基于MODIS數據的寶雞地區植被覆蓋時空變化及影響因素分析

王 靜，萬紅蓮*，張 翀

(1.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，陜西 寶雞 721013；2.寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西 寶雞 721013)

植被和氣候變化是影響自然生態系統能量收支平衡的直接因素，也是人類生存環境的重要組成部分[1]。IPCC第四次工作報告指出，近百年來全球氣溫變化總趨勢發生了明顯變化[2]，我國氣候變化趨勢與全球趨勢基本一致。在這樣的背景下，掌握陸地植被覆蓋年際變化以及對氣候要素的響應規律，對評價陸地生態系統的環境質量、調節植被覆蓋與人類活動的協調發展具有重要的理論和實際意義[3]。以MODIS(中分辨率成像光譜儀)為光學遙感儀器獲得的NDVI數據(即歸一化植被指數，Normalized Difference Vegetation Index)具有廉價性和高時間分辨率，已經成為目前應用最為廣泛、前景最為廣闊的遙感數據之一[4-5]。而NPP，即植物的凈初級生產力(net primary productivity)，指單位面積單位時間內綠色植物呼吸后剩下的所累積的能量或所生產的有機物質，是生態系統碳平衡評估的基礎，也是表征植被活動和評價陸地生態系統穩定性的關鍵參數[6-7]。我國人多地少且資源相對匱乏，對NDVI和NPP的研究就顯得更為迫切和重要。國內外學者基于兩種數據對氣候因子的響應規律做了大量研究，塞內加爾草原凈初級生產力(NPP)或生物量和作物產量的長期變化趨勢不僅受降水的影響，而且與土地覆蓋和土地利用變化具有顯著的相關性[8]；5～9月是中國東北樣帶NPP發展的集中時段，占年NPP的89.8%。夏季(6～8月)NPP的變化是NPP年際變化的主要影響因素，占年NPP的65.9%[9]；降水不僅是內蒙古草原NPP的重要氣候影響因子，而且還具有明顯的累積效應[10]。相對于氣溫和降水量因子，人類活動是黃土高原植被NPP變化的主要影響因素，且對NPP有雙重影響[11]。

寶雞地區地勢復雜，植被類型多樣，分縣(市)區(以下簡稱縣區)詳細研究該地區植被覆蓋變化與氣候響應對渭河沿岸的農田建設、秦嶺以及黃土高原地區植被恢復具有重要的現實指導意義。對于該區域的相關研究，眾多學者只是將其作為秦嶺或西北地區以及黃土高原的一部分來進行植被NDVI的相關分析[12-14]，且秦超[15]、翟雅倩[16]整體研究了近年來寶雞市的植被覆蓋度動態變化特征，發現寶雞市整體植被覆蓋度高，以中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度為主，各行政區域植被覆蓋度差異性顯著。但這兩位學者對局部自然環境特征的表征沒有細化。而就寶雞地區植被覆蓋內部差異及基于NPP數據的相關性分析的研究鮮見。

本研究基于MODIS NDVI和NPP數據，結合該地區11個氣象站點(其中，寶雞縣2003年撤縣設立陳倉區，本文仍沿用舊制寶雞縣)氣溫和降水量的實測數據，分析了年際尺度上區內植被覆蓋與氣候因子的相關性及其對氣候因子的響應，以期對區域農業發展提供理論參考。

1 研究區概況

寶雞位于陜西省(關中平原)西部，地處東經106°18′～108°03′，北緯33°35′～35°06′。東與咸陽市相連，南與漢中市相接，西、西北分別與甘肅省天水市和平涼市毗鄰，寶雞地區包括11個氣象站點(圖1)，總面積1.8萬km2。寶雞屬暖溫帶半濕潤氣候，受東亞季風(包括高原季風)控制，造就了冬季寒冷干燥，夏季溫熱多雨與炎熱干燥交替，春季多變少雨且升溫迅速，秋季多陰雨連綿且降溫迅速的全年氣候變化特征。氣溫、降水量季相較為分明。年平均氣溫13 ℃左右，年降水量710～1000 mm，7、8、9這3個月降水集中，占全年降水的50%左右；寶雞地區是關中降水量最多的地區。寶雞地區生境條件和植被類型多樣，主要包括落葉闊葉林、針葉林、草原、灌叢和栽培植被等。森林覆被率達36%～42%，但分布不均，以秦嶺和關山為集中分布區域，關中和臺塬地區主要為栽培植被。

圖1 寶雞地區概況及氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 數據來源

表1為本研究主要數據源信息，包括氣象數據(11個氣象站點)、MODIS NDVI、NPP和高程DEM數據。研究中站點選取分別是：寶雞市、寶雞縣、鳳翔縣、岐山縣、眉縣、扶風縣、隴縣、千陽縣、麟游縣、鳳縣和太白縣，本研究也采用此11個站點作為行政區域進行下文研究。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析 通過模擬每個柵格的變化趨勢和單個像元時間變化特征來反映整個空間變化規律，進而表征區域時空格局演變[17]。Slope為NDVI在各個像元點的變化趨勢線斜率。若Slope值為正，則區域植被NDVI隨時間變化呈上升趨勢，且數值大小與植被覆蓋度增加趨勢強弱呈正比例關系；若Slope值為負，則表示植被指數隨時間變化呈下降趨勢。其計算公式如下：

(1)

公式(1)中：n為年份，i為年序列，NDVIi為第i年的最大化NDVI值。

表1 研究所用數據源

2.2.2 相關分析法 運用相關分析法分析植被覆蓋變化對氣候因子的響應，結合ArcGIS10.1和Matlab軟件，計算NDVI與氣溫和降水量間的相關系數，采用NDVI影像與經反距離權重插值法獲取年均溫和年降水量的柵格數據，繪制NDVI與年均溫和年降水的相關系數空間分布圖，NDVI與氣候因子的空間關系通過顯著性檢驗來進行分析。計算公式如下[18]：

(2)

3 結果與分析

3.1 寶雞地區植被覆蓋變化分析

經ArcGIS區域統計功能獲取年均NDVI，表示寶雞地區當年植被覆蓋水平(圖2)。2001～2013年NDVI變化情況為：2006～2007、2008～2010、2011～2012年緩慢增長，2001～2002、2003～2004年飛速增長，2004～2006、2007～2008、2010～2011年緩慢下降，2002～2003年迅速下降，2012～2013年變化較不明顯?？傮w來看，NDVI以0.032/10 a的速度呈上升趨勢。三北防護林工程區1982～2006年近25 a植被覆蓋的平均增速為0.007/10 a，與此相比，寶雞地區植被覆蓋增速較快[19]，且NDVI值在2010年達到最高值0.572。2001年寶雞地區平均NDVI值為0.5274，2013年增加至0.5668，增速為7.47%。說明寶雞地區近13 a來的植被覆蓋有增無減。

3.2 植被覆蓋的空間分布特征

寶雞地區2001～2013年多年平均NDVI空間分布如圖3所示，整體上呈從東北向西南遞增的特征。由于太白山的山地地貌類型和其為秦嶺山脈主峰的原因，以及太白河和水河的河水補給，寶雞地區植被覆蓋最高值集中分布在太白縣南部。千河沿岸以及渭河流域寶雞段的寶雞市、寶雞縣、鳳翔、岐山南北沿岸的“帶狀”地區，植被覆蓋度最低，主要原因是這些地區人口集聚分布，經濟發展最為迅速，隨著城市化的推動，城市擴建對于土地需求逐日擴大，以0.49%/a的速度增加，建筑面積的迅速增加極大地削減了植被面積。此外，大量的農田建設和農作物種植呈現出植被覆蓋明顯的季節分布特征，從1999年陜西地區退耕還林試點實施以來，寶雞地區的農作物種植、綠化(包括城市綠化和公園綠化)及林地面積分別以0.11%/a的速度減少和以1.07%/a、0.21%/a的速度增加，而研究區植被覆蓋面積主要依靠于農作物種植，農作物播種面積占總植被覆蓋面積的34.44%，是林業面積的一半，因而該區域植被覆蓋表現最低。

圖2 2001～2013年寶雞地區年均NDVI變化趨勢

3.3 植被覆蓋空間格局演變態勢

寶雞地區2001～2013年植被覆蓋變化具有明顯的區域差異(圖4)。由于近年來寶雞地區正在大力實施退耕還林還草和保護森林的政策[20]，植被恢復較好的區域廣泛分布于千河沿岸的隴縣、千陽、寶雞縣地區，漆水河以北的麟游地區，嘉陵江沿岸的鳳縣西南地區，狀況逐年好轉。而近年來城市化水平逐年提升，城市土地擴張需求速度有增無減，所以大量的城區建筑用地占用了耕地及草地資源，使得千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸的植被覆蓋度降低。

為了更好地表征寶雞地區植被恢復狀況，參照已有研究[17,21-23]，將Slope分為如圖4、表2所示的7個等級。結果顯示，嚴重退化面積1 km2，中度退化面積117 km2，分別占總面積的0.006%和0.646%，兩個等級的植被覆蓋分布狀況集中在千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸“帶狀”地區；輕微退化面積772 km2，占總面積的4.262%，主要分布在千河以西的隴縣地區、渭河沿岸南部及太白河和水河之間的太白縣地區；基本不變面積4426 km2，輕度改善面積6126 km2，分別占總面積的24.434%和33.819%，零星分布于除千河以西的隴縣地區、渭河沿岸南部以外的寶雞其他地區；中度改善面積4488 km2，占總面積的24.776%，明顯改善面積2184 km2，占總面積的12.057%，兩者集中于千河沿岸的隴縣、千陽、寶雞縣地區、漆水河以北的麟游地區、嘉陵江沿岸的鳳縣西南部地區。綜上所述，近13 a寶雞地區植被覆蓋狀況呈穩中上升的趨勢，這主要是因為寶雞地區實施“退耕還林還草”、森林保護等政策，使得該地綠化城市面積和造林面積分別以0.91%/a和0.73%/a的增速改善，以及當地人們保護環境意識的不斷增強，植被覆蓋狀況逐年見好，由此生態環境也得到逐年改善[24]。

圖3 年均NDVI變化斜率趨勢圖

3.4 植被覆蓋與氣溫和降水的關系

NDVI數據的提取是建立在氣候要素對植被前期生長作用的基礎之上的，因而研究NDVI和氣溫、降水量在植被生長期內的關系具有重要的實際意義[13-14,25-27]。由圖6和表3可知，近13 a來寶雞地區植被覆蓋與氣溫呈正相關的區域像元占總像元的80.99%，降水量呈正相關的區域像元占79.01%，表明年均NDVI與年均溫和年降水的相關性整體上表現均較好。

植被覆蓋與氣溫呈正相關的區域像元數占總像元的80.99%，除鳳縣大部分地區和千陽中西部地區外，廣泛分布于寶雞地區各個縣區。由于以高山草甸為主體的關山草原位于隴縣西南部、太白縣中部至東部，秦嶺主峰穿其境而過且有太白河和水河水分的補給，因此其相應區域相關系數最大；千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸“帶狀”地區，地勢平坦、氣溫四季分明，土壤有機質的分解在夏季氣溫升高的條件下加速，對常溫地區植被凈初級生產力的提高起到了有效的促進作用[28-30]，又加之大量植被綠化面積的建設，所以其相關系數最大(表3)。植被覆蓋與氣溫呈負相關的區域集中分布在鳳縣大部分地區和千陽中西部地區，原因可能是鳳縣地處秦嶺山地地區，且紫柏山坐落其境，另外有嘉陵江和褒河水分的補給。吳岳支脈箭筈嶺坐落于千陽南部，兩個地區均海拔較高、年均溫較低。當植物生長的最適溫度低于夏季氣溫時，植株內Ru Bis CO(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)的羧化反應小于其加氧反應，加速了凈光合作用的下降速度[31]；同時，土壤水分蒸發和植物蒸騰作用會因溫度的升高而加劇，嚴重影響了植被生長[32]。總體而言，介于0.3～0.9相關系數的像元均勻分布在寶雞各個地區，說明寶雞地區植被覆蓋與氣溫的相關性表現較好。

圖4 年均NDVI變化斜率分級圖

植被覆蓋與降水量呈負相關的區域集中在渭河流域寶雞段的千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸“帶狀”地區(表3)，這些地區具有較強的降水量，而隨著城市化進程的加快，城市擴展帶來建筑面積擴大，植被覆蓋度不斷降低，因此植被覆蓋與降水呈負相關；除此之外，寶雞其他各個縣區的植被覆蓋與降水量均呈正相關，其中鳳縣大面積地區呈非常顯著正相關。這是因為水是植物生長過程中的決定性因素，植物的生長狀況會直接受到降水量的影響。降水量是影響我國干旱變化最主要的因素[33]，降水量對植物生長的限制程度尤以年降水量少的干旱、半干旱地區表現最為明顯[10]。綜上可見，寶雞地區植被覆蓋與降水量的相關性表現較好。

表2 2001～2013年寶雞地區年均NDVI變化趨勢分級統計

表3 2001～2013年寶雞地區年均NDVI與氣溫和降水量相關性的像元比例

3.5 植被恢復與NPP響應關系分析

寶雞地區年均NPP為668.0831 g·C/(m2·a)，受降水量影響(年平均降水量529.89 mm)，2001、2002、2004年千陽的NPP值均呈現最低，鳳翔在2003、2005～2010共7年的NPP均為最低。而11個行政區域2001～2010年NPP的最高值均出現在鳳縣。表4數據顯示，2001～2010年對年均NPP影響較大的因子為NDVI。在12個分析結果中，以麟游的顯著性最高，達到0.01顯著水平，岐山、隴縣、千陽、鳳縣次之，達到0.05顯著水平，且均為正相關。依據生態學相關理論，NDVI與NPP具有直接或間接的相互關系，在區域和生態系統模型構建中，NDVI常被直接或間接地用于計算植被NPP[34-35]。因此，NDVI與NPP具有同步增減的變化趨勢，即隨著植被覆蓋率的增加(減少)而NPP相應上升(下降)。

氣溫和降水量與NPP的相關性均較差，均未達到顯著性水平，氣溫除鳳翔、麟游地區外其他地區均呈負相關，降水除岐山外其余地區均呈正相關。相關系數的顯著性均不如前50 a的結果[36]顯著，這一數據分析結果也在個別站點變化的差異較大。2000年以來國家推行天然林保護政策，寶雞地區特別是渭河沿岸及支流周邊區域陸續實行了包括封山育林、加強水源涵養及天然次生林保護、生態修復等退耕還林還草工程，寶雞地區在陜西省退耕還林試行初期(1999年)森林覆蓋率達34.30%，之后以1.43%/5 a的速度增長，森林單位蓄積量也以385 m3/5 a的速度增加。與此同時，氣溫和降水等氣象因子也在逐年發生變化，在如此復雜的人類活動和氣候變化的綜合作用下，本研究選取渭河流域中上游的寶雞地區，研究范圍較小，更具典型代表意義，對進一步理清植被恢復與NPP變化的響應關系具有良好的科學和實際意義。

表4 2001～2010年不同行政區域NPP與NDVI及氣候因子間相關系數統計

注：*表示在0.05水平上顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關。

4 討論

寶雞地區相比于干旱地區，水熱條件適中，由于水資源有一定保障，因而對于植被生長而言溫度更易成為其主要驅動因素[37-38]。理論上而言，日積溫伴隨著溫度的上升而增加，對大多數植被生長顯然有積極作用，鳳縣大部分地區(秦嶺、紫柏山、嘉陵江、褒河)和千陽中西部地區(吳岳支脈箭筈嶺)植被覆蓋程度大幅提高，生態恢復效果最為明顯，但植被與氣溫卻呈現負相關關系?？梢?，國家退耕還林政策的實施使這些山地地區林草用地增加，單株植被的長勢與整體植被覆蓋程度的關系不大，因此，溫度的驅動作用很難體現出來。同時，寶雞具有以山地、丘陵為主的復雜地形，在海拔較高地區淺層地下水儲存不足，天然降水是植被生長需水依賴的主要來源，從而形成了寶雞地區植被與降水量的相關性中東部低于北、西、南部的格局；而在千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸“帶狀”地區，由于地勢平坦，人類活動在城鎮化進程中強度增大，植被生長受其間接影響與降水量呈負相關發展趨勢。因此，植被對溫度和降水的負相關并不代表需求為負，而應考慮退耕還林、城市建設、土地利用等人類活動的客觀因素影響。

5 結論

“退耕還林還草”、森林保護等政策實施以來，寶雞地區綠化城市面積增速(0.91%/a)和造林面積增速(0.73%/a)較好，表現在千河沿岸的隴縣、千陽縣、寶雞縣沿岸地區，基本不變面積為4426 km2，占總面積的24.434%；明顯改善2184 km2，占12.057%，生態環境逐年改善明顯。

寶雞全區植被覆蓋與氣溫較顯著正相關像元(0.6～0.9)占15.016%，與降水量較顯著正相關像元占16.872%。鳳縣大部分地區和千陽中西部地區植被覆蓋與年均溫呈現負相關，但鳳縣大部分地區與年降水量呈正相關，且正相關系數顯著；千河與渭河交叉口沿渭河向東方向的寶雞縣、鳳翔、岐山、眉縣、扶風南北沿岸“帶狀”地區，植被覆蓋與年降水量呈負相關，但此地帶植被覆蓋與氣溫呈顯著正相關，以千河與渭河交叉口的寶雞縣東北部與鳳翔縣東南部交接地區顯著性最為明顯。

退耕后10 a NDVI與NPP呈良好的正相關性，以麟游縣最為顯著(0.01水平上顯著)，即凈初級生產力與植被覆蓋具有同步增減的變化趨勢。

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