2000-2019年呂梁市植被NDVI時空動態及其影響因素分析

李孟蔚, 欒 青, 張 寧, 常 清, 樊子菡, 楊 倩, 趙永強, 米曉楠

(1.山西省氣候中心, 太原 030006; 2.山西省氣象信息中心, 太原 030006;3.山西省氣象服務中心, 太原 030002; 4.山西省林業和草原工程總站, 太原 030001)

在地球生態系統中，某一區域植被的生長變化可以反映出該地區地氣系統收支平衡和生態環境變化的情況，揭示區域生態環境和人類活動的相互影響以及相互反饋作用[1]。隨著人與自然的和諧發展，研究植被變化與氣候因子、人類活動的需求越來越迫切，歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)廣泛應用于評價植被生長發育和環境生態變化等方面。在遙感圖像中，NDVI定義為近紅外波段和紅光波段反射率的差與其兩者之和的比值，也是了解植被覆蓋情況、地球生態系統水汽能量收支過程，闡明人類活動和環境之間關系的一種重要表現因子[2-6]。環境因子包括植被生長發育所必需的氣溫、降水等氣候因子，對植被的生長發育有著重要的影響[7-10]，同時人類活動也影響著植被生長變化。對氣候因子、人類活動和植被生態環境變化關系分析時，歸一化植被指數數據集成為其研究主要的數據來源。

呂梁山區是黃河中游重要的生態涵養區，山西省重要的生態屏障區，因其地處黃土高原，生態環境脆弱，受氣候因子和人類活動的雙重影響植被覆蓋相對較低，加重了水土流失。據統計，呂梁市25度以上陡坡地占全市耕地面積的1/3，全市水土流失面積達1.47萬km2，占全市總面積的七成以上，所以提高植被覆蓋度、改善植被生長狀況是該地區生態恢復的關鍵措施[11-12]。研究植被覆蓋變化狀況及其與氣候因子變化和人類活動的關系，對進一步加強呂梁山區生態環境恢復具有重要現實意義。國內許多學者對呂梁山、黃土高原、黃河流域沿岸植被變化開展了大量的研究，結果表明，呂梁山區植被覆蓋狀況總體呈改善趨勢[13-14]。劉綠柳等[15]認為多年平均降水對黃土高原東部植被、黃河上游植被改善的促進作用最大；徐茜[11]、范倩倩[12]、康悅[16]、何航[17]等的研究顯示太行山區黃土高原北部NDVI呈顯著增加趨勢，NDVI與氣溫、降水整體呈現正相關關系。植被長勢的時空分布動態不僅與氣候變化息息相關，而且與人類經濟活動有著密切聯系[18-24]，2000年以來，呂梁市開展了大規模的退耕還林還草等生態建設修復活動，植被生態狀況得到了明顯改善[25]。

目前，關于呂梁市植被變化的研究，大多學者采用植被指數的變化來反映，但大部分所涉及區域僅為黃土高原的局部地區，且時間序列長短不一，不能很好地說明呂梁市植被生態的整體變化情況，未能定量給出氣候因子和人類活動對植被恢復的作用。為此，本文利用2000—2019年呂梁市年均NDVI數據對其植被生態進行時空分布特征分析，并較詳細探究主要氣候因子(氣溫、降水)與NDVI的相關性，評估呂梁市植被生長變化情況及其與氣候變化的關系，進一步剝離氣候因子(氣溫、降水)對植被長勢變化的影響后，討論人類活動過程對呂梁市植被生長變化的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

呂梁市(36.72°—38.72°N，110.37°—112.32°E)地處黃河流域山西段中部(圖1)，平均海拔約為1 200 m，總面積2.1萬km2，地勢呈東西低，中部高的特點。呂梁市屬溫帶大陸性季風氣候，具有四季分明，雨熱同步、光照充足的特征。年平均氣溫7～12℃，年降水量380～650 mm，年際變化較大，主要集中在7—9月。植被類型主要從南到北以暖溫帶櫟類楊樺闊葉雜木林逐步過渡到華北落葉松和油松為主的針葉混交林。呂梁市為黃河中游重要的生態涵養區，是山西省重要的生態屏障區，生態區位優勢明顯，植被改善對呂梁市的全面發展發揮著重要的生態服務和保障作用。

圖1 研究區域及地面氣象觀測站點分布

1.2 數據來源

NDVI數據來源于美國航空航天局(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，主要為2000—2019年月合成的植被指數產品(MOD13A3)，空間分辨率為1 km，在ENVI遙感圖像處理軟件中利用最大值合成法生成年NDVI數據集。氣象資料包括研究區內13個氣象站點2000—2019年的逐日氣溫與逐日降水量，來源于山西省氣象信息中心，并用克里金插值到與NDVI相同的空間分辨率。

1.3 研究方法

本文采用ENVI 5.3遙感圖像處理系統對MOD13A3數據進行區域裁剪、數據合成及趨勢分析等處理，利用ArcGIS 10.5地理信息系統軟件制圖。

1.3.1 趨勢分析 slope是某時間段內，變量年際變化最小次方的線性回歸方程的斜率。反映了變量上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

(1)

式中:slope為多年NDVI的線性傾向值;i為年序號(i=1表示2000年,i=2表示2001年,…);xi為第i年的NDVI值;n為時間序列長度。

1.3.2 相關分析 相關分析用于揭示不同因素之間相互關系的密切程度，簡單的相關分析是對兩個因素之間相關程度的度量，用相關系數(Pearson相關系數)來表征。但本文分析的植被生長與氣溫和降水都有關系，因此，為準確分析NDVI與氣溫以及NDVI與降水的相關性，采用偏相關分析法，消除第3個因素的影響，得出兩個因素之間的相關性。基于像元相關性分析法分別計算NDVI與氣溫和降水的偏相關系數，顯著性檢驗采用T檢驗法分析。研究某一個因素與幾個因素之間的相關關系采用復相關分析法，基于像元相關性分析計算植被NDVI與氣溫-降水之間的復相關系數，顯著性檢驗采用F檢驗法。

1.3.3 殘差分析 假設只有2個氣候因子(氣溫和降水)對植被生長變化有影響，利用2000—2019年NDVI和氣溫、降水的關系建立線性回歸方程，得出NDVIb(表示只受氣溫、降水影響下的植被變化)：

NDVIb=a+k1x1+k2x2+ε

(2)

式中:ε為隨機誤差;a為常數;x1為年降水量(mm);x2為年均氣溫(℃);k1，k2為NDVI與降水、氣溫的回歸系數。

基于上述預測值NDVIb，通過殘差法從實際值NDVIa中分離出人類活動對植被生長變化的影響，從而定量研究人類活動貢獻率。公式如下：

σ=NDVIa-NDVIb

(3)

σ<0表示人類活動對植被有消極影響；σ>0表示人類活動對植被有積極影響；將殘差序列做趨勢分析[26]，探究2000—2019年人類活動對呂梁市植被生長變化的影響。

2 結果與分析

2.1 NDVI的變化趨勢

通過對呂梁市多年年平均NDVI進行統計分析可知，2000—2019年呂梁市年均NDVI變化范圍介于0.30～0.417，平均值為0.37，最大值出現在2018年，超過平均值12.7%，最小值出現在2000年為0.30，低于平均值18.9%。2000—2019年呂梁市年均NDVI呈現波動增加趨勢，趨勢傾向率為0.005 6/a，2018年達到最大值后在高位波動(圖2)。

圖2 2000-2019年呂梁市年平均NDVI變化

從2000—2019年區域植被NDVI變化趨勢分級統計結果可以看出，近20 a來，區域植被改善面積(slope>0)為20 789.46 km2，占總面積的96.32%，植被退化面積(slope<0)為794.61 km2，占總面積的3.68%，表明2000—2019年呂梁市大部分地區植被生長狀況得到改善。盡管呂梁市2000—2019年近20 a的NDVI在整體上呈顯著增加趨勢，但各區域之間具有較強的空間差異性規律(圖3)。整體來看，中部呂梁山區NDVI高，呂梁山脈東西兩側NDVI低。在呂梁市大部分地區，NDVI的變化趨勢呈明顯的上升趨勢(圖4)，說明近20 a來呂梁市的植被情況得到較好改善。呂梁山脈西部沿黃地區植被生存條件比較惡劣，土地沙漠化嚴重，導致該區域植被覆蓋較低。經濟發展相對較快的呂梁山脈東南部盆地區域，如交城、文水、汾陽、孝義等環省城太原周邊縣(市)，NDVI呈減少趨勢。NDVI的減少顯然與快速的城鎮化發展過程、省城工礦企業外遷有著密切的關聯。呂梁山脈等地NDVI呈現增加趨勢，生態環境得到顯著改善。

2.2 2000-2019年NDVI與氣候因子的關系

逐像元計算2000—2019年呂梁市植被NDVI與降水、氣溫之間的偏相關系數，結果顯示植被NDVI對氣候因素的響應具有明顯的空間差異性。NDVI與年平均氣溫的偏相關系數介于-0.73～0.73(圖5A)，通過p<0.05的顯著性檢驗的區域僅占4%，呈正相關區域占總面積的73%，主要集中分布在呂梁市中部的呂梁山區；呈負相關的面積占總面積的27%，主要分布在呂梁市各市縣城市周邊區域。植被NDVI與年降水的偏相關系數介于-0.60～0.79(圖5B)，植被NDVI與年降水呈正、負相關的面積分別占總面積的96%和4%；通過p<0.05的顯著性檢驗的區域占55%，主要分布在呂梁市西部沿黃地區，其中通過p<0.01檢驗的區域面積占21%，主要分布在興縣南部和臨縣的大部分地區。可見，呂梁市植被變化受降水影響大于氣溫。

由NDVI與氣溫-降水的復相關系數空間分布(圖6A)得出，復相關系數介于0～0.5，復相關性經F顯著性檢驗呈顯著(p<0.05)的區域占總面積的38%，8%的區域相關性極顯著(p<0.01)，主要集中在呂梁市西北部沿黃地區(圖6B)。

圖3 2000-2019年呂梁市多年平均NDVI空間分布

圖4 2000-2019年平均NDVI變化趨勢

圖5 2000-2019年NDVI與年平均溫度、年降水量相關性的空間分布

2.3 人類活動對植被覆蓋變化的影響

2000年以來，呂梁市大部分地區人類活動對植被覆蓋的影響強度有逐漸增強的趨勢，人類活動對植被覆蓋影響主要存在兩個方面：(1) 對植被NDVI的增加人類活動起到促進的作用，即人類活動的積極影響；(2) 對植被NDVI人類活動起到抑制的作用，即人類活動的消極影響。

2000—2019年人為因素對植被變化的影響趨勢表明，人類活動對植被變化響應的空間分布特征與 NDVI的多年變化趨勢一致。NDVI的變化除了響應氣候因子的變化外，一定程度上也反映出人類活動的影響。呂梁市95%區域人類活動表現出積極影響效應(圖7)，NDVI殘差顯著增加(人類活動積極影響)的區域，植被的生長發育狀況不能只用降水、氣溫等氣候因子的變化來解釋，人類活動過程在其中產生很大作用。

通過文獻查閱、新聞報道等選取呂梁市各縣(市、區)植樹造林點25個，提取各造林點2000—2019年NDVI傾向率(圖8)，結果顯示：因呂梁市東部的交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市和交口縣植樹造林面積相對較小，植樹造林點NDVI傾向率較小，最小值為0.005；呂梁市中西部其余縣(市、區)植樹造林面積大，植樹造林點NDVI傾向率較高，最小值為0.007。因此，將呂梁市東部縣(市、區，交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市和交口縣)NDVI傾向率大于0.005的區域表示為該區域植樹造林區，將呂梁市中西部的其余縣(市、區)NDVI傾向率大于0.007的區域表示為中西部植樹造林區。進一步統計各縣(市、區)植樹造林區域面積，并與2000—2019年造林實際累積面積進行對比分析(表1)，結果顯示：基于NDVI傾向率提取的呂梁市東部縣(市、區)植樹造林區域面積與實際造林面積誤差相對較大，其中文水縣誤差最大，相對誤差為-65.77%；中西部各縣(市、區)基于NDVI傾向率提取的植樹造林面積與實際造林面積的誤差均較小，相對誤差絕對值均小于10%。綜合上述指標，繪制呂梁市累積造林面積空間分布圖(圖9)，可見造林區域主要分布在西部沿黃地區和中部呂梁山區，其中興縣和臨縣2000—2019年累積造林面積大于920 km2。

圖6 2000-2019年植被NDVI與氣溫-降水的復相關系數及其F顯著性檢驗結果空間分布

圖7 2000-2019年人類活動對植被變化影響的空間分布

通過對呂梁市各縣(市、區)的每年累積造林面積與植被NDVI之間的相關分析(表1)，呂梁市各縣(市、區)逐年累積造林面積與植被NDVI之間具有極顯著的相關關系(p<0.01)，說明生態建設工程在呂梁市植被覆蓋增加中發揮了主要作用。

圖8 呂梁市造林點空間分布

3 討 論

呂梁市植被NDVI增加的主要氣候因素是降水，主要人為原因是退耕還林還草等一系列生態建設工程的實施，這與于璐[26]、夏露[27]、劉詠梅[28]等的研究結論一致。呂梁市各個區域不同植被類型并不是都與氣候因子(氣溫、降水)呈顯著相關性。植被生長不僅受到氣溫、降水等氣象條件的影響，同時還與該地區土壤結構狀況、土地類型和當地政策等方面緊密相關，植被的生長發育是受到多種因素共同作用的結果。本文僅對氣溫和降水氣候因素進行相關分析，使用殘差法探究氣候因素和人類活動對呂梁市植被變化的影響，而未分析氣候因子對植被生長發育的滯后性影響，其計算結果存在不確定性，有待進一步研究。

表1 呂梁市2000-2019年累積造林面積、提取造林面積對比和年均NDVI與累積造林面積的相關系數統計

圖9 呂梁市2000-2019年實際累積造林面積和

2000年以來，呂梁市實施退耕還林還草等生態修復工程，促進了呂梁市植被恢復，呂梁市NDVI也顯著增加，生態修復工程逐漸突出其生態效應。但是，經濟發展迅速的區域人類活動對植被NDVI的增長產生消極影響，如呂梁山脈東南部盆地區域[交城縣、文水縣、汾陽市、孝義市、交口縣等環省城太原周邊縣(市)]，這些地區經濟快速發展，城市周邊的農田被占用變為工業建設用地來支持城鎮化擴張運動，導致經濟相對發達城市的周邊區域植被NDVI顯著減少。基于NDVI傾向率統計的呂梁市東部縣(市、區)植樹造林區域面積與實際造林面積誤差相對較大，可能與造林受氣候影響的成活率有關，與實際造林面積的抽樣調查的統計誤差有關，也可能與該區域快速發展的城鎮化進程有關，因此，要詳細給出確切的植樹造林區域需進一步利用較高空間分辨率衛星資料進行解譯。隨著生態建設工程效益的充分體現，呂梁市NDVI趨于一定高點，東南部平原地區工業化城鎮化發展對生態環境的壓力越來越大。未來如何緩解NDVI的下降趨勢，密切關注NDVI穩定性差的區域，鞏固退耕還林成果，是呂梁市生態保護建設仍需關注的重要問題。

4 結 論

(1) 2000—2019年呂梁市NDVI呈現波動增加趨勢，2018年達到最大值后在高位波動。呂梁市植被高覆蓋地區主要分布在呂梁山山區。呂梁市NDVI增加區域面積占總面積的96.32%，減少的區域僅占3.68%。

(2) 2000—2019年呂梁市NDVI與年降水量、年平均氣溫相關系數均呈正相關。NDVI與氣溫呈正相關的面積占總面積的73%；呈負相關的面積占27%；NDVI與降水量呈正、負相關面積分別占總面積的96%，4%。NDVI與降水量的偏相關性略高于其與年平均氣溫的偏相關性，植被生長受降水的影響強于氣溫。呂梁市38%以上區域植被NDVI與氣溫-降水復相關性通過0.05顯著水平檢驗。

(3) 除了氣候因素對呂梁市植被NDVI的作用外，人類活動對其95%區域植被生長變化產生積極的影響，其中退耕還林還草等生態修復工程是呂梁市植被增加主要的人類積極影響活動。