2000-2013年西安市植被覆蓋度時空演變

賈 路, 任宗萍, 李占斌,2, 徐國策, 時 鵬, 張譯心, 王 斌

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 西安 710048;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

當前中國區(qū)域水土流失[1]與荒漠化、干旱等問題依然嚴重，急需進行生態(tài)環(huán)境治理。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，廣大人民對我國生態(tài)環(huán)境美好的生活越來越向往[2]。植被在地表生態(tài)系統(tǒng)的能量交換、水循環(huán)、碳循環(huán)、生物地球化學循環(huán)和維持中發(fā)揮著重要作用，區(qū)域植被恢復(fù)情況的好壞，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義。

在人類活動和氣候變化高強度共同作用下，區(qū)域水文過程發(fā)生了非常明顯的變化[3]。氣候變化、人類活動以及水文過程的變化直接或者間接對植被恢復(fù)等生態(tài)過程產(chǎn)生重要的影響[4]。標準化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)具有較高空間覆蓋和長時間序列等優(yōu)點，已成為分析植被生長歷史、監(jiān)測當前狀況和預(yù)測未來變化的最重要工具，通常被用于大尺度植被變化和空間密度分布的研究[5-7]。目前我國基于NDVI數(shù)據(jù)對很多地區(qū)的植被變化及其影響因素都進行分析。有研究表明，中國北方地區(qū)年NDVI呈輕微上升趨勢[8]。人類活動對植被恢復(fù)起著一定的積極的作用，在青海、西藏高原地區(qū)有近61.2%的草原地區(qū)實施了一定的工程措施進行植被恢復(fù)，其中氣候變化對56.7%的退化草原存在影響[9]。盡管以往的研究對不同地區(qū)植被覆蓋的變化和時空分布模式提供了十分有用的信息，但許多研究主要集中在植被覆蓋的時空分布特征的驅(qū)動因子和植被動態(tài)變化上，對于植被恢復(fù)的空間差異變化研究卻極為少見。因此，全面系統(tǒng)地對西安市植被覆蓋度時空變化及其差異進行分析研究是一個十分有意義的問題。

本文采用Mann-Kendall檢驗法對西安市2000—2013年植被覆蓋度進行趨勢分析，采用Hurst指數(shù)對西安市2000—2013年植被覆蓋度進行持續(xù)性分析，同時通過Pettitt檢驗法對西安市2000—2013年植被覆蓋度進行突變點分析，并結(jié)合相對發(fā)展率和重心轉(zhuǎn)移模型對2000—2013年西安市植被覆蓋度進行區(qū)域差異分析。研究成果有助于進一步深化對西安市植被覆蓋度變化及其影響因素的認識，有利于為西安市植被恢復(fù)等生態(tài)建設(shè)工程提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市地處陜西關(guān)中平原，位于107°—109°E，33°—34°N，共統(tǒng)轄9區(qū)4縣，總面積約9 983 km2，市區(qū)面積1 276 km2。地質(zhì)狀況復(fù)雜多樣，地質(zhì)、構(gòu)造和巖相具有不同的發(fā)育特點，地形南高北低(圖1)，秦嶺位于西安市南部，渭河位于西安市北部。地貌類型主要為平原和基巖山地兩大類，平原所占比例為46%，基巖山地所占比例為54%。氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，年內(nèi)最高溫度在7月份，年內(nèi)最低溫度在1月份，年平均降水為600 mm左右，由南向北逐漸遞減。秦嶺山地基本屬自然植被，渭河平原、驪東南丘陵與黃土臺塬屬栽培植被，兩大植被區(qū)域的分布與地貌區(qū)域范圍大體一致。境內(nèi)的自然植被分布于秦嶺山區(qū)，隨海拔高度變化演替，依次出現(xiàn)落葉闊葉林、針闊葉混交林、針葉林、高山灌叢與草甸等植被類型。

圖1 西安市地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用NDVI數(shù)據(jù)是一個長期的MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集由中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科技數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站提供(http:∥www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)時間為2000—2013年，空間分辨率為500 m，時間分辨率為旬，用最大值合成法(MVC)獲得NDVI年值，植被覆蓋率是根據(jù)以下公式計算的：

f=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中：f為植被覆蓋度；NDVI為像素的植被指數(shù)；NDVImax，NDVImin為研究區(qū)NDVI的最大值和最小值。

降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)中心中國地面氣候資料的年度數(shù)據(jù)集，包含西安市及其附近區(qū)域耀縣、漢中、武功、華山、商州、鎮(zhèn)安、佛坪7個氣象站點2000—2013年逐年降水量，通過算數(shù)平均法對7個雨量站年降雨量取平均值,將點雨量轉(zhuǎn)換為區(qū)域面降雨量。

1.3 研究方法

Mann-Kendall檢驗(M-K)是判斷數(shù)據(jù)序列變化趨勢的有效方法，被廣泛應(yīng)用在氣象和水文序列的分析中[10]，本文采用Mann-Kendall檢驗進行年植被覆蓋度的變化趨勢分析。

Hurst指數(shù)(H)在定量表征時間序列的持續(xù)性或長期相關(guān)性具有廣泛的應(yīng)用性，已被廣泛用于氣候和水文序列的分析中[11]。其中H代表Hurst指數(shù)。H的值在[0,1]的范圍內(nèi)。當H=0.5時，表明植被覆蓋的時間序列是隨機序列，是不可持續(xù)的。當H>0.5時，植被覆蓋度的變化與目前的趨勢基本一致，表明植被的可持續(xù)性是正向的。H<0.5表示負可持續(xù)性，未來植被覆蓋變化將與當前趨勢相反。

Pettitt檢驗法[12]采用Mann-Whitney中Ut,N值檢驗同一總體中兩個樣本X1,…,Xt和Xt+1,…,XN，Pettitt檢驗的零假設(shè)為沒有變化點，當|Ut,N|取最大值時對應(yīng)的Xt被認為是可能的突變點。當p≤0.05時認為數(shù)據(jù)中存在均值變異點。其顯著性水平可由下式計算：

(2)

相對發(fā)展率[13](NICH)可以用來分析研究區(qū)內(nèi)，不同像元在研究時段初期與末期植被覆蓋度變化量與研究區(qū)整體研究時段初期與末期變化量的差異，計算公式如下：

(3)

式中：Y2i為2013年第i個柵格植被覆蓋度；Y1i為2000年第i個柵格植被覆蓋度；Y2為2013年西安市植被覆蓋度平均值；Y1為2000年西安市植被覆蓋度平均值。

空間重心轉(zhuǎn)移模型[14]對地理對象的空間分布進行描述的重要方法，可以用來研究植被覆蓋度空間重心隨時間的變化，本研究采用空間重心轉(zhuǎn)移模型來研究西安市2000—2013年植被覆蓋度的重心變化，計算公式如下：

(4)

(5)

式中：Xm和Ym為植被覆蓋度空間分布重心的經(jīng)緯度；cmi為第i個柵格的植被覆蓋度值；xi為第i個柵格的經(jīng)度；yi為第i個柵格的緯度。

本研究中所有數(shù)據(jù)計算通過ArcGIS 10.2軟件及R語言編程實現(xiàn)，使用Excel軟件進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度年際變化特征

2000—2013年西安市植被覆蓋度最小值空間變化范圍為0.33～0.97，最大值空間變化范圍為0.56～1.00，多年平均值空間變化范圍為0.44～0.98，標準差空間變化范圍為0.01～0.17，變異系數(shù)空間變化范圍為0.01～0.29。根據(jù)變異系數(shù)Cv的分類系統(tǒng)：弱變異Cv≤10%，中等變異10%

從圖2中可以看出，2000-2013年西安市植被覆蓋度變異程度中，中等程度變異面積占總面積10.02%，弱變異面積占總面積89.98%，總體來說，2000-2013年西安市植被覆蓋變異強度較弱，中等程度變異范圍較小，中等程度變異主要分布于西安市城區(qū)及臨潼區(qū)南部和藍田縣北部地區(qū)等，該區(qū)人類活動強烈，對植被變化影響較大。

圖2 2000-2013年西安市植被覆蓋度變異等級空間分布

2.2 植被覆蓋度的趨勢性與持續(xù)性

為了進一步分析2000—2013年西安市植被覆蓋度變化的趨勢特征和未來變化的持續(xù)性，結(jié)合Mann-Kendall檢驗和Hurst指數(shù)計算得到了2000—2013年西安市植被覆蓋度M-K趨勢檢驗圖和2000—2013年西安市植被覆蓋度Hurst指數(shù)分布圖。

如圖3所示，區(qū)域植被覆蓋度整體呈增加趨勢，其中呈增加趨勢的面積占區(qū)域總面積86.54%，顯著增加的面積占區(qū)域總面積的37.25%，顯著減少的面積占區(qū)域總面積的1.68%，顯著減少面積主要分布城區(qū)周邊，該區(qū)域人類活動強烈，對植被破壞較大。

圖3 2000-2013年西安市植被覆蓋度M-K趨勢檢驗

由圖4可知，區(qū)域植被覆蓋度Hurst指數(shù)空間變化范圍為0.18～0.72，其中正向持續(xù)性的面積占區(qū)域總面積72.62%，負向持續(xù)性的面積占區(qū)域總面積27.38%。西安市35.30%面積植被恢復(fù)呈持續(xù)改善(H>0.5，且M-K統(tǒng)計量>0)。

圖4 2000-2013年西安市植被覆蓋度Hurst指數(shù)分布

2.3 植被覆蓋度突變點空間分布識別及突變年份分析

Pettit檢驗是一種常用地時間序列突變點的方法，可以簡單快速有效識別一個時間系列發(fā)生突變的時間，因此在突變點檢驗應(yīng)用較為廣泛。為此，本研究對所研究時期內(nèi)的植被覆蓋度進行Pettit檢驗，對西安市植被覆蓋度突變性進行分析，得到各西安市植被覆蓋度突變年份的時空分布情況。

如圖5所示，2000—2013年西安市植被覆蓋度突變年份均顯著發(fā)生在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年，發(fā)生顯著突變年份的面積占總面積的17.58%，其中發(fā)生顯著突變年份在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年的面積占總面積的比例依次是1.71%，4.85%，7.10%，2.86%，1.06%。本文將突變點前植被覆蓋度M-K檢驗統(tǒng)計量小于零且突變點后植被覆蓋度M-K檢驗統(tǒng)計量大于零的突變點定義為凹突變點，凹突變點表明外界環(huán)境對植被覆蓋度變化具有促進作用；將突變點前植被覆蓋度M-K檢驗統(tǒng)計量大于零且突變點后植被覆蓋度M-K檢驗統(tǒng)計量小于零的突變點定義為凸突變點，凸突變點表明外界環(huán)境對植被覆蓋度變化具有抑制作用。根據(jù)分析結(jié)果，2000—2013年西安市植被覆蓋度凹突變點占總突變點的20.67%，2000—2013年西安市植被覆蓋度凸突變點占總突變點的4.18%，因此，2000—2013年西安市植被恢復(fù)在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年期間受到了外界環(huán)境的一定促進增長作用，發(fā)生突變的地點主要集中于灞橋區(qū)、藍田縣等人類活動較少的地區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度較高，植被覆蓋良好。

圖5 2000-2013年西安市植被覆蓋度突變點空間分布

2.4 植被覆蓋度變化的空間差異性及重心轉(zhuǎn)移

為了進一步分析在外界環(huán)境干擾下西安市植被覆蓋度變化的空間差異性，計算2000—2013年西安市植被覆蓋度相對發(fā)展率，得到2000—2013年西安市植被覆蓋度相對發(fā)展率空間分布圖。

對圖6進行分析得到，2000—2013年西安市植被覆蓋度相對發(fā)展率空間變化范圍為-9.07～7.49，相對發(fā)展率的負值占區(qū)域總面積的20.77%，相對發(fā)展率的負值主要出現(xiàn)在城區(qū)，說明城區(qū)植被覆蓋度變化與區(qū)域整體變化趨勢相反，人類活動的范圍和強度在不斷增大。相對發(fā)展率的最大值分布于灞橋區(qū)附近，說明該區(qū)域區(qū)植被覆蓋度增長速率優(yōu)于區(qū)域整體植被恢復(fù)程度。

圖6 2000-2013年西安市植被覆蓋度相對發(fā)展率空間分布

由圖7可以看出，2000—2013年西安市植被覆蓋度空間重心呈現(xiàn)由西南逐漸向東北方向轉(zhuǎn)移的趨勢。2000—2001年植被覆蓋度重心從東北向西南轉(zhuǎn)移，2001—2002年植被覆蓋度重心從西南向東北轉(zhuǎn)移且轉(zhuǎn)移距離比較長，2002—2012年植被覆蓋度重心變化趨勢不明顯，2012—2013年植被覆蓋度重心從西南向東北轉(zhuǎn)移。2013年西安市各區(qū)縣人口數(shù)量從大到小排序依次為：長安區(qū)>雁塔區(qū)>臨潼區(qū)>碑林區(qū)>周至縣>藍田縣>蓮湖區(qū)>鄠邑區(qū)>未央?yún)^(qū)>灞橋區(qū)>新城區(qū)>高陵區(qū)>閻良區(qū)。整體來說，2000—2013年西安市植被覆蓋度增加趨勢逐漸從西南部的周至等人口密度較小的地區(qū)向臨潼區(qū)等人口密度較大的東北部區(qū)域轉(zhuǎn)移，說明隨著社會的進步，人們對植被等生態(tài)環(huán)境的保護更加注重。

圖7 2000-2013年西安市植被覆蓋度重心轉(zhuǎn)移

3 討 論

3.1 氣候因素及對植被恢復(fù)的影響

降雨作為影響區(qū)域植被變化的主要氣候因素[15]，降水變化對區(qū)域徑流變化和土壤水的變化具有直接的影響，從而影響到植被對水分的吸收，進而影響到植被的生長變化。近些年來全球氣候發(fā)生顯著變化，氣溫升高，降水增多，對區(qū)域下墊面變化具有巨大影響[16]。

從圖8可以看出，2000—2013年西安市面降雨量最小值為570.18 mm，最大值為1 002.74 mm，多年平均值為734.00 mm，變異系數(shù)為0.17，變異強度為中等程度。2000—2013年西安市植被覆蓋度均值變化的最小值為0.83，最大值為0.90，多年平均值為0.87，變異系數(shù)為0.02，變異強度為弱變異。2000—2013年西安市面降雨量和區(qū)域植被覆蓋度均值均呈現(xiàn)增加趨勢，根據(jù)M-K趨勢檢驗結(jié)果，降雨量變化呈不顯著增加趨勢，植被覆蓋度均值呈顯著增加趨勢。降雨量的Hurst指數(shù)為0.51，植被覆蓋度均值的Hurst指數(shù)為0.66，降雨量與植被覆蓋度均值未來呈現(xiàn)增加趨勢，降雨量與植被覆蓋度均值皮爾遜相關(guān)性系數(shù)為0.47(p<0.09)，呈不顯著正相關(guān)。根據(jù)轉(zhuǎn)移重心模型，2000年西安市降雨量空間分布重心坐標為108.72°E，33.83°N，2013年西安市降雨量空間分布重心坐標為108.54°E，33.79°N，2000—2013年西安市降雨量空間分布重心呈現(xiàn)從東北向西南轉(zhuǎn)移的趨勢，與植被變化呈現(xiàn)相反的趨勢。

3.2 不同土地利用變化對植被覆蓋的影響

由圖9可知，2000—2013年西安市各類土地利用植被覆蓋度均有增加趨勢，2000年西安市耕地、林地、草地、建設(shè)用地、未利用地的植被覆蓋度均值依次為0.80，0.91，0.86，0.76，0.83，其中林地植被覆蓋度最大，建設(shè)用地植被覆蓋度最小。2013年西安市耕地、林地、草地、建設(shè)用地、未利用地的植被覆蓋度均值依次為0.87，0.94，0.93，0.76，0.87，其中林地植被覆蓋度最大，與2000年相比草地與耕地的植被覆蓋度增加最多，建設(shè)用地植被覆蓋度最小，與2000年相比基本未發(fā)生變化。

圖8 2000-2013年西安市植被覆蓋度與降雨時間序列

圖9 2000-2013年西安市各類型土地利用植被覆蓋度變化

以上研究說明，2000—2013年西安市降雨對植被變化存在一定程度促進作用，但主要是土地利用等人類活動引起的植被覆蓋度變化。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2013年西安市植被覆蓋度變異程度整體較弱，中等程度變異面積占總面積10.02%，弱變異面積占總面積89.98%，主要分布于西安市城區(qū)及臨潼區(qū)南部和藍田縣北部地區(qū)等。

(2) 2000—2013年西安市植被覆蓋度整體呈增加趨勢，其中呈增加趨勢的面積占區(qū)域總面積86.54%，正向持續(xù)性的面積占區(qū)域總面積72.62%，負向持續(xù)性的面積占區(qū)域總面積27.38%，35.30%面積植被恢復(fù)呈持續(xù)改善。

(3) 2000—2013年西安市植被覆蓋度突變年份均顯著發(fā)生在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年，發(fā)生顯著突變年份的面積占總面積的17.58%。

(4) 2000—2013年西安市植被覆蓋度相對發(fā)展率空間變化范圍為-9.07～7.49，相對發(fā)展率的負值占區(qū)域總面積的20.77%，城區(qū)植被覆蓋度變化與區(qū)域整體變化趨勢相反，人類活動的范圍和強度在不斷增大，西安市植被覆蓋度空間重心呈現(xiàn)由西南逐漸向東北方向轉(zhuǎn)移的趨勢。

(5) 2000—2013年西安市面降雨量和區(qū)域植被覆蓋度均值均呈現(xiàn)增加趨勢，降雨量與植被覆蓋度均值皮爾遜相關(guān)性系數(shù)為0.47(p<0.09)，呈不顯著正相關(guān)。降雨量空間分布重心呈現(xiàn)從東北向西南轉(zhuǎn)移的趨勢，與植被變化呈現(xiàn)相反的趨勢，西安市降雨對植被變化存在一定程度促進作用，但主要起作用的是非降雨因素。