基于Mann—Kendall的北方農牧交錯帶植被時空變化分析

羅倩+劉曉暄+蘇偉

摘要：中國北方農牧交錯帶是時農時牧過渡帶，植被生態特征是反映區域生態質量的重要指標，分析該區域的植被生態特征的時空變化規律具有重要意義。基于時間序列MODIS-NDVI數據和土地覆被數據，利用均值法、分段線性回歸法和Mann-Kendall趨勢分析法，對北方農牧交錯帶2001-2013年間各種植被的生態特征時間變化情況、不同生態脆弱區的空間差異情況進行分析。結果表明，在時間尺度上，北方農牧交錯帶植被生態特征處于緩慢恢復態勢，并且近幾年植被恢復速度大于前十年;從空間上尺度來看，陜西和黑龍江所在區域是植被恢復面積比率最大、恢復速率最快、植被恢復情況最為明顯的區域;青海和河北的植被近年來整體處于恢復的趨勢，但是也有相對較大面積的區域植被出現顯著的退化趨勢;生態脆弱和人類活動變化是導致青海和河北區域植被恢復相對不明顯的原因。

關鍵詞：Mann-Kendall;中國北方農牧交錯帶;NDVI;植被生態特征;土地覆被

中圖分類號：S127 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-5891-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.023

Vegetation Spatial and Temporal Variation Analysis Based on the Mann-Kendall Patternsin the Agricultural-Pastoral Areas

LUO Qian1，LIU Xiao-xuan1，SU Wei1，2

（1.College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China;

2.Key Laboratory of Agricultural information acquisition technology ，Ministry of Agricultural， Beijing 100083， China）

Abstract：The Agricultural-Pastoral Areas in northern China is a farming grazing transitional zone， vegetation ecological characteristics is one of the important indicators reflecting the regional ecological quality， so the analysis of the regional vegetation ecological characteristics of space and time variation law is of great significance. This article based on time series MODIS-NDVI data and land cover data， using the average method， ?piecewise linear regression method and Mann-Kendall analysis method ，to the north patterns in 2001-2013 annual NDVI change trend， NDVI in various regions， especially in poor ecological restoration area change tendency were analyzed. Results were showed that the time scale， the agriculture and animal husbandry ecotone vegetation ecological characteristics in a slow recovery， and vegetation restoration in recent years faster than in the past ten years; from the point of space scale， Shanxi and Heilongjiang area's vegetation restoration area ratio is the largest， fastest recovery rate， vegetation recovery is the most obvious area; Qinghai and Hebei province in recent years， the overall recovery of vegetation in the trend， but there are relatively large areas of significant regional vegetation degradation trend; ecologically fragile change and human activity is relatively in Qinghai and Hebei regional vegetation restoration is not obvious.

Key words： Mann-Kendall; Agricultural-Pastoral Areas of Northern; NDVI; vegetation ecological features; land coverendprint

中國北方農牧交錯帶是一條典型的生態脆弱帶，既是從干旱地區向濕潤地區、從高原地區向丘陵、平原地區、從畜牧業向農業過渡的脆弱帶，又是荒漠化威脅最嚴重的地區，還是中國最重要的生態屏障[1]。該區域在抵御自然災害的侵蝕，有效化解各種自然災害，減低風險起到重要的屏障作用。其次，半干旱區域能夠對保持中國半濕潤糧食主產區的生態、水資源和氣候穩定起重要作用[2]。植被作為反映所在地區生態質量的重要指示器，其時空信息對揭示地表空間變化規律、分析評價區域生態環境具有重要意義。遙感是快速獲取大面積信息的有效數據源，因而基于遙感技術的各種反演植被指數被廣泛應用于評價生態脆弱區植被覆蓋情況及其生態特征。許多學者就該區域內植被變化情況展開了一系列研究。穆少杰等[3]基于MODIS-NDVI遙感數據反演了內蒙古地區2001-2010年植被覆蓋度的空間格局和變化規律，并結合該地區同期降雨量和溫度數據，采用相關分析法分別進行不同空間和時間尺度上的變化分析;包剛等[4]利用HANTS方法對NDVI數據進行平滑分析處理的基礎上，對蒙古高原植被覆蓋時空動態進行了分析;宋怡等[5]利用一元線性回歸法和變化幅度百分比等方法分析西北地區的西部植被變化特征。但是上述在此研究區內采用Mann-Kendall方法對植被生態特征開展的研究較少。因此本研究對該生態脆弱區內的植被生態特征變化進行分析，利用省級行政界線將北方農牧交錯帶劃分為10個不同的區域，基于Mann-Kendall趨勢分析法對每個區域進行逐像素13年間的趨勢分析，得出整個北方農牧交錯帶植被在不同區域的時空變化情況。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區概況

中國北方農牧交錯帶主要是指由于生產條件、生產方式以及生產目標的不同，在農業區與牧業區的銜接處，形成的獨特而重要的過渡交界面。這個過渡界面會隨著氣候變化發生移動的空間位移[6，7]，系農業生產邊際地帶，也是生態脆弱帶。對于中國北方農牧交錯帶區域的邊界劃分有很多種方法，學者也對其邊界劃分做了一定的研究，但一般都認為其大致沿北方400 mm降水等值線的走向，分布于中國東北、華北等地。研究區范圍是參考蘇偉等[8]所劃分的范圍（100.874°-124.773°E，34.72°-48.455°N），覆蓋黑龍江、內蒙古、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海等10個省（市、自治區）的312個縣，總面積742 727 km2，研究區如圖1所示。

1.2 ?數據來源與處理

1.2.1 ?NDVI數據 ?遙感數據來源于美國地質調查局（USGS）所提供的MODIS-NDVI產品（https：//lpdaac.usgs.gov/products/），該植被指數經過各種數據預處理，用于分析研究區內的植被生態特征變化。該產品數據為Terra衛星1 km×1 km空間分辨率的16 d合成的MOD13A2數據，時間序列為2001-2013年。由于每年夏季為植被生長最為茂盛的時期，因此選用一年中的7月中旬的每個像元的NDVI最大值MAXNDVI作為研究數據。

MAX（NDVI，j）=max1≤j≤23（NDVI（i，j））

其中，MAX（NDVI，i）為第i年的該像元最大化NDVI值，也是一年內該像元上植被最茂盛時期NDVI值;NDVI（i，j）為第i年第j個16 d的NDVI值。

1.2.2 ?土地覆被數據 ?土地覆被數據來源于Combined衛星1 km×1 km空間分辨率、以年為時間分辨率的MCD12Q1數據，時間序列為2001-2012年。并且參考文獻[8]提出的分類體系，將研究區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地等6類。

1.3 ?數據處理

1.3.1 ?時空變化分析方法 ?通過分析13年時間序列上研究區內NDVI的分布差異，對長時間序列上的植被生態特征變化規律進行分析，采用最小二乘法擬合NDVI隨時間的變化速率和變化趨勢，確保NDVI真值與擬合值之間離差平方和達到最小值：

Q（■，■）=■（yi-■）2

式中，■為NDVI擬合值;yi為NDVI實際值;i為第i年。

1.3.3 ?Mann-Kendall趨勢分析法 ?2001-2013年的NDVI時間序列數據一方面受到大氣和云層等的影響，另一方面受到來自氣候的影響，比如干旱和強降水，數據特征具有波動性。采用Mann-Kendall方法可以增強方法的抗噪性，并在一定程度上提高檢驗結果的準確性[9]，因此該方法在以后的研究當中應該受到足夠的重視和利用。在Mann-Kendall檢驗中，設假設數據的序列為X1，X2，…，Xn（n≥10）。定義Mann-Kendall檢驗統計量S為：

S=■■sign（Xj-Xi），i=1，2…n（n>10）

式中，

sign（Xj-Xi）=1，若Xj-Xi>00，若Xj-Xi=0-1，若Xj-Xi<0

趨勢變化有UF檢驗值判斷，如下：

UF=■

式中，E（S）和Var（S）分別是S的均值和方差。

UF將組成一條序列變化曲線，如果該曲線落在置信區間（-Ua /2，+Ua /2）內，那么原序列不存在顯著變化趨勢;反之，原序列存在顯著的變化趨勢。若UF>0，表明序列具有上升趨勢;UF<0則表明序列具有下降趨勢。Mann-Kendall的突變檢驗法按上述步驟進一步計算逆序的秩序列S統計量UB，UB=-UF，兩組序列構成兩條曲線，交叉點如果位于信度臨界值之內，即為滿足一定置信度的突變點，即為時間序列的突變區域[10]。endprint

本研究給定顯著性水平α=0.05，置信區間為（-1.96，1.96）。若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。UF落在（-1.96，1.96）區間，即當|UF|<1.96時，變化趨勢不顯著，反之變化趨勢顯著。當統計曲線UF和UB在臨界線之間出現交點，則交點對應的時刻或區域就是突變的開始。

2 ?結果與分析

2.1 ?植被生態特征時間尺度分析

由遙感數據提供的紅光波段和紅外波段產生的NDVI數據可以準確反應植被的覆蓋信息，為利用遙感監測植被生態特征變化供了條件[11]。利用NDVI的16 d最大值數據合成年數據來表示植被的變化信息，得到2001-2013年植被在時間序列上的變化圖，利用一元分段線性回歸分析模擬整個北方農牧交錯帶NDVI變化趨勢，斜率表征北方農牧交錯帶植被在一段時間內覆蓋情況的變化趨勢快慢程度（圖2）。從2001-2013年這13年間，整個研究區內NDVI總體呈現增加的趨勢。2001-2009年間，NDVI增長趨勢較為穩定，NDVI值從2001年的0.47增加到了2010年的0.53，但在2010年出現了突然的下降，這與2010年前后北方農牧交錯帶發生的嚴重干旱災害有關，而2010-2013年，研究區內NDVI明顯增大，到2013年為止，NDVI值達到了0.60，增長速率明顯大于2001-2009年。

2.2 ?植被生態特征空間尺度分析

為綜合分析植被生態特征的時空變化規律，使用16 d NDVI合成數據，分析2001-2013年間植被覆蓋度在空間上的變化規律，主要時間點的空間變化如圖3所示;2001-2013年植被生態特征的空間分布變化明顯，且總體上都是逐漸向覆蓋率高的方向發展。考慮到研究區經緯度跨度大，下述分析按研究區在經度的跨度大致將其分為西、中、東3部分來闡述其空間的變化規律。

NDVI值在西、中、東3段上呈現出不同的分布特征和變化規律特征，在西段呈現出由南到北遞減的趨勢，對比圖3-a和圖3-b的時間跨度變化可知，NDVI值在西段呈現出明顯的增加趨勢;NDVI值在中段由西向東呈現出增加的趨勢，并且從時間跨度變化可知，NDVI從2001年到2013年呈現出增加的趨勢;而NDVI值在東段始終保持較高的范圍，從2001年到2013年，NDVI值在東段中部呈現出增加的趨勢，但是在東段的北部和南部邊界出現了零星的NDVI值減小明顯的點。整體來看，NDVI的下降幅度和范圍遠小于其升高的幅度和范圍。這一趨勢說明2001年以來，國家實施開發戰略，保護植被的政策[12]有關，對植被的恢復和生長起了積極作用。

為進一步分析整個北方農牧交錯帶NDVI在具體空間的變化規律及植被恢復和退化的情況，本研究根據省級行政界線將整個北方農牧交錯帶劃分為10個區域，包括黑龍江、內蒙古、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海。對每個省級行政區在2001-2013年的時間序列上進行逐像素Mann-Kendall趨勢分析，得出趨勢變化統計如表1所示。

由表1可知，將S>0中，|UF|≥1.96和|UF|<1.96所占百分數相加，得出整個北方農牧交錯帶有96.34%的地區植被NDVI處于增長的趨勢，其中植被NDVI呈現出明顯增長趨勢的區域占整個北方農牧交錯帶的6.9%，而其余89.44%處于輕微改善或不變的趨勢;而整個北方農牧交錯帶具有3.64%的地區植被NDVI處于減小的趨勢，有3.36%的地區植被NDVI處于輕微的下降趨勢，而0.3%的地區植被NDVI具有顯著的下降趨勢。從2001-2013年，整個北方農牧交錯帶大面積植被的NDVI處于輕微增長的趨勢，植被長勢處于好轉的趨勢。分區域統計結果表明，NDVI明顯增大的區域主要有陜西省和黑龍江省，這兩個省所在區域內約有22%面積的植被具有明顯的增長趨勢;甘肅、山西這兩個區域的NDVI也有明顯的增加，達到省所處農牧交錯帶的區域面積的15%以上。而NDVI明顯減小的區域有河北和青海，NDVI顯著減小的區域達到各省所在北方農牧交錯帶面積的0.61%和1.3%。與兩省所在區域從2001-2013年間大面積草地轉為農用地有關，人為因素為影響植被生態變化的主要因素。這與兩個區域林地減少有關。

2.3 ?植被生態特征變化的原因分析

由于河北和青海兩區域植被退化區域面積占所在北方農牧交錯帶的面積百分數較大，所以對兩省所在區域從2001-2013年的NDVI值進行Mann-Kendall突變分析（圖4）。由圖4a可知，青海地區自2001年以來NDVI時間序列變化一直在波動中緩慢上升，并且在2011年和2013年UF達到兩個峰值，說明在這兩年NDVI值出現了顯著的上升趨勢，這也與前述整個研究區域內NDVI在2011年突然增大的趨勢相一致。用Mann-Kendall趨勢分析方法對以上結論進行檢驗，UF<1.96（0.05顯著水平），趨勢未達到顯著的水平，說明NDVI在2001到2013年間呈現出緩慢增長的趨勢。根據UF曲線與反序曲線UB相交點可知，從2002年到2008年期間，青海省的NDVI呈現出劇烈的突變趨勢，NDVI值呈現出極為不穩定的態勢，這與青海區域處于高原的環境因素導致其生態脆弱性有關[13]。由圖4-b可知，2001到2013年間，UF在很長的時間段內都處于小于1.96的趨勢，說明在這13年間，河北地區NDVI呈現緩慢的增加趨勢，并且增加趨勢并不明顯。而其NDVI突變點為2003年和2009年，查閱文獻[14-19]表明這兩年河北發生了干旱災害，干旱是導致在2003年和2009年NDVI發生突變的原因。

為進一步分析北方農牧交錯帶2001-2013年植被生態特征變化的原因，采用MODIS土地覆被數據分析2001-2013年間植被覆蓋類型在空間上的變化規律，主要時間點的空間變化如圖5所示。endprint

由圖5可知，研究區以草地為主，耕地集中于研究區東段，林地集中于西段南部和東段南部。2001年到2013年整個研究區耕地明顯增加，主要由草地轉化為農用地，集中在研究區西段南部、東段南北邊界區域;在研究區東段北部，未利用地有明顯增加的趨勢，但是在西部地區，未利用地卻有明顯減少的趨勢。在研究區西段裸地呈現出減少的趨勢，而在研究區東段呈現出減少的趨勢。河北和青海兩省大面積草地轉變為農用地，這是NDVI在2001-2013年間呈現出緩慢增長趨勢原因;從2001-2013年間青海省和河北省未利用地面積增加，所以導致兩省仍然有相對較大面積的NDVI值呈現出顯著減少的趨勢。

3 ?小結與討論

本研究利用MODIS影像為數據源，利用一元線性分段回歸法和Mann-Kendall趨勢分析法，基于2001-2013年的MODIS-NDVI影像序列和土地覆被數據，研究近年來中國北方農牧交錯帶境內各省所在區域植被生態特征的時空變化規律及原因，得出如下結論。①從時間尺度來看，2001-2013年間，北方農牧交錯帶內植被處于緩慢恢復態勢，并且近三年植被恢復趨勢好于前十年。②從空間尺度來看，北方農牧交錯帶植被在西、中、東3段，植被生態特征分布不同，進一步將北方農牧交錯帶按省級行政界線劃分為10個區域，采用Mann-Kendall趨勢分析法進行分析，整個北方農牧交錯帶有96.34%的面積的植被覆蓋處于增加的趨勢，只有3.64%面積的植被覆蓋處于減少的趨勢。③陜西和黑龍江所在區域是植被恢復面積比率最大、恢復速率最快、植被恢復情況最為明顯的區域;青海和河北的植被近年來整體處于恢復的趨勢，但是也有相對較大面積的區域植被出現顯著的退化趨勢。生態脆弱和人類活動變化是導致青海和河北區域植被恢復相對不明顯的原因。

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