宁夏植被变化特征及其与气候、人类活动的关系

赵慧 韩颖娟 张承明 张学艺 李梦华 王艳萍 马力文 赵金龙

摘要：归一化植被指数（NDVI）是表征植被生长状况的重要因子。基于2000年以来的MODIS NDVI数据，运用Mann-Kendall检验、趋势分析、Hurst指数等方法，研究宁夏年最大NDVI时空变化特征及其与气候、人类活动的关系。结果表明：（1）宁夏多年平均最大NDVI呈现南北高、中间低的空间分布特征。（2）19年最大NDVI极显著上升，增长速率为0.008/年，70.3%的地区显著增大（P<0.05），植被生长状况明显改善，未来27.8%的区域最大NDVI将显著改善。（3）最大NDVI与春季、夏季和年降水量相关性较显著，与平均气温相关性较弱。最大NDVI与地方公共财政收入和地方公共财政支出呈极显著正相关关系（P<0.01）;大部分地區NDVI与人口及农作物总播种面积正相关，固原市与二者呈极显著负相关关系（P<0.01）。生态建设成效尚不稳固，需持续实施生态工程，改善植被生长状况。

关键词：NDVI;时空特征;植被变化;气候变化;人类活动

中图分类号： Q948.11;TP79  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）14-0220-06

植被是地球生态系统的重要组成部分，在地表一系列物质与能量交换过程中扮演着关键角色，对人类生产生活影响重大。植被生长对气候变化及人类活动的响应一直是陆地生态系统的研究重点之一，通过分析植被时空变化特征及其与气候因子、人类活动的关系，能够了解影响植被生长的关键因素，对应对气候变化具有重要意义，同时能为生态建设、植被恢复提供科学指导。近年来，植被指数成为描述植被生长状态的重要指标，广泛应用于土地利用[1]、植被分类[2]、植被净初级生产力[3]、森林病虫害[4]、农作物产量预估[5]等研究。其中，归一化植被指数（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）是一种能够反映植被光合作用强度的植被指数，是近红外波段与红光波段的反射率之差与两者之和的比值，可有效表征地面植被覆盖情况[6]，是揭示区域植被生长时空格局的重要指标。

宁夏回族自治区地处我国西北地区东部，位于我国北方农牧交错带，水土流失严重，生态环境敏感脆弱。2000年以来，宁夏依托三北防护林、天然林保护和退耕还林等国家重大林业工程，组织实施了封山禁牧、防沙治沙等一系列生态工程，实施生态补偿制度等，取得了较好的生态效益。目前，针对全国、西北及宁夏地区研究分析了AVHRR[7]、MODIS[7-8]、GIMMS[9]、SPOT-VGT[10-12]、NDVI数据的时空变化特征及其与气候因子的关系，表明宁夏植被生长受降水因素影响较大。但已有成果研究时段主要集中在2015年以前，且大多基于较低分辨率的NDVI数据，而近年来的研究多集中在更大区域，专门针对宁夏NDVI变化情况及其与气象因子、人类活动的关系的探索较少。因此，本研究基于2000—2018年MODIS NDVI 250 m分辨率数据，分析了宁夏各区域NDVI的变化特征及其与气候因子、人类活动的相关关系，探究影响宁夏植被变化的驱动因素，以期为宁夏乃至西北地区的植被生态恢复治理提供科学决策依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

宁夏（35°14′～39°23′N，104°17′～107°39′E）地处黄河中上游，三面环沙，大部分区域属温带大陆性气候，年平均降水量为300 mm左右，年蒸发量近 2 000 mm。按照气候、地形、植被等因素自北向南分为灌区（引黄灌溉区）、中部干旱带及南部山区。灌区农业资源丰富，以灌溉绿洲为主;中部干旱带气候干燥，植被类型以荒漠化草原为主;南部山区属于黄土高原，降水资源较为丰富，植被类型以森林、草原为主。

1.2 数据来源及处理

遥感数据来源于MOD13Q1 NDVI数据，分辨率为250 m。应用MRT工具进行重投影，将全年23期NDVI数据进行最大值合成，每个像元选取年内最大值作为该像元的值，得到2000—2018年每年的最大NDVI（NDVImax），批量裁切得到研究区数据。地面气象数据来自宁夏气象综合数据库，包括24个地面气象站19年逐日降水量、平均气温的数据统计得到春夏秋季以及全年值（春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月），并用ArcGIS进行克里金插值得到栅格数据。社会经济数据来自《宁夏统计年鉴》，包括地方公共财政收入、地方公共财政支出、人口和农作物总播种面积。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall检验 Mann-Kendall检验能够判断时间序列的变化趋势。通过计算得到按照时间序列（n个数据）正序得到的统计量序列，UFk（k=1，2，…，n），再按照时间序列逆序计算，使得统计量UBk=-UFk，绘制UFk、UBk 2条曲线，判识曲线交点，比较交点、统计量序列及给定显著性水平临界值线的关系，判断时间序列的突变点及变化趋势[13]。

1.3.2 趋势分析法 用一元线性回归得到NDVImax与时间的关系，应用最小二乘法估计NDVImax的变化趋势，即斜率：

b=n×∑ni=1（i×NDVIi）-∑ni=1i∑ni=1NDVIin×∑ni=1i2-（∑ni=1i）2。（1）

式中：b为趋势线的斜率;n为19;i为1～19;NDVIi为第i年最大归一化植被指数。b表征NDVI的变化速率，当b>0时，NDVImax呈增大趋势，植被改善;当b<0时，NDVImax呈减小趋势，植被退化。对斜率b进行显著性检验，变化趋势分为极显著（P<0.01）、显著（P<0.05）、不显著（P≥0.05）。

1.3.3 Hurst指数 Hurst指数能够描述时间序列变化的持续性。计算数据的差分序列，进而计算均值、标准差、累积离差、极差等，得到Hurst指数[14]。Hurst=0.50，表明时间序列前后的变化无关;Hurst>0.50，时间序列前后变化趋势相同，系统发展有持续性;Hurst<0.50，表明时间序列前后变化趋势相反，系统发展具有反持续性。Hurst越接近0，反持续性越强，越接近1，持续性越强。

1.3.4 相关性分析 应用Matlab、SPSS分析近19年宁夏NDVImax与降水量、平均气温栅格数据以及社会经济指标的相关性，对相关性进行显著性检验。P<0.05表示NDVImax与因子显著相关。

2 结果与分析

2.1 NDVImax时空特征

2.1.1 NDVImax空间分布特征 2000—2018年NDVImax平均值高值区主要位于灌区北部和南部山区，中部干旱带NDVImax较小。六盘山林区NDVImax最大，黄河流域、清水河流域、南华山林区、贺兰山林区次之，腾格里沙漠东南缘及环香山地区较小。灌区、南部山区NDVImax>0.50的面积均超过区域面积25%，灌区黄河流经，水资源丰富，南部山区降水较多，林草长势较好。中部干旱带NDVImax>0.50的区域仅占6.5%。南部山区植被总体好于灌区和中部干旱带（表1）。

2.1.2 NDVImax时间变化特征 2000—2018年宁夏平均NDVImax呈极显著上升，增长速率为0.008/年，平均值从2000年的0.29增长至2018年的0.50。2000年以来，NDVImax≤0.25的面积波动减小，NDVImax在0.50～1.00的面积占比以13.9%/年的速率极显著增加（图1）。

研究区2000—2018年NDVImax Mann-Kendall检验显示，宁夏、灌区、中部干旱带NDVImax 2009年起发生突变，南部山区2008年起发生突变。灌区、中部干旱带、南部山区分别从2010、2011、2011年起显著增长。银川市NDVImax突变年份最早，为2006年，中卫市最晚，为2010年。从突变年起，5市NDVImax均呈增长趋势。石嘴山和银川地区NDVImax呈显著增长的起始年份最早，分别为2007、2008年;中卫市最晚，为2012年。中卫市建于2004年，为5市最晚。NDVImax突变年份的早晚可能与城市发展水平及随之而来的绿化建设有关。

2000—2018年宁夏NDVImax斜率在-0.050～0.056之间。95.1%地区b>0，NDVImax呈增大趋势，4.9%地区呈减小趋势。斜率通过0.05水平显著性检验区均达各区域的50%，高值区主要位于灌区北部、大罗山、沿黄河沿清水河流域、吴忠中卫市南部及固原市，显著增加占全区70.3%，极显著增加占53.8%，斜率低值区占全区的1.5%，主要分布在银川市、利通区、沙坡头区、中宁县城区，NDVImax显著减小与城市发展有关。无b=0的区域。宁夏大部分地区NDVImax增大，植被状况总体改善明显（表2、图2-a）。

像元尺度2000—2018年宁夏37.7%的区域Hurst>0.50，NDVImax变化持续性较强区主要分布在盐池市中部、中卫市南部以及固原市。其余大部分地区NDVImax变化呈反持续性，40.5%区域Hurst值为0.4～0.5。区域尺度NDVImax持续性分析显示，宁夏Hurst指数为0.47，中部干旱带、南部山区、固原市、中卫市Hurst>0.50，NDVI有一定的持续性;灌区、银川市、石嘴山市、吴忠市Hurst<0.50，NDVImax有反持续性。除石嘴山市外，各区域 |Hurst-0.5|≤0.10，表明NDVImax持续性和反持续性均较弱（表2）。

将NDVImax空间变化趋势与Hurst指数分布图叠加，得到持续显著改善（Hurst>0.5，b>0），持续显著退化（Hurst>0.5，b<0）、反持续显著改善（Hurst<0.5，b>0）、反持续显著退化（Hurst<0.5，b<0）的分布。未来NDVImax将显著改善的区域占27.8%（持续显著改善27.2%，反持续显著退化0.6%）（图2-b）。

2.2 植被与气候变化的相关性分析

宁夏2000以来气候发生了明显变化。19年降水量增加速率为3.87 mm/年（R=0.474，P<0.05），增湿显著，3区5市增湿不显著。NDVImax与春夏秋季以及年降水量以正相关为主（图3-a～图3-d，表3）。春季固原市大部分地区降水量与NDVImax显著正相关，相关系数R较大，贺兰山、银川中部、吴忠东部、中卫西部和南部部分地区NDVImax与春季降水显著正相关。NDVImax与夏季降水显著正相关的相关系数高值区主要位于贺兰山东麓、沙坡头区西部和香山东南部部分地区;固原市夏季降水充足，南部NDVImax與夏季降水相关性不显著，此时降水不是植被生长的主要限制因子。大部分地区NDVImax与秋季降水量相关系数未通过显著性检验。63.5%区域的NDVImax与年总降水量显著相关，相关系数为0.50～1.00且通过显著性检验的区域主要位于贺兰山东麓、灌区南部、中部干旱带南部以及南部山区北部。

19年宁夏平均气温呈升高趋势，增温速率为0.028 ℃/年（R=0.401，P<0.1），增温不显著。银川、中卫市增温明显，增温速率分别为0.031 ℃/年（R=0.458，P<0.05）、0.049 ℃/年（R=0.588，P<0.01）。宁夏NDVImax与平均气温显著相关的面积较小（图3-e～图3-h，表3）。春季与NDVImax呈显著正相关的区域零星分布，相关系数大部分为0.25～0.75，春季气温高，则草地植被返青早，春播作物苗情好，NDVImax随温度升高而增大。NDVImax与夏季平均气温显著负相关主要分布在石嘴山市，显著正相关主要在银川市中部和中卫市北部。NDVImax与秋季平均气温显著负相关占全区的2.4%。NDVImax与年平均气温显著相关主要位于北部4市，其中负相关区主要在银川市北部。宁夏大部分地区NDVImax与春夏秋季、年平均气温无显著相关关系。

2.3 植被与人类活动的相关性分析

经济社会发展情况一定程度上可以表征人类活动的强度。地方公共财政收入、地方公共财政支出、人口、农作物总播种面积等社会经济发展指标与NDVImax的相关系数，可以表示植被与人类活动的相关性（表4）。地方公共财政收入和地方公共财政支出反映了区域经济发展水平，能够在一定程度上表征区域对不利气候因素影响的适应补偿能力。区域经济向好使得其在气候变化过程中具有较好的适应能力，且可能在城市绿化、农田水利设施等生态建设方面有更高的投入，因此，NDVImax与地方公共财政收入和支出呈极显著正相关关系，且相关系数均在0.70以上。

1982年以来，宁夏先后组织实施4次政策性移民搬迁。“十二五”期间重点实施的中南部生态移民攻坚工程，将中南部山区贫困程度深、生存条件差、发展难度大、不适宜人类生存地区生活最困难的群众，进行生态搬迁安置。固原市是移民重点迁出区。2000年以来，固原市人口极显著减少，人口密度降低，加上全面实施退耕还林、围栏禁牧政策，固原农作物播种总面积极显著减小，草地林地面积增加，NDVImax呈极显著增大趋势，NDVImax与人口、农作物播种总面积呈极显著负相关关系。其他市人口极显著增多，NDVImax与人口成极显著正相关，与吴忠市农作物总播种面积无显著相关关系，与其他市总播种面积显著正相关。

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究旨在明确宁夏归一化植被指数变化特征，了解植被与气候及人类活动的相关性。宁夏NDVImax总体上增长，且空间上呈现南北高、中间低的分布特征，该结果与中国[9，15]、西北地区[12]、黄土高原[16-17]、宁夏[18]、贺兰山[19]等区域的相关研究结论基本一致。本研究重点针对宁夏3区5市NDVImax变化特征进行对比分析，提高了精细化程度。研究显示宁夏大部分地区NDVImax具有弱持续性，与赵安周等针对黄土高原的研究[20]基本一致。相比于平均气温，降水量与宁夏NDVImax的相关性更显著，即水分因子是宁夏植被生长的主要限制因子，该研究结果与黄悦悦等的研究结论[18，21]基本一致，所用卫星数据分辨率更高、气象站点数更多，分析精度得到提升。近19年植被有所退化的区域主要集中在部分市（县、区）城区，可能位于城市扩张过程中土地利用类型转变的地区。有研究表明，人口城镇化发展、人口素质提高等能够减缓人口增加对植被覆盖的负面影响[22]。宁夏大部分地区NDVImax与人口以及农作物总播种面积呈正相关关系，可能得益于人口城鎮化发展、绿化技术进步、环保意识提高、农业技术及灌溉设施改善等因素，但研究时段较短，具体原因有待进一步探讨。

当前宁夏NDVImax变化普遍具有弱持续性，存在生态退化风险，需要继续依托生态工程的大力实施，提高NDVI变化稳定性，保护生态建设成果。同时，需要在城市化建设中，合理规划，在土地利用类型转换的同时，提高城市绿化覆盖率，与人工增雨、优化水资源利用、生态工程、生态补偿相结合，开展综合生态治理。

3.2 结论

本研究基于MOD13Q1 NDVI数据、气象数据、社会经济数据等，分析了宁夏NDVImax时空变化特征，研究了NDVImax与气候、人类活动的相关关系。研究结果表明：（1）宁夏多年平均NDVImax呈现出南北高、中间低的分布特征。南部山区植被好于灌区、中部干旱带。2000—2018年，宁夏平均NDVImax极显著增大，增长速率为0.08/年（P<0.01）;均值为0.384。（2）19年间，宁夏70.3%的地区NDVImax显著增大。植被有所退化的区域主要集中在银川市、大武口区、利通区、沙坡头区和中宁县城区。基于像元尺度Hurst指数和NDVImax线性倾向率分析，宁夏未来27.8%的区域植被将显著改善。NDVImax持续性较弱。（3）全区大部分地区NDVImax随夏季、年降水量增加而增大，与秋季降水相关性较弱;NDVImax与春夏秋季、年平均气温显著正相关面积较小。降水与宁夏NDVImax相关性更强，主要为正相关。NDVImax与地方公共财政收入和地方公共财政支出呈极显著正相关关系;大部分地区NDVImax与人口以及农作物总播种面积呈正相关关系，固原市NDVImax与二者呈极显著负相关关系。

生态工程是人为影响植被生长的重要驱动因素[23-25]，如退耕还林还草、封山禁牧等生态工程通过改善土壤质量[26]、水土流失[27]、草原植物群落结构[28]及提高产草量[29]、植被总初级生产力[30]等方式使植被得到恢复，NDVI增大。由于数据限制，文中未作深入探讨，需结合造林面积、绿化面积等数据进一步探讨生态工程对植被的影响。

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