基于MODIS数据的宝鸡地区植被覆盖时空变化及影响因素分析

王 静，万红莲*，张 翀

(1.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013；2.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013)

植被和气候变化是影响自然生态系统能量收支平衡的直接因素，也是人类生存环境的重要组成部分[1]。IPCC第四次工作报告指出，近百年来全球气温变化总趋势发生了明显变化[2]，我国气候变化趋势与全球趋势基本一致。在这样的背景下，掌握陆地植被覆盖年际变化以及对气候要素的响应规律，对评价陆地生态系统的环境质量、调节植被覆盖与人类活动的协调发展具有重要的理论和实际意义[3]。以MODIS(中分辨率成像光谱仪)为光学遥感仪器获得的NDVI数据(即归一化植被指数，Normalized Difference Vegetation Index)具有廉价性和高时间分辨率，已经成为目前应用最为广泛、前景最为广阔的遥感数据之一[4-5]。而NPP，即植物的净初级生产力(net primary productivity)，指单位面积单位时间内绿色植物呼吸后剩下的所累积的能量或所生产的有机物质，是生态系统碳平衡评估的基础，也是表征植被活动和评价陆地生态系统稳定性的关键参数[6-7]。我国人多地少且资源相对匮乏，对NDVI和NPP的研究就显得更为迫切和重要。国内外学者基于两种数据对气候因子的响应规律做了大量研究，塞内加尔草原净初级生产力(NPP)或生物量和作物产量的长期变化趋势不仅受降水的影响，而且与土地覆盖和土地利用变化具有显著的相关性[8]；5～9月是中国东北样带NPP发展的集中时段，占年NPP的89.8%。夏季(6～8月)NPP的变化是NPP年际变化的主要影响因素，占年NPP的65.9%[9]；降水不仅是内蒙古草原NPP的重要气候影响因子，而且还具有明显的累积效应[10]。相对于气温和降水量因子，人类活动是黄土高原植被NPP变化的主要影响因素，且对NPP有双重影响[11]。

宝鸡地区地势复杂，植被类型多样，分县(市)区(以下简称县区)详细研究该地区植被覆盖变化与气候响应对渭河沿岸的农田建设、秦岭以及黄土高原地区植被恢复具有重要的现实指导意义。对于该区域的相关研究，众多学者只是将其作为秦岭或西北地区以及黄土高原的一部分来进行植被NDVI的相关分析[12-14]，且秦超[15]、翟雅倩[16]整体研究了近年来宝鸡市的植被覆盖度动态变化特征，发现宝鸡市整体植被覆盖度高，以中覆盖度、中高覆盖度和高覆盖度为主，各行政区域植被覆盖度差异性显著。但这两位学者对局部自然环境特征的表征没有细化。而就宝鸡地区植被覆盖内部差异及基于NPP数据的相关性分析的研究鲜见。

本研究基于MODIS NDVI和NPP数据，结合该地区11个气象站点(其中，宝鸡县2003年撤县设立陈仓区，本文仍沿用旧制宝鸡县)气温和降水量的实测数据，分析了年际尺度上区内植被覆盖与气候因子的相关性及其对气候因子的响应，以期对区域农业发展提供理论参考。

1 研究区概况

宝鸡位于陕西省(关中平原)西部，地处东经106°18′～108°03′，北纬33°35′～35°06′。东与咸阳市相连，南与汉中市相接，西、西北分别与甘肃省天水市和平凉市毗邻，宝鸡地区包括11个气象站点(图1)，总面积1.8万km2。宝鸡属暖温带半湿润气候，受东亚季风(包括高原季风)控制，造就了冬季寒冷干燥，夏季温热多雨与炎热干燥交替，春季多变少雨且升温迅速，秋季多阴雨连绵且降温迅速的全年气候变化特征。气温、降水量季相较为分明。年平均气温13 ℃左右，年降水量710～1000 mm，7、8、9这3个月降水集中，占全年降水的50%左右；宝鸡地区是关中降水量最多的地区。宝鸡地区生境条件和植被类型多样，主要包括落叶阔叶林、针叶林、草原、灌丛和栽培植被等。森林覆被率达36%～42%，但分布不均，以秦岭和关山为集中分布区域，关中和台塬地区主要为栽培植被。

图1 宝鸡地区概况及气象站点分布

2 资料与方法

2.1 数据来源

表1为本研究主要数据源信息，包括气象数据(11个气象站点)、MODIS NDVI、NPP和高程DEM数据。研究中站点选取分别是：宝鸡市、宝鸡县、凤翔县、岐山县、眉县、扶风县、陇县、千阳县、麟游县、凤县和太白县，本研究也采用此11个站点作为行政区域进行下文研究。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析 通过模拟每个栅格的变化趋势和单个像元时间变化特征来反映整个空间变化规律，进而表征区域时空格局演变[17]。Slope为NDVI在各个像元点的变化趋势线斜率。若Slope值为正，则区域植被NDVI随时间变化呈上升趋势，且数值大小与植被覆盖度增加趋势强弱呈正比例关系；若Slope值为负，则表示植被指数随时间变化呈下降趋势。其计算公式如下：

(1)

公式(1)中：n为年份，i为年序列，NDVIi为第i年的最大化NDVI值。

表1 研究所用数据源

2.2.2 相关分析法 运用相关分析法分析植被覆盖变化对气候因子的响应，结合ArcGIS10.1和Matlab软件，计算NDVI与气温和降水量间的相关系数，采用NDVI影像与经反距离权重插值法获取年均温和年降水量的栅格数据，绘制NDVI与年均温和年降水的相关系数空间分布图，NDVI与气候因子的空间关系通过显著性检验来进行分析。计算公式如下[18]：

(2)

3 结果与分析

3.1 宝鸡地区植被覆盖变化分析

经ArcGIS区域统计功能获取年均NDVI，表示宝鸡地区当年植被覆盖水平(图2)。2001～2013年NDVI变化情况为：2006～2007、2008～2010、2011～2012年缓慢增长，2001～2002、2003～2004年飞速增长，2004～2006、2007～2008、2010～2011年缓慢下降，2002～2003年迅速下降，2012～2013年变化较不明显。总体来看，NDVI以0.032/10 a的速度呈上升趋势。三北防护林工程区1982～2006年近25 a植被覆盖的平均增速为0.007/10 a，与此相比，宝鸡地区植被覆盖增速较快[19]，且NDVI值在2010年达到最高值0.572。2001年宝鸡地区平均NDVI值为0.5274，2013年增加至0.5668，增速为7.47%。说明宝鸡地区近13 a来的植被覆盖有增无减。

3.2 植被覆盖的空间分布特征

宝鸡地区2001～2013年多年平均NDVI空间分布如图3所示，整体上呈从东北向西南递增的特征。由于太白山的山地地貌类型和其为秦岭山脉主峰的原因，以及太白河和水河的河水补给，宝鸡地区植被覆盖最高值集中分布在太白县南部。千河沿岸以及渭河流域宝鸡段的宝鸡市、宝鸡县、凤翔、岐山南北沿岸的“带状”地区，植被覆盖度最低，主要原因是这些地区人口集聚分布，经济发展最为迅速，随着城市化的推动，城市扩建对于土地需求逐日扩大，以0.49%/a的速度增加，建筑面积的迅速增加极大地削减了植被面积。此外，大量的农田建设和农作物种植呈现出植被覆盖明显的季节分布特征，从1999年陕西地区退耕还林试点实施以来，宝鸡地区的农作物种植、绿化(包括城市绿化和公园绿化)及林地面积分别以0.11%/a的速度减少和以1.07%/a、0.21%/a的速度增加，而研究区植被覆盖面积主要依靠于农作物种植，农作物播种面积占总植被覆盖面积的34.44%，是林业面积的一半，因而该区域植被覆盖表现最低。

图2 2001～2013年宝鸡地区年均NDVI变化趋势

3.3 植被覆盖空间格局演变态势

宝鸡地区2001～2013年植被覆盖变化具有明显的区域差异(图4)。由于近年来宝鸡地区正在大力实施退耕还林还草和保护森林的政策[20]，植被恢复较好的区域广泛分布于千河沿岸的陇县、千阳、宝鸡县地区，漆水河以北的麟游地区，嘉陵江沿岸的凤县西南地区，状况逐年好转。而近年来城市化水平逐年提升，城市土地扩张需求速度有增无减，所以大量的城区建筑用地占用了耕地及草地资源，使得千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸的植被覆盖度降低。

为了更好地表征宝鸡地区植被恢复状况，参照已有研究[17,21-23]，将Slope分为如图4、表2所示的7个等级。结果显示，严重退化面积1 km2，中度退化面积117 km2，分别占总面积的0.006%和0.646%，两个等级的植被覆盖分布状况集中在千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸“带状”地区；轻微退化面积772 km2，占总面积的4.262%，主要分布在千河以西的陇县地区、渭河沿岸南部及太白河和水河之间的太白县地区；基本不变面积4426 km2，轻度改善面积6126 km2，分别占总面积的24.434%和33.819%，零星分布于除千河以西的陇县地区、渭河沿岸南部以外的宝鸡其他地区；中度改善面积4488 km2，占总面积的24.776%，明显改善面积2184 km2，占总面积的12.057%，两者集中于千河沿岸的陇县、千阳、宝鸡县地区、漆水河以北的麟游地区、嘉陵江沿岸的凤县西南部地区。综上所述，近13 a宝鸡地区植被覆盖状况呈稳中上升的趋势，这主要是因为宝鸡地区实施“退耕还林还草”、森林保护等政策，使得该地绿化城市面积和造林面积分别以0.91%/a和0.73%/a的增速改善，以及当地人们保护环境意识的不断增强，植被覆盖状况逐年见好，由此生态环境也得到逐年改善[24]。

图3 年均NDVI变化斜率趋势图

3.4 植被覆盖与气温和降水的关系

NDVI数据的提取是建立在气候要素对植被前期生长作用的基础之上的，因而研究NDVI和气温、降水量在植被生长期内的关系具有重要的实际意义[13-14,25-27]。由图6和表3可知，近13 a来宝鸡地区植被覆盖与气温呈正相关的区域像元占总像元的80.99%，降水量呈正相关的区域像元占79.01%，表明年均NDVI与年均温和年降水的相关性整体上表现均较好。

植被覆盖与气温呈正相关的区域像元数占总像元的80.99%，除凤县大部分地区和千阳中西部地区外，广泛分布于宝鸡地区各个县区。由于以高山草甸为主体的关山草原位于陇县西南部、太白县中部至东部，秦岭主峰穿其境而过且有太白河和水河水分的补给，因此其相应区域相关系数最大；千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸“带状”地区，地势平坦、气温四季分明，土壤有机质的分解在夏季气温升高的条件下加速，对常温地区植被净初级生产力的提高起到了有效的促进作用[28-30]，又加之大量植被绿化面积的建设，所以其相关系数最大(表3)。植被覆盖与气温呈负相关的区域集中分布在凤县大部分地区和千阳中西部地区，原因可能是凤县地处秦岭山地地区，且紫柏山坐落其境，另外有嘉陵江和褒河水分的补给。吴岳支脉箭筈岭坐落于千阳南部，两个地区均海拔较高、年均温较低。当植物生长的最适温度低于夏季气温时，植株内Ru Bis CO(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶)的羧化反应小于其加氧反应，加速了净光合作用的下降速度[31]；同时，土壤水分蒸发和植物蒸腾作用会因温度的升高而加剧，严重影响了植被生长[32]。总体而言，介于0.3～0.9相关系数的像元均匀分布在宝鸡各个地区，说明宝鸡地区植被覆盖与气温的相关性表现较好。

图4 年均NDVI变化斜率分级图

植被覆盖与降水量呈负相关的区域集中在渭河流域宝鸡段的千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸“带状”地区(表3)，这些地区具有较强的降水量，而随着城市化进程的加快，城市扩展带来建筑面积扩大，植被覆盖度不断降低，因此植被覆盖与降水呈负相关；除此之外，宝鸡其他各个县区的植被覆盖与降水量均呈正相关，其中凤县大面积地区呈非常显著正相关。这是因为水是植物生长过程中的决定性因素，植物的生长状况会直接受到降水量的影响。降水量是影响我国干旱变化最主要的因素[33]，降水量对植物生长的限制程度尤以年降水量少的干旱、半干旱地区表现最为明显[10]。综上可见，宝鸡地区植被覆盖与降水量的相关性表现较好。

表2 2001～2013年宝鸡地区年均NDVI变化趋势分级统计

表3 2001～2013年宝鸡地区年均NDVI与气温和降水量相关性的像元比例

3.5 植被恢复与NPP响应关系分析

宝鸡地区年均NPP为668.0831 g·C/(m2·a)，受降水量影响(年平均降水量529.89 mm)，2001、2002、2004年千阳的NPP值均呈现最低，凤翔在2003、2005～2010共7年的NPP均为最低。而11个行政区域2001～2010年NPP的最高值均出现在凤县。表4数据显示，2001～2010年对年均NPP影响较大的因子为NDVI。在12个分析结果中，以麟游的显著性最高，达到0.01显著水平，岐山、陇县、千阳、凤县次之，达到0.05显著水平，且均为正相关。依据生态学相关理论，NDVI与NPP具有直接或间接的相互关系，在区域和生态系统模型构建中，NDVI常被直接或间接地用于计算植被NPP[34-35]。因此，NDVI与NPP具有同步增减的变化趋势，即随着植被覆盖率的增加(减少)而NPP相应上升(下降)。

气温和降水量与NPP的相关性均较差，均未达到显著性水平，气温除凤翔、麟游地区外其他地区均呈负相关，降水除岐山外其余地区均呈正相关。相关系数的显著性均不如前50 a的结果[36]显著，这一数据分析结果也在个别站点变化的差异较大。2000年以来国家推行天然林保护政策，宝鸡地区特别是渭河沿岸及支流周边区域陆续实行了包括封山育林、加强水源涵养及天然次生林保护、生态修复等退耕还林还草工程，宝鸡地区在陕西省退耕还林试行初期(1999年)森林覆盖率达34.30%，之后以1.43%/5 a的速度增长，森林单位蓄积量也以385 m3/5 a的速度增加。与此同时，气温和降水等气象因子也在逐年发生变化，在如此复杂的人类活动和气候变化的综合作用下，本研究选取渭河流域中上游的宝鸡地区，研究范围较小，更具典型代表意义，对进一步理清植被恢复与NPP变化的响应关系具有良好的科学和实际意义。

表4 2001～2010年不同行政区域NPP与NDVI及气候因子间相关系数统计

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

4 讨论

宝鸡地区相比于干旱地区，水热条件适中，由于水资源有一定保障，因而对于植被生长而言温度更易成为其主要驱动因素[37-38]。理论上而言，日积温伴随着温度的上升而增加，对大多数植被生长显然有积极作用，凤县大部分地区(秦岭、紫柏山、嘉陵江、褒河)和千阳中西部地区(吴岳支脉箭筈岭)植被覆盖程度大幅提高，生态恢复效果最为明显，但植被与气温却呈现负相关关系。可见，国家退耕还林政策的实施使这些山地地区林草用地增加，单株植被的长势与整体植被覆盖程度的关系不大，因此，温度的驱动作用很难体现出来。同时，宝鸡具有以山地、丘陵为主的复杂地形，在海拔较高地区浅层地下水储存不足，天然降水是植被生长需水依赖的主要来源，从而形成了宝鸡地区植被与降水量的相关性中东部低于北、西、南部的格局；而在千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸“带状”地区，由于地势平坦，人类活动在城镇化进程中强度增大，植被生长受其间接影响与降水量呈负相关发展趋势。因此，植被对温度和降水的负相关并不代表需求为负，而应考虑退耕还林、城市建设、土地利用等人类活动的客观因素影响。

5 结论

“退耕还林还草”、森林保护等政策实施以来，宝鸡地区绿化城市面积增速(0.91%/a)和造林面积增速(0.73%/a)较好，表现在千河沿岸的陇县、千阳县、宝鸡县沿岸地区，基本不变面积为4426 km2，占总面积的24.434%；明显改善2184 km2，占12.057%，生态环境逐年改善明显。

宝鸡全区植被覆盖与气温较显著正相关像元(0.6～0.9)占15.016%，与降水量较显著正相关像元占16.872%。凤县大部分地区和千阳中西部地区植被覆盖与年均温呈现负相关，但凤县大部分地区与年降水量呈正相关，且正相关系数显著；千河与渭河交叉口沿渭河向东方向的宝鸡县、凤翔、岐山、眉县、扶风南北沿岸“带状”地区，植被覆盖与年降水量呈负相关，但此地带植被覆盖与气温呈显著正相关，以千河与渭河交叉口的宝鸡县东北部与凤翔县东南部交接地区显著性最为明显。

退耕后10 a NDVI与NPP呈良好的正相关性，以麟游县最为显著(0.01水平上显著)，即净初级生产力与植被覆盖具有同步增减的变化趋势。

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