黃土高原植被綠化時空變化特征及驅(qū)動力分析

張華留

摘 要：研究了黃土高原地區(qū)春、夏、秋三季植被綠化的時空變化特征，并進一步分析氣候變化驅(qū)動因素和人類活動對黃土高原地區(qū)植被變化的影響。研究結(jié)果表明：黃土高原地區(qū)植被NDVI在春、夏、秋三季均呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，且在夏季植被NDVI的增長趨勢最為顯著。黃土高原地區(qū)植被NDVI綠化面積分布廣泛，主要集中在中部和東部地區(qū)。降水在春、夏兩季對黃土高原植被NDVI生長較為顯著，而秋季顯著影響范圍較小。溫度對其植被NDVI生長的影響主要在春季。人類活動對黃土高原地區(qū)的植被NDVI具有積極的影響，主要得益于生態(tài)保護工程的實施。

關(guān)鍵詞：黃土高原；NDVI；時空變化；氣候變化；人類活動

中圖分類號：X87文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2023）02-0-06

0 引言

黃土高原位于黃河流域中游，是世界最大的黃土覆蓋區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境十分敏感脆弱[1]。由于過度放牧、森林砍伐等人類活動干擾以及干旱氣候的限制，黃土高原地區(qū)面臨著嚴重的植被退化、水土流失、土壤侵蝕等嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，屬于我國生態(tài)建設(shè)的重點地區(qū)[2-4]。自20世紀90年代以來，退耕還林、還草等一系列生態(tài)恢復(fù)計劃在黃土高原地區(qū)開展實施，以緩解該地區(qū)日益嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[5，6]。

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤、水和大氣的物質(zhì)能量循環(huán)中起著重要作用[7]。植被生長情況的改善可以減緩?fù)寥狼治g、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題[8]。探索黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化情況是評價該地區(qū)生態(tài)修復(fù)成效的重要指標。基于衛(wèi)星遙感的歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、生物量和土地利用密切相關(guān)，可用有效的評價區(qū)域植被生長狀況和植被覆蓋率，是監(jiān)測陸地植被變化的重要指標之一，被廣泛應(yīng)用于全球或區(qū)域的植被研究中[9]。

氣候環(huán)境和人為活動都會影響植被的空間和時間動態(tài)。因此，在本研究中，我們主要基于植被NDVI數(shù)據(jù)對1999—2019年黃土高原地區(qū)的植被覆蓋情況進行監(jiān)測與分析并探討氣候變化（溫度與降水）和人類活動對黃土高原地區(qū)植被覆蓋變化情況的影響，為該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)計劃提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原（100°54′～114°07′E，33°41′～41°07′N）位于中國中北部，黃河流域中部（圖1），是中國四大高原之一。主要包括橫跨山西、青海、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、河南等地，總面積約為640，000 km2。該地區(qū)以大陸性季風氣候為主，年平均氣溫3.6～14.3℃，年降水量從東南（800 mm）向西北（150 mm）逐漸減少，整體植被覆蓋率較低，土壤侵蝕嚴重。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究使用NDVI來表示植被的生長情況，NDVI數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），時間跨度為1999—2019年的月值數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km×1km。使用平均值合成方法來獲得1999—2019年春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）三季的NDVI季度平均數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)來自國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（https：//data.tpdc.ac.cn/），空間分辨率約為1km，

數(shù)據(jù)格式為“.nc”格式。通過使用MATLAB軟件將1999—2019年的月降水數(shù)據(jù)與月溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為“.tiff”格式，并使用平均值合成方法來獲得1999—2019年春、夏、秋三季的降水與溫度季度平均數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 趨勢分析

研究使用Slope趨勢分析方法擬合1999—2019年春、夏、秋三季植被NDVI季度平均數(shù)據(jù)斜率得到多年變化趨勢，綜合分析黃土高原地區(qū)多年植被覆蓋變化方向和速率，其計算方法如下：

式中：Slope—植被NDVI回歸方程的斜率； NDVIi—第i年植被NDVI的平均值；n—研究的時間序列長度，取值為21。

當Slope>0時，表示植被NDVI為增加趨勢；當Slope＜0時，表示植被NDVI為減少趨勢。并采用F檢驗法對植被NDVI變化趨勢進行顯著性分析，當α>0.05時，通過顯著性檢驗。

2.2 偏相關(guān)分析

在研究中考慮了溫度和降水兩個氣候因素，采用偏相關(guān)分析算法來分析研究區(qū)植被NDVI生長情況與氣候指標之間的聯(lián)系，其計算公式如下：

式中：Rxy，Rxz和Ryz—分別為植被NDVI與溫度、植被NDVI與降水、溫度與降水的相關(guān)系數(shù)；Rxy（z）—植被NDVI與溫度的偏相關(guān)系數(shù)，降水為控制變量；Rxz（y）—植被NDVI與降水的偏相關(guān)系數(shù)，溫度為控制變量。

2.3 殘差分析

在量化人類活動對植被變化的影響時，常使用殘差分析法算法，其計算方法如下：

式中：—植被NDVI的計算值；x1—溫度；x2—降水；a、b—回歸系數(shù)；c—隨機誤差。

通過植被NDVI計算值與實際值之間的差值，獲得年植被NDVI殘差并線性回歸，得到植被NDVI殘差趨勢。當殘差為正時代表人活動對植被生長為正向促進作用，而殘差為負時代表對植被生長為抑制作用。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候與植被NDVI的時空變化

如圖2與表1所示，1999—2019年，黃土高原地區(qū)植被NDVI在春、夏、秋三季均呈現(xiàn)明顯的增長趨勢（p＜0.001）。在夏季植被NDVI的增長趨勢最為明顯，是春季、秋季增速的兩倍。在1999—2019黃土高原春、夏、秋三季的植被NDVI平均值分別為0.27、0.48、0.36，春季與秋季的植被NDVI最高值與最低值年份均為2018年與1999年，分別為0.31、0.40與0.22、0.29；夏季植被NDVI平均值為0.48，植被NDVI最高的年份是2018年，為0.56，植被NDVI最低的年份是2001年，為0.38。

在空間上，1999—2019年期間黃土高原地區(qū)植被NDVI總體呈上升趨勢（圖3），面積分布廣泛，主要集中在中部和東部地區(qū)，表明隨著退耕還林、還草等工程的全面實施，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境明顯改善。在春季，83.40%的植被NDVI呈上升趨勢，69.02%植被NDVI顯著增加，16.60%植被NDVI呈下降趨勢，其中顯著下降面積占6.25%（圖3a）；對于夏季而言，94.07%的植被NDVI呈上升趨勢，81.68%植被NDVI顯著增加，僅有5.93%植被NDVI呈下降趨勢，而顯著下降只占1.95%（圖3b）；在秋季，91.69%的植被NDVI呈上升趨勢，其中72.09%植被NDVI顯著增加，8.31%植被NDVI呈下降趨勢，其中顯著下降面積占2.04%（圖3）。植被NDVI下降的地區(qū)主要集中在黃土高原西北干旱地區(qū)和陜西南部。

在時間變化上，研究分析了黃土高原地區(qū)植被NDVI在春、夏、秋三季每10年的時間尺度上變化率值的變化情況（圖4）。在春季（圖4a），隨著時間序列的推進，每10年植被NDVI變化率值變化呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，其中1999—2009年春季植被NDVI的增加速率最大，其值為0.0052/10 a，增加速率最小的年份為2004—2014年，其值為0.002/10 a，在2004年之后的每10年時間序列的植被NDVI變化率值呈逐步增加趨勢。在夏季（圖4b），每10年時間尺度上的植被NDVI的增加速率值均較高，其值分布在0.0059/10 a～0.0097/10 a，變化率值的增加趨勢呈現(xiàn)先減后增再減的波動變化，夏季每10年植被NDVI的增加速率最快的年份為2004—2014年，每10年植被NDVI的增加速率最慢的年份為2001—2011年。在秋季（圖4c），每10年空間尺度上的植被NDVI變化率值呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，其中1999—2009年秋季植被NDVI的增加速率最快，其值為0.0073/10 a，增加速率最慢的年份為2008—2018年，其值為0.0018/10 a。

如表2所示，黃土高原地區(qū)氣候在1999—2019年總體上春、夏、秋三季溫度與降水均呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，溫度上升趨勢并不顯著（p＞0.05），而降水量呈顯著增加（p＜0.05）。黃土高原降水集中在夏季，其夏季平均降水量分別約為春季與秋季降水量的3倍與2倍。夏季降水量曾在2014與2015年大幅下降，并于2015年出現(xiàn)21年來的最低降水量值，隨后繼續(xù)上升，但其增加趨勢仍然顯著，降水量的增加能緩解黃土高原干旱嚴重程度。

3.2 氣候?qū)χ脖籒DVI變化的影響

在1999—2019年期間，黃土高原地區(qū)植被NDVI與春季降水有23.17%像素的偏相關(guān)系數(shù)負（p＜0.05時為0.36%），主要位于黃土高原北部的內(nèi)蒙古草原和南部的關(guān)中平原，76.83%像素的偏相關(guān)系數(shù)為正（p＜0.05時為18.18%），29.93%的像素的偏相關(guān)系數(shù)分布在0.2～0.4；夏季降水與植被NDVI在黃土高原北部的內(nèi)蒙古草原由春季的負相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，其中有92.81%像素的偏相關(guān)系數(shù)為正（p＜0.05時為36.18%），有7.19%像素的偏相關(guān)系數(shù)負（p＜0.05時為0.03%），主要位于黃土高原南部，38.13%的像素的偏相關(guān)系數(shù)分布在0.4～0.6；秋季降水與植被NDVI有14.50%像素的偏相關(guān)系數(shù)負（p＜0.05時為0.11%），85.50%像素的偏相關(guān)系數(shù)為正（p＜0.05時為2.95%），46.56%的像素的偏相關(guān)系數(shù)分布在0～0.2。春季、夏季降水顯著促進植被NDVI生長的地區(qū)分布并不一致，春季主要位于黃土高原中部地區(qū)，而夏季主要位于北部，秋季降水對植被NDVI生長的顯著影響范圍較小。

植被NDVI與溫度偏相關(guān)系數(shù)的空間格局存在一定的空間差異。黃土高原北部部分區(qū)域，植被NDVI與溫度大的偏相關(guān)系數(shù)在春、夏、秋三季均為負相關(guān)。在春季88.40%的地區(qū)的溫度與植被NDVI呈現(xiàn)正相關(guān)（p＜0.05時為17.95%），而在夏秋季分別為71.30%和73.32%，其中呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的像素僅占1.37%和2.95%。溫度對黃土高原地區(qū)植被NDVI生長情況的影響主要在春季。

研究計算了不同植被類型的NDVI在春季、夏季、秋季與氣候因子之間的R值（圖6）。對于降水而言，所有類型的植被NDVI均與降水呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中林地、灌叢、草原、草叢、草旬、沼澤等地區(qū)的植被NDVI與降水之間的R值在春季、夏季、秋季波動均較小，荒漠地區(qū)的植被NDVI與降水之間的R值波動較大。林地、灌叢、草原、草旬等地區(qū)的植被NDVI對夏季降水最為敏感，草叢地區(qū)的植被NDVI對春季降水最為敏感，而沼澤地區(qū)的植被NDVI對秋季降水最為敏感。對于溫度而言，不同植被類型的NDVI在春季、夏季、秋季與溫度之間的R值存在正負相關(guān)關(guān)系。其中林地、灌叢、草叢、草旬等地區(qū)的溫度對植被NDVI的生長在春季、夏季、秋季均起促進作用，荒漠、草原等地區(qū)的溫度在秋季與植被NDVI呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，沼澤地區(qū)的溫度在夏季與秋季均與植被NDVI呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。其中草叢與草旬等地區(qū)的植被NDVI與降水之間的R值在春季、夏季、秋季波動均較小，林地的植被NDVI對春季與秋季的溫度較為敏感，草原與沼澤等地區(qū)的植被NDVI對春季溫度較為敏感?；哪貐^(qū)的植被NDVI與溫度和降水的R值在春季、夏季、秋季波動均較大，這可能是由于荒漠地區(qū)的植被更容易受到極端氣候的影響或受人類活動因素影響較大。

3.3 人類活動對植被NDVI變化的影響

在1999—2019年期間，植被NDVI殘差變化趨勢在春、夏、秋三季上均為正，表明人類活動對黃土高原的植被NDVI生長具有積極的正向促進作用。在春季81.44%地區(qū)的人類活動對植被生長起促進作用，18.56%地區(qū)的人為影響對植被NDVI具有負面影響；夏季93.37%地區(qū)的人類活動對植被生長起促進作用，6.63%地區(qū)的人為影響對植被NDVI具有負面影響；秋季89.34%地區(qū)的人類活動對植被生長起促進作用，10.66%地區(qū)的人為影響對植被NDVI具有負面影響。在黃土高原西北部部分區(qū)域人類活動對植被NDVI變化有負面影響作用，人類活動對黃土高原中部植被生長的正面影響相對較強，主要得益于生態(tài)保護工程的實施。

4 結(jié)論

（1）過去20多年來，黃土高原地區(qū)的植被NDVI呈顯著上升趨勢，除西北部分地區(qū)植被NDVI出現(xiàn)下降情況外，其余地區(qū)植被NDVI在春、夏、秋季均呈現(xiàn)顯著增加，面積分別為69.02%、81.68%、72.09%，植被綠化效果現(xiàn)顯著。

（2）黃土高原地區(qū)的溫度在春、夏、秋季均呈現(xiàn)不顯著小幅度上升趨勢。植被恢復(fù)可能改善了局部小氣候從而促進了降水使研究區(qū)降水量呈顯著增加，使得黃土高原干旱嚴重程度得到一定緩解。

（3）溫度和降水對黃土高原地區(qū)的植被NDVI主要起促進作用，春季降水對黃土高原中部地區(qū)植被NDVI生長較為顯著，夏季降水對黃土高原北部地區(qū)植被NDVI生長較為顯著，秋季降水對植被NDVI生長的顯著影響范圍較小。溫度對黃土高原地區(qū)植被NDVI生長情況的影響主要在春季。

（4）近20年來，人類活動對黃土高原地區(qū)的植被NDVI具有積極的影響，特別是高原東北部植被的積極影響，這主要得益于生態(tài)保護工程的實施。但是在內(nèi)蒙古西北部和陜西南部，城市擴張和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人類活動對植被干擾不可忽略。

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Abstract： In this study， the spatial–temporal evolution of the vegetation NDVI during 1999–2019 was analyzed， and the driving forces （including factors of climate and human activities） of the evolution were identified using the partial correlation coefficient analysis and residual analyses. The results showed that the vegetation cover of the Loess Plateau （LP） had exhibited an obvious increasing trend， and the increasing trend was the most significant in summer. The greening area in the Loess Plateau was mainly concentrated in the central and eastern regions. Precipitation had a significant impact on vegetation growth in spring and summer， while it had a small impact in autumn. The effect of temperature on vegetation growth was mainly in spring. Because of the implementation of ecological protection projects， human activities had a positive impact on the vegetation in most areas of the Loess Plateau.

Key words： the Loess Plateau; NDVI; spatiotemporal variation climate change; human activities