2000-2020年鄂爾多斯市植被NDVI變化格局及歸因分析

苗 旭, 李九一, 宋小燕, 程度良, 柳玉梅

(1.西北農林科技大學, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 地理科學與資源研究所,北京 100101; 3.蘇州科技大學 地理科學與測繪工程學院, 江蘇 蘇州215009)

植被作為陸地生態系統最關鍵的構成部分，是生態系統的指示器[1]，對氣候變化以及人類活動較為敏感，降水帶來的水分是植物生長必需的組成部分，氣溫所帶來的熱量，是植被生命活動的能量源泉，人類活動是影響植被生長的不確定因素[2-4]。近年來隨著氣候的不斷變化以及人類活動的不斷加劇，植被生長受到一定程度的影響，因此，探究植被覆蓋對氣候變化與人類活動的響應關系對研究全球氣候變化規律具有重要意義[5-6]。它不僅可以揭示在氣候變化背景下物候的敏感程度，而且可以為生態、農業、衛生等有效管控以及制定相應的保護措施提供科學依據[7]。

植被的生長狀況通常用植被指數來直接表征[8]，相比其他植被指數，歸一化植被指數對綠色敏感性較好，能更好反映植被動態變化應用范圍最為廣泛[9]。國內外眾多專家學者開展了關于植被動態與氣侯因子以及人類活動相關的研究，大量研究結果普遍表明植被NDVI與氣候因子以及人類活動密切相關。Ichii等[10]在全球尺度上對1982—1990年期間植被與氣候的關系進行研究，結果表明南北半球不同區域植被與氣候的相關性不同，干旱地區植被NDVI與溫度和降水存在顯著的相關性。李曉兵等[11]對1983—1992年全國范圍內NDVI動態進行研究，結果顯示中國南部NDVI與溫度、降水的相關性高于北部，西北地區高于東南。孟晗等[12]針對黃土高原植被覆蓋動態變化進行研究，結果表明降水量對植被NDVI的影響大于溫度影響，退耕還林還草使得植被覆蓋明顯改善。金凱等[13]針對1982—2015年全國范圍內的植被NDVI進行研究，結果表明人類活動對植被的影響較大。劉梁美子等[14]針對喀斯特山區植被NDVI進行研究結果表明氣候是影響喀斯特山區植被變化的主要因子平均貢獻率約為95%。馬國明等[15]在全球尺度上對植被NDVI進行研究結果表明降水和氣溫是影響植被變化的主要因子。

目前為止國內許多研究以大區域省、流域等為主，研究區域較為廣泛，對小區域植被變化特征缺乏針對性，難以在當地生態實踐工作中發揮指向性作用。因此，本文以2000—2020年MOD13Q1 NDVI數據結合同時期周邊氣象站數據，對農牧交錯地區的鄂爾多斯市進行研究，分析鄂爾多斯市植被的時空變化趨勢以及植被NDVI重心變化規律，并且對植被與氣候的響應關系進行分析，以進一步認識鄂爾多斯植被對氣候變化以及人類活動的響應關系。研究結果以期在全球氣候變化的大背景下為當地的生態保護以及管理提供一定的科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

鄂爾多斯市位于黃河“幾”字彎腹地(圖1)，東西北三面均被黃河所圍繞，是典型的生態脆弱區[16]，是農業向畜牧業過渡區和半干旱與干旱的氣候過渡帶，境內的植被帶從東到西分為以本氏針茅和百里香群落為主的典型草原；以短花針茅、狹葉錦雞兒—短花針茅灌叢、藏錦雞兒灌等群落為主的荒漠化草原。以紅砂灌叢、四合木-珍珠灌叢、半日花群落、沙冬青-霸王灌叢等為主的草原化荒漠帶，本氏針茅群落主要分布在鄂爾多斯市東部黃土丘陵區，百里香群落主要分布在東部侵蝕嚴重地區；荒漠化草原位于鄂爾多斯市中部，受低溫和干旱的影響，區域內的植被多為耐旱的叢生禾草組成，位于西部及西北部的草原化荒漠帶地區植物種類較為特殊屬于超耐旱植被種類四合木、半日花等是國家二級保植物[17]。多年平均氣溫為5～8℃，大于等于10℃的積溫為2 500～3 500℃，無霜期150 d左右，雨季為每年的6—9月份，受海洋性季風氣候影響，降水量自東向西逐漸降低，多年平均降水量160～400 mm。

1.2 數據來源及處理

降水和溫度數據來源于國家氣象數據科學中心(http:∥data.cma.cn/)“中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)”，收集了鄂爾多斯市及其周邊17個氣象站2000—2020年的降水和溫度數據。植被變化分析采用2000—2020年共21 a共964個時相每16 d提供一次的MOD13Q1 NDVI數據，空間分辨率為250 m。該數據來源于美國NASA官網(hpps:∥ladsweb.modaps.e osdis.nasa.gov/)。利用 MRT工具對影像進行拼接以及投影轉換(等面積投影)，通過最大合成法合成年際植被NDVI數據集；由于2000年1月份 NDVI數據缺失，故采用同月份的多年平均值代替。利用克里金插值法以及重采樣等將溫度與降水數據插值為與NDVI數據同分辨率的柵格數據集。

圖1 鄂爾多斯市地理示意圖

1.3 數據分析

本文利用一元Slope趨勢方法逐像元分析鄂爾多斯市21 a來植被NDVI的變化趨勢，并引入物理重心模型從空間上分析植被NDVI變化規律，并探究溫度、降水等氣候因子以及人類活動對植被NDVI的影響。

1.3.1 趨勢分析 趨勢分析法可以每個像元為研究單位，通過分析不同時期的像元變化，從而表示出整個研究區一定時間序列下的植被動態[18]。通過不同時間段的數擬合，可以消除異常因素的影響，從而更加準確的顯示植被演變趨勢[19]計算公式如下：

(1)

式中:Slope為NDVI變化趨勢;n為研究年限跨度本文為(2000—2020年);xk為第k年NDVI數值,k=1,2,3，…，21;當Slope為正值時表示植被指數隨著時間呈增加趨勢,反之則為退化趨勢,利用F檢驗法中的p值為0.01與0.05時進行顯著性檢驗。

1.3.2 重心遷移模型 在地理學中，重心可以用來表示某一地理屬性的矢量合力點[20]，常用于分析經濟、人口、土地利用等方向，能夠描述研究對象在空間的演變過程，本文引入重心遷移模型從空間上對植被NDVI變化規律以及演變軌跡進行分析計算公式如下：

(2)

1.3.3 相性分析 地理要素之間的關系可以用相關性分析定量的表示[21]，兩種要素的相關程度可以用簡單相關系數來描述，當兩要素同時與第3個要素相關時，為了將第3個要素的影響剔除，只分析另外兩個要素之間相關程度叫做偏相關分析[22-23]計算公式如下：

(3)

(4)

式中:Rxy表示變量x與變量y的相關系數；xi與yi表示在i年兩個變量的數值；R12，3表示在不考慮變量3的情況下變量1和變量2的偏相關系數。

1.3.4 趨勢殘差分析 植被的生長不僅受到氣候變化所帶來的影響，近些年來隨著人類活動加劇，人類對植被的影響越來明顯，殘差分析法可以分離出氣候變化以及人類活動分別對植被的影響[13,24-26]。利用逐像元的多元回歸方程模擬出2000—2020年研究區的植被NDVI值。

NDVIpredicated=c+a×P+b×T

(5)

ε=NDVIreal-NDVIpredicated

(6)

(7)

式中:NDVIpredicated表示植被NDVI的預測值；a，b，c分別為回歸系數其中c為常數；T表示年平均溫度；P表示降雨量；ε表示殘差；NDVIreal表示實際植被NDVI值；H表示人類活動對植被NDVI變化的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 年際變化及空間分布

基于最大合成法合成的2000—2020年年際植被NDVI數值，統計年平均值見圖2A，除個別年份數值下降外，植被NDVI值整體上呈上升趨勢，多年平均值為0.324，2000年植被NDVI平均值為0.235，2020年植被NDVI平均值為0.375。植被NDVI值在2010—2011年出現波動較為劇烈，植被NDVI最大值出現在2015年為0.435；21 a逐年植被NDVI均值分布狀況見圖2B，NDVI值最大為0.828，最小為0.036，NDVI大體分布是東部地區高于西部，沿黃灌區植被指數明顯高于其他地區，西北部地區植被指數明顯偏低，特別是位于杭錦旗的庫布其沙漠地區。烏審旗境內的毛烏素沙漠NDVI值明顯高于庫布其沙漠區，但略低于周圍其他地區。

圖2 植被NDVI年際變化及多年平均值

2.2 變化趨勢

基于一元趨勢法分析21 a間鄂爾多斯市NDVI趨勢變化(圖3)，植被NDVI整體上呈現改善趨勢，大部分斜率均為正向，但各地區存在明顯的空間差異。

極顯著改善的區域面積所占比例較大約為51.92%，各個旗區均有分布，其中東部的伊金霍洛旗、東勝區、康巴什區、準格爾旗所占比例較大，特別是伊金霍洛旗和準格爾旗；顯著改善區域所占面積約為16.74%，主要分布于鄂爾多市中西部地區；無明顯變化區域所占面積為31.02%，主要分布在杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗等地區；顯著退化和極顯著退化的區域面積較小，分別占總面積的0.13%和 0.19%，主要分布在鄂爾多斯市的市區以及北部黃河沿岸等地區。

圖3 植被NDVI變化趨勢及趨勢顯著性檢驗

2.3 重心遷移

植被NDVI重心能夠有效的顯示植被的空間分布特征以及導向性，逐年統計植被 NDVI重心以及21 a的平均重心(圖4A)，重心主要集中在鄂托克旗東北方向。

以多年平均植被NDVI重心為原點，逐年計算NDVI重心到原點的偏移角度以及距離(圖4B)，第一象限與第三象限NDVI重心分布相對較多，表明21 a來NDVI在鄂爾多斯市西南區域與東北區域增加的數量高于其他地方，西南區域重心分布相集中表明各年份增加的程度較小，東北部各點較為分散增加程度較大；若以第一、第二象限的植被NDVI重心與第三、第四象限作比較則說明南部區域的增加數量大于北部。同時在坐標軸中2002年、2005年、2012年、2014年等較原點距離較遠，表明在這4個年份中重心所處方位增加較為為明顯；而2016年、2003年、2001年、2004年與原點距離較近則說明這幾個年份中植被NDVI各地區變化相差較小。

圖4 鄂爾多斯市植被NDVI重心位置及其分布

為進一步分析鄂爾多斯市植被NDVI空間變化規律，利用重心模型在不同時間尺度下分析鄂爾多斯市植被NDVI遷移軌跡(圖5)，3 a時間尺度下，2003—2005年相對2000—2002年植被NDVI重心向東北方向移動且移動距離較大，表明在該段時間內東北部植被增量大于西南部，與2003—2005年相比2006—2008年植被NDVI重心向西北部移動，2009—2011年與2006—2008年相比植被NDVI重心向南部移動，與2009—2011年相比2012—2014年植被NDVI向東北方向移動，2015—2017年植被NDVI重心又向西部偏移，2018—2020年植被向東部偏移。5 a時間尺度下，2005—2009年相對于2000—2004年向東北方向移動，2010—2014年植被重心相對于2005—2009年向西南方向偏移，2015—2020年植被重心東北方向偏移。總體上，2000—2020年鄂爾多斯市植被NDVI重心向東北部偏移，表明東北部植被增長程度較為明顯。

圖5 鄂爾多斯市植被NDVI重心遷移軌跡

2.4 相關性分析

為探究鄂爾多斯地區降水與溫度與植被NDVI的關系，逐像元分析鄂爾多斯市2000—2020年植被NDVI與降水、溫度的偏相關關系，植被NDVI與降水的偏相關系數(圖6A)為-0.716～0.915，其中正相關主要分布在鄂爾多斯市的西部以及南部地區，占據面積的78.92%；負相關區域大部分集中在杭錦旗北部，以及烏審旗部分地區。通過0.05顯著性檢驗劃分為顯著正相關、不顯著正相關、顯著負相關、不顯著負相關，植被NDVI與降水偏相關檢驗顯著結果(圖6B)，顯著正相關的面積占總面積的23.93%，主要分布在杭錦旗南部、鄂托克前旗的西部、鄂托克前旗的西北部；顯著負相關所占面積比例較少僅為1.71%，主要分布在杭錦旗中北部的沙漠地區。植被NDVI與溫度的偏相關系數(圖6C)為-0.833～0.775，呈正相關區域主要集中在鄂爾多斯市的東部地區，占據面積的35.44%；呈負相關區域占據面積的64.56%，分布在鄂爾多斯市西部的大部分地區。植被NDVI與溫度偏相關檢驗顯著結果(圖6D)，呈顯著正相關的面積占鄂爾多斯市面積的0.45%，主要集中在東勝區，在伊金霍洛旗、康巴什區、準格爾旗、北部沿黃灌區等區域也有零散分布；呈顯著負相關的面積占總面積的4.25%，分布于杭錦旗的中西部、鄂托克旗的中部以及鄂托克前旗的西部等地區。

由上述偏相關分析可以看出，鄂爾多斯市植被NDVI與降水和溫度的相關性在不同區域影響程度具有明顯的差異，為進一步了解降水與溫度對鄂爾多斯市植被NDVI在不同區域的影響程度，本文通過對植被NDVI與氣候因子的偏相關系數p值進行重新分類(表1)。

分類結果見圖7，鄂爾多斯市約有2.27%的區域受到降水與溫度的共同作用，主要分布在鄂托克前旗西部、鄂托克旗中部等地區，約有23.37%的區域受到降水的影響，主要分布在鄂爾多斯市西部地區以及東部部分地區；受溫度影響區域較少約占總面積的2.43%，主要分布在杭錦旗中部以及西部部分地區。

圖6 植被NDVI與降水、氣溫的偏相關系數及其顯著性檢驗

表1 不同情景下氣候對植被NDVI的作用

2.5 殘差分析

隨著社會的發展人類活動日益加劇，人類對生態的影響愈發加重，本文通過殘差趨勢分析人類活動對鄂爾多斯市植被NDVI的影響。2000—2020年鄂爾多斯市植被NDVI殘差趨勢(圖8A)在-0.043～0.041，從空間上來看95.49%的區域殘差趨勢為正值，4.51%的區域殘差趨勢值為負值，表明21 a來人類活動對鄂爾多斯市植被的影響逐漸增強，總體上對該地區植被生長起到促進作用。顯著性檢驗(圖8B)，顯著減少區域與極顯著減少區域共占據總面積的0.16%，無顯著變化區域占據面積的38.16%，極顯著增加區域占據面積的18.03%，顯著增加區域占據面積的43.65。通過驅動因素公式計算出鄂爾多斯地區人類活動對植被NDVI變化的變化起到主導作用，對植被NDVI的平均貢獻率約為82.67%，氣候變化的貢獻率則為17.33%。

圖7 鄂爾多斯市2000-2020年影響植被NDVI變化的主要氣候因素

圖8 植被NDVI殘差趨勢及其顯著性檢驗結果

3 討 論

(1) 通過對植被NDVI與降水、溫度的相關性可知，降水與植被NDVI的偏相關系數較大，表明在鄂爾多斯市植被對降水量較為敏感，降水量是控制植被生長的關鍵氣候因子。植被NDVI與降水量呈正相關面積大于負相關表明降水對植被的生長起到正向的促進作用，正相關的區域主要分布在鄂爾多斯市西部的草原區，此地區降水量較鄂爾多斯市其他地區降水量偏少，水分條件較其他區域來說較差，即此地區植被生長受到水分限制；植被NDVI與溫度呈正相關面積低于負相關面積，說明在部分地區溫度對植被生長起到抑制作用，呈現負相關面積主要集中在鄂爾多斯市西部，鄂爾多斯降水量從東到西呈現逐漸減少趨勢，溫度與降水量趨勢相大致相反，所以在西部地區由于降水量少而溫度的較高，導致植被氣孔關閉以及土壤水分蒸發等現象發生，溫度較高抑制植被生長，呈現正相關的區域主要分布在降水量較多的東部地區，區域內降水量較其地區較為豐富，溫度所帶來的熱量促進植被生長。

(2) 鄂爾多斯市植被NDVI的空間分布大致按照植被分布帶呈現從東到西逐漸降低的趨勢。通過驅動因素貢獻率方法計算氣候變化以及人類活動對鄂爾多斯市植被的相對影響度，結果表明21 a來人類活動對植被的貢獻率遠超出氣候因素影響，鄂爾多斯市植被NDVI的顯著增加與21 a來鄂爾多斯市持續開展的生態保護有關。2000年鄂爾多斯市的準格爾旗、達拉特旗、烏審旗相繼被列人國家退耕還林試點示范項目區繼而在全市范圍內推廣，鄂爾多斯市森林覆蓋率從2000年的12.26%到2020年增長到27.3%，對該地區的水土流失以及生態保護起到了積極作用，但是鄂爾多斯市處于半干旱與干旱的過渡地帶，不適合大面積實施林業發展，以鄂爾多斯市造林總場為例，森林總面積約有506 km2，純林與混交林比例為9∶1，林場中以沙柳、檸條等灌木林為主，占比60%以上，喬木林多為楊樹，林分結構較為簡單，林相破敗，防護能力較低。西南地區的草原受到降水的限制，近些年來植被增長幅度雖然不如東北部地區，但是由于干旱草原地帶適合牧草生長以及在退牧還草、禁牧輪牧等因素下植被改善在范圍較為廣泛。部分地區植被NDVI值的減少與近些年鄂爾多斯市的土地利用有關，相關資料顯示21 a來鄂爾多斯市城市建成區面積擴大近4倍，耕地面積由2000年的4 607 km2到2018年下降至4 136 km2，在鄂爾多斯市北部農田灌溉地區植被NDVI值為全市范圍內屬于較高地區，由于種植結構的變化以及21 a來的土地利用等情況下，極容易出現植被NDVI趨勢減小。

4 結 論

(1) 2000—2020年鄂爾多斯市植被NDVI總體呈現上升趨勢，全市68.66%的區域植被NDVI的到改善，西南部植被改善程幅度小于東北部，植被重心逐漸向東北部偏移表明東部地區改善較為明顯。

(2) 2000—2020年鄂爾多斯市植被NDVI與氣候因子偏相關性存在明顯的地區差異，植被NDVI與降水的偏相關性較高，降水與溫度共同影響的區域約占總面積的2.27%。

(3) 鄂爾多斯市植被受到人類活動與氣候的共同影響，21 a來人類活動對鄂爾多斯市植被NDVI變化起到主導作用，其平均貢獻率為82.67%，氣候變化對植被NDVI生長影響的主體現在降水因素上。人類對鄂爾多斯市的植被影響具有兩面性，城市建設對植被的生長起到制約作用，生態工程的實施則有利于植被的生長。

(4) 2000—2020年鄂爾多斯市以NDVI表征的植被覆蓋度的增加與人類活動密的影響不可分，但是鄂爾多斯地區氣候條件對植被生長有很大的限制作用，實施生態工程中要切實注意到氣候變化所帶來的影響，切不可盲目擴大草場或林地，對于毛烏素沙地等地區植被實行人工保護，使其形成穩定生態系統。