2000-2013年西安市植被覆盖度时空演变

贾 路, 任宗萍, 李占斌,2, 徐国策, 时 鹏, 张译心, 王 斌

(1.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 西安 710048;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

当前中国区域水土流失[1]与荒漠化、干旱等问题依然严重，急需进行生态环境治理。随着工业化和城镇化的迅速发展，广大人民对我国生态环境美好的生活越来越向往[2]。植被在地表生态系统的能量交换、水循环、碳循环、生物地球化学循环和维持中发挥着重要作用，区域植被恢复情况的好坏，对区域生态环境变化具有重要意义。

在人类活动和气候变化高强度共同作用下，区域水文过程发生了非常明显的变化[3]。气候变化、人类活动以及水文过程的变化直接或者间接对植被恢复等生态过程产生重要的影响[4]。标准化植被指数(NDVI)数据具有较高空间覆盖和长时间序列等优点，已成为分析植被生长历史、监测当前状况和预测未来变化的最重要工具，通常被用于大尺度植被变化和空间密度分布的研究[5-7]。目前我国基于NDVI数据对很多地区的植被变化及其影响因素都进行分析。有研究表明，中国北方地区年NDVI呈轻微上升趋势[8]。人类活动对植被恢复起着一定的积极的作用，在青海、西藏高原地区有近61.2%的草原地区实施了一定的工程措施进行植被恢复，其中气候变化对56.7%的退化草原存在影响[9]。尽管以往的研究对不同地区植被覆盖的变化和时空分布模式提供了十分有用的信息，但许多研究主要集中在植被覆盖的时空分布特征的驱动因子和植被动态变化上，对于植被恢复的空间差异变化研究却极为少见。因此，全面系统地对西安市植被覆盖度时空变化及其差异进行分析研究是一个十分有意义的问题。

本文采用Mann-Kendall检验法对西安市2000—2013年植被覆盖度进行趋势分析，采用Hurst指数对西安市2000—2013年植被覆盖度进行持续性分析，同时通过Pettitt检验法对西安市2000—2013年植被覆盖度进行突变点分析，并结合相对发展率和重心转移模型对2000—2013年西安市植被覆盖度进行区域差异分析。研究成果有助于进一步深化对西安市植被覆盖度变化及其影响因素的认识，有利于为西安市植被恢复等生态建设工程提供一定的科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

西安市地处陕西关中平原，位于107°—109°E，33°—34°N，共统辖9区4县，总面积约9 983 km2，市区面积1 276 km2。地质状况复杂多样，地质、构造和岩相具有不同的发育特点，地形南高北低(图1)，秦岭位于西安市南部，渭河位于西安市北部。地貌类型主要为平原和基岩山地两大类，平原所占比例为46%，基岩山地所占比例为54%。气候类型为暖温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，年内最高温度在7月份，年内最低温度在1月份，年平均降水为600 mm左右，由南向北逐渐递减。秦岭山地基本属自然植被，渭河平原、骊东南丘陵与黄土台塬属栽培植被，两大植被区域的分布与地貌区域范围大体一致。境内的自然植被分布于秦岭山区，随海拔高度变化演替，依次出现落叶阔叶林、针阔叶混交林、针叶林、高山灌丛与草甸等植被类型。

图1 西安市地理位置

1.2 数据来源

本文所用NDVI数据是一个长期的MODIS植被指数数据集。数据集由中国科学院计算机网络信息中心国际科技数据镜像网站提供(http:∥www.gscloud.cn)，数据时间为2000—2013年，空间分辨率为500 m，时间分辨率为旬，用最大值合成法(MVC)获得NDVI年值，植被覆盖率是根据以下公式计算的：

f=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(1)

式中：f为植被覆盖度；NDVI为像素的植被指数；NDVImax，NDVImin为研究区NDVI的最大值和最小值。

降水数据来源于中国气象数据服务中心中国地面气候资料的年度数据集，包含西安市及其附近区域耀县、汉中、武功、华山、商州、镇安、佛坪7个气象站点2000—2013年逐年降水量，通过算数平均法对7个雨量站年降雨量取平均值,将点雨量转换为区域面降雨量。

1.3 研究方法

Mann-Kendall检验(M-K)是判断数据序列变化趋势的有效方法，被广泛应用在气象和水文序列的分析中[10]，本文采用Mann-Kendall检验进行年植被覆盖度的变化趋势分析。

Hurst指数(H)在定量表征时间序列的持续性或长期相关性具有广泛的应用性，已被广泛用于气候和水文序列的分析中[11]。其中H代表Hurst指数。H的值在[0,1]的范围内。当H=0.5时，表明植被覆盖的时间序列是随机序列，是不可持续的。当H>0.5时，植被覆盖度的变化与目前的趋势基本一致，表明植被的可持续性是正向的。H<0.5表示负可持续性，未来植被覆盖变化将与当前趋势相反。

Pettitt检验法[12]采用Mann-Whitney中Ut,N值检验同一总体中两个样本X1,…,Xt和Xt+1,…,XN，Pettitt检验的零假设为没有变化点，当|Ut,N|取最大值时对应的Xt被认为是可能的突变点。当p≤0.05时认为数据中存在均值变异点。其显著性水平可由下式计算：

(2)

相对发展率[13](NICH)可以用来分析研究区内，不同像元在研究时段初期与末期植被覆盖度变化量与研究区整体研究时段初期与末期变化量的差异，计算公式如下：

(3)

式中：Y2i为2013年第i个栅格植被覆盖度；Y1i为2000年第i个栅格植被覆盖度；Y2为2013年西安市植被覆盖度平均值；Y1为2000年西安市植被覆盖度平均值。

空间重心转移模型[14]对地理对象的空间分布进行描述的重要方法，可以用来研究植被覆盖度空间重心随时间的变化，本研究采用空间重心转移模型来研究西安市2000—2013年植被覆盖度的重心变化，计算公式如下：

(4)

(5)

式中：Xm和Ym为植被覆盖度空间分布重心的经纬度；cmi为第i个栅格的植被覆盖度值；xi为第i个栅格的经度；yi为第i个栅格的纬度。

本研究中所有数据计算通过ArcGIS 10.2软件及R语言编程实现，使用Excel软件进行基础数据整理。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度年际变化特征

2000—2013年西安市植被覆盖度最小值空间变化范围为0.33～0.97，最大值空间变化范围为0.56～1.00，多年平均值空间变化范围为0.44～0.98，标准差空间变化范围为0.01～0.17，变异系数空间变化范围为0.01～0.29。根据变异系数Cv的分类系统：弱变异Cv≤10%，中等变异10%

从图2中可以看出，2000-2013年西安市植被覆盖度变异程度中，中等程度变异面积占总面积10.02%，弱变异面积占总面积89.98%，总体来说，2000-2013年西安市植被覆盖变异强度较弱，中等程度变异范围较小，中等程度变异主要分布于西安市城区及临潼区南部和蓝田县北部地区等，该区人类活动强烈，对植被变化影响较大。

图2 2000-2013年西安市植被覆盖度变异等级空间分布

2.2 植被覆盖度的趋势性与持续性

为了进一步分析2000—2013年西安市植被覆盖度变化的趋势特征和未来变化的持续性，结合Mann-Kendall检验和Hurst指数计算得到了2000—2013年西安市植被覆盖度M-K趋势检验图和2000—2013年西安市植被覆盖度Hurst指数分布图。

如图3所示，区域植被覆盖度整体呈增加趋势，其中呈增加趋势的面积占区域总面积86.54%，显著增加的面积占区域总面积的37.25%，显著减少的面积占区域总面积的1.68%，显著减少面积主要分布城区周边，该区域人类活动强烈，对植被破坏较大。

图3 2000-2013年西安市植被覆盖度M-K趋势检验

由图4可知，区域植被覆盖度Hurst指数空间变化范围为0.18～0.72，其中正向持续性的面积占区域总面积72.62%，负向持续性的面积占区域总面积27.38%。西安市35.30%面积植被恢复呈持续改善(H>0.5，且M-K统计量>0)。

图4 2000-2013年西安市植被覆盖度Hurst指数分布

2.3 植被覆盖度突变点空间分布识别及突变年份分析

Pettit检验是一种常用地时间序列突变点的方法，可以简单快速有效识别一个时间系列发生突变的时间，因此在突变点检验应用较为广泛。为此，本研究对所研究时期内的植被覆盖度进行Pettit检验，对西安市植被覆盖度突变性进行分析，得到各西安市植被覆盖度突变年份的时空分布情况。

如图5所示，2000—2013年西安市植被覆盖度突变年份均显著发生在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年，发生显著突变年份的面积占总面积的17.58%，其中发生显著突变年份在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年的面积占总面积的比例依次是1.71%，4.85%，7.10%，2.86%，1.06%。本文将突变点前植被覆盖度M-K检验统计量小于零且突变点后植被覆盖度M-K检验统计量大于零的突变点定义为凹突变点，凹突变点表明外界环境对植被覆盖度变化具有促进作用；将突变点前植被覆盖度M-K检验统计量大于零且突变点后植被覆盖度M-K检验统计量小于零的突变点定义为凸突变点，凸突变点表明外界环境对植被覆盖度变化具有抑制作用。根据分析结果，2000—2013年西安市植被覆盖度凹突变点占总突变点的20.67%，2000—2013年西安市植被覆盖度凸突变点占总突变点的4.18%，因此，2000—2013年西安市植被恢复在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年期间受到了外界环境的一定促进增长作用，发生突变的地点主要集中于灞桥区、蓝田县等人类活动较少的地区，该区域植被覆盖度较高，植被覆盖良好。

图5 2000-2013年西安市植被覆盖度突变点空间分布

2.4 植被覆盖度变化的空间差异性及重心转移

为了进一步分析在外界环境干扰下西安市植被覆盖度变化的空间差异性，计算2000—2013年西安市植被覆盖度相对发展率，得到2000—2013年西安市植被覆盖度相对发展率空间分布图。

对图6进行分析得到，2000—2013年西安市植被覆盖度相对发展率空间变化范围为-9.07～7.49，相对发展率的负值占区域总面积的20.77%，相对发展率的负值主要出现在城区，说明城区植被覆盖度变化与区域整体变化趋势相反，人类活动的范围和强度在不断增大。相对发展率的最大值分布于灞桥区附近，说明该区域区植被覆盖度增长速率优于区域整体植被恢复程度。

图6 2000-2013年西安市植被覆盖度相对发展率空间分布

由图7可以看出，2000—2013年西安市植被覆盖度空间重心呈现由西南逐渐向东北方向转移的趋势。2000—2001年植被覆盖度重心从东北向西南转移，2001—2002年植被覆盖度重心从西南向东北转移且转移距离比较长，2002—2012年植被覆盖度重心变化趋势不明显，2012—2013年植被覆盖度重心从西南向东北转移。2013年西安市各区县人口数量从大到小排序依次为：长安区>雁塔区>临潼区>碑林区>周至县>蓝田县>莲湖区>鄠邑区>未央区>灞桥区>新城区>高陵区>阎良区。整体来说，2000—2013年西安市植被覆盖度增加趋势逐渐从西南部的周至等人口密度较小的地区向临潼区等人口密度较大的东北部区域转移，说明随着社会的进步，人们对植被等生态环境的保护更加注重。

图7 2000-2013年西安市植被覆盖度重心转移

3 讨 论

3.1 气候因素及对植被恢复的影响

降雨作为影响区域植被变化的主要气候因素[15]，降水变化对区域径流变化和土壤水的变化具有直接的影响，从而影响到植被对水分的吸收，进而影响到植被的生长变化。近些年来全球气候发生显著变化，气温升高，降水增多，对区域下垫面变化具有巨大影响[16]。

从图8可以看出，2000—2013年西安市面降雨量最小值为570.18 mm，最大值为1 002.74 mm，多年平均值为734.00 mm，变异系数为0.17，变异强度为中等程度。2000—2013年西安市植被覆盖度均值变化的最小值为0.83，最大值为0.90，多年平均值为0.87，变异系数为0.02，变异强度为弱变异。2000—2013年西安市面降雨量和区域植被覆盖度均值均呈现增加趋势，根据M-K趋势检验结果，降雨量变化呈不显著增加趋势，植被覆盖度均值呈显著增加趋势。降雨量的Hurst指数为0.51，植被覆盖度均值的Hurst指数为0.66，降雨量与植被覆盖度均值未来呈现增加趋势，降雨量与植被覆盖度均值皮尔逊相关性系数为0.47(p<0.09)，呈不显著正相关。根据转移重心模型，2000年西安市降雨量空间分布重心坐标为108.72°E，33.83°N，2013年西安市降雨量空间分布重心坐标为108.54°E，33.79°N，2000—2013年西安市降雨量空间分布重心呈现从东北向西南转移的趋势，与植被变化呈现相反的趋势。

3.2 不同土地利用变化对植被覆盖的影响

由图9可知，2000—2013年西安市各类土地利用植被覆盖度均有增加趋势，2000年西安市耕地、林地、草地、建设用地、未利用地的植被覆盖度均值依次为0.80，0.91，0.86，0.76，0.83，其中林地植被覆盖度最大，建设用地植被覆盖度最小。2013年西安市耕地、林地、草地、建设用地、未利用地的植被覆盖度均值依次为0.87，0.94，0.93，0.76，0.87，其中林地植被覆盖度最大，与2000年相比草地与耕地的植被覆盖度增加最多，建设用地植被覆盖度最小，与2000年相比基本未发生变化。

图8 2000-2013年西安市植被覆盖度与降雨时间序列

图9 2000-2013年西安市各类型土地利用植被覆盖度变化

以上研究说明，2000—2013年西安市降雨对植被变化存在一定程度促进作用，但主要是土地利用等人类活动引起的植被覆盖度变化。

4 结 论

(1) 2000—2013年西安市植被覆盖度变异程度整体较弱，中等程度变异面积占总面积10.02%，弱变异面积占总面积89.98%，主要分布于西安市城区及临潼区南部和蓝田县北部地区等。

(2) 2000—2013年西安市植被覆盖度整体呈增加趋势，其中呈增加趋势的面积占区域总面积86.54%，正向持续性的面积占区域总面积72.62%，负向持续性的面积占区域总面积27.38%，35.30%面积植被恢复呈持续改善。

(3) 2000—2013年西安市植被覆盖度突变年份均显著发生在2004年、2005年、2006年、2007年、2008年，发生显著突变年份的面积占总面积的17.58%。

(4) 2000—2013年西安市植被覆盖度相对发展率空间变化范围为-9.07～7.49，相对发展率的负值占区域总面积的20.77%，城区植被覆盖度变化与区域整体变化趋势相反，人类活动的范围和强度在不断增大，西安市植被覆盖度空间重心呈现由西南逐渐向东北方向转移的趋势。

(5) 2000—2013年西安市面降雨量和区域植被覆盖度均值均呈现增加趋势，降雨量与植被覆盖度均值皮尔逊相关性系数为0.47(p<0.09)，呈不显著正相关。降雨量空间分布重心呈现从东北向西南转移的趋势，与植被变化呈现相反的趋势，西安市降雨对植被变化存在一定程度促进作用，但主要起作用的是非降雨因素。