賀蘭山2000 — 2020年NDVI時空變化及驅動力分析

摘要：通過研究賀蘭山植被指數的時空變化特征，定量評估賀蘭山植被的影響因素，對科學評價賀蘭山生態(tài)治理工程效益和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復及其可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論和指導?；谘芯繀^(qū)NDVI數據、年均氣溫、降水量數據及其他數據，采用趨勢分析和皮爾遜（Pearson）相關分析、多元回歸殘差分析方法，從時間和空間尺度研究了賀蘭山2000 — 2020年NDVI的變化特征，分析了影響NDVI變化的主要驅動力。結果表明，21 a間，賀蘭山NDVI整體呈現波動上升趨勢，NDVI改善趨勢明顯；空間分布整體呈西南高東北低的變化特征，賀蘭山中部地區(qū)退化趨勢明顯；降水增加、生態(tài)環(huán)境保護政策的支持是賀蘭山NDVI變化的主要驅動因素，21 a來NDVI變化與年均氣溫、累計降水量變化均呈單峰型變化趨勢。整體來看，NDVI與氣溫、累計降水均呈波動上升的變化趨勢。

關鍵詞：賀蘭山；NDVI；時空變化特征

中圖分類號：TU984.113" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2097-2172（2025）02-0171-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2025.02.013

Spatio-temporal Changes and Driving Forces of NDVI in

Helan Mountains from 2000 to 2020

MA Hai 1， ZHANG Qiang 2， LI Jinyu 3， LU Jiaxin 1， LI Yujia 1， CHEN Xiaolan 1， CHEN Zhirong 1

（1. College of Resources， Environment and Life Sciences， Ningxia Normal University， Guyuan Ningxia 756000， China;

2. Secondary School Affiliated to Ningxia Normal University， Guyuan Ningxia 756000， China;

3. Jingyuan County Weather Bureau， Jingyuan Ningxia 756400， China）

Abstract： This study investigated the spatio-temporal variation characteristics of vegetation index （NDVI） in the Helan Mountains， providing a quantitative evaluation of the factors affecting vegetation and offering significant theoretical and practical guidance for evaluating the effectiveness of ecological restoration projects and sustainable development in the region. Using NDVI data， annual average temperature， precipitation data， and other data from the study area， trend analysis， Pearson correlation analysis， and multiple regression residual analysis were employed to study the changes in NDVI from 2000 to 2020 in the Helan Mountains， examining the main driving forces behind the NDVI variations on both temporal and spatial scales. Results showed that over the 21 years， the NDVI in the Helan Mountains exhibited a fluctuating upward trend， with a significant improvement in NDVI. The spatial distribution showed a general pattern of higher values in the southwest and lower values in the northeast， with noticeable degradation in the central part of the Helan Mountains. Increased precipitation and the support of ecological environment protection policies were the main driving factors for NDVI changes in the Helan Mountains. Over the 21 years， NDVI variations showed a unimodal trend with annual average temperature and cumulative precipitation changes. Overall， both NDVI and the annual average temperature， as well as cumulative precipitation， exhibited a fluctuating upward trend.

Key words： Helan Mountain; NDVI; Characteristic of spatio-temporal change

植被覆蓋度是描述陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被生長和變化的重要參數，其中歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）被廣泛用于植被覆蓋度評價中，能夠定量評價植被覆蓋度狀況，進而反映生態(tài)安全的穩(wěn)定性，對于評估生態(tài)安全的穩(wěn)定性等具有重要的指導價值。習近平總書記視察寧夏時指出，寧夏要努力建設黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展先行區(qū)，加強賀蘭山、六盤山、羅山自然保護區(qū)建設，統(tǒng)籌生態(tài)保護修復和環(huán)境綜合治理，賀蘭山是我國重要自然地理分界線和西北重要生態(tài)安全屏障。要加強頂層設計，狠抓責任落實，強化監(jiān)督檢查，堅決保護好賀蘭山生態(tài)［1 ］。寧夏回族自治區(qū)也提出，要實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度，協(xié)同推進降碳、節(jié)水、減污、擴綠、增長，全面提升資源生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)服務功能，努力建設天藍、地綠、水美的美麗寧夏［2 ］。

賀蘭山脈位于半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶，周邊地區(qū)皆為荒漠與半荒漠，既是內蒙古和寧夏兩地的生物資源寶庫之一，也是生物多樣性保護的重點區(qū)域［3 ］，具有典型的溫帶干旱區(qū)植被組合，共有常綠針葉林、針闊葉混交林、夏綠闊葉林、常綠針葉灌叢、落葉闊葉灌叢、疏林草原、典型草原、荒漠草原、荒漠、草甸和農田等11個植被型［4 ］。近年來，賀蘭山的生態(tài)環(huán)境惡化趨勢基本得到逆轉，但生態(tài)環(huán)境脆弱性依然未能從根本上改變。當前生態(tài)脆弱區(qū)面臨著既要保護綠水青山又要創(chuàng)造金山銀山的雙重任務，生態(tài)保護與經濟協(xié)同發(fā)展的問題日益突出。因此，研究賀蘭山植被指數的時空變化特征，定量評估賀蘭山植被的影響因素，對科學評價賀蘭山生態(tài)治理工程效益和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復及其可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現實指導意義。

1" "數據來源與方法

1.1" "研究區(qū)概況

賀蘭山處于青藏高原、蒙古高原和黃土高原的交界處，山脈呈南北走向綿延250 km有余，東西寬20～40 km，是我國重要自然地理分界線和西北重要生態(tài)安全屏障［5 ］。賀蘭山以其獨特的生態(tài)系統(tǒng)孕育有豐富的自然資源，動植物和地下礦藏資源十分豐富，有野生維管植物788種，特有與近特植物60多種；陸生脊椎動物352種，其中國家重點保護脊椎動物有58種。寧夏賀蘭山被稱為當地的“父親山”［4 ］，對當地具有生態(tài)以及經濟等重要意義。

1.2" "數據來源

本文應用的遙感數據采自地理空間數據云（https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/search/）下載的標準化250 m MOD13A1植被指數。2000 — 2020年研究區(qū)MOD13A1數據產品使用ENVI軟件進行輻射校正［6 - 7 ］，將NDVI影響的投影坐標與研究區(qū)的投影坐標系統(tǒng)相匹配。將預處理后的遙感影像圖經過2%的拉伸，增強圖像的顯示效果。生成16 d最大化合成NDVI數據，投影為Albers（等面積割圓錐投影），WGS84作為大地基準。應用賀蘭山矢量邊界進行裁剪，得到研究區(qū)NDVI數據［8 ］。氣象數據來自Zenodo網站，該數據是新的2000 — 2020年中國高分辨率（1 km）月度網格化平均氣溫數據集和降水量數據集，是基于氣象站數據的高斯過程回歸（GPR）方法制作而成的月度柵格數據，并通過氣象站觀測數據進行精確度評估［9 ］，能夠很好地反映地區(qū)的氣溫和降水量時空分布情況，數據坐標系為WGS84，文件格式為TIF，柵格單位為℃；降水量單位為mm［10 ］。

1.3" "研究方法

1.3.1" " 線性趨勢分析" " 賀蘭山2000 — 2020年的植被覆蓋度旨在分析自變量植被覆蓋度隨時間變量變化的關系，經檢驗二者的關系可近似用一條直線表示，滿足一元線性回歸模型的條件，同時一元線性回歸可以在空間上模擬每個柵格的變化趨勢［11 ］，以單個像元植被覆蓋度隨時間變化特征反映整個空間的變化規(guī)律。其優(yōu)點在于利用不同時段數據值的擬合，消除異常因素對植被覆蓋的影響，真實地反映植被覆蓋的演化趨勢。Slope 為單個像元 NDVI 回歸方程的斜率反映了在21 a的時間序列中，賀蘭山地區(qū) NDVI的變化趨勢。其計算公式如下［12 ］。

Slope=

式中，NDVIi為第i年的 NDVI值；n為研究時段跨度（2000 — 2020年共21 a）。若Slope為正值時，表明隨時間變化 NDVI升高，區(qū)域植被狀況趨于正向發(fā)展趨勢且值越大正向趨勢越明顯；反之則為退化趨勢。

1.3.2" " 皮爾遜（Pearson）相關分析" " 主要運用Pearson相關分析來研究影響因素（氣溫、降水）在賀蘭山與NDVI的相關性，Pearson相關系數是反映等級相關程度的統(tǒng)計分析指標［13 ］，是最常用的一種相關系數［14 ］。它的值域為［-1～1］，其中，相關程度的強弱可以通過絕對值的大小來描述。將賀蘭山NDVI與驅動因子的相關性劃分為3個類型［15 ］：不顯著正相關、顯著正相關和極顯著正相關（表1）。

1.3.3" " 多元回歸殘差分析" " 采用多元回歸殘差分析方法研究人類活動（主要為生態(tài)修復）和氣候變化對植被NDVI變化的影響及相對貢獻［16 - 17 ］。該方法主要有以下3個步驟：基于多年NDVI以及插值后的氣溫和降水量時間序列數據，以NDVI為因變量、以氣溫和降水量為自變量，建立二元線性回歸模型，計算模型中的各項參數；基于氣溫、降水量數據以及回歸模型的參數，計算得到NDVI的預測值（NDVICC），用來表示氣候因素對植被NDVI的影響；計算NDVI觀測值與NDVICC之間的差值，即NDVI殘差（NDVIHA），用來表示人類活動對植被NDVI的影響［18 ］。計算公式如下。

NDVICC = a×T+b×P+c

NDVIHA = NDVIobs-NDVICC

式中，NDVICC和NDVIobs分別為基于回歸模型的NDVI預測值和基于遙感影像的NDVI觀測值（無量綱）；a、b和c為模型參數；T和P分別為生長季平均氣溫和累計降水量；NDVIHA）為殘差。

2" "結果與分析

2.1" "賀蘭山NDVI時間變化特征

由圖1可知，從時間變化分析得出，研究區(qū)內NDVI 21 a均值呈現出波浪式增長，范圍為0.248 2～0.378 4，漲幅約為52.5%，其中2000年NDVI為最小值，2018年為最大值。NDVI高值一直集中在西南，隨著時間的變化逐漸向東擴散（圖2）。通過水平為0.262 5的顯著性檢驗，說明賀蘭山NDVI的總體趨勢在時間尺度上變化顯著。

2.2" "賀蘭山NDVI空間變化特征

將賀蘭山2000 — 2020年NDVI數據在ArcMap進行Slope趨勢分析并進行重采樣得到賀蘭山NDVI變化趨勢圖［19 ］，再將變化趨勢進行分類，分為三個等級，分別為植被退化區(qū)（Slope lt; 0）、植被不明顯改善區(qū)（0 lt; Slope≤0.01）、植被明顯改善區(qū)（Slope ＞ 0.01）。由圖3可知，賀蘭山植被覆蓋區(qū)2000 — 2020年NDVI呈現改善趨勢，植被覆蓋面積占比較大的為植被不明顯改善區(qū)域；植被較明顯改善區(qū)域面積占比較??；其中植被退化區(qū)域大面積分布在賀蘭山中部地區(qū)；對各個NDVI變化等級逐像元進行統(tǒng)計分析，3個等級像元數量比例為5 041∶29 604∶435。

由圖4可知，賀蘭山西南地區(qū)NDVI偏高，東北地區(qū)NDVI明顯偏低，空間分布差異明顯。將研究區(qū)的NDVI劃分為5個等級，分別為NDVI lt; 0.2、0.2 ≤NDVI ≤0.4、0.4 lt; NDVI ≤0.6、0.6 lt; NDVI ≤0.8、NDVI" gt; 0.8，對NDVI 等級逐像元進行統(tǒng)計分析，5個等級像元數量比例為8 025∶19 425∶" " " " "5 430∶2 159∶40，NDVI" lt; 0.2區(qū)域主要分布于賀蘭山南北兩端，向西南方向NDVI 逐漸增高。

2.3" "賀蘭山NDVI變化特征分析

2.3.1" " NDVI與氣候因素相關性分析" " 氣溫和降水是影響植被生長最重要的兩個氣候因素，植被又通過生理作用影響著區(qū)域氣候的變化［20 - 21 ］。氣溫通過影響植被的光合作用、呼吸作用、蒸騰作用、礦物質吸收來改變植被覆蓋度，而降水則通過影響植被的組成成分、蒸散發(fā)影響植被生長情況。由圖5可知，賀蘭山2000 — 2020年研究區(qū)年平均氣溫在6.368 2～7.691 3 ℃波動增長，整體變化不大，2017年年平均氣溫最高，2012年年平均氣溫最低。賀蘭山21 a NDVI與平均氣溫變化相似，均呈現波動增長的趨勢，說明具有一定相關性。對21 a NDVI與氣溫相關性進行分析可知，平均氣溫和NDVI均值之間的相關數值為0.129 ，說明賀蘭山平均氣溫和NDVI均值之間有著不顯著的正相關關系，所以氣溫升高可在一定程度上促進光合作用和提高水分利用效率［22 ］，從而有利于植被生長，但是這種變化并不顯著。

由圖6可知，賀蘭山21 a NDVI與累計降水變化較為相似，均呈現出波動增長的趨勢，說明具有一定相關性。賀蘭山2000 — 2020年研究區(qū)年累計降水在154.47～288.42 mm波動增長。其中2018年年累計降水最高，2000年年累計降水量最低。對賀蘭山21 a NDVI與降水相關性進行分析可知，累計降水量和NDVI均值之間的相關系數值為0.525，說明累計降水量和NDVI均值之間有著顯著的正相關關系，所以降水對于植被狀況起重要作用。

2.3.2" " NDVI與人類活動相關性分析" " 由圖7、表2可知，人類活動（主要為生態(tài)修復）對賀蘭山植被NDVI變化的貢獻率為正向作用，其中，人類活動的貢獻率在0%～20%、20%～40%、40%～60%范圍的區(qū)域面積較小，像元占比分別為3.4%、7.7%、19.2%；60%～80%、80%～100%范圍的區(qū)域面積較大，像元占比分別為35.1%、34.6%；賀蘭山全域以人類活動貢獻率為主，其中貢獻率超過80%的區(qū)域主要集中在賀蘭山中部地區(qū)，說明在賀蘭山植被NDVI變化過程中人類活動起決定作用。

3" "討論與結論

寧夏賀蘭山21 a來，NDVI變化整體呈現波浪式增長趨勢，從2000、2010、2020年等每10 a最大化合成的NDVI值，高值一直集中在西南，隨著時間的變化逐漸向東擴散，空間分布特征的原因是：賀蘭山東部常年受中亞季風的影響，西段受盛行西風的影響，水汽的來源有所不同，降水量由東北向西南逐漸遞減，從年際變化方面分析，近年來賀蘭山及周邊地區(qū)氣溫升高，降水量增加，從而使氣候由暖干向暖濕轉變［23 ］，NDVI變化與氣溫、降水整體均呈波動上升的趨勢，這與李婷婷等［24 ］、劉錟等［25 ］、朱源等［26 ］得出的結論基本一致。賀蘭山因其地理位置和氣候條件的獨特性，每年1 — 4月和10 — 12月NDVI基本無變化，因此在本文分析中不作考慮。

本文以寧夏賀蘭山為研究區(qū)，基于遙感影像數據以及氣象數據，綜合運用MRT中的處理工具和ArcGIS實現對賀蘭山NDVI差異分析。采用趨勢線分析方法，分析了賀蘭山21 a的NDVI的時空變化特征以及相關系數分析了植被指數與驅動力的相關性，結果表明，在時間尺度上，研究區(qū)21 a來NDVI呈波浪式增長，NDVI變化與時間存在顯著相關性，從2000年的0.248 2增長到2018年的0.378 4，植被覆蓋狀況逐年改善；在空間尺度上，賀蘭山植被指數存在明顯的區(qū)域性差異，呈現出西南高、東北低的特點，賀蘭山中部地區(qū)退化趨勢明顯；氣候變化和人類活動的共同作用是21 a來賀蘭山植被NDVI變化的主要驅動因素。賀蘭山21 a NDVI的變化與平均氣溫、累計降水變化比較相似，均呈單峰型變化趨勢，均呈波動上升的變化趨勢；與氣溫的相關關系類型為不顯著正相關，與降水量的相關關系類型為顯著正相關。人類活動對賀蘭山植被NDVI影響呈正向作用。由此得知，人類活動（主要為生態(tài)修復）對賀蘭山植被NDVI的作用不可忽視。

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