人類活動對山西高原植被覆蓋變化的影響

張 珺，程 朋，張 茹，閆美芳，任鴻瑞*

(1.太原理工大學測繪科學與技術(shù)系，山西太原 030024；2.太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西太原 030024)

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人類活動對山西高原植被覆蓋變化的影響

張 珺1，程 朋1，張 茹1，閆美芳2，任鴻瑞1*

(1.太原理工大學測繪科學與技術(shù)系，山西太原 030024；2.太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西太原 030024)

基于MODIS歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)移矩陣和線性回歸模型等方法，對2001—2013年山西高原植被活動進行了研究，并結(jié)合土地利用覆蓋數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從土地利用變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被建設(shè)三方面定量分析了人類活動對植被覆蓋變化的影響.結(jié)果表明,13年來，土地利用變化的平均面積為24 151.29 km2，占山西高原總面積的15.8%，土地利用變化引起的年INDV的平均變化占山西高原年INDV變化的16.1%.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對未變耕地區(qū)域年INDV的貢獻率約80%，進一步研究表明施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻率約為82.1%.植被建設(shè)對未變林地區(qū)域年INDV和未變草地區(qū)域年INDV的貢獻率分別為87%,85%，植被建設(shè)對林地未變區(qū)域年INDV的貢獻隨海拔升高越來越大，植被建設(shè)對低度帶草地未變區(qū)域年INDV比中度帶區(qū)域的貢獻大.

INDV；植被活動；土地利用變化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；植被建設(shè)

植被作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著主導(dǎo)作用，對保持水土、調(diào)節(jié)氣候和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有深遠的意義[1-4].在當前全球化的背景下，自然因素和人為因素對植被覆蓋變化的影響成為全球化研究的熱點問題.近年來，國內(nèi)外學者對自然因素與植被覆蓋變化的關(guān)系進行了深入研究，并取得了重要成果[5-9].山西高原地處半干旱半濕潤氣候帶，氣候條件差，水土流失嚴重[10-12].山西高原曾經(jīng)是塬面廣闊、溝壑稀少、植被繁茂的地區(qū)，但隨山西高原人口增加，環(huán)境惡化，植被減少，土壤侵蝕加劇，人類活動對山西高原植被覆蓋變化起到了重要作用.國內(nèi)外學者通過剔除自然因素，采用多種方法對人類活動與植被覆蓋變化之間的關(guān)系進行了研究[13-20]，其中，最常用的是殘差趨勢法[21]和降水利用率法[22].殘差趨勢法是利用植被指數(shù)和降水量進行回歸分析，計算出植被指數(shù)真實值和預(yù)測值之間的差值，以差值作為人為因素對植被覆蓋變化的影響；降水利用率法是根據(jù)植被指數(shù)和降水利用效率的變化趨勢以及它們兩者的關(guān)系，剔除降水量對植被植被覆蓋變化的干擾，判定人類活動對地表植被變化的影響.這些方法雖剔除了氣候變化對植被覆蓋變化的影響，得到了人類活動對其的影響，但并沒有指出影響植被覆蓋變化的具體的人類活動類型及其影響程度.

隨著遙感對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展，可實時獲取大范圍、高分辨率的影像.歸一化植被指數(shù)(INDV，Normalized difference vegetation index)是描述大尺度植被覆蓋變化的良好指標，可以準確地反映植被的覆蓋程度、生長量和生長狀況等[23-24].多時相的INDV遙感數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于大尺度植被覆蓋變化的研究[25-26].在本研究中，采用年INDV的大小來表征植被覆蓋的變化程度[27].

為深入研究人類活動對山西高原植被覆蓋變化的影響，本研究基于多時相INDV遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用覆蓋數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將人類活動進一步細化，從土地利用變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被建設(shè)三個方面分別研究人類活動對山西高原植被覆蓋變化的影響.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山西高原位于黃土高原東緣，黃河流域中段，處于34°34′～40°44′N與110°15′～114°32′E之間，北接內(nèi)蒙古，西、南隔黃河與陜西、河南兩省相望，東以太行山與河北相隔，是黃土高原的重要組成部分.山西高原是典型的以黃土覆蓋的山地高原，平均海拔1 500 m，地勢東北高西南低，境內(nèi)起伏不平，河谷縱橫，地貌復(fù)雜多樣，主要有山地、平原、丘陵和臺地.南北氣候差異明顯，氣候條件惡劣，屬溫帶大陸性季風氣候.春季氣候多變，風沙較多；夏季南長北短，降水集中；秋季短暫，天氣溫和；冬季漫長，寒冷干燥(圖1，山西省統(tǒng)計年鑒).

圖1 山西高原2013年土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品INDV數(shù)據(jù)(MOD13A3)和土地覆蓋數(shù)據(jù)(MCD12Q1).MOD13A3是每月1 km分辨率的3級正弦曲線投影網(wǎng)格產(chǎn)品INDV數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)過一系列系統(tǒng)校正，影像質(zhì)量符合研究要求.研究中使用的MOD13A3數(shù)據(jù)的時間跨度為2001—2013年，首先對該數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式投影轉(zhuǎn)換、影像裁剪和拼接、重采樣處理，得到山西高原2001—2013年空間分辨率為500 m的月INDV數(shù)據(jù)，然后對月INDV數(shù)據(jù)進行年平均處理，以年INDV作為植被活動的表征.MCD12Q1是MODIS提供的Terra和Aqua衛(wèi)星通過一年的觀測得到的土地覆蓋數(shù)據(jù)，時間分辨率為1 a，空間分辨率為500 m.研究中使用的MCD12Q1數(shù)據(jù)時間跨度為2001—2013年，對該數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式和投影轉(zhuǎn)換、影像裁剪和拼接，最終得到山西高原2001—2013年空間分辨率為500 m的土地利用數(shù)據(jù).

氣象數(shù)據(jù)為2001—2013年山西高原27個氣象站點的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng).先求取年平均溫度和年降水量，分別對年均溫和年降水量數(shù)據(jù)進行克里金空間插值，投影變換使之與INDV影像投影類型一致，得到山西高原2001—2013年年均溫和年降水量的柵格數(shù)據(jù).統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于山西省統(tǒng)計年鑒，包括2001—2013年山西省歷年農(nóng)作物產(chǎn)量、化肥施用量、有效灌溉面積等.

1.3 研究方法

在本研究中，將MCD12Q1數(shù)據(jù)中IGBP全球土地利用分類方案劃分的17類合并為6類，分別為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地.由于水體、建設(shè)用地、未利用地所占面積小，僅占2%，故只對耕地、林地、草地3種類型進行研究.

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是描述土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的一種常用分析方法，具體闡述了區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征以及前期各土地利用類型的流出方向和后期各土地利用類型的來源及構(gòu)成[28].在本研究中，利用計算得到的年INDV數(shù)據(jù)(MOD13A3)和土地覆蓋數(shù)據(jù)(MCD12Q1)，基于土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，計算山西高原2001—2013年歷年土地利用變化面積及其占山西高原總面積的比例,土地利用變化引起的年INDV變化及其占山西高原年INDV變化的比例,不同土地利用類型相互轉(zhuǎn)換面積占土地利用變化總面積的比例,不同土地利用類型相互轉(zhuǎn)換引起的年INDV變化占土地利用變化引起年INDV變化的比例等.

2 研究結(jié)果

2.1 土地利用變化與植被覆蓋變化

表1為山西高原2001—2013年土地利用變化面積，其占總面積的比例以及土地利用變化引起的年INDV變化及其占年INDV變化的比例.13年來，土地利用變化的平均面積為24 151.29 km2，占山西高原總面積的15.8%，土地利用變化引起的年INDV的平均變化占山西高原年INDV變化的16.1%.2011—2012年土地利用變化面積最大，占山西高原總面積的19.9%;2002—2003年土地利用變化面積最小，占總面積的11.2%；2007—2008年土地利用變化引起的年INDV變化最大，占山西高原年INDV變化的33.4%;變化最小在2005—2006年，占年INDV變化的7.8%.

表1 山西高原2001—2013年土地利用變化面積和所引起的年INDV變化及其所占比例

表2為山西高原2001—2013年不同土地利用類型相互轉(zhuǎn)換的面積占土地利用變化總面積的比例，以及相互轉(zhuǎn)換引起的年INDV變化占土地利用引起的年INDV變化的比例.13年來，耕地和草地相互轉(zhuǎn)換面積占土地利用變化總面積的比例最大，耕地轉(zhuǎn)向草地的年INDV變化占土地利用變化引起的年INDV變化的比例較大，但是草地轉(zhuǎn)向耕地的年INDV變化所占的比例很小.

13年間，耕地與草地相互轉(zhuǎn)化的趨勢是，在2001—2004年和2008—2013年兩個時期主要以草地轉(zhuǎn)向耕地為主，而在2004—2008年則以耕地轉(zhuǎn)向草地為主.2001—2004年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積均占土地利用變化總面積的37%以上，而耕地轉(zhuǎn)向草地的面積最少的僅占8.2%.其中2003—2004年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積占土地利用變化總面積的比例高達65.9%.2004—2008年耕地轉(zhuǎn)向草地的面積大于草地轉(zhuǎn)向耕地的面積，耕地轉(zhuǎn)向草地的年INDV變化所占的比例最大.2008—2013年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積大于耕地轉(zhuǎn)向草地的面積，耕地轉(zhuǎn)向草地的面積占土地利用變化總面積的比例在0.28%～34.6%，草地轉(zhuǎn)向耕地的面積占38.3%～47.2%.

表2 山西高原2001—2013年不同土地類型相互轉(zhuǎn)換面積占變化總面積的比例以及所引起的年INDV變化占土地利用變化引起年INDV變化的比例(%)

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與植被覆蓋變化

2.3 植被建設(shè)與植被覆蓋變化

表3 溫度和降水對未變耕地、林地和草地區(qū)域年INDV的貢獻

3 討論

3.1 土地利用變化與植被覆蓋變化

我國1999年開始實施退耕還林還草政策，在2001—2004年這段時期是政策執(zhí)行的初期，效果不明顯，從而導(dǎo)致草地轉(zhuǎn)向耕地的面積大于耕地轉(zhuǎn)向草地的面積.2003—2004年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積占土地利用變化總面積的比例高達65.9%，因為基于這一年國民經(jīng)濟發(fā)展的最新形勢，對退耕還林還草政策的年度任務(wù)進行了適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，工程重心由大規(guī)模推進轉(zhuǎn)移到成果的鞏固上來，退耕造林造草面積大大減少，導(dǎo)致這一年的草地轉(zhuǎn)向耕地的面積大大增加.

2004—2008年耕地轉(zhuǎn)向草地的面積大于草地轉(zhuǎn)向耕地的面積，同時耕地轉(zhuǎn)向草地的年INDV變化所占的比例很大，這是由于經(jīng)過前期的資金投入和政策的調(diào)整與落實，這段時期退耕還林還草工程已經(jīng)取得明顯成效.2003—2005年土地利用變化引起的年INDV變化為負值，這是由于土地利用類型轉(zhuǎn)換過程中植被的生長狀況較差.

2008—2012年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積大于耕地轉(zhuǎn)向草地的面積，可能是為鞏固退耕還林還草的成果，政府的工作重心已由大規(guī)模推進轉(zhuǎn)向成果鞏固，耕地轉(zhuǎn)向草地的面積變化穩(wěn)定，說明鞏固工作取得明顯成效.

3.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與植被覆蓋變化

從表3可以看出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對耕地未變區(qū)域年INDV的影響起主導(dǎo)作用，且這種影響較為穩(wěn)定.對自然植被來說，其生長與溫度和降水等自然因素關(guān)系密切，農(nóng)作物與自然植被不同，農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提高、農(nóng)田灌溉設(shè)施的建設(shè)和化肥的使用等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響遠大于自然因素的影響.

根據(jù)統(tǒng)計資料得到2001—2013年山西高原歷年主要農(nóng)作物產(chǎn)量、化肥施用量以及有效灌溉面積，建立主要農(nóng)作物產(chǎn)量與化肥施用量和有效灌溉面積的二元線性回歸模型.化肥施用量和有效灌溉面積對農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻率約為82.1%，這表明化肥施用量和主要灌溉面積對農(nóng)作物產(chǎn)量起著重要作用.山西省高原氣候干旱，降水集中，土壤偏堿性，氮素和腐殖質(zhì)貧乏，只有通過人工化肥施用以及灌溉才能保證農(nóng)作物的產(chǎn)量，施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響很大.

3.3 植被建設(shè)與植被覆蓋變化

從表3還可以看出，植被建設(shè)對林地未變區(qū)域和草地未變區(qū)域年INDV起主導(dǎo)作用，且這種影響較為穩(wěn)定.為了深入研究植被建設(shè)對植被覆蓋變化的影響，結(jié)合山西高原高程數(shù)據(jù)，分低、中、高3個高度帶(0～1 000 m,1 000～2 000 m,2 000～3 100 m)分別建立未變林地年INDV、未變草地年INDV與降水和溫度的二元線性回歸模型(表4-5).

表5 不同梯度下溫度和降水對未變草地區(qū)域年INDV的貢獻

從表4可以看出，2009年低度帶未變林地年INDV受植被建設(shè)影響較大，中度帶和高度帶分別在2013年和2004年受植被建設(shè)影響較大.隨著海拔升高，溫度和降水對未變林地年INDV的貢獻越來越小，植被建設(shè)對未變林地年INDV的貢獻越來越大.植被建設(shè)對中度帶未變林地年INDV的貢獻大于低度帶，可能是因為縣、市主要分布在中度帶地區(qū)，而縣、市是人類聚居的地方，導(dǎo)致低中度帶植被建設(shè)的作用比低度帶區(qū)域更強.高度帶未變林地年INDV的貢獻較大，可能是因為山西高原近年來實施“飛播”技術(shù)，而“飛播”技術(shù)成本低、功效高，便于在不易人工造林的高度帶區(qū)域大面積造林.

從表5可以看出，2008年低中度帶未變草地年INDV受植被建設(shè)影響最大.植被建設(shè)對低度帶未變草地年INDV比中度帶的貢獻大，可能是低度帶適合放牧等原因?qū)ξ醋儾莸啬闕NDV的影響.高度帶受植被建設(shè)影響最大，這也可能是因為“飛播”技術(shù)，便于在不易人工造草的高度帶區(qū)域大面積造草.

4 結(jié)論

文中利用2001—2013年MODISINDV數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用覆蓋數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料，克服以往研究的不足，從土地利用變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被建設(shè)三個方面分析了人類活動對山西高原植被覆蓋變化的影響，主要結(jié)論如下：

1)13年來，土地利用變化的平均面積為24 151.29 km2，占山西高原總面積的15.8%，土地利用變化引起的年INDV的平均變化占山西高原年INDV變化的16.1%.耕地和草地相互轉(zhuǎn)換的總面積占土地利用變化總面積的比例最大，2001—2004年和2008—2013年以草地轉(zhuǎn)向耕地為主，而2004—2008年則以耕地轉(zhuǎn)向草地為主. 2003—2004年草地轉(zhuǎn)向耕地的面積占土地利用變化總面積的比例最大，為62.3%；2007—2008年耕地轉(zhuǎn)向草地年平均INDV占土地利用年INDV變化的比例最大，為56.7%.

2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對未變耕地區(qū)域年INDV的貢獻率高達80%，2006年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對未變耕地區(qū)域年INDV的貢獻率最小，為62.3%；2008年貢獻率最大，為93.1%.進一步研究表明施肥和灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻率約為82.1%.

3)植被建設(shè)對未變林地區(qū)域年INDV和未變草地區(qū)域年INDV的貢獻率分別為87%，85%.2013年植被建設(shè)對未變林地區(qū)域年INDV的貢獻率最大，為99%；2010年植被建設(shè)對未變草地區(qū)域年INDV的貢獻率最大，為98.9%.隨著海拔升高，植被建設(shè)對未變林地年INDV的貢獻越來越大.植被建設(shè)對低度帶未變草地年INDV比中度帶區(qū)域的貢獻大.

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(責任編輯 惠松騏)

Influence of human activities on vegetation cover variations on Shanxi Plateau

ZHANG Jun1，CHENG Peng1，ZHANG Ru1，YAN Mei-fang2，REN Hong-rui1

(1.Department of Surveying and Mapping Science and Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China)

This paper investigated the vegetation cover variations on the Shanxi Plateau based on MODIS normal difference vegetation index(INDV) from 2001 to 2013 using transition matrix and liner regression methods.The influence of human activities on vegetation cover variations are also analyzed from three aspects:land use change,agricultural production,and vegetation construction,based on land use data,meteorological data,and statistical data.Results show that during 13 years,the average area of land use change is 24 151.29 km2,accounting for 15.8% of the total area on Shanxi Plateau.The average variations inINDVcaused by land use change is accounted for 16.1%.The contribution of agricultural production to annualINDVis about 80% in the unchanged area of cropland.Fertilization and irrigation plays an important role in the output of crops,and the contribution is 82.1%.The contributions of vegetation construction to annualINDVare about 87% and 85% in unchanged area of woodland and grassland,respectively.The contribution of vegetation construction to annualINDVin unchanged area of woodland is increased with increasing altitude.The contribution of vegetation construction to annualINDVin low altitude area of grassland is larger than the middle altitude area.

INDV;vegetation activity;land use change;agricultural production;vegetation construction

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.06.021

2016-03-23;修改稿收到日期:2016-05-31

山西省青年科技研究基金資助項目(2013021030-1);山西省高等學校創(chuàng)新人才支持計劃資助項目

張珺(1991—),女,山西大同人,碩士研究生.主要研究方向為遙感應(yīng)用.

E-mail:dtzhangjun23@126.com

Q 948.1

A

1001-988Ⅹ(2016)06-0118-07

*通訊聯(lián)系人，男,副教授,博士，碩士研究生導(dǎo)師.主要研究方向為遙感應(yīng)用.E-mail:hrren@126.com