寧夏植被變化特征及其與氣候、人類活動(dòng)的關(guān)系

趙慧 韓穎娟 張承明 張學(xué)藝 李夢(mèng)華 王艷萍 馬力文 趙金龍

摘要：歸一化植被指數(shù)（NDVI）是表征植被生長(zhǎng)狀況的重要因子?；?000年以來(lái)的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)、趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)等方法，研究寧夏年最大NDVI時(shí)空變化特征及其與氣候、人類活動(dòng)的關(guān)系。結(jié)果表明：（1）寧夏多年平均最大NDVI呈現(xiàn)南北高、中間低的空間分布特征。（2）19年最大NDVI極顯著上升，增長(zhǎng)速率為0.008/年，70.3%的地區(qū)顯著增大（P<0.05），植被生長(zhǎng)狀況明顯改善，未來(lái)27.8%的區(qū)域最大NDVI將顯著改善。（3）最大NDVI與春季、夏季和年降水量相關(guān)性較顯著，與平均氣溫相關(guān)性較弱。最大NDVI與地方公共財(cái)政收入和地方公共財(cái)政支出呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）;大部分地區(qū)NDVI與人口及農(nóng)作物總播種面積正相關(guān)，固原市與二者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。生態(tài)建設(shè)成效尚不穩(wěn)固，需持續(xù)實(shí)施生態(tài)工程，改善植被生長(zhǎng)狀況。

關(guān)鍵詞：NDVI;時(shí)空特征;植被變化;氣候變化;人類活動(dòng)

中圖分類號(hào)： Q948.11;TP79 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）14-0220-06

植被是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在地表一系列物質(zhì)與能量交換過(guò)程中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)人類生產(chǎn)生活影響重大。植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化及人類活動(dòng)的響應(yīng)一直是陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)之一，通過(guò)分析植被時(shí)空變化特征及其與氣候因子、人類活動(dòng)的關(guān)系，能夠了解影響植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義，同時(shí)能為生態(tài)建設(shè)、植被恢復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。近年來(lái)，植被指數(shù)成為描述植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于土地利用[1]、植被分類[2]、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力[3]、森林病蟲(chóng)害[4]、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)估[5]等研究。其中，歸一化植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）是一種能夠反映植被光合作用強(qiáng)度的植被指數(shù)，是近紅外波段與紅光波段的反射率之差與兩者之和的比值，可有效表征地面植被覆蓋情況[6]，是揭示區(qū)域植被生長(zhǎng)時(shí)空格局的重要指標(biāo)。

寧夏回族自治區(qū)地處我國(guó)西北地區(qū)東部，位于我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。2000年以來(lái)，寧夏依托三北防護(hù)林、天然林保護(hù)和退耕還林等國(guó)家重大林業(yè)工程，組織實(shí)施了封山禁牧、防沙治沙等一系列生態(tài)工程，實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償制度等，取得了較好的生態(tài)效益。目前，針對(duì)全國(guó)、西北及寧夏地區(qū)研究分析了AVHRR[7]、MODIS[7-8]、GIMMS[9]、SPOT-VGT[10-12]、NDVI數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系，表明寧夏植被生長(zhǎng)受降水因素影響較大。但已有成果研究時(shí)段主要集中在2015年以前，且大多基于較低分辨率的NDVI數(shù)據(jù)，而近年來(lái)的研究多集中在更大區(qū)域，專門(mén)針對(duì)寧夏NDVI變化情況及其與氣象因子、人類活動(dòng)的關(guān)系的探索較少。因此，本研究基于2000—2018年MODIS NDVI 250 m分辨率數(shù)據(jù)，分析了寧夏各區(qū)域NDVI的變化特征及其與氣候因子、人類活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系，探究影響寧夏植被變化的驅(qū)動(dòng)因素，以期為寧夏乃至西北地區(qū)的植被生態(tài)恢復(fù)治理提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏（35°14′～39°23′N，104°17′～107°39′E）地處黃河中上游，三面環(huán)沙，大部分區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍昶骄邓繛?00 mm左右，年蒸發(fā)量近 2 000 mm。按照氣候、地形、植被等因素自北向南分為灌區(qū)（引黃灌溉區(qū)）、中部干旱帶及南部山區(qū)。灌區(qū)農(nóng)業(yè)資源豐富，以灌溉綠洲為主;中部干旱帶氣候干燥，植被類型以荒漠化草原為主;南部山區(qū)屬于黃土高原，降水資源較為豐富，植被類型以森林、草原為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)，分辨率為250 m。應(yīng)用MRT工具進(jìn)行重投影，將全年23期NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成，每個(gè)像元選取年內(nèi)最大值作為該像元的值，得到2000—2018年每年的最大NDVI（NDVImax），批量裁切得到研究區(qū)數(shù)據(jù)。地面氣象數(shù)據(jù)來(lái)自寧夏氣象綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，包括24個(gè)地面氣象站19年逐日降水量、平均氣溫的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到春夏秋季以及全年值（春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月），并用ArcGIS進(jìn)行克里金插值得到柵格數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》，包括地方公共財(cái)政收入、地方公共財(cái)政支出、人口和農(nóng)作物總播種面積。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)?zāi)軌蚺袛鄷r(shí)間序列的變化趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算得到按照時(shí)間序列（n個(gè)數(shù)據(jù)）正序得到的統(tǒng)計(jì)量序列，UFk（k=1，2，…，n），再按照時(shí)間序列逆序計(jì)算，使得統(tǒng)計(jì)量UBk=-UFk，繪制UFk、UBk 2條曲線，判識(shí)曲線交點(diǎn)，比較交點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)量序列及給定顯著性水平臨界值線的關(guān)系，判斷時(shí)間序列的突變點(diǎn)及變化趨勢(shì)[13]。

1.3.2 趨勢(shì)分析法 用一元線性回歸得到NDVImax與時(shí)間的關(guān)系，應(yīng)用最小二乘法估計(jì)NDVImax的變化趨勢(shì)，即斜率：

b=n×∑ni=1（i×NDVIi）-∑ni=1i∑ni=1NDVIin×∑ni=1i2-（∑ni=1i）2。（1）

式中：b為趨勢(shì)線的斜率;n為19;i為1～19;NDVIi為第i年最大歸一化植被指數(shù)。b表征NDVI的變化速率，當(dāng)b>0時(shí)，NDVImax呈增大趨勢(shì)，植被改善;當(dāng)b<0時(shí)，NDVImax呈減小趨勢(shì)，植被退化。對(duì)斜率b進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)分為極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）、不顯著（P≥0.05）。

1.3.3 Hurst指數(shù) Hurst指數(shù)能夠描述時(shí)間序列變化的持續(xù)性。計(jì)算數(shù)據(jù)的差分序列，進(jìn)而計(jì)算均值、標(biāo)準(zhǔn)差、累積離差、極差等，得到Hurst指數(shù)[14]。Hurst=0.50，表明時(shí)間序列前后的變化無(wú)關(guān);Hurst>0.50，時(shí)間序列前后變化趨勢(shì)相同，系統(tǒng)發(fā)展有持續(xù)性;Hurst<0.50，表明時(shí)間序列前后變化趨勢(shì)相反，系統(tǒng)發(fā)展具有反持續(xù)性。Hurst越接近0，反持續(xù)性越強(qiáng)，越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)。

1.3.4 相關(guān)性分析 應(yīng)用Matlab、SPSS分析近19年寧夏NDVImax與降水量、平均氣溫柵格數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相關(guān)性，對(duì)相關(guān)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。P<0.05表示NDVImax與因子顯著相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVImax時(shí)空特征

2.1.1 NDVImax空間分布特征 2000—2018年NDVImax平均值高值區(qū)主要位于灌區(qū)北部和南部山區(qū)，中部干旱帶NDVImax較小。六盤(pán)山林區(qū)NDVImax最大，黃河流域、清水河流域、南華山林區(qū)、賀蘭山林區(qū)次之，騰格里沙漠東南緣及環(huán)香山地區(qū)較小。灌區(qū)、南部山區(qū)NDVImax>0.50的面積均超過(guò)區(qū)域面積25%，灌區(qū)黃河流經(jīng)，水資源豐富，南部山區(qū)降水較多，林草長(zhǎng)勢(shì)較好。中部干旱帶NDVImax>0.50的區(qū)域僅占6.5%。南部山區(qū)植被總體好于灌區(qū)和中部干旱帶（表1）。

2.1.2 NDVImax時(shí)間變化特征 2000—2018年寧夏平均NDVImax呈極顯著上升，增長(zhǎng)速率為0.008/年，平均值從2000年的0.29增長(zhǎng)至2018年的0.50。2000年以來(lái)，NDVImax≤0.25的面積波動(dòng)減小，NDVImax在0.50～1.00的面積占比以13.9%/年的速率極顯著增加（圖1）。

研究區(qū)2000—2018年NDVImax Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示，寧夏、灌區(qū)、中部干旱帶NDVImax 2009年起發(fā)生突變，南部山區(qū)2008年起發(fā)生突變。灌區(qū)、中部干旱帶、南部山區(qū)分別從2010、2011、2011年起顯著增長(zhǎng)。銀川市NDVImax突變年份最早，為2006年，中衛(wèi)市最晚，為2010年。從突變年起，5市NDVImax均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。石嘴山和銀川地區(qū)NDVImax呈顯著增長(zhǎng)的起始年份最早，分別為2007、2008年;中衛(wèi)市最晚，為2012年。中衛(wèi)市建于2004年，為5市最晚。NDVImax突變年份的早晚可能與城市發(fā)展水平及隨之而來(lái)的綠化建設(shè)有關(guān)。

2000—2018年寧夏NDVImax斜率在-0.050～0.056之間。95.1%地區(qū)b>0，NDVImax呈增大趨勢(shì)，4.9%地區(qū)呈減小趨勢(shì)。斜率通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)區(qū)均達(dá)各區(qū)域的50%，高值區(qū)主要位于灌區(qū)北部、大羅山、沿黃河沿清水河流域、吳忠中衛(wèi)市南部及固原市，顯著增加占全區(qū)70.3%，極顯著增加占53.8%，斜率低值區(qū)占全區(qū)的1.5%，主要分布在銀川市、利通區(qū)、沙坡頭區(qū)、中寧縣城區(qū)，NDVImax顯著減小與城市發(fā)展有關(guān)。無(wú)b=0的區(qū)域。寧夏大部分地區(qū)NDVImax增大，植被狀況總體改善明顯（表2、圖2-a）。

像元尺度2000—2018年寧夏37.7%的區(qū)域Hurst>0.50，NDVImax變化持續(xù)性較強(qiáng)區(qū)主要分布在鹽池市中部、中衛(wèi)市南部以及固原市。其余大部分地區(qū)NDVImax變化呈反持續(xù)性，40.5%區(qū)域Hurst值為0.4～0.5。區(qū)域尺度NDVImax持續(xù)性分析顯示，寧夏Hurst指數(shù)為0.47，中部干旱帶、南部山區(qū)、固原市、中衛(wèi)市Hurst>0.50，NDVI有一定的持續(xù)性;灌區(qū)、銀川市、石嘴山市、吳忠市Hurst<0.50，NDVImax有反持續(xù)性。除石嘴山市外，各區(qū)域 |Hurst-0.5|≤0.10，表明NDVImax持續(xù)性和反持續(xù)性均較弱（表2）。

將NDVImax空間變化趨勢(shì)與Hurst指數(shù)分布圖疊加，得到持續(xù)顯著改善（Hurst>0.5，b>0），持續(xù)顯著退化（Hurst>0.5，b<0）、反持續(xù)顯著改善（Hurst<0.5，b>0）、反持續(xù)顯著退化（Hurst<0.5，b<0）的分布。未來(lái)NDVImax將顯著改善的區(qū)域占27.8%（持續(xù)顯著改善27.2%，反持續(xù)顯著退化0.6%）（圖2-b）。

2.2 植被與氣候變化的相關(guān)性分析

寧夏2000以來(lái)氣候發(fā)生了明顯變化。19年降水量增加速率為3.87 mm/年（R=0.474，P<0.05），增濕顯著，3區(qū)5市增濕不顯著。NDVImax與春夏秋季以及年降水量以正相關(guān)為主（圖3-a～圖3-d，表3）。春季固原市大部分地區(qū)降水量與NDVImax顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R較大，賀蘭山、銀川中部、吳忠東部、中衛(wèi)西部和南部部分地區(qū)NDVImax與春季降水顯著正相關(guān)。NDVImax與夏季降水顯著正相關(guān)的相關(guān)系數(shù)高值區(qū)主要位于賀蘭山東麓、沙坡頭區(qū)西部和香山東南部部分地區(qū);固原市夏季降水充足，南部NDVImax與夏季降水相關(guān)性不顯著，此時(shí)降水不是植被生長(zhǎng)的主要限制因子。大部分地區(qū)NDVImax與秋季降水量相關(guān)系數(shù)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。63.5%區(qū)域的NDVImax與年總降水量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.50～1.00且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要位于賀蘭山東麓、灌區(qū)南部、中部干旱帶南部以及南部山區(qū)北部。

19年寧夏平均氣溫呈升高趨勢(shì)，增溫速率為0.028 ℃/年（R=0.401，P<0.1），增溫不顯著。銀川、中衛(wèi)市增溫明顯，增溫速率分別為0.031 ℃/年（R=0.458，P<0.05）、0.049 ℃/年（R=0.588，P<0.01）。寧夏NDVImax與平均氣溫顯著相關(guān)的面積較小（圖3-e～圖3-h，表3）。春季與NDVImax呈顯著正相關(guān)的區(qū)域零星分布，相關(guān)系數(shù)大部分為0.25～0.75，春季氣溫高，則草地植被返青早，春播作物苗情好，NDVImax隨溫度升高而增大。NDVImax與夏季平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)主要分布在石嘴山市，顯著正相關(guān)主要在銀川市中部和中衛(wèi)市北部。NDVImax與秋季平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)占全區(qū)的2.4%。NDVImax與年平均氣溫顯著相關(guān)主要位于北部4市，其中負(fù)相關(guān)區(qū)主要在銀川市北部。寧夏大部分地區(qū)NDVImax與春夏秋季、年平均氣溫?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3 植被與人類活動(dòng)的相關(guān)性分析

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況一定程度上可以表征人類活動(dòng)的強(qiáng)度。地方公共財(cái)政收入、地方公共財(cái)政支出、人口、農(nóng)作物總播種面積等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)與NDVImax的相關(guān)系數(shù)，可以表示植被與人類活動(dòng)的相關(guān)性（表4）。地方公共財(cái)政收入和地方公共財(cái)政支出反映了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，能夠在一定程度上表征區(qū)域?qū)Σ焕麣夂蛞蛩赜绊懙倪m應(yīng)補(bǔ)償能力。區(qū)域經(jīng)濟(jì)向好使得其在氣候變化過(guò)程中具有較好的適應(yīng)能力，且可能在城市綠化、農(nóng)田水利設(shè)施等生態(tài)建設(shè)方面有更高的投入，因此，NDVImax與地方公共財(cái)政收入和支出呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均在0.70以上。

1982年以來(lái)，寧夏先后組織實(shí)施4次政策性移民搬遷?！笆濉逼陂g重點(diǎn)實(shí)施的中南部生態(tài)移民攻堅(jiān)工程，將中南部山區(qū)貧困程度深、生存條件差、發(fā)展難度大、不適宜人類生存地區(qū)生活最困難的群眾，進(jìn)行生態(tài)搬遷安置。固原市是移民重點(diǎn)遷出區(qū)。2000年以來(lái)，固原市人口極顯著減少，人口密度降低，加上全面實(shí)施退耕還林、圍欄禁牧政策，固原農(nóng)作物播種總面積極顯著減小，草地林地面積增加，NDVImax呈極顯著增大趨勢(shì)，NDVImax與人口、農(nóng)作物播種總面積呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。其他市人口極顯著增多，NDVImax與人口成極顯著正相關(guān)，與吳忠市農(nóng)作物總播種面積無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，與其他市總播種面積顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究旨在明確寧夏歸一化植被指數(shù)變化特征，了解植被與氣候及人類活動(dòng)的相關(guān)性。寧夏NDVImax總體上增長(zhǎng)，且空間上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布特征，該結(jié)果與中國(guó)[9，15]、西北地區(qū)[12]、黃土高原[16-17]、寧夏[18]、賀蘭山[19]等區(qū)域的相關(guān)研究結(jié)論基本一致。本研究重點(diǎn)針對(duì)寧夏3區(qū)5市NDVImax變化特征進(jìn)行對(duì)比分析，提高了精細(xì)化程度。研究顯示寧夏大部分地區(qū)NDVImax具有弱持續(xù)性，與趙安周等針對(duì)黃土高原的研究[20]基本一致。相比于平均氣溫，降水量與寧夏NDVImax的相關(guān)性更顯著，即水分因子是寧夏植被生長(zhǎng)的主要限制因子，該研究結(jié)果與黃悅悅等的研究結(jié)論[18，21]基本一致，所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率更高、氣象站點(diǎn)數(shù)更多，分析精度得到提升。近19年植被有所退化的區(qū)域主要集中在部分市（縣、區(qū)）城區(qū)，可能位于城市擴(kuò)張過(guò)程中土地利用類型轉(zhuǎn)變的地區(qū)。有研究表明，人口城鎮(zhèn)化發(fā)展、人口素質(zhì)提高等能夠減緩人口增加對(duì)植被覆蓋的負(fù)面影響[22]。寧夏大部分地區(qū)NDVImax與人口以及農(nóng)作物總播種面積呈正相關(guān)關(guān)系，可能得益于人口城鎮(zhèn)化發(fā)展、綠化技術(shù)進(jìn)步、環(huán)保意識(shí)提高、農(nóng)業(yè)技術(shù)及灌溉設(shè)施改善等因素，但研究時(shí)段較短，具體原因有待進(jìn)一步探討。

當(dāng)前寧夏NDVImax變化普遍具有弱持續(xù)性，存在生態(tài)退化風(fēng)險(xiǎn)，需要繼續(xù)依托生態(tài)工程的大力實(shí)施，提高NDVI變化穩(wěn)定性，保護(hù)生態(tài)建設(shè)成果。同時(shí)，需要在城市化建設(shè)中，合理規(guī)劃，在土地利用類型轉(zhuǎn)換的同時(shí)，提高城市綠化覆蓋率，與人工增雨、優(yōu)化水資源利用、生態(tài)工程、生態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合，開(kāi)展綜合生態(tài)治理。

3.2 結(jié)論

本研究基于MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，分析了寧夏NDVImax時(shí)空變化特征，研究了NDVImax與氣候、人類活動(dòng)的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明：（1）寧夏多年平均NDVImax呈現(xiàn)出南北高、中間低的分布特征。南部山區(qū)植被好于灌區(qū)、中部干旱帶。2000—2018年，寧夏平均NDVImax極顯著增大，增長(zhǎng)速率為0.08/年（P<0.01）;均值為0.384。（2）19年間，寧夏70.3%的地區(qū)NDVImax顯著增大。植被有所退化的區(qū)域主要集中在銀川市、大武口區(qū)、利通區(qū)、沙坡頭區(qū)和中寧縣城區(qū)?；谙裨叨菻urst指數(shù)和NDVImax線性傾向率分析，寧夏未來(lái)27.8%的區(qū)域植被將顯著改善。NDVImax持續(xù)性較弱。（3）全區(qū)大部分地區(qū)NDVImax隨夏季、年降水量增加而增大，與秋季降水相關(guān)性較弱;NDVImax與春夏秋季、年平均氣溫顯著正相關(guān)面積較小。降水與寧夏NDVImax相關(guān)性更強(qiáng)，主要為正相關(guān)。NDVImax與地方公共財(cái)政收入和地方公共財(cái)政支出呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;大部分地區(qū)NDVImax與人口以及農(nóng)作物總播種面積呈正相關(guān)關(guān)系，固原市NDVImax與二者呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

生態(tài)工程是人為影響植被生長(zhǎng)的重要驅(qū)動(dòng)因素[23-25]，如退耕還林還草、封山禁牧等生態(tài)工程通過(guò)改善土壤質(zhì)量[26]、水土流失[27]、草原植物群落結(jié)構(gòu)[28]及提高產(chǎn)草量[29]、植被總初級(jí)生產(chǎn)力[30]等方式使植被得到恢復(fù)，NDVI增大。由于數(shù)據(jù)限制，文中未作深入探討，需結(jié)合造林面積、綠化面積等數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討生態(tài)工程對(duì)植被的影響。

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