黄土高原植被的时空变化及其驱动力分析研究

黄土高原植被的时空变化及其驱动力分析研究

黄土高原作为世界上最大的黄土区域，其生态环境变化对全国乃至全球都有重要影响。本文利用长时间序列的NDVI影像数据，结合气象资料、土地利用数据和人口空间数据，系统研究了黄土高原植被的时空变化特征及其驱动因素，为生态环境改善、植被恢复以及区域经济发展提供了科学依据。

研究背景与意义

植被作为构成地球生态系统的主要部分，在全球物质循环和能量流动中扮演重要角色。在全球气候变化和城市化的背景下，监测植被的时空变化，评估气候变化和人类活动对植被变化的影响程度，对确定合理的生态工程布局和适应性管理对策具有重要的实用价值。

黄土高原水土流失严重，是我国的生态脆弱区和水土保持重点区域。为了改善黄土高原日益恶化的生态环境，我国开始实施退耕还林、还草的政策。作为世界上最大的黄土区域，黄土高原植被覆盖是维系我国生态平衡不可缺少的重要生态屏障。因此，研究黄土高原地区的植被变化特征，探讨气候变化和人类活动对植被的影响变得十分重要和必要。

研究方法与数据来源

本研究利用黄土高原1982—2015年长时间序列GIMMS NDVI 3g数据及同时期气象资料，辅助土地利用数据和人口空间数据，并结合趋势分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数等方法，研究黄土高原的植被变化特征及未来变化趋势。

研究结果与分析

黄土高原NDVI时空变化特征

从NDVI的年际变化特征来看，黄土高原1982—2015年植被指数总体表现为波动上升趋势，且变化趋势较为明显的分为2个时期。1982—1999年黄土高原地区植被变化出现较为缓慢的增长趋势，而自从开始了退耕还林政策后，2000—2015年开始较为快速的增长，在2012的上升最为明显。

黄土高原植被格局呈现由东南向西北递减的态势，高值区主要分布在黄土高原东南部地区，该地区的植被类型主要分布为针叶林、落叶阔叶林、灌丛，植被长势较好。低值区主要分布在西北部区域，这些地区多为荒漠地区、牧区，植被较为稀疏。自从21世纪以来，植被覆盖率逐渐提高，退耕还林之后NDVI均值由0.478增加到0.51。

黄土高原NDVI变化趋势分析

采用一元线性回归分析法，通过95%的显着性检验，逐像元模拟黄土高原NDVI植被变化特征。结果显示，1982—2015年以来，黄土高原大部分地区植被呈现增加趋势，植被呈现增加的区域占总面积的87.90%，有71.20%的区域通过了(P<0.05)的显着性检验。植被减少大都出现在省会区域或者重工业区域，比如西宁，西安，包头等，由于经济的快速发展，人口的大量集中，使生态环境遭到破坏。

黄土高原NDVI趋势预测

基于Hurst指数和研究区的实际情况，对黄土高原NDVI的可持续进行统计分析发现大部分区域是反持续发展的。根据图5分析黄土高原NDVI的Hurst指数平均值是0.416，呈现持续性和反持续性的区域分别占13.70%和86.30%，表明黄土高原地区反向特征要强于同向特征。从空间分布来看，NDVI呈现持续性发展的地区大多集中在中部地区，未来的植被将可能改善；而反持续的主要分布在北部丘陵沟壑区，未来植被可能会出现退化趋势，需要注意。

植被变化与气候因子相关分析

黄土高原地区植被NDVI和降水和平均温度的相关分析显示，NDVI与降水的相关系数在-0.53～0.77，与温度的相关系数是-0.76～0.70。经过分析，NDVI与降水的相关系数的平均值为0.21，呈现正相关的区域占总面积的84.51%，大多分布在干旱区、半干旱区所在的城市，15.49%的区域呈现负相关，分布在东南部半湿润地区，只有30.82%通过了(P<0.05)显着性检验。NDVI与平均温度的相关系数平均值0.14，呈现正相关的区域占总面积的79.94%，负相关的区域约占20.06%，分布在半干旱区的包头市和呼和浩特市；半湿润区东南部的西安市和渭南市；半湿润区中东部的山西中部太原市、吕梁市、延安市等，只有28.76%通过了(P<0.05)显着性检验。因此相比于黄土高原植被与温度的关系，黄土高原的降水对植被变化的影响更加明显。

进一步采用偏相关分析来分析降水和气温对植被的影响。据图7可知NDVI与降水的偏相关系数在-0.51～0.80，与平均温度的偏相关系数-0.76～0.71。经过分析，NDVI与降水的偏相关系数的平均值是0.26，呈现正相关的区域占总面积的88.56%，分布在干旱区、半干旱区的绝大部分城市，11.44%的区域呈现负相关，分布在东南部，总共有37.74%通过了(P<0.05)显着性检验；NDVI与平均温度的偏相关系数的平均值是0.21，呈现正相关的区域占总面积的81.45%，负相关的区域占18.55%，大约有35.6%通过了(P<0.05)显着性检验。

采用偏相关系数分析降水和植被的单独作用后，进一步采用复相关系数分析降水和气温对植被的综合影响。NDVI与降水、平均气温的复相关系数在0.005～0.80，平均值是0.40。有48.95%通过了显着性检验，复相关系数比偏相关系数、相关系数更高表明气候因子对植被生长的复合影响力更大。

人类生产活动对植被的影响

从图9可以看出，黄土高原地区残差值呈上升趋势，且残差值由负转正，说明人类活动对黄土高原的植被影响由消极转变成积极。从2000年开始，趋势明显加快，说明退耕还林有着改善植被作用。由图10可知，黄土高原大部分地区的NDVI残差呈现增长的趋势，增长的区域达到88.94%，残差降低的区域为11.06%。NDVI残差呈现减少的区域主要出现在一些经济发展较快的区域，如西安、银川、西宁、呼和浩特等周边地区。这些地区经济发展较快，人口比较集中化，以及城市化快速发展，从而导致该经济发达地区的NDVI值减少。上述地区是我国重要工业基地，在发展的过程中，不免会破坏当地的生态环境。NDVI残差增长的区域基本是黄河灌溉区、陕北高原等地区。NDVI残差的增加说明体现人类活动对植被变化起到了促进作用，例如陕北高原、鄂尔多斯高原是明显的增加，是退耕还林、退耕还草的重点区域。说明人类活动对植被变化起着很重要的作用，为生态治理提供了科学依据。

为了更深入研究气候变化和人类活动对植被的影响程度，通过叠加NDVI的趋势图、年最大NDVI与年降水量、年均气温的复相关系数和残差趋势图可以看出，人类活动和气候因子引起的植被恢复约占总面积的11.32%，人类活动引起的植被恢复约占总面积的32.74%，气候因子引起的植被恢复约占总面积的4.56%。而引起植被退化的面积占总面积非常小，说明整体气候与人类活动都是促进植被恢复，与气候因子相比，人类活动对植被恢复的影响更加明显，说明研究区的退耕还林、还草政策实施较好，人为因素起了作用。

讨论

土地利用的变化

人类活动引起的土地利用也是植被变化的主要因子，从土地利用数据表明，1980—2010年以来，耕地、草地、水体和未利用土地面积减少，而林地和建设用地面积增加，说明一系列的生态工程活动在黄土高原地区起到了良好的作用。耕地、草地、水体和未利用土地面积分别1980年的211 791、268 249、10 456和46 605 km2减少至2010年的210 234、264 759、9 566和45 787 km2；林地和建设用地面积分别从1980年的97 901和14 172 km2增加至2010年的101 538和17 285 km2。黄土高原土地利用类型具有明显的分阶段变化特征，以2000年为分界点，1980—2000年主要变化特征为草地面积减少，耕地、建设用地增加，随着人口的增加，城市化的发展，大量耕地转变为建设用地，大量草地被开垦成耕地，草地面积减少；2000—2010年主要变化特征是耕地和草地面积都减少，林地面积增加。增加的林地主要来自于耕地和草地，随着退耕还林、还草等生态工程的实施，有大量的耕地转变为草地与林地，使得黄土高原植被面积持续增加。

人口的规模与变化

人口的迁移也会影响着植被，根据人口普查数据，1995—2010年，黄土高原地区的总人口呈现逐年增长的趋势，1995年黄土高原的总人口数为 9 162.77 万人,2000年总人口10 052.43万人,2000年后人口增速变缓,2010年总人口达到 10 771.93 万人。由于自然地理和经济发展的限制，人口分布表现出很大的空间异质性，人口集中区域基本集中省会等经济发达地区。根据图12和NDVI变化趋势图叠加分析可知，可以表明人们倾向于生活在植被状况良好的区域，一定的人口可以维持植被的稳定生长，但是人口稠密也会对植被产生破坏作用，大规模的城市化建设，使得以前的耕地、草地、林地等转化为建设用地。人口的迁移还会给土地利用、植被带来变化。对于经济发达地区，大量人口迁入，会使建设用地不断增加，因此在经济发展较快的地区人类活动对植被NDVI起到了抑制的作用。

图12 1995—2010年黄土高原人口密度(a)及1995—2010年黄土高原人口密度变化幅度图(b)，人/km2

结论

总体上，黄土高原地区生态环境变化趋势向好，而变化原因相对于自然因素，人类活动是黄土高原地区生态环境变化的主要驱动因素，国家采取的一系列措施有效地明显改善了该地区的生态环境，而城镇化也带来了一些负面影响。以上结果说明，基于气象数据以及遥感NDVI数据采用的统计方法，对于黄土高原地区生态环境变化及其驱动因子的分析是有效的，总体结果符合实际情况。

由于黄土高原特殊复杂地形地貌的影响，数据、特别是遥感数据带有较大的不确定性，部分地区可能误差较大。因此，以上研究结果只是在总体上反映黄土高原的生态环境的状况。研究的深入还要有赖于更准确的数据以及详尽的实地调查。