2000~2014年黃土高原植被覆蓋時空變化特征及其歸因

趙安周,劉憲鋒,朱秀芳*,潘耀忠,陳抒晨

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2000~2014年黃土高原植被覆蓋時空變化特征及其歸因

趙安周1,2,3,劉憲鋒2,3,朱秀芳2,3*,潘耀忠2,3,陳抒晨2,3

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北 邯鄲 056038；2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875；3.北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京 100875)

基于-NDVI數(shù)據(jù),輔以一元線性回歸分析、Mann-Kendall檢驗、Hurst指數(shù)等方法,分析了2000~2014年黃土高原植被覆蓋時空演變特征及其驅(qū)動因素.研究表明:近15年黃土高原NDVI呈顯著增加趨勢,增速為6.93%/10a(<0.01);空間上,植被歸一化指數(shù),或歸一化值被指數(shù)Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)呈由東南向西北遞減的分布格局,高值區(qū)主要分布在東南部的土石山區(qū)、;同時,500m以下和3500米左右的NDVI值最高;在趨勢上,NDVI呈現(xiàn)增加和減小趨勢的面積比重分別為88.24%和11.76%;Hurst指數(shù)表明研究區(qū)未來NDVI變化趨勢呈持續(xù)性和反持續(xù)的比重分別為50.07%和49.93%,其中持續(xù)改善和由改善變?yōu)橥嘶拿娣e分別占43.98%和44.28%;降水是影響NDVI變化的主要驅(qū)動因子,表現(xiàn)為NDVI隨降水的增加而增加;人類活動也是影響NDVI的重要因素,且對NDVI有雙重影響.

植被覆蓋；時空分布；歸因分析；黃土高原

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在全球物質(zhì)循環(huán)和能量流動中扮演著重要角色.隨著全球氣候變化和人類活動的加劇,由過渡開墾自然植被、城市擴張以及農(nóng)村坡地開墾等造成的

沙漠化、水土流失等一系列問題頻發(fā)[1-2],不僅增加了河流輸沙量和洪水發(fā)生的風(fēng)險,同時嚴重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3-5].為了解決這些問題,中國政府實施了“退耕還林還草”、“三北防護林”等一系列的生態(tài)工程建設(shè),隨著這些生態(tài)工程的不斷深入,中國北方的水土流失以及荒漠化面積較20世紀末期有所減輕[6].

黃土高原地處干旱和濕潤過渡區(qū),是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱、水土流失最為嚴重的地區(qū)之一.資料顯示,黃河所含泥沙的90%來源于黃土高原[7].作為國家生態(tài)脆弱區(qū)和水土保持建設(shè)的重點區(qū)域,1999~2010年間,黃土高原累計造林面積已達到1890.6×104hm2,使得該地區(qū)生態(tài)環(huán)境得到極大改善[1].然而,黃土高原植被覆蓋變化是眾多因素共同作用的結(jié)果,除了人類活動,地形地貌單元、氣候變化等也是影響該地區(qū)植被覆蓋的重要因素.研究表明,隨著全球氣候變暖,黃土高原出現(xiàn)變暖和變干的趨勢,使得干旱出現(xiàn)的頻率加大,不利于植被的恢復(fù)[8-10].因此,全面分析黃土高原植被覆蓋特征及其驅(qū)動因素對黃河水沙發(fā)展趨勢、區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義.

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前最為常用的表征植被狀況的指標,可以在較大尺度上客觀反映植被覆蓋信息[7-8].近30年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者利用NDVI指數(shù)在全球、大洲、國家和地區(qū)等不同尺度對植被的時空變化特征進行了深入研究.Myneni等[13-14]分析了1981~1999年和1981~ 1991年的NDVI數(shù)據(jù),指出氣候變暖使得北半球中高緯度的植被覆蓋有增加的趨勢;同時在我國的東北、華北、西北、黑河流域中游和青藏高原等地[15-19]也得出相同的結(jié)論.近年來,黃土高原作為我國生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域和生態(tài)敏感區(qū),其植被覆蓋變化一直受到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注,其中信忠保等[20-21]采用GIMMS/NDVI和SPOT VGT分別對1982~2003年和1981~2006年期間黃土高原的植被覆蓋時空演變特征及其歸因進行了分析,指出人類活動和氣候變化共同導(dǎo)致了其植被覆蓋的變化;Sun等[22]采用LTDR和MODIS的NDVI數(shù)據(jù)分析了黃土高原1981~2010年植被覆蓋變化;劉憲鋒等[23]采用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分析了2000~2009黃土高原植被覆蓋變化,認為氣溫、降水的增加和一系列生態(tài)工程的實施是其植被覆蓋增加的主要驅(qū)動力;易浪等[1]采用SPOT VGT/NDVI分析了1999~2010年黃土高原植被覆蓋變化,認為降水變化是影響植被覆蓋的主要驅(qū)動力.

綜上,以往的研究多注重植被覆蓋的時空分布特征,缺乏對黃土高原植被覆蓋未來變化趨勢的分析,同時分析人類活動影響時考慮并不全面(多考慮退耕還林還草等生態(tài)工程實施的影響).基于此,本文采用MODIS-NDVI數(shù)據(jù),輔以一元回歸分析、Mann-Kendall(M-K)統(tǒng)計檢驗法和Hurst指數(shù)等方法對黃土高原植被覆蓋的時空演變規(guī)律及未來變化趨勢進行分析,并從地形地貌、氣候變化和人類活動3個方面出發(fā),分析影響植被覆蓋變化的主要因素,以期為地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于中國中部偏北,東起太行山脈,西到賀蘭山和日月山,南至秦嶺,北至鄂爾多斯高原,介于100°54′E~114°33′E,33°43′N~41°16′N,總面積64.87×104km2.在行政單元上,主要包括山西和寧夏的全部,陜西和甘肅的大部分地區(qū)以及內(nèi)蒙古、河南和青海的部分地區(qū).地勢西北高、東南低,氣候為大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥多風(fēng)沙,夏季炎熱多暴雨.由于地形、植被、土壤、氣候等自然原因和過渡放牧、濫砍濫伐等人為因素,使得該地區(qū)成為世界上生態(tài)環(huán)境退化和水土流失最嚴重的地區(qū)之一[24-25],根據(jù)《(2010~2030年)》將該地區(qū)劃分為土石山區(qū)、河谷平原區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、沙地和沙漠區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)以及農(nóng)灌區(qū)6部分(圖1)[26].

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的MOD13Q1NDVI數(shù)據(jù)(http://e4ftl01.cr.usgs.gov),時間跨度為2000~2014年,空間分辨率為250m× 250m,時間分辨率為16d.由于MODIS/NDVI產(chǎn)品經(jīng)過水、云、氣溶膠等處理, 保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量,加之較高的空間分辨率,因此被廣泛應(yīng)用于植被覆蓋變化的研究中.首先,利用MRT(MODIS Reprojection Tools)將所需要的MODIS-NDVI進行格式和投影轉(zhuǎn)換;然后,采用最大合成法(MVC)合成月NDVI數(shù)據(jù),消除異常值的影響,進而將月NDVI數(shù)據(jù)合成年最大NDVI影像;最后對其進行裁剪得到研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù).由于年最大NDVI數(shù)據(jù)可以有效的反映植被覆蓋的情況,因此本文采用年最大NDVI數(shù)據(jù)對黃土高原的植被覆蓋時空分布進行研究.

氣象數(shù)據(jù)為黃土高原52個氣象站點的降水、氣溫數(shù)據(jù),來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn).數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云,空間分辨率為90m×90m的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission).另外,關(guān)中平原的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《陜西省統(tǒng)計年鑒》,造林面積數(shù)據(jù)來源于各省統(tǒng)計年鑒和《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》.

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 一元線性回歸可以模擬每個柵格的變化趨勢,該方法可以在一定的時間段內(nèi)采用最小二乘法逐像元擬合年均NDVI的斜率,從而反映植被覆蓋的時空演變格局[27],同時采用-K統(tǒng)計檢驗法[28]對變化趨勢的顯著性進行檢驗,其一元線性回歸分析公式如下:

式中:為變化趨勢,為時間序列,NDVI為第年的NDVI值.當(dāng)>0,表示NDVI呈現(xiàn)增加的趨勢,<0,表示NDVI呈現(xiàn)減小的趨勢.

1.3.2 標準差分析 采用標準差來研究2000~ 2014年期間黃土高原植被覆蓋的年際波動.標準差可以反映出NDVI數(shù)據(jù)集的離散程度,值越大,表明該段時間內(nèi)像元的NDVI距離像元的平均NDVI值越遠,即研究時段內(nèi)植被覆蓋的年際變化越大,計算公式為[29]:

式中:S為標準差,為時間序列,NDVI為第年的NDVI值,為研究時段內(nèi)NDVI的均值.

1.3.3 未來趨勢分析 Hurst指數(shù)是預(yù)測時間序列數(shù)據(jù)相對于過去未來發(fā)展趨勢的一個重要指數(shù),目前被廣泛應(yīng)用在水文、氣象、經(jīng)濟等多個領(lǐng)域.基于重標極差 (R/S)分析方法Hurst指數(shù)是一種定量描述時間序列信息長期依賴性的有效方法,其計算方法步驟如下所示[29]:

①定義一個時間序列的均值序列:

②計算累計離差:

③計算極差:

④計算標準差:

2 結(jié)果與討論

2.1 黃土高原NDVI年際變化特征

2000~2014年黃土高原NDVI呈顯著增加趨勢,增速為6.93%/10a(<0.01),與1982~2006三北防護林工程區(qū)年NDVI平均增速0.007/10a基本持平[30].2000年黃土高原的平均NDVI為0.4899,到2014年增加到0.5789,增速為14.11%,期間NDVI變化經(jīng)歷了3次較大波動,時間分別為2001~2002、2011~2012和2005~2007年,其NDVI的增長率分別達到10.42%、7.83%和6.85%(圖2).分區(qū)來看,黃土丘陵溝壑區(qū)的NDVI增速最為明顯,2000~2014年變化率達到30.49%,其次為沙地和沙漠區(qū)、農(nóng)灌區(qū)和黃土高原溝壑區(qū),其變化率分別達到了25.55%、25.30%和20.52%,河谷平原區(qū)和土石山區(qū)的變化率最小,分別為10.25%和4.84%(表1).

表1 黃土高原各區(qū)域NDVI變化統(tǒng)計特征Table 1 The statistics of NDVI changes inLoess Plateau

2.2 黃土高原NDVI空間格局演變

2.2.1 空間分布特征 黃土高原NDVI格局呈由東南向西北遞減的態(tài)勢,高值區(qū)主要分布在黃土高原東部的土石山區(qū)和河谷平原區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)的東部地區(qū),因為這些地區(qū)的植被類型主要為針葉林、落葉闊葉林、灌叢以及灌溉農(nóng)業(yè),植被長勢較好;低值區(qū)主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)的北部地區(qū)、沙地和沙漠區(qū),這些地區(qū)多為牧區(qū)、雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)和荒漠,植被較為疏松,但是由于1999年退耕還林還草工程實施以來,這些地區(qū)的植被恢復(fù)較快(圖3a).NDVI頻率分布圖顯示黃土高原植被呈現(xiàn)“單峰”結(jié)構(gòu),NDVI均值為0.5529,值域在0.2以上的像元數(shù)所占比例達到95.56%,其中0.6~0.8像元數(shù)最多,比例達到43.07%.

2.2.2 空間趨勢特征及波動特征 為了進一步分析黃土高原NDVI的變化情況,對2000~2014年NDVI變化趨勢進行計算,并采用M-K檢驗.將計算結(jié)果劃分為無顯著變化、弱顯著變化(<0.1)、顯著變化(<0.05)和極顯著變化(<0.01) 4個等級.結(jié)果表明,黃土高原NDVI整體呈增加趨勢,呈增加和減小趨勢的面積分別占88.24%和11.76%,其中呈顯著上升和極顯著上升的面積分別占14.92%和37.00%,而顯著下降和極顯著下降的面積僅占0.96%和1.08%(表2),就空間分布來看,顯著上升的區(qū)域主要分布在黃土高原溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū),其主要原因可能是由于這些地區(qū)原本的植被覆蓋較低,然而,在“退耕還林還草”、“退牧還草”等工程實施下,該地區(qū)NDVI呈顯著上升趨勢,顯著下降的區(qū)域主要分布在土石山區(qū)、河谷平原的南部地區(qū)以及黃土高原溝壑區(qū)的西北地區(qū)(圖4a和圖4b).就標準差來看, 2000~2014年黃土高原標準差介于0.002~0.328之間,表明該地區(qū)的植被變化存在明顯的空間差異性.具體而言,高值區(qū)主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)等地區(qū),這些地區(qū)多為旱地,為退耕還林還草主要實施的主要區(qū)域,植被變化較為劇烈;低值區(qū)主要集中在土石山區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)的東部和西部的山區(qū),這些地區(qū)的植被主要為針葉林和落葉闊葉林,變化相對穩(wěn)定(圖4c).

表2 2000~2014年黃土高原不同NDVI變化類型像元個數(shù)及百分比Table 2 Numbers and proportion of NDVI change typesin the Loess Plateau

2.3 黃土高原NDVI未來趨勢

黃土高原NDVI的Hurst指數(shù)平均值為0.506(0.090~0.998),呈持續(xù)性和反持續(xù)性的區(qū)域分別占50.07%和49.93%,表明該地區(qū)的同向特征與反向特征面積相當(dāng)(圖5a).具體而言,Hurst指數(shù)值介于0.35~0.65的區(qū)域占85.75%,而小于0.35和大于0.65的像元比重分別僅在5.51%和8.75%,說明該區(qū)域NDVI呈強反向特征和強同向特征的區(qū)域相對較少.進一步統(tǒng)計表明,黃土高原43.98%的區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)改善,44.28%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?而由退化到改善和持續(xù)退化的區(qū)域分別只有5.90%和5.43%.從空間分布來看,NDVI呈持續(xù)性特征的區(qū)域主要分布在河谷平原區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)的西北部、黃土高原溝壑區(qū)和沙地和沙漠區(qū)東部等地,未來植被可能持續(xù)改善;而反持續(xù)序列主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)的中部等地區(qū),未來植被有可能出現(xiàn)退化趨勢.

2.4 NDVI變化歸因分析

2.4.1 NDVI與地貌因子的關(guān)系 將90m×90m DEM數(shù)據(jù)重采樣到250m×250m空間分辨率,統(tǒng)計與2000~2014年平均NDVI的相關(guān)性,經(jīng)計算DEM與NDVI的決定系數(shù)為0.67,表明黃土高原NDVI與DEM顯著相關(guān).由圖6a可知,500m以下NDVI穩(wěn)定在0.70附近,而后開始迅速下降,到1500m左右下降到0.45左右,之后開始上升,到3500m左右達到最高,然后又開始急劇下降,其主要原因是由于500m以下主要為河谷平原區(qū),灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達,1500~3500m主要為落葉闊葉林和針葉林,植被覆蓋較好,500~1500m為黃土高原溝壑區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)以及沙地和沙漠區(qū),3500m以上其植被分布多為稀疏草原和灌叢等,植被較為稀疏,導(dǎo)致其植被覆蓋較低.

同樣統(tǒng)計由DEM生成的坡度數(shù)據(jù)與2000~2014年平均NDVI的相關(guān)性.經(jīng)計算坡度與NDVI的決定系數(shù)為0.696,表明黃土高原NDVI與坡度的相關(guān)性顯著.由圖6b可知,黃土高原NDVI與坡度呈正相關(guān),坡度在15°以下時,NDVI的增速最大,之后增速開始減小,到40°以上的時候,其增速趨于平緩.

2.4.NDVI對氣候變化的響應(yīng) 研究表明,1960~2010年期間黃土高原氣溫以0.380a的趨勢顯著增加[31].對黃土高原52個氣象站點的氣溫數(shù)據(jù)分析表明,1980~2014年黃土高原年平均氣溫以0.505℃/10a的趨勢顯著增加,2000~ 2014年平均氣溫上升趨勢有所減緩,僅為0.164 ℃/10a(圖7a),其年平均氣溫與年最大NDVI的決定系數(shù)為0.10,呈弱相關(guān)性.同時將黃土高原的52個氣象站點的年平均溫度數(shù)據(jù)進行離散化處理,逐柵格計算2000~2014年平均溫度和年最大NDVI的相關(guān)系數(shù),可以看出溫度和NDVI整體呈現(xiàn)負相關(guān)性(圖7b).進一步定量統(tǒng)計表明,77.75%的區(qū)域溫度與NDVI呈現(xiàn)負相關(guān),其中有34.55%通過了0.05顯著性水平檢驗,且主要分布在黃土丘陵溝壑區(qū)、沙地和沙漠區(qū)以及黃土高原溝壑區(qū)的中部,表明NDVI隨著溫度的增高而減小,究其原因主要是由于溫度的升高會導(dǎo)致地面水分蒸發(fā)增加,導(dǎo)致土壤干化,不利于植被的生長[21].

水分條件是限制黃土高原植被生長的重要因素,對植被覆蓋的空間分布格局具有決定性的作用[21].1980~2014年和2000~2014年黃土高原降水呈微弱的增加趨勢,其增速分別為45.62mm/ 10a和45.68mm/10a,其年平均降水與年最大NDVI的決定系數(shù)為0.30,呈顯著相關(guān)(<0.05),相關(guān)系數(shù)大于溫度,表明黃土高原降水對植被生長的影響強于溫度.同時逐柵格計算2000~2014年降水量和年最大NDVI的相關(guān)系數(shù),可以看出,與溫度相反,降水和NDVI的整體呈現(xiàn)正相關(guān)性,經(jīng)統(tǒng)計可知,84.28%的區(qū)域降水與NDVI呈現(xiàn)正相關(guān),其中有32.28%通過了0.05顯著性水平檢驗,主要分布在黃土高原的北部地區(qū),表明NDVI隨著降水的增加而增加.

人類活動對NDVI的影響 除地形地貌、氣候變化等自然因素外,人類活動也會對黃土高原NDVI的時空分布格局產(chǎn)生重要影響.人類活動對其影響包括正面影響(如植樹造林造草等)和負面影響(如城市擴張等).本文將從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植被建設(shè)和城市擴張3個方面來分析人類活動對NDVI的影響.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與降水關(guān)系密切,尤其是對黃土高原北部地區(qū)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),但對于灌溉區(qū)域而言,由于水利設(shè)施的大量建設(shè)以及農(nóng)藥化肥的大量使用,其NDVI的變化很大程度上取決于人類活動的影響.關(guān)中平原是黃土高原典型的灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū),包括西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川及楊凌區(qū).2000~2013年期間關(guān)中平原的糧食產(chǎn)量呈波動上升的趨勢,同期NDVI變化和糧食產(chǎn)量幾乎同步上升[32](圖8),二者呈顯著相關(guān)性(= 0.640,=14,<0.05).地處黃土高原東南部的關(guān)中平原糧食生產(chǎn)強烈依賴于寶雞峽等農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施,對降水的依賴性較弱,因此在分析氣候變化對NDVI的影響時應(yīng)關(guān)注人類活動的影響.

黃土高原自1999年開始實施退耕還林還草等一系列生態(tài)工程,勢必影響到該地區(qū)NDVI的變化.經(jīng)統(tǒng)計,隨著造林面積的增加,其NDVI也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(圖9),二者呈顯著相關(guān)性(= 0.79,=14,<0.001).在2001~2002年造林面積最多,同期的NDVI增速也最快,這表明,退耕還林還草等生態(tài)工程的實施可以增加植被覆蓋,有效改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境.

隨著近20年來中國城市空間的不斷擴張與重構(gòu),引發(fā)了植被破壞等諸多環(huán)境問題,從而導(dǎo)致城市周邊NDVI的下降.鑒于此,本文以西安市為例定量分析城市擴張對NDVI的影響,首先以西安市為中心,生成10個2km間隔的緩沖區(qū),計算2000~2014年其NDVI變化率(圖10).從圖中可以看出,除東南部個別區(qū)域外,西安市城市周邊的NDVI均表現(xiàn)為下降的趨勢,表明城市擴張也是導(dǎo)致NDVI下降的一個因素.但是應(yīng)注意的是雖然城市擴展范圍有限,但是城市擴展對植被破壞的影響遠大于其直接占用造成的影響[33].

2.5 討論

植被對地形地貌、氣候變化和人類活動的響應(yīng)是一個非常復(fù)雜的過程,目前已受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[20,33].不同地貌條件導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)熱量和水分條件存在空間上的差異,進而造成NDVI的空間差異.溫度、降水等氣象因子對植被生長有重要影響,尤其在干旱半干旱地區(qū),降水是限制植被生長的重要因子[34].黃土高原處于中國干旱和半干旱地區(qū),降水的多少直接影響植被的生長狀況,NDVI會隨著降水的增多而增加[20].本研究也表明,NDVI和降水和良好的對應(yīng)關(guān)系(圖11);溫度的升高會增加地面水分蒸發(fā),導(dǎo)致土壤干化會增加[20],從而影響植被的生長.除氣候因素外,人類活動也是影響NDVI變化的重要因素,自1999年在該地區(qū)實施“退耕還林還草”工程以來,其植被覆蓋尤其是在黃土丘陵溝壑區(qū)的植被覆蓋得到了明顯的改善(表1),使得流入黃河中的泥沙從16億噸減小到1.4億t[21],表明這項工程對改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境,減少水土流失具有積極的作用.但也應(yīng)注意到由于過度強調(diào)植樹造林,忽視對該地區(qū)的氣候、水文等要素考慮產(chǎn)生一些消極的影響.退耕還林還草工程實施以來,其人工林面積已經(jīng)由1998年的3.0′104km增加到2006年5.9′104km,這些人工林的增多會加大蒸散發(fā),從而加劇該地區(qū)的水資源危機,使得地區(qū)干旱發(fā)生的風(fēng)險增加[35],同時該地區(qū)植樹造林的成活率也值得進一步關(guān)注,已有研究表明,從1982~ 2005年期間其人工林的存活率只有24%,因此在該地區(qū)大規(guī)模的實施植樹造林工程存在一定的風(fēng)險性,而禁止過度放牧、過度開墾農(nóng)田等恢復(fù)自然植被的措施應(yīng)在該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)中扮演重要的作用[21,35].

本文只對降水、氣溫與NDVI的相關(guān)性進行了分析,對植被對氣溫和降水的滯后響應(yīng)沒有做進一步分析,同時NDVI的時空變化是自然因素(地形地貌、降水、溫度等)和人類活動(土地利用、修建水庫、退耕還林還草、農(nóng)業(yè)灌溉等)以及地形地貌等多種因素共同作用的結(jié)果,如何定量分離這些因素對NDVI的影響等也需進一步深入研究.

3 結(jié)論

年黃土高原NDVI呈顯著增加趨勢,增速為6.93%/10a(<0.01),期間NDVI變化經(jīng)歷了2001~2002年、2011~2012年和2005~ 2007年3次快速增長期,其NDVI的增長率分別達到10.42%、7.83%和6.85%.

3.2 空間上,黃土高原NDVI呈由東南向西北減小的分布格局,高值區(qū)主要分布在東南部的土石山區(qū)、河谷平原地區(qū),低值區(qū)主要分布在北部、沙地和沙漠區(qū)以及黃土高原溝壑區(qū)的北部地區(qū).同時,500m以下和3500m左右的NDVI最好,且NDVI會隨坡度的增加而增加.

3.3 黃土高原的NDVI整體呈現(xiàn)增加的趨勢,呈增加和減小趨勢的面積分別占88.24%和11.76%,上升顯著的區(qū)域主要分布在水土保持工程重點實施的區(qū)域—黃土高原溝壑區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū).

3.4 Hurst指數(shù)結(jié)果表明黃土高原持續(xù)性序列的比重為50.07%,反持續(xù)序列的比重為49.93%, 43.98%的區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)改善,44.28%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?

3.5 降水對植被的影響強于溫度,84.28%的區(qū)域降水與植被呈現(xiàn)正相關(guān),主要分布在黃土高原的北部地區(qū),表明NDVI隨著降水的增加而增加.

3.6 人類活動對植被有雙重的影響,一方面對于關(guān)中平原等地的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)來說,植被覆蓋變化和糧食產(chǎn)量幾乎同步上升,植樹造林等生態(tài)工程的實施可以有效改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境;另一方面,城市擴張會導(dǎo)致城市周邊的植被出現(xiàn)下降的趨勢.

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* 責(zé)任作者, 副教授, zhuxiufang@bnu.edu.cn

Spatiotemporal analyses and associated driving forces of vegetation coverage change in the Loess Plateau

ZHAO An-zhou1,2,3, LIU Xian-feng2,3, ZHU Xiu-fang2,3*, PAN Yao-zhong2,3, CHEN Shu-chen2,3

(1.College of Resources, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China；2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；3.College of Resources Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2016,36(5)：1568~1578

Based on the MODIS-NDVI data, this study investigated the patterns of spatiotemporal variation of vegetation coverage in theduring 2000~2014, using the methods of linear regression, Mann-Kendall, correlation analysis and Hurst. In addition, potential factors affecting NDVI variations were identified. The results are as follows: 1) the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) of this study region was significantly increased significant, with a linear tendency being 0.0693/10a during 2000~2014, and vegetation restoration was characterized by three fast-growing periods. 2) As for spatial distribution, NDVI showed a decreasing trend from southeast to the northwest. High values of NDVI were mainly found in Southeast soil stone mountain area and valley plains area. 3) The area with improved NDVI was larger than the degraded area, and accounting for 88.24% and 11.76% of the total study area, respectively. 4) Result of Hurst analyses indicated 50.07% of the study area will keep the current NDVI change tendency in the future. The area with a continuous NDVI increase was predicted to account for 43.98% of the study area. The area, in which NDVI was changed from increase during 2000~2014 to decrease in the future, was predicted to account for 44.28% of the study area. 5) The spatial variation of NDVI was affected by Digital Elevation Model (DEM) and slope. The NDVI was best in the region with the altitude around 3500m and the region with the altitude below 500m.. 6) The NDVI was mainly affected by the precipitation, and the NDVI was increased with the increase of the precipitation. 7) Human activities can induce both negative effect (through urbanization) and positive effect (through the implementation of Grain to Green).

NDVI；spatiotemporal variation；attribution analysis；Loess Plateau

X171

A

1000-6923(2016)05-1568-11

趙安周(1985-),男,河北邯鄲人,講師,博士,主要從事水資源對人類活動和氣候變化的響應(yīng)研究.發(fā)表論文20余篇.

2015-10-09

國家“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”重大專項;河北工程大學(xué)博士專項基金(20120157)