黄土高原植被绿化时空变化特征及驱动力分析

张华留

摘 要：研究了黄土高原地区春、夏、秋三季植被绿化的时空变化特征，并进一步分析气候变化驱动因素和人类活动对黄土高原地区植被变化的影响。研究结果表明：黄土高原地区植被NDVI在春、夏、秋三季均呈现明显的增长趋势，且在夏季植被NDVI的增长趋势最为显著。黄土高原地区植被NDVI绿化面积分布广泛，主要集中在中部和东部地区。降水在春、夏两季对黄土高原植被NDVI生长较为显著，而秋季显著影响范围较小。温度对其植被NDVI生长的影响主要在春季。人类活动对黄土高原地区的植被NDVI具有积极的影响，主要得益于生态保护工程的实施。

关键词：黄土高原；NDVI；时空变化；气候变化；人类活动

中图分类号：X87文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）02-0-06

0 引言

黄土高原位于黄河流域中游，是世界最大的黄土覆盖区域，其生态环境十分敏感脆弱[1]。由于过度放牧、森林砍伐等人类活动干扰以及干旱气候的限制，黄土高原地区面临着严重的植被退化、水土流失、土壤侵蚀等严重的生态环境问题，属于我国生态建设的重点地区[2-4]。自20世纪90年代以来，退耕还林、还草等一系列生态恢复计划在黄土高原地区开展实施，以缓解该地区日益严重的生态环境问题[5，6]。

植被是陆地生态系统的重要组成部分，在土壤、水和大气的物质能量循环中起着重要作用[7]。植被生长情况的改善可以减缓土壤侵蚀、水土流失等生态环境问题[8]。探索黄土高原地区植被覆盖变化情况是评价该地区生态修复成效的重要指标。基于卫星遥感的归一化差值植被指数（NDVI）与植被覆盖度、叶面积指数、生物量和土地利用密切相关，可用有效的评价区域植被生长状况和植被覆盖率，是监测陆地植被变化的重要指标之一，被广泛应用于全球或区域的植被研究中[9]。

气候环境和人为活动都会影响植被的空间和时间动态。因此，在本研究中，我们主要基于植被NDVI数据对1999—2019年黄土高原地区的植被覆盖情况进行监测与分析并探讨气候变化（温度与降水）和人类活动对黄土高原地区植被覆盖变化情况的影响，为该地区的生态恢复计划提供一定的参考。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

黄土高原（100°54′～114°07′E，33°41′～41°07′N）位于中国中北部，黄河流域中部（图1），是中国四大高原之一。主要包括横跨山西、青海、陕西、内蒙古、甘肃、宁夏、河南等地，总面积约为640，000 km2。该地区以大陆性季风气候为主，年平均气温3.6～14.3℃，年降水量从东南（800 mm）向西北（150 mm）逐渐减少，整体植被覆盖率较低，土壤侵蚀严重。

1.2 数据源

研究使用NDVI来表示植被的生长情况，NDVI数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/），时间跨度为1999—2019年的月值数据，空间分辨率为1km×1km。使用平均值合成方法来获得1999—2019年春（3—5月）、夏（6—8月）、秋（9—11月）三季的NDVI季度平均数据。

气象数据来自国家青藏高原科学数据中心（https：//data.tpdc.ac.cn/），空间分辨率约为1km，

数据格式为“.nc”格式。通过使用MATLAB软件将1999—2019年的月降水数据与月温度数据转化为“.tiff”格式，并使用平均值合成方法来获得1999—2019年春、夏、秋三季的降水与温度季度平均数据。

2 研究方法

2.1 趋势分析

研究使用Slope趋势分析方法拟合1999—2019年春、夏、秋三季植被NDVI季度平均数据斜率得到多年变化趋势，综合分析黄土高原地区多年植被覆盖变化方向和速率，其计算方法如下：

式中：Slope—植被NDVI回归方程的斜率； NDVIi—第i年植被NDVI的平均值；n—研究的时间序列长度，取值为21。

当Slope>0时，表示植被NDVI为增加趋势；当Slope＜0时，表示植被NDVI为减少趋势。并采用F检验法对植被NDVI变化趋势进行显著性分析，当α>0.05时，通过显著性检验。

2.2 偏相关分析

在研究中考虑了温度和降水两个气候因素，采用偏相关分析算法来分析研究区植被NDVI生长情况与气候指标之间的联系，其计算公式如下：

式中：Rxy，Rxz和Ryz—分別为植被NDVI与温度、植被NDVI与降水、温度与降水的相关系数；Rxy（z）—植被NDVI与温度的偏相关系数，降水为控制变量；Rxz（y）—植被NDVI与降水的偏相关系数，温度为控制变量。

2.3 残差分析

在量化人类活动对植被变化的影响时，常使用残差分析法算法，其计算方法如下：

式中：—植被NDVI的计算值；x1—温度；x2—降水；a、b—回归系数；c—随机误差。

通过植被NDVI计算值与实际值之间的差值，获得年植被NDVI残差并线性回归，得到植被NDVI残差趋势。当残差为正时代表人活动对植被生长为正向促进作用，而残差为负时代表对植被生长为抑制作用。

3 结果与分析

3.1 气候与植被NDVI的时空变化

如图2与表1所示，1999—2019年，黄土高原地区植被NDVI在春、夏、秋三季均呈现明显的增长趋势（p＜0.001）。在夏季植被NDVI的增长趋势最为明显，是春季、秋季增速的两倍。在1999—2019黄土高原春、夏、秋三季的植被NDVI平均值分别为0.27、0.48、0.36，春季与秋季的植被NDVI最高值与最低值年份均为2018年与1999年，分别为0.31、0.40与0.22、0.29；夏季植被NDVI平均值为0.48，植被NDVI最高的年份是2018年，为0.56，植被NDVI最低的年份是2001年，为0.38。

在空间上，1999—2019年期间黄土高原地区植被NDVI总体呈上升趋势（图3），面积分布广泛，主要集中在中部和东部地区，表明随着退耕还林、还草等工程的全面实施，该地区的生态环境明显改善。在春季，83.40%的植被NDVI呈上升趋势，69.02%植被NDVI显著增加，16.60%植被NDVI呈下降趋势，其中显著下降面积占6.25%（图3a）；对于夏季而言，94.07%的植被NDVI呈上升趋势，81.68%植被NDVI显著增加，仅有5.93%植被NDVI呈下降趋势，而显著下降只占1.95%（图3b）；在秋季，91.69%的植被NDVI呈上升趋势，其中72.09%植被NDVI显著增加，8.31%植被NDVI呈下降趋势，其中显著下降面积占2.04%（图3）。植被NDVI下降的地区主要集中在黄土高原西北干旱地区和陕西南部。

在时间变化上，研究分析了黄土高原地区植被NDVI在春、夏、秋三季每10年的时间尺度上变化率值的变化情况（图4）。在春季（图4a），随着时间序列的推进，每10年植被NDVI变化率值变化呈现先降低后上升的趋势，其中1999—2009年春季植被NDVI的增加速率最大，其值为0.0052/10 a，增加速率最小的年份为2004—2014年，其值为0.002/10 a，在2004年之后的每10年时间序列的植被NDVI变化率值呈逐步增加趋势。在夏季（图4b），每10年时间尺度上的植被NDVI的增加速率值均较高，其值分布在0.0059/10 a～0.0097/10 a，变化率值的增加趋势呈现先减后增再减的波动变化，夏季每10年植被NDVI的增加速率最快的年份为2004—2014年，每10年植被NDVI的增加速率最慢的年份为2001—2011年。在秋季（图4c），每10年空间尺度上的植被NDVI变化率值呈现逐年递减的趋势，其中1999—2009年秋季植被NDVI的增加速率最快，其值为0.0073/10 a，增加速率最慢的年份为2008—2018年，其值为0.0018/10 a。

如表2所示，黄土高原地区气候在1999—2019年总体上春、夏、秋三季温度与降水均呈现缓慢增长趋势，温度上升趋势并不显著（p＞0.05），而降水量呈显著增加（p＜0.05）。黄土高原降水集中在夏季，其夏季平均降水量分别约为春季与秋季降水量的3倍与2倍。夏季降水量曾在2014与2015年大幅下降，并于2015年出现21年来的最低降水量值，随后继续上升，但其增加趋势仍然显著，降水量的增加能缓解黄土高原干旱严重程度。

3.2 气候对植被NDVI变化的影响

在1999—2019年期间，黄土高原地区植被NDVI与春季降水有23.17%像素的偏相关系数负（p＜0.05时为0.36%），主要位于黄土高原北部的内蒙古草原和南部的关中平原，76.83%像素的偏相关系数为正（p＜0.05时为18.18%），29.93%的像素的偏相关系数分布在0.2～0.4；夏季降水与植被NDVI在黄土高原北部的内蒙古草原由春季的负相关变为正相关，其中有92.81%像素的偏相关系数为正（p＜0.05时为36.18%），有7.19%像素的偏相关系数负（p＜0.05时为0.03%），主要位于黄土高原南部，38.13%的像素的偏相关系数分布在0.4～0.6；秋季降水与植被NDVI有14.50%像素的偏相关系数负（p＜0.05时为0.11%），85.50%像素的偏相关系数为正（p＜0.05时为2.95%），46.56%的像素的偏相关系数分布在0～0.2。春季、夏季降水显著促进植被NDVI生长的地区分布并不一致，春季主要位于黄土高原中部地区，而夏季主要位于北部，秋季降水对植被NDVI生长的显著影响范围较小。

植被NDVI与温度偏相关系数的空间格局存在一定的空间差异。黄土高原北部部分区域，植被NDVI与温度大的偏相关系数在春、夏、秋三季均为负相关。在春季88.40%的地区的温度与植被NDVI呈现正相关（p＜0.05时为17.95%），而在夏秋季分别为71.30%和73.32%，其中呈现显著正相关的像素仅占1.37%和2.95%。温度对黄土高原地区植被NDVI生长情况的影响主要在春季。

研究计算了不同植被类型的NDVI在春季、夏季、秋季与气候因子之间的R值（图6）。对于降水而言，所有类型的植被NDVI均与降水呈现正相关关系，其中林地、灌丛、草原、草丛、草旬、沼泽等地区的植被NDVI与降水之间的R值在春季、夏季、秋季波动均较小，荒漠地区的植被NDVI与降水之间的R值波动较大。林地、灌丛、草原、草旬等地区的植被NDVI对夏季降水最为敏感，草丛地区的植被NDVI对春季降水最为敏感，而沼泽地区的植被NDVI对秋季降水最為敏感。对于温度而言，不同植被类型的NDVI在春季、夏季、秋季与温度之间的R值存在正负相关关系。其中林地、灌丛、草丛、草旬等地区的温度对植被NDVI的生长在春季、夏季、秋季均起促进作用，荒漠、草原等地区的温度在秋季与植被NDVI呈现负相关关系，沼泽地区的温度在夏季与秋季均与植被NDVI呈现负相关关系。其中草丛与草旬等地区的植被NDVI与降水之间的R值在春季、夏季、秋季波动均较小，林地的植被NDVI对春季与秋季的温度较为敏感，草原与沼泽等地区的植被NDVI对春季温度较为敏感。荒漠地区的植被NDVI与温度和降水的R值在春季、夏季、秋季波动均较大，这可能是由于荒漠地区的植被更容易受到极端气候的影响或受人类活动因素影响较大。

3.3 人类活动对植被NDVI变化的影响

在1999—2019年期间，植被NDVI残差变化趋势在春、夏、秋三季上均为正，表明人类活动对黄土高原的植被NDVI生长具有积极的正向促进作用。在春季81.44%地区的人类活动对植被生长起促进作用，18.56%地区的人为影响对植被NDVI具有负面影响；夏季93.37%地区的人类活动对植被生长起促进作用，6.63%地区的人为影响对植被NDVI具有负面影响；秋季89.34%地区的人类活动对植被生长起促进作用，10.66%地区的人为影响对植被NDVI具有负面影响。在黄土高原西北部部分区域人类活动对植被NDVI变化有负面影响作用，人类活动对黄土高原中部植被生长的正面影响相对较强，主要得益于生态保护工程的实施。

4 結论

（1）过去20多年来，黄土高原地区的植被NDVI呈显著上升趋势，除西北部分地区植被NDVI出现下降情况外，其余地区植被NDVI在春、夏、秋季均呈现显著增加，面积分别为69.02%、81.68%、72.09%，植被绿化效果现显著。

（2）黄土高原地区的温度在春、夏、秋季均呈现不显著小幅度上升趋势。植被恢复可能改善了局部小气候从而促进了降水使研究区降水量呈显著增加，使得黄土高原干旱严重程度得到一定缓解。

（3）温度和降水对黄土高原地区的植被NDVI主要起促进作用，春季降水对黄土高原中部地区植被NDVI生长较为显著，夏季降水对黄土高原北部地区植被NDVI生长较为显著，秋季降水对植被NDVI生长的显著影响范围较小。温度对黄土高原地区植被NDVI生长情况的影响主要在春季。

（4）近20年来，人类活动对黄土高原地区的植被NDVI具有积极的影响，特别是高原东北部植被的积极影响，这主要得益于生态保护工程的实施。但是在内蒙古西北部和陕西南部，城市扩张和基础设施建设等人类活动对植被干扰不可忽略。

参考文献：

[1] 刘英， 李遥， 鲁杨， 岳辉.2000—2016年黄土高原地区荒漠化遥感分析[J].遥感信息， 2019， 34（2）：30-35.

[2] 邓景成， 高鹏， 穆兴民， 赵广举， 孙文义， 田鹏， 宋小燕.黄土高原退耕还林工程对生态环境的影响及对策建议[J].水土保持研究， 2017， 24（5）：63-68.

[3] 刘国彬， 上官周平， 姚文艺， 杨勤科， 赵敏娟， 党小虎， 郭明航， 王国梁， 王兵.黄土高原生态工程的生态成效[J].中国科学院院刊， 2017， 32（1）：11-19.

[4] 李光录.黄土高原南部土壤退化机理研究[J].云南环境科学， 2000（S1）：89-92.

[5] 秦元伟， 闫慧敏， 刘纪远， 董金玮， 陈静清， 肖向明.生态退耕对中国农田生产力的影响（英文）[J].Journal of Geographical Sciences， 2013， 23（3）：404-416.

[6] 袁晓波， 尚振艳， 牛得草， 傅华.黄土高原生态退化与恢复[J].草业科学， 2015， 32（3）：363-371.

[7] 张振东， 常军.2001—2018年黄河流域植被NPP的时空分异及生态经济协调性分析[J].华中农业大学学报， 2021， 40（2）：166-177.

[8] 何永涛， 郎海玲.植被建设在黄土高原水土保持中的意义及其对策[J].水土保持研究， 2009， 16（4）：30-33， 38.

[9] 赵倩倩， 张京朋， 赵天保， 李建华.2000年以来中国区域植被变化及其对气候变化的响应[J].高原气象， 2021， 40（2）：292-301.

Abstract： In this study， the spatial–temporal evolution of the vegetation NDVI during 1999–2019 was analyzed， and the driving forces （including factors of climate and human activities） of the evolution were identified using the partial correlation coefficient analysis and residual analyses. The results showed that the vegetation cover of the Loess Plateau （LP） had exhibited an obvious increasing trend， and the increasing trend was the most significant in summer. The greening area in the Loess Plateau was mainly concentrated in the central and eastern regions. Precipitation had a significant impact on vegetation growth in spring and summer， while it had a small impact in autumn. The effect of temperature on vegetation growth was mainly in spring. Because of the implementation of ecological protection projects， human activities had a positive impact on the vegetation in most areas of the Loess Plateau.

Key words： the Loess Plateau; NDVI; spatiotemporal variation climate change; human activities