近20年杭錦旗植被覆蓋變化特征及驅動力分析

何 亮，梁海榮，李鋼鐵，劉雪鋒，齊容鐮，楊文斌

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古自治區林業科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010；3.中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京 100091)

全球環境正在以氣候變暖為標志發生變化[1]，環境問題頻繁發生，嚴重影響陸地生態系統的正常功能。近年來，隨生態政策實施的不斷深入，防治效果取得一定成效。杭錦旗位于庫布齊沙漠腹地，風蝕沙化嚴重，是生態保護政策及林業建設重點區域[2]，自2000年以來，相繼實施三北防護林、退耕還林、天然林保護等生態項目[3]，極大地改善了生態環境。然而，植被覆蓋變化不僅受人類活動影響，而且其與氣象要素之間存在重要的作用關系。因此，探究杭錦旗植被變化特征以及驅動力對區域持續性發展及生態恢復至關重要。

歸一化植被指數(NDVI)被用于探究長時間序列植被覆蓋變化以及對氣候和人類活動的響應[4]，能夠客觀反映植被生長狀況和覆蓋信息[5]。李雙雙等[6]基于MODIS-NDVI分析陜甘寧地區2000—2009年植被覆蓋變化，與此同時，張敏等[7]利用相同數據集對廣西植被覆蓋及驅動力作了研究。張春森等[8]和張寶慶等[9]均對GIMMS數據進行了擴展，延長研究時段，分析30年間黃土高原地區植被覆蓋及驅動力。但上述研究也存在一定不足，研究時段多為NDVI起止時間，忽略植被恢復具有階段性，不同年份階段NDVI變化和驅動力可能會發生改變。同時整體或分段的研究思路并未涉及植被覆蓋變化過程及趨勢持續變化，而逐步增加時段、注重持續變化過程將是未來NDVI監測的重要內容[10]。此外，對杭錦旗植被覆蓋變化多為定性研究或兩景影像地類轉化分析[11]，而將具有重要生態意義的變化過程“粗略化”，未能做到逐月、逐年監測。

因此，筆者以杭錦旗為研究對象，以MOD13Q1 NDVI作為數據源，采用固定起始年份，逐步增加結束年份的分析方法并輔以Sen+Mann-Kendal趨勢和Hurst指數等方法，探究杭錦旗2000—2017年植被覆蓋變化特征及驅動力，以期為杭錦旗荒漠化治理、掌握植被合理密度及生態政策評價等提供參考。

1 研究區概況

杭錦旗是以庫布齊沙漠為核心的生態地理區，位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西北部，橫跨鄂爾多斯高原與河套平原[12]，西、北部均以黃河為界(圖1)，總面積約為1.90萬km2。該區處于干旱、半干旱區過渡地帶，屬典型溫帶大陸性氣候區，具有干旱少雨、蒸發量大等特點，年降水量為144.6～336 mm且集中在7—9月。植被類型主要為干草原、荒漠化草原、草原化荒漠和荒漠草原[13]，由東向西呈過渡性分布，而沙區則以沙生植被為主，地帶性顯著。

2 研究方法

2.1 數據來源及預處理

選取2000—2017年植被生長季(5—10月)16 d合成的數據產品MOD13Q1，空間分辨率為250 m。使用MODIS影像投影轉換工具(MRT)及批處理文件，完成影像拼接、投影轉換等工作，再利用最大值合成法得到月、年NDVI時間序列數據。該方法可消除大氣、云、太陽高度角等天氣因素的影響[14]。氣象數據選用中國地面氣候資料日值數據集(V3)提供的杭錦旗周邊15個固定站點的氣溫及降雨量，利用matlab軟件完成月值數據處理，采用反距離權重法進行空間插值。土地利用類型選自全國地理信息資源目錄服務系統發布的全球30 m地表覆蓋數據，時間為2010年。造林數據來自2002—2017年中國林業統計年鑒。植被類型及生態系統數據來源于中國科學院資源環境數據平臺。氣象、植被類型及生態系統數據利用ArcGIS軟件進行行列號、投影方式等一致性處理，以達成與NDVI數據的匹配。

2.2 分析方法

2.2.1Sen+Mann-Kendall(M-K)趨勢顯著檢驗

該方法能夠提高檢驗精準度，減少異常值的影響，同時對數據誤差具有較強抵抗性。公式如下：

(1)

式(1)中，xi和xj為研究時段內第i和j個數據。當β>0時，植被覆蓋呈改善趨勢；反之，則呈退化趨勢。

采用固定起始年份、逐步增加結束年份的方法，以5 a為公差值依次等間距累加至2017年，將研究時段劃分為2000—2004、2000—2009、2000—2014和2000—2017年4個時間序列階段并根據趨勢斜率范圍(|Z|)以及M-K值劃分趨勢等級(表1)。

2.2.2未來趨勢分析

Hurst指數(H)可用于定量描述要素未來變化特征，依據杭錦旗現階段植被覆蓋變化預測未來變化趨勢，對降低植被生長風險及評價生態建設成效具有重要意義。采用R/S分析法計算該指數，通過標準差與極差比值是否滿足R/S=[R(τ)/S(τ)]∝(τ/2)H加以判定，若成立，則說明植被覆蓋時間序列具有Hurst現象，利用最小二乘法可計算得到H值[15]。

表1 2000—2017年杭錦旗植被覆蓋趨勢變化等級

2.2.3相關性及殘差分析法

杭錦旗因其特殊地理原因，降水和溫度是影響該區植被覆蓋變化最直接、最重要的氣象因子[16]。采用復相關及偏相關系數法研究氣象要素與NDVI(INDV)之間的相關性；殘差分析法可用于定量描述人類活動對研究區植被覆蓋的影響。公式如下：

ε=INDV真實值-INDV預測值。

(2)

式(2)中，ε為NDVI殘差值。ε>0，表示人類活動具有正面效應，反之則為負面干擾；ε=0，表示人類活動干擾不顯著。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋變化特征

3.1.1NDVI空間分布及趨勢變化

杭錦旗植被覆蓋由北向南空間分布呈“高低高”特征〔圖2(a)〕。

北部是黃河沖擊形成的平原，以耕地為主，NDVI最高；中北部沙區NDVI最低，分布大量流動、半流動沙地，不適宜植被生長；南部伊和烏素蘇木鄉和錫尼鎮植被類型以草地和天然保護林為主，植被覆蓋較高。

各年份階段植被覆蓋趨勢變化結果〔圖2(b)〕如下：2000—2004年，NDVI改善面積占比為39%，其中，輕微改善面積占比為36%，在巴拉貢鎮、伊和烏素蘇木以及錫尼鎮集中分布。退化面積分布較少，程度較輕，占總面積的6%。總體上，2000—2004年除庫布齊沙區周邊外，研究區大部分為輕微改善，顯著改善區域僅分布在錫尼鎮南部。

2000—2009年，NDVI輕微改善面積占比下降24百分點，而顯著改善區域擴增至獨貴塔拉南部以及錫尼鎮大部，占比為15%。退化面積大幅度減少，伊和烏素蘇木、獨貴塔拉南部逐漸向顯著改善及基本穩定過渡，但在北部建筑用地出現退化現象。

2000—2014年，NDVI改善區域面積占比持續擴張增至40%，主要分布于伊和烏素蘇木北部、獨貴塔拉南部以及錫尼鎮。北部灘地出現較大面積的退化區域，由于城鎮化快速發展，致使耕地向建筑用地轉化，植被退化嚴重。此外，伊和烏素蘇木部分基本穩定區域發生退化。

2000—2017年，NDVI改善區域面積與2000—2014年相比變化不顯著，占比為38%。杭錦旗西南部退化區域繼續擴大，具有由點向面發展的聯動態勢。與2000—2004年相比，2000—2017年研究區大部分輕微改善區域轉為顯著改善，轉換總面積為4 415 km2，尤其是錫尼和獨貴塔拉兩鎮。中部沙區部分呈基本穩定狀態的區域轉變為顯著改善區域面積同樣占有較大比例。

各鄉鎮4個時段趨勢及顯著性變化見圖2(c)。總體上，主要趨勢變化為基本穩定，尤其是吉日嘎朗圖和呼和木獨鎮，占比在70%以上。顯著改善區域面積占比增加明顯，以2000—2014年為基點，2000—2009、2000—2014和2000—2017年分別增加11%、25%和23%。退化區域面積占比在前兩個時段呈遞減趨勢，而隨后5、8 a間各鄉鎮輕微退化區域逐漸擴張。2000—2004年各鄉鎮多為輕微改善，錫尼鎮改善程度最高，而吉日嘎朗圖鎮最低；2000—2009年，錫尼鎮顯著改善區域面積增加最多，程度最大，獨貴塔拉次之，巴拉貢鎮改善效果不佳，其32%的面積轉為基本穩定；2000—2014年，各鄉鎮均有不同程度的改善；2000—2017年，鄉鎮顯著改善面積略有下降，伊和烏素蘇木和巴拉貢鎮退化面積較大，呼和木獨鎮雖然退化區域較小，但程度最強。

3.1.2不同土地利用NDVI變化

土地利用變化是植被覆蓋變化的重要表現，結果顯示：草地為主要土地類型，其面積占總面積的53.58%，沙地次之，占比為36.66%，有林地與灌叢面積占比分別為0.05%和1.29%。此外，杭錦旗共有耕地1 236 km2，占比為6.51%。土地利用類型NDVI均值由大到小依次為耕地(0.45)、有林地(0.39)、灌叢(0.26)、草地(0.25)和沙地(0.14)。耕地在北部灘地集中分布，為多年農耕區，植被覆蓋常年較高。有林地多分布于沿黃農業區及錫尼鎮，NDVI次之。庫布齊沙區及西部梁地為灌叢主要分布區，植被類型以旱生灌木為主。杭錦旗草地屬干草原、荒漠草原兩類的過渡類型，退化現象較嚴重[17]，NDVI較低。庫布齊沙區是杭錦旗沙地主要分布區，NDVI最低。

研究結果表明，有林地NDVI增速最快，為0.004 6 a-1，灌叢次之，增速為0.004 3 a-1，其次為草地，增速為0.003 4 a-1。增速不顯著性符合耕地特性，為0.003 1 a-1，沙地增速最慢，僅為0.002 5 a-1。各土地利用類型NDVI變化趨勢由大到小依次為有林地、灌叢、草地、耕地和沙地。有林地、灌叢及草地增長說明三北防護林、退耕還林等工程實施效果顯著，沙地增速最低表明飛播造林、荒山荒地造林等生態措施適用該區，人類活動促進了杭錦旗植被覆蓋的增加。

3.1.3NDVI持續性變化

植被覆蓋變化是具有自相似性和長程依賴性的自然現象[18]。Hurst(H)指數可用于定量描述NDVI時間序列長程依賴性，有效揭示植被未來演化趨勢及方向[19]。依據H值范圍及大小可以對NDVI序列是否存在持續性進行判別。若0≤H<0.5，說明NDVI時間序列具有長程依賴性，未來發展具反持續性，即現階段呈改善(退化)的基本單元未來表現為退化(改善)；若H=0.5，說明前后時間序列變化互相獨立；若0.5

為進一步明確未來植被覆蓋發展規律，將NDVI變化趨勢與Hurst指數重分類后進行耦合分析，結果見表2。

整體上，研究區未來植被覆蓋主旋律為退化，其區域面積占比為57.94%，但程度較輕，48.46%的退化區域為弱反持續性&改善。在空間上〔圖4(b)〕，改善區域主要分布在庫布齊沙區、錫尼鎮大部以及伊和烏素蘇木。值得注意的是，伊和烏素蘇木南部現階段為輕微退化，而未來則轉變為弱反持續性&退化區域，表明該區域治理措施頗具成效，應繼續落實高質量植被建設。北部灘地和城鎮密集區表現為持續性退化，土地利用類型的重構以及城鎮擴張的加快均會引起植被退化。

表2 變化趨勢及Hurst指數耦合分析統計

3.2 驅動力要素分析

3.2.1NDVI對氣象因子的響應

全球氣候表現為變暖趨勢且存在明顯的區域及季節性差異。在這種背景下，各類氣候要素變化速率增加，使得目前氣候變化具有不確定性[21]。基于此，在時間和空間尺度下，分別計算NDVI與年均氣溫、年降水的相關系數。結果(圖5、表3)顯示，在時間序列上，各時段NDVI與溫度均呈負相關且相關性隨時間序列延長而降低，與降水則呈較強的正相關。在空間上〔圖6(a)〕，各年份階段NDVI與降水主要呈正相關，顯著正相關區域面積占比分別為7%、5%、17%和34%，隨研究時段的延長，分布范圍逐步向錫尼鎮、伊和烏素蘇木聚攏；顯著負相關區域面積占比較小，僅在吉日嘎朗圖及伊和烏素蘇木零星分布。由圖6(b)可知，4個時段氣溫與NDVI以負效應為主，顯著負相關區域面積占比分別為8%、7%、5%和3%，主要分布在伊和烏素蘇木大部和吉日嘎朗圖部分地區，該區處于干旱區，高溫會增加干旱及最大潛熱蒸發量，降低地表土壤含水量，對植被生長造成負面作用[22]；顯著正相關區域僅在錫尼鎮呈零星分布，NDVI隨溫度上升而增大，溫度增加會適當延長植被生長季，提高光合作用和水分效率[23]，利于植被生長。

表3 時間序列下各時段氣象因子與NDVI的相關系數(r)

為深入明確降水、溫度對NDVI的影響，結合偏相關、復相關系數對氣象驅動力進行分區[24]，依據見表4。結果〔圖6(c)〕表明：2000—2004年，除巴拉貢鎮外，大部分區域植被覆蓋變化受氣象因子作用較大，屬于氣象驅動型，其中復合驅動型占比為43%，表明降水、溫度的復合作用為該時段NDVI變化主要因素之一；2000—2009年，研究區74%的面積區域為非氣象要素驅動型，顯著相關區僅在伊和烏素蘇木周邊分布；2000—2014年，降水驅動型和復合驅動型區域面積占比分別為22%和20%，巴拉貢鎮、伊和烏素蘇木以及錫尼鎮均有分布；2000—2017年，杭錦旗南部植被覆蓋變化與氣象要素相關性較強，與2000—2014年相比，面積和分布差異不明顯。

3.2.2NDVI對人類活動的響應

依據殘差值和顯著性，將人類活動分為正干擾(ε>0，P<0.05)、負干擾(ε<0，P<0.05)和干擾不顯著(P>0.05)。

由圖6(d)可知，隨著研究年限的增長，人類活動正干擾區呈擴增態勢，2000—2004、2000—2009、2000—2014和2000—2017年其面積占比分別為2%、25%、46%和50%，分布范圍由“伊和烏素蘇木北部發散區”“吉日嘎朗圖-獨貴塔拉北部東西相接沿黃分布區”“獨貴塔拉南部-錫尼鎮零星分布區”構成。退耕還林、三北防護林等林業工程治理效果在上述區域得到顯現，18 a來累計造林2 401 km2(圖7)，同時落實高質量、高標準造林，在墑情、品種和栽植等方面嚴格把控[25]，致使NDVI由2000年的0.18上升至2017年的0.24。北部灘地部分區域出現NDVI殘差呈減少趨勢，該區域多為建筑用地周邊，人類活動增多導致耕地、草地及有林地被征收占用，使高植被NDVI的土地利用類型向低植被NDVI轉化。

表4 氣象驅動力分區依據

為探究不同尺度下人類活動復雜性及區域尺度效應，以時間、植被類型及生態系統尺度進行分析。就時間尺度(圖8)而言，18 a間人類活動經歷了從最初負干擾破壞向正干擾改善的轉變，增速為2.4%·(10 a)-1。最初5 a間，殘差均值小于0且逐年降低；2000—2009年，人類活動干擾完成由負向正的改變，正向活動逐漸加大，增速為4.1%·(10 a)-1；2000—2014年，殘差增速〔3.0%·(10 a)-1〕略有降低，但在2012、2013年該階段殘差達最高值。就植被類型尺度(表5)而言，人類活動對栽培植被和草原的干擾多為不顯著，隨著研究時段的延長，兩者干擾不顯著區域面積占比呈遞減趨勢，而正干擾區域面積占比則呈遞增趨勢。此外，對栽培植被的負干擾也呈遞增趨勢；草甸和荒漠植被受人類正干擾影響較大，4個時段呈顯著增加趨勢。就生態系統尺度而言，人類活動對森林和荒漠生態系統的干擾以正向為主且呈逐步擴大態勢，而對農田和草地的干擾以不顯著為主；聚落生態系統正干擾區域面積占比逐階段加大，表明研究區城鎮發展速率加快。

表5 不同植被類型以及生態系統殘差比例

3.2.3各階段驅動力貢獻

結合氣象驅動力分區〔圖6(c)〕、人類活動干擾〔圖6(d)〕及植被覆蓋顯著性變化〔圖2(b)〕，明確各階段驅動力。2000—2004年，NDVI以輕微改善為主，該區與氣象驅動區分布基本吻合且人類活動干擾不顯著，因此氣象要素為該時段植被覆蓋變化最關鍵驅動力；2000—2009年，氣象要素顯著作用區域對應多為NDVI顯著性基本穩定，植被覆蓋變化不顯著，而人類活動正干擾范圍與改善區域一致性較高，因此該階段人類正干擾為最重要驅動因素；2000—2014年，杭錦旗南部為氣象主要驅動區，北部為人類活動正干擾區，伊和烏素蘇木北部發散區和沿黃河呈“幾”字型分布區植被改善主要受到人類正向活動的影響，獨貴塔拉南部-錫尼鎮零星分布區由降水、溫度及人類活動共同作用；2000—2017年，影響杭錦旗植被覆蓋變化的關鍵驅動力要素為氣象及人類活動正干擾。

4 結論

(1)杭錦旗NDVI空間分布具有異質性。各時間序列NDVI顯著改善區域面積占比分別為3%、14%、28%和26%，開始增加而后略有減少，主要由基本穩定和輕微改善區域轉化，而退化區域在北部灘地、建筑用地密集區及伊和烏素蘇木南部集中分布，其占比在前兩個時段呈遞減趨勢，隨后5、8 a間逐漸擴張。

(2)研究區土地覆蓋類型NDVI均值由大到小依次為耕地、有林地、灌叢、草地和沙地，有林地、灌叢和草地NDVI增速明顯，沙地最低。

(3)杭錦旗未來植被覆蓋主旋律為退化，其區域面積占比為57.93%，但程度較輕，需進一步精準施策，加強生態保護力度。持續性改善區域主要分布在庫布齊沙區、錫尼鎮大部及伊和烏素蘇木，北部灘地和各鄉鎮城鎮密集區表現為持續性退化。

(4)就時間序列而言，各研究時段NDVI與溫度均呈負相關且隨時間序列延長相關性越低，與降水呈較強的正相關性；就像元尺度而言，降水與NDVI主要呈正相關關系，在錫尼鎮、伊和烏素蘇木呈集中分布，而溫度以負效應為主，顯著負相關區逐階段遞減，在研究區西北部呈零星分布。人類活動對NDVI影響具有雙重效應：一方面，生態林業工程對植被覆蓋恢復具有正向作用，以建設荒漠植被及森林、荒漠生態系統為主；另一方面，土地利用類型的重構和城鎮擴張均會造成NDVI降低。

(5)4個階段驅動力分別為氣象要素、人類活動、氣象和人類活動。驅動力逐漸復雜化，單一驅動對NDVI影響較弱，氣象和人類活動共同作用對植被覆蓋影響更加顯著。此外，人類活動干擾范圍逐步向北移動，而氣象驅動區南移趨勢更為明顯。