài)特征處于緩慢恢復(fù)態(tài)勢(shì)，并且近幾年植被恢復(fù)速度大于前十年;從空間上尺度來(lái)看，陜西和黑龍江所在區(qū)域是植被恢復(fù)面積比率最大、恢復(fù)速率最快、植被恢復(fù)情況最為明顯的區(qū)域;青海和河北的植被近年來(lái)整體處于恢復(fù)的趨勢(shì)，但是也有相對(duì)較大面積的區(qū)域植被出現(xiàn)顯著的退化趨勢(shì);生態(tài)脆弱和人類活動(dòng)變化是導(dǎo)致青海和河北區(qū)域植被恢復(fù)相對(duì)不明顯的原因。

關(guān)鍵詞：Mann-Kendall;中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶;NDVI;植被生態(tài)特征;土地覆被

中圖分類號(hào)：S127 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）23-5891-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.023

Vegetation Spatial and Temporal Variation Analysis Based on the Mann-Kendall Patternsin the Agricultural-Pastoral Areas

LUO Qian1，LIU Xiao-xuan1，SU Wei1，2

（1.College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China;

2.Key Laboratory of Agricultural information acquisition technology ，Ministry of Agricultural， Beijing 100083， China）

Abstract：The Agricultural-Pastoral Areas in northern China is a farming grazing transitional zone， vegetation ecological characteristics is one of the important indicators reflecting the regional ecological quality， so the analysis of the regional vegetation ecological characteristics of space and time variation law is of great significance. This article based on time series MODIS-NDVI data and land cover data， using the average method， ?piecewise linear regression method and Mann-Kendall analysis method ，to the north patterns in 2001-2013 annual NDVI change trend， NDVI in various regions， especially in poor ecological restoration area change tendency were analyzed. Results were showed that the time scale， the agriculture and animal husbandry ecotone vegetation ecological characteristics in a slow recovery， and vegetation restoration in recent years faster than in the past ten years; from the point of space scale， Shanxi and Heilongjiang area's vegetation restoration area ratio is the largest， fastest recovery rate， vegetation recovery is the most obvious area; Qinghai and Hebei province in recent years， the overall recovery of vegetation in the trend， but there are relatively large areas of significant regional vegetation degradation trend; ecologically fragile change and human activity is relatively in Qinghai and Hebei regional vegetation restoration is not obvious.

Key words： Mann-Kendall; Agricultural-Pastoral Areas of Northern; NDVI; vegetation ecological features; land coverendprint

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是一條典型的生態(tài)脆弱帶，既是從干旱地區(qū)向濕潤(rùn)地區(qū)、從高原地區(qū)向丘陵、平原地區(qū)、從畜牧業(yè)向農(nóng)業(yè)過(guò)渡的脆弱帶，又是荒漠化威脅最嚴(yán)重的地區(qū)，還是中國(guó)最重要的生態(tài)屏障[1]。該區(qū)域在抵御自然災(zāi)害的侵蝕，有效化解各種自然災(zāi)害，減低風(fēng)險(xiǎn)起到重要的屏障作用。其次，半干旱區(qū)域能夠?qū)Ρ３种袊?guó)半濕潤(rùn)糧食主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)、水資源和氣候穩(wěn)定起重要作用[2]。植被作為反映所在地區(qū)生態(tài)質(zhì)量的重要指示器，其時(shí)空信息對(duì)揭示地表空間變化規(guī)律、分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。遙感是快速獲取大面積信息的有效數(shù)據(jù)源，因而基于遙感技術(shù)的各種反演植被指數(shù)被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)生態(tài)脆弱區(qū)植被覆蓋情況及其生態(tài)特征。許多學(xué)者就該區(qū)域內(nèi)植被變化情況展開(kāi)了一系列研究。穆少杰等[3]基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)反演了內(nèi)蒙古地區(qū)2001-2010年植被覆蓋度的空間格局和變化規(guī)律，并結(jié)合該地區(qū)同期降雨量和溫度數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析法分別進(jìn)行不同空間和時(shí)間尺度上的變化分析;包剛等[4]利用HANTS方法對(duì)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑分析處理的基礎(chǔ)上，對(duì)蒙古高原植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析;宋怡等[5]利用一元線性回歸法和變化幅度百分比等方法分析西北地區(qū)的西部植被變化特征。但是上述在此研究區(qū)內(nèi)采用Mann-Kendall方法對(duì)植被生態(tài)特征開(kāi)展的研究較少。因此本研究對(duì)該生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)的植被生態(tài)特征變化進(jìn)行分析，利用省級(jí)行政界線將北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶劃分為10個(gè)不同的區(qū)域，基于Mann-Kendall趨勢(shì)分析法對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行逐像素13年間的趨勢(shì)分析，得出整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被在不同區(qū)域的時(shí)空變化情況。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶主要是指由于生產(chǎn)條件、生產(chǎn)方式以及生產(chǎn)目標(biāo)的不同，在農(nóng)業(yè)區(qū)與牧業(yè)區(qū)的銜接處，形成的獨(dú)特而重要的過(guò)渡交界面。這個(gè)過(guò)渡界面會(huì)隨著氣候變化發(fā)生移動(dòng)的空間位移[6，7]，系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)邊際地帶，也是生態(tài)脆弱帶。對(duì)于中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域的邊界劃分有很多種方法，學(xué)者也對(duì)其邊界劃分做了一定的研究，但一般都認(rèn)為其大致沿北方400 mm降水等值線的走向，分布于中國(guó)東北、華北等地。研究區(qū)范圍是參考蘇偉等[8]所劃分的范圍（100.874°-124.773°E，34.72°-48.455°N），覆蓋黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海等10個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)）的312個(gè)縣，總面積742 727 km2，研究區(qū)如圖1所示。

1.2 ?數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 ?NDVI數(shù)據(jù) ?遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）所提供的MODIS-NDVI產(chǎn)品（https：//lpdaac.usgs.gov/products/），該植被指數(shù)經(jīng)過(guò)各種數(shù)據(jù)預(yù)處理，用于分析研究區(qū)內(nèi)的植被生態(tài)特征變化。該產(chǎn)品數(shù)據(jù)為T(mén)erra衛(wèi)星1 km×1 km空間分辨率的16 d合成的MOD13A2數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為2001-2013年。由于每年夏季為植被生長(zhǎng)最為茂盛的時(shí)期，因此選用一年中的7月中旬的每個(gè)像元的NDVI最大值MAXNDVI作為研究數(shù)據(jù)。

MAX（NDVI，j）=max1≤j≤23（NDVI（i，j））

其中，MAX（NDVI，i）為第i年的該像元最大化NDVI值，也是一年內(nèi)該像元上植被最茂盛時(shí)期NDVI值;NDVI（i，j）為第i年第j個(gè)16 d的NDVI值。

1.2.2 ?土地覆被數(shù)據(jù) ?土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源于Combined衛(wèi)星1 km×1 km空間分辨率、以年為時(shí)間分辨率的MCD12Q1數(shù)據(jù)，時(shí)間序列為2001-2012年。并且參考文獻(xiàn)[8]提出的分類體系，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地等6類。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

1.3.1 ?時(shí)空變化分析方法 ?通過(guò)分析13年時(shí)間序列上研究區(qū)內(nèi)NDVI的分布差異，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列上的植被生態(tài)特征變化規(guī)律進(jìn)行分析，采用最小二乘法擬合NDVI隨時(shí)間的變化速率和變化趨勢(shì)，確保NDVI真值與擬合值之間離差平方和達(dá)到最小值：

Q（■，■）=■（yi-■）2

式中，■為NDVI擬合值;yi為NDVI實(shí)際值;i為第i年。

1.3.3 ?Mann-Kendall趨勢(shì)分析法 ?2001-2013年的NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)一方面受到大氣和云層等的影響，另一方面受到來(lái)自氣候的影響，比如干旱和強(qiáng)降水，數(shù)據(jù)特征具有波動(dòng)性。采用Mann-Kendall方法可以增強(qiáng)方法的抗噪性，并在一定程度上提高檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]，因此該方法在以后的研究當(dāng)中應(yīng)該受到足夠的重視和利用。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，設(shè)假設(shè)數(shù)據(jù)的序列為X1，X2，…，Xn（n≥10）。定義Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為：

S=■■sign（Xj-Xi），i=1，2…n（n>10）

式中，

sign（Xj-Xi）=1，若Xj-Xi>00，若Xj-Xi=0-1，若Xj-Xi<0

趨勢(shì)變化有UF檢驗(yàn)值判斷，如下：

UF=■

式中，E（S）和Var（S）分別是S的均值和方差。

UF將組成一條序列變化曲線，如果該曲線落在置信區(qū)間（-Ua /2，+Ua /2）內(nèi)，那么原序列不存在顯著變化趨勢(shì);反之，原序列存在顯著的變化趨勢(shì)。若UF>0，表明序列具有上升趨勢(shì);UF<0則表明序列具有下降趨勢(shì)。Mann-Kendall的突變檢驗(yàn)法按上述步驟進(jìn)一步計(jì)算逆序的秩序列S統(tǒng)計(jì)量UB，UB=-UF，兩組序列構(gòu)成兩條曲線，交叉點(diǎn)如果位于信度臨界值之內(nèi)，即為滿足一定置信度的突變點(diǎn)，即為時(shí)間序列的突變區(qū)域[10]。endprint

本研究給定顯著性水平α=0.05，置信區(qū)間為（-1.96，1.96）。若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。UF落在（-1.96，1.96）區(qū)間，即當(dāng)|UF|<1.96時(shí)，變化趨勢(shì)不顯著，反之變化趨勢(shì)顯著。當(dāng)統(tǒng)計(jì)曲線UF和UB在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻或區(qū)域就是突變的開(kāi)始。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?植被生態(tài)特征時(shí)間尺度分析

由遙感數(shù)據(jù)提供的紅光波段和紅外波段產(chǎn)生的NDVI數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反應(yīng)植被的覆蓋信息，為利用遙感監(jiān)測(cè)植被生態(tài)特征變化供了條件[11]。利用NDVI的16 d最大值數(shù)據(jù)合成年數(shù)據(jù)來(lái)表示植被的變化信息，得到2001-2013年植被在時(shí)間序列上的變化圖，利用一元分段線性回歸分析模擬整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶NDVI變化趨勢(shì)，斜率表征北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被在一段時(shí)間內(nèi)覆蓋情況的變化趨勢(shì)快慢程度（圖2）。從2001-2013年這13年間，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)NDVI總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。2001-2009年間，NDVI增長(zhǎng)趨勢(shì)較為穩(wěn)定，NDVI值從2001年的0.47增加到了2010年的0.53，但在2010年出現(xiàn)了突然的下降，這與2010年前后北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶發(fā)生的嚴(yán)重干旱災(zāi)害有關(guān)，而2010-2013年，研究區(qū)內(nèi)NDVI明顯增大，到2013年為止，NDVI值達(dá)到了0.60，增長(zhǎng)速率明顯大于2001-2009年。

2.2 ?植被生態(tài)特征空間尺度分析

為綜合分析植被生態(tài)特征的時(shí)空變化規(guī)律，使用16 d NDVI合成數(shù)據(jù)，分析2001-2013年間植被覆蓋度在空間上的變化規(guī)律，主要時(shí)間點(diǎn)的空間變化如圖3所示;2001-2013年植被生態(tài)特征的空間分布變化明顯，且總體上都是逐漸向覆蓋率高的方向發(fā)展?？紤]到研究區(qū)經(jīng)緯度跨度大，下述分析按研究區(qū)在經(jīng)度的跨度大致將其分為西、中、東3部分來(lái)闡述其空間的變化規(guī)律。

NDVI值在西、中、東3段上呈現(xiàn)出不同的分布特征和變化規(guī)律特征，在西段呈現(xiàn)出由南到北遞減的趨勢(shì)，對(duì)比圖3-a和圖3-b的時(shí)間跨度變化可知，NDVI值在西段呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì);NDVI值在中段由西向東呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，并且從時(shí)間跨度變化可知，NDVI從2001年到2013年呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì);而NDVI值在東段始終保持較高的范圍，從2001年到2013年，NDVI值在東段中部呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，但是在東段的北部和南部邊界出現(xiàn)了零星的NDVI值減小明顯的點(diǎn)。整體來(lái)看，NDVI的下降幅度和范圍遠(yuǎn)小于其升高的幅度和范圍。這一趨勢(shì)說(shuō)明2001年以來(lái)，國(guó)家實(shí)施開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略，保護(hù)植被的政策[12]有關(guān)，對(duì)植被的恢復(fù)和生長(zhǎng)起了積極作用。

為進(jìn)一步分析整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶NDVI在具體空間的變化規(guī)律及植被恢復(fù)和退化的情況，本研究根據(jù)省級(jí)行政界線將整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶劃分為10個(gè)區(qū)域，包括黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海。對(duì)每個(gè)省級(jí)行政區(qū)在2001-2013年的時(shí)間序列上進(jìn)行逐像素Mann-Kendall趨勢(shì)分析，得出趨勢(shì)變化統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由表1可知，將S>0中，|UF|≥1.96和|UF|<1.96所占百分?jǐn)?shù)相加，得出整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶有96.34%的地區(qū)植被NDVI處于增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中植被NDVI呈現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)的區(qū)域占整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的6.9%，而其余89.44%處于輕微改善或不變的趨勢(shì);而整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶具有3.64%的地區(qū)植被NDVI處于減小的趨勢(shì)，有3.36%的地區(qū)植被NDVI處于輕微的下降趨勢(shì)，而0.3%的地區(qū)植被NDVI具有顯著的下降趨勢(shì)。從2001-2013年，整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶大面積植被的NDVI處于輕微增長(zhǎng)的趨勢(shì)，植被長(zhǎng)勢(shì)處于好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。分區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，NDVI明顯增大的區(qū)域主要有陜西省和黑龍江省，這兩個(gè)省所在區(qū)域內(nèi)約有22%面積的植被具有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì);甘肅、山西這兩個(gè)區(qū)域的NDVI也有明顯的增加，達(dá)到省所處農(nóng)牧交錯(cuò)帶的區(qū)域面積的15%以上。而NDVI明顯減小的區(qū)域有河北和青海，NDVI顯著減小的區(qū)域達(dá)到各省所在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶面積的0.61%和1.3%。與兩省所在區(qū)域從2001-2013年間大面積草地轉(zhuǎn)為農(nóng)用地有關(guān)，人為因素為影響植被生態(tài)變化的主要因素。這與兩個(gè)區(qū)域林地減少有關(guān)。

2.3 ?植被生態(tài)特征變化的原因分析

由于河北和青海兩區(qū)域植被退化區(qū)域面積占所在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的面積百分?jǐn)?shù)較大，所以對(duì)兩省所在區(qū)域從2001-2013年的NDVI值進(jìn)行Mann-Kendall突變分析（圖4）。由圖4a可知，青海地區(qū)自2001年以來(lái)NDVI時(shí)間序列變化一直在波動(dòng)中緩慢上升，并且在2011年和2013年UF達(dá)到兩個(gè)峰值，說(shuō)明在這兩年NDVI值出現(xiàn)了顯著的上升趨勢(shì)，這也與前述整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)NDVI在2011年突然增大的趨勢(shì)相一致。用Mann-Kendall趨勢(shì)分析方法對(duì)以上結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)，UF<1.96（0.05顯著水平），趨勢(shì)未達(dá)到顯著的水平，說(shuō)明NDVI在2001到2013年間呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)UF曲線與反序曲線UB相交點(diǎn)可知，從2002年到2008年期間，青海省的NDVI呈現(xiàn)出劇烈的突變趨勢(shì)，NDVI值呈現(xiàn)出極為不穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，這與青海區(qū)域處于高原的環(huán)境因素導(dǎo)致其生態(tài)脆弱性有關(guān)[13]。由圖4-b可知，2001到2013年間，UF在很長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)都處于小于1.96的趨勢(shì)，說(shuō)明在這13年間，河北地區(qū)NDVI呈現(xiàn)緩慢的增加趨勢(shì)，并且增加趨勢(shì)并不明顯。而其N(xiāo)DVI突變點(diǎn)為2003年和2009年，查閱文獻(xiàn)[14-19]表明這兩年河北發(fā)生了干旱災(zāi)害，干旱是導(dǎo)致在2003年和2009年NDVI發(fā)生突變的原因。

為進(jìn)一步分析北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2001-2013年植被生態(tài)特征變化的原因，采用MODIS土地覆被數(shù)據(jù)分析2001-2013年間植被覆蓋類型在空間上的變化規(guī)律，主要時(shí)間點(diǎn)的空間變化如圖5所示。endprint

由圖5可知，研究區(qū)以草地為主，耕地集中于研究區(qū)東段，林地集中于西段南部和東段南部。2001年到2013年整個(gè)研究區(qū)耕地明顯增加，主要由草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)用地，集中在研究區(qū)西段南部、東段南北邊界區(qū)域;在研究區(qū)東段北部，未利用地有明顯增加的趨勢(shì)，但是在西部地區(qū)，未利用地卻有明顯減少的趨勢(shì)。在研究區(qū)西段裸地呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，而在研究區(qū)東段呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。河北和青海兩省大面積草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)用地，這是NDVI在2001-2013年間呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)原因;從2001-2013年間青海省和河北省未利用地面積增加，所以導(dǎo)致兩省仍然有相對(duì)較大面積的NDVI值呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢(shì)。

3 ?小結(jié)與討論

本研究利用MODIS影像為數(shù)據(jù)源，利用一元線性分段回歸法和Mann-Kendall趨勢(shì)分析法，基于2001-2013年的MODIS-NDVI影像序列和土地覆被數(shù)據(jù)，研究近年來(lái)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶境內(nèi)各省所在區(qū)域植被生態(tài)特征的時(shí)空變化規(guī)律及原因，得出如下結(jié)論。①?gòu)臅r(shí)間尺度來(lái)看，2001-2013年間，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)植被處于緩慢恢復(fù)態(tài)勢(shì)，并且近三年植被恢復(fù)趨勢(shì)好于前十年。②從空間尺度來(lái)看，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被在西、中、東3段，植被生態(tài)特征分布不同，進(jìn)一步將北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶按省級(jí)行政界線劃分為10個(gè)區(qū)域，采用Mann-Kendall趨勢(shì)分析法進(jìn)行分析，整個(gè)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶有96.34%的面積的植被覆蓋處于增加的趨勢(shì)，只有3.64%面積的植被覆蓋處于減少的趨勢(shì)。③陜西和黑龍江所在區(qū)域是植被恢復(fù)面積比率最大、恢復(fù)速率最快、植被恢復(fù)情況最為明顯的區(qū)域;青海和河北的植被近年來(lái)整體處于恢復(fù)的趨勢(shì)，但是也有相對(duì)較大面積的區(qū)域植被出現(xiàn)顯著的退化趨勢(shì)。生態(tài)脆弱和人類活動(dòng)變化是導(dǎo)致青海和河北區(qū)域植被恢復(fù)相對(duì)不明顯的原因。

參考文獻(xiàn)：

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