神府礦區(qū)土地利用與NDVI時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析

夏正清，謝艷玲，王 濤

（1北京中色測繪院有限公司，北京 100012；2貴州省第一測繪院，貴陽 550025；3西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054）

0 引言

土地利用/土地覆被變化(Land use and land cover change，LUCC)是國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[1-2]，作為一個(gè)國際研究計(jì)劃，LUCC已經(jīng)被全球土地計(jì)劃(Global Land Project，GLP)（2005—2015年）、未來地球計(jì)劃(Future Earth)（2014—2023年）繼承和替代，研究方向也向更深層次、多學(xué)科交叉發(fā)展。作為一種對生態(tài)環(huán)境認(rèn)知的途徑和方法，LUCC已經(jīng)成為研究全球及區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3-4]，同時(shí)LUCC也在溝通自然生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)研究方面，起到了重要的橋梁作用[5-6]。

已有LUCC研究中，包括了結(jié)構(gòu)與過程研究、驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究、模型與模擬研究、土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)與過程研究方面，如Li等[7]、Sun等[8]對中國黃土高原、寒區(qū)LUCC過程的研究，反映出人類活動(dòng)如退耕還草工程及氣候變化的影響，研究表明退耕還林還草工程實(shí)施對改善黃土高原植被覆蓋水平方面效果顯著，工程實(shí)施引起區(qū)域內(nèi)大面積耕地向林地、草地轉(zhuǎn)變，地表植被覆蓋水平顯著提高。而氣候變化尤其是氣候變暖促使以草甸、草地植被為主的寒區(qū)歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)增加，植物群落向灌木林群落轉(zhuǎn)變。Chen等[9]、Fan等[10]、Lu等[11]在省級及縣級行政單元上的LUCC研究結(jié)果，對于評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化及政策調(diào)整起到重要作用。

驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，政府政策[9]、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[12-13]、人口遷移[14]等均為LUCC過程的重要驅(qū)動(dòng)因素，但在不同時(shí)段、不同區(qū)域存在差異。模型與模擬研究方面，元胞自動(dòng)機(jī)模型(Cellular Automation Model)[15]、土地利用轉(zhuǎn)換及其效果模型(The Conversion of Land Use and its Effects,CLUE)[16]、Markov模型[17]及其他LUCC過程與預(yù)測模型[18]均得到了開發(fā)與應(yīng)用。隨著研究的深入，模型構(gòu)建及模擬中，融入了更多驅(qū)動(dòng)因素，如氣候因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、農(nóng)戶行為/城鎮(zhèn)居民行為等內(nèi)容。土地利用生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面研究內(nèi)容也較多，如土地利用變化引起的水文效應(yīng)[19]、土地利用變化碳排放效應(yīng)[20-21]、土地利用變化引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化[22-23]。

礦區(qū)是陸地地表人類活動(dòng)劇烈區(qū)域之一，深受人類活動(dòng)影響。綜合探討氣候變化、城市擴(kuò)張與采礦等人類活動(dòng)對礦區(qū)土地利用與NDVI時(shí)空變化過程影響，對于科學(xué)認(rèn)識(shí)礦區(qū)LUCC變化過程及調(diào)整區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)政策具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以位于中國陜西省北部的神木市和府谷縣行政區(qū)劃范圍作為研究區(qū)。區(qū)域西北部為毛烏素沙地南緣，東南部為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，全區(qū)總面積1.09×104km2。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫9℃，年降水量約450 mm。受降水限制，地表植被覆蓋水平較低，生態(tài)環(huán)境脆弱，對人類活動(dòng)尤其是采礦活動(dòng)響應(yīng)敏感。神府礦區(qū)是陜西省乃至中國重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，煤炭的開采、礦區(qū)的建設(shè)等促進(jìn)了工礦用地面積的擴(kuò)張，擠占了鄰近區(qū)域的其他用地，對區(qū)域內(nèi)土地利用和NDVI變化可能產(chǎn)生了重要影響。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

研究使用數(shù)據(jù)包括：（1）2000年、2005年和2010年神府礦區(qū)1：10萬土地利用數(shù)據(jù)集，收集自全國生態(tài)十年遙感評估項(xiàng)目。土地利用數(shù)據(jù)劃分為6個(gè)一級類和20個(gè)二級類。（2）2000—2015年覆蓋神府礦區(qū)250 m分辨率、16天合成的MODISNDVI數(shù)據(jù)集，下載自https://ladsweb.nascom.nasa.gov。利用最大值合成(Maximum Value Composition，MVC)方法得到2000—2015年逐年神府礦區(qū)NDVI數(shù)據(jù)。（3）氣象數(shù)據(jù)為陜西榆林、山西河曲、興縣3個(gè)站點(diǎn)2000—2015年年平均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

（1）NDVI變化趨勢

變化趨勢分析采用一元線性回歸模型，用于分析神府礦區(qū)NDVI時(shí)間和空間序列變化過程及未來可能的變化方向，反映研究時(shí)段內(nèi)線性變化趨勢及其空間分布，計(jì)算公式見(1)～(3)[24]。

式中，Y為2000—2015年研究區(qū)NDVI值或NDVI值的空間分布數(shù)據(jù)；X為2000—2015年年份；a為系數(shù)；b為常數(shù)；和為X和Y的平均值。a值的正與負(fù)反映NDVI的線性增加與減少。

一元線性回歸模型顯著性采用F檢驗(yàn)，計(jì)算公式見(4)。

（2）NDVI與氣溫、降水相關(guān)關(guān)系分析

利用相關(guān)系數(shù)辨識(shí)氣候變化與植被變化之間關(guān)系，計(jì)算公式見(5)[24]。

式中，x、y分別為NDVI和氣溫/降水。r值在[-1，1]之間，r=0表示兩變量不相關(guān)；r值越趨近于-1表示負(fù)相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)，反之則正相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)。查詢相關(guān)系數(shù)臨界表，當(dāng)α=0.05，臨界值為0.4973，即相關(guān)系數(shù)|r|＞0.4973時(shí)，顯著，反之，則不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化過程

2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型主要為草地、未利用地和耕地，分別平均占總面積的61.52%、18.23%和15.96%（圖1a）。2000—2010年神府礦區(qū)耕地面積減少最大，共減少458.05 km2，草地面積增加最多，為333.61 km2。此外，建設(shè)用地也大面積增加，僅次于草地增加面積，為166.95 km2（圖1b）。由于草地基數(shù)大，2000—2010年土地利用變化幅度上草地并非最高，而是建設(shè)用地，其10年間增加幅度超過203%（圖1c）。

退耕還林還草工程實(shí)施是導(dǎo)致神府礦區(qū)耕地面積減少，草地面積增加的主要驅(qū)動(dòng)因素。神府礦區(qū)最大的特點(diǎn)表現(xiàn)在資源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，主要是煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引起當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)規(guī)模提升，人口大量涌入，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)張。建設(shè)用地二級分類劃分為居住地、工業(yè)用地、交通用地、采礦場，其中居住用地與人口數(shù)量增長有關(guān)，工業(yè)用地和工業(yè)發(fā)展有關(guān)，交通用地與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)作有關(guān)，采礦場與煤炭資源開采關(guān)系密切。2000—2010年神府礦區(qū)建設(shè)用地中工業(yè)用地所占比重最高，平均占總面積的50.96%，其次為居住用地為20.70%（圖1d），并且工業(yè)用地增加面積也最大，為101.03 km2，居住用地其次，為32.58 km2，采礦用地增加23.76 km2，居第3位（圖1e）。變化幅度上略有差異，其中工業(yè)用地增加幅度最大，為284.71%，其次為交通用地，增加273.61%，再次為采礦場，增加199.63%（圖1f）。

圖1 土地利用類型面積及比例變化

由神府礦區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知（表1），2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)為草地，面積達(dá)到430.80 km2，草地、耕地和未利用地主要轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，分別達(dá)到92.25 km2、27.16 km2和43.96 km2。2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣也反映出，神府礦區(qū)土地利用變化集中在耕地轉(zhuǎn)為草地和其他用地類型轉(zhuǎn)為建設(shè)用地方面，二者分別與退耕還林還草工程實(shí)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的城市大規(guī)模擴(kuò)張有關(guān)。

表1 2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用空間分布上（圖2a、圖2b和圖2c），草地和耕地主要分布在區(qū)域的中東部，呈交錯(cuò)分布狀態(tài)，未利用地集中分布在區(qū)域的西部，林地、水域和建設(shè)用地分布范圍較小，但更為集中，2000—2015年建設(shè)用地呈現(xiàn)出沿河流谷地線性擴(kuò)張和以榆林市為中心的面狀擴(kuò)張過程?？臻g變化來看（圖2d、圖2e和圖2f），西部未利用地集中區(qū)域土地利用變化較小，變化劇烈區(qū)域集中在中東部地區(qū)，以及河流谷地和城市附近區(qū)域。土地利用空間變化過程，充分反映了神府礦區(qū)土地利用變化與退耕還林還草工程實(shí)施、城市擴(kuò)張等具有密切關(guān)系。

圖2 土地利用及其變化空間分布

2.2 NDVI變化過程

NDVI是表征植被覆蓋的重要指標(biāo)，NDVI值越大則植被覆蓋水平越高，反之，越低[25-26]。2000—2015年神府礦區(qū)平均NDVI為0.3978，其中2001年值最低，為0.2875，2013年最高，為0.4924。NDVI變化過程可劃分為4個(gè)階段：2000—2001年，NDVI值較低，平均值為0.2932；2002—2006年，NDVI數(shù)值升高，平均值為0.3685；2007—2011年，NDVI數(shù)值再次升高，平均值達(dá)到0.4230；2012—2015年，NDVI平均值為0.4553。4個(gè)階段中，神府礦區(qū)NDVI平均值提高55.29%。由前述土地利用變化可知，耕地轉(zhuǎn)為草地是2000—2010年神府礦區(qū)最為主要的土地類型轉(zhuǎn)移方向，反映了退耕還林還草工程實(shí)施，促進(jìn)了地表植被的改善。從變化過程的線性擬合結(jié)果可知，2000—2015年神府礦區(qū)NDVI總體呈線性增加趨勢，線性增加速率為0.105/10a（P＜0.001）（圖 3），反映出未來一段時(shí)間內(nèi)礦區(qū)NDVI仍會(huì)呈增加趨勢。

NDVI線性變化速率空間分布表明（圖4a），神府礦區(qū)2000—2015年NDVI線性變化速率最低值為-0.026/a，最高值為0.044/a?？傮w上以線性增加速率為主，占礦區(qū)總面積的99.12%，線性減少速率分布區(qū)域僅占0.88%，主要分布在河流谷地、城鎮(zhèn)等人類活動(dòng)劇烈的區(qū)域。NDVI線性變化的F檢驗(yàn)結(jié)果表明（圖4b），將神府礦區(qū)2000—2015年線性變化速率的F檢驗(yàn)結(jié)果劃分為不顯著減少、顯著減少、不顯著增加和顯著增加4類，分別占礦區(qū)總面積的0.74%、0.14%、3.18%和95.95%。這一結(jié)果表明2000—2015年神府礦區(qū)除河流谷地和城鎮(zhèn)區(qū)域因受人類活動(dòng)影響NDVI下降外，其他區(qū)域受退耕還林還草工程實(shí)施及其他因素影響，NDVI呈增加過程。

圖4 NDVI變化速率及F檢驗(yàn)結(jié)果空間分布

2.3 不同土地利用方式下的NDVI變化過程

由于NDVI與氣候因素之間具有密切的聯(lián)系，在2000—2015年氣溫、降水等因素既定情況下，神府礦區(qū)2000年和2010年各土地利用類型的NDVI數(shù)值呈現(xiàn)出極為一致的增加過程，耕地NDVI平均值最高、其次為草地和林地，建設(shè)用地和未利用地最低（圖5a和圖5b）。據(jù)前述2000—2010年，神府礦區(qū)耕地大面積轉(zhuǎn)為草地、其他用地也多向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，并參照按2000年和2010年土地利用類型分別統(tǒng)計(jì)的逐年NDVI差值可知（圖5c），神府礦區(qū)耕地和草地NDVI差值為正，未利用地差值接近0值，而林地和建設(shè)用地為負(fù)值，變化過程上耕地、建設(shè)用地差值呈下降過程，未利用地差值變化不明顯，草地和林地差值呈上升過程。該結(jié)果表明，2000—2010年神府礦區(qū)土地利用變化引起了NDVI的變化，耕地面積減少導(dǎo)致耕地NDVI減小，而草地、林地面積增大，引起草地和林地NDVI增大，同時(shí)，建設(shè)用地面積增加，導(dǎo)致建設(shè)用地NDVI下降。

圖5 按2000年(a)和2010年(b)土地利用統(tǒng)計(jì)的NDVI及其差值(c)變化過程

2.4 NDVI變化與氣溫降水關(guān)系

NDVI反映的植被生長狀況受氣溫、降水影響明顯。神府礦區(qū)2000—2015年NDVI與氣溫、降水相關(guān)關(guān)系顯著性分布結(jié)果表明，總體上神府礦區(qū)NDVI與氣溫以負(fù)相關(guān)為主，與降水以正相關(guān)為主。具體而言，NDVI與氣溫負(fù)相關(guān)比例占區(qū)域總面積的89.41%，其中顯著負(fù)相關(guān)僅占0.56%（圖6a）；NDVI與降水正相關(guān)比例占區(qū)域總面積的97.79%，其中顯著正相關(guān)占42.13%，分布在區(qū)域的東南邊緣及中北部區(qū)域；而負(fù)相關(guān)以斑塊狀、線狀分布在河流谷地及城鎮(zhèn)附近區(qū)域（圖6b）。

圖6 NDVI與氣溫、降水相關(guān)性空間分布

2.5 驅(qū)動(dòng)因素分析

土地利用變化與人類活動(dòng)密切相關(guān)，受到政府政策實(shí)施、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響。神府礦區(qū)所處的陜北黃土高原與毛烏素沙地過渡地帶，退耕還林還草工程在2000—2008年以及2015年之后相繼開展，對當(dāng)?shù)赝恋乩米兓鸬街匾苿?dòng)作用，極大的促使耕地向林地和草地轉(zhuǎn)變，這在前文中已有反映。此外，神府礦區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，引起城市人口、工礦業(yè)活動(dòng)增加等，進(jìn)而導(dǎo)致建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)張，2000—2010年面積擴(kuò)張1倍有余，建設(shè)用地中尤以工業(yè)用地和交通用地增長迅猛。退耕還林還草工程實(shí)施和城市擴(kuò)張是2000—2010年神府礦區(qū)最為主要的土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素。

NDVI變化過程主要受制于氣候變化狀況。神府礦區(qū)所處地帶熱量條件較為充足，水分因子是植被生長發(fā)育的主要限制因子。2000年以來，神府礦區(qū)年平均降水量及降水強(qiáng)度均呈增加趨勢，但增速均較低（圖7），NDVI呈現(xiàn)出與降水較高的顯著正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合前文內(nèi)容可知，耕地面積下降和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，均引起NDVI降低，而林地和草地面積增加，引起NDVI升高。總體來看，盡管土地利用發(fā)生了變化，但由于氣候因子尤其是降水因子朝向有利于植被生長的方向變化，疊加上耕地向林地、草地的轉(zhuǎn)變，共同促使神府礦區(qū)植被狀況改善。

圖7 神府礦區(qū)降水量及降水強(qiáng)度變化

3 討論與結(jié)論

已有研究多側(cè)重于分析氣候變化與NDVI的關(guān)系、人類活動(dòng)與土地利用的關(guān)系，割裂了土地利用與NDVI之間的關(guān)系。本研究建立人類活動(dòng)—土地利用變化—NDVI變化關(guān)系鏈條，以人類活動(dòng)劇烈的神府礦區(qū)為研究區(qū)域，通過分析土地利用與NDVI時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因素，綜合探討退耕還林還草工程實(shí)施、氣候變化、礦區(qū)采礦等人類活動(dòng)對區(qū)域內(nèi)土地利用變化及NDVI變化影響，對于深入認(rèn)識(shí)礦區(qū)地表覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。受數(shù)據(jù)獲取的限制，本研究過程中土地利用數(shù)據(jù)僅使用了2000年、2005年和2010年3期數(shù)據(jù)，降低了研究結(jié)論的現(xiàn)勢性。后續(xù)研究中將以獲取高分辨率/小比例尺土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入開展人類活動(dòng)和氣候變化影響下的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究，為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

通過以上分析，得到幾點(diǎn)結(jié)論：（1）2000—2010年神府礦區(qū)土地利用類型以草地、未利用地和耕地為主，耕地大面積減少、草地大面積增加和建設(shè)用地迅速增加是該時(shí)期主要土地利用變化特征。耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和林地，分布在礦區(qū)東南部，所有用地類型均向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，集中在城鎮(zhèn)附近區(qū)域及河流谷地。（2）2000—2015年神府礦區(qū)NDVI總體呈線性增加趨勢，線性增加速率為0.105/10a(P＜0.001)。NDVI顯著增加區(qū)域占礦區(qū)總面積的95.95%，僅有河流谷地、城鎮(zhèn)附近區(qū)域NDVI呈減少趨勢。土地利用變化過程中，2000—2010年耕地面積下降和建設(shè)用地面積擴(kuò)張，均導(dǎo)致NDVI降低，而草地和林地面積增加，引起NDVI升高。神府礦區(qū)2000—2015年NDVI與氣溫以負(fù)相關(guān)為主，與降水以顯著正相關(guān)為主，占總面積的97.79%，負(fù)相關(guān)以斑塊狀和線狀集中在城鎮(zhèn)附近和河流谷地。（3）退耕還林還草工程實(shí)施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的城市擴(kuò)張是神府礦區(qū)土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，而氣候變化尤其是降水增加和林地、草地面積變化有力促進(jìn)了NDVI的升高。