近20年杭锦旗植被覆盖变化特征及驱动力分析

何 亮，梁海荣，李钢铁，刘雪锋，齐容镰，杨文斌

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010；3.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091)

全球环境正在以气候变暖为标志发生变化[1]，环境问题频繁发生，严重影响陆地生态系统的正常功能。近年来，随生态政策实施的不断深入，防治效果取得一定成效。杭锦旗位于库布齐沙漠腹地，风蚀沙化严重，是生态保护政策及林业建设重点区域[2]，自2000年以来，相继实施三北防护林、退耕还林、天然林保护等生态项目[3]，极大地改善了生态环境。然而，植被覆盖变化不仅受人类活动影响，而且其与气象要素之间存在重要的作用关系。因此，探究杭锦旗植被变化特征以及驱动力对区域持续性发展及生态恢复至关重要。

归一化植被指数(NDVI)被用于探究长时间序列植被覆盖变化以及对气候和人类活动的响应[4]，能够客观反映植被生长状况和覆盖信息[5]。李双双等[6]基于MODIS-NDVI分析陕甘宁地区2000—2009年植被覆盖变化，与此同时，张敏等[7]利用相同数据集对广西植被覆盖及驱动力作了研究。张春森等[8]和张宝庆等[9]均对GIMMS数据进行了扩展，延长研究时段，分析30年间黄土高原地区植被覆盖及驱动力。但上述研究也存在一定不足，研究时段多为NDVI起止时间，忽略植被恢复具有阶段性，不同年份阶段NDVI变化和驱动力可能会发生改变。同时整体或分段的研究思路并未涉及植被覆盖变化过程及趋势持续变化，而逐步增加时段、注重持续变化过程将是未来NDVI监测的重要内容[10]。此外，对杭锦旗植被覆盖变化多为定性研究或两景影像地类转化分析[11]，而将具有重要生态意义的变化过程“粗略化”，未能做到逐月、逐年监测。

因此，笔者以杭锦旗为研究对象，以MOD13Q1 NDVI作为数据源，采用固定起始年份，逐步增加结束年份的分析方法并辅以Sen+Mann-Kendal趋势和Hurst指数等方法，探究杭锦旗2000—2017年植被覆盖变化特征及驱动力，以期为杭锦旗荒漠化治理、掌握植被合理密度及生态政策评价等提供参考。

1 研究区概况

杭锦旗是以库布齐沙漠为核心的生态地理区，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西北部，横跨鄂尔多斯高原与河套平原[12]，西、北部均以黄河为界(图1)，总面积约为1.90万km2。该区处于干旱、半干旱区过渡地带，属典型温带大陆性气候区，具有干旱少雨、蒸发量大等特点，年降水量为144.6～336 mm且集中在7—9月。植被类型主要为干草原、荒漠化草原、草原化荒漠和荒漠草原[13]，由东向西呈过渡性分布，而沙区则以沙生植被为主，地带性显著。

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

选取2000—2017年植被生长季(5—10月)16 d合成的数据产品MOD13Q1，空间分辨率为250 m。使用MODIS影像投影转换工具(MRT)及批处理文件，完成影像拼接、投影转换等工作，再利用最大值合成法得到月、年NDVI时间序列数据。该方法可消除大气、云、太阳高度角等天气因素的影响[14]。气象数据选用中国地面气候资料日值数据集(V3)提供的杭锦旗周边15个固定站点的气温及降雨量，利用matlab软件完成月值数据处理，采用反距离权重法进行空间插值。土地利用类型选自全国地理信息资源目录服务系统发布的全球30 m地表覆盖数据，时间为2010年。造林数据来自2002—2017年中国林业统计年鉴。植被类型及生态系统数据来源于中国科学院资源环境数据平台。气象、植被类型及生态系统数据利用ArcGIS软件进行行列号、投影方式等一致性处理，以达成与NDVI数据的匹配。

2.2 分析方法

2.2.1Sen+Mann-Kendall(M-K)趋势显著检验

该方法能够提高检验精准度，减少异常值的影响，同时对数据误差具有较强抵抗性。公式如下：

(1)

式(1)中，xi和xj为研究时段内第i和j个数据。当β>0时，植被覆盖呈改善趋势；反之，则呈退化趋势。

采用固定起始年份、逐步增加结束年份的方法，以5 a为公差值依次等间距累加至2017年，将研究时段划分为2000—2004、2000—2009、2000—2014和2000—2017年4个时间序列阶段并根据趋势斜率范围(|Z|)以及M-K值划分趋势等级(表1)。

2.2.2未来趋势分析

Hurst指数(H)可用于定量描述要素未来变化特征，依据杭锦旗现阶段植被覆盖变化预测未来变化趋势，对降低植被生长风险及评价生态建设成效具有重要意义。采用R/S分析法计算该指数，通过标准差与极差比值是否满足R/S=[R(τ)/S(τ)]∝(τ/2)H加以判定，若成立，则说明植被覆盖时间序列具有Hurst现象，利用最小二乘法可计算得到H值[15]。

表1 2000—2017年杭锦旗植被覆盖趋势变化等级

2.2.3相关性及残差分析法

杭锦旗因其特殊地理原因，降水和温度是影响该区植被覆盖变化最直接、最重要的气象因子[16]。采用复相关及偏相关系数法研究气象要素与NDVI(INDV)之间的相关性；残差分析法可用于定量描述人类活动对研究区植被覆盖的影响。公式如下：

ε=INDV真实值-INDV预测值。

(2)

式(2)中，ε为NDVI残差值。ε>0，表示人类活动具有正面效应，反之则为负面干扰；ε=0，表示人类活动干扰不显著。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖变化特征

3.1.1NDVI空间分布及趋势变化

杭锦旗植被覆盖由北向南空间分布呈“高低高”特征〔图2(a)〕。

北部是黄河冲击形成的平原，以耕地为主，NDVI最高；中北部沙区NDVI最低，分布大量流动、半流动沙地，不适宜植被生长；南部伊和乌素苏木乡和锡尼镇植被类型以草地和天然保护林为主，植被覆盖较高。

各年份阶段植被覆盖趋势变化结果〔图2(b)〕如下：2000—2004年，NDVI改善面积占比为39%，其中，轻微改善面积占比为36%，在巴拉贡镇、伊和乌素苏木以及锡尼镇集中分布。退化面积分布较少，程度较轻，占总面积的6%。总体上，2000—2004年除库布齐沙区周边外，研究区大部分为轻微改善，显著改善区域仅分布在锡尼镇南部。

2000—2009年，NDVI轻微改善面积占比下降24百分点，而显著改善区域扩增至独贵塔拉南部以及锡尼镇大部，占比为15%。退化面积大幅度减少，伊和乌素苏木、独贵塔拉南部逐渐向显著改善及基本稳定过渡，但在北部建筑用地出现退化现象。

2000—2014年，NDVI改善区域面积占比持续扩张增至40%，主要分布于伊和乌素苏木北部、独贵塔拉南部以及锡尼镇。北部滩地出现较大面积的退化区域，由于城镇化快速发展，致使耕地向建筑用地转化，植被退化严重。此外，伊和乌素苏木部分基本稳定区域发生退化。

2000—2017年，NDVI改善区域面积与2000—2014年相比变化不显著，占比为38%。杭锦旗西南部退化区域继续扩大，具有由点向面发展的联动态势。与2000—2004年相比，2000—2017年研究区大部分轻微改善区域转为显著改善，转换总面积为4 415 km2，尤其是锡尼和独贵塔拉两镇。中部沙区部分呈基本稳定状态的区域转变为显著改善区域面积同样占有较大比例。

各乡镇4个时段趋势及显著性变化见图2(c)。总体上，主要趋势变化为基本稳定，尤其是吉日嘎朗图和呼和木独镇，占比在70%以上。显著改善区域面积占比增加明显，以2000—2014年为基点，2000—2009、2000—2014和2000—2017年分别增加11%、25%和23%。退化区域面积占比在前两个时段呈递减趋势，而随后5、8 a间各乡镇轻微退化区域逐渐扩张。2000—2004年各乡镇多为轻微改善，锡尼镇改善程度最高，而吉日嘎朗图镇最低；2000—2009年，锡尼镇显著改善区域面积增加最多，程度最大，独贵塔拉次之，巴拉贡镇改善效果不佳，其32%的面积转为基本稳定；2000—2014年，各乡镇均有不同程度的改善；2000—2017年，乡镇显著改善面积略有下降，伊和乌素苏木和巴拉贡镇退化面积较大，呼和木独镇虽然退化区域较小，但程度最强。

3.1.2不同土地利用NDVI变化

土地利用变化是植被覆盖变化的重要表现，结果显示：草地为主要土地类型，其面积占总面积的53.58%，沙地次之，占比为36.66%，有林地与灌丛面积占比分别为0.05%和1.29%。此外，杭锦旗共有耕地1 236 km2，占比为6.51%。土地利用类型NDVI均值由大到小依次为耕地(0.45)、有林地(0.39)、灌丛(0.26)、草地(0.25)和沙地(0.14)。耕地在北部滩地集中分布，为多年农耕区，植被覆盖常年较高。有林地多分布于沿黄农业区及锡尼镇，NDVI次之。库布齐沙区及西部梁地为灌丛主要分布区，植被类型以旱生灌木为主。杭锦旗草地属干草原、荒漠草原两类的过渡类型，退化现象较严重[17]，NDVI较低。库布齐沙区是杭锦旗沙地主要分布区，NDVI最低。

研究结果表明，有林地NDVI增速最快，为0.004 6 a-1，灌丛次之，增速为0.004 3 a-1，其次为草地，增速为0.003 4 a-1。增速不显著性符合耕地特性，为0.003 1 a-1，沙地增速最慢，仅为0.002 5 a-1。各土地利用类型NDVI变化趋势由大到小依次为有林地、灌丛、草地、耕地和沙地。有林地、灌丛及草地增长说明三北防护林、退耕还林等工程实施效果显著，沙地增速最低表明飞播造林、荒山荒地造林等生态措施适用该区，人类活动促进了杭锦旗植被覆盖的增加。

3.1.3NDVI持续性变化

植被覆盖变化是具有自相似性和长程依赖性的自然现象[18]。Hurst(H)指数可用于定量描述NDVI时间序列长程依赖性，有效揭示植被未来演化趋势及方向[19]。依据H值范围及大小可以对NDVI序列是否存在持续性进行判别。若0≤H<0.5，说明NDVI时间序列具有长程依赖性，未来发展具反持续性，即现阶段呈改善(退化)的基本单元未来表现为退化(改善)；若H=0.5，说明前后时间序列变化互相独立；若0.5

为进一步明确未来植被覆盖发展规律，将NDVI变化趋势与Hurst指数重分类后进行耦合分析，结果见表2。

整体上，研究区未来植被覆盖主旋律为退化，其区域面积占比为57.94%，但程度较轻，48.46%的退化区域为弱反持续性&改善。在空间上〔图4(b)〕，改善区域主要分布在库布齐沙区、锡尼镇大部以及伊和乌素苏木。值得注意的是，伊和乌素苏木南部现阶段为轻微退化，而未来则转变为弱反持续性&退化区域，表明该区域治理措施颇具成效，应继续落实高质量植被建设。北部滩地和城镇密集区表现为持续性退化，土地利用类型的重构以及城镇扩张的加快均会引起植被退化。

表2 变化趋势及Hurst指数耦合分析统计

3.2 驱动力要素分析

3.2.1NDVI对气象因子的响应

全球气候表现为变暖趋势且存在明显的区域及季节性差异。在这种背景下，各类气候要素变化速率增加，使得目前气候变化具有不确定性[21]。基于此，在时间和空间尺度下，分别计算NDVI与年均气温、年降水的相关系数。结果(图5、表3)显示，在时间序列上，各时段NDVI与温度均呈负相关且相关性随时间序列延长而降低，与降水则呈较强的正相关。在空间上〔图6(a)〕，各年份阶段NDVI与降水主要呈正相关，显著正相关区域面积占比分别为7%、5%、17%和34%，随研究时段的延长，分布范围逐步向锡尼镇、伊和乌素苏木聚拢；显著负相关区域面积占比较小，仅在吉日嘎朗图及伊和乌素苏木零星分布。由图6(b)可知，4个时段气温与NDVI以负效应为主，显著负相关区域面积占比分别为8%、7%、5%和3%，主要分布在伊和乌素苏木大部和吉日嘎朗图部分地区，该区处于干旱区，高温会增加干旱及最大潜热蒸发量，降低地表土壤含水量，对植被生长造成负面作用[22]；显著正相关区域仅在锡尼镇呈零星分布，NDVI随温度上升而增大，温度增加会适当延长植被生长季，提高光合作用和水分效率[23]，利于植被生长。

表3 时间序列下各时段气象因子与NDVI的相关系数(r)

为深入明确降水、温度对NDVI的影响，结合偏相关、复相关系数对气象驱动力进行分区[24]，依据见表4。结果〔图6(c)〕表明：2000—2004年，除巴拉贡镇外，大部分区域植被覆盖变化受气象因子作用较大，属于气象驱动型，其中复合驱动型占比为43%，表明降水、温度的复合作用为该时段NDVI变化主要因素之一；2000—2009年，研究区74%的面积区域为非气象要素驱动型，显著相关区仅在伊和乌素苏木周边分布；2000—2014年，降水驱动型和复合驱动型区域面积占比分别为22%和20%，巴拉贡镇、伊和乌素苏木以及锡尼镇均有分布；2000—2017年，杭锦旗南部植被覆盖变化与气象要素相关性较强，与2000—2014年相比，面积和分布差异不明显。

3.2.2NDVI对人类活动的响应

依据残差值和显著性，将人类活动分为正干扰(ε>0，P<0.05)、负干扰(ε<0，P<0.05)和干扰不显著(P>0.05)。

由图6(d)可知，随着研究年限的增长，人类活动正干扰区呈扩增态势，2000—2004、2000—2009、2000—2014和2000—2017年其面积占比分别为2%、25%、46%和50%，分布范围由“伊和乌素苏木北部发散区”“吉日嘎朗图-独贵塔拉北部东西相接沿黄分布区”“独贵塔拉南部-锡尼镇零星分布区”构成。退耕还林、三北防护林等林业工程治理效果在上述区域得到显现，18 a来累计造林2 401 km2(图7)，同时落实高质量、高标准造林，在墒情、品种和栽植等方面严格把控[25]，致使NDVI由2000年的0.18上升至2017年的0.24。北部滩地部分区域出现NDVI残差呈减少趋势，该区域多为建筑用地周边，人类活动增多导致耕地、草地及有林地被征收占用，使高植被NDVI的土地利用类型向低植被NDVI转化。

表4 气象驱动力分区依据

为探究不同尺度下人类活动复杂性及区域尺度效应，以时间、植被类型及生态系统尺度进行分析。就时间尺度(图8)而言，18 a间人类活动经历了从最初负干扰破坏向正干扰改善的转变，增速为2.4%·(10 a)-1。最初5 a间，残差均值小于0且逐年降低；2000—2009年，人类活动干扰完成由负向正的改变，正向活动逐渐加大，增速为4.1%·(10 a)-1；2000—2014年，残差增速〔3.0%·(10 a)-1〕略有降低，但在2012、2013年该阶段残差达最高值。就植被类型尺度(表5)而言，人类活动对栽培植被和草原的干扰多为不显著，随着研究时段的延长，两者干扰不显著区域面积占比呈递减趋势，而正干扰区域面积占比则呈递增趋势。此外，对栽培植被的负干扰也呈递增趋势；草甸和荒漠植被受人类正干扰影响较大，4个时段呈显著增加趋势。就生态系统尺度而言，人类活动对森林和荒漠生态系统的干扰以正向为主且呈逐步扩大态势，而对农田和草地的干扰以不显著为主；聚落生态系统正干扰区域面积占比逐阶段加大，表明研究区城镇发展速率加快。

表5 不同植被类型以及生态系统残差比例

3.2.3各阶段驱动力贡献

结合气象驱动力分区〔图6(c)〕、人类活动干扰〔图6(d)〕及植被覆盖显著性变化〔图2(b)〕，明确各阶段驱动力。2000—2004年，NDVI以轻微改善为主，该区与气象驱动区分布基本吻合且人类活动干扰不显著，因此气象要素为该时段植被覆盖变化最关键驱动力；2000—2009年，气象要素显著作用区域对应多为NDVI显著性基本稳定，植被覆盖变化不显著，而人类活动正干扰范围与改善区域一致性较高，因此该阶段人类正干扰为最重要驱动因素；2000—2014年，杭锦旗南部为气象主要驱动区，北部为人类活动正干扰区，伊和乌素苏木北部发散区和沿黄河呈“几”字型分布区植被改善主要受到人类正向活动的影响，独贵塔拉南部-锡尼镇零星分布区由降水、温度及人类活动共同作用；2000—2017年，影响杭锦旗植被覆盖变化的关键驱动力要素为气象及人类活动正干扰。

4 结论

(1)杭锦旗NDVI空间分布具有异质性。各时间序列NDVI显著改善区域面积占比分别为3%、14%、28%和26%，开始增加而后略有减少，主要由基本稳定和轻微改善区域转化，而退化区域在北部滩地、建筑用地密集区及伊和乌素苏木南部集中分布，其占比在前两个时段呈递减趋势，随后5、8 a间逐渐扩张。

(2)研究区土地覆盖类型NDVI均值由大到小依次为耕地、有林地、灌丛、草地和沙地，有林地、灌丛和草地NDVI增速明显，沙地最低。

(3)杭锦旗未来植被覆盖主旋律为退化，其区域面积占比为57.93%，但程度较轻，需进一步精准施策，加强生态保护力度。持续性改善区域主要分布在库布齐沙区、锡尼镇大部及伊和乌素苏木，北部滩地和各乡镇城镇密集区表现为持续性退化。

(4)就时间序列而言，各研究时段NDVI与温度均呈负相关且随时间序列延长相关性越低，与降水呈较强的正相关性；就像元尺度而言，降水与NDVI主要呈正相关关系，在锡尼镇、伊和乌素苏木呈集中分布，而温度以负效应为主，显著负相关区逐阶段递减，在研究区西北部呈零星分布。人类活动对NDVI影响具有双重效应：一方面，生态林业工程对植被覆盖恢复具有正向作用，以建设荒漠植被及森林、荒漠生态系统为主；另一方面，土地利用类型的重构和城镇扩张均会造成NDVI降低。

(5)4个阶段驱动力分别为气象要素、人类活动、气象和人类活动。驱动力逐渐复杂化，单一驱动对NDVI影响较弱，气象和人类活动共同作用对植被覆盖影响更加显著。此外，人类活动干扰范围逐步向北移动，而气象驱动区南移趋势更为明显。