2000-2020年鄂尔多斯市植被NDVI变化格局及归因分析

苗 旭, 李九一, 宋小燕, 程度良, 柳玉梅

(1.西北农林科技大学, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 100101; 3.苏州科技大学 地理科学与测绘工程学院, 江苏 苏州215009)

植被作为陆地生态系统最关键的构成部分，是生态系统的指示器[1]，对气候变化以及人类活动较为敏感，降水带来的水分是植物生长必需的组成部分，气温所带来的热量，是植被生命活动的能量源泉，人类活动是影响植被生长的不确定因素[2-4]。近年来随着气候的不断变化以及人类活动的不断加剧，植被生长受到一定程度的影响，因此，探究植被覆盖对气候变化与人类活动的响应关系对研究全球气候变化规律具有重要意义[5-6]。它不仅可以揭示在气候变化背景下物候的敏感程度，而且可以为生态、农业、卫生等有效管控以及制定相应的保护措施提供科学依据[7]。

植被的生长状况通常用植被指数来直接表征[8]，相比其他植被指数，归一化植被指数对绿色敏感性较好，能更好反映植被动态变化应用范围最为广泛[9]。国内外众多专家学者开展了关于植被动态与气侯因子以及人类活动相关的研究，大量研究结果普遍表明植被NDVI与气候因子以及人类活动密切相关。Ichii等[10]在全球尺度上对1982—1990年期间植被与气候的关系进行研究，结果表明南北半球不同区域植被与气候的相关性不同，干旱地区植被NDVI与温度和降水存在显著的相关性。李晓兵等[11]对1983—1992年全国范围内NDVI动态进行研究，结果显示中国南部NDVI与温度、降水的相关性高于北部，西北地区高于东南。孟晗等[12]针对黄土高原植被覆盖动态变化进行研究，结果表明降水量对植被NDVI的影响大于温度影响，退耕还林还草使得植被覆盖明显改善。金凯等[13]针对1982—2015年全国范围内的植被NDVI进行研究，结果表明人类活动对植被的影响较大。刘梁美子等[14]针对喀斯特山区植被NDVI进行研究结果表明气候是影响喀斯特山区植被变化的主要因子平均贡献率约为95%。马国明等[15]在全球尺度上对植被NDVI进行研究结果表明降水和气温是影响植被变化的主要因子。

目前为止国内许多研究以大区域省、流域等为主，研究区域较为广泛，对小区域植被变化特征缺乏针对性，难以在当地生态实践工作中发挥指向性作用。因此，本文以2000—2020年MOD13Q1 NDVI数据结合同时期周边气象站数据，对农牧交错地区的鄂尔多斯市进行研究，分析鄂尔多斯市植被的时空变化趋势以及植被NDVI重心变化规律，并且对植被与气候的响应关系进行分析，以进一步认识鄂尔多斯植被对气候变化以及人类活动的响应关系。研究结果以期在全球气候变化的大背景下为当地的生态保护以及管理提供一定的科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

鄂尔多斯市位于黄河“几”字弯腹地(图1)，东西北三面均被黄河所围绕，是典型的生态脆弱区[16]，是农业向畜牧业过渡区和半干旱与干旱的气候过渡带，境内的植被带从东到西分为以本氏针茅和百里香群落为主的典型草原；以短花针茅、狭叶锦鸡儿—短花针茅灌丛、藏锦鸡儿灌等群落为主的荒漠化草原。以红砂灌丛、四合木-珍珠灌丛、半日花群落、沙冬青-霸王灌丛等为主的草原化荒漠带，本氏针茅群落主要分布在鄂尔多斯市东部黄土丘陵区，百里香群落主要分布在东部侵蚀严重地区；荒漠化草原位于鄂尔多斯市中部，受低温和干旱的影响，区域内的植被多为耐旱的丛生禾草组成，位于西部及西北部的草原化荒漠带地区植物种类较为特殊属于超耐旱植被种类四合木、半日花等是国家二级保植物[17]。多年平均气温为5～8℃，大于等于10℃的积温为2 500～3 500℃，无霜期150 d左右，雨季为每年的6—9月份，受海洋性季风气候影响，降水量自东向西逐渐降低，多年平均降水量160～400 mm。

1.2 数据来源及处理

降水和温度数据来源于国家气象数据科学中心(http:∥data.cma.cn/)“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”，收集了鄂尔多斯市及其周边17个气象站2000—2020年的降水和温度数据。植被变化分析采用2000—2020年共21 a共964个时相每16 d提供一次的MOD13Q1 NDVI数据，空间分辨率为250 m。该数据来源于美国NASA官网(hpps:∥ladsweb.modaps.e osdis.nasa.gov/)。利用 MRT工具对影像进行拼接以及投影转换(等面积投影)，通过最大合成法合成年际植被NDVI数据集；由于2000年1月份 NDVI数据缺失，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样等将温度与降水数据插值为与NDVI数据同分辨率的栅格数据集。

图1 鄂尔多斯市地理示意图

1.3 数据分析

本文利用一元Slope趋势方法逐像元分析鄂尔多斯市21 a来植被NDVI的变化趋势，并引入物理重心模型从空间上分析植被NDVI变化规律，并探究温度、降水等气候因子以及人类活动对植被NDVI的影响。

1.3.1 趋势分析 趋势分析法可以每个像元为研究单位，通过分析不同时期的像元变化，从而表示出整个研究区一定时间序列下的植被动态[18]。通过不同时间段的数拟合，可以消除异常因素的影响，从而更加准确的显示植被演变趋势[19]计算公式如下：

(1)

式中:Slope为NDVI变化趋势;n为研究年限跨度本文为(2000—2020年);xk为第k年NDVI数值,k=1,2,3，…，21;当Slope为正值时表示植被指数随着时间呈增加趋势,反之则为退化趋势,利用F检验法中的p值为0.01与0.05时进行显著性检验。

1.3.2 重心迁移模型 在地理学中，重心可以用来表示某一地理属性的矢量合力点[20]，常用于分析经济、人口、土地利用等方向，能够描述研究对象在空间的演变过程，本文引入重心迁移模型从空间上对植被NDVI变化规律以及演变轨迹进行分析计算公式如下：

(2)

1.3.3 相性分析 地理要素之间的关系可以用相关性分析定量的表示[21]，两种要素的相关程度可以用简单相关系数来描述，当两要素同时与第3个要素相关时，为了将第3个要素的影响剔除，只分析另外两个要素之间相关程度叫做偏相关分析[22-23]计算公式如下：

(3)

(4)

式中:Rxy表示变量x与变量y的相关系数；xi与yi表示在i年两个变量的数值；R12，3表示在不考虑变量3的情况下变量1和变量2的偏相关系数。

1.3.4 趋势残差分析 植被的生长不仅受到气候变化所带来的影响，近些年来随着人类活动加剧，人类对植被的影响越来明显，残差分析法可以分离出气候变化以及人类活动分别对植被的影响[13,24-26]。利用逐像元的多元回归方程模拟出2000—2020年研究区的植被NDVI值。

NDVIpredicated=c+a×P+b×T

(5)

ε=NDVIreal-NDVIpredicated

(6)

(7)

式中:NDVIpredicated表示植被NDVI的预测值；a，b，c分别为回归系数其中c为常数；T表示年平均温度；P表示降雨量；ε表示残差；NDVIreal表示实际植被NDVI值；H表示人类活动对植被NDVI变化的贡献率。

2 结果与分析

2.1 年际变化及空间分布

基于最大合成法合成的2000—2020年年际植被NDVI数值，统计年平均值见图2A，除个别年份数值下降外，植被NDVI值整体上呈上升趋势，多年平均值为0.324，2000年植被NDVI平均值为0.235，2020年植被NDVI平均值为0.375。植被NDVI值在2010—2011年出现波动较为剧烈，植被NDVI最大值出现在2015年为0.435；21 a逐年植被NDVI均值分布状况见图2B，NDVI值最大为0.828，最小为0.036，NDVI大体分布是东部地区高于西部，沿黄灌区植被指数明显高于其他地区，西北部地区植被指数明显偏低，特别是位于杭锦旗的库布其沙漠地区。乌审旗境内的毛乌素沙漠NDVI值明显高于库布其沙漠区，但略低于周围其他地区。

图2 植被NDVI年际变化及多年平均值

2.2 变化趋势

基于一元趋势法分析21 a间鄂尔多斯市NDVI趋势变化(图3)，植被NDVI整体上呈现改善趋势，大部分斜率均为正向，但各地区存在明显的空间差异。

极显著改善的区域面积所占比例较大约为51.92%，各个旗区均有分布，其中东部的伊金霍洛旗、东胜区、康巴什区、准格尔旗所占比例较大，特别是伊金霍洛旗和准格尔旗；显著改善区域所占面积约为16.74%，主要分布于鄂尔多市中西部地区；无明显变化区域所占面积为31.02%，主要分布在杭锦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗等地区；显著退化和极显著退化的区域面积较小，分别占总面积的0.13%和 0.19%，主要分布在鄂尔多斯市的市区以及北部黄河沿岸等地区。

图3 植被NDVI变化趋势及趋势显著性检验

2.3 重心迁移

植被NDVI重心能够有效的显示植被的空间分布特征以及导向性，逐年统计植被 NDVI重心以及21 a的平均重心(图4A)，重心主要集中在鄂托克旗东北方向。

以多年平均植被NDVI重心为原点，逐年计算NDVI重心到原点的偏移角度以及距离(图4B)，第一象限与第三象限NDVI重心分布相对较多，表明21 a来NDVI在鄂尔多斯市西南区域与东北区域增加的数量高于其他地方，西南区域重心分布相集中表明各年份增加的程度较小，东北部各点较为分散增加程度较大；若以第一、第二象限的植被NDVI重心与第三、第四象限作比较则说明南部区域的增加数量大于北部。同时在坐标轴中2002年、2005年、2012年、2014年等较原点距离较远，表明在这4个年份中重心所处方位增加较为为明显；而2016年、2003年、2001年、2004年与原点距离较近则说明这几个年份中植被NDVI各地区变化相差较小。

图4 鄂尔多斯市植被NDVI重心位置及其分布

为进一步分析鄂尔多斯市植被NDVI空间变化规律，利用重心模型在不同时间尺度下分析鄂尔多斯市植被NDVI迁移轨迹(图5)，3 a时间尺度下，2003—2005年相对2000—2002年植被NDVI重心向东北方向移动且移动距离较大，表明在该段时间内东北部植被增量大于西南部，与2003—2005年相比2006—2008年植被NDVI重心向西北部移动，2009—2011年与2006—2008年相比植被NDVI重心向南部移动，与2009—2011年相比2012—2014年植被NDVI向东北方向移动，2015—2017年植被NDVI重心又向西部偏移，2018—2020年植被向东部偏移。5 a时间尺度下，2005—2009年相对于2000—2004年向东北方向移动，2010—2014年植被重心相对于2005—2009年向西南方向偏移，2015—2020年植被重心东北方向偏移。总体上，2000—2020年鄂尔多斯市植被NDVI重心向东北部偏移，表明东北部植被增长程度较为明显。

图5 鄂尔多斯市植被NDVI重心迁移轨迹

2.4 相关性分析

为探究鄂尔多斯地区降水与温度与植被NDVI的关系，逐像元分析鄂尔多斯市2000—2020年植被NDVI与降水、温度的偏相关关系，植被NDVI与降水的偏相关系数(图6A)为-0.716～0.915，其中正相关主要分布在鄂尔多斯市的西部以及南部地区，占据面积的78.92%；负相关区域大部分集中在杭锦旗北部，以及乌审旗部分地区。通过0.05显著性检验划分为显著正相关、不显著正相关、显著负相关、不显著负相关，植被NDVI与降水偏相关检验显著结果(图6B)，显著正相关的面积占总面积的23.93%，主要分布在杭锦旗南部、鄂托克前旗的西部、鄂托克前旗的西北部；显著负相关所占面积比例较少仅为1.71%，主要分布在杭锦旗中北部的沙漠地区。植被NDVI与温度的偏相关系数(图6C)为-0.833～0.775，呈正相关区域主要集中在鄂尔多斯市的东部地区，占据面积的35.44%；呈负相关区域占据面积的64.56%，分布在鄂尔多斯市西部的大部分地区。植被NDVI与温度偏相关检验显著结果(图6D)，呈显著正相关的面积占鄂尔多斯市面积的0.45%，主要集中在东胜区，在伊金霍洛旗、康巴什区、准格尔旗、北部沿黄灌区等区域也有零散分布；呈显著负相关的面积占总面积的4.25%，分布于杭锦旗的中西部、鄂托克旗的中部以及鄂托克前旗的西部等地区。

由上述偏相关分析可以看出，鄂尔多斯市植被NDVI与降水和温度的相关性在不同区域影响程度具有明显的差异，为进一步了解降水与温度对鄂尔多斯市植被NDVI在不同区域的影响程度，本文通过对植被NDVI与气候因子的偏相关系数p值进行重新分类(表1)。

分类结果见图7，鄂尔多斯市约有2.27%的区域受到降水与温度的共同作用，主要分布在鄂托克前旗西部、鄂托克旗中部等地区，约有23.37%的区域受到降水的影响，主要分布在鄂尔多斯市西部地区以及东部部分地区；受温度影响区域较少约占总面积的2.43%，主要分布在杭锦旗中部以及西部部分地区。

图6 植被NDVI与降水、气温的偏相关系数及其显著性检验

表1 不同情景下气候对植被NDVI的作用

2.5 残差分析

随着社会的发展人类活动日益加剧，人类对生态的影响愈发加重，本文通过残差趋势分析人类活动对鄂尔多斯市植被NDVI的影响。2000—2020年鄂尔多斯市植被NDVI残差趋势(图8A)在-0.043～0.041，从空间上来看95.49%的区域残差趋势为正值，4.51%的区域残差趋势值为负值，表明21 a来人类活动对鄂尔多斯市植被的影响逐渐增强，总体上对该地区植被生长起到促进作用。显著性检验(图8B)，显著减少区域与极显著减少区域共占据总面积的0.16%，无显著变化区域占据面积的38.16%，极显著增加区域占据面积的18.03%，显著增加区域占据面积的43.65。通过驱动因素公式计算出鄂尔多斯地区人类活动对植被NDVI变化的变化起到主导作用，对植被NDVI的平均贡献率约为82.67%，气候变化的贡献率则为17.33%。

图7 鄂尔多斯市2000-2020年影响植被NDVI变化的主要气候因素

图8 植被NDVI残差趋势及其显著性检验结果

3 讨 论

(1) 通过对植被NDVI与降水、温度的相关性可知，降水与植被NDVI的偏相关系数较大，表明在鄂尔多斯市植被对降水量较为敏感，降水量是控制植被生长的关键气候因子。植被NDVI与降水量呈正相关面积大于负相关表明降水对植被的生长起到正向的促进作用，正相关的区域主要分布在鄂尔多斯市西部的草原区，此地区降水量较鄂尔多斯市其他地区降水量偏少，水分条件较其他区域来说较差，即此地区植被生长受到水分限制；植被NDVI与温度呈正相关面积低于负相关面积，说明在部分地区温度对植被生长起到抑制作用，呈现负相关面积主要集中在鄂尔多斯市西部，鄂尔多斯降水量从东到西呈现逐渐减少趋势，温度与降水量趋势相大致相反，所以在西部地区由于降水量少而温度的较高，导致植被气孔关闭以及土壤水分蒸发等现象发生，温度较高抑制植被生长，呈现正相关的区域主要分布在降水量较多的东部地区，区域内降水量较其地区较为丰富，温度所带来的热量促进植被生长。

(2) 鄂尔多斯市植被NDVI的空间分布大致按照植被分布带呈现从东到西逐渐降低的趋势。通过驱动因素贡献率方法计算气候变化以及人类活动对鄂尔多斯市植被的相对影响度，结果表明21 a来人类活动对植被的贡献率远超出气候因素影响，鄂尔多斯市植被NDVI的显著增加与21 a来鄂尔多斯市持续开展的生态保护有关。2000年鄂尔多斯市的准格尔旗、达拉特旗、乌审旗相继被列人国家退耕还林试点示范项目区继而在全市范围内推广，鄂尔多斯市森林覆盖率从2000年的12.26%到2020年增长到27.3%，对该地区的水土流失以及生态保护起到了积极作用，但是鄂尔多斯市处于半干旱与干旱的过渡地带，不适合大面积实施林业发展，以鄂尔多斯市造林总场为例，森林总面积约有506 km2，纯林与混交林比例为9∶1，林场中以沙柳、柠条等灌木林为主，占比60%以上，乔木林多为杨树，林分结构较为简单，林相破败，防护能力较低。西南地区的草原受到降水的限制，近些年来植被增长幅度虽然不如东北部地区，但是由于干旱草原地带适合牧草生长以及在退牧还草、禁牧轮牧等因素下植被改善在范围较为广泛。部分地区植被NDVI值的减少与近些年鄂尔多斯市的土地利用有关，相关资料显示21 a来鄂尔多斯市城市建成区面积扩大近4倍，耕地面积由2000年的4 607 km2到2018年下降至4 136 km2，在鄂尔多斯市北部农田灌溉地区植被NDVI值为全市范围内属于较高地区，由于种植结构的变化以及21 a来的土地利用等情况下，极容易出现植被NDVI趋势减小。

4 结 论

(1) 2000—2020年鄂尔多斯市植被NDVI总体呈现上升趋势，全市68.66%的区域植被NDVI的到改善，西南部植被改善程幅度小于东北部，植被重心逐渐向东北部偏移表明东部地区改善较为明显。

(2) 2000—2020年鄂尔多斯市植被NDVI与气候因子偏相关性存在明显的地区差异，植被NDVI与降水的偏相关性较高，降水与温度共同影响的区域约占总面积的2.27%。

(3) 鄂尔多斯市植被受到人类活动与气候的共同影响，21 a来人类活动对鄂尔多斯市植被NDVI变化起到主导作用，其平均贡献率为82.67%，气候变化对植被NDVI生长影响的主体现在降水因素上。人类对鄂尔多斯市的植被影响具有两面性，城市建设对植被的生长起到制约作用，生态工程的实施则有利于植被的生长。

(4) 2000—2020年鄂尔多斯市以NDVI表征的植被覆盖度的增加与人类活动密的影响不可分，但是鄂尔多斯地区气候条件对植被生长有很大的限制作用，实施生态工程中要切实注意到气候变化所带来的影响，切不可盲目扩大草场或林地，对于毛乌素沙地等地区植被实行人工保护，使其形成稳定生态系统。