基于Mann—Kendall的北方农牧交错带植被时空变化分析

罗倩+刘晓暄+苏伟

摘要：中国北方农牧交错带是时农时牧过渡带，植被生态特征是反映区域生态质量的重要指标，分析该区域的植被生态特征的时空变化规律具有重要意义。基于时间序列MODIS-NDVI数据和土地覆被数据，利用均值法、分段线性回归法和Mann-Kendall趋势分析法，对北方农牧交错带2001-2013年间各种植被的生态特征时间变化情况、不同生态脆弱区的空间差异情况进行分析。结果表明，在时间尺度上，北方农牧交错带植被生态特征处于缓慢恢复态势，并且近几年植被恢复速度大于前十年;从空间上尺度来看，陕西和黑龙江所在区域是植被恢复面积比率最大、恢复速率最快、植被恢复情况最为明显的区域;青海和河北的植被近年来整体处于恢复的趋势，但是也有相对较大面积的区域植被出现显著的退化趋势;生态脆弱和人类活动变化是导致青海和河北区域植被恢复相对不明显的原因。

关键词：Mann-Kendall;中国北方农牧交错带;NDVI;植被生态特征;土地覆被

中图分类号：S127        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）23-5891-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.023

Vegetation Spatial and Temporal Variation Analysis Based on the Mann-Kendall Patternsin the Agricultural-Pastoral Areas

LUO Qian1，LIU Xiao-xuan1，SU Wei1，2

（1.College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China;

2.Key Laboratory of Agricultural information acquisition technology ，Ministry of Agricultural， Beijing 100083， China）

Abstract：The Agricultural-Pastoral Areas in northern China is a farming grazing transitional zone， vegetation ecological characteristics is one of the important indicators reflecting the regional ecological quality， so the analysis of the regional vegetation ecological characteristics of space and time variation law is of great significance. This article based on time series MODIS-NDVI data and land cover data， using the average method，  piecewise linear regression method and Mann-Kendall analysis method ，to the north patterns in 2001-2013 annual NDVI change trend， NDVI in various regions， especially in poor ecological restoration area change tendency were analyzed. Results were showed that the time scale， the agriculture and animal husbandry ecotone vegetation ecological characteristics in a slow recovery， and vegetation restoration in recent years faster than in the past ten years; from the point of space scale， Shanxi and Heilongjiang area's vegetation restoration area ratio is the largest， fastest recovery rate， vegetation recovery is the most obvious area; Qinghai and Hebei province in recent years， the overall recovery of vegetation in the trend， but there are relatively large areas of significant regional vegetation degradation trend; ecologically fragile change and human activity is relatively in Qinghai and Hebei regional vegetation restoration is not obvious.

Key words： Mann-Kendall; Agricultural-Pastoral Areas of Northern; NDVI; vegetation ecological features; land coverendprint

中国北方农牧交错带是一条典型的生态脆弱带，既是从干旱地区向湿润地区、从高原地区向丘陵、平原地区、从畜牧业向农业过渡的脆弱带，又是荒漠化威胁最严重的地区，还是中国最重要的生态屏障[1]。该区域在抵御自然灾害的侵蚀，有效化解各种自然灾害，减低风险起到重要的屏障作用。其次，半干旱区域能够对保持中国半湿润粮食主产区的生态、水资源和气候稳定起重要作用[2]。植被作为反映所在地区生态质量的重要指示器，其时空信息对揭示地表空间变化规律、分析评价区域生态环境具有重要意义。遥感是快速获取大面积信息的有效数据源，因而基于遥感技术的各种反演植被指数被广泛应用于评价生态脆弱区植被覆盖情况及其生态特征。许多学者就该区域内植被变化情况展开了一系列研究。穆少杰等[3]基于MODIS-NDVI遥感数据反演了内蒙古地区2001-2010年植被覆盖度的空间格局和变化规律，并结合该地区同期降雨量和温度数据，采用相关分析法分别进行不同空间和时间尺度上的变化分析;包刚等[4]利用HANTS方法对NDVI数据进行平滑分析处理的基础上，对蒙古高原植被覆盖时空动态进行了分析;宋怡等[5]利用一元线性回归法和变化幅度百分比等方法分析西北地区的西部植被变化特征。但是上述在此研究区内采用Mann-Kendall方法对植被生态特征开展的研究较少。因此本研究对该生态脆弱区内的植被生态特征变化进行分析，利用省级行政界线将北方农牧交错带划分为10个不同的区域，基于Mann-Kendall趋势分析法对每个区域进行逐像素13年间的趋势分析，得出整个北方农牧交错带植被在不同区域的时空变化情况。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

中国北方农牧交错带主要是指由于生产条件、生产方式以及生产目标的不同，在农业区与牧业区的衔接处，形成的独特而重要的过渡交界面。这个过渡界面会随着气候变化发生移动的空间位移[6，7]，系农业生产边际地带，也是生态脆弱带。对于中国北方农牧交错带区域的边界划分有很多种方法，学者也对其边界划分做了一定的研究，但一般都认为其大致沿北方400 mm降水等值线的走向，分布于中国东北、华北等地。研究区范围是参考苏伟等[8]所划分的范围（100.874°-124.773°E，34.72°-48.455°N），覆盖黑龙江、内蒙古、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海等10个省（市、自治区）的312个县，总面积742 727 km2，研究区如图1所示。

1.2  数据来源与处理

1.2.1  NDVI数据  遥感数据来源于美国地质调查局（USGS）所提供的MODIS-NDVI产品（https：//lpdaac.usgs.gov/products/），该植被指数经过各种数据预处理，用于分析研究区内的植被生态特征变化。该产品数据为Terra卫星1 km×1 km空间分辨率的16 d合成的MOD13A2数据，时间序列为2001-2013年。由于每年夏季为植被生长最为茂盛的时期，因此选用一年中的7月中旬的每个像元的NDVI最大值MAXNDVI作为研究数据。

MAX（NDVI，j）=max1≤j≤23（NDVI（i，j））

其中，MAX（NDVI，i）为第i年的该像元最大化NDVI值，也是一年内该像元上植被最茂盛时期NDVI值;NDVI（i，j）为第i年第j个16 d的NDVI值。

1.2.2  土地覆被数据  土地覆被数据来源于Combined卫星1 km×1 km空间分辨率、以年为时间分辨率的MCD12Q1数据，时间序列为2001-2012年。并且参考文献[8]提出的分类体系，将研究区土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地等6类。

1.3  数据处理

1.3.1  时空变化分析方法  通过分析13年时间序列上研究区内NDVI的分布差异，对长时间序列上的植被生态特征变化规律进行分析，采用最小二乘法拟合NDVI随时间的变化速率和变化趋势，确保NDVI真值与拟合值之间离差平方和达到最小值：

Q（■，■）=■（yi-■）2

式中，■为NDVI拟合值;yi为NDVI实际值;i为第i年。

1.3.3  Mann-Kendall趋势分析法  2001-2013年的NDVI时间序列数据一方面受到大气和云层等的影响，另一方面受到来自气候的影响，比如干旱和强降水，数据特征具有波动性。采用Mann-Kendall方法可以增强方法的抗噪性，并在一定程度上提高检验结果的准确性[9]，因此该方法在以后的研究当中应该受到足够的重视和利用。在Mann-Kendall检验中，设假设数据的序列为X1，X2，…，Xn（n≥10）。定义Mann-Kendall检验统计量S为：

S=■■sign（Xj-Xi），i=1，2…n（n>10）

式中，

sign（Xj-Xi）=1，若Xj-Xi>00，若Xj-Xi=0-1，若Xj-Xi<0

趋势变化有UF检验值判断，如下：

UF=■

式中，E（S）和Var（S）分别是S的均值和方差。

UF将组成一条序列变化曲线，如果该曲线落在置信区间（-Ua /2，+Ua /2）内，那么原序列不存在显著变化趋势;反之，原序列存在显著的变化趋势。若UF>0，表明序列具有上升趋势;UF<0则表明序列具有下降趋势。Mann-Kendall的突变检验法按上述步骤进一步计算逆序的秩序列S统计量UB，UB=-UF，两组序列构成两条曲线，交叉点如果位于信度临界值之内，即为满足一定置信度的突变点，即为时间序列的突变区域[10]。endprint

本研究给定显著性水平α=0.05，置信区间为（-1.96，1.96）。若UF值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。UF落在（-1.96，1.96）区间，即当|UF|<1.96时，变化趋势不显著，反之变化趋势显著。当统计曲线UF和UB在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻或区域就是突变的开始。

2  结果与分析

2.1  植被生态特征时间尺度分析

由遥感数据提供的红光波段和红外波段产生的NDVI数据可以准确反应植被的覆盖信息，为利用遥感监测植被生态特征变化供了条件[11]。利用NDVI的16 d最大值数据合成年数据来表示植被的变化信息，得到2001-2013年植被在时间序列上的变化图，利用一元分段线性回归分析模拟整个北方农牧交错带NDVI变化趋势，斜率表征北方农牧交错带植被在一段时间内覆盖情况的变化趋势快慢程度（图2）。从2001-2013年这13年间，整个研究区内NDVI总体呈现增加的趋势。2001-2009年间，NDVI增长趋势较为稳定，NDVI值从2001年的0.47增加到了2010年的0.53，但在2010年出现了突然的下降，这与2010年前后北方农牧交错带发生的严重干旱灾害有关，而2010-2013年，研究区内NDVI明显增大，到2013年为止，NDVI值达到了0.60，增长速率明显大于2001-2009年。

2.2  植被生态特征空间尺度分析

为综合分析植被生态特征的时空变化规律，使用16 d NDVI合成数据，分析2001-2013年间植被覆盖度在空间上的变化规律，主要时间点的空间变化如图3所示;2001-2013年植被生态特征的空间分布变化明显，且总体上都是逐渐向覆盖率高的方向发展。考虑到研究区经纬度跨度大，下述分析按研究区在经度的跨度大致将其分为西、中、东3部分来阐述其空间的变化规律。

NDVI值在西、中、东3段上呈现出不同的分布特征和变化规律特征，在西段呈现出由南到北递减的趋势，对比图3-a和图3-b的时间跨度变化可知，NDVI值在西段呈现出明显的增加趋势;NDVI值在中段由西向东呈现出增加的趋势，并且从时间跨度变化可知，NDVI从2001年到2013年呈现出增加的趋势;而NDVI值在东段始终保持较高的范围，从2001年到2013年，NDVI值在东段中部呈现出增加的趋势，但是在东段的北部和南部边界出现了零星的NDVI值减小明显的点。整体来看，NDVI的下降幅度和范围远小于其升高的幅度和范围。这一趋势说明2001年以来，国家实施开发战略，保护植被的政策[12]有关，对植被的恢复和生长起了积极作用。

为进一步分析整个北方农牧交错带NDVI在具体空间的变化规律及植被恢复和退化的情况，本研究根据省级行政界线将整个北方农牧交错带划分为10个区域，包括黑龙江、内蒙古、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、宁夏、甘肃、青海。对每个省级行政区在2001-2013年的时间序列上进行逐像素Mann-Kendall趋势分析，得出趋势变化统计如表1所示。

由表1可知，将S>0中，|UF|≥1.96和|UF|<1.96所占百分数相加，得出整个北方农牧交错带有96.34%的地区植被NDVI处于增长的趋势，其中植被NDVI呈现出明显增长趋势的区域占整个北方农牧交错带的6.9%，而其余89.44%处于轻微改善或不变的趋势;而整个北方农牧交错带具有3.64%的地区植被NDVI处于减小的趋势，有3.36%的地区植被NDVI处于轻微的下降趋势，而0.3%的地区植被NDVI具有显著的下降趋势。从2001-2013年，整个北方农牧交错带大面积植被的NDVI处于轻微增长的趋势，植被长势处于好转的趋势。分区域统计结果表明，NDVI明显增大的区域主要有陕西省和黑龙江省，这两个省所在区域内约有22%面积的植被具有明显的增长趋势;甘肃、山西这两个区域的NDVI也有明显的增加，达到省所处农牧交错带的区域面积的15%以上。而NDVI明显减小的区域有河北和青海，NDVI显著减小的区域达到各省所在北方农牧交错带面积的0.61%和1.3%。与两省所在区域从2001-2013年间大面积草地转为农用地有关，人为因素为影响植被生态变化的主要因素。这与两个区域林地减少有关。

2.3  植被生态特征变化的原因分析

由于河北和青海两区域植被退化区域面积占所在北方农牧交错带的面积百分数较大，所以对两省所在区域从2001-2013年的NDVI值进行Mann-Kendall突变分析（图4）。由图4a可知，青海地区自2001年以来NDVI时间序列变化一直在波动中缓慢上升，并且在2011年和2013年UF达到两个峰值，说明在这两年NDVI值出现了显著的上升趋势，这也与前述整个研究区域内NDVI在2011年突然增大的趋势相一致。用Mann-Kendall趋势分析方法对以上结论进行检验，UF<1.96（0.05显著水平），趋势未达到显著的水平，说明NDVI在2001到2013年间呈现出缓慢增长的趋势。根据UF曲线与反序曲线UB相交点可知，从2002年到2008年期间，青海省的NDVI呈现出剧烈的突变趋势，NDVI值呈现出极为不稳定的态势，这与青海区域处于高原的环境因素导致其生态脆弱性有关[13]。由图4-b可知，2001到2013年间，UF在很长的时间段内都处于小于1.96的趋势，说明在这13年间，河北地区NDVI呈现缓慢的增加趋势，并且增加趋势并不明显。而其NDVI突变点为2003年和2009年，查阅文献[14-19]表明这两年河北发生了干旱灾害，干旱是导致在2003年和2009年NDVI发生突变的原因。

为进一步分析北方农牧交错带2001-2013年植被生态特征变化的原因，采用MODIS土地覆被数据分析2001-2013年间植被覆盖类型在空间上的变化规律，主要时间点的空间变化如图5所示。endprint

由图5可知，研究区以草地为主，耕地集中于研究区东段，林地集中于西段南部和东段南部。2001年到2013年整个研究区耕地明显增加，主要由草地转化为农用地，集中在研究区西段南部、东段南北边界区域;在研究区东段北部，未利用地有明显增加的趋势，但是在西部地区，未利用地却有明显减少的趋势。在研究区西段裸地呈现出减少的趋势，而在研究区东段呈现出减少的趋势。河北和青海两省大面积草地转变为农用地，这是NDVI在2001-2013年间呈现出缓慢增长趋势原因;从2001-2013年间青海省和河北省未利用地面积增加，所以导致两省仍然有相对较大面积的NDVI值呈现出显著减少的趋势。

3  小结与讨论

本研究利用MODIS影像为数据源，利用一元线性分段回归法和Mann-Kendall趋势分析法，基于2001-2013年的MODIS-NDVI影像序列和土地覆被数据，研究近年来中国北方农牧交错带境内各省所在区域植被生态特征的时空变化规律及原因，得出如下结论。①从时间尺度来看，2001-2013年间，北方农牧交错带内植被处于缓慢恢复态势，并且近三年植被恢复趋势好于前十年。②从空间尺度来看，北方农牧交错带植被在西、中、东3段，植被生态特征分布不同，进一步将北方农牧交错带按省级行政界线划分为10个区域，采用Mann-Kendall趋势分析法进行分析，整个北方农牧交错带有96.34%的面积的植被覆盖处于增加的趋势，只有3.64%面积的植被覆盖处于减少的趋势。③陕西和黑龙江所在区域是植被恢复面积比率最大、恢复速率最快、植被恢复情况最为明显的区域;青海和河北的植被近年来整体处于恢复的趋势，但是也有相对较大面积的区域植被出现显著的退化趋势。生态脆弱和人类活动变化是导致青海和河北区域植被恢复相对不明显的原因。

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