山西省不同生態區NDVI時空變化及其影響因素

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州730000)

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山西省不同生態區NDVI時空變化及其影響因素

仝莉棉, 曾 彪, 王 鑫

(蘭州大學 資源環境學院, 蘭州730000)

利用MODIS-NDVI數據研究了2000—2012年山西省生長季平均NDVI的時空變化特征，并分析了氣候變化和人類活動對生長季平均NDVI變化的影響。結果表明：(1) 13 a來山西省山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區生長季平均NDVI均呈顯著增加趨勢，增長率分別為0.052/10 a，0.079/10 a，0.049/10 a。(2) 山西省植被變化存在明顯的空間差異，改善區占全省面積的73.76%，主要分布在太行山、太岳山、呂梁山、中條山等地區；而退化區占全省面積的3.29%，主要分布在太原盆地及臨汾盆地的邊緣地區。(3) NDVI變化是氣候變化和人類活動共同影響的結果。不同生態區NDVI對氣候變化的響應不同。其中，前一年11月至5月降水增多可能是山地落葉闊葉林生態區NDVI增加的主要原因，前一年12月至1月氣溫降低和2—5月降水增多可能是農業與草原生態區NDVI增加的主要原因，5—9月氣溫降低和前一年11月至8月降水增多可能是汾河谷地農業生態區NDVI增加的主要原因。而人類活動對NDVI變化的影響主要表現在退耕還林、防護林建設、采礦、城市擴張等方面。

MODIS-NDVI; 時空變化; 氣候影響; 人類活動

植被作為陸地生態系統的重要組成部分，與大氣、土壤等進行著物質循環、能量轉換和信息傳遞，能夠反映其所在生態系統的總體環境狀況[1-4]。植被的變化一定程度上是環境發生變化的結果，而在環境條件中氣候和人類活動是植被生長的重要影響因素，因此，研究植被變化及其影響因素有助于理解陸地生態系統中植被的動態變化規律及其與周圍環境的相互作用關系。歸一化植被指數已被證明能夠很好地表征植被生長狀況，并廣泛應用于植被覆蓋變化、生物量估測等領域[5-9]。許多學者在不同空間尺度上就植被變化及其對氣候變化的響應研究取得了大量成果[10-13]。

山西省位于黃土高原東部，自然植被破壞嚴重，水土流失、土壤肥力下降等生態環境問題突出，該地區植被變化及其與氣候變化的關系引起了國內學者的關注。劉淼等[14]發現1988—2000年山西省植被覆蓋度呈下降趨勢，武永利等[15-16]發現1982—2006年山西省平均NDVI呈波動上升趨勢，且對氣候年際變化響應有明顯的滯后性，NDVI受降水的年際變化影響最大。為了進一步更準確地理解山西省不同生態區的植被變化特征及氣候變化和人類活動對植被變化的影響，本文利用MODIS-NDVI數據，研究2000—2012年山西省不同生態區植被生長季NDVI時空變化，并計算氣候變化和人類活動對三個生態區植被變化的相對作用，進而分析氣候變化和人類活動對植被生長的影響。

1　數據及研究方法

1.1研究區概況

山西省位于110°14′—114°33′E，34°34′—40°43′N，屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為4～14℃，年降水量為400～600 mm，從東南向西北由半濕潤區過渡到半干旱區。由于水熱組合狀況、地貌特征和植被類型等的差異，按照中國生態區劃方案，將山西省分為山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區和汾河谷地農業生態區(附圖5)。其中，山地落葉闊葉林生態區地貌類型主要為山地、丘陵和山間盆地，該區屬于暖溫帶半濕潤氣候，降水較多，自然植被以落葉闊葉林和灌草叢為主。農業與草原生態區地貌類型主要為山地、丘陵、黃土梁峁溝壑，該區屬于暖溫帶半濕潤至半干旱氣候，雨量較少且變率較大，熱量條件優越，地帶性植被為溫帶草原及暖溫帶落葉闊葉林。汾河谷地農業生態區地貌類型主要為汾河河谷沖積平原及黃土臺地，該區屬于暖溫帶半濕潤氣候，光熱條件好，自然植被已被栽培植被所代替，現有的次生自然植被較少，主要為灌叢、灌草叢，分布在盆地邊緣的低山丘陵區。

1.2數據來源與處理

NDVI數據采用美國國家宇航局(NASA)提供的2000—2012年MODIS植被指數產品，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d，經過輻射校正、大氣校正、幾何精度糾正，用最大值合成法減弱云、大氣、太陽高度角等對數據精確度的影響。對遙感數據進行格式轉換、重投影、拼接、裁剪等預處理，并用非對稱高斯方法對其進行擬合，得到光滑的NDVI時間序列數據。

山西省生態區劃數據來自中國生態系統評估與生態安全數據庫(http:∥www.ecosystem.csdb.cn)，分為山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區和汾河谷地農業生態區。

氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，考慮到生長季平均NDVI可能受生長季前期及同期氣候條件的影響，將前一年11月、12月以及當年1—10月作為一個生長年，采用山西省1999年11月—2012年10月氣象資料完整的17個氣象站點的逐月平均氣溫及降水量資料。其中，山地落葉闊葉林生態區包括五臺山、原平、榆社、長治、陽城5個氣象站點；農業與草原生態區包括右玉、大同、河曲、五寨、興縣、離石、隰縣7個氣象站點；汾河谷地農業生態區包括太原、介休、臨汾、侯馬、運城5個氣象站點。

1.3研究方法

1.3.1趨勢分析一元線性回歸趨勢分析能夠模擬出每個柵格NDVI的變化趨勢，進而反映區域上NDVI變化的空間分布特征[17]。本文通過Matlab計算每個柵格像元生長季平均NDVI的變化斜率，得到山西省生長季平均NDVI的空間變化特征，計算公式如下：

式中：slope——生長季平均NDVI變化的斜率；n——監測時間段的年數；NDVIimean——第i年生長季平均NDVI。slope>0，表示在所監測時間段內NDVI呈增長趨勢，slope<0，則表示呈減少趨勢。根據生長季NDVI變化斜率及其范圍，將山西省各生態區植被變化劃分為嚴重退化、中度退化、輕微退化、穩定、輕微改善、中度改善、明顯改善7個等級(表1)，進而統計各生態區不同變化程度地區的面積及其百分比。

1.3.2氣候變化和人類活動影響的分離山西省植被NDVI主要受氣候變化和人類活動的影響，在不考慮其他非決定影響因素的條件下，利用殘差法分離兩者的影響。首先，分別計算不同月份氣溫、降水與NDVI的相關系數，選擇最相關月份的氣溫和降水數據，結合生長季平均NDVI建立二元一次線性回歸方程(p<0.05)；然后，模擬每年每個柵格像元的NDVI回歸值，將其視作是氣候變化影響的結果，用實際觀測的NDVI真實值減回歸值得到殘差值，將其視作是人類活動影響的結果，殘差值為正，表明人類活動對植被生長起正向作用，反之則起負向作用。

表1　2000-2012年山西省植被變化分級

回歸方程公式如下：

分離氣候變化和人類活動對植被NDVI影響的公式如下：

2　結果與分析

2.1山西省不同生態區生長季平均NDVI時空變化

分析山西省2000—2012年不同生態區生長季平均NDVI的年際變化(圖1)可知，山地落葉闊葉林生態區平均NDVI最高，汾河谷地農業生態區次之，農業與草原生態區最低。13 a來，三個生態區NDVI均呈顯著增加趨勢。農業與草原生態區NDVI增長最快，山地落葉闊葉林生態區次之，汾河谷地農業生態區最慢，增長速率分別為0.079/10 a，0.052/10 a，0.049/10 a。

13 a來山西省生長季平均NDVI變化表現出明顯的空間差異(附圖6 )，統計全省及各生態區不同變化程度區域的面積及百分比(表2)，可以得到山西省大部分地區植被在改善，改善區(包括明顯改善區、中度改善區、輕微改善區)面積占全省面積的73.76%，主要分布在太行山、太岳山、中條山、呂梁山等地區；植被退化區(包括嚴重退化區、中度退化區、輕微退化區)面積占全省面積的3.29%，主要分布在太原盆地、臨汾盆地邊緣地區；植被穩定區占全省面積的22.95%，主要分布在中條山東部及東北部、長治盆地、太原盆地等地區。

圖1不同生態區生長季平均NDVI年際變化

不同生態區植被變化的狀況不同。山地落葉闊葉林生態區改善區面積為全區面積的65.96%，退化區面積為3.19%；農業與草原生態區改善區面積為全區的87.29%，退化區為1.21%；汾河谷地農業生態區植被改善區面積占全區面積的56.24%，退化區為全區的11.38%。

2.2氣候變化和人類活動對生長季平均NDVI的相對作用大小

由于山西省植被退化區占全省面積的比例較小(3.29%)，本文僅探討在改善區氣候變化和人類活動對植被的相對作用。兩者的相對作用大小通過計算生長季平均NDVI回歸值和殘差值對真實值的貢獻率得到。經計算，氣候變化在山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區的相對作用分別為45.07%，24.25%，43.72%，而人類活動的相對作用分別為54.93%，75.75%，56.28%。同時氣候變化與人類活動對植被改善的相對作用表現出明顯的空間分異(圖2)，氣候變化對植被改善起主導作用(氣候變化的相對作用大于50%)的地區主要分布在恒山、五臺山、太行山、呂梁山及中條山西段，而人類活動起主導作用(人類活動的相對作用大于50%)的地區主要分布在山西省的西北部及東南部地區。

結果表明，山西省植被的改善是氣候變化和人類活動共同作用的結果，而各個生態區植被改善受人類活動的影響相對氣候變化來說較大。

2.3氣候變化對不同生態區生長季平均NDVI變化的影響

2.3.1山西省不同生態區氣候變化特征由圖3可知，13 a來山西省各個生態區的氣候變化特點存在差異。山地落葉闊葉林生態區平均氣溫和降水量的年際變化均表現為不顯著的下降趨勢，年平均氣溫的變化率為-0.475℃/10 a，年降水量的變化率為-10.356 mm/10 a。農業與草原生態區年平均氣溫呈不顯著的下降趨勢，變化率為-0.124℃/10 a；年降水量則呈不顯著的增加趨勢，變化率為56.269 mm/10 a。汾河谷地農業生態區年平均氣溫呈不顯著的下降趨勢，變化率為-0.334℃/10 a；而年降水量則呈不顯著的增加趨勢，變化率為32.903 mm/10 a。從年平均氣溫的下降速率來看：山地落葉闊葉林生態區>汾河谷地農業生態區>農業與草原生態區；而年降水量變化率為：農業與草原生態區>汾河谷地農業生態區>山地落葉闊葉林生態區。

表2　不同生態區植被變化狀況及百分比

圖2山西省氣候變化與人類活動對改善區植被相對作用的空間分布

2.3.2氣候變化對生長季平均NDVI的影響將山西省各個生態區前一年11月至當年10月的月平均氣溫、月降水量資料整理成不同開始時間、不同時間間隔的平均氣溫、降水量數據，計算不同生態區生長季平均NDVI與各區域氣溫、降水的相關系數，并列出最相關的月份(表3)。

由表3可知，山地落葉闊葉林生態區生長季平均NDVI與前一年11月至當年5月降水呈顯著正相關，可能是由于該區屬于半濕潤季風氣候區，該時期降水較多可以使得土壤中儲存較多的水分，為植被生長提供較好的水分條件，有利于植被生長。

農業與草原生態區生長季平均NDVI與前一年12月至1月氣溫呈顯著負相關，可能是由于該段時間較高的氣溫使得蒸發相對加強，導致土壤中可儲存的水分相對減少，植被返青時可利用水分不足，抑制植被的生長，另外，該時期較高的氣溫可能會使得一部分害蟲存活下來，在植被生長時會對其產生不利影響；同時該區平均NDVI與2—5月降水呈顯著正相關，可能是由于2—5月是植被生長季前期及返青期，較多的降水可以為植被生長提供必要的水分條件。

圖3不同生態區年平均氣溫及年降水量變化

汾河谷地農業生態區生長季平均NDVI與5—9月氣溫呈顯著負相關，而與前一年11月至當年8月降水呈顯著正相關，可能是由于該生態區為谷地地形，背景氣溫高(2000—2012年年平均氣溫為12.75℃)，在植被生長的旺盛期，氣溫過高可能會對植物的生長產生負向脅迫。同時氣溫高導致蒸發強烈，較多的降水可彌補蒸發而損失的水分，緩減高溫對植被生長的抑制作用。另外，該生態區雖然有汾河流經可以以河水灌溉，但該區是城市、工業、人口密集區，城市化及工業化的快速發展，使得城市用水及工業用水大大增加，用于農業灌溉的水量受到限制，導致該區植被的生長仍然對降水變化敏感。

表3　不同生態區生長季平均NDVI與氣溫和降水的相關性

注：*代表0.05置信度水平，**代表0.02置信度水平，***代表0.01置信度水平。

2.4人類活動對生長季平均NDVI變化的影響

2000—2012年山西生長季平均NDVI的增長除受氣候變化的影響外，人類活動對其作用更大。分析山西省生長季平均NDVI殘差變化趨勢(附圖7)可知，人類活動對生長季平均NDVI的影響存在明顯的空間差異。人類活動對生長季平均NDVI起正向作用(斜率大于0)的地區占研究區面積的71.8%，主要分布在山西西部、西北部地區及中條山東部、太原盆地以東地區。具體來說，人類活動對山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區生長季平均NDVI起正向作用的地區占所對應生態區面積的百分比分別為54.5%，84.6%，64.7%。尉文龍等[18]研究發現呂梁林區實施的封山育林工程，明顯促進了森林的更新和繁衍速度。同時，20世紀三北防護林建設、退耕還林還草等工程的開展使得植被恢復效果顯著，改善了生態環境，為植被生長提供了良好的條件，而自然保護區的建設也對植被的保護起到了積極的作用[19-21]。山西西部河谷地區人類活動促進植被改善，可能與農業技術水平的提高以及化肥、農藥等的合理使用有關。

同時，人類活動對生長季平均NDVI起負向作用(斜率<0)的地區占研究區面積的21.2%，主要分布在五臺山、太岳山、太行山及大同盆地、太原盆地、長治盆地、臨汾盆地、運城盆地的部分地區。對山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區生長季平均NDVI起負向作用的地區占所對應生態區面積的百分比為45.5%，15.4%，35.3%。張健雄[22]研究發現長治礦區由于采礦造成的礦區沉陷一定程度上對地表覆被的生長狀況產生負向作用。另外，城市擴張以及交通等基礎設施建設也是導致NDVI下降的重要原因[21]。

3　結 論

(1) 近13 a山西省三個生態區生長季平均NDVI均呈顯著增加趨勢，山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區的年際變化率分別為0.052/10 a，0.079/10 a，0.049/10 a。

(2) 山西省大部分地區植被在改善，改善區面積占全省面積的77.3%，主要分布在太行山、太岳山、呂梁山、中條山等地區；退化區占3.29%，主要分布在太原盆地、臨汾盆地的邊緣地區；穩定區為22.95%，主要分布在中條山東部及東北部、長治盆地、太原盆地等地區。

(3) 山西省NDVI變化是氣候變化與人類活動共同作用的結果，而受人類活動的影響較大。在植被改善區，山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區受人類活動影響的相對作用分別為54.93%，75.75%，56.28%。

(4) 不同生態區生長季平均NDVI對氣候變化的響應存在差異。在氣溫方面，農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區NDVI分別與前一年12月至1月、5—9月氣溫呈顯著負相關；在降水方面，山地落葉闊葉林生態區、農業與草原生態區、汾河谷地農業生態區植被分別與前一年11月至當年5月、2—5月、前一年11月至當年8月降水呈顯著正相關。

(5) 人類活動對植被NDVI變化的影響表現為正負兩方面的作用，并且存在明顯的空間分異。大部分地區人類活動均有利于植被生長(71.8%)，在農業與草原生態區人類活動的積極作用表現最為突出，面積百分比為84.6%。退耕還林還草、封山育林、防護林建設等生態工程的實施以及農業技術和生產方式的改進有利于植被改善，而采礦、城市擴張、基礎設施建設等則會導致植被退化。

在研究植被NDVI與氣候變化的關系時，考慮了氣溫和降水兩個氣候要素，此外，太陽輻射、光照、土壤等環境條件也會對植被NDVI變化產生影響，今后的研究可以結合多環境要素來全面分析植被對氣候變化的響應，深入探索植被與環境的相互作用機理。

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Spatiotemporal Variation of NDVI and Its Influence Factors in Different Ecological Districts, Shanxi Province

TONG Limian, ZENG Biao, WANG Xin

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Spatiotemporal variation of growing-season average NDVI in Shanxi Province was analyzed based on MODIS-NDVI during the period from 2000 to 2012, and the influence of climate change and human activities impacting on vegetation growth were discussed. The result showed that: (1) the growing-season average NDVI of three ecological districts in Shanxi Province which were the Mountain Deciduous Broad-leaved Forest Ecological District, the Agriculture and Grassland Ecological District and the Fen River Valley Agricultural Ecological District showed a significant increase trend; the growth rates of three ecological districts were 0.052/decade, 0.079/decade and 0.049/decade, respcectively; (2) there were obvious spatial differences about vegetation change in Shanxi Province, the greening area accounted for 73.76% of the total area that was mainly distributed in Taihang Mountain, Taiyue Mountain, Lüliang Mountain, Zhongtiao Mountain, the degraded area accounted for 3.29% of the total area that was mainly distributed in the edge of Taiyuan Basin and Linfen Basin; (3) both climate change and human activities were important factors on vegetation variation. Different districts had different responses to climate change. Increasing precipitation from November to May probably was the main reason for average NDVI increase in the Mountain Deciduous Broad-leaved Forest District. Decreasing temperature from December to January and increasing precipitation from February to May probably were the main reasons for average NDVI increase in the Agriculture and Grassland District. Decreasing temperature from May to September and increasing precipitation from November to August probably were the main reasons for average NDVI increase in the Fen River Valley Agricultural District. In addition, the impacts of human activities on the NDVI changes mainly were observed in forestland shifted from the cropland, shelter forest construction, mining, urban expansion.

MODIS-NDVI; spatiotemporal variation; climate influence; human activities

2015-07-22

2015-11-20

國家基礎科學人才培養基金項目(J1210065);蘭州大學地理學基地科研訓練及科研能力提高項目

仝莉棉(1992—),女,山西晉城人,碩士研究生,研究方向為全球變化與區域響應。E-mail:tonglm14@lzu.edu.cn

曾彪(1979—),男,湖北京山人,副教授,主要從事全球變化與區域響應研究。E-mail:zengb@lzu.edu.cn

Q948.1

A

1005-3409(2016)03-0071-06