張樂藝, 李 霞, 馮京輝, 饒日光, 何天英, 陳 瑜

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 3.國(guó)家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 陜西 西安 710048)

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)加劇，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞，土地退化、水土流失、荒漠沙漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題頻發(fā)[1-2]。植被作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是生態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及脆弱性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，在水土保持、維持氣候及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有重要作用，植被的改善有助于提高水源涵養(yǎng)和水土保持功能，對(duì)植被的時(shí)空變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)在全球氣候變化背景下的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究中具有重要意義[3-5]。

歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)與生物量、葉面積指數(shù)有較高的相關(guān)性，能夠很好地反映地表植被的繁茂程度，可以在一定程度上代表地表植被覆蓋的變化[5]。目前，諸多學(xué)者利用NDVI或植被覆蓋變化以及影響因素做了大量工作，并取得不少進(jìn)展和突破。已有研究表明，氣溫和降水等氣候因素對(duì)植被的生長(zhǎng)有著重要作用，不同地區(qū)水熱條件和植被類型不同，植被變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)也存在很大空間差異[5-11]。除此之外，人類活動(dòng)也會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制或促進(jìn)的影響，城市化發(fā)展導(dǎo)致大量農(nóng)田和林地被建設(shè)用地侵占，濫砍濫伐會(huì)導(dǎo)致區(qū)域植被減少、生態(tài)退化[10,12-13]；而退耕還林(草)、天然林保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)工程建設(shè)可以改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)植被覆蓋的增加[11-16]。

黃河流域位于中國(guó)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，是中國(guó)重要的生態(tài)屏障，對(duì)該地區(qū)的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)中十分重要。以往有諸多研究著眼于黃河流域(含流域內(nèi)典型區(qū)域)展開分析，得出氣候變化深刻影響著黃河流域植被覆蓋的變化，且多年來(lái)的生態(tài)工程建設(shè)也極大地改善了流域內(nèi)的植被狀況[12-13,17-24]。孫睿等[25]和楊勝天等[26]基于AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80—90年代，黃河流域植被處于上升趨勢(shì)，汛期降水量對(duì)植被變化起主導(dǎo)作用，生態(tài)保護(hù)建設(shè)對(duì)植被起到促進(jìn)作用。李春暉等[27]基于8 km的AVHRR/NDVI研究發(fā)現(xiàn)黃河流域各分區(qū)年均NDVI都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，降水、徑流與NDVI年內(nèi)變化呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。劉憲鋒等[28]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，從3個(gè)尺度發(fā)現(xiàn)近12 a三江源區(qū)植被覆蓋整體呈改善趨勢(shì)，且反向持續(xù)特征明顯，而三江源區(qū)植被覆蓋的增加主要?dú)w因于氣候暖濕化以及生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施。趙安周等[29]基于GIMMS NDVI數(shù)據(jù)研究得出1982—2015年黃土高原NDVI呈增加趨勢(shì)，但未來(lái)有部分地區(qū)會(huì)退化；NDVI受降水的影響強(qiáng)于氣溫，而生態(tài)工程在植被恢復(fù)中扮演了重要角色。李雙雙等[30]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)得出陜甘寧地區(qū)退耕還林還草以來(lái)植被以輕微改善為主，受人類活動(dòng)和氣候變化共同影響，且人類活動(dòng)更明顯。

以往研究中較多從黃河流域局部地區(qū)進(jìn)行研究，對(duì)整個(gè)黃河流域近年來(lái)的NDVI趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因素研究較少，同時(shí)多基于NDVI數(shù)據(jù)分析植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)，對(duì)人類活動(dòng)的影響關(guān)注也較少，且以定性描述分析為主。本文基于NDVI數(shù)據(jù)、降水及氣溫等數(shù)據(jù)，采用一元線性趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)分析及殘差分析，對(duì)黃河流域NDVI的時(shí)空演變規(guī)律及未來(lái)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并從氣候和人類活動(dòng)兩個(gè)方面探討NDVI變化的驅(qū)動(dòng)因素，以加深對(duì)植被—?dú)夂颉祟惢顒?dòng)之間的相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)，為制定合理的生態(tài)工程、土地利用及生態(tài)保護(hù)策略等提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河發(fā)源于青藏高原，流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省區(qū)，最后注入渤海，流域介于 96°—119°E，32°—42°N之間，東西長(zhǎng)約1 900 km，南北寬約1 100 km，流域總面積達(dá)7.95×105km2左右，位于中國(guó)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)，全年氣溫差異明顯，年平均降水量為200～600 mm。按照中央氣象局對(duì)全國(guó)的氣候區(qū)劃，黃河流域主要屬于南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)。流域地勢(shì)西高東低，河源至內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)為上游地區(qū)，河段落差較大；內(nèi)蒙古河口鎮(zhèn)至河南省桃花峪為中游地區(qū)，地形為黃土地貌，水土流失嚴(yán)重；河南省桃花峪以下的河段為下游地區(qū)，主要由黃土沖擊平原形成(圖1)。

圖1 黃河流域地理位置

1.2 研究數(shù)據(jù)

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA (https:∥earthdata.nasa.gov/)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13Q1。數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，時(shí)間跨度為2000年1月至2018年12月，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)裁剪及重采樣為1 km分辨率，然后采用最大值合成法獲取逐月NDVI數(shù)據(jù)，有效地去除云、大氣和太陽(yáng)高度角等產(chǎn)生的影響，最后將一年內(nèi)NDVI最大值數(shù)據(jù)作為年NDVI數(shù)據(jù)，消除極端年份氣候異常對(duì)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的影響。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，將全國(guó)900個(gè)站點(diǎn)2000年1月至2018年12月各年份逐月數(shù)據(jù)取均值作為年氣象數(shù)據(jù)，采用專業(yè)ANUSPLIN軟件進(jìn)行插值、裁剪得到研究區(qū)2000—2018年1 km分辨率的溫度和降水柵格數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/)，該數(shù)據(jù)集基于最新的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣生成，采用WGS84橢球投影，分辨率為1 km。植樹造林及糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)分別來(lái)自陜西和寧夏兩省統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析 一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，以單個(gè)像元時(shí)間變化特征反映整個(gè)空間變化規(guī)律，綜合反映區(qū)域時(shí)空格局演變[31-32]。其計(jì)算公式如下：

NDVI=a×year+b

(1)

式中：a為像元NDVI回歸方程的斜率Slope，若a為正，表示NDVI呈增加趨勢(shì)，a為負(fù)，表示NDVI呈減少趨勢(shì)；year代表年份，b代表回歸方程的截距[33-34]。

趨勢(shì)顯著性用F檢驗(yàn)，其計(jì)算公式為:

(2)

(3)

(4)

1.3.2 Hurst指數(shù) 自然界中具有長(zhǎng)期依賴性的時(shí)間序列是普遍存在的，Hurst指數(shù)是定量描述時(shí)間序列信息長(zhǎng)期依賴性的有效方法之一，最早由英國(guó)水文學(xué)家Hurst提出，在水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、氣候?qū)W、地質(zhì)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[35]。其計(jì)算原理如下：

對(duì)于任意正整數(shù)τ≥ 1，定義均值序列 {ξ(t)} ：

(5)

(1) 離差：

(6)

(2) 極差：

(τ=1,2，…，N)

(7)

(3) 標(biāo)準(zhǔn)差：

(τ=1,2，…，N)

(8)

引入無(wú)量綱的比值R/S，若存在H使得R/S=(cτ)H成立，則說明{ξ(t)}存在Hurst現(xiàn)象，H為Hurst指數(shù)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中〔lnτ，ln(R/S)〕使用最小二乘法擬合，求得像元Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)取值范圍:

(1) 若0

(2) 若H=0.5，表明植被覆蓋度時(shí)間序列為互相獨(dú)立的隨機(jī)序列;

(3) 若0.5

1.3.3 相關(guān)性分析 偏相關(guān)分析是指兩個(gè)變量同時(shí)與第3個(gè)變量相關(guān)時(shí)，將第3個(gè)變量的影響剔除，只分析另兩個(gè)變量之間相關(guān)程度的過程[34]。計(jì)算公式為：

(9)

式中：rxy,z為偏相關(guān)系數(shù)；rxy，rxz，ryz分別為x，y，z兩兩間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。rxy,z大于0，則兩變量呈正相關(guān)，rxy,z小于0，則兩變量呈負(fù)相關(guān)。

1.3.4 殘差分析 通過剔除NDVI長(zhǎng)時(shí)間序列變化中降水和氣溫因素的影響來(lái)剝離開植被覆蓋變化中自然因素和人為因素。本文利用剔除異常值的NDVI和降水量和氣溫?cái)?shù)值做回歸分析，計(jì)算出NDVI的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的差值，以此作為人為因素對(duì)植被覆蓋變化的影響，即殘差趨勢(shì)法[36]。該方法在研究中得到了廣泛的應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

NDVI預(yù)測(cè)值=aT+bP+c

(10)

NDVI殘差=NDVI真實(shí)值-NDVI預(yù)測(cè)值

(11)

式中：NDVI真實(shí)值為遙感影像中NDVI值，NDVI預(yù)測(cè)值指假設(shè)沒有人類活動(dòng)影響，基于NDVI以及氣溫和降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，以NDVI為因變量、以氣溫和降水量為自變量，建立二元線性回歸模型得到的NDVI預(yù)測(cè)值；T，P分別為氣溫、降水；a，b，c為模型參數(shù)[16]。

通過公式(1)計(jì)算NDVI殘差的變化趨勢(shì)，趨勢(shì)率為正，表示人類活動(dòng)對(duì)NDVI起促進(jìn)作用，趨勢(shì)率為負(fù)，表示人類活動(dòng)對(duì)NDVI起抑制作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI時(shí)空變化分析

(1) 時(shí)間變化特征。2000—2018年黃河流域NDVI整體呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)(圖2a)，NDVI值介于0.484 305，0.633 907之間，總體增速為6.8%/10 a。大致分為3個(gè)階段，2000—2011年為第一階段，NDVI增加較緩；2011—2013年為第二階段，先上升后下降；2015—2018為第三階段，持續(xù)增加，增速較快。在增加過程中2011年和2015年驟然減少，分別為0.540 684，0.565 101，但較2000年(0.484 305)而言仍表現(xiàn)為增加。

圖2 2000-2018年黃河流域NDVI時(shí)間變化特征及空間分布

(2) 空間分布及變化趨勢(shì)。通過對(duì)2000—2018年多年平均NDVI值計(jì)算得到19 a NDVI空間分布圖(圖2b)，整體上，黃河流域沿黃河干流和支流區(qū)域具有較高的植被； NDVI值東南部及西部較高，這些地區(qū)主要為平原、盆地及山地地貌，植被狀況較好，北部及西北部主要為黃土高原和荒漠，NDVI較低。由東南向西北部減少，空間分布存在兩條界線(圖2b)： ①東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)界線，界線以北為較低值區(qū)，界線以南為較高值區(qū)，大致沿鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽(yáng)—平?jīng)觥ㄎ饕痪€，和南溫帶和中溫帶分界線、溫帶草原和溫帶闊葉林分界線有一定重合； ②青藏高原生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)及東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)界線，大致沿西寧—甘南—定西一線，和高原氣候區(qū)和中溫帶及南溫帶、青藏高原高寒植被區(qū)和溫帶草原及溫帶闊葉林分界線有一定重合。兩條界線呈Ⅴ字型，Ⅴ字型兩側(cè)為較高值區(qū)，Ⅴ字內(nèi)為較低值區(qū)。

通過NDVI分布進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)(表1)，NDVI值低于0.1的區(qū)域占0.4%，主要分布在上游的冰川湖泊、裸巖荒漠和沙地沙漠等，主要以草原和高寒植被為主。NDVI值在0.1～0.5之間的有36.5%，在0.5～0.9之間有63.1%。其中下游NDVI最高，均值約為0.7，小于0.1的區(qū)域僅占0.4%，0.1～0.5的區(qū)域占5.4%，0.5～0.9的區(qū)域占94.2%；中游次之，均值約為0.6，不存在NDVI小于0.1的區(qū)域，0.1～0.5的區(qū)域占21.2%，0.5～0.7的區(qū)域占78.8%，0.7～0.9的區(qū)域占34.9%；上游最低，均值約為0.5，小于0.1的區(qū)域占0.7%，0.1～0.5的區(qū)域占50.8%，0.5～0.9的區(qū)域占48.5%。

表1 2000-2018年黃河流域NDVI空間分布分級(jí)統(tǒng)計(jì)

為更好的評(píng)價(jià)NDVI變化情況，參照已有研究[30]，結(jié)合本文實(shí)際，將Slope劃分為嚴(yán)重退化(Slope≤-0.03)、中度退化(-0.030.03)，從一元線性趨勢(shì)分析結(jié)果(圖3a)和NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn)，黃河流域植被NDVI整體以改善為主，改善區(qū)約占62.32%，改善區(qū)主要呈帶狀分布，大致存在3條界線：①沿鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽(yáng)—平?jīng)觥ㄎ鳌鲗帯誓?；②太原盆地—臨汾盆地—關(guān)中平原；③運(yùn)城盆地—三門峽，兩兩界線間的條帶區(qū)域基本為改善區(qū)。退化面積僅占2.16%，以中下游城市地區(qū)為主，在蘭州、寧夏平原、河套平原、包頭至呼和浩特、太原盆地、關(guān)中盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地、晉城、洛陽(yáng)及山東境內(nèi)都有零散分布，或與城市發(fā)展、土地利用變化有一定的關(guān)系。明顯改善面積占0.09%，中度改善面積占6.72%，輕微改善面積占55.51%，中上游地區(qū)改善面積占比較多且較為集中，主要包括黃河源區(qū)南部和東部、青海黃河兩岸、甘肅南部、祁連山區(qū)、寧夏平原、河套平原、黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中平原北部、山西西部等地；而下游主要分布在三門峽和山東等地。基本不變的區(qū)域占35.52%，主要分布在黃河源區(qū)中部、鄂爾多斯高原、毛烏素沙地、關(guān)中平原東部及下游地區(qū)。在黃河源區(qū)及鄂爾多斯高原等地，NDVI改善、退化及基本不變等趨勢(shì)交織零星分散在一起，可能與植被本身生長(zhǎng)情況較為復(fù)雜，加之自然條件與區(qū)域內(nèi)部差異有關(guān)，在通過對(duì)NDVI線性趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)(圖3b)，大部分地區(qū)通過了顯著性檢驗(yàn)，其中顯著改善的區(qū)域占顯著區(qū)域的96.4%，顯著退化的區(qū)域僅占3.6%，說明整體上NDVI呈增加的趨勢(shì)。

圖3 2000-2018年黃河流域NDVI空間變化趨勢(shì)(a)及顯著性檢驗(yàn)(b)

表2 2000-2018年黃河流域NDVI變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

(3) 持續(xù)性分析。對(duì)19 a NDVI進(jìn)行持續(xù)性分析統(tǒng)計(jì)(表3)，Hurst指數(shù)介于0.158 064，0.948 973，平均值為0.49,Hurst指數(shù)小于0.5的區(qū)域占比59.8%，大于0.5的占比40.2%，故NDVI變化的反向持續(xù)性強(qiáng)于持續(xù)性。將Hurst指數(shù)進(jìn)行分級(jí)顯示并統(tǒng)計(jì)得出，弱、較弱持續(xù)性系列(0.35～0.65)占91.9%，植被的恢復(fù)若依靠單一因素(自然或人類活動(dòng)修復(fù)，例如自然維持的原始森林、人類維持的農(nóng)田)，其恢復(fù)序列表現(xiàn)出較強(qiáng)的持續(xù)性，而黃河流域這種弱持續(xù)性證明了植被覆蓋變化是在自然、人類活動(dòng)等多種因素共同驅(qū)動(dòng)下形成的。

從Hurst指數(shù)空間分布來(lái)看(圖4a)，Hurst指數(shù)中部高，東西低，反向持續(xù)序列占主體與持續(xù)性序列呈斑塊分布，反持續(xù)序列主要分布在上游黃河源區(qū)、甘肅中東部、包頭—呼和浩特一帶、山西西部、黃土高原東部及天水—關(guān)中一帶等地。為探究未來(lái)趨勢(shì)的可持續(xù)性，將趨勢(shì)分析結(jié)果與可持續(xù)分析Hurst指數(shù)進(jìn)行耦合疊加(圖4b)，通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)(表4)，54.4%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?.1%的區(qū)域持續(xù)退化，而持續(xù)改善和由退化到改善的區(qū)域分別占37.2%和4.3%。黃河源區(qū)植被為高寒植被，未來(lái)植被變化較為復(fù)雜，持續(xù)改善/退化、反持續(xù)改善/退化在黃河源區(qū)呈現(xiàn)斑點(diǎn)零散的特征。四川省北部、甘肅省中部、祁連山區(qū)、烏海、鄂爾多斯、包頭、延安、朔州、三門峽市等地呈反持續(xù)改善，這些地區(qū)大部分為高寒植被和溫帶草原區(qū)，未來(lái)植被有可能出現(xiàn)退化趨勢(shì)。黃土高原地區(qū)主要為可持續(xù)性，以持續(xù)改善趨勢(shì)為主體，未來(lái)植被可能會(huì)持續(xù)改善，表明退耕還林/草等生態(tài)工程建設(shè)對(duì)該地區(qū)未來(lái)植被的改善有積極的作用。由于城市化、人口發(fā)展、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等因素的影響，西寧市、蘭州市、河套平原、關(guān)中平原、中下游城市等地未來(lái)可能持續(xù)退化，并伴隨著反持續(xù)退化現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 2000-2018年黃河流域NDVI的Hurst指數(shù)統(tǒng)計(jì)

表4 2000-2018年黃河流域NDVI的變化趨勢(shì)持續(xù)性

2.2 NDVI對(duì)氣候和人類活動(dòng)的響應(yīng)

2.2.1 NDVI對(duì)氣候的響應(yīng) 黃河流域地處中國(guó)干旱和半干旱地區(qū)，降水量的多少直接影響NDVI的變化，氣溫也是影響黃河流域NDVI變化的直接原因之一。為探究NDVI與降水量和氣溫的變化關(guān)系，分別將NDVI與降水量和氣溫進(jìn)行相關(guān)分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)NDVI與降水量具有較顯著的正相關(guān)性(r=0.545，p<0.05，n=19)，與氣溫也存在一定程度的相關(guān)性(r=0.356，p<0.05，n=19)，NDVI對(duì)降水的響應(yīng)大于氣溫。

圖5 2000-2018年黃河流域NDVI與氣溫及降水變化相關(guān)分析

同時(shí)對(duì)研究區(qū)NDVI與降水、氣溫分別進(jìn)一步進(jìn)行偏相關(guān)分析，并進(jìn)行p<0.05的顯著性檢驗(yàn)(圖6)，NDVI與降水和氣溫的平均偏相關(guān)系數(shù)分別為0.6，0.1，進(jìn)一步表明NDVI與降水和氣溫呈正相關(guān)，且與降水的偏相關(guān)強(qiáng)度稍大于氣溫，主要是由于黃河流域處于干旱半干旱地帶，加之氣候變暖，使得干旱的幾率增加，制約植被生長(zhǎng)。通過顯著性檢驗(yàn)的偏相關(guān)結(jié)果顯示，整體上NDVI與降水呈顯著正偏相關(guān)，主要分布在青海黃河兩岸地區(qū)、甘肅中東部、寧夏南部、烏海東部、鄂爾多斯—呼和浩特一帶、朔州、毛烏素沙地、延安黃土高原溝壑區(qū)—呂梁一帶以及三門峽—運(yùn)城一帶等地集中分布，在關(guān)中平原、太原盆地、臨汾盆地、鄭州花園口及山東濟(jì)南等地呈零散狀分布。NDVI與降水呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在四川北部、烏海、寶雞、洛陽(yáng)及濟(jì)南等地。

整體上NDVI與氣溫呈顯著正相關(guān)，上游的三江源區(qū)、四川北部及甘肅甘南，位于青藏高原氣候帶，海拔高，生態(tài)環(huán)境極為敏感脆弱，低溫嚴(yán)重制約植被生長(zhǎng)，除此，正相關(guān)的區(qū)域在平?jīng)觥獞c陽(yáng)一帶、寧夏平原、包頭、臨汾盆地、陜西河南交界及開封—濮陽(yáng)一帶等地零散分布。NDVI與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要在毛烏素沙地、烏海、巴彥淖爾、延安一帶的黃土高原溝壑區(qū)、呂梁及洛寧—盧氏一帶呈塊狀分布，黃南、臨夏、包頭—呼和浩特一帶、天水—關(guān)中平原一帶、運(yùn)城盆地、晉城、鄭州花園口—小浪底水庫(kù)以及濟(jì)南—黃河三角洲一帶等地零散分布。其中在黃土高原區(qū)，高溫對(duì)植被以抑制為主，隨著溫度的升高，地面蒸發(fā)增加，土壤干化不利于植被生長(zhǎng)。

圖6 2000-2018年黃河流域NDVI與降水及氣溫的偏相關(guān)分析

2.2.2 NDVI對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng) 除氣候變化等自然因素外，人類活動(dòng)也是影響植被覆蓋的重要因素，一般來(lái)說，人類活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響有兩方面：①正干擾，使得生態(tài)環(huán)境得到改善；②人類活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)干擾，其會(huì)加劇植被退化程度。通過殘差分析計(jì)算趨勢(shì)變化特征，殘差變化趨勢(shì)率為正表示人類活動(dòng)促進(jìn)植被NDVI增加，對(duì)植被恢復(fù)具有促進(jìn)作用；反之，表示會(huì)導(dǎo)致植被NDVI減少，對(duì)植被恢復(fù)具有抑制作用。

為了更好地評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)狀況的影響，將殘差趨勢(shì)進(jìn)行劃分等級(jí)并統(tǒng)計(jì)(圖7)，黃河流域76.7%的地區(qū)NDVI殘差趨勢(shì)為正，人類活動(dòng)整體對(duì)NDVI增加的影響以促進(jìn)作用為主，主要分布在中上游的黃河源區(qū)、甘肅中部、寧夏沿黃區(qū)、河套平原、黃土高原溝壑區(qū)、天水東部等，這些地區(qū)由于生態(tài)工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、封山育林、禁牧休牧等原因，人類活動(dòng)對(duì)植被產(chǎn)生了促進(jìn)影響。而人類活動(dòng)抑制NDVI增加的地區(qū)僅占3.9%，大多集中分布在各城市(群)，如蘭州、銀川、吳忠、太原、關(guān)中城市群、中原城市群、濟(jì)南等，其中以中下游地區(qū)城市(群)較為集中，這些地區(qū)人口密度大，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，在不斷的城市化進(jìn)程中，城市建成區(qū)擴(kuò)張，大量耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，人類活動(dòng)對(duì)植被的生長(zhǎng)起到了抑制性作用。根據(jù)NDVI變化趨勢(shì)、與降水氣溫的偏相關(guān)分析結(jié)果可知，在黃河源區(qū)，受人類活動(dòng)影響較低，主要依賴氣候因子控制，隨著黃河源區(qū)的三江源生態(tài)保護(hù)工程的逐步建設(shè)，未來(lái)人類活動(dòng)可能對(duì)該地區(qū)的影響會(huì)逐步增強(qiáng)。

圖7 2000-2018年黃河流域NDVI殘差變化趨勢(shì)分布及統(tǒng)計(jì)

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高、勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移、經(jīng)濟(jì)水平的提高、生活方式的轉(zhuǎn)變都可能影響到植被覆蓋的變化[37-38]，人類活動(dòng)存在難以定量化研究的問題。結(jié)合信忠保[13]和趙安周等[29]研究，下面從植被建設(shè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面來(lái)分析人類活動(dòng)對(duì)植被的影響。中游的黃土高原溝壑中部地區(qū)，處于半干旱區(qū)，近些年來(lái)由于大力實(shí)施退耕還林(草)、植樹造林、合理放牧等國(guó)家或區(qū)域性政策的實(shí)施措施，對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生了直接影響，當(dāng)?shù)刂脖坏玫搅溯^好的恢復(fù)。延安和榆林是中游地區(qū)退耕還林還草典型重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)兩個(gè)地區(qū)自2000年來(lái)累計(jì)造林面積與NDVI的關(guān)系統(tǒng)計(jì)(圖8a和8b)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域NDVI與累計(jì)造林面積呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.95(n=19，p<0.01)和0.916(n=19，p<0.01)。在上游的寧夏和內(nèi)蒙古黃河兩岸灌溉區(qū)等地，深居內(nèi)陸，干旱少雨，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉依賴性較強(qiáng)。由于農(nóng)業(yè)灌溉得當(dāng)，農(nóng)業(yè)發(fā)展良好，多數(shù)區(qū)域的耕地NDVI得到增加。通過對(duì)寧夏自2000年以來(lái)的糧食產(chǎn)量與NDVI的關(guān)系進(jìn)行分析(圖8c)，糧食產(chǎn)量呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，NDVI與之較為同步，二者具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.862，n=19，p<0.01)。然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及植被建設(shè)中應(yīng)考慮大規(guī)模造林和農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)上述地區(qū)水資源的影響，避免造成土壤水分及地下水減少，反向抑制植被的生長(zhǎng)，在不影響原有自然條件的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展植樹造林和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。除此，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)影響下NDVI的變化趨勢(shì)(圖7a)和實(shí)際NDVI變化趨勢(shì)(圖3a)在一定程度上存在較強(qiáng)的一致性。以上說明NDVI的增長(zhǎng)并不完全依賴于自然條件，人類的各種活動(dòng)在黃河流域植被生長(zhǎng)中發(fā)揮了重要作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 結(jié) 論

本文基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，采用一元線性趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)、偏相關(guān)分析及殘差分析等方法，分析了2000—2018年黃河流域NDVI時(shí)空變化格局，并探討了其對(duì)氣溫、降水等氣候因子和人類活動(dòng)兩個(gè)方面的響應(yīng)。

(1) NDVI時(shí)間變化。2000—2018年黃河流域NDVI主要呈現(xiàn)在波動(dòng)中不斷增加的趨勢(shì)，總體增長(zhǎng)率為6.8%/10 a，分為3個(gè)階段。第一階段(2000—2011年)增速較緩，第二階段(2011—2015年)先增加后減少，第三階段(2015—2018年)持續(xù)增加。

(2) NDVI空間分布。黃河流域NDVI在東南部及西部較高，北部及西北部較低，由東南向西北減少，下游最高，中游次之，上游最低。整體以東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)界線(鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽(yáng)—平?jīng)觥ㄎ?和青藏高原生態(tài)地理區(qū)和西北干旱生態(tài)地理區(qū)及東亞季風(fēng)生態(tài)地理區(qū)界線(西寧—甘南—定西)為界呈Ⅴ字型分布。

圖8 2000-2018年NDVI與延安、榆林市累計(jì)造林面積及寧夏回族自治區(qū)糧食產(chǎn)量的相關(guān)分析

(3) NDVI變化趨勢(shì)。黃河流域植被NDVI整體以改善為主，改善區(qū)約占62.32%，主要集中分布在中上游地區(qū)，存在3條界線：①鄂爾多斯—毛烏素沙地—慶陽(yáng)—平?jīng)觥ㄎ鳌鲗帯誓?；②太原盆地—臨汾盆地—關(guān)中平原；③運(yùn)城盆地—三門峽，兩兩界線間基本為改善區(qū)，而退化區(qū)域以中下游為主，呈零散分布；變化反持續(xù)性強(qiáng)于持續(xù)性，前者占主體，與后者呈斑塊分布，且表現(xiàn)出較強(qiáng)的弱持續(xù)性，有54.4%的區(qū)域?qū)⒂筛纳谱優(yōu)橥嘶?.1%的區(qū)域持續(xù)退化，而持續(xù)改善和由退化到改善的區(qū)域分別占37.2%和4.3%。

(4) NDVI對(duì)氣候和人類活動(dòng)響應(yīng)。NDVI黃河流域NDVI與降水和氣溫呈正相關(guān)，且與降水的偏相關(guān)強(qiáng)度稍大于氣溫。流域76.7%的地區(qū)的NDVI殘差呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明人類活動(dòng)整體對(duì)NDVI增加的影響以促進(jìn)作用為主，其促進(jìn)作用：中游>上游>下游。在人類活動(dòng)中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)工程建設(shè)對(duì)NDVI變化有著重要影響。也存在少部分地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)NDVI增加產(chǎn)生了干擾，主要是由于能源開發(fā)、城市化發(fā)展、土地利用變化、過度開墾、人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素。

3.2 討 論

黃河流域地處干旱、半干旱及半濕潤(rùn)地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被變化長(zhǎng)期復(fù)雜。本文通過研究發(fā)現(xiàn)黃河流域植被分布差異較為明顯，其變化受到氣候和人類活動(dòng)的綜合影響，總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其整體分布為東南高西北低，與前人研究一致[18-19]。研究區(qū)內(nèi)包括黃河源區(qū)、寧夏平原、甘肅中東部、鄂爾多斯高原、黃土高原溝壑區(qū)、關(guān)中等地區(qū)植被分布及變化特征與有關(guān)研究基本吻合[9,11-12,18,23,29-30,39-41]。黃河流域植被整體是改善的，其中氣溫、降水等因子對(duì)植被生長(zhǎng)有重要影響，且具有空間異質(zhì)性[39]，而人類活動(dòng)在植被生長(zhǎng)中也扮演了重要的角色，會(huì)對(duì)NDVI變化產(chǎn)生正面促進(jìn)或負(fù)面干擾的影響。通過分析得出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與植樹造林等活動(dòng)對(duì)植被恢復(fù)具有促進(jìn)作用[13,29]，也有研究發(fā)現(xiàn)，大力建設(shè)國(guó)家公園與自然保護(hù)區(qū)，制定合理放牧、保護(hù)耕地等政策法規(guī)，以及實(shí)施天保、退耕還林(草)、水土保持等生態(tài)工程，均會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖簧L(zhǎng)NDVI增加產(chǎn)生促進(jìn)作用[11,21-22,28-29,41]。不同地區(qū)的NDVI的主導(dǎo)因子也可能不同，例如在黃土高原地區(qū)降水因素對(duì)NDVI的影響較強(qiáng)于溫度，氣候因素是三江源區(qū)NDVI變化的主要驅(qū)動(dòng)力，其中氣溫升高主要促進(jìn)NDVI增加，目而前人類活動(dòng)對(duì)該地區(qū)NDVI的促進(jìn)作用仍有限，隨著生態(tài)工程的實(shí)施，人類影響可能會(huì)進(jìn)一步增加，這與已有研究具有一定的一致性[13,15,17,22,24-25]。

退耕還林20 a以來(lái)，中國(guó)累計(jì)實(shí)施退耕還林還草3.39×105km2，占中國(guó)重點(diǎn)工程造林總面積的40%，成林面積近2.67×105km2，林草植被大幅增加，風(fēng)沙危害和水土流失得到有效遏制，生態(tài)狀況顯著改善。然而在生態(tài)工程建設(shè)中應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛩牡纫蛩?，因地制宜、分區(qū)分類開展，以黃土高原為代表的干旱—半干旱區(qū)，若過度開展植樹造林，忽略對(duì)土壤水分蒸散發(fā)的影響，會(huì)造成區(qū)域水資源減少，加劇干旱—半干旱地區(qū)水資源壓力，反而不利于植被恢復(fù)[13,29]。在上游地區(qū)，國(guó)家已經(jīng)成立三江源自然保護(hù)區(qū)，并于2005年頒布《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》，采取了牧區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、牧民進(jìn)城以及禁牧補(bǔ)貼等一系列有效措施，三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境得到進(jìn)一步恢復(fù)[28,40]，鄂爾多斯等地2000年以來(lái)推行了一系列政策，如封山育林、退耕還林、禁牧、休牧、劃區(qū)輪牧，推動(dòng)了草原生態(tài)自然恢復(fù)[12]，人類的保護(hù)與治理在區(qū)域植被恢復(fù)中正逐步起到促進(jìn)作用。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)不可避免地對(duì)植被造成影響，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，中下游城市(群)人口密度大，城市擴(kuò)張迅速，應(yīng)同時(shí)注重城市建設(shè)和生態(tài)建設(shè)，河南省近年在沿黃河兩岸已造林46.67 km2，打造沿黃生態(tài)廊道120 km，極大地改善了生態(tài)環(huán)境。人類活動(dòng)日益在植被恢復(fù)中起到不可忽視的作用，開展適度的生態(tài)工程如植樹造林，建設(shè)自然保護(hù)區(qū)，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及實(shí)施相關(guān)政策如禁牧休牧等均對(duì)植被恢復(fù)生態(tài)改善具有重要影響。

本文僅采用降水和氣溫作為NDVI變化的氣候驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，日照時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)速、蒸散發(fā)等也可能對(duì)植被產(chǎn)生影響；在利用殘差分析來(lái)探討人類活動(dòng)對(duì)NDVI增加產(chǎn)生的影響時(shí)，未將氣候因子及人類活動(dòng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量分析；另外在時(shí)間尺度方面，由于不同季節(jié)月份的氣候差異，植被對(duì)氣候可能會(huì)存在一定的滯后現(xiàn)象，本文從年際尺度分析，未將季節(jié)尺度和月尺度上的植被生長(zhǎng)對(duì)氣候滯后性的響應(yīng)納入研究。總之，從開展多尺度分析、細(xì)化人類活動(dòng)因子、量化氣候和人類因素對(duì)NDVI變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)等方面對(duì)黃河流域NDVI時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究有待今后進(jìn)一步的探討。