河北省植被NDVI時(shí)空演變特征及影響因素

http：//www.renminzhujiang.cn

DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2024.03.011

連曦，程瑤，袁吉棟，等.河北省植被NDVI時(shí)空演變特征及影響因素［J］.人民珠江，2024，45（3）：99-108.

摘"要：為了探究植被生長狀況及影響因素，以河北省為研究區(qū)域，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendell趨勢檢驗(yàn)、Sen斜率、偏相關(guān)分析等方法，探討河北省植被時(shí)空分布特征，并結(jié)合NDVI與氣候因子、人類活動(dòng)的相關(guān)性分析河北省植被NDVI變化的影響因素。結(jié)果表明：①河北省2001—2020年植被NDVI值時(shí)間上總體呈增長趨勢，年均增長率為2.84×10^-3，其中2001—2005年呈現(xiàn)快速增長趨勢，2005—2020年為緩慢增長，并伴有波動(dòng)；②研究區(qū)植被NDVI值空間上由南向北逐級遞增，植被改善區(qū)域（81.71%）大于退化區(qū)域（13.79%），改善區(qū)域主要集中在承德、張家口市；③人類活動(dòng)（GDP）是影響NDVI增長的主要影響因素之一，氣候因子（降水、溫度）次之。GDP的變化對植被的生長有著顯著的影響，且河北省植被的改善主要與林地和草地相關(guān)；氣候因子中，降水是主要影響因素。

關(guān)鍵詞：NDVI；時(shí)空演變；氣候；河北省

中圖分類號：TV212""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""文章編號：1001-9235（2024）03-0099-10

Spatial-Temporal Evolution Characteristics and Influencing Factors of Vegetation NDVI in Hebei Province

LIAN Xi1，2，CHENG Yao1，2，3，YUAN Jidong1，2*，YUAN Zeshen1，2

（1.School of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China;

2.Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China;

3.Collaborative Innovation Center for Intelligent Regulation and Comprehensive Management of Water Resources，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）

Abstract：In order to explore the vegetation growth status and influencing factors，Hebei Province is taken as the research area.Based on satellite remote sensing data and meteorological data，the Mann-Kendall trend test，Sen slope，and partial correlation analysis are used to explore the temporal and spatial distribution characteristics of vegetation in Hebei Province，and the influencing factors of vegetation NDVI change in Hebei Province are analyzed by combining the correlation among NDVI，climatic factors，and human activities.The results show that ① the NDVI value of vegetation in Hebei Province from 2001 to 2020 shows an overall growth trend，with an average annual growth rate of 2.84×10^-3.Specifically，it shows a rapid growth trend from 2001 to 2005 and a slow growth trend from 2005 to 2020， with fluctuations.②The NDVI value of vegetation in the study area increases gradually from south to north，and the vegetation improvement area （81.71%） is greater than that in the degraded area （13.79%），and the improvement area is mainly concentrated in Chengde and Zhangjiakou City.③Human activities （GDP） are one of the main influencing factors affecting the growth of NDVI，followed by climatic factors （precipitation and temperature）.The change in GDP has a significant impact on vegetation growth，and the improvement of vegetation in Hebei Province is mainly related to forest land and grassland.Among the climatic factors，precipitation is the main influencing factor.

Keywords：NDVI;spatio-temporal evolution;climate;Hebei Province

植被是聯(lián)結(jié)大氣、土壤和生物各要素的紐帶，在水土保持、減緩溫室氣體濃度上升、地表輻射平衡、碳氮循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮重要作用^［1］。區(qū)域內(nèi)植被覆蓋情況是范圍內(nèi)生態(tài)容量的反映，NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的變化會(huì)影響碳循環(huán)和氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定^［2］。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，歸一化差異植被指數(shù)NDVI能有效評價(jià)區(qū)域植被覆蓋狀態(tài)，被廣泛應(yīng)用在評價(jià)植被覆蓋的研究^［3］。NDVI的時(shí)空變化有助于從不同角度分析區(qū)域植被的生長狀況。植被變化主要受氣候因子和人為因素的影響，植被的生長主要受氣候變化影響，其中降水是主要影響因子^［3-5］。降水主要通過提高土壤含水量、增加蒸騰作用、維持空間濕度等方面影響植被的能量循環(huán)，維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定^［6］，因此研究植被時(shí)空變化影響因素變得尤為重要。

河北省地處華北地區(qū)，是中國北方生態(tài)屏障的重要組成部分^［7］。近年來氣候的不穩(wěn)定變化和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對河北省的植被動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生影響^［8］。國內(nèi)外學(xué)者對河北省植被覆蓋的影響因素開展了研究。例如，陳奇樂等^［9］探討了河北省植被NDVI變化及其對氣象要素的響應(yīng)，結(jié)果表明降水是河北省植被生長的主控因子。安曉丹等^［10］探究了河北省植被覆蓋對氣候的變化，結(jié)果表明植被生長主要受氣溫、降水氣候因子的影響。徐勇等^［11］探究了京津冀地區(qū)植被NDVI動(dòng)態(tài)變化及其氣候因子的關(guān)系，結(jié)果表明降水對植被生長的作用強(qiáng)于氣溫。Sun等^［12］探究了氣候變化和人類活動(dòng)對海河流域植被覆蓋變化的影響，結(jié)果表明植被的變化主要?dú)w因于降水的增加，人類活動(dòng)也是影響植被變化的重要因素之一。目前關(guān)于河北省植被覆蓋的研究多集中在降水和氣溫，而植被覆蓋時(shí)空變化的影響因素通常是復(fù)雜的，人為因素對植被的影響是不可忽視的。因此，結(jié)合河北省土地利用與GDP數(shù)據(jù)探究人類活動(dòng)對植被的影響是有必要的。

本研究主要采用趨勢分析、Mann-Kendall模型耦合Sen斜率分析了河北省植被覆蓋的時(shí)空變化特征，并結(jié)合近20 a的主要?dú)夂蛞蜃樱鉁亍⒔邓┖腿祟惢顒?dòng)過程利用偏相關(guān)分析探討了河北省植被覆蓋變化的影響因素。研究結(jié)果對河北省的生態(tài)環(huán)境變化的評估提供了科學(xué)參考。

1"研究區(qū)域概況與方法

1.1"研究區(qū)域概況

河北省（圖1）東臨渤海、內(nèi)環(huán)京津，西為太行山，地勢西北高，東南低，北為燕山，燕山以北為張北高原，地跨海河、灤河兩大水系^［13］。河北省地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔-15～2 803 m，多年平均降水量300～800 mm，多年平均氣溫10 ℃^［14］；河北省作為糧食大省，在全國糧食生產(chǎn)中占有重要地位^［15］，其主要植被類型為耕地。

1.2"數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本次使用的數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，其中植被覆蓋、降水、氣溫、土地利用數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境與科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/），數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2001—2020年。該數(shù)據(jù)集已經(jīng)經(jīng)過幾何校正、輻射校正和大氣校正等處理，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域植被覆蓋變化研究。本研究使用ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括格式轉(zhuǎn)換、圖像拼接與裁剪、影像合成等，得到的數(shù)據(jù)空間分辨率為1 000 m×1 000 m，空間坐標(biāo)系是GCS_WGS_1984。

1.3"研究方法

1.3.1"Mann-Kendall檢驗(yàn)

用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)對河北省2001—2020年的植被覆蓋、降水、氣溫進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)是研究長時(shí)間序列數(shù)據(jù)變化趨勢的一種方法，多用于研究數(shù)據(jù)的變化趨勢、檢驗(yàn)序列的突變時(shí)間。其優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)，不受缺失值等的影響。計(jì)算見式（1）—（4）：

其中，

按照時(shí)間序列X的逆序列（x_n，x_n-1，…，x₁，），重復(fù)上述過程，并且令（k=n，n-1，…，1），UB₁=0，UB_k=-UF_k，得到UB_k統(tǒng)計(jì)量序列。取顯著性水平α=0.05，那么臨界值U_0.05=±1.96。將UF_k和UB_k 2個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96 2條直線均繪在一張圖上^［16］。若UF_k和UB_k的值大于0，則表明序列上升趨勢；小于0，則表明序列下降趨勢。在［-2，2］臨界區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)UF_k和UB_k的交點(diǎn)，則表明在此出現(xiàn)突變。在確定具體突變時(shí)間后，通過GIS進(jìn)一步確定突變的區(qū)域。

1.3.3"Sen斜率估計(jì)

Sen斜率估計(jì)用于計(jì)算趨勢值，通常與M-K非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)合使用，即先計(jì)算Sen趨勢值，然后使用M-K方法判斷趨勢顯著性。Theil-Sen Median方法又被稱為Sen斜率估計(jì)，是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢計(jì)算方法。該方法計(jì)算效率高，對于測量誤差和離群數(shù)據(jù)不敏感，常被用于長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析中。Slope斜率見式（10）：

其中，A_i為第i年的中位數(shù)；n為研究期間的總年數(shù)。Slope值決定植被覆蓋的趨勢：若大于0則表明植被覆蓋在研究時(shí)間內(nèi)呈增長趨勢；若小于0則表明植被覆蓋在研究時(shí)間內(nèi)呈遞減趨勢。

1.3.4"相關(guān)性分析

為了研究河北省氣候要素對植被NDVI的影響，采用偏相關(guān)分析方法分析河北省氣溫、降水與植被NDVI的相關(guān)性。偏向關(guān)分析是指當(dāng)2個(gè)變量同時(shí)與第三個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第三個(gè)變量的影響剔除，只分析另外2個(gè)變量之間相關(guān)程度的過程，判定指標(biāo)是相關(guān)系數(shù)的R值，見式（11）：

固定自變量z計(jì)算因變量x與自變量y的偏相關(guān)系數(shù)R_xy，z。其中，R_xy為變量x（NDVI）與變量y（降水）之間的相關(guān)系數(shù)，R_xz為變量x（NDVI）與變量z（氣溫）之間的相關(guān)系數(shù)，R_yz為變量y（降水）與變量z（氣溫）之間的相關(guān)系數(shù)。

2"結(jié)果與分析

2.1"河北省植被NDVI時(shí)間變化特征

研究區(qū)2001—2020年年均NDVI的變化見圖2。采用線性回歸的結(jié)果表明NDVI值在整體上呈上升趨勢，趨勢線斜率值為2.84×10^-3，說明河北省近20 a植被覆蓋率正在緩慢增加。Mann突變分析的結(jié)果見圖3。在顯著性水平P=0.05下（臨界值為±1.96），UF、UK在顯著性水平內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，表明突變年份在2005年。通過Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)對河北省2001—2020年NDVI進(jìn)行趨勢分析，結(jié)果顯示檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z為3.99，大于臨界判別統(tǒng)計(jì)量U_α/2=1.96（P=0.05），河北省的NDVI在2001—2010年呈現(xiàn)顯著遞增趨勢。上述分析表明，可以將河北省近20 a年均NDVI數(shù)據(jù)分成2段（圖4）。2001—2005年段呈現(xiàn)快速上升趨勢，趨勢線斜率值為1.64×10^-2；2005—2020年段有緩慢上升趨勢，趨勢線斜率值為1.57×10^-3，比2000—2005段增長速度緩慢了10倍。綜上所述，該區(qū)域NDVI值總體呈現(xiàn)上升趨勢，其中2001—2005年呈現(xiàn)快速增長趨勢，2005—2020年為緩慢增長，并伴有波動(dòng)。

河北省內(nèi)各市的NDVI的變化見圖5。其中有9個(gè)地級市在2001—2020年呈現(xiàn)遞增趨勢。在9個(gè)NDVI呈現(xiàn)增長趨勢的地級市里，承德和張家口增長速率最快，分別為6.6×10^-3和4.4×10^-3，超過了河北省的平均增長速率2.84×10^-3。

2.2"河北省植被覆蓋空間變化特征

本文采用Sen斜率估計(jì)與Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)?zāi)Ｐ婉詈戏治鲅芯繀^(qū)域NDVI的空間變化特征，其空間變化特征見圖6。將研究區(qū)內(nèi)植被變化分為明顯改善、輕微改善、穩(wěn)定不變、輕微退化、嚴(yán)重退化5個(gè)不同區(qū)域，則各區(qū)域所占比例分別為63.84%、17.87%、4.50%、8.23%、5.56%（表1）。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)可知，河北省植被覆蓋區(qū)域81.71%在改善，13.79%區(qū)域在退化，其中西北部地區(qū)的植被覆蓋情況主要呈現(xiàn)為明顯改善。

2001—2020年植被覆蓋變化在空間上呈現(xiàn)由南向北、由西向東逐級遞增的趨勢，見圖7。河北省北部地區(qū)，在同一時(shí)期植被覆蓋率相對較高，并呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢。河北地區(qū)平均NDVI為0.55～0.85，大部分出現(xiàn)在0.70～0.85。綜上所述，河北省植被覆蓋主要呈現(xiàn)由南向北逐級遞增的趨勢，高覆蓋率主要為衡水和承德市。

2.3"河北省植被覆蓋變化影響因素分析

采用皮爾遜偏相關(guān)性分析（Pearson Partial Correlations Analysis）分析河北省植被動(dòng)態(tài)變化與氣溫、降水之間的相關(guān)性^［16］，結(jié)果見表2。氣溫與NDVI的相關(guān)性為不顯著，降水與NDVI的相關(guān)性為顯著。因此，降水對植被的影響高于氣溫。進(jìn)一步分析各市降水對NDVI的影響，結(jié)果見表3，南部地區(qū)的石家莊、邢臺、保定、衡水等地降水與NDVI呈現(xiàn)相關(guān)性。綜上所述，植被NDVI主要受降水的影響，其中受影響地區(qū)主要分布在石家莊、邢臺等地區(qū)。

人類活動(dòng)對植被覆蓋的影響有多重不同的形式，本文主要從土地利用變化和GDP的角度分析對植被的影響。通過皮爾遜偏相關(guān)性分析河北省植被動(dòng)態(tài)變化與人為因素的相關(guān)性，結(jié)果表明，GDP與NDVI的相關(guān)性系數(shù)為0.763（顯著）。結(jié)合表4河北省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，2020年河北省林地和草地覆蓋面積分別增加了804、5 489 km²。計(jì)算河北省各土地利用類型的NDVI值（表5），2020年林地、草地年均NDVI值分別為0.835 4、0.779 4，貢獻(xiàn)度最高的是林地，其次是草地。2020年河北省林地平均NDVI比2001年增加了0.120 5；草地平均NDVI值比2001年增加了0.138。因此，林地、草地集中分布在河北省植被覆蓋有明顯改善的承德、張家口區(qū)域。綜上所述，GDP的變化對植被的生長有著顯著的影響，而河北省土地利用類型的改變主要與林地和草地的變化相關(guān)。

3"討論

總體來說，河北省2001—2020年植被NDVI呈現(xiàn)遞增趨勢，這與曹永強(qiáng)等^［1］的研究結(jié)果一致。時(shí)間尺度上，2001—2005年呈現(xiàn)快速增長趨勢，2005—2020年為緩慢增長，并伴有波動(dòng)；空間尺度上，明顯改善地區(qū)為承德、張家口、衡水市，主要集中在河北省北部地區(qū)。影響植被生長的因素是復(fù)雜的，本研究主要從氣候與人文因素兩方面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與河北省NDVI有明顯相關(guān)性的為降水和GDP。其中，降水對植被的生長有著顯著的促進(jìn)作用，結(jié)合NDVI和降水、氣溫之間的年際變化趨勢可知（圖8），NDVI與降水呈現(xiàn)增減大致相同的變化趨勢，這均表明降水量的增加促進(jìn)了植被的生長，此結(jié)果與何龍等^［17］在海河流域的研究結(jié)果一致。這可能是由于隨著降水的增加使得土壤水分的增加，促進(jìn)了植被的生長，從而提高了河北省的植被覆蓋率。河北省NDVI顯著改善區(qū)域主要集中在北部地區(qū)，這可能是由于北部地區(qū)開展的三北防護(hù)林建設(shè)、退耕還林等一系列政策的有效實(shí)施，使得林地、草地的面積有所增加，從而有效地改善了該地區(qū)的植被覆蓋狀況^［18-20］。

本研究對河北省植被覆蓋變化的影響因素分析中僅考慮了氣溫、降水、GDP等數(shù)據(jù)，而植被NDVI的變化受氣候、地形、人文等多種因素的影響。因此，未來研究中將結(jié)合多種因素對植被的變化進(jìn)行全面分析，以探究長序列植被覆蓋的變化及響應(yīng)。

4"結(jié)論

基于河北省NDVI數(shù)據(jù)對河北省2001—2020年植被覆蓋的時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，并結(jié)合降水、氣溫和GDP等數(shù)據(jù)對河北省植被變化的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

a）從時(shí)間變化來看，2001—2020年河北省年均NDVI值總體以2.84×10^-3/a的速率增長，其中2001—2005年呈現(xiàn)快速增長趨勢，2005—2020年為緩慢增長階段，并伴有波動(dòng)。

b）從空間變化來看，植被覆蓋變化主要體現(xiàn)為由南向北逐漸遞增的趨勢，其中高覆蓋率主要分布在承德、張家口、衡水市。研究區(qū)植被覆蓋有81.71%得到有效改善，主要分布區(qū)域在河北省的北部地區(qū)。

c）河北省年均降水與NDVI總體具有較好的正相關(guān)性，是影響植被生長的主要?dú)夂蛴绊懸蜃印Ｈ祟惢顒?dòng)也是影響河北省植被變化的重要因素之一，三北防護(hù)林建設(shè)、退耕還林等一系列政策的有效實(shí)施，使得河北省植被得到了一定程度的改善，植被呈現(xiàn)出不斷增長趨勢。

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（責(zé)任編輯：李澤華）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52209013）

收稿日期：2023-09-25

作者簡介：連曦（1996—），女，碩士研究生，主要從事水利工程生態(tài)環(huán)境影響的研究。E-mail：lianxning@163.com

通信作者：袁吉棟（1976—），男，博士，副教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)的研究。E-mail：yuanjidong@hebeu.edu.cn