徐 佳, 高云飛, 劉偉偉, 黨恬敏, 曾建青

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021；2.青海省水土保持中心, 青海 西寧 810000； 3.互助縣水利局， 青海 海東 810500)

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受到土壤、氣候和人類活動的綜合影響，是生態(tài)環(huán)境質量的綜合體現(xiàn)。2000年以后，大規(guī)模的退耕還林還草、封禁、坡改梯等生態(tài)工程的實施，使得黃土高原的植被覆蓋顯著提高，生態(tài)環(huán)境明顯改善[1-4]。一方面，黃土高原植被建設取得了舉世矚目的成效，另一方面，局部地區(qū)的植被退化仍然存在。研究表明，黃土高原中部、東南部地區(qū)的植被恢復明顯，而西北部地區(qū)的植被恢復卻受到一定程度的抑制[5-6]。黃河源區(qū)高寒草地的退化趨勢沒有得到有效遏制[7]。城鎮(zhèn)化建設導致大量農(nóng)田和林地被侵占，植被面積減少[8]。由于地形地貌、水熱條件、地理位置和植被類型的不同，植被的變化趨勢可能存在很大的差異[9-10]。

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是利用植物葉片在近紅外波段具有高反射值，葉綠素在紅光波段具有強吸收的特征，在多光譜遙感影像中，用近紅外(IR)/紅波段(R)，通過反映植被綠度變化來表征植被生長狀況的指標，是目前公認的表征陸地植被覆蓋度和生長狀況的有效指標[11-13]，同時NDVI具有時空的連續(xù)性，因此在區(qū)域植被變化研究中得到了廣泛應用[6,14-15]。目前最常用的NDVI 數(shù)據(jù)包括SPOTVGT NDVI[8]、AVHRR NDVI[16]和MODIS NDVI[17]。其中，MODIS-NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率相對較高，具有時間序列較長、數(shù)據(jù)源較穩(wěn)定的優(yōu)勢，適用于市、縣或小流域尺度的植被變化研究[18-19]。目前的生態(tài)治理工程大多以縣級行政區(qū)為單元進行實施，以縣為單元研究植被變化情況，可以更為細致地分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理效果，為下一步治理決策提供切實可行的依據(jù)。

青海省同仁市位于黃土高原最西端，區(qū)域內自然環(huán)境差異較大，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對人類活動和氣候變化的響應敏感。作為隆務河省級水土流失重點治理區(qū)，近年來，同仁市實施了大面積的生態(tài)工程。本研究采用時間連續(xù)的MODIS遙感影像，對2000—2019年同仁市NDVI動態(tài)變化進行研究，分析NDVI與土地利用、海拔高度的關系，并對NDVI未來變化趨勢進行預測，旨在客觀評價同仁市20 a來的植被變化情況，為下一步生態(tài)治理提供參考，為黃土高原農(nóng)牧交錯區(qū)水土流失防治提供依據(jù)，助推黃河流域生態(tài)環(huán)境高質量發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

同仁市地處青海省東南部(35°00′—35°47′N， 101°37′—102°27′E)，南北長85 km，東西寬75 km，全市面積3 465 km2。同仁市位于黃土高原最西端，與青藏高原接壤，屬于農(nóng)、牧業(yè)交錯區(qū)，大陸性高原涼溫、冷溫半干旱氣候，溫度垂直變化明顯，氣溫日差較大，光照充足，年均降水量401 mm，降水變率大，雨熱同季，年平均氣溫5.6 ℃。

黃河一級支流隆務河縱貫全市南北，形成東西部山區(qū)和中部河谷地區(qū)。境內山巒起伏，溝谷相間，地勢南高北低，地形可分為河谷川地、低山丘陵、中高山腦山、高山4個區(qū)域，海拔2 181～4 954 m。境內草場資源豐富，約占全市面積的70%。耕地沿隆務河河谷呈帶狀分布，多年來實施了大規(guī)模的梯田、封禁、造林、小流域綜合治理等生態(tài)工程，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善。同仁市主要存在水力侵蝕和凍融侵蝕兩種土壤侵蝕類型，水力侵蝕主要分布在中部隆務河谷地區(qū)；凍融侵蝕主要分布在東西部山區(qū)的高海拔地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)通過NASA網(wǎng)站(https:∥search.earthdata.nasa.gov/)下載，分辨率250m。已有的研究表明，研究區(qū)NDVI在每年的7—8月達到峰值[20]，因此本研究采用最大合成法對2000—2019年7—8月NDVI數(shù)據(jù)進行最大化處理，消除云、大氣等因素的干擾。海拔高度數(shù)據(jù)采用DEM數(shù)據(jù)提取，DEM數(shù)據(jù)通過地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)下載，分辨率為30m。土地利用數(shù)據(jù)采用2018年青海省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果，分辨率為2 m。

1.3 分析方法

1.3.1 趨勢分析 趨勢分析采用一元線性回歸分析方法，對2000—2019年的20個 NDVI圖層進行逐像元擬合，得到線性回歸方程的斜率，即NDVI多年變化趨勢Slope圖層，表示多年植被覆蓋變化的方向和速率[21]。若Slope>0，則NDVI呈現(xiàn)上升趨勢；若Slope<0，則NDVI呈現(xiàn)下降趨勢；Slope絕對值越大，表示NDVI值變化越快。Slope的計算公式為：

(1)

式中：Slope為NDVI與時間變量擬合的一元線性回歸方程的斜率；i為時間變量，等于1到n的整數(shù)；n為研究時段的年數(shù)，取值20； NDVIi為第i年的NDVI值。

1.3.2F檢驗F檢驗[22]又叫做聯(lián)合假設檢驗，假設回歸方程很好地符合數(shù)據(jù)集要求，用來檢驗回歸方程中被解釋變量與解釋變量之間線性關系在總體上是否顯著。本研究采用F檢驗對NDVI變化趨勢進行顯著性分析，用于檢驗NDVI變化趨勢置信度的高低。F檢驗法只代表趨勢變化的置信度，與變化快慢程度無關。

1.3.3 高海拔和低海拔區(qū)域界定 野外調查發(fā)現(xiàn)，同仁市高海拔地區(qū)存在凍融侵蝕造成的植被退化現(xiàn)象，為了進一步分析凍融侵蝕對植被的影響，本研究結合凍融侵蝕區(qū)邊界，將NDVI變化趨勢圖和凍融侵蝕區(qū)相結合，分析不同海拔區(qū)域NDVI變化情況。本研究采用第一次全國水利普查青藏高原區(qū)凍融侵蝕區(qū)邊界的確定方法(公式2)[23]，利用經(jīng)緯度計算凍融侵蝕區(qū)海拔下界，即該界限以上為凍融侵蝕發(fā)生的主要區(qū)域，本文將該界限以上定義為高海拔地區(qū)，該界限以下定義為低海拔地區(qū)。

(2)

式中：H為凍融侵蝕區(qū)下界的海拔(在此界限以上的區(qū)域，地表處于凍結或凍融交替的狀態(tài)，為凍融侵蝕區(qū),m)；X1為緯度(°)；X2為經(jīng)度(°)。

1.3.4 Hurst指數(shù) Hurst指數(shù)是基于重標極差(R/S)的分析方法，用來定量描述植被覆蓋的長程依賴性[20,24]，基本原理是給定一個時間序列{ξ(t)},t=1,2,…，對于任意正整數(shù)τ=1，定義均值系列:

(3)

式中：{ξ(t)}為一個給定的時間序列，其中，t=1,2,…。τ為任意正整數(shù)，τ=1,2,…。

(4)

式中：X(t,τ)為累積離差，1≤t≤τ。

(5)

式中：R(τ)為極差，τ=1,2,…

(6)

式中：S(τ)為標準差，τ=1,2,…

(7)

式中：H為Hurst指數(shù)；yi為第i年的lnR/S值；n為研究時序。

若存在R/S∝τH，則說明時間序列{ξ(t)},t=1,2,…存在Hurst現(xiàn)象，H值稱為Hurst指數(shù)，主要有3種形式(詳見表1)。H值可在雙對數(shù)坐標系(lnτ,lnR/S)中用最小二乘法擬合得到。

表1 Hurst指數(shù)存在形式

2 結果與分析

2.1 2000-2019年同仁市NDVI時間動態(tài)變化

圖1為2000—2019年同仁市NDVI平均值年際變化情況，可以看出NDVI總體呈波動上升趨勢，平均上升速率為0.027/10 a。2000年為研究時段內的最低值0.649 5，2019年上升到0.711 7。整個研究時段內NDVI最大值出現(xiàn)在2018年，為0.749 4。 2000—2019年NDVI變化大致可以分為4個階段：①2000—2005年，NDVI值持續(xù)上升，由2000年的0.649 5，上升到2005年的0.718 7；②2005—2010年，NDVI先下降，然后波動上升，2010年上升至0.738 2；③2010—2015年，NDVI值先下降，后又上升至0.737 0，隨后波動下降，之后緩慢持續(xù)下降，至2015年降至0.694 0；④2015—2019年，NDVI波動變化幅度較大，2018年NDVI為研究時段內最高值0.749 4。

圖1 2000-2019年青海省同仁市NDVI平均值年際變化

近年來黃土高原NDVI整體呈現(xiàn)的波動上升趨勢[1,5,25]與本研究結果基本一致，隨著國家和整個社會對生態(tài)環(huán)境的日益重視，退耕、退牧、封禁等植被保護措施的廣泛實施，黃土高原植被整體改善。由于黃土高原半干旱的氣候特征，年際降水量的變化是造成NDVI波動的主要原因，降雨量偏少的年份NDVI值可能出現(xiàn)明顯下降。

2.2 2000-2019年同仁市NDVI空間動態(tài)變化

圖2為2000年和2019年同仁市NDVI空間分布圖。與2000年相比，2019年NDVI分布圖深色區(qū)域明顯增加，淺色區(qū)域明顯減少，即高覆蓋度植被面積增加，低覆蓋度面積減少。以NDVI值介于0.1～0.5的區(qū)域為例，2000年該區(qū)域為661.54 km2，占全市面積的19.09%；2019年該區(qū)域為350.21 km2，占全市面積10.11%。NDVI值介于0.8～1的區(qū)域2000年為388.63 km2，占全市面積的11.22%；2019年增長到1 066.92 km2，占全市面積的30.79%(表2)。從2000年到2019年，低覆蓋度植被向高覆蓋度轉化明顯。隆務河河谷地區(qū)NDVI增加主要歸因于造林和小流域綜合治理的廣泛實施。東西部山區(qū)主要是在實施退牧和封禁措施后，植被自然恢復形成，東西部山區(qū)是高覆蓋度植被的主要分布區(qū)。

表2 2000年和2019年同仁市NDVI分布區(qū)間面積和比例

圖2 2000-2019年青海省同仁市NDVI空間分布特征

圖3為2000—2019年同仁市NDVI變化趨勢Slope的空間分布圖。Slope為正值的區(qū)域，即NDVI上升的區(qū)域，為2 635.82 km2，占全市面積的84.42%(圖3,表3)，廣泛分布在隆務河谷地區(qū)和周圍山區(qū)，其中林地626.13 km2，草地2 094.11 km2。

Slope為負值的區(qū)域，即NDVI下降的區(qū)域，為495.63 km2，占全市面積的15.58%。NDVI下降的區(qū)域有一小部分在隆務河河谷地區(qū)，是人類活動密集的區(qū)域，主要由于城鎮(zhèn)建設造成；大部分則分布在西部和南部山區(qū)。NDVI下降的區(qū)域中林地105.58 km2，草地393.10 km2(表3)。由于草地是同仁市的主要植被類型，NDVI下降的區(qū)域植被類型也主要是草地，NDVI下降的草地占全市草地總面積的15.80%。建設用地中有24.21 km2的區(qū)域NDVI上升，而10.07 km2的區(qū)域NDVI下降。

圖3 2000-2019年青海省同仁市NDVI變化趨勢空間分布

表3 不同土地利用類型NDVI變化區(qū)域面積和比例

總體來看，同仁市NDVI在2000—2019年顯著上升，Slope值主要分布在0～0.01之間(圖4)，這部分區(qū)域占全市面積的81.94%，Slope值介于0.01～0.02的區(qū)域占全市面積的2.47%，介于0.02～0.03的區(qū)域占0.02%。

圖4 2000-2019年青海省同仁市Slope值比例

采用F檢驗法進一步對同仁市NDVI變化趨勢的顯著性進行分析，結果表明，2000—2019年，同仁市NDVI極顯著上升的區(qū)域占46.68%，顯著上升的區(qū)域占16.20%；極顯著下降的區(qū)域占2.42%，顯著下降的區(qū)域占2.64%(圖5)?？梢钥闯?，同仁市植被整體上顯著改善，但仍然有部分區(qū)域植被存在退化趨勢。

圖5 2000-2019年青海省同仁市NDVI變化顯著水平空間分布

2.3 NDVI變化和海拔高度關系

同仁市海拔高度在2 081～4 954 m之間，根據(jù)公式(2)計算得到同仁市凍融侵蝕下限海拔為3 583 m，因此本研究將同仁市海拔2 181～3 583 m的地區(qū)定為“低海拔地區(qū)”，將海拔3 583～4 954 m的地區(qū)定為“高海拔地區(qū)”(圖6)，低海拔地區(qū)面積2 005.62 km2，高海拔地區(qū)面積1 459.38 km2。

將Slope柵格圖和海拔高度圖進行疊加分析(圖7)，可以看出，在低海拔地區(qū)，NDVI整體呈上升趨勢，NDVI上升的區(qū)域占92.16%，NDVI下降的區(qū)域僅占7.84%；在高海拔地區(qū)，NDVI下降趨勢明顯，NDVI上升的區(qū)域占73.71%，下降的區(qū)域占26.29%。從全市范圍來看，NDVI上升的區(qū)域主要分布在低海拔地區(qū)，而NDVI下降的區(qū)域主要分布在高海拔地區(qū)。

圖6 青海省同仁市低海拔和高海拔地區(qū)分布特征

圖7 青海省同仁市NDVI變化和海拔關系分布特征

2.4 NDVI未來變化趨勢預測

基于同仁市2000—2019年NDVI數(shù)據(jù)，采用Hurst指數(shù)對同仁市未來NDVI變化趨勢進行預測(表4)。結果表明，同仁市NDVI的Hurst指數(shù)介于0.259 4～0.893 5之間，平均值為0.647 5。其中，Hurst指數(shù)>0.5的區(qū)域，即未來NDVI變化呈現(xiàn)正向演化特征的區(qū)域占92.28%，Hurst指數(shù)<0.5的區(qū)域，即未來NDVI變化呈現(xiàn)負向演化特征的區(qū)域占7.72%。

表4 2000-2019年青海省同仁市不同海拔地區(qū)NDVI變化面積和比例

將NDVI變化趨勢Slope柵格圖(圖3)與Hurst指數(shù)柵格圖進行疊加，得出NDVI未來變化趨勢(圖8)?？梢钥闯?，同仁市NDVI未來持續(xù)上升的區(qū)域占79.17%，持續(xù)下降的區(qū)域占13.13%，由下降轉為上升的區(qū)域占2.45%，由上升轉為下降的區(qū)域占5.27%。同仁市NDVI未來整體上持續(xù)上升，但仍有部分區(qū)域存在下降趨勢。未來持續(xù)下降區(qū)域主要分布在西部和南部的高海拔地區(qū)，少部分分布在隆務河谷的城鎮(zhèn)周邊。

圖8 青海省同仁市NDVI未來變化趨勢

3 討 論

2000—2019年同仁市NDVI整體顯著上升，和2000年相比，2019年NDVI高值區(qū)明顯增加，主要分布在東西部山區(qū)。NDVI上升的面積占全市的84.42%，廣泛分布在隆務河谷地區(qū)和周圍山區(qū)。近年來，同仁市實施的一系列生態(tài)工程促進了植被恢復，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止2015年，同仁市實施草地禁牧面積693 km2，退牧、輪牧等草場保護措施促進了草地資源的恢復。在生產(chǎn)建設活動中，人們的生態(tài)環(huán)境保護意識也在不斷提高，對于城鎮(zhèn)區(qū)域的綠化也更加重視，同仁市建設用地中有24.21 km2的區(qū)域植被得到改善。人類生產(chǎn)、生活方式的改變促進了植被的恢復。

與此同時，同仁市NDVI呈下降趨勢的面積占全市的15.58%，少部分分布在隆務河河谷地區(qū)，主要由于城鎮(zhèn)化建設造成，大部分則分布在西部和南部山區(qū)，而且主要分布在高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)NDVI下降的面積占全市NDVI下降總面積的70.93%。作為高海拔地區(qū)水土流失加劇的重要原因，凍融侵蝕改變和破壞著土壤的物理性質，降低了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)能力[26]。研究人員針對青海省興海盆地凍融侵蝕區(qū)植被的研究表明，凍融侵蝕會造成草被層呈斑狀、鱗片狀分布，草皮層在水平方向上撕裂，在垂直方向上與下面土層分離[27]。高海拔地區(qū)受季節(jié)性凍融作用的影響，土壤流失量的50%以上都發(fā)生在凍土層解凍時期[28]。調查發(fā)現(xiàn)，同仁市高海拔地區(qū)的坡面存在凍融侵蝕造成的草皮撕裂現(xiàn)象，草甸沿坡面向下滑動，造成土壤或基巖裸露，原本覆蓋度很高的坡面大片變?yōu)槁愕?。對于高海拔地區(qū)植被退化還需要結合廣泛的外業(yè)調查來進一步研究。

已有研究顯示，多年凍土在黃土高原西北部緩慢退化，導致表層土壤水分減少，對植被產(chǎn)生不利影響[6]。寒冷干旱環(huán)境下，低溫和干旱雙重脅迫，導致植被對氣候變化的響應更加復雜[29-30]。青藏高原及其附近的高山區(qū)是凍融侵蝕分布最集中且侵蝕最強烈的區(qū)域[31]。降雨的增加一方面可以改善植被，另一方面會加劇凍融侵蝕，造成植被破壞[27]。

同仁市NDVI未來變化趨勢整體上持續(xù)上升，但仍有部分地區(qū)存在下降趨勢。同仁市處于黃土高原和青藏高原的過渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被對生態(tài)環(huán)境變化的響應敏感，受人類活動影響較大。NDVI存在下降趨勢的區(qū)域是在科學研究和生態(tài)環(huán)境治理中需要重點關注的區(qū)域。氣候變暖可能造成部分區(qū)域植被改善，也可能造成高海拔地區(qū)表層土壤水分減少、凍融侵蝕加劇，最終造成植被退化。目前對于凍融侵蝕的野外原地貌觀測研究很少[32]。在未來的研究中，建議加強對高海拔地區(qū)植被變化和土壤侵蝕的野外定位觀測，對NDVI下降區(qū)域進行深入分析，為制定合理的植被保護和恢復措施提供依據(jù)。

4 結 論

本文從時間尺度和空間尺度分析了青海省同仁市2000—2019年NDVI動態(tài)變化，初步分析了植被與土地利用、海拔高度的關系，對植被未來變化趨勢進行了預測。

(1) 2000—2019年同仁市NDVI整體呈波動上升趨勢，平均上升速率為0.027/10 a，2000年NDVI平均值為0.6495，2019年達到0.7117。NDVI高值區(qū)域增加明顯，NDVI值介于0.8～1的區(qū)域由2000年的388.63 km2增加到2019年的1 066.92 km2，主要分布在東西部山區(qū)，主要為草地。

(2) 從全市范圍來看，2000—2019年NDVI顯著上升，NDVI上升區(qū)域為2 925.21 km2，占全市面積的84.42%，其中NDVI極顯著上升的區(qū)域占46.68%，顯著上升的區(qū)域占16.20%。NDVI上升的區(qū)域廣泛分布在隆務河河谷地區(qū)和周圍山區(qū)，林地NDVI上升的面積為626.13 km2，草地NDVI上升的面積為2 094.11 km2。

(3) 同仁市NDVI下降區(qū)域為539.79 km2，占全市面積的15.58%。NDVI下降的區(qū)域有少部分分布在隆務河河谷地區(qū)，主要為建設用地；大部分分布在西部和南部山區(qū)。林地和草地NDVI下降的面積分別為105.58 km2和393.10 km2。NDVI下降區(qū)域在海拔3 583 m以上和以下范圍內的面積分別為383.62 km2和157.19 km2，分別占全市NDVI下降區(qū)域總面積的70.93%和29.07%，NDVI下降區(qū)域主要分布在高海拔地區(qū)。

(4) 同仁市NDVI未來整體上將持續(xù)上升，但仍有部分區(qū)域存在下降趨勢。持續(xù)上升的區(qū)域占全市面積的79.17%，持續(xù)下降的區(qū)域占13.13%。由下降轉為上升的區(qū)域占2.45%，由上升轉為下降的區(qū)域占5.27%。