2000-2018年黃河流域NDVI時(shí)空變化及其對氣候和人類活動(dòng)的雙重響應(yīng)

張樂藝, 李 霞, 馮京輝, 饒日光, 何天英, 陳 瑜

(1.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.長安大學(xué)土地工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 3.國家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 陜西 西安 710048)

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)加劇，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞，土地退化、水土流失、荒漠沙漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題頻發(fā)[1-2]。植被作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是生態(tài)監(jiān)測、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及脆弱性評價(jià)的重要指標(biāo)，在水土保持、維持氣候及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有重要作用，植被的改善有助于提高水源涵養(yǎng)和水土保持功能，對植被的時(shí)空變化趨勢監(jiān)測在全球氣候變化背景下的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要意義[3-5]。

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)與生物量、葉面積指數(shù)有較高的相關(guān)性，能夠很好地反映地表植被的繁茂程度，可以在一定程度上代表地表植被覆蓋的變化[5]。目前，諸多學(xué)者利用NDVI或植被覆蓋變化以及影響因素做了大量工作，并取得不少進(jìn)展和突破。已有研究表明，氣溫和降水等氣候因素對植被的生長有著重要作用，不同地區(qū)水熱條件和植被類型不同，植被變化及其對氣候變化的響應(yīng)也存在很大空間差異[5-11]。除此之外，人類活動(dòng)也會(huì)對植被生長產(chǎn)生抑制或促進(jìn)的影響，城市化發(fā)展導(dǎo)致大量農(nóng)田和林地被建設(shè)用地侵占，濫砍濫伐會(huì)導(dǎo)致區(qū)域植被減少、生態(tài)退化[10,12-13]；而退耕還林(草)、天然林保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)工程建設(shè)可以改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)植被覆蓋的增加[11-16]。

黃河流域位于中國干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，是中國重要的生態(tài)屏障，對該地區(qū)的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)中十分重要。以往有諸多研究著眼于黃河流域(含流域內(nèi)典型區(qū)域)展開分析，得出氣候變化深刻影響著黃河流域植被覆蓋的變化，且多年來的生態(tài)工程建設(shè)也極大地改善了流域內(nèi)的植被狀況[12-13,17-24]。孫睿等[25]和楊勝天等[26]基于AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80—90年代，黃河流域植被處于上升趨勢，汛期降水量對植被變化起主導(dǎo)作用，生態(tài)保護(hù)建設(shè)對植被起到促進(jìn)作用。李春暉等[27]基于8 km的AVHRR/NDVI研究發(fā)現(xiàn)黃河流域各分區(qū)年均NDVI都呈現(xiàn)增加趨勢，降水、徑流與NDVI年內(nèi)變化呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。劉憲鋒等[28]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，從3個(gè)尺度發(fā)現(xiàn)近12 a三江源區(qū)植被覆蓋整體呈改善趨勢，且反向持續(xù)特征明顯，而三江源區(qū)植被覆蓋的增加主要?dú)w因于氣候暖濕化以及生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施。趙安周等[29]基于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)研究得出1982—2015年黃土高原NDVI呈增加趨勢，但未來有部分地區(qū)會(huì)退化；NDVI受降水的影響強(qiáng)于氣溫，而生態(tài)工程在植被恢復(fù)中扮演了重要角色。李雙雙等[30]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)得出陜甘寧地區(qū)退耕還林還草以來植被以輕微改善為主，受人類活動(dòng)和氣候變化共同影響，且人類活動(dòng)更明顯。

以往研究中較多從黃河流域局部地區(qū)進(jìn)行研究，對整個(gè)黃河流域近年來的NDVI趨勢及驅(qū)動(dòng)因素研究較少，同時(shí)多基于NDVI數(shù)據(jù)分析植被對氣候變化的響應(yīng)，對人類活動(dòng)的影響關(guān)注也較少，且以定性描述分析為主。本文基于NDVI數(shù)據(jù)、降水及氣溫等數(shù)據(jù)，采用一元線性趨勢分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)分析及殘差分析，對黃河流域NDVI的時(shí)空演變規(guī)律及未來變化趨勢進(jìn)行分析，并從氣候和人類活動(dòng)兩個(gè)方面探討NDVI變化的驅(qū)動(dòng)因素，以加深對植被—?dú)夂颉祟惢顒?dòng)之間的相互關(guān)系的認(rèn)識，為制定合理的生態(tài)工程、土地利用及生態(tài)保護(hù)策略等提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青藏高原，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省區(qū)，最后注入渤海，流域介于 96°—119°E，32°—42°N之間，東西長約1 900 km，南北寬約1 100 km，流域總面積達(dá)7.95×105km2左右，位于中國干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，全年氣溫差異明顯，年平均降水量為200～600 mm。按照中央氣象局對全國的氣候區(qū)劃，黃河流域主要屬于南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)。流域地勢西高東低，河源至內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)為上游地區(qū)，河段落差較大；內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)至河南省桃花峪為中游地區(qū)，地形為黃土地貌，水土流失嚴(yán)重；河南省桃花峪以下的河段為下游地區(qū)，主要由黃土沖擊平原形成(圖1)。

圖1 黃河流域地理位置

1.2 研究數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)來源于美國NASA (https:∥earthdata.nasa.gov/)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1。數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，時(shí)間跨度為2000年1月至2018年12月，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裁剪及重采樣為1 km分辨率，然后采用最大值合成法獲取逐月NDVI數(shù)據(jù)，有效地去除云、大氣和太陽高度角等產(chǎn)生的影響，最后將一年內(nèi)NDVI最大值數(shù)據(jù)作為年NDVI數(shù)據(jù)，消除極端年份氣候異常對植被生長狀態(tài)的影響。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，將全國900個(gè)站點(diǎn)2000年1月至2018年12月各年份逐月數(shù)據(jù)取均值作為年氣象數(shù)據(jù)，采用專業(yè)ANUSPLIN軟件進(jìn)行插值、裁剪得到研究區(qū)2000—2018年1 km分辨率的溫度和降水柵格數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)，該數(shù)據(jù)集基于最新的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣生成，采用WGS84橢球投影，分辨率為1 km。植樹造林及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)分別來自陜西和寧夏兩省統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析 一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢，以單個(gè)像元時(shí)間變化特征反映整個(gè)空間變化規(guī)律，綜合反映區(qū)域時(shí)空格局演變[31-32]。其計(jì)算公式如下：

NDVI=a×year+b

(1)

式中：a為像元NDVI回歸方程的斜率Slope，若a為正，表示NDVI呈增加趨勢，a為負(fù)，表示NDVI呈減少趨勢；year代表年份，b代表回歸方程的截距[33-34]。

趨勢顯著性用F檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為:

(2)

(3)

(4)

1.3.2 Hurst指數(shù) 自然界中具有長期依賴性的時(shí)間序列是普遍存在的，Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列信息長期依賴性的有效方法之一，最早由英國水文學(xué)家Hurst提出，在水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、氣候?qū)W、地質(zhì)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[35]。其計(jì)算原理如下：

對于任意正整數(shù)τ≥ 1，定義均值序列 {ξ(t)} ：

(5)

(1) 離差：

(6)

(2) 極差：

(τ=1,2，…，N)

(7)

(3) 標(biāo)準(zhǔn)差：

(τ=1,2，…，N)

(8)

引入無量綱的比值R/S，若存在H使得R/S=(cτ)H成立，則說明{ξ(t)}存在Hurst現(xiàn)象，H為Hurst指數(shù)。在雙對數(shù)坐標(biāo)系中〔lnτ，ln(R/S)〕使用最小二乘法擬合，求得像元Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)取值范圍:

(1) 若0

(2) 若H=0.5，表明植被覆蓋度時(shí)間序列為互相獨(dú)立的隨機(jī)序列;

(3) 若0.5

1.3.3 相關(guān)性分析 偏相關(guān)分析是指兩個(gè)變量同時(shí)與第3個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第3個(gè)變量的影響剔除，只分析另兩個(gè)變量之間相關(guān)程度的過程[34]。計(jì)算公式為：

(9)

式中：rxy,z為偏相關(guān)系數(shù)；rxy，rxz，ryz分別為x，y，z兩兩間的簡單相關(guān)系數(shù)。rxy,z大于0，則兩變量呈正相關(guān)，rxy,z小于0，則兩變量呈負(fù)相關(guān)。

1.3.4 殘差分析 通過剔除NDVI長時(shí)間序列變化中降水和氣溫因素的影響來剝離開植被覆蓋變化中自然因素和人為因素。本文利用剔除異常值的NDVI和降水量和氣溫?cái)?shù)值做回歸分析，計(jì)算出NDVI的預(yù)測值和真實(shí)值之間的差值，以此作為人為因素對植被覆蓋變化的影響，即殘差趨勢法[36]。該方法在研究中得到了廣泛的應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

NDVI預(yù)測值=aT+bP+c

(10)

NDVI殘差=NDVI真實(shí)值-NDVI預(yù)測值

(11)

式中：NDVI真實(shí)值為遙感影像中NDVI值，NDVI預(yù)測值指假設(shè)沒有人類活動(dòng)影響，基于NDVI以及氣溫和降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，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得到的NDVI預(yù)測值；T，P分別為氣溫、降水；a，b，c為模型參數(shù)[16]。

通過公式(1)計(jì)算NDVI殘差的變化趨勢，趨勢率為正，表示人類活動(dòng)對NDVI起促進(jìn)作用，趨勢率為負(fù)，表示人類活動(dòng)對NDVI起抑制作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)空變化分析

(1) 時(shí)間變化特征。2000—2018年黃河流域NDVI整體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(圖2a)，NDVI值介于0.484 305，0.633 907之間，總體增速為6.8%/10 a。大致分為3個(gè)階段，2000—2011年為第一階段，NDVI增加較緩；2011—2013年為第二階段，先上升后下降；2015—2018為第三階段，持續(xù)增加，增速較快。在增加過程中2011年和2015年驟然減少，分別為0.540 684，0.565 101，但較2000年(0.484 305)而言仍表現(xiàn)為增加。

圖2 2000-2018年黃河流域NDVI時(shí)間變化特征及空間分布

(2) 空間分布及變化趨勢。通過對2000—2018年多年平均NDVI值計(jì)算得到19 a NDVI空間分布圖(圖2b)，整體上，黃河流域沿黃河干流和支流區(qū)域具有較高的植被； NDVI值東南部及西部較高，這些地區(qū)主要為平原、盆地及山地地貌，植被狀況較好，北部及西北部主要為黃土高原和荒漠，NDVI較低。由東南向西北部減少，空間分布存在兩條界線(圖2b)： ①東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)界線，界線以北為較低值區(qū)，界線以南為較高值區(qū)，大致沿鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽—平?jīng)觥ㄎ饕痪€，和南溫帶和中溫帶分界線、溫帶草原和溫帶闊葉林分界線有一定重合； ②青藏高原生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)及東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)界線，大致沿西寧—甘南—定西一線，和高原氣候區(qū)和中溫帶及南溫帶、青藏高原高寒植被區(qū)和溫帶草原及溫帶闊葉林分界線有一定重合。兩條界線呈Ⅴ字型，Ⅴ字型兩側(cè)為較高值區(qū)，Ⅴ字內(nèi)為較低值區(qū)。

通過NDVI分布進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)(表1)，NDVI值低于0.1的區(qū)域占0.4%，主要分布在上游的冰川湖泊、裸巖荒漠和沙地沙漠等，主要以草原和高寒植被為主。NDVI值在0.1～0.5之間的有36.5%，在0.5～0.9之間有63.1%。其中下游NDVI最高，均值約為0.7，小于0.1的區(qū)域僅占0.4%，0.1～0.5的區(qū)域占5.4%，0.5～0.9的區(qū)域占94.2%；中游次之，均值約為0.6，不存在NDVI小于0.1的區(qū)域，0.1～0.5的區(qū)域占21.2%，0.5～0.7的區(qū)域占78.8%，0.7～0.9的區(qū)域占34.9%；上游最低，均值約為0.5，小于0.1的區(qū)域占0.7%，0.1～0.5的區(qū)域占50.8%，0.5～0.9的區(qū)域占48.5%。

表1 2000-2018年黃河流域NDVI空間分布分級統(tǒng)計(jì)

為更好的評價(jià)NDVI變化情況，參照已有研究[30]，結(jié)合本文實(shí)際，將Slope劃分為嚴(yán)重退化(Slope≤-0.03)、中度退化(-0.030.03)，從一元線性趨勢分析結(jié)果(圖3a)和NDVI變化趨勢統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn)，黃河流域植被NDVI整體以改善為主，改善區(qū)約占62.32%，改善區(qū)主要呈帶狀分布，大致存在3條界線：①沿鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽—平?jīng)觥ㄎ鳌鲗帯誓?；②太原盆地—臨汾盆地—關(guān)中平原；③運(yùn)城盆地—三門峽，兩兩界線間的條帶區(qū)域基本為改善區(qū)。退化面積僅占2.16%，以中下游城市地區(qū)為主，在蘭州、寧夏平原、河套平原、包頭至呼和浩特、太原盆地、關(guān)中盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地、晉城、洛陽及山東境內(nèi)都有零散分布，或與城市發(fā)展、土地利用變化有一定的關(guān)系。明顯改善面積占0.09%，中度改善面積占6.72%，輕微改善面積占55.51%，中上游地區(qū)改善面積占比較多且較為集中，主要包括黃河源區(qū)南部和東部、青海黃河兩岸、甘肅南部、祁連山區(qū)、寧夏平原、河套平原、黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中平原北部、山西西部等地；而下游主要分布在三門峽和山東等地?；静蛔兊膮^(qū)域占35.52%，主要分布在黃河源區(qū)中部、鄂爾多斯高原、毛烏素沙地、關(guān)中平原東部及下游地區(qū)。在黃河源區(qū)及鄂爾多斯高原等地，NDVI改善、退化及基本不變等趨勢交織零星分散在一起，可能與植被本身生長情況較為復(fù)雜，加之自然條件與區(qū)域內(nèi)部差異有關(guān)，在通過對NDVI線性趨勢顯著性檢驗(yàn)(圖3b)，大部分地區(qū)通過了顯著性檢驗(yàn)，其中顯著改善的區(qū)域占顯著區(qū)域的96.4%，顯著退化的區(qū)域僅占3.6%，說明整體上NDVI呈增加的趨勢。

圖3 2000-2018年黃河流域NDVI空間變化趨勢(a)及顯著性檢驗(yàn)(b)

表2 2000-2018年黃河流域NDVI變化趨勢統(tǒng)計(jì)

(3) 持續(xù)性分析。對19 a NDVI進(jìn)行持續(xù)性分析統(tǒng)計(jì)(表3)，Hurst指數(shù)介于0.158 064，0.948 973，平均值為0.49,Hurst指數(shù)小于0.5的區(qū)域占比59.8%，大于0.5的占比40.2%，故NDVI變化的反向持續(xù)性強(qiáng)于持續(xù)性。將Hurst指數(shù)進(jìn)行分級顯示并統(tǒng)計(jì)得出，弱、較弱持續(xù)性系列(0.35～0.65)占91.9%，植被的恢復(fù)若依靠單一因素(自然或人類活動(dòng)修復(fù)，例如自然維持的原始森林、人類維持的農(nóng)田)，其恢復(fù)序列表現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性，而黃河流域這種弱持續(xù)性證明了植被覆蓋變化是在自然、人類活動(dòng)等多種因素共同驅(qū)動(dòng)下形成的。

從Hurst指數(shù)空間分布來看(圖4a)，Hurst指數(shù)中部高，東西低，反向持續(xù)序列占主體與持續(xù)性序列呈斑塊分布，反持續(xù)序列主要分布在上游黃河源區(qū)、甘肅中東部、包頭—呼和浩特一帶、山西西部、黃土高原東部及天水—關(guān)中一帶等地。為探究未來趨勢的可持續(xù)性，將趨勢分析結(jié)果與可持續(xù)分析Hurst指數(shù)進(jìn)行耦合疊加(圖4b)，通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)(表4)，54.4%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?.1%的區(qū)域持續(xù)退化，而持續(xù)改善和由退化到改善的區(qū)域分別占37.2%和4.3%。黃河源區(qū)植被為高寒植被，未來植被變化較為復(fù)雜，持續(xù)改善/退化、反持續(xù)改善/退化在黃河源區(qū)呈現(xiàn)斑點(diǎn)零散的特征。四川省北部、甘肅省中部、祁連山區(qū)、烏海、鄂爾多斯、包頭、延安、朔州、三門峽市等地呈反持續(xù)改善，這些地區(qū)大部分為高寒植被和溫帶草原區(qū)，未來植被有可能出現(xiàn)退化趨勢。黃土高原地區(qū)主要為可持續(xù)性，以持續(xù)改善趨勢為主體，未來植被可能會(huì)持續(xù)改善，表明退耕還林/草等生態(tài)工程建設(shè)對該地區(qū)未來植被的改善有積極的作用。由于城市化、人口發(fā)展、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等因素的影響，西寧市、蘭州市、河套平原、關(guān)中平原、中下游城市等地未來可能持續(xù)退化，并伴隨著反持續(xù)退化現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 2000-2018年黃河流域NDVI的Hurst指數(shù)統(tǒng)計(jì)

表4 2000-2018年黃河流域NDVI的變化趨勢持續(xù)性

2.2 NDVI對氣候和人類活動(dòng)的響應(yīng)

2.2.1 NDVI對氣候的響應(yīng) 黃河流域地處中國干旱和半干旱地區(qū)，降水量的多少直接影響NDVI的變化，氣溫也是影響黃河流域NDVI變化的直接原因之一。為探究NDVI與降水量和氣溫的變化關(guān)系，分別將NDVI與降水量和氣溫進(jìn)行相關(guān)分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)NDVI與降水量具有較顯著的正相關(guān)性(r=0.545，p<0.05，n=19)，與氣溫也存在一定程度的相關(guān)性(r=0.356，p<0.05，n=19)，NDVI對降水的響應(yīng)大于氣溫。

圖5 2000-2018年黃河流域NDVI與氣溫及降水變化相關(guān)分析

同時(shí)對研究區(qū)NDVI與降水、氣溫分別進(jìn)一步進(jìn)行偏相關(guān)分析，并進(jìn)行p<0.05的顯著性檢驗(yàn)(圖6)，NDVI與降水和氣溫的平均偏相關(guān)系數(shù)分別為0.6，0.1，進(jìn)一步表明NDVI與降水和氣溫呈正相關(guān)，且與降水的偏相關(guān)強(qiáng)度稍大于氣溫，主要是由于黃河流域處于干旱半干旱地帶，加之氣候變暖，使得干旱的幾率增加，制約植被生長。通過顯著性檢驗(yàn)的偏相關(guān)結(jié)果顯示，整體上NDVI與降水呈顯著正偏相關(guān)，主要分布在青海黃河兩岸地區(qū)、甘肅中東部、寧夏南部、烏海東部、鄂爾多斯—呼和浩特一帶、朔州、毛烏素沙地、延安黃土高原溝壑區(qū)—呂梁一帶以及三門峽—運(yùn)城一帶等地集中分布，在關(guān)中平原、太原盆地、臨汾盆地、鄭州花園口及山東濟(jì)南等地呈零散狀分布。NDVI與降水呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在四川北部、烏海、寶雞、洛陽及濟(jì)南等地。

整體上NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)，上游的三江源區(qū)、四川北部及甘肅甘南，位于青藏高原氣候帶，海拔高，生態(tài)環(huán)境極為敏感脆弱，低溫嚴(yán)重制約植被生長，除此，正相關(guān)的區(qū)域在平?jīng)觥獞c陽一帶、寧夏平原、包頭、臨汾盆地、陜西河南交界及開封—濮陽一帶等地零散分布。NDVI與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要在毛烏素沙地、烏海、巴彥淖爾、延安一帶的黃土高原溝壑區(qū)、呂梁及洛寧—盧氏一帶呈塊狀分布，黃南、臨夏、包頭—呼和浩特一帶、天水—關(guān)中平原一帶、運(yùn)城盆地、晉城、鄭州花園口—小浪底水庫以及濟(jì)南—黃河三角洲一帶等地零散分布。其中在黃土高原區(qū)，高溫對植被以抑制為主，隨著溫度的升高，地面蒸發(fā)增加，土壤干化不利于植被生長。

圖6 2000-2018年黃河流域NDVI與降水及氣溫的偏相關(guān)分析

2.2.2 NDVI對人類活動(dòng)的響應(yīng) 除氣候變化等自然因素外，人類活動(dòng)也是影響植被覆蓋的重要因素，一般來說，人類活動(dòng)對植被生長的影響有兩方面：①正干擾，使得生態(tài)環(huán)境得到改善；②人類活動(dòng)對植被生長產(chǎn)生負(fù)干擾，其會(huì)加劇植被退化程度。通過殘差分析計(jì)算趨勢變化特征，殘差變化趨勢率為正表示人類活動(dòng)促進(jìn)植被NDVI增加，對植被恢復(fù)具有促進(jìn)作用；反之，表示會(huì)導(dǎo)致植被NDVI減少，對植被恢復(fù)具有抑制作用。

為了更好地評價(jià)人類活動(dòng)對植被生長狀況的影響，將殘差趨勢進(jìn)行劃分等級并統(tǒng)計(jì)(圖7)，黃河流域76.7%的地區(qū)NDVI殘差趨勢為正，人類活動(dòng)整體對NDVI增加的影響以促進(jìn)作用為主，主要分布在中上游的黃河源區(qū)、甘肅中部、寧夏沿黃區(qū)、河套平原、黃土高原溝壑區(qū)、天水東部等，這些地區(qū)由于生態(tài)工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、封山育林、禁牧休牧等原因，人類活動(dòng)對植被產(chǎn)生了促進(jìn)影響。而人類活動(dòng)抑制NDVI增加的地區(qū)僅占3.9%，大多集中分布在各城市(群)，如蘭州、銀川、吳忠、太原、關(guān)中城市群、中原城市群、濟(jì)南等，其中以中下游地區(qū)城市(群)較為集中，這些地區(qū)人口密度大，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，在不斷的城市化進(jìn)程中，城市建成區(qū)擴(kuò)張，大量耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，人類活動(dòng)對植被的生長起到了抑制性作用。根據(jù)NDVI變化趨勢、與降水氣溫的偏相關(guān)分析結(jié)果可知，在黃河源區(qū)，受人類活動(dòng)影響較低，主要依賴氣候因子控制，隨著黃河源區(qū)的三江源生態(tài)保護(hù)工程的逐步建設(shè)，未來人類活動(dòng)可能對該地區(qū)的影響會(huì)逐步增強(qiáng)。

圖7 2000-2018年黃河流域NDVI殘差變化趨勢分布及統(tǒng)計(jì)

國內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高、勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移、經(jīng)濟(jì)水平的提高、生活方式的轉(zhuǎn)變都可能影響到植被覆蓋的變化[37-38]，人類活動(dòng)存在難以定量化研究的問題。結(jié)合信忠保[13]和趙安周等[29]研究，下面從植被建設(shè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面來分析人類活動(dòng)對植被的影響。中游的黃土高原溝壑中部地區(qū)，處于半干旱區(qū)，近些年來由于大力實(shí)施退耕還林(草)、植樹造林、合理放牧等國家或區(qū)域性政策的實(shí)施措施，對植被生長產(chǎn)生了直接影響，當(dāng)?shù)刂脖坏玫搅溯^好的恢復(fù)。延安和榆林是中游地區(qū)退耕還林還草典型重點(diǎn)區(qū)域，對兩個(gè)地區(qū)自2000年來累計(jì)造林面積與NDVI的關(guān)系統(tǒng)計(jì)(圖8a和8b)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域NDVI與累計(jì)造林面積呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95(n=19，p<0.01)和0.916(n=19，p<0.01)。在上游的寧夏和內(nèi)蒙古黃河兩岸灌溉區(qū)等地，深居內(nèi)陸，干旱少雨，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)灌溉依賴性較強(qiáng)。由于農(nóng)業(yè)灌溉得當(dāng)，農(nóng)業(yè)發(fā)展良好，多數(shù)區(qū)域的耕地NDVI得到增加。通過對寧夏自2000年以來的糧食產(chǎn)量與NDVI的關(guān)系進(jìn)行分析(圖8c)，糧食產(chǎn)量呈波動(dòng)上升的趨勢，NDVI與之較為同步，二者具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862，n=19，p<0.01)。然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及植被建設(shè)中應(yīng)考慮大規(guī)模造林和農(nóng)業(yè)灌溉對上述地區(qū)水資源的影響，避免造成土壤水分及地下水減少，反向抑制植被的生長，在不影響原有自然條件的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展植樹造林和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。除此，通過對比發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)影響下NDVI的變化趨勢(圖7a)和實(shí)際NDVI變化趨勢(圖3a)在一定程度上存在較強(qiáng)的一致性。以上說明NDVI的增長并不完全依賴于自然條件，人類的各種活動(dòng)在黃河流域植被生長中發(fā)揮了重要作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 結(jié) 論

本文基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，采用一元線性趨勢分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)分析及殘差分析等方法，分析了2000—2018年黃河流域NDVI時(shí)空變化格局，并探討了其對氣溫、降水等氣候因子和人類活動(dòng)兩個(gè)方面的響應(yīng)。

(1) NDVI時(shí)間變化。2000—2018年黃河流域NDVI主要呈現(xiàn)在波動(dòng)中不斷增加的趨勢，總體增長率為6.8%/10 a，分為3個(gè)階段。第一階段(2000—2011年)增速較緩，第二階段(2011—2015年)先增加后減少，第三階段(2015—2018年)持續(xù)增加。

(2) NDVI空間分布。黃河流域NDVI在東南部及西部較高，北部及西北部較低，由東南向西北減少，下游最高，中游次之，上游最低。整體以東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)界線(鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽—平?jīng)觥ㄎ?和青藏高原生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)及東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)界線(西寧—甘南—定西)為界呈Ⅴ字型分布。

圖8 2000-2018年NDVI與延安、榆林市累計(jì)造林面積及寧夏回族自治區(qū)糧食產(chǎn)量的相關(guān)分析

(3) NDVI變化趨勢。黃河流域植被NDVI整體以改善為主，改善區(qū)約占62.32%，主要集中分布在中上游地區(qū)，存在3條界線：①鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽—平?jīng)觥ㄎ鳌鲗帯誓?；②太原盆地—臨汾盆地—關(guān)中平原；③運(yùn)城盆地—三門峽，兩兩界線間基本為改善區(qū)，而退化區(qū)域以中下游為主，呈零散分布；變化反持續(xù)性強(qiáng)于持續(xù)性，前者占主體，與后者呈斑塊分布，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的弱持續(xù)性，有54.4%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?.1%的區(qū)域持續(xù)退化，而持續(xù)改善和由退化到改善的區(qū)域分別占37.2%和4.3%。

(4) NDVI對氣候和人類活動(dòng)響應(yīng)。NDVI黃河流域NDVI與降水和氣溫呈正相關(guān)，且與降水的偏相關(guān)強(qiáng)度稍大于氣溫。流域76.7%的地區(qū)的NDVI殘差呈增長的趨勢，說明人類活動(dòng)整體對NDVI增加的影響以促進(jìn)作用為主，其促進(jìn)作用：中游>上游>下游。在人類活動(dòng)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)工程建設(shè)對NDVI變化有著重要影響。也存在少部分地區(qū)人類活動(dòng)對NDVI增加產(chǎn)生了干擾，主要是由于能源開發(fā)、城市化發(fā)展、土地利用變化、過度開墾、人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素。

3.2 討 論

黃河流域地處干旱、半干旱及半濕潤地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被變化長期復(fù)雜。本文通過研究發(fā)現(xiàn)黃河流域植被分布差異較為明顯，其變化受到氣候和人類活動(dòng)的綜合影響，總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，其整體分布為東南高西北低，與前人研究一致[18-19]。研究區(qū)內(nèi)包括黃河源區(qū)、寧夏平原、甘肅中東部、鄂爾多斯高原、黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中等地區(qū)植被分布及變化特征與有關(guān)研究基本吻合[9,11-12,18,23,29-30,39-41]。黃河流域植被整體是改善的，其中氣溫、降水等因子對植被生長有重要影響，且具有空間異質(zhì)性[39]，而人類活動(dòng)在植被生長中也扮演了重要的角色，會(huì)對NDVI變化產(chǎn)生正面促進(jìn)或負(fù)面干擾的影響。通過分析得出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與植樹造林等活動(dòng)對植被恢復(fù)具有促進(jìn)作用[13,29]，也有研究發(fā)現(xiàn)，大力建設(shè)國家公園與自然保護(hù)區(qū)，制定合理放牧、保護(hù)耕地等政策法規(guī)，以及實(shí)施天保、退耕還林(草)、水土保持等生態(tài)工程，均會(huì)對當(dāng)?shù)氐闹脖簧LNDVI增加產(chǎn)生促進(jìn)作用[11,21-22,28-29,41]。不同地區(qū)的NDVI的主導(dǎo)因子也可能不同，例如在黃土高原地區(qū)降水因素對NDVI的影響較強(qiáng)于溫度，氣候因素是三江源區(qū)NDVI變化的主要驅(qū)動(dòng)力，其中氣溫升高主要促進(jìn)NDVI增加，目而前人類活動(dòng)對該地區(qū)NDVI的促進(jìn)作用仍有限，隨著生態(tài)工程的實(shí)施，人類影響可能會(huì)進(jìn)一步增加，這與已有研究具有一定的一致性[13,15,17,22,24-25]。

退耕還林20 a以來，中國累計(jì)實(shí)施退耕還林還草3.39×105km2，占中國重點(diǎn)工程造林總面積的40%，成林面積近2.67×105km2，林草植被大幅增加，風(fēng)沙危害和水土流失得到有效遏制，生態(tài)狀況顯著改善。然而在生態(tài)工程建設(shè)中應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛩牡纫蛩?，因地制宜、分區(qū)分類開展，以黃土高原為代表的干旱—半干旱區(qū)，若過度開展植樹造林，忽略對土壤水分蒸散發(fā)的影響，會(huì)造成區(qū)域水資源減少，加劇干旱—半干旱地區(qū)水資源壓力，反而不利于植被恢復(fù)[13,29]。在上游地區(qū)，國家已經(jīng)成立三江源自然保護(hù)區(qū)，并于2005年頒布《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》，采取了牧區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、牧民進(jìn)城以及禁牧補(bǔ)貼等一系列有效措施，三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步恢復(fù)[28,40]，鄂爾多斯等地2000年以來推行了一系列政策，如封山育林、退耕還林、禁牧、休牧、劃區(qū)輪牧，推動(dòng)了草原生態(tài)自然恢復(fù)[12]，人類的保護(hù)與治理在區(qū)域植被恢復(fù)中正逐步起到促進(jìn)作用。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)不可避免地對植被造成影響，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，中下游城市(群)人口密度大，城市擴(kuò)張迅速，應(yīng)同時(shí)注重城市建設(shè)和生態(tài)建設(shè)，河南省近年在沿黃河兩岸已造林46.67 km2，打造沿黃生態(tài)廊道120 km，極大地改善了生態(tài)環(huán)境。人類活動(dòng)日益在植被恢復(fù)中起到不可忽視的作用，開展適度的生態(tài)工程如植樹造林，建設(shè)自然保護(hù)區(qū)，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及實(shí)施相關(guān)政策如禁牧休牧等均對植被恢復(fù)生態(tài)改善具有重要影響。

本文僅采用降水和氣溫作為NDVI變化的氣候驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，日照時(shí)長、風(fēng)速、蒸散發(fā)等也可能對植被產(chǎn)生影響；在利用殘差分析來探討人類活動(dòng)對NDVI增加產(chǎn)生的影響時(shí)，未將氣候因子及人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量分析；另外在時(shí)間尺度方面，由于不同季節(jié)月份的氣候差異，植被對氣候可能會(huì)存在一定的滯后現(xiàn)象，本文從年際尺度分析，未將季節(jié)尺度和月尺度上的植被生長對氣候滯后性的響應(yīng)納入研究?？傊瑥拈_展多尺度分析、細(xì)化人類活動(dòng)因子、量化氣候和人類因素對NDVI變化中的相對貢獻(xiàn)等方面對黃河流域NDVI時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究有待今后進(jìn)一步的探討。