神府矿区土地利用与NDVI时空变化及其驱动因素分析

夏正清，谢艳玲，王 涛

（1北京中色测绘院有限公司，北京 100012；2贵州省第一测绘院，贵阳 550025；3西安科技大学测绘科学与技术学院，西安 710054）

0 引言

土地利用/土地覆被变化(Land use and land cover change，LUCC)是国内外学者广泛关注的热点问题之一[1-2]，作为一个国际研究计划，LUCC已经被全球土地计划(Global Land Project，GLP)（2005—2015年）、未来地球计划(Future Earth)（2014—2023年）继承和替代，研究方向也向更深层次、多学科交叉发展。作为一种对生态环境认知的途径和方法，LUCC已经成为研究全球及区域生态环境变化的重要数据基础[3-4]，同时LUCC也在沟通自然生态环境与人类活动研究方面，起到了重要的桥梁作用[5-6]。

已有LUCC研究中，包括了结构与过程研究、驱动机制研究、模型与模拟研究、土地利用生态环境效应研究等内容。结构与过程研究方面，如Li等[7]、Sun等[8]对中国黄土高原、寒区LUCC过程的研究，反映出人类活动如退耕还草工程及气候变化的影响，研究表明退耕还林还草工程实施对改善黄土高原植被覆盖水平方面效果显著，工程实施引起区域内大面积耕地向林地、草地转变，地表植被覆盖水平显著提高。而气候变化尤其是气候变暖促使以草甸、草地植被为主的寒区归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)增加，植物群落向灌木林群落转变。Chen等[9]、Fan等[10]、Lu等[11]在省级及县级行政单元上的LUCC研究结果，对于评估区域生态环境变化及政策调整起到重要作用。

驱动机制方面，政府政策[9]、社会经济发展[12-13]、人口迁移[14]等均为LUCC过程的重要驱动因素，但在不同时段、不同区域存在差异。模型与模拟研究方面，元胞自动机模型(Cellular Automation Model)[15]、土地利用转换及其效果模型(The Conversion of Land Use and its Effects,CLUE)[16]、Markov模型[17]及其他LUCC过程与预测模型[18]均得到了开发与应用。随着研究的深入，模型构建及模拟中，融入了更多驱动因素，如气候因素、社会经济因素、农户行为/城镇居民行为等内容。土地利用生态环境效应方面研究内容也较多，如土地利用变化引起的水文效应[19]、土地利用变化碳排放效应[20-21]、土地利用变化引起的生态系统服务价值变化[22-23]。

矿区是陆地地表人类活动剧烈区域之一，深受人类活动影响。综合探讨气候变化、城市扩张与采矿等人类活动对矿区土地利用与NDVI时空变化过程影响，对于科学认识矿区LUCC变化过程及调整区域生态环境保护与建设政策具有重要的理论与现实意义。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

本研究以位于中国陕西省北部的神木市和府谷县行政区划范围作为研究区。区域西北部为毛乌素沙地南缘，东南部为黄土高原丘陵沟壑区，全区总面积1.09×104km2。研究区属温带大陆性季风气候，年平均气温9℃，年降水量约450 mm。受降水限制，地表植被覆盖水平较低，生态环境脆弱，对人类活动尤其是采矿活动响应敏感。神府矿区是陕西省乃至中国重要的煤炭产区，煤炭的开采、矿区的建设等促进了工矿用地面积的扩张，挤占了邻近区域的其他用地，对区域内土地利用和NDVI变化可能产生了重要影响。

1.2 数据与处理

研究使用数据包括：（1）2000年、2005年和2010年神府矿区1：10万土地利用数据集，收集自全国生态十年遥感评估项目。土地利用数据划分为6个一级类和20个二级类。（2）2000—2015年覆盖神府矿区250 m分辨率、16天合成的MODISNDVI数据集，下载自https://ladsweb.nascom.nasa.gov。利用最大值合成(Maximum Value Composition，MVC)方法得到2000—2015年逐年神府矿区NDVI数据。（3）气象数据为陕西榆林、山西河曲、兴县3个站点2000—2015年年平均气温、年降水量数据。

1.3 研究方法

（1）NDVI变化趋势

变化趋势分析采用一元线性回归模型，用于分析神府矿区NDVI时间和空间序列变化过程及未来可能的变化方向，反映研究时段内线性变化趋势及其空间分布，计算公式见(1)～(3)[24]。

式中，Y为2000—2015年研究区NDVI值或NDVI值的空间分布数据；X为2000—2015年年份；a为系数；b为常数；和为X和Y的平均值。a值的正与负反映NDVI的线性增加与减少。

一元线性回归模型显著性采用F检验，计算公式见(4)。

（2）NDVI与气温、降水相关关系分析

利用相关系数辨识气候变化与植被变化之间关系，计算公式见(5)[24]。

式中，x、y分别为NDVI和气温/降水。r值在[-1，1]之间，r=0表示两变量不相关；r值越趋近于-1表示负相关关系越强，反之则正相关关系越强。查询相关系数临界表，当α=0.05，临界值为0.4973，即相关系数|r|＞0.4973时，显著，反之，则不显著。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化过程

2000—2010年神府矿区土地利用类型主要为草地、未利用地和耕地，分别平均占总面积的61.52%、18.23%和15.96%（图1a）。2000—2010年神府矿区耕地面积减少最大，共减少458.05 km2，草地面积增加最多，为333.61 km2。此外，建设用地也大面积增加，仅次于草地增加面积，为166.95 km2（图1b）。由于草地基数大，2000—2010年土地利用变化幅度上草地并非最高，而是建设用地，其10年间增加幅度超过203%（图1c）。

退耕还林还草工程实施是导致神府矿区耕地面积减少，草地面积增加的主要驱动因素。神府矿区最大的特点表现在资源产业的发展，主要是煤炭产业的发展，引起当地经济规模提升，人口大量涌入，进而导致区域内建设用地规模不断扩张。建设用地二级分类划分为居住地、工业用地、交通用地、采矿场，其中居住用地与人口数量增长有关，工业用地和工业发展有关，交通用地与经济发展的协作有关，采矿场与煤炭资源开采关系密切。2000—2010年神府矿区建设用地中工业用地所占比重最高，平均占总面积的50.96%，其次为居住用地为20.70%（图1d），并且工业用地增加面积也最大，为101.03 km2，居住用地其次，为32.58 km2，采矿用地增加23.76 km2，居第3位（图1e）。变化幅度上略有差异，其中工业用地增加幅度最大，为284.71%，其次为交通用地，增加273.61%，再次为采矿场，增加199.63%（图1f）。

图1 土地利用类型面积及比例变化

由神府矿区土地利用转移矩阵可知（表1），2000—2010年神府矿区土地利用类型转移表现为耕地转为草地，面积达到430.80 km2，草地、耕地和未利用地主要转为建设用地，分别达到92.25 km2、27.16 km2和43.96 km2。2000—2010年土地利用转移矩阵也反映出，神府矿区土地利用变化集中在耕地转为草地和其他用地类型转为建设用地方面，二者分别与退耕还林还草工程实施和社会经济发展引起的城市大规模扩张有关。

表1 2000—2010年土地利用转移矩阵

土地利用空间分布上（图2a、图2b和图2c），草地和耕地主要分布在区域的中东部，呈交错分布状态，未利用地集中分布在区域的西部，林地、水域和建设用地分布范围较小，但更为集中，2000—2015年建设用地呈现出沿河流谷地线性扩张和以榆林市为中心的面状扩张过程。空间变化来看（图2d、图2e和图2f），西部未利用地集中区域土地利用变化较小，变化剧烈区域集中在中东部地区，以及河流谷地和城市附近区域。土地利用空间变化过程，充分反映了神府矿区土地利用变化与退耕还林还草工程实施、城市扩张等具有密切关系。

图2 土地利用及其变化空间分布

2.2 NDVI变化过程

NDVI是表征植被覆盖的重要指标，NDVI值越大则植被覆盖水平越高，反之，越低[25-26]。2000—2015年神府矿区平均NDVI为0.3978，其中2001年值最低，为0.2875，2013年最高，为0.4924。NDVI变化过程可划分为4个阶段：2000—2001年，NDVI值较低，平均值为0.2932；2002—2006年，NDVI数值升高，平均值为0.3685；2007—2011年，NDVI数值再次升高，平均值达到0.4230；2012—2015年，NDVI平均值为0.4553。4个阶段中，神府矿区NDVI平均值提高55.29%。由前述土地利用变化可知，耕地转为草地是2000—2010年神府矿区最为主要的土地类型转移方向，反映了退耕还林还草工程实施，促进了地表植被的改善。从变化过程的线性拟合结果可知，2000—2015年神府矿区NDVI总体呈线性增加趋势，线性增加速率为0.105/10a（P＜0.001）（图 3），反映出未来一段时间内矿区NDVI仍会呈增加趋势。

NDVI线性变化速率空间分布表明（图4a），神府矿区2000—2015年NDVI线性变化速率最低值为-0.026/a，最高值为0.044/a。总体上以线性增加速率为主，占矿区总面积的99.12%，线性减少速率分布区域仅占0.88%，主要分布在河流谷地、城镇等人类活动剧烈的区域。NDVI线性变化的F检验结果表明（图4b），将神府矿区2000—2015年线性变化速率的F检验结果划分为不显著减少、显著减少、不显著增加和显著增加4类，分别占矿区总面积的0.74%、0.14%、3.18%和95.95%。这一结果表明2000—2015年神府矿区除河流谷地和城镇区域因受人类活动影响NDVI下降外，其他区域受退耕还林还草工程实施及其他因素影响，NDVI呈增加过程。

图4 NDVI变化速率及F检验结果空间分布

2.3 不同土地利用方式下的NDVI变化过程

由于NDVI与气候因素之间具有密切的联系，在2000—2015年气温、降水等因素既定情况下，神府矿区2000年和2010年各土地利用类型的NDVI数值呈现出极为一致的增加过程，耕地NDVI平均值最高、其次为草地和林地，建设用地和未利用地最低（图5a和图5b）。据前述2000—2010年，神府矿区耕地大面积转为草地、其他用地也多向建设用地转变，并参照按2000年和2010年土地利用类型分别统计的逐年NDVI差值可知（图5c），神府矿区耕地和草地NDVI差值为正，未利用地差值接近0值，而林地和建设用地为负值，变化过程上耕地、建设用地差值呈下降过程，未利用地差值变化不明显，草地和林地差值呈上升过程。该结果表明，2000—2010年神府矿区土地利用变化引起了NDVI的变化，耕地面积减少导致耕地NDVI减小，而草地、林地面积增大，引起草地和林地NDVI增大，同时，建设用地面积增加，导致建设用地NDVI下降。

图5 按2000年(a)和2010年(b)土地利用统计的NDVI及其差值(c)变化过程

2.4 NDVI变化与气温降水关系

NDVI反映的植被生长状况受气温、降水影响明显。神府矿区2000—2015年NDVI与气温、降水相关关系显著性分布结果表明，总体上神府矿区NDVI与气温以负相关为主，与降水以正相关为主。具体而言，NDVI与气温负相关比例占区域总面积的89.41%，其中显著负相关仅占0.56%（图6a）；NDVI与降水正相关比例占区域总面积的97.79%，其中显著正相关占42.13%，分布在区域的东南边缘及中北部区域；而负相关以斑块状、线状分布在河流谷地及城镇附近区域（图6b）。

图6 NDVI与气温、降水相关性空间分布

2.5 驱动因素分析

土地利用变化与人类活动密切相关，受到政府政策实施、社会经济发展等因素影响。神府矿区所处的陕北黄土高原与毛乌素沙地过渡地带，退耕还林还草工程在2000—2008年以及2015年之后相继开展，对当地土地利用变化起到重要推动作用，极大的促使耕地向林地和草地转变，这在前文中已有反映。此外，神府矿区的社会经济快速发展，引起城市人口、工矿业活动增加等，进而导致建设用地面积迅速扩张，2000—2010年面积扩张1倍有余，建设用地中尤以工业用地和交通用地增长迅猛。退耕还林还草工程实施和城市扩张是2000—2010年神府矿区最为主要的土地利用变化驱动因素。

NDVI变化过程主要受制于气候变化状况。神府矿区所处地带热量条件较为充足，水分因子是植被生长发育的主要限制因子。2000年以来，神府矿区年平均降水量及降水强度均呈增加趋势，但增速均较低（图7），NDVI呈现出与降水较高的显著正相关关系。结合前文内容可知，耕地面积下降和建设用地扩张，均引起NDVI降低，而林地和草地面积增加，引起NDVI升高。总体来看，尽管土地利用发生了变化，但由于气候因子尤其是降水因子朝向有利于植被生长的方向变化，叠加上耕地向林地、草地的转变，共同促使神府矿区植被状况改善。

图7 神府矿区降水量及降水强度变化

3 讨论与结论

已有研究多侧重于分析气候变化与NDVI的关系、人类活动与土地利用的关系，割裂了土地利用与NDVI之间的关系。本研究建立人类活动—土地利用变化—NDVI变化关系链条，以人类活动剧烈的神府矿区为研究区域，通过分析土地利用与NDVI时空变化特征及驱动因素，综合探讨退耕还林还草工程实施、气候变化、矿区采矿等人类活动对区域内土地利用变化及NDVI变化影响，对于深入认识矿区地表覆盖变化的驱动机制奠定基础。受数据获取的限制，本研究过程中土地利用数据仅使用了2000年、2005年和2010年3期数据，降低了研究结论的现势性。后续研究中将以获取高分辨率/小比例尺土地利用数据为基础，深入开展人类活动和气候变化影响下的矿区生态环境变化动态监测研究，为黄河流域高质量发展与生态环境保护提供科学依据。

通过以上分析，得到几点结论：（1）2000—2010年神府矿区土地利用类型以草地、未利用地和耕地为主，耕地大面积减少、草地大面积增加和建设用地迅速增加是该时期主要土地利用变化特征。耕地主要转化为草地和林地，分布在矿区东南部，所有用地类型均向建设用地转化，集中在城镇附近区域及河流谷地。（2）2000—2015年神府矿区NDVI总体呈线性增加趋势，线性增加速率为0.105/10a(P＜0.001)。NDVI显著增加区域占矿区总面积的95.95%，仅有河流谷地、城镇附近区域NDVI呈减少趋势。土地利用变化过程中，2000—2010年耕地面积下降和建设用地面积扩张，均导致NDVI降低，而草地和林地面积增加，引起NDVI升高。神府矿区2000—2015年NDVI与气温以负相关为主，与降水以显著正相关为主，占总面积的97.79%，负相关以斑块状和线状集中在城镇附近和河流谷地。（3）退耕还林还草工程实施和社会经济发展引起的城市扩张是神府矿区土地利用变化的主要驱动因素，而气候变化尤其是降水增加和林地、草地面积变化有力促进了NDVI的升高。