2000-2019年呂梁市植被NDVI時(shí)空動態(tài)及其影響因素分析

李孟蔚, 欒 青, 張 寧, 常 清, 樊子菡, 楊 倩, 趙永強(qiáng), 米曉楠

(1.山西省氣候中心, 太原 030006; 2.山西省氣象信息中心, 太原 030006;3.山西省氣象服務(wù)中心, 太原 030002; 4.山西省林業(yè)和草原工程總站, 太原 030001)

在地球生態(tài)系統(tǒng)中，某一區(qū)域植被的生長變化可以反映出該地區(qū)地氣系統(tǒng)收支平衡和生態(tài)環(huán)境變化的情況，揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境和人類活動的相互影響以及相互反饋?zhàn)饔肹1]。隨著人與自然的和諧發(fā)展，研究植被變化與氣候因子、人類活動的需求越來越迫切，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)廣泛應(yīng)用于評價(jià)植被生長發(fā)育和環(huán)境生態(tài)變化等方面。在遙感圖像中，NDVI定義為近紅外波段和紅光波段反射率的差與其兩者之和的比值，也是了解植被覆蓋情況、地球生態(tài)系統(tǒng)水汽能量收支過程，闡明人類活動和環(huán)境之間關(guān)系的一種重要表現(xiàn)因子[2-6]。環(huán)境因子包括植被生長發(fā)育所必需的氣溫、降水等氣候因子，對植被的生長發(fā)育有著重要的影響[7-10]，同時(shí)人類活動也影響著植被生長變化。對氣候因子、人類活動和植被生態(tài)環(huán)境變化關(guān)系分析時(shí)，歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集成為其研究主要的數(shù)據(jù)來源。

呂梁山區(qū)是黃河中游重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，山西省重要的生態(tài)屏障區(qū)，因其地處黃土高原，生態(tài)環(huán)境脆弱，受氣候因子和人類活動的雙重影響植被覆蓋相對較低，加重了水土流失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，呂梁市25度以上陡坡地占全市耕地面積的1/3，全市水土流失面積達(dá)1.47萬km2，占全市總面積的七成以上，所以提高植被覆蓋度、改善植被生長狀況是該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵措施[11-12]。研究植被覆蓋變化狀況及其與氣候因子變化和人類活動的關(guān)系，對進(jìn)一步加強(qiáng)呂梁山區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)許多學(xué)者對呂梁山、黃土高原、黃河流域沿岸植被變化開展了大量的研究，結(jié)果表明，呂梁山區(qū)植被覆蓋狀況總體呈改善趨勢[13-14]。劉綠柳等[15]認(rèn)為多年平均降水對黃土高原東部植被、黃河上游植被改善的促進(jìn)作用最大；徐茜[11]、范倩倩[12]、康悅[16]、何航[17]等的研究顯示太行山區(qū)黃土高原北部NDVI呈顯著增加趨勢，NDVI與氣溫、降水整體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。植被長勢的時(shí)空分布動態(tài)不僅與氣候變化息息相關(guān)，而且與人類經(jīng)濟(jì)活動有著密切聯(lián)系[18-24]，2000年以來，呂梁市開展了大規(guī)模的退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)修復(fù)活動，植被生態(tài)狀況得到了明顯改善[25]。

目前，關(guān)于呂梁市植被變化的研究，大多學(xué)者采用植被指數(shù)的變化來反映，但大部分所涉及區(qū)域僅為黃土高原的局部地區(qū)，且時(shí)間序列長短不一，不能很好地說明呂梁市植被生態(tài)的整體變化情況，未能定量給出氣候因子和人類活動對植被恢復(fù)的作用。為此，本文利用2000—2019年呂梁市年均NDVI數(shù)據(jù)對其植被生態(tài)進(jìn)行時(shí)空分布特征分析，并較詳細(xì)探究主要?dú)夂蛞蜃?氣溫、降水)與NDVI的相關(guān)性，評估呂梁市植被生長變化情況及其與氣候變化的關(guān)系，進(jìn)一步剝離氣候因子(氣溫、降水)對植被長勢變化的影響后，討論人類活動過程對呂梁市植被生長變化的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呂梁市(36.72°—38.72°N，110.37°—112.32°E)地處黃河流域山西段中部(圖1)，平均海拔約為1 200 m，總面積2.1萬km2，地勢呈東西低，中部高的特點(diǎn)。呂梁市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明，雨熱同步、光照充足的特征。年平均氣溫7～12℃，年降水量380～650 mm，年際變化較大，主要集中在7—9月。植被類型主要從南到北以暖溫帶櫟類楊樺闊葉雜木林逐步過渡到華北落葉松和油松為主的針葉混交林。呂梁市為黃河中游重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，是山西省重要的生態(tài)屏障區(qū)，生態(tài)區(qū)位優(yōu)勢明顯，植被改善對呂梁市的全面發(fā)展發(fā)揮著重要的生態(tài)服務(wù)和保障作用。

圖1 研究區(qū)域及地面氣象觀測站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，主要為2000—2019年月合成的植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13A3)，空間分辨率為1 km，在ENVI遙感圖像處理軟件中利用最大值合成法生成年NDVI數(shù)據(jù)集。氣象資料包括研究區(qū)內(nèi)13個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2019年的逐日氣溫與逐日降水量，來源于山西省氣象信息中心，并用克里金插值到與NDVI相同的空間分辨率。

1.3 研究方法

本文采用ENVI 5.3遙感圖像處理系統(tǒng)對MOD13A3數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域裁剪、數(shù)據(jù)合成及趨勢分析等處理，利用ArcGIS 10.5地理信息系統(tǒng)軟件制圖。

1.3.1 趨勢分析 slope是某時(shí)間段內(nèi)，變量年際變化最小次方的線性回歸方程的斜率。反映了變量上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

(1)

式中:slope為多年NDVI的線性傾向值;i為年序號(i=1表示2000年,i=2表示2001年,…);xi為第i年的NDVI值;n為時(shí)間序列長度。

1.3.2 相關(guān)分析 相關(guān)分析用于揭示不同因素之間相互關(guān)系的密切程度，簡單的相關(guān)分析是對兩個(gè)因素之間相關(guān)程度的度量，用相關(guān)系數(shù)(Pearson相關(guān)系數(shù))來表征。但本文分析的植被生長與氣溫和降水都有關(guān)系，因此，為準(zhǔn)確分析NDVI與氣溫以及NDVI與降水的相關(guān)性，采用偏相關(guān)分析法，消除第3個(gè)因素的影響，得出兩個(gè)因素之間的相關(guān)性?；谙裨嚓P(guān)性分析法分別計(jì)算NDVI與氣溫和降水的偏相關(guān)系數(shù)，顯著性檢驗(yàn)采用T檢驗(yàn)法分析。研究某一個(gè)因素與幾個(gè)因素之間的相關(guān)關(guān)系采用復(fù)相關(guān)分析法，基于像元相關(guān)性分析計(jì)算植被NDVI與氣溫-降水之間的復(fù)相關(guān)系數(shù)，顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)法。

1.3.3 殘差分析 假設(shè)只有2個(gè)氣候因子(氣溫和降水)對植被生長變化有影響，利用2000—2019年NDVI和氣溫、降水的關(guān)系建立線性回歸方程，得出NDVIb(表示只受氣溫、降水影響下的植被變化)：

NDVIb=a+k1x1+k2x2+ε

(2)

式中:ε為隨機(jī)誤差;a為常數(shù);x1為年降水量(mm);x2為年均氣溫(℃);k1，k2為NDVI與降水、氣溫的回歸系數(shù)。

基于上述預(yù)測值NDVIb，通過殘差法從實(shí)際值NDVIa中分離出人類活動對植被生長變化的影響，從而定量研究人類活動貢獻(xiàn)率。公式如下：

σ=NDVIa-NDVIb

(3)

σ<0表示人類活動對植被有消極影響；σ>0表示人類活動對植被有積極影響；將殘差序列做趨勢分析[26]，探究2000—2019年人類活動對呂梁市植被生長變化的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI的變化趨勢

通過對呂梁市多年年平均NDVI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，2000—2019年呂梁市年均NDVI變化范圍介于0.30～0.417，平均值為0.37，最大值出現(xiàn)在2018年，超過平均值12.7%，最小值出現(xiàn)在2000年為0.30，低于平均值18.9%。2000—2019年呂梁市年均NDVI呈現(xiàn)波動增加趨勢，趨勢傾向率為0.005 6/a，2018年達(dá)到最大值后在高位波動(圖2)。

圖2 2000-2019年呂梁市年平均NDVI變化

從2000—2019年區(qū)域植被NDVI變化趨勢分級統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，近20 a來，區(qū)域植被改善面積(slope>0)為20 789.46 km2，占總面積的96.32%，植被退化面積(slope<0)為794.61 km2，占總面積的3.68%，表明2000—2019年呂梁市大部分地區(qū)植被生長狀況得到改善。盡管呂梁市2000—2019年近20 a的NDVI在整體上呈顯著增加趨勢，但各區(qū)域之間具有較強(qiáng)的空間差異性規(guī)律(圖3)。整體來看，中部呂梁山區(qū)NDVI高，呂梁山脈東西兩側(cè)NDVI低。在呂梁市大部分地區(qū)，NDVI的變化趨勢呈明顯的上升趨勢(圖4)，說明近20 a來呂梁市的植被情況得到較好改善。呂梁山脈西部沿黃地區(qū)植被生存條件比較惡劣，土地沙漠化嚴(yán)重，導(dǎo)致該區(qū)域植被覆蓋較低。經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較快的呂梁山脈東南部盆地區(qū)域，如交城、文水、汾陽、孝義等環(huán)省城太原周邊縣(市)，NDVI呈減少趨勢。NDVI的減少顯然與快速的城鎮(zhèn)化發(fā)展過程、省城工礦企業(yè)外遷有著密切的關(guān)聯(lián)。呂梁山脈等地NDVI呈現(xiàn)增加趨勢，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。

2.2 2000-2019年NDVI與氣候因子的關(guān)系

逐像元計(jì)算2000—2019年呂梁市植被NDVI與降水、氣溫之間的偏相關(guān)系數(shù)，結(jié)果顯示植被NDVI對氣候因素的響應(yīng)具有明顯的空間差異性。NDVI與年平均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.73～0.73(圖5A)，通過p<0.05的顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域僅占4%，呈正相關(guān)區(qū)域占總面積的73%，主要集中分布在呂梁市中部的呂梁山區(qū)；呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積的27%，主要分布在呂梁市各市縣城市周邊區(qū)域。植被NDVI與年降水的偏相關(guān)系數(shù)介于-0.60～0.79(圖5B)，植被NDVI與年降水呈正、負(fù)相關(guān)的面積分別占總面積的96%和4%；通過p<0.05的顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占55%，主要分布在呂梁市西部沿黃地區(qū)，其中通過p<0.01檢驗(yàn)的區(qū)域面積占21%，主要分布在興縣南部和臨縣的大部分地區(qū)?？梢姡瑓瘟菏兄脖蛔兓芙邓绊懘笥跉鉁?。

由NDVI與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)空間分布(圖6A)得出，復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0～0.5，復(fù)相關(guān)性經(jīng)F顯著性檢驗(yàn)呈顯著(p<0.05)的區(qū)域占總面積的38%，8%的區(qū)域相關(guān)性極顯著(p<0.01)，主要集中在呂梁市西北部沿黃地區(qū)(圖6B)。

圖3 2000-2019年呂梁市多年平均NDVI空間分布

圖4 2000-2019年平均NDVI變化趨勢

圖5 2000-2019年NDVI與年平均溫度、年降水量相關(guān)性的空間分布

2.3 人類活動對植被覆蓋變化的影響

2000年以來，呂梁市大部分地區(qū)人類活動對植被覆蓋的影響強(qiáng)度有逐漸增強(qiáng)的趨勢，人類活動對植被覆蓋影響主要存在兩個(gè)方面：(1) 對植被NDVI的增加人類活動起到促進(jìn)的作用，即人類活動的積極影響；(2) 對植被NDVI人類活動起到抑制的作用，即人類活動的消極影響。

2000—2019年人為因素對植被變化的影響趨勢表明，人類活動對植被變化響應(yīng)的空間分布特征與 NDVI的多年變化趨勢一致。NDVI的變化除了響應(yīng)氣候因子的變化外，一定程度上也反映出人類活動的影響。呂梁市95%區(qū)域人類活動表現(xiàn)出積極影響效應(yīng)(圖7)，NDVI殘差顯著增加(人類活動積極影響)的區(qū)域，植被的生長發(fā)育狀況不能只用降水、氣溫等氣候因子的變化來解釋，人類活動過程在其中產(chǎn)生很大作用。

通過文獻(xiàn)查閱、新聞報(bào)道等選取呂梁市各縣(市、區(qū))植樹造林點(diǎn)25個(gè)，提取各造林點(diǎn)2000—2019年NDVI傾向率(圖8)，結(jié)果顯示：因呂梁市東部的交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市和交口縣植樹造林面積相對較小，植樹造林點(diǎn)NDVI傾向率較小，最小值為0.005；呂梁市中西部其余縣(市、區(qū))植樹造林面積大，植樹造林點(diǎn)NDVI傾向率較高，最小值為0.007。因此，將呂梁市東部縣(市、區(qū)，交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市和交口縣)NDVI傾向率大于0.005的區(qū)域表示為該區(qū)域植樹造林區(qū)，將呂梁市中西部的其余縣(市、區(qū))NDVI傾向率大于0.007的區(qū)域表示為中西部植樹造林區(qū)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各縣(市、區(qū))植樹造林區(qū)域面積，并與2000—2019年造林實(shí)際累積面積進(jìn)行對比分析(表1)，結(jié)果顯示：基于NDVI傾向率提取的呂梁市東部縣(市、區(qū))植樹造林區(qū)域面積與實(shí)際造林面積誤差相對較大，其中文水縣誤差最大，相對誤差為-65.77%；中西部各縣(市、區(qū))基于NDVI傾向率提取的植樹造林面積與實(shí)際造林面積的誤差均較小，相對誤差絕對值均小于10%。綜合上述指標(biāo)，繪制呂梁市累積造林面積空間分布圖(圖9)，可見造林區(qū)域主要分布在西部沿黃地區(qū)和中部呂梁山區(qū)，其中興縣和臨縣2000—2019年累積造林面積大于920 km2。

圖6 2000-2019年植被NDVI與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)及其F顯著性檢驗(yàn)結(jié)果空間分布

圖7 2000-2019年人類活動對植被變化影響的空間分布

通過對呂梁市各縣(市、區(qū))的每年累積造林面積與植被NDVI之間的相關(guān)分析(表1)，呂梁市各縣(市、區(qū))逐年累積造林面積與植被NDVI之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，說明生態(tài)建設(shè)工程在呂梁市植被覆蓋增加中發(fā)揮了主要作用。

圖8 呂梁市造林點(diǎn)空間分布

3 討 論

呂梁市植被NDVI增加的主要?dú)夂蛞蛩厥墙邓?，主要人為原因是退耕還林還草等一系列生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施，這與于璐[26]、夏露[27]、劉詠梅[28]等的研究結(jié)論一致。呂梁市各個(gè)區(qū)域不同植被類型并不是都與氣候因子(氣溫、降水)呈顯著相關(guān)性。植被生長不僅受到氣溫、降水等氣象條件的影響，同時(shí)還與該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)狀況、土地類型和當(dāng)?shù)卣叩确矫婢o密相關(guān)，植被的生長發(fā)育是受到多種因素共同作用的結(jié)果。本文僅對氣溫和降水氣候因素進(jìn)行相關(guān)分析，使用殘差法探究氣候因素和人類活動對呂梁市植被變化的影響，而未分析氣候因子對植被生長發(fā)育的滯后性影響，其計(jì)算結(jié)果存在不確定性，有待進(jìn)一步研究。

表1 呂梁市2000-2019年累積造林面積、提取造林面積對比和年均NDVI與累積造林面積的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9 呂梁市2000-2019年實(shí)際累積造林面積和

2000年以來，呂梁市實(shí)施退耕還林還草等生態(tài)修復(fù)工程，促進(jìn)了呂梁市植被恢復(fù)，呂梁市NDVI也顯著增加，生態(tài)修復(fù)工程逐漸突出其生態(tài)效應(yīng)。但是，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的區(qū)域人類活動對植被NDVI的增長產(chǎn)生消極影響，如呂梁山脈東南部盆地區(qū)域[交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市、交口縣等環(huán)省城太原周邊縣(市)]，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市周邊的農(nóng)田被占用變?yōu)楣I(yè)建設(shè)用地來支持城鎮(zhèn)化擴(kuò)張運(yùn)動，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)城市的周邊區(qū)域植被NDVI顯著減少?；贜DVI傾向率統(tǒng)計(jì)的呂梁市東部縣(市、區(qū))植樹造林區(qū)域面積與實(shí)際造林面積誤差相對較大，可能與造林受氣候影響的成活率有關(guān)，與實(shí)際造林面積的抽樣調(diào)查的統(tǒng)計(jì)誤差有關(guān)，也可能與該區(qū)域快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化進(jìn)程有關(guān)，因此，要詳細(xì)給出確切的植樹造林區(qū)域需進(jìn)一步利用較高空間分辨率衛(wèi)星資料進(jìn)行解譯。隨著生態(tài)建設(shè)工程效益的充分體現(xiàn)，呂梁市NDVI趨于一定高點(diǎn)，東南部平原地區(qū)工業(yè)化城鎮(zhèn)化發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的壓力越來越大。未來如何緩解NDVI的下降趨勢，密切關(guān)注NDVI穩(wěn)定性差的區(qū)域，鞏固退耕還林成果，是呂梁市生態(tài)保護(hù)建設(shè)仍需關(guān)注的重要問題。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2019年呂梁市NDVI呈現(xiàn)波動增加趨勢，2018年達(dá)到最大值后在高位波動。呂梁市植被高覆蓋地區(qū)主要分布在呂梁山山區(qū)。呂梁市NDVI增加區(qū)域面積占總面積的96.32%，減少的區(qū)域僅占3.68%。

(2) 2000—2019年呂梁市NDVI與年降水量、年平均氣溫相關(guān)系數(shù)均呈正相關(guān)。NDVI與氣溫呈正相關(guān)的面積占總面積的73%；呈負(fù)相關(guān)的面積占27%；NDVI與降水量呈正、負(fù)相關(guān)面積分別占總面積的96%，4%。NDVI與降水量的偏相關(guān)性略高于其與年平均氣溫的偏相關(guān)性，植被生長受降水的影響強(qiáng)于氣溫。呂梁市38%以上區(qū)域植被NDVI與氣溫-降水復(fù)相關(guān)性通過0.05顯著水平檢驗(yàn)。

(3) 除了氣候因素對呂梁市植被NDVI的作用外，人類活動對其95%區(qū)域植被生長變化產(chǎn)生積極的影響，其中退耕還林還草等生態(tài)修復(fù)工程是呂梁市植被增加主要的人類積極影響活動。