山西省不同生態(tài)區(qū)NDVI時空變化及其影響因素

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州730000)

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山西省不同生態(tài)區(qū)NDVI時空變化及其影響因素

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州730000)

利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)研究了2000—2012年山西省生長季平均NDVI的時空變化特征，并分析了氣候變化和人類活動對生長季平均NDVI變化的影響。結果表明：(1) 13 a來山西省山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI均呈顯著增加趨勢，增長率分別為0.052/10 a，0.079/10 a，0.049/10 a。(2) 山西省植被變化存在明顯的空間差異，改善區(qū)占全省面積的73.76%，主要分布在太行山、太岳山、呂梁山、中條山等地區(qū)；而退化區(qū)占全省面積的3.29%，主要分布在太原盆地及臨汾盆地的邊緣地區(qū)。(3) NDVI變化是氣候變化和人類活動共同影響的結果。不同生態(tài)區(qū)NDVI對氣候變化的響應不同。其中，前一年11月至5月降水增多可能是山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)NDVI增加的主要原因，前一年12月至1月氣溫降低和2—5月降水增多可能是農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)NDVI增加的主要原因，5—9月氣溫降低和前一年11月至8月降水增多可能是汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)NDVI增加的主要原因。而人類活動對NDVI變化的影響主要表現(xiàn)在退耕還林、防護林建設、采礦、城市擴張等方面。

MODIS-NDVI; 時空變化; 氣候影響; 人類活動

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與大氣、土壤等進行著物質循環(huán)、能量轉換和信息傳遞，能夠反映其所在生態(tài)系統(tǒng)的總體環(huán)境狀況[1-4]。植被的變化一定程度上是環(huán)境發(fā)生變化的結果，而在環(huán)境條件中氣候和人類活動是植被生長的重要影響因素，因此，研究植被變化及其影響因素有助于理解陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被的動態(tài)變化規(guī)律及其與周圍環(huán)境的相互作用關系。歸一化植被指數(shù)已被證明能夠很好地表征植被生長狀況，并廣泛應用于植被覆蓋變化、生物量估測等領域[5-9]。許多學者在不同空間尺度上就植被變化及其對氣候變化的響應研究取得了大量成果[10-13]。

山西省位于黃土高原東部，自然植被破壞嚴重，水土流失、土壤肥力下降等生態(tài)環(huán)境問題突出，該地區(qū)植被變化及其與氣候變化的關系引起了國內(nèi)學者的關注。劉淼等[14]發(fā)現(xiàn)1988—2000年山西省植被覆蓋度呈下降趨勢，武永利等[15-16]發(fā)現(xiàn)1982—2006年山西省平均NDVI呈波動上升趨勢，且對氣候年際變化響應有明顯的滯后性，NDVI受降水的年際變化影響最大。為了進一步更準確地理解山西省不同生態(tài)區(qū)的植被變化特征及氣候變化和人類活動對植被變化的影響，本文利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，研究2000—2012年山西省不同生態(tài)區(qū)植被生長季NDVI時空變化，并計算氣候變化和人類活動對三個生態(tài)區(qū)植被變化的相對作用，進而分析氣候變化和人類活動對植被生長的影響。

1　數(shù)據(jù)及研究方法

1.1研究區(qū)概況

山西省位于110°14′—114°33′E，34°34′—40°43′N，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為4～14℃，年降水量為400～600 mm，從東南向西北由半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)。由于水熱組合狀況、地貌特征和植被類型等的差異，按照中國生態(tài)區(qū)劃方案，將山西省分為山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)和汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(附圖5)。其中，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)地貌類型主要為山地、丘陵和山間盆地，該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤氣候，降水較多，自然植被以落葉闊葉林和灌草叢為主。農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)地貌類型主要為山地、丘陵、黃土梁峁溝壑，該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤至半干旱氣候，雨量較少且變率較大，熱量條件優(yōu)越，地帶性植被為溫帶草原及暖溫帶落葉闊葉林。汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)地貌類型主要為汾河河谷沖積平原及黃土臺地，該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤氣候，光熱條件好，自然植被已被栽培植被所代替，現(xiàn)有的次生自然植被較少，主要為灌叢、灌草叢，分布在盆地邊緣的低山丘陵區(qū)。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

NDVI數(shù)據(jù)采用美國國家宇航局(NASA)提供的2000—2012年MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，經(jīng)過輻射校正、大氣校正、幾何精度糾正，用最大值合成法減弱云、大氣、太陽高度角等對數(shù)據(jù)精確度的影響。對遙感數(shù)據(jù)進行格式轉換、重投影、拼接、裁剪等預處理，并用非對稱高斯方法對其進行擬合，得到光滑的NDVI時間序列數(shù)據(jù)。

山西省生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http:∥www.ecosystem.csdb.cn)，分為山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)和汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)。

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)，考慮到生長季平均NDVI可能受生長季前期及同期氣候條件的影響，將前一年11月、12月以及當年1—10月作為一個生長年，采用山西省1999年11月—2012年10月氣象資料完整的17個氣象站點的逐月平均氣溫及降水量資料。其中，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)包括五臺山、原平、榆社、長治、陽城5個氣象站點；農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)包括右玉、大同、河曲、五寨、興縣、離石、隰縣7個氣象站點；汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)包括太原、介休、臨汾、侯馬、運城5個氣象站點。

1.3研究方法

1.3.1趨勢分析一元線性回歸趨勢分析能夠模擬出每個柵格NDVI的變化趨勢，進而反映區(qū)域上NDVI變化的空間分布特征[17]。本文通過Matlab計算每個柵格像元生長季平均NDVI的變化斜率，得到山西省生長季平均NDVI的空間變化特征，計算公式如下：

式中：slope——生長季平均NDVI變化的斜率；n——監(jiān)測時間段的年數(shù)；NDVIimean——第i年生長季平均NDVI。slope>0，表示在所監(jiān)測時間段內(nèi)NDVI呈增長趨勢，slope<0，則表示呈減少趨勢。根據(jù)生長季NDVI變化斜率及其范圍，將山西省各生態(tài)區(qū)植被變化劃分為嚴重退化、中度退化、輕微退化、穩(wěn)定、輕微改善、中度改善、明顯改善7個等級(表1)，進而統(tǒng)計各生態(tài)區(qū)不同變化程度地區(qū)的面積及其百分比。

1.3.2氣候變化和人類活動影響的分離山西省植被NDVI主要受氣候變化和人類活動的影響，在不考慮其他非決定影響因素的條件下，利用殘差法分離兩者的影響。首先，分別計算不同月份氣溫、降水與NDVI的相關系數(shù)，選擇最相關月份的氣溫和降水數(shù)據(jù)，結合生長季平均NDVI建立二元一次線性回歸方程(p<0.05)；然后，模擬每年每個柵格像元的NDVI回歸值，將其視作是氣候變化影響的結果，用實際觀測的NDVI真實值減回歸值得到殘差值，將其視作是人類活動影響的結果，殘差值為正，表明人類活動對植被生長起正向作用，反之則起負向作用。

表1　2000-2012年山西省植被變化分級

回歸方程公式如下：

分離氣候變化和人類活動對植被NDVI影響的公式如下：

2　結果與分析

2.1山西省不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI時空變化

分析山西省2000—2012年不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI的年際變化(圖1)可知，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)平均NDVI最高，汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)次之，農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)最低。13 a來，三個生態(tài)區(qū)NDVI均呈顯著增加趨勢。農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)NDVI增長最快，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)次之，汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)最慢，增長速率分別為0.079/10 a，0.052/10 a，0.049/10 a。

13 a來山西省生長季平均NDVI變化表現(xiàn)出明顯的空間差異(附圖6 )，統(tǒng)計全省及各生態(tài)區(qū)不同變化程度區(qū)域的面積及百分比(表2)，可以得到山西省大部分地區(qū)植被在改善，改善區(qū)(包括明顯改善區(qū)、中度改善區(qū)、輕微改善區(qū))面積占全省面積的73.76%，主要分布在太行山、太岳山、中條山、呂梁山等地區(qū)；植被退化區(qū)(包括嚴重退化區(qū)、中度退化區(qū)、輕微退化區(qū))面積占全省面積的3.29%，主要分布在太原盆地、臨汾盆地邊緣地區(qū)；植被穩(wěn)定區(qū)占全省面積的22.95%，主要分布在中條山東部及東北部、長治盆地、太原盆地等地區(qū)。

圖1不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI年際變化

不同生態(tài)區(qū)植被變化的狀況不同。山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)改善區(qū)面積為全區(qū)面積的65.96%，退化區(qū)面積為3.19%；農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)改善區(qū)面積為全區(qū)的87.29%，退化區(qū)為1.21%；汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)植被改善區(qū)面積占全區(qū)面積的56.24%，退化區(qū)為全區(qū)的11.38%。

2.2氣候變化和人類活動對生長季平均NDVI的相對作用大小

由于山西省植被退化區(qū)占全省面積的比例較小(3.29%)，本文僅探討在改善區(qū)氣候變化和人類活動對植被的相對作用。兩者的相對作用大小通過計算生長季平均NDVI回歸值和殘差值對真實值的貢獻率得到。經(jīng)計算，氣候變化在山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的相對作用分別為45.07%，24.25%，43.72%，而人類活動的相對作用分別為54.93%，75.75%，56.28%。同時氣候變化與人類活動對植被改善的相對作用表現(xiàn)出明顯的空間分異(圖2)，氣候變化對植被改善起主導作用(氣候變化的相對作用大于50%)的地區(qū)主要分布在恒山、五臺山、太行山、呂梁山及中條山西段，而人類活動起主導作用(人類活動的相對作用大于50%)的地區(qū)主要分布在山西省的西北部及東南部地區(qū)。

結果表明，山西省植被的改善是氣候變化和人類活動共同作用的結果，而各個生態(tài)區(qū)植被改善受人類活動的影響相對氣候變化來說較大。

2.3氣候變化對不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI變化的影響

2.3.1山西省不同生態(tài)區(qū)氣候變化特征由圖3可知，13 a來山西省各個生態(tài)區(qū)的氣候變化特點存在差異。山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)平均氣溫和降水量的年際變化均表現(xiàn)為不顯著的下降趨勢，年平均氣溫的變化率為-0.475℃/10 a，年降水量的變化率為-10.356 mm/10 a。農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)年平均氣溫呈不顯著的下降趨勢，變化率為-0.124℃/10 a；年降水量則呈不顯著的增加趨勢，變化率為56.269 mm/10 a。汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)年平均氣溫呈不顯著的下降趨勢，變化率為-0.334℃/10 a；而年降水量則呈不顯著的增加趨勢，變化率為32.903 mm/10 a。從年平均氣溫的下降速率來看：山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)>汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)>農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)；而年降水量變化率為：農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)>汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)>山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)。

表2　不同生態(tài)區(qū)植被變化狀況及百分比

圖2山西省氣候變化與人類活動對改善區(qū)植被相對作用的空間分布

2.3.2氣候變化對生長季平均NDVI的影響將山西省各個生態(tài)區(qū)前一年11月至當年10月的月平均氣溫、月降水量資料整理成不同開始時間、不同時間間隔的平均氣溫、降水量數(shù)據(jù)，計算不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI與各區(qū)域氣溫、降水的相關系數(shù)，并列出最相關的月份(表3)。

由表3可知，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI與前一年11月至當年5月降水呈顯著正相關，可能是由于該區(qū)屬于半濕潤季風氣候區(qū)，該時期降水較多可以使得土壤中儲存較多的水分，為植被生長提供較好的水分條件，有利于植被生長。

農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI與前一年12月至1月氣溫呈顯著負相關，可能是由于該段時間較高的氣溫使得蒸發(fā)相對加強，導致土壤中可儲存的水分相對減少，植被返青時可利用水分不足，抑制植被的生長，另外，該時期較高的氣溫可能會使得一部分害蟲存活下來，在植被生長時會對其產(chǎn)生不利影響；同時該區(qū)平均NDVI與2—5月降水呈顯著正相關，可能是由于2—5月是植被生長季前期及返青期，較多的降水可以為植被生長提供必要的水分條件。

圖3不同生態(tài)區(qū)年平均氣溫及年降水量變化

汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI與5—9月氣溫呈顯著負相關，而與前一年11月至當年8月降水呈顯著正相關，可能是由于該生態(tài)區(qū)為谷地地形，背景氣溫高(2000—2012年年平均氣溫為12.75℃)，在植被生長的旺盛期，氣溫過高可能會對植物的生長產(chǎn)生負向脅迫。同時氣溫高導致蒸發(fā)強烈，較多的降水可彌補蒸發(fā)而損失的水分，緩減高溫對植被生長的抑制作用。另外，該生態(tài)區(qū)雖然有汾河流經(jīng)可以以河水灌溉，但該區(qū)是城市、工業(yè)、人口密集區(qū)，城市化及工業(yè)化的快速發(fā)展，使得城市用水及工業(yè)用水大大增加，用于農(nóng)業(yè)灌溉的水量受到限制，導致該區(qū)植被的生長仍然對降水變化敏感。

表3　不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI與氣溫和降水的相關性

注：*代表0.05置信度水平，**代表0.02置信度水平，***代表0.01置信度水平。

2.4人類活動對生長季平均NDVI變化的影響

2000—2012年山西生長季平均NDVI的增長除受氣候變化的影響外，人類活動對其作用更大。分析山西省生長季平均NDVI殘差變化趨勢(附圖7)可知，人類活動對生長季平均NDVI的影響存在明顯的空間差異。人類活動對生長季平均NDVI起正向作用(斜率大于0)的地區(qū)占研究區(qū)面積的71.8%，主要分布在山西西部、西北部地區(qū)及中條山東部、太原盆地以東地區(qū)。具體來說，人類活動對山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI起正向作用的地區(qū)占所對應生態(tài)區(qū)面積的百分比分別為54.5%，84.6%，64.7%。尉文龍等[18]研究發(fā)現(xiàn)呂梁林區(qū)實施的封山育林工程，明顯促進了森林的更新和繁衍速度。同時，20世紀三北防護林建設、退耕還林還草等工程的開展使得植被恢復效果顯著，改善了生態(tài)環(huán)境，為植被生長提供了良好的條件，而自然保護區(qū)的建設也對植被的保護起到了積極的作用[19-21]。山西西部河谷地區(qū)人類活動促進植被改善，可能與農(nóng)業(yè)技術水平的提高以及化肥、農(nóng)藥等的合理使用有關。

同時，人類活動對生長季平均NDVI起負向作用(斜率<0)的地區(qū)占研究區(qū)面積的21.2%，主要分布在五臺山、太岳山、太行山及大同盆地、太原盆地、長治盆地、臨汾盆地、運城盆地的部分地區(qū)。對山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI起負向作用的地區(qū)占所對應生態(tài)區(qū)面積的百分比為45.5%，15.4%，35.3%。張健雄[22]研究發(fā)現(xiàn)長治礦區(qū)由于采礦造成的礦區(qū)沉陷一定程度上對地表覆被的生長狀況產(chǎn)生負向作用。另外，城市擴張以及交通等基礎設施建設也是導致NDVI下降的重要原因[21]。

3　結 論

(1) 近13 a山西省三個生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI均呈顯著增加趨勢，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的年際變化率分別為0.052/10 a，0.079/10 a，0.049/10 a。

(2) 山西省大部分地區(qū)植被在改善，改善區(qū)面積占全省面積的77.3%，主要分布在太行山、太岳山、呂梁山、中條山等地區(qū)；退化區(qū)占3.29%，主要分布在太原盆地、臨汾盆地的邊緣地區(qū)；穩(wěn)定區(qū)為22.95%，主要分布在中條山東部及東北部、長治盆地、太原盆地等地區(qū)。

(3) 山西省NDVI變化是氣候變化與人類活動共同作用的結果，而受人類活動的影響較大。在植被改善區(qū)，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)受人類活動影響的相對作用分別為54.93%，75.75%，56.28%。

(4) 不同生態(tài)區(qū)生長季平均NDVI對氣候變化的響應存在差異。在氣溫方面，農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)NDVI分別與前一年12月至1月、5—9月氣溫呈顯著負相關；在降水方面，山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、汾河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)植被分別與前一年11月至當年5月、2—5月、前一年11月至當年8月降水呈顯著正相關。

(5) 人類活動對植被NDVI變化的影響表現(xiàn)為正負兩方面的作用，并且存在明顯的空間分異。大部分地區(qū)人類活動均有利于植被生長(71.8%)，在農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)人類活動的積極作用表現(xiàn)最為突出，面積百分比為84.6%。退耕還林還草、封山育林、防護林建設等生態(tài)工程的實施以及農(nóng)業(yè)技術和生產(chǎn)方式的改進有利于植被改善，而采礦、城市擴張、基礎設施建設等則會導致植被退化。

在研究植被NDVI與氣候變化的關系時，考慮了氣溫和降水兩個氣候要素，此外，太陽輻射、光照、土壤等環(huán)境條件也會對植被NDVI變化產(chǎn)生影響，今后的研究可以結合多環(huán)境要素來全面分析植被對氣候變化的響應，深入探索植被與環(huán)境的相互作用機理。

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Spatiotemporal Variation of NDVI and Its Influence Factors in Different Ecological Districts, Shanxi Province

TONG Limian, ZENG Biao, WANG Xin

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Spatiotemporal variation of growing-season average NDVI in Shanxi Province was analyzed based on MODIS-NDVI during the period from 2000 to 2012, and the influence of climate change and human activities impacting on vegetation growth were discussed. The result showed that: (1) the growing-season average NDVI of three ecological districts in Shanxi Province which were the Mountain Deciduous Broad-leaved Forest Ecological District, the Agriculture and Grassland Ecological District and the Fen River Valley Agricultural Ecological District showed a significant increase trend; the growth rates of three ecological districts were 0.052/decade, 0.079/decade and 0.049/decade, respcectively; (2) there were obvious spatial differences about vegetation change in Shanxi Province, the greening area accounted for 73.76% of the total area that was mainly distributed in Taihang Mountain, Taiyue Mountain, Lüliang Mountain, Zhongtiao Mountain, the degraded area accounted for 3.29% of the total area that was mainly distributed in the edge of Taiyuan Basin and Linfen Basin; (3) both climate change and human activities were important factors on vegetation variation. Different districts had different responses to climate change. Increasing precipitation from November to May probably was the main reason for average NDVI increase in the Mountain Deciduous Broad-leaved Forest District. Decreasing temperature from December to January and increasing precipitation from February to May probably were the main reasons for average NDVI increase in the Agriculture and Grassland District. Decreasing temperature from May to September and increasing precipitation from November to August probably were the main reasons for average NDVI increase in the Fen River Valley Agricultural District. In addition, the impacts of human activities on the NDVI changes mainly were observed in forestland shifted from the cropland, shelter forest construction, mining, urban expansion.

MODIS-NDVI; spatiotemporal variation; climate influence; human activities

2015-07-22

2015-11-20

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金項目(J1210065);蘭州大學地理學基地科研訓練及科研能力提高項目

仝莉棉(1992—),女,山西晉城人,碩士研究生,研究方向為全球變化與區(qū)域響應。E-mail:tonglm14@lzu.edu.cn

曾彪(1979—),男,湖北京山人,副教授,主要從事全球變化與區(qū)域響應研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948.1

A

1005-3409(2016)03-0071-06