宁夏回族自治区NDVI的时空变化特征研究

杜灵通，田庆久

（1.南京大学 国际地球系统科学研究所，江苏 南京210093；2.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川750021）

地表植被变化是全球变化研究的重要内容之一，近年来，受到了众多学者的广泛关注［1－3］，特别是随着遥感技术的发展，长时间序列植被指数被广泛地应用到陆地生态系统的研究之中［4－6］。全球尺度的植被变化研究结果表明，北半球的植被活动有逐年增加的趋势［7］，方精云等［8］的研究结果显示，中国近20 a来植被活动也在总体增强，并且在东亚及全球生态系统中起着重要的作用，但在不同的地理区域，其变化差异明显［9－10］。导致中国植被活动增强的主要原因有两方面，一是近年来实施的退耕还林等各种林业活动，二是区域引水灌溉增加绿洲集约经营的各种农业活动［8］。但是也有研究表明，快速的工业化、城市化和农牧交错带的过度放牧等活动，导致一些地区的地表植被开始退化［11］。现有的研究结果显示，地表植被的变化与区域植被类型、气候变动以及人类活动强度等因素密切相关［12］，因此一些学者对不同地理分区的植被活动进行研究，并论述了东部季风区、青藏高原、西北干旱区、北方农牧交错带、黄土高原等地的植被变化与区域气候之间的关系［13－17］。宁夏是中国西部的一个典型生态脆弱区，其地处腾格里沙漠、毛乌素沙漠和乌兰布和沙漠的前沿，既是中国沙尘暴4大源区之一［18］，也是风沙进入京津塘地区的必由通道，可以说宁夏的植被变化在一定程度上决定着北方农牧交错带的生态安全。为此，本研究利用1999年以来的SPOT－VGT NDVI数据，对宁夏近11 a来的植被时空变化特征进行了研究，并分析了引起这些变化的生态响应因素，以期为宁夏生态建设决策和区域生态环境演变研究提供科学依据。

1 研究区概况

宁夏回族自治区位于黄河中上游黄土高原西北部，介于104°17′—107°39′E和35°14′—39°23′N 之间，南接甘肃省，东连陕西省，北部与内蒙古自治区相邻，总面积为51 800 k m2。宁夏北部为银川平原，由于黄河从中部进入宁夏，给银川平原带来了丰富的水源，使其成为宁夏最富庶的地区，有“天下黄河富宁夏”之说。宁夏的中部，多为丘陵山地和山间盆地，气候干燥，植被稀少，是典型的荒漠化草原。南部则是举世闻名的黄土高原的一部分，六盘山高踞黄土丘陵之上，平均海拔在2 000 m左右，这里植被丰富，是宁夏最潮湿的地方。宁夏深居内陆，属典型的大陆性气候，干旱少雨，日照充足，年平均气温5～9℃，多年平均降水量为292 mm，且南多北少，而年蒸发量则在2 000 mm以上。截止2008年末全区总人口为618万人。

2 研究方法

2.1 数据预处理

本研究利用比利时佛莱芒技术研究所提供的覆盖东亚的SPOT－VGT归一化植被指数（NDVI）数据集［19］，时间跨度为1999年1月到2009年12月，共11 a的数据序列。该数据集存储的是像元灰度DN值，应用时须按式（1）转换成真实的NDVI值。

在遥感应用中，特别是时间序列的对比研究中，去除云的影响非常重要。虽然宁夏地处内陆，常年干旱少雨，同一地区连续10 d以上的云层覆盖情况较少，但对于极端天气情况，依然会有云影响。另外，冬季宁夏偶尔会有超过10 d的积雪覆盖，特别是南部山区，这也会影响10 d最大值合成NDVI的真实性。为消除云、雪的影响，本研究将10 d合成的SPOTVGT NDVI原始数据，按最大值合成算法，合成月最大值NDVI数据集。此外依照相同算法，还生成了年最大值NDVI，由于年最大值合成NDVI在一些像元中包含有周期性噪声，为了消除这一影响，本文将年最大值合成NDVI减去年最小值合成NDVI（积雪和水体等负值部分统一赋0），重新生成新的年最大值合成NDVI数据集。

2.2 标准化植被异常指数

对于长时间序列的NDVI异常变化监测，许多学者使用距平植被指数，即将每年的NDVI值减去时间序列期间内的多年NDVI均值，这一概念来自于气候研究中的“距平”概念，陈维英等［20］将这一概念引入到了遥感植被指数领域，并进行干旱监测。为了更进一步消除植被季节性变动的影响，一些学者在距平植被指数的基础上，引入了标准化植被异常指数［21－23］：

式中：zi，j——标准化植被异常指数；i，j——NDVI的时间，i——年度，j——月份；yi，j——i年j月的最大值合成NDVI值；——研究时期内j月的NDVI平均值，为月最大值合成NDVI值在年度序列上的平均值；σj它是j月最大值合成NDVI在年度序列上的标准差。标准化植被异常指数可以较好地响应区域植被生境变化，特别是干湿环境。当标准化植被异常指数小于0时，说明在该时期内区域发生干旱，植被遭受干旱胁迫；而当标准化植被异常指数大于0时，说明在该时期内区域降水充沛，植被长势较好。

2.3 回归分析

植被指数的变化与区域生态环境变迁密切相关，二者变化具有明显的一致性，区域生态环境的恶化会导致植被指数降低，而生态环境的改善也会引起植被指数增高。为了定量研究区域生态环境的变化趋势，有学者引入了 一元 线 性 回 归 分 析 的 方 法［8，22，24－25］，对一组时间自变量x与NDVI因变量y数据，可以利用最小二乘法，计算出数据集上所有像元的NDVI与时间的回归斜率，其计算如下：

式中：k——回归斜率；n——模拟时间段长度，本研究中n＝11；xi——时间变量；yi——年最大值合成NDVI。k的数值变化反映了在研究期间内，植被指数的变化趋势，k＞0说明NDVI在研究期内处于增加趋势，反之则为减少趋势。每个像元点在研究期内的变化趋势都能得到一个k值，从而构成了一副k值图像，通过k值图像可以看出研究区各处的生态环境变化趋势。

单纯通过变化斜率k的大小，并不能判断这种变化趋势是否显著，为了检验时间自变量x与NDVI因变量y之间的线性变化是否显著，本文利用F检验对其显著性进行检验。

式中：yi——NDVI的实际观测值；——NDVI在研究时间段内的平均值；——NDVI的回归值；n——模拟时间段长度。

2.4 相关系数分析

时间变量x与NDVI变量y之间除了可以建立线性相关关系外，还可以通过建立二者之间的Pearson相关系数，来分析NDVI的长时序变化特征及趋势［26－27］，相关系数的计算公式如下：

式中：rxy——相关系数；xi——时间变量；yi——年最大值合成NDVI；——时间变量的平均值；——NDVI在研究时间段内的平均值；n——时间长度。相关系数rxy是时间变量与NDVI变量相关程度的统计指标，是一个归一化的参数。rxy＞0表示二者正相关，反映NDVI随时间呈整体变高的趋势，即区域生态环境逐步在改善；rxy＜0表示二者为负相关，反映NDVI随时间呈整体降低的趋势，即区域生态环境在逐步恶化；rxy的绝对值越接近1，表示NDVI的变化趋势越强。

2.5 变异系数

变异系数是一个反映序列数据中各观测值差异程度或离散程度的指标，将其应用到长时间植被指数序列的研究中，可表征地表植被在研究时期内的波动特征［22－23］：

式中：Cv——变异系数；yi——年最大值合成 NDVI；——NDVI在研究时间段内的平均值；n——时间长度。变异系数越大，说明地表植被状态在研究时期内波动越大，变异系数在一定程度上又可指示区域生态系统的脆弱程度，通常变异系数较大的地区，其生态系统较脆弱，该生态系统受区域气候因子（如降水、气温等）波动的影响也更为明显。

3 结果及分析

3.1 植被指数空间特征

由于植被指数的特点，一般认为NDVI达到0.1以上表示该地区有植被覆盖，NDVI增加表示绿色植被在增加；0.1以下则表示地表无植被覆盖，如裸土、沙漠、戈壁等［24］。当植被指数达到0.1～0.8时，植被指数才与植被的生长情况呈正相关关系。从生态学的角度看，一个地区植被指数的变化可以反映该地区生物量的变化，可以认为植被指数状况越好，生态环境质量状况就越好［25］。从NDVI的空间特征可以看出，宁夏地区的NDVI与区域植被覆盖状况密切相关。全区总体NDVI都在0.1以上，只有腾格里沙漠边缘的少数地区出现NDVI小于0.1的情况。从空间分布来看，南部六盘山地区和北部银川平原的NDVI较高。六盘山地区是宁夏的主要水源涵养林保护区，山区林草葱郁，植被丰茂；银川平原虽然降雨量很低，但因黄河自流灌溉，在这里形成了一片有着上千年历史的绿洲。这两大区域是宁夏植被覆盖最好的地区，因此NDVI较高。

3.2 植被指数时间变化特征

利用最大值合成方法，合成宁夏1999—2009年以来的月最大值NDVI，得到132幅图像。由于计算出来的月最大值NDVI是一幅幅图像，为了便于定量比较1999—2009年间植被的变化，利用公式（7）统计每幅图像的平均值

式中：n——研究区内的像素数；NDVI——图像中各像素点的值。

根据132幅图像的统计值，绘制出宁夏1999—2009年以来各月NDVI随时间变化的曲线（图1）。为了分析不同生态区的NDVI变化情况，本研究分别在银川平原的引黄灌区、六盘山的林区和中部干旱带的荒漠草原区分别选择了一个10 k m×10 k m的样区，统计各样区的NDVI变化。从图中可以看出，银川平原引黄灌区和六盘山林区的NDVI明显好于中部干旱带的NDVI和全区的平均水平。另外NDVI年际变化受气候波动影响较大，特别是中部干旱带的NDVI受区域干旱的影响最大，在特大干旱的2000和2005年，中部干旱带的NDVI几乎接近于0.1。但气候干旱对引黄灌区和六盘山林区的NDVI几乎没有影响，这也符合当地的实情，引黄灌区农作物的主要水分供给来自黄河，其对气候干旱的响应较小，而六盘山林区由于海拔较高，气候凉润，加上天然林区的水源涵养作用，致使六盘山地区NDVI对区域气候波动的响应也较小。

图1 NDVI时间变化曲线

标准化植被异常指数可以较好地响应区域干湿环境的变化，从1999—2009年的标准化植被异常指数变化来看（图2），宁夏地区的标准化植被异常指数变动与区域气候变化密切相关。标准化植被异常指数在干旱年份（2000，2004—2006和2008年）均出现负值，特别是2000年的特大干旱，不仅造成当年标准化植被异常指数偏低，也导致大旱过后的次年，即2001年标准化植被异常指数也偏低。这也说明，在遭受大旱胁迫后，区域地表植被的恢复还需要一定的时间。

图2 标准化植被异常指数变化特征

虽然宁夏的NDVI受气候的变化而波动，特别是区域性的干旱灾害会造成NDVI明显降低，标准化植被异常指数出现负值，但从宁夏地区总的植被指数变化趋势来看，其仍处于逐年增强的态势（图3）。宁夏地区的降雨量从1999年以来，总体处于降低的趋势，即区域气候越来越干燥，在这种大的气候背景下，NDVI依然表现出逐年增加的趋势，这与宁夏从2000年以来实施的大面积退耕还林（还草）工程有关。该区在2000—2007年间，共完成退耕还林计划任务7 927 k m2，其中退耕地造林3 140 k m2，荒山荒地造林4 453 k m2，封山育林333 k m2。这一工程的实施，大幅度地提高了宁夏回族自治区的植被覆盖度，也提高了区域生态系统抵御气候变化的能力，生态治理工程的生态效应在NDVI的时间变化中显现了出来。

图3 NDVI及降雨量变化趋势

3.3 植被指数变化趋势

区域植被指数的变化趋势，在一定程度上反映的是区域生态环境变化趋势，因此本文利用一元线性回归分析方法，对宁夏1999年以来11 a的植被指数进行分析，计算结果见图4。宁夏近11 a来年最大值NDVI线性回归系数为正值的区域面积为49 400 k m2，占全区总面积的95.09%；为负值的区域为2 549 k m2，占总面积的4.91%。宁夏大部分地区的植被指数线性回归系数都大于0，表明全区植被呈正增长趋势，同时也有局部的地区植被在退化，但植被处于增加趋势的地区面积远远大于处于减少趋势的地区面积。这一结果初步表明，宁夏回族自治区近11 a来的生态环境在逐步改善。

图4 宁夏回族自治区近11 a来NDVI的变化趋势

为了检验因变量NDVI随时间自变量的线性变化是否显著，运用F检验方法，对回归显著性进行检验。结果表明，全区有61.87%的区域通过了α＝0.25的显著性检验，即可信度达到75%以上，其中有33.34%的区域通过了α＝0.05的显著性检验，即可信度达到95%以上。另外，全区还有38.13%的区域未通过α＝0.25的显著性检验，即这些区域的回归模拟可信度不足75%。可信度较高的地区主要为北部引黄灌区和东部盐池县一带，固海及红寺堡扬黄灌区也通过了α＝0.05的显著性检验。但中部干旱带的荒漠草原区和南部黄土丘陵区的可信度较低，许多地区未通过α＝0.25的显著性检验。

借鉴前人植被指数退化的划分标准［26－27］，并结合研究区实际情况，对宁夏1999年以来的植被变化程度进行划分（表1）。从中可以看出，宁夏在这11 a间出现植被改善的区域有42 169 k m2，占总土地面积的81.17%，其中达到明显改善的有25 591 k m2，占总土地面积的49.26%；出现植被退化的区域有750 k m2，占总土地面积的1.45%，其中严重退化的只有255 k m2，不足总土地面积的0.50%。从NDVI变化趋势的空间分布来看，植被明显退化的区域主要集中于银川、石嘴山、吴忠、中卫和固原5个地级市的市区及周边，因为这几个地级市是宁夏城市化进程最快的地区，快速的城市扩张占据了大量的农田和草地，使城市所在区域的植被开始减少，生态环境开始退化。此外，南部山区西缘的部分黄土丘陵区也有明显的植被退化现象。

表1 宁夏回族自治区近11 a植被指数趋势变化结果

运用相关系数法，建立宁夏1999—2009年最大值NDVI序列与时间变量的Pearson相关系数（图5）。从NDVI变量与时间变量的相关程度来看，宁夏大部分地区NDVI与时间成正相关变化，即宁夏大部分地区的植被指数在逐年增强，区域生态环境在逐步改善，其结果与一元线性回归明显一致。

造成宁夏整体植被增加、生态环境改善的主要动因是宁夏近年来实施的许多生态治理工程。宁夏是中国西部的一个典型生态脆弱区，20世纪90年代以前，区域总体生态环境趋于退化，特别是南部的黄土丘陵山区，由于毁林毁草开荒严重，造成该区域大面积的水土流失和生态退化，这里也因此成为了全国著名的“三西”贫困区之一［28］。但进入90年代以后，特别是21世纪以来，宁夏实施了许多重大的生态治理工程，如以贺兰山和六盘山等天然林区为主的天然林保护工程、以防沙治沙和平原绿化为主的“三北”防护林4期工程、以南部山区为主的退耕还林还草工程、以中部干旱带为主的退牧还草工程、以保护黄河堤岸为主的黄河护岸林工程等。这些工程的实施，极大地改善了区域地表植被覆盖状况，促进了宁夏生态环境的改善，即便是在宁夏气候总体趋于干旱的情况下，植被指数依然表现出增加的趋势。

图5 NDVI与时间的相关系数

3.4 植被指数变异特征

1999—2009年间宁夏的总体植被变化趋势已非常明显，为了定量衡量宁夏NDVI序列的变异特征，即空间波动性大小，本文运用变异系数对宁夏11 a来的年最大值NDVI进行研究。结果表明，宁夏植被增强趋势最显著的引黄灌区和六盘山林区，其变异系数最小，约为0.1左右，即这两大区域的地表植被波动性最小，生态系统较为稳定。而平均植被指数较低、但依然处于增加趋势的中部干旱带，其变异系数最大，多为0.3～0.4，部分地区甚至超过0.4，这说明在中部干旱带，地表植被在这11 a中波动较大，即中部干旱带的生态系统比其它地区脆弱，其受年际降水等气候因子波动的影响较大，这一结果与3.2节中所得的中部干旱带植被指数年际变化结果相符。此外，南部黄土丘陵区的变异系数主要介于0.1～0.2之间，说明其生态系统的稳定性介于中部干旱带与引黄灌区之间，但依然有一定的脆弱性，需要慎重保护。

4 结论

本研究利用1999—2009年的SPOT－VGT NDVI序列数据，对宁夏回族自治区近11 a来的地表植被状况进行了研究，并分析了1999年以来宁夏NDVI变化对区域生态环境的响应，获得以下几点认识：

（1）宁夏总体植被空间分布存在南北好、中间差的特征，这种格局与宁夏的地理气候区划相吻合。宁夏NDVI的变化受年际气候因素影响较大，并且对降雨响应明显，特别是中部干旱带的NDVI更易受降雨胁迫，这表现出了干旱、半干旱区生态系统比较脆弱的特征。

（2）一元线性模拟结果表明，宁夏回族自治区有81.17%的区域NDVI在增强，而且回归结果有61.87%的区域通过了α＝0.25的显著性检验，即NDVI的模拟趋势在大部分区域具有较高的可信度。相关分析也证实了宁夏NDVI的这一变化特征。

（3）在空间上，NDVI处于增加趋势的区域主要在宁夏中北部和东部，南部的六盘山区和东部黄土丘陵区也有一些改善；而植被退化的区域则主要集中在5个快速城市化的地级市及周边。中部干旱带具有较大的植被变异特征，NDVI波动性大，即这一区域的生态环境较为脆弱，而银川平原灌区和六盘山林区的植被变异系数较小。

（4）总体来说，宁夏回族自治区的NDVI变化特征，无论从时间还是空间角度，都与区域生态系统的基本特征密切相关，虽然NDVI会受短期降雨等气候因素影响，但长期变化趋势则更多地响应了区域生态环境的变化。特别是宁夏近年来实施的生态治理工程，其取得生态调节效应，已在NDVI变化特征中得以显现。

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