陳國龍，楊瑞霞**，王 普，梁勇奇

(1. 中國科學院 空天信息創(chuàng)新研究院，數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094；2. 中國科學院大學，北京 100049)

生態(tài)文明建設是促進人類與自然可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵大事，其中植被作為主體要素，在改善生態(tài)環(huán)境中起到了重要作用[1]. 歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）是反映植被變化的最佳指示因子，研究長時間序列NDVI 的變化能夠為生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、預警和恢復提供重要的科學參考[2]. 三北地區(qū)是中國最重要的生態(tài)源區(qū)，但大部分地區(qū)位于干旱、半干旱氣候帶，自然環(huán)境脆弱[3]，植被的減少會造成三北地區(qū)土地荒漠化、水土流失等現(xiàn)象加劇[4]. 1979 年三北防護林工程這一大型人工林業(yè)生態(tài)工程被列入國家經(jīng)濟建設的重要項目（規(guī)劃期限為70 a，分3 個階段8 期工程進行），2019 年第2 階段第5 期工程結(jié)束，目前已經(jīng)進入第3 階段. 在此過程中其植被狀態(tài)、生態(tài)過程與環(huán)境效應一直受到業(yè)界關(guān)注. 如張力小等[5]通過收集1978—2000 年三北地區(qū)土地變化數(shù)據(jù)，認為毛烏素、科爾沁沙地態(tài)勢向好，但重點治理地區(qū)仍未能抑制生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢. 馬國青等[6]利用層次分析法對第1 階段（1978—2000 年）的3 期防護林工程進行了綜合評價. 張澤秀等[7]針對三北防護林出現(xiàn)死亡、衰退等問題，指出三北地區(qū)的氣候條件存在分異性，其中降水和氣溫影響顯著.

隨著三北防護林工程不斷改善和推進，三北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境尤其是植被變化，越發(fā)受到廣泛關(guān)注. 王強等[8]利用趨勢線分析法研究了三北防護林工程區(qū)1982—2006 年植被覆蓋度的變化情況. 陳賽賽等[9]基于2000、2005、2010、2013 年4 期SPOT/NDVI 數(shù)據(jù)利用生態(tài)景觀學的理論對三北生態(tài)景觀格局的變化做出了分析. 黃麟等[10]從土地覆蓋變化、植被變化、土壤保持服務量、氣象因子等多個角度評估和分析了三北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、變化. 申麗娜等[11]采用1985—2010 年4 期GIMSS NDVI3g 數(shù)據(jù)，結(jié)合圖譜特征的技術(shù)手段分析了三北地區(qū)植被變化情況. 安妮等[12]基于MODIS 數(shù)據(jù)分析了2006—2018 年渾善達克沙地植被凈初級生產(chǎn)的時空變化特征. 在研究植被變化的驅(qū)動機制方面，黃森旺等[13]以1982—2006 年NOAA/AVHRR NDVI 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，指出了人類活動對植被變化的影響. 李澤椿等[14]分析了1978—2013 年三北地區(qū)氣象要素與植被生態(tài)質(zhì)量的關(guān)系. 曹世雄等[15]通過大數(shù)據(jù)分析的方法，計算了氣候和人類活動對三北地區(qū)地表植被的貢獻. 謝舒笛等[16]利用2000—2015 年MODIS NDVI 數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，采取通徑分析的方法定量刻畫了三北地區(qū)植被綠度對溫度和氣溫的響應過程. 持續(xù)性分析被英國科學家Hurst引入[17]，在水文、地質(zhì)和氣候等領(lǐng)域得到很好的評估[18]. 近10 a 來有學者嘗試對三北地區(qū)植被狀態(tài)的可持續(xù)性進行研究，如王桂鋼等[19]研究了1998—2008 年新疆植被覆蓋的持續(xù)性，道日娜[20]對1982—2015 年三北地區(qū)植被變化分析時有所涉及.

考慮到國內(nèi)對防護林工程第2 階段（2000—2020 年）的監(jiān)測及對該區(qū)域植被時空變化趨勢的可持續(xù)性研究還比較少，對于三北地區(qū)植被變化的過程以及未來植被變化狀態(tài)的持續(xù)性特征認知不足，本文選取1998—2018 年三北地區(qū)植被NDVI數(shù)據(jù)，利用Sen+Mankendall 趨勢分析法、變異系數(shù)法和基于R/S 的Hurst 指數(shù)法等分析手段，定量刻畫三北防護林第2 階段植被的時空演變特征、數(shù)據(jù)波動水平和狀態(tài)趨勢的可持續(xù)性，以期為三北生態(tài)建設、第3 階段防護林工程提升提供科學參考.

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況三北地區(qū)是中國北方天然生態(tài)屏障，位于東經(jīng)73°26′～127°50′，北緯33°30′～50°12′之間. “三北”包含西北、華北以及東北西部13 個?。▍^(qū)）全部或部分地區(qū)，總面積達406.9 萬km2，占中國陸地面積的42.4%. 研究區(qū)氣候干旱，植被覆蓋度不高，以旱生、半旱生、超旱生為主[21].從2018 年三北地區(qū)植被指數(shù)NDVI 的空間分布看（圖1），植被覆蓋從東到西、從南到北依次減少. 西部地區(qū)植被覆蓋較少，荒漠沙地仍占據(jù)主導地位，東部地區(qū)植被類型以森林、草原為主，覆蓋度較高.中國要實現(xiàn)到2050 年森林覆蓋率達到26%的戰(zhàn)略目標，增值空間重點在三北地區(qū). 三北防護林工程已開展40 余年，對該地域植被生態(tài)穩(wěn)固、防風固沙[22]意義重大.

圖1 研究區(qū)植被分布情況Fig. 1 Vegetation distribution in the study area

1.2 數(shù) 據(jù) 來 源 及 預 處 理植 被 指 數(shù)NDVI 能 夠有效地反映植被覆蓋程度[8]. 目前，基于SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等衛(wèi)星遙感影像得到的NDVI 時序數(shù)據(jù)廣泛應用于各尺度的區(qū)域植被動態(tài)變化監(jiān)測. 本研究數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），選取1998—2018 年長時間序列NDVI 數(shù)據(jù)，采用最大值合成的方法獲得年度數(shù)據(jù)，空間分辨率約為1 km×1 km，對獲取的年度數(shù)據(jù)進行裁剪得到反映研究區(qū)植被覆蓋狀況的NDVI 數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 Sen+Mankendall 趨 勢 分 析 法 Sen+Man-Kendall 趨勢分析相較于回歸分析和相關(guān)系數(shù)分析法，具有不需要數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布、誤差小的突出優(yōu)勢，能夠有效地反映植被長時間序列動態(tài)特征[23].

Sen 趨勢計算公式：

其中，xi，xj分別表示1998—2018 年三北地區(qū)時序中第i，j年NDVI 數(shù)據(jù)，Median 為中值函數(shù).

Sen 的正負反映出三北地區(qū)植被覆蓋的升降趨勢，Sen＞0 時，表示植被覆蓋呈上升趨勢，反之則表示下降趨勢.

ManKendall 法的過程如下：

對于時間序列T，Mann-Kendall 法的統(tǒng)計量S由公式（2）計算：

在95%的置信水平檢驗條件下，Z絕對值以1.96 為閾值，與Sen 斜率的組合如表1 所示.

表1 趨勢分析結(jié)果Tab. 1 The result of the trend analysis

1.3.2 變 異 系 數(shù) 法 變 異 系 數(shù)（coefficient of variation，CV）通過數(shù)據(jù)的標準差與平均值的比值消除單位對數(shù)據(jù)的影響，能較好地反映出NDVI 波動水平和變異程度[24]. 計算公式如下：

1.3.3 基 于R/S 的Hurst 指 數(shù) Hurst 指 數(shù) 是 分析自然現(xiàn)象長持續(xù)性和相關(guān)性的數(shù)學指標，廣泛應用于水文、氣候等領(lǐng)域[19,25]. 該指標的計算由以下幾部分組成：

（a）差分序列

Hurst 指數(shù)（H值）即重標極差（R/S）通過上述公式的極差與標準差的比值得到，是判斷趨勢狀態(tài)持續(xù)的指標，H值越小表示持續(xù)性越弱，越大表示持續(xù)性越強. 根據(jù)三北地區(qū)Hurst 值域，劃分為4 個級別（表2）：強反持續(xù)性，表示該區(qū)域植被將來的變化趨勢極有可能與現(xiàn)有趨勢相反；弱反持續(xù)性，表示該區(qū)域植被未來的趨勢有可能與現(xiàn)有趨勢相反；弱持續(xù)性，表示該區(qū)域植被將來的趨勢有可能與現(xiàn)有趨勢相同；強持續(xù)性，表示該區(qū)域植被將來的趨勢極有可能與現(xiàn)有趨勢相同.

表2 Hurst 指數(shù)分析結(jié)果Tab. 2 The result of the Hurst index analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI 變化趨勢分析1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中1998—2001年以及2013—2015 年下降明顯，其余時段整體上升（圖2）. 研究時段內(nèi)NDVI 變化范圍在0.29～0.36，最低值和最高值分別出現(xiàn)在2001 年和2012年. 20 a 間三北地區(qū)NDVI 平均變化趨勢率為2.25×10-3a-1，表明三北地區(qū)植被整體呈現(xiàn)改善趨勢.

圖2 1998—2018 年三北地區(qū)年際NDVI 變化Fig. 2 Annual NDVI changes in Three North Regions from 1998 to 2018

數(shù)據(jù)顯示出1998—2018 年三北地區(qū)的NDVI變化趨勢為不顯著上升（圖3），且空間異質(zhì)性明顯.上升和下降的面積分別占總面積的51.9%和41.1%，大致以200 mm 等降水量線為分界線. NDVI 顯著上升的區(qū)域占32.9%，主要分布在阿爾泰山脈、天山山脈、祁連山脈、太行山脈、大興安嶺、東北平原及其周邊地區(qū)；顯著下降的區(qū)域占15%，沿50 mm等降水量線分布，集中在塔里木盆地、柴達木盆地及其周邊戈壁地區(qū). 其中重點治理區(qū)域—毛烏素沙地NDVI 呈顯著上升，渾善達克沙地NDVI 變化呈不顯著上升，沙地面積大大減少，生態(tài)環(huán)境得到極大的改善，前人的研究也有類似結(jié)論[12,15]. 整體看，西部沙漠和盆地NDVI 多以不顯著下降態(tài)勢為主，塔里木盆地外圍以及塔克拉瑪干沙漠周邊均出現(xiàn)了顯著上升區(qū)域.

圖3 三北地區(qū)植被近20 a 變化趨勢空間分布Fig. 3 Spatial distribution of vegetation change trend in recent 20 years in Three North Regions

從表3 統(tǒng)計結(jié)果來看，研究區(qū)中有12 個省（區(qū)）的NDVI 上升范圍超過省域的50%，僅有新疆為31.4%. NDVI 上升比例最多的為陜西省，其次為山西，再次為黑龍江；NDVI 下降面積占比最多的為新疆，其次為內(nèi)蒙古，再次為青海. 京津冀地區(qū)以及遼東三省多為顯著上升趨勢，而新疆和青海、甘肅西部多呈現(xiàn)顯著下降趨勢.

表3 三北地區(qū)各省區(qū)NDVI 變化趨勢范圍統(tǒng)計Tab. 3 Percentage statistics of NDVI change trend in Three North Regions%

2.2 NDVI 變異系數(shù)分析借由變異系數(shù)法可以探究三北地區(qū)NDVI 變化的劇烈程度，可更加直觀地分析現(xiàn)有的工程效果. 圖4 表明，1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 總體變化劇烈，空間分異較為明顯. NDVI 穩(wěn)定和波動區(qū)域面積分別占總面積的19.9%和80.1%，大致以400 mm 等降水量線為分界線. 其中劇烈變化面積占60%，分布范圍西至新疆，東抵內(nèi)蒙古，非常穩(wěn)定的區(qū)域不到5%，僅在大興安嶺與東北平原有少許分布. NDVI 大范圍的劇烈波動表明了三北地區(qū)生態(tài)環(huán)境比較脆弱，容易受到外因干擾. 從波動變化范圍看（表4），有7 個?。▍^(qū)）波動范圍超過50%，僅有遼寧省占比不到10%. 從波動程度看，NDVI 劇烈波動占比最多為寧夏，其次為新疆，再次為甘肅；NDVI 非常穩(wěn)定的面積占比最多為北京，其次為黑龍江，再次為吉林，上述波動空間分異反映出地域環(huán)境條件差異約束下的工程效果. 結(jié)合變化趨勢的分析結(jié)果，可以認為寧夏、甘肅NDVI 變化波動上升，緣于近年來大力發(fā)展的生態(tài)建設工程（https://www.cila.cn/news/32 7654.html）和自身較為有利的地理條件. 遼寧、北京、黑龍江等東部地區(qū)一方面是政策條件因素，同時也可能得益于夏季濕潤的東南季風對植被的促進作用. 新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)植被變化劇烈，反映出生態(tài)并不穩(wěn)定，結(jié)合顯著下降的趨勢，在后期的工程中需重點關(guān)注該地區(qū)防護林體系退化問題，防止土地荒漠化的惡性循環(huán)[26-27].

圖4 三北地區(qū)NDVI 變異系數(shù)空間分布Fig. 4 Spatial distribution of NDVI coefficient of variation in Three North Regions

表4 三北地區(qū)各省區(qū)NDVI 變異范圍比例Tab. 4 Percentage statistics of NDVI variation area in Three North Regions%

三北防護林植被的波動變化受到自然和人為的雙重影響. 氣候變化會影響植被的生長發(fā)育，整體上降水、氣溫與植被變化呈正相關(guān)[28]. 局部由于地域的限制其作用有所差異，高海拔地區(qū)溫度較低，降水過多反而會抑制植被的光合作用，此時氣溫的升高能有效解除植被生長的限制. 在干旱缺水區(qū)如甘肅荒漠、黃土高原，氣溫的升高加速了植被體內(nèi)水分的流失，從而抑制植被的生長[29]. 在三北地區(qū)人類活動是防護林面積出現(xiàn)波動的主要原因. 合理的人為干涉，如人工植樹造林和天然植被封育政策等都對三北防護林保護起到鞏固、促進的作用. 不合理的人為擾動會使得防護林出現(xiàn)退化情況[30-31].塔里木河流域植被面積的波動變化是典型的人為干預情況. 20 世紀90 年代，由于過度集中發(fā)展經(jīng)濟，忽略了生態(tài)環(huán)境的保護，在塔里木上游不合理截流，導致下游長期缺水，天然植被（胡楊為主）大量死亡，直接導致該流域防護林系統(tǒng)遭到嚴重破壞（如尉北地區(qū)[32]）. 2001 年國家啟動塔里木河流域綜合治理工程，對下游進行應急生態(tài)輸水，南疆部分防護林面積得到恢復[33]. 這說明人類活動的變化是三北防護林面積波動變化的主要成因，尤其是相關(guān)政策和工程的實施對鞏固防護林體系、改善三北生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要.

2.3 NDVI 持續(xù)性分析Hurst 指數(shù)可以揭示植被趨勢的未來持續(xù)狀況. 1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 平均Hurst 指數(shù)為0.47（圖5），總體持續(xù)性偏弱，以弱反持續(xù)性為主，弱持續(xù)性次之. 其中，弱反持續(xù)性和弱持續(xù)性占比分別為53.8%和34.6%，意味著大部分地區(qū)趨勢具有逆轉(zhuǎn)的可能性. 此外，三北地區(qū)植被NDVI 變化趨勢的反持續(xù)性和持續(xù)性都表現(xiàn)為“弱”特征，一方面驗證了三北地區(qū)植被變化的不穩(wěn)定，另一方面也意味著三北地區(qū)生態(tài)改善有很大的潛力，生態(tài)工程建設不可松懈. 在研究范圍內(nèi)中，12 個省持續(xù)性面積占比均在50%以下，僅天津占比超過50%，為61.5%. 其中，弱持續(xù)性占比面積最多的為天津，次之為內(nèi)蒙古，再次為寧夏、青海.

圖5 三北地區(qū)植被狀態(tài)持續(xù)性空間分布Fig. 5 Spatial distribution of vegetation status persistence in Three North Regions

將Sen 斜率分布與Hurst 指數(shù)分布進行疊合可以更好地揭示三北地區(qū)植被變化趨勢的持續(xù)性（圖6、表5）. 三北地區(qū)未來總體變化以NDVI 上升（植被改善）為主趨勢，但可持續(xù)性不強. 三北地區(qū)弱反持續(xù)上升、弱持續(xù)下降類型（植被覆蓋可能退化）面積占比分別為31.1%、17%，弱持續(xù)上升、弱反持續(xù)性（植被覆蓋可能改善）下降面積分別占15%、19.5%，其余類型占18%. 從區(qū)域上看，NDVI弱反持續(xù)、弱持續(xù)上升類型集中分布在平原和山區(qū)，需要繼續(xù)穩(wěn)固生態(tài)環(huán)境，強持續(xù)下降類型NDVI 零星分布在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古的沙地內(nèi)，表明這些區(qū)域植被有著持續(xù)退化的趨勢. 在研究范圍內(nèi)，12 個省（區(qū)）弱上升的面積均超過50%，僅新疆一地為44.2%. 疊加分析的結(jié)果表明，三北地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境有所改善，但是持續(xù)性較弱. 對于新疆戈壁、沙地治理工作需要重點加強，同時還需穩(wěn)固現(xiàn)有工作成果，做到步步為營.

表5 三北地區(qū)NDVI 變化趨勢的持續(xù)性類型占比Tab. 5 Percentage statistics of NDVI of sustainable area in Three North Regions%

圖6 三北地區(qū)變化趨勢的可持續(xù)性分布Fig. 6 The persistent distribution of change trend in Three North Regions

3 討論與結(jié)論

3.1 討論本研究中1998—2018 年三北地區(qū)植被總體表現(xiàn)為緩慢恢復并呈現(xiàn)可能持續(xù)改善的態(tài)勢，其中四大沙地（毛烏素沙地、科爾沁沙地、渾善達克沙地和呼倫貝爾沙地）的植被變化與王旭洋等[34]研究結(jié)果基本一致. 楊鈺杰等[35]在對“一帶一路”區(qū)域植被變化趨勢研究中，認為1982—2015年新疆地區(qū)植被總體表現(xiàn)為基本不變的趨勢，本文研究三北區(qū)域中涉及到的新疆地區(qū)NDVI 為顯著下降，二者差異在于研究范圍不同，趨勢分類閾值也不一樣. 本研究區(qū)域中相對于其他省區(qū)，新疆地區(qū)植被顯著下降. 研究區(qū)內(nèi)植被改善區(qū)域與退化區(qū)域大致以200 mm 等降水量線為分界線，植被覆蓋穩(wěn)定區(qū)域與變化劇烈區(qū)域大致以400 mm 等降水量為分界線. 由此可見，降水量是影響三北地區(qū)植被變化的關(guān)鍵因子，前人的研究也有類似的認識[16].200、400 mm 等降水量線分別是干旱與半干旱、東部季風與西北干旱半干旱地區(qū)的臨界線. 200 mm降水量是草地生長最基本的要求，400 mm 降水量是灌木林天然更新的自然基礎(chǔ)[7]. 因此在全球變暖的大背景下，對降水量不足、水資源匱乏區(qū)應做好節(jié)約用水、保證生態(tài)需水、多選種耐旱樹種等工作，防止防護林退化.

三北地區(qū)在近20 a 植被覆蓋變化劇烈，雖然整體表現(xiàn)出恢復和改善的趨勢，但持續(xù)性很弱，甚至呈現(xiàn)出弱反持續(xù)性. 這說明三北地區(qū)未來的植被變化趨勢要保持持續(xù)向好有一定難度，較為脆弱環(huán)境背景下，生態(tài)工程建設仍需持續(xù)跟進并進行動態(tài)評估. 在研究區(qū)13 個省市中，新疆等西部地區(qū)植被改善程度有限，其余東部省市雖大多表現(xiàn)出顯著上升趨勢，但可持續(xù)性不強. 因此，三北防護林工程的下一步建設應重點關(guān)注西部植被覆蓋出現(xiàn)持續(xù)性下降特征的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，充分考慮該地區(qū)的地理環(huán)境背景，多樣化選擇適宜性樹（草）種，合理分配水資源；東部地區(qū)雖大部分處于植被改善狀態(tài)，但整體上持續(xù)改善態(tài)勢不太明顯，應在保證投入力度的同時，警惕植被退化的“苗頭”. 就新疆而言，雖有一定范圍出現(xiàn)植被退化的趨勢，但退化狀態(tài)的持續(xù)性弱，未來通過工程措施很有可能改變退化的狀態(tài).

三北地區(qū)地理范圍廣大，各子區(qū)域氣候和地理環(huán)境差異明顯，植被的恢復與持續(xù)性改善很大程度上受地域條件的制約. 本研究基于植被NDVI 時序數(shù)據(jù)分析變化及其持續(xù)性情況，對于三北防護林工程的實施效果和未來方向提供參考. 如何基于分析結(jié)果，系統(tǒng)研究趨勢及其可持續(xù)性的驅(qū)動力機制，并因地制宜地提出更為科學、完善的應對方案將是后續(xù)工作的研究重點.

3.2 結(jié)論三北地區(qū)是中國生態(tài)體系建設的重要一環(huán)，三北防護林工程周期過半，取得了舉世矚目的成就. 前人對于三北防護林工程不同階段的植被恢復和生態(tài)效應變化監(jiān)測有較多研究，本文引入基于R/S 的Hurst 指數(shù)趨勢持續(xù)性分析模型，嘗試在在時空變化特征分析的基礎(chǔ)上，對三北防護林工程第2 階段之后的變化態(tài)勢進行預測. 主要結(jié)論如下：

（1）1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 表現(xiàn)為不顯著上升趨勢，平均趨勢率為2.25×10-3a-1，并呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性. 其中，上升區(qū)域主要集中在東北平原、華北平原以及山脈附近；下降區(qū)域主要分布于西部的戈壁、沙地. 研究區(qū)中，上升區(qū)域與下降區(qū)域以200 mm 降水量線為分界線，陜西、山西、黑龍江NDVI 增加較快，僅有新疆一地改善不明顯.

（2）1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 超過80%的區(qū)域變化劇烈，其中穩(wěn)定區(qū)域僅在平原地區(qū)分布少許，但與波動區(qū)域大致以400 mm 降水量線為分界線，寧夏、新疆、甘肅變化最為劇烈，北京、黑龍江、吉林波動較小.

（3）1998—2018 年三北地區(qū)NDVI 表現(xiàn)為弱反持續(xù)性，空間差異并不明顯. 其中天津表現(xiàn)突出，僅此一地持續(xù)性占比超過50%，其余省市植被變化趨勢持續(xù)性面積不大. 結(jié)合趨勢分析結(jié)果來看，未來以弱上升為主，平原、山脈地區(qū)植被持續(xù)改善，但沙地、戈壁地區(qū)有持續(xù)退化的趨勢.